專利名稱：具有隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體襯底及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種實(shí)現(xiàn)集成電路隔離的方法，更確切的說，本發(fā)明旨在提供一種具有隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體襯底及其制備方法。
背景技術(shù)：
集成電路(Integratedcircuit)是一種微型電子系統(tǒng),它采用微圖形加工技術(shù)，把一個(gè)電路中所需的晶體管、二極管、電阻、電容和電感等元件及布線互連一起，制作在半導(dǎo)體晶片或介質(zhì)基片上從而實(shí)現(xiàn)特定的功能。本發(fā)明所指的集成電路特指硅基集成電路。當(dāng)前硅基集成電路工藝典型的主要包括了雙極工藝(Bipolar)和互補(bǔ)金屬-氧化物-半導(dǎo)體工藝(ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor,簡稱 CMOS),以及雙極-互補(bǔ)金屬-氧化物-半導(dǎo)體工藝(Bipolar-CMOS，簡稱BiCMOS)，還有雙極-互補(bǔ)金屬-氧化物-半導(dǎo)體-雙擴(kuò)散 MOS 工藝(Bipolar-CMOS-DMOS，簡稱 BCD)等。利用該等工藝制作的電路要實(shí)現(xiàn)正確的功能，集成電路內(nèi)部各個(gè)器件之間必須相互隔離，以使各個(gè)單個(gè)器件能獨(dú)立地工作，從而保證整個(gè)集成電路的正常工作。常用的隔離方法有兩類:其一是反偏PN結(jié)隔離和溝槽全介質(zhì)隔離，主要作用是防止相鄰器件的電極短路和寄生雙極器件的開啟，其二是局部場氧化(L0C0S)和淺槽隔離(STI)用于防止相鄰隔離島之間寄生MOS場效應(yīng)管的開啟。例如當(dāng)前已有的反偏PN結(jié)隔離工藝的先后順序如下(以P-硅襯底雙極工藝為例):
(l)、p-硅襯底投片；(2)N+埋層形成；(3)P+下隔離埋層形成；(4)N-外延層生長；(5)P+上隔離形成；(6)與P+下隔離埋層形成對通隔離。然后利用形成的隔離結(jié)構(gòu)來提供后續(xù)集成電路各元器件間的阻隔。用于防止相鄰器件電極短路和寄生雙極器件開啟的兩種隔離方法，都有其固有的缺陷。反偏PN結(jié)隔離占用芯片面積很大，相應(yīng)的寄生電容也較大，為了節(jié)省面積，通常需要增加一塊光刻版以便采用對通隔離的方法，但是節(jié)省面積的效果仍有限，尤其是對于高壓工藝，反偏PN結(jié)隔離方法會占用大量芯片面積。全介質(zhì)隔離雖然節(jié)省了芯片面積，但是需要應(yīng)用價(jià)格昂貴的絕緣層上硅襯底片(S0I)，而且沒法實(shí)現(xiàn)襯底接地，從而帶來高噪聲和損害電路的抗ESD性能。本發(fā)明綜合了反偏PN結(jié)隔離和介質(zhì)隔離兩者的結(jié)構(gòu)以及性能的優(yōu)點(diǎn)，既節(jié)省了芯片面積、簡化了工藝，又避免了使用昂貴襯底片，而且實(shí)現(xiàn)了可靠的襯底接地，因此能在縮小芯片尺寸的同時(shí)，極大提高電路性能和可靠性。本發(fā)明正是基于以上缺陷，提出了各種實(shí)施方式。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種具有隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體襯底，該半導(dǎo)體襯底包括一底部襯底和一位于底部襯底上方的外延層，包括:形成在半導(dǎo)體襯底中的一個(gè)或多個(gè)環(huán)形溝槽；內(nèi)襯于溝槽側(cè)壁和底部的介質(zhì)層；開設(shè)于溝槽底部的所述介質(zhì)層上的開口 ；填充在所述溝槽內(nèi)的并摻雜有高濃度摻雜物的填充材料；由所述摻雜物從所述填充材料中透過所述開口擴(kuò)散至溝槽底部附近的半導(dǎo)體襯底內(nèi)所形成的圍繞在溝槽底部的擴(kuò)散區(qū)；所述隔離結(jié)構(gòu)包含所述填充材料及介質(zhì)層和所述擴(kuò)散區(qū)，被包圍在環(huán)形溝槽內(nèi)側(cè)的所述外延層藉此被隔離結(jié)構(gòu)隔離成一個(gè)孤立的外延島區(qū)。在一種實(shí)施方式中，上述的具有隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體襯底，所述溝槽的深度大于外延層的厚度，溝槽貫穿外延層并向下延伸至所述底部襯底內(nèi)。在一種實(shí)施方式中，上述的具有隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體襯底，摻雜物擴(kuò)散至所述底部襯底位于溝槽底部附近的一部分區(qū)域內(nèi)，形成位于底部襯底內(nèi)的所述擴(kuò)散區(qū)。在一種實(shí)施方式中，上述的具有隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體襯底，摻雜物擴(kuò)散至底部襯底、外延層各自位于溝槽底部附近的一部分區(qū)域內(nèi)，形成所述的擴(kuò)散區(qū)，擴(kuò)散區(qū)的一部分位于外延層內(nèi)而另一部分位于底部襯底內(nèi)。