專利名稱：絕緣體上硅晶片的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料制造工藝，具體是指一種利用熱內(nèi)氧化技術(shù)
(Internal Thermal Oxidation,艮卩ITOX)提高采用注氧隔離技術(shù)(Separation by Implanted Oxygen,即SIMOX)制造絕緣體上硅晶片(SOI)質(zhì)量的方法。
背景技術(shù)：
絕緣體上硅(silicon on insulator,即SOI)是集成電路進(jìn)入深亞微米領(lǐng)域后， 能突破傳統(tǒng)體硅材料及集成電路限制的新型集成電路技術(shù)。與傳統(tǒng)體硅晶圓 (bulk silicon)相比，絕緣體上硅晶圓制造的器件有源區(qū)位于絕緣層上的硅薄 膜層內(nèi)。絕緣層完整的介質(zhì)隔離避免了體硅器件中存在的大部分寄生效應(yīng)，因 而具有更陡的亞閾值斜率；更高的跨導(dǎo)和電流驅(qū)動能力。同時，由于Si02絕緣 層的全介質(zhì)隔離，使絕緣體上硅器件具有優(yōu)良的抗輻照效應(yīng)、抗單粒子效應(yīng)和 短溝道效應(yīng)，驅(qū)動電壓更低、功耗更小。這些特性決定絕緣體上硅技術(shù)將是研 發(fā)高速、低功耗、高可靠性及高集成度的深亞微米超大規(guī)模集成電路的主流技 術(shù)之一。
注氧隔離技術(shù)是目前制造絕緣體上硅材料的主要方法之一；其原理是利用 強(qiáng)流氧離子注入機(jī)將大劑量的高能氧離子從硅晶片的表面注入，在硅晶片表面 下方某一深度處形成一層富含氧離子的區(qū)域，經(jīng)130(TC高溫退火，使注入硅晶 片中的氧離子與硅反應(yīng)，在硅晶片中形成二氧化硅絕緣埋層。這種二氧化硅絕 緣埋層將原有的硅晶片分隔成兩部分經(jīng)注入的頂部單晶硅薄膜層和底部未經(jīng) 注入的單晶硅襯底。其中，經(jīng)注入的頂部單晶硅薄膜層是用于制作集成電路"有 源區(qū)"的部分。
傳統(tǒng)的注氧隔離技術(shù)技術(shù)，由于大劑量、長時間的氧離子注入，會對頂部 單晶硅薄膜層造成極大損傷，雖經(jīng)1300X1高溫退火，仍不能完全修復(fù)注入所造成的缺陷，缺陷密度高達(dá)1X105 1X107 cm—2。因此，為了降低絕緣體上硅晶 片頂部單晶硅薄膜層的缺陷，提高晶片器件層質(zhì)量，又發(fā)明了兩注兩退的方法， 即將一次注入的氧離子量分成兩次注厶，注入一次退火一次，注入的總劑量
不變。兩注兩退，雖然可以有效降低絕緣體上硅晶片的缺陷密度，但是由于注 入次數(shù)的增加，退火時間的延長而顯著增加了絕緣體上硅晶片的制造成本，延 長了制造周期，不利于絕緣體上硅晶片的大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。
為了降低制造成本、縮短制造周期，Aoki等提出了改良低劑量氧離子注入 技術(shù)第一次注入能量為165 240keV，注入劑量為0.2 X 1018cm—2 0.3 X 10'W2，第二次注入能量為165 24CkeV，注入劑量0.1 X 1015cm_2 0.1 X 1017cm—2;然后，在130(TC高溫下退火，修復(fù)材料的內(nèi)部缺陷。這種方法可在
