CN102437087B - 抗辐照加固的soi结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

抗辐照加固的SOI结构及其制作方法。一种SOI结构抗辐照的制作方法，该方法包括以下步骤：提供两个晶片，在至少一个所述晶片的表面形成绝缘氧化层后；对所述绝缘氧化层进行辐照质子、中子等注入，在绝缘氧化层中引入位移损伤；将两个所述晶片通过所述绝缘氧化层进行键合；对键合后的两个晶片之一进行减薄，形成SOI结构。本发明在利用键合技术制备SOI的过程中，通过向埋氧层中注入质子、中子等引入位移损伤形成复合中心的方法来提高SOI器件的抗辐照性能，同时还避免了对顶层硅层所造成的损伤，不会影响器件的性能。

Description

抗辐照加固的SOI结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术，尤其涉及一种具有抗辐照性能加固的SOI结构及其制作方法。

背景技术

相对于其它半导体器件技术而言，绝缘体上硅(Silicon-On-Insulator，SOI)技术是一种全介质隔离技术。一种典型的SOI CMOS结构如图1所示，即在顶层硅膜与衬底之间存在一层介质层-埋氧层用来把器件有源区与衬底隔离。由于埋氧层实现了良好的隔离，因此SOI器件在器件抗辐照性能方面有这其它器件不可比拟的优越性，这也是起初发展SOI技术的动机。

尽管SOI器件由于埋氧层的存在实现了良好的隔离，器件有源区体积小，相对于体硅具有更低的泄漏电流，无闩锁效应，因此其抗辐照性能获得很大的提高。但是，由于埋氧层的存在，其内存在大量的空穴陷阱，当SOI器件持续工作于电离辐照环境中时，电离辐照会在埋氧层中激发电子-空穴对，电子会很快迁移出埋氧层，而空穴会被空穴陷阱俘获，成为固定空间正电荷，造成正电荷的积累，这些固定空间电荷主要集中在Si/SiO₂界面附近。当埋氧层中的正电荷积累到一定程度时，SOI n沟道晶体管的背栅界面将会反型，致使器件漏电电流增加、电特性参数漂移，并最终失效。因此，相对于体硅器件，SOI器件在抗总剂量辐照能力方面并没有优势，反而因埋氧层的存在增加了抗辐照加固的复杂性，因此如何提高SOI器件的抗总剂量性能成为目前研究的焦点。

目前，主要通过离子注入的方式向已有的SOI结构的埋氧层中引入深电子陷阱或者复合中心，防止辐照产生的电子迁移出埋氧层，保持埋氧层的电中性，从而提高埋氧层的抗辐照能力，进而提高SOI结构的抗辐照能力、以及SOI器件的抗总剂量辐照水平。

但是，在向埋氧层中进行离子注入的同时，不可避免的会对顶层材料造成一定的注入损伤；此外，离子注入在有效改善埋氧层抗辐照性能的同时，必定影响到埋氧层的内部微观结构，宏观上表现为埋氧层电特性的变化，而这样的变化又可能反过来影响到离子注入对材料的抗辐照加固效果。

因此，希望提出一种可以解决上述问题的具有加固的抗辐照性能的SOI结构及其制作方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有加固的抗辐照性能的SOI结构及其制作方法，在SOI制备过程中通过辐照高能粒子的方法例如质子、中子等，在埋氧层中引入位移损伤，形成缺陷，这些缺陷相当于复合中心，从而减小辐照时产生的电子空穴对来提高SOI结构背栅隐埋氧化层的抗辐照性能，进而提高SOI器件的抗总剂量辐照水平。

在一个方面，针对目前制备SOI的键合技术，本发明提供一种SOI结构加固的制作方法，包括：

a)提供两个晶片，在至少一个所述晶片的表面形成绝缘氧化层；

b)对所述绝缘氧化层进行辐照质子注入引入位移损伤；

c)将两个所述衬底通过所述绝缘氧化层进行键合；

d)对键合后的两个晶片之一进行减薄，形成SOI结构。

在另一个方面，本发明提供根据上述方法制作的SOI结构。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)通过在智能键合技术制备SOI的过程中，对热氧化法所生成的SiO₂层进行辐照质子注入，向其中引入位移损伤形成复合中心，使得载流子的寿命减小，如此一来，在辐照过程中产生的大量电子-空穴对会被复合中心所复合，使埋氧层中陷阱所俘获的空穴数量大大减小，从而有效地提高SOI结构的抗辐照性能。而且，质子注入仅仅只是引入位移损伤，对埋氧层的电中性特性并不会产生影响；

(2)由于质子注入是在键合技术过程中直接对隐埋层进行的，因此控制注入能量可以对顶层硅层影响很小，因此，不会影响到SOI顶层器件的性能。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为现有技术中SOI CMOS结构的剖面示意图；

图2为根据本发明的加固SOI结构抗辐照性能的方法流程图；

图3(a)至图3(g)为根据本发明一个具体实施例按照图2所示流程加固SOI结构抗辐照性能的各个阶段的剖面示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