在一種實(shí)施方式中，上述的具有隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體襯底，溝槽的深度等于外延層的厚度，溝槽貫穿外延層并終止在底部襯底的上表面，摻雜物擴(kuò)散至底部襯底、外延層各自位于溝槽底部附近的一部分區(qū)域內(nèi)，形成所述的擴(kuò)散區(qū)，擴(kuò)散區(qū)的一部分位于外延層內(nèi)而另一部分位于底部襯底內(nèi)。在一種實(shí)施方式中，上述的具有隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體襯底，溝槽的深度小于外延層的厚度，溝槽從外延層向下延伸并終止在外延層內(nèi)；以及摻雜物依次擴(kuò)散至外延層位于溝槽底部附近的一部分區(qū)域內(nèi)和底部襯底隔著外延層位于溝槽下方的一部分區(qū)域內(nèi)，形成所述的擴(kuò)散區(qū)，其一部分位于外延層內(nèi)而另一部分位于底部襯底內(nèi)。在一種實(shí)施方式中，上述的具有隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體襯底，摻雜物的摻雜類型與外延層相反，在所述隔離結(jié)構(gòu)中，所述擴(kuò)散區(qū)位于外延層內(nèi)的所述一部分與外延層之間以構(gòu)成PN結(jié)的方式，將外延島區(qū)的下部與環(huán)形溝槽外側(cè)的外延層實(shí)施隔離。上述的具有隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體襯底，還包括位于所述外延島區(qū)和底部襯底之間的一個(gè)掩埋層。在一種實(shí)施方式中，底部襯底、摻雜物為第一導(dǎo)電類型，掩埋層、外延層為與第一導(dǎo)電類型相反的第二導(dǎo)電類型，即當(dāng)?shù)谝粚?dǎo)電類型為N型時(shí)第二導(dǎo)電類型為P型，或當(dāng)?shù)谝粚?dǎo)電類型為P型時(shí)第二導(dǎo)電類型為N型。上述的具有隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體襯底，所述介質(zhì)層為氧化硅或氮化硅。上述的具有隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體襯底，所述填充材料為多晶硅或單晶硅或鍺硅合金。上述的具有隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體襯底，所述環(huán)形溝槽內(nèi)側(cè)的外延島區(qū)的水平橫截面呈方形、圓形、橢圓形或多邊形。在一種實(shí)施方式中，本發(fā)明提供一種在半導(dǎo)體襯底中制備隔離結(jié)構(gòu)的方法，包括以下步驟:S1、提供一半導(dǎo)體襯底，包括一底部襯底和在其上方生長的一外延層；S2、對半導(dǎo)體襯底進(jìn)行刻蝕，形成位于半導(dǎo)體襯底中的一個(gè)或多個(gè)環(huán)形溝槽；S3、在所述溝槽的側(cè)壁及底部襯墊一介質(zhì)層；S4、在位于溝槽底部的所述介質(zhì)層上刻蝕出開口 ；S5、向溝槽內(nèi)置入填充材料并在填充材料內(nèi)植入摻雜物；S6、通過高溫?zé)崽幚?，使所述摻雜物從所述填充材料中透過所述開口擴(kuò)散至溝槽底部附近的半導(dǎo)體襯底內(nèi)，以形成圍繞在溝槽底部的擴(kuò)散區(qū)；其中，所述隔離結(jié)構(gòu)包含所述填充材料及介質(zhì)層和所述擴(kuò)散區(qū)，用該隔離結(jié)構(gòu)將包圍在環(huán)形溝槽內(nèi)側(cè)的所述外延層隔離成一個(gè)孤立的外延島區(qū)。上述的方法，在步驟SI中，在所述底部襯底上方生長所述外延層之前，先在所述底部襯底頂部的局部區(qū)域通過摻雜的方式植入掩埋層，并在形成外延層之后，所述掩埋層位于底部襯底和外延層之間。上述的方法，在步驟S2中，在形成所述溝槽的步驟中，所述掩埋層位于被包圍在環(huán)形溝槽內(nèi)側(cè)的所述外延層與其下方的底部襯底之間。上述的方法，在步驟S3之前，即形成所述介質(zhì)層之前，先在溝槽的側(cè)壁及底部通過熱氧化法生長一層犧牲氧化層，其后通過濕法腐蝕將該犧牲氧化層移除。上述的方法，在步驟S3中，所述介質(zhì)層通過熱氧化法或化學(xué)氣相淀積法或物理氣相淀積法制備。上述的方法，在步驟S4中，先于溝槽側(cè)壁和底部的介質(zhì)層上形成聚合物，并利用干法刻蝕，進(jìn)行垂直單向性的回刻蝕，將溝槽底部的介質(zhì)層上所覆蓋的所述聚合物移除，而保留附著于溝槽側(cè)壁的介質(zhì)層上的聚合物；以及進(jìn)一步對位于溝槽底部的所述介質(zhì)層進(jìn)行刻蝕，以在溝槽底部的介質(zhì)層上刻蝕出貫穿介質(zhì)層的開口。上述的方法，在形成開口后，包括將附著于溝槽側(cè)壁的介質(zhì)層上的聚合物去除的步驟。上述的方法，在步驟S5中，填充材料通過化學(xué)氣相沉積或外延生長或物理氣相沉積的方式填充在所述溝槽內(nèi)。上述的方法，在步驟S2中，所述溝槽向下刻蝕的深度大于外延層的厚度，使溝槽貫穿外延層并向下延伸至所述底部襯底內(nèi)。上述的方法，在一種實(shí)施方式中，在步驟S6中，使摻雜物擴(kuò)散至所述底部襯底位于溝槽底部附近的一部分區(qū)域內(nèi)，以形成位于底部襯底內(nèi)的所述擴(kuò)散區(qū)。上述的方法，在一種實(shí)施方式中，在步驟S6中，使摻雜物擴(kuò)散至底部襯底、外延層各自位于溝槽底部附近的一部分區(qū)域內(nèi)，以形成所述的擴(kuò)散區(qū)，擴(kuò)散區(qū)的一部分位于外延層內(nèi)而另一部分位于底部襯底內(nèi)。