一定程度上節(jié)約生產(chǎn)時間和提高材料質(zhì)量，是一種低成本制造絕緣體上硅晶片 的方法(參見美國專利US20070238269 );但仍需改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提出一種絕緣體 上硅晶片的制造方法，它在改良低劑量載離子注入技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過在富含 氧氣氛的高溫條件下退火，可促進(jìn)氧原子的擴(kuò)散，使部分氧原子從晶片表面的 氧化層慢慢地擴(kuò)散到晶片內(nèi)部的埋氧化層中，從而提高頂部單晶硅薄膜的質(zhì)量， 增加埋氧層的厚度，降低埋氧層針孔密度，實現(xiàn)絕緣體上硅晶片質(zhì)量的提升和 制造成本的下降。
本發(fā)明的技術(shù)方案是，所述絕緣體上硅晶片的制造方法的工藝步驟為
(1) 高溫、大劑量氧離子注入在單晶硅片中注入氧離子，形成連續(xù)的氧離
子富含層；注入能量60keV 220keV，注入溫度400°C 750°C，注入劑量為 0.2X1018cm-2 1.8X 1018cm-2;
(2) 低溫、小劑量氧離子注入對經(jīng)過步驟(1)所述高溫、大劑量氧離子 注入后的硅晶片進(jìn)行低溫氧離子注入，引入晶格缺陷層；注入溫度為20°C 200 。C，注入劑量為0.1X1015cm'2 0.5X1016cm—2;(3) 將經(jīng)過步驟(2)所述低溫、小劑量氧離子注入后的硅晶片在高溫、高
含氧量的氧氬氣氛中退火，進(jìn)行熱內(nèi)氧化，形成表面氧化層；退火溫度為1000 °C 1320°C，所述氧氬氣氛中氧含量為10at% 50at%;
(4) 對經(jīng)所述熱內(nèi)氧化后的硅晶片進(jìn)行高溫退火，退火溫度1330°C 1370 °C (優(yōu)選1350°C)，在氧含量為0.1 at。/。到2at。/。的氧氬混合氣氛或氧氮混合氣氛 中退火，修復(fù)晶格缺陷；
(5) 用HF溶液漂掉硅晶片表面氧化層，得到最終的SOI晶片。 本發(fā)明方法中，所述高溫、大劑量氧離子注入和低溫、小劑量氧離子注入
可在同一臺氧離子注入機(jī)上實施；所述熱內(nèi)氧化過程和高溫退火可在同一臺高 溫退火爐上完成。
本發(fā)明方法中，所述高溫、大劑量氧離子注入次數(shù)、溫度還可根據(jù)需要調(diào)整。
.本發(fā)明方法中，首先，利用SIMOX技術(shù)，在60keV 220keV的注入能量范 圍，將氧離子注入硅晶片表面，形成連續(xù)埋氧化物層；其次，采用熱內(nèi)氧化
(ITOX)技術(shù)，進(jìn)一步提高連續(xù)埋氧化物層界面的平整度，增加埋氧化物層厚 度，降低埋氧化物層的針孔密度；最后，在熱內(nèi)氧化結(jié)束后，經(jīng)1350'C的高溫 退火，使得絕緣體上硅晶片頂部單晶硅薄膜層的缺陷重新結(jié)晶、有序，修復(fù)單 晶硅薄膜層的缺陷，獲得高質(zhì)量的絕緣體上硅晶片。
本發(fā)明的技術(shù)原理是，利用SIMOX技犬將氧離子注入硅晶片表面，形成連 續(xù)埋氧化層，至少包括兩次注入過程第一次氧離子注入是為了形成連續(xù)的埋 氧化物層，注入溫度選擇為40(rC 75(TC;第二次氧離子注入是為了有利于熱 內(nèi)氧化工藝時氧原子的擴(kuò)散，注入溫度選擇20(TC或以下。并且，第一次氧離子 注入是形成絕緣體上硅晶片三層結(jié)構(gòu)的重要一步，可實現(xiàn)上層硅薄膜層與體硅 襯的完全隔離；第二次氧離子注入是為了增強(qiáng)氧原子的擴(kuò)散作用，選擇低溫或 常溫注入，可以在硅晶片表面造成大量的硅晶格空位缺陷，即易在上層硅薄膜 層與埋氧化物層之間的區(qū)域形成空位、非晶等缺陷。晶格空位缺陷的存在，有利于內(nèi)熱氧化物時氧原子能更快、更多地向"上層硅薄膜層/埋氧化物層"界面 擴(kuò)散，從而提高了連續(xù)埋氧化物層的厚度，降低了埋氧化物層的針孔密度。