根据本发明的一个方面，提供了一种SOI结构抗辐照加固的制作方法。下面，将结合图3(a)至图3(g)对图2所示的本发明所提供的SOI结构加固的制作方法进行说明。如图2所示，所述方法包括以下步骤：

在步骤S101中，提供两个晶片，在至少一个所述晶片的表面形成绝缘氧化层。

具体地，首先，如图3(a)所示，提供两个晶片，即第一器件晶片100a和第二支撑晶片100b，在本实施例中，所述第一器件晶片100a和第二支撑晶片100b的材料相同，均为单晶硅。其中，所述第一器件晶片100a在后续的步骤中将用作形成SOI结构中的顶层硅层，而第二支撑晶片100b在后续步骤中将用作形成SOI结构中的衬底。所述第一器件晶片100a和/或第二支撑晶片100b的厚度可以约为但不限于几百微米，例如从0.5mm-1.5mm的厚度范围。

接着，在所述第一器件晶片100a和/或第二支撑晶片100b的表面形成绝缘氧化层。在本实施例中，通过热氧化的方式在所述第一器件晶片100a和第二支撑晶片100b的表面分别形成第一SiO₂层110a和第二SiO₂层110b，如图3(b)所示，其中，所述第一SiO₂层110a和第二SiO₂层110b在后续的步骤中，将用于形成SOI结构的埋氧层。

在步骤S102中，对所述绝缘氧化层进行高能粒子注入。

具体地，首先，如图3(c)所示，将热氧化后的所述第一器件晶片100a和第二支撑晶片100b放在辐照源下，对所述第一SiO₂层110a和第二SiO₂层110b进行辐照，在所述第一SiO₂层110a和第二SiO₂层110b中引入位移损伤形成缺陷。其中，所述辐照源可以是质子、中子，还可以是γ射线。在本实施例中，所述高能粒子注入的剂量范围为5×10¹⁶cm^-2至5×10¹⁷cm^-2，所述高能粒子注入的能量范围为3MeV至10MeV。本领域的技术人员应该可以理解，所述高能粒子注入的剂量和能量的大小和晶片表面氧化层的厚度有关，因此，上述所述高能粒子注入的剂量和能量范围不应作为对本发明的限制。

在步骤S103中，将两个所述晶片通过所述绝缘氧化层进行键合。

具体地，如图3(d)和图3(e)所示，将所述第一器件晶片100a和第二支撑晶片100b进行键合，键合后，所述第一器件晶片100a的第一SiO₂层110a和所述第二支撑晶片100b的第二SiO₂层110b连接在一起，形成第三SiO₂层200，该第三SiO₂层200用来作为SOI结构中的埋氧层。

在步骤S104中，对键合后的器件硅片进行减薄，形成SOI结构。

具体地，如图3(f)所示，对键合后所形成的半导体结构进行减薄，即，对用于形成顶层硅层的第一器件晶片100a进行减薄至所需的厚度。最后经过退火、抛光而形成SOI结构。如图3(g)所示，SOI结构从上至下为顶层硅层300-埋氧层200-衬底100b的三层结构，其中，顶层硅层300的厚度范围为200nm-300nm。

与现有技术相比，本发明所提供的方法具有以下优点：

(1)通过在智能键合技术制备SOI的过程中，对热氧化法所生成的SiO₂层进行质子注入，向其中引入位移损伤形成复合中心，使得载流子的寿命减小，如此一来，在辐照过程中产生的大量电子-空穴对会被复合中心所复合，使埋氧层中陷阱所俘获的空穴数量大大减小，从而有效地提高SOI结构的抗辐照性能。而且，质子注入仅仅只是引入位移损伤，对埋氧层的电中性特性并不会产生影响；

(2)由于质子注入是在智能键合技术过程中直接对隐埋氧化层进行的，因此对顶层硅层影响很小，因此，不会影响到SOI顶层器件的性能。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种SOI结构，该SOI结构是根据上述制造方法所制备的SOI结构。本发明所提供的SOI结构可以保持其埋氧层的电中性，具有良好的抗辐照性能。相应地，用本发明所提供的SOI结构所制作的SOI器件不但具有良好的器件性能，也具有良好的抗总剂量辐照水平。

虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，应当理解在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下，可以对这些实施例进行各种变化、替换和修改。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。

此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。

Claims (4)

1.一种加固SOI结构抗辐照性能的方法，该方法包括以下步骤：

a)提供两个晶片，在两个所述晶片的表面都形成绝缘氧化层；

b)利用辐照的方式，对所述绝缘氧化层进行高能粒子注入，所述辐照包括质子、中子、γ射线辐照的一种；

c)将两个所述晶片通过所述绝缘氧化层进行键合；

d)对键合后的两个晶片之一进行减薄，形成SOI结构。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述两个晶片的材料为单晶硅。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，在至少一个所述晶片的表面形成绝缘氧化层包括对至少一个所述晶片的表面进行热氧化，以形成SiO₂层。

4.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述高能粒子注入的剂量范围为5×10¹⁶cm^-2至5×10¹⁷cm^-2，所述高能粒子注入的能量范围为3MeV至10MeV。