上述的方法，在步驟S2中，所述溝槽的刻蝕深度等于外延層的厚度，使溝槽向下延伸貫穿外延層但終止在底部襯底的上表面，在步驟S6中使摻雜物擴(kuò)散至底部襯底、外延層各自位于溝槽底部附近的一部分區(qū)域內(nèi)，以形成所述的擴(kuò)散區(qū)，擴(kuò)散區(qū)的一部分位于外延層內(nèi)而另一部分位于底部襯底內(nèi)。上述的方法，在步驟S2中，所述溝槽的刻蝕深度小于外延層的厚度，使溝槽從外延層向下延伸并終止在外延層內(nèi)；以及在步驟S6中，使摻雜物依次擴(kuò)散至外延層位于溝槽底部附近的一部分區(qū)域內(nèi)和底部襯底隔著外延層位于溝槽下方的一部分區(qū)域內(nèi)，形成所述的擴(kuò)散區(qū)，其一部分位于外延層內(nèi)而另一部分位于底部襯底內(nèi)。上述的方法，所述底部襯底、摻雜物為第一導(dǎo)電類型，所述掩埋層、外延層為與第一導(dǎo)電類型相反的第二導(dǎo)電類型，即當(dāng)?shù)谝粚?dǎo)電類型為N型時(shí)第二導(dǎo)電類型為P型，或當(dāng)?shù)谝粚?dǎo)電類型為P型時(shí)第二導(dǎo)電類型為N型。


參考所附附圖，以更加充分的描述本發(fā)明的實(shí)施例。然而，所附附圖僅用于說明和闡述，并不構(gòu)成對本發(fā)明范圍的限制。 圖1A 11是本發(fā)明的方法流程示意圖。圖2A 2B是展示溝槽延伸至底部襯底表面或底部襯底內(nèi)而具有不同深度的實(shí)施方式的剖面圖。圖3A 3B是以俯視的方式觀察為方形和正六邊形的環(huán)形溝槽的示意圖。圖4A 4B是溝槽終止在外延層內(nèi)的剖面示意圖。
圖4B 4C是在溝槽內(nèi)填充填充物后的剖面示意圖。
圖4C 4D是填充物滲透至襯底的剖面示意圖。
具體實(shí)施例方式參見圖1A，利用圖中未示意出的帶有開口圖形的硬掩膜覆蓋在底部襯底100的上表面，作為一個(gè)摻雜掩蔽層，通過硬掩膜上面的開口，在一底部襯底100的頂部的局部區(qū)域，以離子注入的方法(或其他可選的有源摻雜方式)，形成一掩埋層101，其摻雜濃度在IO1Vcm3至IO1Vcm3之間，其厚度在50納米至4微米之間，而作為離子注入掩蔽層的硬掩膜往往會在形成該掩埋層之后被移除。之后可通過高溫退火的步驟，來消除由于離子注入帶來的晶格損傷等缺陷。然后如圖1B在底部襯底100上生長一層硅的外延層102，外延層
102的厚度在3 30微米之間，并且摻雜濃度在IO1Vcm3 1016/cm3之間。因此掩埋層101就位于底部襯底100和外延層102之間，掩埋層101通常會略微擴(kuò)散至外延層102中，所以掩埋層101最終的狀態(tài)是一部分位于外延層102內(nèi)，而余下的另一部分位于底部襯底100內(nèi)。半導(dǎo)體襯底150就包含了外延層102和承載該外延層102的底部襯底100。為了敘述的方便，定義底部襯底100為P型，而掩埋層101為N+型，以及外延層為N-型。參見圖1C，在外延層102的上表面覆蓋一層掩膜200，例如利用沉積或熱氧化等方法來形成的Si02，其厚度可達(dá)500 30000埃，當(dāng)然也可以通過熱氧化作用和低溫氧化物沉積或高密度等離子(HDP)相結(jié)合制備氧化物。注意這里掩膜200采用Si02僅僅是作為示范，其實(shí)掩膜200還可以是氮化硅等薄膜。之后用圖中未示意出的一光阻層涂覆于掩膜200之上，通過光刻技術(shù)的曝光顯影來將一光刻掩模板上的溝槽圖案轉(zhuǎn)移至光阻層中，并以帶有溝槽圖案的光阻層作為一個(gè)刻蝕屏蔽層來刻蝕掩膜200，從而在掩膜200中形成帶有溝槽圖案的開口圖形201，由于這些技術(shù)已經(jīng)被本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知，所以不再贅述。以掩膜200作為一個(gè)硬掩膜，以各向異性的方式刻蝕半導(dǎo)體襯底150,形成若干個(gè)溝槽103,從圖3A的俯視圖來觀察，溝槽103其實(shí)是一個(gè)閉合的環(huán)形溝槽，這在后續(xù)內(nèi)容中將會詳細(xì)描述。此時(shí)，掩埋層101就剛好位于被包圍在環(huán)形溝槽103內(nèi)側(cè)的外延層102與該部分被包圍的外延層102下方的底部襯底100之間。因?yàn)闇喜?03的深度并非是固定不變的，可以人為調(diào)節(jié)，所以我們先以溝槽103貫穿外延層102并向下延伸至底部襯底100內(nèi)為例進(jìn)行說明，另一些不同深度的方式將在后續(xù)的內(nèi)容中逐步詳細(xì)介紹。在一些實(shí)施方式中，可利用各向同性的刻蝕方式來形成溝槽103的底部，改善其底部拐角處的圓滑程度，將其刻蝕至接近圓角。在一些實(shí)施方式中，刻蝕溝槽103的深度Dt在3微米至60微米之間，優(yōu)選3 40微米，而溝槽103的寬度Wt在0.5微米至3微米之間。在一些實(shí)施方式中，為了提供一光滑表面給溝槽103，并降低溝槽103表面的物理損傷和各種缺陷，在溝槽103的底部和側(cè)壁生長一層犧牲氧化層202，如圖1D，例如可以在850攝氏度的水汽氧化80分鐘，因?yàn)闋奚趸瘜?02只是一過渡層，之后需要移除，所以這里可以采用熱預(yù)算小并且耗時(shí)短的濕氧生長法。接著可以用HF和氟化銨等混合溶液以濕法的方式腐蝕掉犧牲氧化層202。