所述低溫或常溫注入的結(jié)果是為了在硅晶片表面引入晶格空位缺陷，但仍 然保持頂層硅膜表面的單晶結(jié)構(gòu)。引入的晶格空位缺陷在后期的高溫退火過程 中發(fā)生重結(jié)晶，修復(fù)頂層硅膜的缺陷。
本發(fā)明中，內(nèi)熱氧化(ITOX)工藝在富氧高溫的環(huán)境中進(jìn)行，晶片會從頂
層硅膜表面開始氧化、擴(kuò)散，表面的硅膜被大量消耗而形成氧化層，而降低了
上層硅膜厚度；并且，在上層硅膜在被氧氣大量消耗的同時，氧原子會通過上 層硅膜發(fā)生內(nèi)擴(kuò)散，不斷將氧原子擴(kuò)散至"上層硅薄膜層/埋氧化物層"界面。 同時，由于第二次注入在硅晶片表面造成大量的硅晶格空位缺陷，從而加速了 氧原子的內(nèi)擴(kuò)散行為。內(nèi)熱氧化(ITOX)工藝結(jié)束后，最終在絕緣體上硅晶片 表面產(chǎn)生很厚的氧化層，從而降低了上虔硅膜厚度。
本發(fā)明中，硅晶格空位缺陷的引入，允許熱內(nèi)氧化(ITOX)工藝時氧原子 在縱向擴(kuò)散的同時發(fā)生橫向擴(kuò)散，加快了氧原子的擴(kuò)散速率，提高了熱內(nèi)氧化
(ITOX)的效果；而且，熱內(nèi)氧化(ITOX)過程會消耗大量晶片表面的硅， 減薄了上層硅薄膜的厚度，從而可獲得上層硅薄膜厚度達(dá)20nm的SOI晶片。
本發(fā)明中，熱內(nèi)氧化(ITOX)后，SOI晶片在1330。C 137(TC高溫下退火， 氣氛為低氧含量(0.1 at% 2at%)的氧氬或氧氮氣氛。退火溫度比單晶硅熔點 低50'C 8(TC，溫度越高，硅原子和氧原子越活躍，擴(kuò)散速度越快，但不能太 高。如果退火溫度高于M0(TC，單晶硅可能熔融，從而完全破壞原有的單晶結(jié) 構(gòu)。在此條件下退火，逐步修復(fù)上層硅薄膜內(nèi)的缺陷。
由以上可知，本發(fā)明為一種絕緣體上硅晶片的制造方法，它在改良低劑量 氧離子注入技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過在富含氧氣氛的高溫條件下退火，促進(jìn)氧原子 的擴(kuò)散，使部分氧原子從晶片表面的氧化層慢慢地擴(kuò)散到晶片內(nèi)部的埋氧化層 中，提高了頂部單晶硅薄膜的質(zhì)量，增加了埋氧層的厚度，降低了埋氧層針孔 密度，有效實現(xiàn)了絕緣體上硅晶片質(zhì)量的提升和制造成本的下降。


圖1為常規(guī)注氧隔離技術(shù)(SIMOX)制造絕緣體上硅晶片流程； 圖2為改良低劑量氧離子注入技術(shù)制造絕緣體上硅晶片的流程； 圖3為利用本發(fā)明技術(shù)制造絕緣體上硅晶片的流程；
圖4 (a)為利用改良低劑量氧離子注入技術(shù)制造絕緣體上硅晶片的PTEM 照片。PTEM照片顯示，沒有看到明顯的與頂部單晶硅薄膜相關(guān)的線位錯或?qū)\ 晶等缺陷，說明改良低劑量氧離子注入技術(shù)對提高絕緣體上硅晶片質(zhì)量具有一 定的作用。但在頂部單晶硅薄膜與氧化硅絕緣埋層間的界面，宏觀上表現(xiàn)出較 差的界面平整性，不利于器件的工藝制作。
