CN102130038A

CN102130038A - 采用离子注入制备绝缘体上硅材料的方法

Info

Publication number: CN102130038A
Application number: CN201010608050XA
Authority: CN
Inventors: 魏星; 曹共柏; 张峰; 王曦
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS; Shanghai Simgui Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS; Shanghai Simgui Technology Co Ltd
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2011-07-20

Abstract

一种采用离子注入制备绝缘体上硅材料的方法，包括如下步骤：提供单晶硅衬底；将氧离子注入至单晶硅衬底中，以在单晶硅衬底中形成富氧层，以及覆盖在富氧层表面的器件层；对注入后的单晶硅衬底实施第一次退火；对注入后的单晶硅衬底实施第二次退火，第二次退火气氛中氧浓度大于第一次退火气氛中的氧浓度，以增厚绝缘埋层。本发明的优点在于，采用了两步不同退火工艺的方法，第一次退火过程用于绝缘埋层形成以及器件层再结晶修复晶格损伤，第二次退火过程提高了气氛中的氧气浓度，用于增厚已形成的绝缘埋层，提高埋层质量，采用两次氧气浓度不同的退火工艺能够有效地提升SIMOX材料埋氧层质量。

Description

采用离子注入制备绝缘体上硅材料的方法

技术领域

本发明是关于一种制备绝缘体上硅材料的方法，特别涉及一种采用离子注入制备绝缘体上硅材料的方法。

背景技术

SOI(Silicon on Insulator，绝缘体上的硅)是为了满足航空航天、导弹和卫星电子系统等空间及军事电子领域的需求而发展起来的一种技术。SOI技术作为一种全介质隔离技术，具有诸多体硅技术不可比拟的优越性，包括：速度快、功耗低、短沟道效应小、集成度高、抗干扰和抗辐射能力强等，正逐渐成为制作高速、低功耗、高集成度和高可靠性超大规模集成电路的主流技术，同时还在高压功率器件、光无源器件、MEMS(Micro-electro-mechanical-Systems，微机电系统)等领域得到广泛应用。业界公认SOI技术是维持Moore定律走势的两大利器之一，被国际上誉为“21世纪的微电子技术”和“新一代硅”。

SOI材料按其顶层硅薄层的厚度，可分为薄膜SOI(顶层硅通常小于1μm)和厚膜SOI(顶层硅通常大于1μm)两大类，不同顶层硅厚度的SOI材料具有不同的应用领域。

目前，SOI材料的制备技术主要有注氧隔离技术(SIMOX)、键合及背面腐蚀技术(BESOI)。其中，由于键合及背面腐蚀技术具有工艺简单、成本低等优点，因此受到人们的重视，虽然埋氧层厚度连续可调，但是通过研磨或者腐蚀的办法减薄顶层硅，顶层硅的厚度均匀性很难得到精确控制，仅能制备厚膜SOI材料。通常，商用键合SOI晶片顶层硅厚度通常大于5μm，厚度均匀性为±0.5μm。

采用SIMOX技术制备的SOI材料，顶层硅厚度一般在200nm以内，并且具有优异的顶层硅厚度均匀性，主要面向薄膜应用。目前，获得应用的主要是全剂量SIMOX材料，其制备方法为剂量为1.8×10¹⁸cm^-2的氧离子注入进单晶硅片中，经过高温退火，促进氧在硅片内部聚集成核而形成约400nm厚的连续的二氧化硅绝缘埋层。但是，由于受到大剂量氧离子的轰击，所制备的SOI材料顶层硅质量较差，表现为线位错密度较大。此外，由于氧元素在二氧化硅内扩散速度大于硅氧化速度，因此其绝缘埋层内形成了硅岛，进而降低了整个绝缘埋层击穿强度，而且高的注入剂量也极大地提高了生产成本。为了进一步降低SIMOX材料的制造成本，人们提出了低剂量SIMOX技术，该工艺仅需在4×10¹⁷cm^-2的注入剂量下边可以形成连续的绝缘埋层。并且随着注入剂量的降低，所制备的SIMOX材料顶层硅晶体质量得到了有效的提高。但是，低剂量SIMOX技术制备的SOI材料埋氧层厚度较薄，绝缘性能较差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种采用离子注入制备绝缘体上硅材料的方法，能够解决低剂量SIMOX工艺中绝缘埋层厚度薄的缺点。

为了解决上述问题，本发明提供了一种采用离子注入制备绝缘体上硅材料的方法，包括如下步骤：提供单晶硅衬底；将氧离子注入至单晶硅衬底中，以在单晶硅衬底中形成富氧层，以及覆盖在富氧层表面的器件层；对注入后的单晶硅衬底实施第一次退火，在含氧气氛中进行，使富氧层转变成绝缘埋层，并修复器件层中的注入损伤；对注入后的单晶硅衬底实施第二次退火，亦在含氧气氛中进行，第二次退火气氛中氧浓度大于第一次退火气氛中的氧浓度，以增厚绝缘埋层。