參見圖1E，生成介質(zhì)層104并將其覆蓋在溝槽103的側(cè)壁和底部，介質(zhì)層104往往需要是致密性較好的薄膜，例如可以是熱氧化法生成的一二氧化硅層，譬如1000攝氏度的干氧氧化81分鐘。注意這里介質(zhì)層104采用Si02僅僅是作為示范，其實(shí)掩膜200還可以是氮化硅等絕緣薄膜，其制備方式除了熱氧化法，還有化學(xué)氣相淀積或物理氣相淀積等方法來形成。介質(zhì)層104的厚度在50納米至1500納米之間。參見圖1F，可以先行在掩膜200的上方以及溝槽103的側(cè)壁和底部生成和覆蓋一層聚合物，并利用干法刻蝕，進(jìn)行垂直單向性的回刻蝕，將溝槽103底部的介質(zhì)層104上所覆蓋的聚合物移除，同時(shí)也將掩膜200上覆蓋的聚合物移除，而保留附著于溝槽103側(cè)壁的介質(zhì)層104上的聚合物204。然后利用聚合物204作為刻蝕遮罩，進(jìn)一步對位于溝槽103底部的介質(zhì)層104進(jìn)行刻蝕，以在溝槽103底部的介質(zhì)層104上刻蝕出貫穿介質(zhì)層104的開口 104a，聚合物204可保障溝槽103側(cè)壁的介質(zhì)層104不受刻蝕的影響。例如，在惰性氣體存在或不存在的條件下，通過含氟碳?xì)怏w(如CHF3、C4F8, C2F4)形成氣體等離子體沉積，在后續(xù)的刻蝕步驟中，氣體等離子體變成SF6/Ar，這樣沉積在溝槽103底部的介質(zhì)層104上和掩膜200上的聚合物被快速破壞，僅僅是溝槽103側(cè)壁的介質(zhì)層104上的聚合物204被保留，這之后可以用干法刻蝕來形成介質(zhì)層104上的開口 104a。在形成開口 104a之后，還需要將附著于溝槽103側(cè)壁的介質(zhì)層104上的聚合物204去除，例如用稀釋的氫氟酸腐蝕聚合物204或者O2等離子體來灰化處理聚合物204等方式，都是可選擇的方法。參見圖1G，將填充材料115填充在溝槽103內(nèi)和沉積在掩膜200上，可通過化學(xué)氣相沉積(CVD)或外延生長或物理氣相沉積的等方式實(shí)現(xiàn)，此步驟中需要向填充材料115中摻雜一些摻雜物，其摻雜類型和底部襯底100相同，例如重?fù)诫s的P+型，摻雜方式既可以原位摻雜又可先沉積后摻雜，填充材料115中摻雜物的摻雜濃度可以調(diào)節(jié)，一般要求在lel5/cm3 5e21/cm3之間。這之后，需要移除掉位于掩膜200上的填充材料115而保留位于溝槽103中的填充材料115，典型的如對填充材料115實(shí)施化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)或者干法回蝕均可，并且在之后將掩膜200也刻蝕掉，刻蝕終點(diǎn)在外延層102的上表面，形成如圖1H所示的剖面結(jié)構(gòu)。其中，填充材料115有多種選擇，如多晶硅或單晶硅或鍺硅合金或其他高導(dǎo)電材料。參見圖1I，通過適當(dāng)條件下的高溫?zé)崽幚?，使得摻雜于填充材料115內(nèi)的摻雜物受熱后穿透開口 104a，擴(kuò)散至溝槽103底部附近的半導(dǎo)體襯底150內(nèi)，形成圍繞在溝槽103底部的擴(kuò)散區(qū)125。典型的高溫?zé)崽幚砣鐪囟瓤刂圃?50°C 1250°C之間，處理時(shí)間控制在10分鐘 10個(gè)小時(shí)之間等，鑒于半導(dǎo)體襯底150在后續(xù)的步驟中會多次遭遇高溫?zé)崽幚淼闹瞥?，所以該使填充材?15內(nèi)的摻雜物擴(kuò)散至半導(dǎo)體襯底150內(nèi)的高溫?zé)崽幚聿襟E可以是一個(gè)單獨(dú)的步驟，也可以選擇和后續(xù)的其他高溫?zé)崽幚聿襟E進(jìn)行合并。在圖1I中，假設(shè)溝槽103貫穿外延層102，延伸到底部襯底100內(nèi)足夠深(但不穿透底部襯底)，也即認(rèn)為其底部相對而言遠(yuǎn)離外延層102和底部襯底100之間的邊界，那么填充材料115內(nèi)的摻雜物就不足以從溝槽103的開口 104a處，擴(kuò)散至圍繞著溝槽103并靠近外延層102和底部襯底100之間邊界處的外延層102內(nèi)。統(tǒng)一設(shè)定圖11、圖2A 2B、圖4D中摻雜物具有相同的摻雜濃度，這里預(yù)設(shè)摻雜物的摻雜濃度值，是為了敘述的方便和不產(chǎn)生歧義，因?yàn)閷?shí)際上在相同的溝槽深度條件下，提高摻雜物的摻雜濃度及改變一些其他的相關(guān)參數(shù)仍然是可以使摻雜物從溝槽103的開口104a處擴(kuò)散至足夠遠(yuǎn)，例如從底部襯底100內(nèi)擴(kuò)散至外延層102內(nèi)，或者從外延層102內(nèi)擴(kuò)散至底部襯底100內(nèi)。所以我們在討論溝槽深度時(shí)，一般設(shè)定填充材料115內(nèi)的摻雜物的摻雜濃度是一個(gè)明確不變的值。在這種情況下，在中圖1I中，通過高溫?zé)崽幚硎箵诫s物擴(kuò)散至溝槽103底部附近的底部襯底100內(nèi)，以形成位于底部襯底100內(nèi)的擴(kuò)散區(qū)125。隔離結(jié)構(gòu)就包含了溝槽103內(nèi)的填充材料115及介質(zhì)層104和擴(kuò)散區(qū)125，被包圍在環(huán)形溝槽103內(nèi)側(cè)的外延層102藉此就被隔離結(jié)構(gòu)隔離成一個(gè)孤立的外延島區(qū)1020，外延島區(qū)1020通過隔離結(jié)構(gòu)，與環(huán)形溝槽103外側(cè)的外延層102實(shí)現(xiàn)隔離。