圖4 (b)和(c)為圖4 (a)中"上層硅/絕緣埋層"界面HRTEM照片。 高倍率下的HRTEM，查看頂部單晶硅薄膜與氧化硅絕緣埋層的界面情況。從 HRTEM照片發(fā)現(xiàn)，在圖4 (b)的界面處存在ASFC位錯；圖4 (c)的界面處 存在孿晶缺陷，這些缺陷會造成器件的不穩(wěn)定甚至失效。雖然改良低劑量氧離 子注入技術(shù)可以幫助提高絕緣體上硅晶片的質(zhì)量，但是仍然難以消除一些微小 的缺陷。
圖5 (a)為利用本發(fā)明技術(shù)制造絕緣體上硅晶片的PTEM照片。PTEM照 片顯示，沒有看到與頂部單晶硅薄膜相關(guān)的線位錯或?qū)\晶等缺陷，氧化硅絕緣 埋層也沒有觀察到硅島等缺陷。相對于圖4 (a)，在上層硅與絕緣埋層的交界 處，宏觀上表現(xiàn)出較好的界面平整性，因此，本發(fā)明技術(shù)對提高絕緣體上硅晶 片質(zhì)量具有明顯的效果。相對于改良低劑量氧離子注入技術(shù)，利用本發(fā)明制造 絕緣體上硅晶片，可以更迸一步縮減器件尺寸與功耗，提高器件的運行速度。
圖5 (b)為圖5 (a)中"上層硅/絕緣埕層"界面HRTEM照片。根據(jù)HRTEM 照片，上層硅具有完整的單晶晶格結(jié)構(gòu)，上層硅與絕緣埋層的界面陡直，且在 圖4 (b)的界面處所表現(xiàn)出來的ASFC位錯、孿晶等缺陷已經(jīng)消失。因此，利 用本發(fā)明，對制造的絕緣體上硅具有很好的缺陷修復(fù)能力，能夠極大地改善上 層硅與絕緣埋層的界面質(zhì)量，滿足半導(dǎo)體工藝對上層硅質(zhì)量的要求。圖6為用本發(fā)明技術(shù)制造絕緣體上硅晶片退火工藝曲線示意圖； 圖7為利用本發(fā)明技術(shù)制造絕緣體上,硅晶片的針孔密度照片。針孔密度測試 實驗是反映SOI晶片絕緣埋層硅通孔密度情況的一種有效手段，對器件影響很 大，針孔密度的大小可以從玻璃片上的銅斑點數(shù)目反映出來。針孔密度越高， 則器件失效的幾率就會越大，器件合格率也就越小。圖7給出了半片4英寸硅片 的孔密度測試結(jié)果。從玻璃片上，幾乎沒有發(fā)現(xiàn)銅斑點，說明利用本發(fā)明制造
的SOI晶片，具有小的針孔密度，對器件的制造更具有可靠性，完全能夠滿足
半導(dǎo)體工藝對隱埋層氧化硅質(zhì)量的要求。，b'
在圖中
02—頂部單晶硅薄膜層， 04—單晶硅襯底， 06—表面氧化層， 08—引入晶格缺陷層，
Ol—硅單晶片， 03—富含氧離子層， 05—氧化硅絕緣埋層， 07—內(nèi)氧化擴(kuò)散層， 09—氧化硅絕緣埋層。
具體實施例方式
下面的實施例有助于理解本發(fā)明的特征和優(yōu)點，但本發(fā)明的實施并不僅限 于此實施例。
步驟l:在硅單晶片01中注入氧離子，注入能量為175KeV，注入劑量為0.81 X1018cm—2，注入溫度為480。C，注入后形成富含氧離子層03;
步驟2:在第一次注入后，接著進(jìn)行第二次注入。注入能量為156KeV，注 入劑量為0.6X10"cm—2，注入溫度為12(TC;通過低溫、低劑量注入，在晶片內(nèi) 部引入了晶格缺陷層08;
步驟3:將二次注入后的晶片進(jìn)行熱內(nèi)氧化(ITOX)，形成表面氧化層；ITOX 的條件溫度為132(TC，氣氛為氧含量為35at^的氧、氬混合氣體；