作为可选的技术方案，所述第一次退火的步骤中，温度范围是1000℃～1400℃，氧气的含量是0～20％(体积百分比)，退火的时间范围是1～20小时。

作为可选的技术方案，所述第二次退火的步骤中，温度范围是1000℃～1400℃，氧气的含量是10％～50％(体积百分比)，退火的时间范围是1～20小时。

作为可选的技术方案，所述注入氧离子至单晶硅衬底的步骤采用单次注入工艺，注入剂量范围是5×10¹⁶cm^-2～1×10¹⁸cm^-2，注入能量范围是20keV～500keV，注入温度范围是100℃～800℃。

作为可选的技术方案，所述注入氧离子至单晶硅衬底的步骤采用两次注入工艺：第一次离子注入，注入能量范围是20keV～500keV，注入剂量范围是0.59×10¹⁷cm^-2～9×10¹⁷cm^-2，注入温度为100℃～800℃；第二次离子注入，注入能量范围是20keV～500keV，注入剂量范围是1×10¹⁴cm^-2～1×10¹⁶cm^-2，注入在室温下进行。

本发明的优点在于，采用了两步不同退火工艺的方法，第一次退火过程用于绝缘埋层形成以及器件层再结晶修复晶格损伤，第二次退火过程提高了气氛中的氧气浓度，用于增厚已形成的绝缘埋层，提高埋层质量，采用两次氧气浓度不同的退火工艺能够有效地提升SIMOX材料埋氧层质量。

附图说明

附图1所示是本发明具体实施方式的实施步骤流程图，

附图2A至附图2D所示是本发明具体实施方式的工艺示意图。

具体实施方式

接下来结合附图详细介绍本发明所述一种采用吸杂工艺制备带有绝缘埋层的半导体衬底的方法的具体实施方式。

附图1所示是本方法的实施步骤流程图，包括：步骤S10，提供单晶硅衬底；步骤S11，将氧离子注入至单晶硅衬底中，以在单晶硅衬底中形成富氧层，以及覆盖在富氧层表面的器件层；步骤S12，对注入后的单晶硅衬底实施第一次退火，在含氧气氛中进行，使富氧层转变成绝缘埋层，并修复器件层中的注入损伤；步骤S13，对注入后的单晶硅衬底实施第二次退火，亦在含氧气氛中进行，第二次退火气氛中氧浓度大于第一次退火气氛中的氧浓度，以增厚绝缘埋层。

附图2A至附图2D所示是本发明具体实施方式的工艺示意图。

附图2A所示，参考步骤S10，提供单晶硅衬底200。所述单晶硅衬底200可以是N型、P型或者本征单晶硅。为了避免后续注入步骤对表面的过度损伤，亦可以在单晶硅衬底200表面覆盖一保护层(未图示)，例如可以是氧化硅或者氮化硅薄层，以保护单晶硅衬底200的表面。

附图2B所示，参考步骤S11，将氧离子注入至单晶硅衬底200中，以在单晶硅衬底200中形成富氧层210，以及覆盖在富氧层表面的器件层220。

此步骤可以选用单次注入工艺或者多次注入工艺。当采用单次注入工艺时，注入剂量范围是5×10¹⁶cm^-2～1×10¹⁸cm^-2，注入能量范围是20keV～500keV，注入温度范围是100℃～800℃，优化的注入温度为550℃。注入能量和剂量存在一定的匹配关系，此匹配关系根据设备的状态而存在差异，例如在有的设备中，选取180keV注入能量是的注入剂量大约为4×10¹⁷cm^-2。多次注入工艺例如可以是两次注入。第一次离子注入，注入能量范围是20keV～500keV，优化的注入能量为200keV，注入剂量范围是0.5×10¹⁷cm^-2～9×10¹⁷cm^-2，优化的注入剂量为3×10¹⁷cm^-2，注入温度为100℃～800℃，优化的注入温度为550℃，其原则亦是注入剂量应在相对应注入能量的剂量窗口附近，以保证其退火后形成连续绝缘埋层；第二次离子注入，注入能量范围是20keV～500keV，优化的注入能量为190keV，注入剂量范围是1×10¹⁴cm^-2～1×10¹⁶cm^-2，优化的注入剂量为2×10¹⁵cm^-2，注入在室温下进行。注入在单晶硅衬底200中形成富氧层210，以及覆盖在富氧层表面的器件层220。由于注入粒子对晶格的冲击，在器件层220中形成了位错等注入损伤，该损伤将在后续退火过程中得以修复。