此時(shí)填充材料115及介質(zhì)層104起到物理隔絕的作用，而重?fù)诫s的擴(kuò)散區(qū)125則影響溝槽103底部附近的電場分布，基于提高了溝槽103底部附近的底部襯底100的摻雜濃度，并且其摻雜類型與外延層102相反，相當(dāng)于作為一個(gè)掩埋的隔離單元，可以阻止溝槽103內(nèi)側(cè)、外側(cè)的外延層102產(chǎn)生短接或產(chǎn)生寄生雙極晶體管。區(qū)別于圖1I的方式，在圖2A中，盡管溝槽103也貫穿外延層102并延伸到底部襯底100內(nèi)，但相對圖1I而言，此時(shí)的溝槽103要淺得多，可認(rèn)為其底部相對而言是靠近外延層102和底部襯底100之間的邊界。并且設(shè)定摻雜物的摻雜濃度不變的條件下(即與圖1I的情況相同)，那么熱處理不僅使摻雜物擴(kuò)散至溝槽103底部附近的底部襯底100內(nèi)，還使摻雜物穿過底部襯底100，擴(kuò)散至圍繞著溝槽103并靠近外延層102和底部襯底100之間邊界處的外延層102內(nèi)。正是因?yàn)闇喜鄣牡撞靠拷庋訉?02和底部襯底100之間的邊界，則認(rèn)為摻雜物不僅擴(kuò)散至溝槽103底部附近的底部襯底100內(nèi)，還進(jìn)一步擴(kuò)散至溝槽103底部附近的外延層102內(nèi)，以形成擴(kuò)散區(qū)225，顯然，擴(kuò)散區(qū)225的一部分位于外延層102內(nèi)而另一部分則位于底部襯底100內(nèi)。此時(shí)填充材料115及介質(zhì)層104起到物理隔絕的作用，而重?fù)诫s的擴(kuò)散區(qū)225位于外延層102內(nèi)的所述一部分與外延層102之間以構(gòu)成PN結(jié)的方式，將外延島區(qū)1020的下部與環(huán)形溝槽103外側(cè)的外延層102實(shí)施隔離。與此同時(shí)，重?fù)诫s的擴(kuò)散區(qū)225位于底部襯底100內(nèi)的所述另一部分與外延層102的摻雜類型相反，亦作為一個(gè)掩埋的隔離單元，用來阻止溝槽103內(nèi)側(cè)、外側(cè)的外延層102產(chǎn)生短接或產(chǎn)生寄生雙極晶體管。圖2B與圖2A在結(jié)構(gòu)上的主要區(qū)別在于，溝槽103的刻蝕深度等于外延層102的厚度，溝槽103向下延伸貫穿外延層102但終止在底部襯底100的上表面，其摻雜物同樣擴(kuò)散至底部襯底100、外延層102各自位于溝槽103底部附近的一部分區(qū)域內(nèi)，以形成的擴(kuò)散區(qū)225，擴(kuò)散區(qū)225的一部分位于外延層102內(nèi)而另一部分位于底部襯底100內(nèi)。在圖11、圖2A 2B中，定義了在水平面上的X、Y方向，并且Y方向是垂直于紙面的方向，而X方向垂直于Y方向，Z方向是與X、Y均垂直的方向并且是與水平面正交的方向，半導(dǎo)體襯底150所在的平面即水平面。在圖3Α的俯視圖中，為半導(dǎo)體襯底150的與外延層102的上表面相重合的正面，可以觀察到溝槽103的環(huán)形結(jié)構(gòu)，典型的如長方形、正方形等，圖1I即沿著圖3Α中虛線框內(nèi)寬度為W的截取單元的豎直剖面圖(AA剖面)，此時(shí)環(huán)形溝槽103內(nèi)側(cè)的外延島區(qū)1020的水平橫截面也呈方形。不同于圖3Α的實(shí)施方式，在圖3Β中，溝槽103的環(huán)形結(jié)構(gòu)為正六邊形，圖1I同樣可以是沿著圖3Β中虛線框內(nèi)寬度為W的截取單元的豎直剖面圖(BB剖面)，此時(shí)環(huán)形溝槽103內(nèi)側(cè)的外延島區(qū)1020的水平橫截面呈現(xiàn)為正六邊形。值得注意的是，本發(fā)明僅僅以圖3Α 3Β作為示范進(jìn)行說明，但不構(gòu)成限制，除此之外，溝槽103的環(huán)形結(jié)構(gòu)還可以梯形、菱形等多邊形，或者是圓形或橢圓形等，夕卜延島區(qū)1020的水平橫截面也呈現(xiàn)為相應(yīng)的形狀。圖4Α 4D展示了溝槽203的刻蝕深度小于外延層102的厚度，并終止在外延層102內(nèi)的情況。其制備流程與圖1A II大致相同，為了簡潔起見，這里不再重復(fù)和贅述。在外延層102中刻蝕出溝槽203，并在溝槽203的側(cè)壁和底部覆蓋介質(zhì)層104，接著在溝槽203底部的介質(zhì)層104上形成開口 104a，其后在溝槽203內(nèi)填充前述的填充材料115，同時(shí)在填充材料115內(nèi)摻雜一些摻雜物，通過高溫?zé)崽幚?，使摻雜物從填充材料115中透過開口104a,擴(kuò)散至溝槽203底部附近的半導(dǎo)體襯底內(nèi)，這里主要是擴(kuò)散至溝槽203底部附近的外延層102內(nèi)，以形成圍繞在溝槽203底部的擴(kuò)散區(qū)325。此時(shí)控制摻雜物的濃度和調(diào)整高溫?zé)崽幚淼臏囟燃皶r(shí)間，使摻雜物先行擴(kuò)散至溝槽203底部附近的外延層102內(nèi)，并使其進(jìn)一步擴(kuò)散至底部襯底100隔著外延層102位于溝槽203下方的一部分區(qū)域內(nèi)，形成擴(kuò)散區(qū)325，顯然擴(kuò)散區(qū)325的一部分位于外延層102內(nèi)而其另一部分則位于底部襯底100內(nèi)。隔離結(jié)構(gòu)包含了溝槽203內(nèi)設(shè)置的填充材料115及介質(zhì)層104，和外延層102、底部襯底100內(nèi)的擴(kuò)散區(qū)325，用該隔離結(jié)構(gòu)將包圍在環(huán)形溝槽203內(nèi)側(cè)的外延層102隔離成一個(gè)孤立的外延島區(qū)1020’，與溝槽203外側(cè)的外延層102分隔開。