CN85103942A - 绝缘层上多晶硅的激光加热再结晶方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种制备SOI材料的激光加热再结晶方法，属于半导体器件及集成电路的制造工艺。本发明采用激光加热方法使两层SiO2中间的多晶Si再结晶，从而得到良好表面质量的SOI材料，可供制造器件和集成电路。本方法与常规的集成电路工艺相容，工艺简单，而且提高了激光能量的利用率。

Description

本发明是绝缘层上多晶硅（Silicon    on    Insulator-SOI）的激光加热再结晶方法。属于半导体器件及集成电路的制造工艺。
绝缘层上多晶硅的激光再结晶所制备的SOI材料可用于制造高速、抗辐照器件、复合功能电路及三维结构的集成电路。它具有易于隔离，缩小电路尺寸、提高集成度，寄生电容小、提高器件速度及工作频率，抗辐照能力强、可靠性高以及与常规的集成电路工艺相容等优点，价格也比SOS（Silicon    on    Sapphire）材料低。
激光加热再结晶制备SOI材料是在热氧化后的Si材料上，用低压化学汽相淀积（LPCVD）多晶Si层，然后用激光束辐照加热，使多晶硅层局部熔化再结晶。由于再结晶过程是局部熔化-固化的过程，因而材料表面不易平整，使器件制造工艺发生困难。改进SOI材料的表面质量采用的方法是使激光束整形和改变激光扫描的方式。前者是改变激光束强度分布的剖面，如日本专利特开昭57-128024，59-121822及T.J.Stultz等人在Appl.Phys.Lett，39，6，498（1981）上发表的文章，通过光学系统或两台激光器使激光束的强度分布变成弯月形或双峰状等，从而得到较好的再结晶表面。但使用两台激光器投资大，光学系统的使用又导致激光功率的损失，而且效果也不理想。日本专利特开昭58-56316及美国专利US 4466179采用改变激光扫描的方式，即先后两次垂直方向的扫描以提高材料表面质量，但这种方式使效率降低一倍。另外，J.Sakurai等人通过淀积不同厚度的SiO2和Si3N4二层薄膜作保护层（Appl.Phys.Lett.，41，1，64，1982）来 改善表面质量，但对不同层的厚度要求相匹配，工艺复杂，难度比较大。
本发明的目的在于采用简单的方法，使激光加热再结晶制备的SOI材料具有良好的表面质量，可供常规的集成电路工艺线用于制造SOI器件与集成电路。
本发明是在单晶Si上用热氧化方法生长一层SiO2，然后用低压化学汽相淀积一层多晶Si，在激光加热再结晶以前，再在多晶Si上以化学汽相淀积一层SiO2，形成SiO2夹层。利用Si与SiO2的熔点不同（Si为1415℃，SiO2约为1610℃），采用连续氩离子激光器，控制氩离子激光束的功率及扫描速度，使得多晶Si层完全熔化，而SiO2不熔化，保持了局部液相区域的稳定性，限制了Si熔化时的表面张力，从而得到表面质量良好的SOI材料。
使用本发明的方法不仅可以使制得的SOI材料具有适合于半导体器件及集成电路制造的良好的表面质量，而且由于SiO2的折射率比Si低，因而多晶Si层上的SiO2层起到了光学增透膜的作用，适当选择与所用激光波长相匹配的SiO2层的厚度，可使复盖膜层的反射率为极小，从而提高了激光能量的利用率。
图1是激光再结晶制备SOI材料的样品结构，图中1是单晶Si衬底，2是热氧化的SiO2层，3是用低压化学汽相淀积的多晶Si层，4是化学汽相淀积的SiO2层。
以下是一种实施方法：
单晶Si衬底，厚度约350μm，用常规方法抛光清洗后热氧化生长SiO2层，厚度为0.1～1μm，采用低压化学汽相淀积生长多晶Si层，厚度为0.5～0.8μm，再用化学汽相淀积0.5-1.5μm的SiO2。用一般加热方法使整个样品在再结晶过程中保持温度为250～550℃，以连续氩离子激光器（多模多谱线，主要谱线5145
Figure 85103942_IMG1
）进行辐照再结晶，激光功率为6-10W，经聚焦后光斑直径40-80μm，样品置于x，y两维自动扫描的工作台上，x方向扫描速度为2-10cm/秒，y方向每次步进使相邻扫描线重迭50%，再结晶过程中使局部的多晶Si层温度为1415-1600℃。最后用稀氢氟酸去除表面的SiO2层，得到的SOI材料表面光洁度在14级以上，局部不平整度小于600
Figure 85103942_IMG2
。晶粒大小从激光辐照前的300-500
Figure 85103942_IMG3
增大到2×20μm到10×30μm。图2是本实施例用氩离子激光加热样品时的温度场分布，其中横坐标为离开表面的距离，纵坐标为温度。Ⅰ区为表面SiO2层（即图1中4），Ⅱ区为多晶Si层（图1中3），Ⅲ区为热氧化SiO2层（图1中2），Ⅳ区为单晶Si衬底（图1中1）。

Claims (3)

1、一种制备SOI材料的激光加热再结晶方法，属于半导体器件及集成电路的制造工艺，它使用连续氩离子激光束连续扫描加热使单晶Si衬底上热氧化得到的SiO2上生长的多晶Si再结晶，制备有良好表面质量的SOI材料，其特征在于在多晶Si表面再生长一层化学汽相淀积的SiO2层，形成Si-SiO2-多晶Si-SiO2夹层结构。
2、按权利要求1所述的方法，其特征是热氧化SiO2，多晶Si及化学汽相淀积SiO2层的厚度分别是0.1-1μm，0.5～0.8μm及0.5-1.5μm。
3、按权利要求1或2所述的方法，其特征所采用的氩离子激光器功率为6-10W，光斑直径40-80μm，样品置于x、y两维自动扫描的工作台上，X方向扫描速度2-10cm/秒，y方向每次步进使相邻的扫描线重迭50%，用一般加热方法使整个样品在再结晶过程中保持在250-550℃，激光辐照加热时使局部多晶Si层的温度为1415-1600℃。
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