附图2C所示，参考步骤S12，对注入后的单晶硅衬底200实施第一次退火，在含氧气氛中进行，使富氧层210转变成绝缘埋层211，并修复器件层220中的注入损伤。

将注入后的单晶硅衬底200进炉退火，退火气氛为氧氩混合气体，升温至退火温度。第一次退火的温度为1000～1400℃，优化的退火温度为1350℃，升温速率为1～50℃/min，优化为3℃/min，退火气氛为氧氩混合气体，氧气含量为0～20％，优化为6％，退火时间为1～20小时，优化为退火时间为8小时，在第一次退火过程中，富氧层210处的氧将聚集成核形成连续的绝缘埋层211，并且器件层220在高温下发生再结晶以修复晶格损伤。如在单晶硅衬底200表面覆盖有保护层，应在退火前采用腐蚀等方法将其去除。

附图2D所示，参考步骤S13，对注入后的单晶硅衬底200实施第二次退火，亦在含氧气氛中进行，第二次退火气氛中氧浓度大于第一次退火气氛中的氧浓度，以增厚绝缘埋层211。

第二次退火的退火温度为1000～1400℃，优化的退火温度为1350℃，即与第一次退火工艺温度相同。当然也可以比第一步退火工艺高或者低。当温度与第一次退火温度不同时，温度变化的速率应当控制在0.1～20℃/min，应适当减小升降温速率以避免在单晶硅衬底200中产生大量的热应力而导致碎裂，优化为1℃/min。第二步退火气氛同样为氧氩混合气体，氧气含量为10-50％，优化为30％，退火时间为1～20小时，优化的退火时间为9小时。上述第一次与第二次退火的氧气含量范围有重叠，这并不意味着第二次退火工艺的氧浓度可以小于或等于第一次退火，即使两次退火工艺的氧浓度选取在交叠区域，也应当保证第二次退火工艺的氧气浓度大于第一次。在该退火过程中，第一次退火所形成的绝缘埋层211从气氛中获得补充氧元素的机会，故能够获得增厚的效果。增厚绝缘埋层211是通过气氛中的氧元素扩散穿透器件层220而与单晶硅衬底200中的硅元素发生反应而获得，其形成机理类似于热氧化，因此所获得的绝缘埋层211的增厚部分质地致密，具有较好的绝缘性能。

两步退火工艺完成后，开始降温，降温速率0.1～20℃/min，优化为3℃/min，直到出炉的允许温度。

传统的低剂量SIMOX技术制备与全剂量SIMOX技术相比，大幅度降低了注入剂量，降低了生产成本，毕竟提高了SIMOX材料的顶层硅的晶体质量。但是，低剂量SIMOX SOI材料埋氧层厚度较薄，绝缘性能较差。针对该问题，上述技术方案提出了一种包括两步不同退火工艺的方法，第一次退火过程用于绝缘埋层形成以及器件层再结晶修复晶格损伤，第二次退火过程用于增厚已形成的绝缘埋层，提高埋层质量。实验表明，采用两次退火的工艺能够有效地提升SIMOX材料埋氧层质量。

综上所述，虽然本发明已用较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所申请的专利范围所界定者为准。

Claims

1.一种采用离子注入制备绝缘体上硅材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供单晶硅衬底；

将氧离子注入至单晶硅衬底中，以在单晶硅衬底中形成富氧层，以及覆盖在富氧层表面的器件层；

对注入后的单晶硅衬底实施第一次退火，在含氧气氛中进行，使富氧层转变成绝缘埋层，并修复器件层中的注入损伤；

对注入后的单晶硅衬底实施第二次退火，亦在含氧气氛中进行，第二次退火气氛中氧浓度大于第一次退火气氛中的氧浓度，以增厚绝缘埋层。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一次退火的步骤中，温度范围是1000℃～1400℃，氧气的含量是0～20％(体积百分比)，退火的时间范围是1～20小时。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二次退火的步骤中，温度范围是1000℃～1400℃，氧气的含量是10％～50％(体积百分比)，退火的时间范围是1～20小时。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述注入氧离子至单晶硅衬底的步骤采用单次注入工艺，注入剂量范围是5×10¹⁶cm^-2～1×10¹⁸cm^-2，注入能量范围是20keV～500keV，注入温度范围是100℃～800℃。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述注入氧离子至单晶硅衬底的步骤采用两次注入工艺：

第一次离子注入，注入能量范围是20keV～500keV，注入剂量范围是0.59×10¹⁷cm^-2～9×10¹⁷cm^-2，注入温度为100℃～800℃；

第二次离子注入，注入能量范围是20keV～500keV，注入剂量范围是1×10¹⁴cm^-2～1×10¹⁶cm^-2，注入在室温下进行。