此時(shí)填充材料115及介質(zhì)層104起到物理隔絕的作用，重?fù)诫s的擴(kuò)散區(qū)325位于外延層102內(nèi)的所述一部分與外延層102之間以構(gòu)成PN結(jié)的方式，將外延島區(qū)1020’的下部與環(huán)形溝槽103外側(cè)的外延層102實(shí)施隔離。與此同時(shí)，重?fù)诫s的擴(kuò)散區(qū)325位于底部襯底100內(nèi)的所述另一部分與外延層102的摻雜類型相反，仍然作為一個(gè)掩埋的隔離單元，用來阻斷溝槽103內(nèi)外側(cè)的外延層102產(chǎn)生短接或產(chǎn)生寄生雙極晶體管。外延島區(qū)1020、1020’皆可作為器件預(yù)制備區(qū)域，來供后續(xù)的集成電路元器件在其內(nèi)制造形成，一個(gè)半導(dǎo)體襯底150上可以容納多個(gè)這樣的區(qū)域，并且，填充材料115與底部襯底100的摻雜類型相同，相當(dāng)于短接溝槽內(nèi)的填充材料115和底部襯底100。可以在半導(dǎo)體襯底150的正面一側(cè)形成與填充材料115保持歐姆接觸的金屬接觸端，來提供與底部襯底100的電性連接，例如作為底部襯底100的接地通道。另外，除了以上的方式，底部襯底100還可以為N型，而掩埋層101為P+型、外延層為P-型，以及摻雜物的摻雜類型為重?fù)诫s的N+型。所以，底部襯底100、摻雜物為第一導(dǎo)電類型，掩埋層101、外延層102為與第一導(dǎo)電類型相反的第二導(dǎo)電類型，即當(dāng)?shù)谝粚?dǎo)電類型為N型時(shí)第二導(dǎo)電類型為P型，或當(dāng)?shù)谝粚?dǎo)電類型為P型時(shí)第二導(dǎo)電類型為N型。在一些典型的實(shí)施方式中，底部襯底100為P型時(shí)，填充材料115中的摻雜物可以是硼、銦等；底部襯底100為N型時(shí)，填充材料115中的摻雜物可以是磷、砷、銻等。在另一些實(shí)施方式中，可以在填充材料115中的植入摻雜物的同時(shí)，額外在溝槽中填入一些金屬，或者在完成填充材料115的填充之后，直接在溝槽203內(nèi)的填充材料115中刻蝕形成一些接觸孔并在這些接觸孔內(nèi)置入金屬栓塞來增加傳導(dǎo)率。與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明具有以下特點(diǎn):，本發(fā)明利用溝槽中側(cè)壁上的氧化硅層作為絕緣隔離，可以縮小隔離占用的芯片面積，提高集成度，并有效降低了寄生電容。填充在溝槽中并被氧化層側(cè)壁包裹的高摻雜多晶硅，提供了有效的襯底接地通路，可以降低噪聲干擾，提高電路工作時(shí)的可靠性。高摻雜多晶硅經(jīng)高溫處理后，其所含雜質(zhì)通過溝槽底部擴(kuò)散進(jìn)入襯底，形成高濃度摻雜區(qū)，可以防止相鄰高壓器件工作時(shí)產(chǎn)生穿通短路。該方法僅使用一次光刻形成溝槽型隔離，比傳統(tǒng)的對通式隔離節(jié)約一次光刻成本。本發(fā)明的主要特點(diǎn)是在深溝槽側(cè)壁生長二氧化硅等介質(zhì)層實(shí)現(xiàn)器件的橫向介質(zhì)隔離，同時(shí)在溝槽內(nèi)填充與襯底同型摻雜的低阻多晶硅并在溝槽底部和襯底進(jìn)行電接觸，實(shí)現(xiàn)了集成電路相鄰器件的電學(xué)隔離和襯底接地。并且不需要使用昂貴的SOI襯底和對通隔離技術(shù)，節(jié)約了制造成本、同時(shí)該結(jié)構(gòu)能縮小隔離結(jié)構(gòu)面積、降低寄生電容、完善接地并簡化工藝步驟，以及提高了電路的抗噪聲特性和對電沖擊的抗擊能力。以上，通過說明和附圖，給出了具體實(shí)施方式
的特定結(jié)構(gòu)的典型實(shí)施例，上述發(fā)明提出了現(xiàn)有的較佳實(shí)施例，但這些內(nèi)容并不作為局限。對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，閱讀上述說明后，各種變化和修正無疑將顯而易見。因此，所附的權(quán)利要求書應(yīng)看作是涵蓋本發(fā)明的真實(shí)意圖和范圍的全部變化和修正。在權(quán)利要求書范圍內(nèi)任何和所有等價(jià)的范圍與內(nèi)容，都應(yīng)認(rèn)為仍屬本發(fā)明的意圖和范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種具有隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體襯底，該半導(dǎo)體襯底包括一底部襯底和一位于底部襯底上方的外延層，其特征在于，包括: 形成在半導(dǎo)體襯底中的一個(gè)或多個(gè)環(huán)形溝槽； 內(nèi)襯于溝槽側(cè)壁和底部的介質(zhì)層； 開設(shè)于溝槽底部的所述介質(zhì)層上的開口； 填充在所述溝槽內(nèi)的并摻雜有高濃度摻雜物的填充材料； 由所述摻雜物從所述填充材料中透過所述開口擴(kuò)散至溝槽底部附近的半導(dǎo)體襯底內(nèi)所形成的圍繞在溝槽底部的擴(kuò)散區(qū)； 所述隔離結(jié)構(gòu)包含所述填充材料及介質(zhì)層和所述擴(kuò)散區(qū)，被包圍在環(huán)形溝槽內(nèi)側(cè)的所述外延層藉此被隔離結(jié)構(gòu)隔離成一個(gè)孤立的外延島區(qū)。
2.如權(quán)利要求1所述的具有隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體襯底，其特征在于，所述溝槽的深度大于外延層的厚度，溝槽貫穿外延層并向下延伸至所述底部襯底內(nèi)。
3.如權(quán)利要求2所述的具有隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體襯底，其特征在于，摻雜物擴(kuò)散至所述底部襯底位于溝槽底部附近的一部分區(qū)域內(nèi)，形成位于底部襯底內(nèi)的所述擴(kuò)散區(qū)。
4.如權(quán)利要求2所述的具有隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體襯底，其特征在于，摻雜物擴(kuò)散至底部襯底、外延層各自位于溝槽底部附近的一部分區(qū)域內(nèi)，形成所述的擴(kuò)散區(qū)，擴(kuò)散區(qū)的一部分位于外延層內(nèi)而另一部分位于底部襯底內(nèi)。
5.如權(quán)利要求1所述的具有隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體襯底，其特征在于，所述溝槽的深度等于外延層的厚度，溝槽貫穿外延層并終止在底部襯底的上表面，摻雜物擴(kuò)散至底部襯底、夕卜延層各自位于溝槽底部附近的一部分區(qū)域內(nèi)，形成所述的擴(kuò)散區(qū)，擴(kuò)散區(qū)的一部分位于外延層內(nèi)而另一部分位于底部襯底內(nèi)。
6.如權(quán)利要求1所述的具有隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體襯底，其特征在于，所述溝槽的深度小于外延層的厚度，溝槽從外延層向下延伸并終止在外延層內(nèi)；以及 摻雜物依次擴(kuò)散至外延層位于溝槽底部附近的一部分區(qū)域內(nèi)和底部襯底隔著外延層位于溝槽下方的一部分區(qū)域內(nèi)，形成所述的擴(kuò)散區(qū)，其一部分位于外延層內(nèi)而另一部分位于底部襯底內(nèi)。
7.如權(quán)利要求6所述的具有隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體襯底，其特征在于，所述摻雜物的摻雜類型與外延層相反，在所述隔離結(jié)構(gòu)中，所述擴(kuò)散區(qū)位于外延層內(nèi)的所述一部分與外延層之間以構(gòu)成PN結(jié)的方式，將所述外延島區(qū)的下部與環(huán)形溝槽外側(cè)的外延層實(shí)施隔離。
8.如權(quán)利要求1所述的具有隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體襯底，其特征在于，還包括位于所述外延島區(qū)和底部襯底之間的一個(gè)掩埋層。
9.如權(quán)利要求8所述的具有隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體襯底，其特征在于，所述底部襯底、摻雜物為第一導(dǎo)電類型，所述掩埋層、外延層為與第一導(dǎo)電類型相反的第二導(dǎo)電類型，即當(dāng)?shù)谝粚?dǎo)電類型為N型時(shí)第二導(dǎo)電類型為P型，或當(dāng)?shù)谝粚?dǎo)電類型為P型時(shí)第二導(dǎo)電類型為N型。
10.如權(quán)利要求1所述的具有隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體襯底，其特征在于，所述介質(zhì)層為氧化硅或氮化硅。
11.如權(quán)利要求1所述的具有隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體襯底，其特征在于，所述填充材料為多晶硅或單晶硅或鍺硅合金。
12.如權(quán)利要求1所述 的具有隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體襯底，其特征在于，所述環(huán)形溝槽內(nèi)側(cè)的外延島區(qū)的水平橫截面呈方形、圓形、橢圓形或多邊形。
13.一種在半導(dǎo)體襯底中制備隔離結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，包括以下步驟: 51、提供一半導(dǎo)體襯底,包括一底部襯底和在其上方生長的一外延層； 52、對半導(dǎo)體襯底進(jìn)行刻蝕，形成位于半導(dǎo)體襯底中的一個(gè)或多個(gè)環(huán)形溝槽； 53、在所述溝槽的側(cè)壁及底部襯墊一介質(zhì)層； 54、在位于溝槽底部的所述介質(zhì)層上刻蝕出開口； 55、向溝槽內(nèi)置入填充材料并在填充材料內(nèi)植入摻雜物； 56、通過高溫?zé)崽幚?，使所述摻雜物從所述填充材料中透過所述開口擴(kuò)散至溝槽底部附近的半導(dǎo)體襯底內(nèi)，以形成圍繞在溝槽底部的擴(kuò)散區(qū)； 其中，所述隔離結(jié)構(gòu)包含所述填充材料及介質(zhì)層和所述擴(kuò)散區(qū)，用該隔離結(jié)構(gòu)將包圍在環(huán)形溝槽內(nèi)側(cè)的所述外延層隔離成一個(gè)孤立的外延島區(qū)。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，在步驟SI中，在所述底部襯底上方生長所述外延層之前，先在所述底部襯底頂部的局部區(qū)域通過摻雜的方式植入掩埋層，并在形成外延層之后，所述掩埋層位于底部襯底和外延層之間。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，在步驟S2中，在形成所述溝槽的步驟中，所述掩埋層位于被包圍在環(huán)形溝槽內(nèi)側(cè)的所述外延層與其下方的底部襯底之間。
16.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，在步驟S3之前，即形成所述介質(zhì)層之前，先在溝槽的側(cè)壁及底部通過熱氧化法生長一層犧牲氧化層，其后通過濕法腐蝕將該犧牲氧化層移除。
17.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，在步驟S3中，所述介質(zhì)層通過熱氧化法或化學(xué)氣相淀積法或物理氣相淀積法制備。
18.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，在步驟S4中，先于溝槽側(cè)壁和底部的介質(zhì)層上形成聚合物，并利用干法刻蝕，進(jìn)行垂直單向性的回刻蝕，將溝槽底部的介質(zhì)層上所覆蓋的所述聚合物移除，而保留附著于溝槽側(cè)壁的介質(zhì)層上的聚合物；以及 進(jìn)一步對位于溝槽底部的所述介質(zhì)層進(jìn)行刻蝕，以在溝槽底部的介質(zhì)層上刻蝕出貫穿介質(zhì)層的開口。
19.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，在形成所述開口后，還包括將附著于溝槽側(cè)壁的介質(zhì)層上的聚合物去除的步驟。
20.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，在步驟S5中，所述填充材料通過化學(xué)氣相沉積或外延生長或物理氣相沉積的方式填充在所述溝槽內(nèi)。
21.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，在步驟S2中，所述溝槽向下刻蝕的深度大于外延層的厚度，使溝槽貫穿外延層并向下延伸至所述底部襯底內(nèi)。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，在步驟S6中，使摻雜物擴(kuò)散至所述底部襯底位于溝槽底部附近的一部分區(qū)域內(nèi)，以形成位于底部襯底內(nèi)的所述擴(kuò)散區(qū)。
23.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，在步驟S6中，使摻雜物擴(kuò)散至底部襯底、外延層各自位于溝槽底部附近的一部分區(qū)域內(nèi)，以形成所述的擴(kuò)散區(qū)，擴(kuò)散區(qū)的一部分位于外延層內(nèi)而另一部分位于底部襯底內(nèi)。
24.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，在步驟S2中，所述溝槽的刻蝕深度等于外延層的厚度，使溝槽向下延伸貫穿外延層但終止在底部襯底的上表面，在步驟S6中使摻雜物擴(kuò)散至底部襯底、外延層各自位于溝槽底部附近的一部分區(qū)域內(nèi)，以形成所述的擴(kuò)散區(qū)，擴(kuò)散區(qū)的一部分位于外延層內(nèi)而另一部分位于底部襯底內(nèi)。
25.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，在步驟S2中，所述溝槽的刻蝕深度小于外延層的厚度，使溝槽從外延層向下延伸并終止在外延層內(nèi)；以及 在步驟S6中，使摻雜物依次擴(kuò)散至外延層位于溝槽底部附近的一部分區(qū)域內(nèi)和底部襯底隔著外延層位于溝槽下方的一部分區(qū)域內(nèi)，形成所述的擴(kuò)散區(qū)，其一部分位于外延層內(nèi)而另一部分位于底部襯底內(nèi)。
26.如權(quán)利要求14所述的方法,其特征在于,所述底部襯底、摻雜物為第一導(dǎo)電類型，所述掩埋層、外延層為與第一導(dǎo)電類型相反的第二導(dǎo)電類型，即當(dāng)?shù)谝粚?dǎo)電類型為N型時(shí)第二導(dǎo)電類型為P型 ，或當(dāng)?shù)谝粚?dǎo)電類型為P型時(shí)第二導(dǎo)電類型為N型。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種實(shí)現(xiàn)集成電路隔離的方法，更確切的說，本發(fā)明旨在提供一種具有隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體襯底及其制備方法。在半導(dǎo)體襯底中形成溝槽，并在溝槽側(cè)壁和底部上覆蓋介質(zhì)層，在溝槽底部的介質(zhì)層上開設(shè)開口，將填充材料填充在溝槽內(nèi)并摻雜有高濃度摻雜物，透過開口將摻雜物擴(kuò)散至溝槽底部附近的半導(dǎo)體襯底內(nèi)形成擴(kuò)散區(qū)，隔離結(jié)構(gòu)包含了填充材料及介質(zhì)層和擴(kuò)散區(qū)。
文檔編號H01L21/762GK103187355SQ20131003395
公開日2013年7月3日 申請日期2013年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月29日
發(fā)明者龔大衛(wèi), 馬清杰 申請人:中航(重慶)微電子有限公司