步驟4:接著熱內(nèi)氧化(ITOX)工藝進(jìn)行高溫退火，退火溫度為135(TC， 退火氣氛為氧含量為latX的氧、氬混合氣體；經(jīng)ITOX、高溫退火后，形成了很厚的表面氧化層06，頂部單晶硅層02因氧化而減薄；
步驟5:將高溫退火后的晶片在10at^HF溶液中漂洗，去掉表面氧化層06， 得到最終的SOI晶片。
所制造的SOI晶片參數(shù)如下
頂部單晶硅薄膜層02的厚度為125.4nm，均勻性為士lnm;氧化硅絕緣埋層 09的厚度為126.1nm，均勻性為il.2nm。其中，圖5給出了SOI晶片剖面結(jié)構(gòu)照 片。圖7給出了SOI晶片針孔密度測試結(jié)果。
權(quán)利要求
1、一種絕緣體上硅晶片的制造方法，其特征在于，它的步驟為(1)高溫、大劑量氧離子注入在單晶硅片中注入氧離子，形成連續(xù)的氧離子富含層；注入能量60keV～220keV，注入溫度400℃～750℃，注入劑量為0.2×1018cm-2～1.8×1018cm-2；(2)低溫、小劑量氧離子注入對經(jīng)過步驟(1)所述高溫、大劑量氧離子注入后的硅晶片進(jìn)行低溫氧離子注入，引入晶格缺陷層；注入溫度為20℃～200℃，注入劑量為0.1×1015cm-2～0.5×1016cm-2；(3)將經(jīng)過步驟(2)所述低溫、小劑量氧離子注入后的硅晶片在高溫、高含氧量的氧氬氣氛中退火，進(jìn)行熱內(nèi)氧化，形成表面氧化層；退火溫度為1000℃～1320℃，所述氧氬氣氛中氧含量為10at％～50at％；(4)對經(jīng)所述熱內(nèi)氧化后的硅晶片進(jìn)行高溫退火，退火溫度1330℃～1370℃，在氧含量為0.1at％～2at％的氧氬混合氣氛或氧氮混合氣氛中退火，修復(fù)晶格缺陷；(5)用HF溶液漂掉硅晶片表面氧化層，得到最終的SOI晶片。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述絕緣體上硅晶片的制造方法，其特征在于，步驟(4) 的高溫退火溫度為135(TC。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述絕緣體上硅晶片的制造方法，其特征在于，步驟(5) 中所述HF溶液濃度為10at% 。
全文摘要
本發(fā)明公開一種利用注氧隔離技術(shù)、熱內(nèi)氧化技術(shù)制造絕緣體上硅晶片的生產(chǎn)工藝，其步驟包括1.高溫第一次注入氧離子，形成連續(xù)的氧離子富含層；2.低溫下第二次注入氧離子，引入晶格缺陷層；3.在高溫、高氧含量的氧氬氣氛中進(jìn)行熱內(nèi)氧化工藝，加速氧原子的內(nèi)擴(kuò)散；4.在低氧含量的氧氬氣氛中進(jìn)行高溫退火，以修復(fù)缺陷，形成高質(zhì)量的氧化硅絕緣埋層；5.在HF溶液中漂洗，去除表面氧化層，得到最終的SOI晶片。本發(fā)明通過引入晶格缺陷層，提高了氧原子在熱內(nèi)氧化過程中的擴(kuò)散速度，增加了連續(xù)氧化物絕緣埋層的厚度，降低了埋層的針孔密度，從而提高了絕緣體上硅晶片的質(zhì)量。
文檔編號C30B31/22GK101532179SQ200910042748
公開日2009年9月16日 申請日期2009年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月27日
發(fā)明者喬獅雄, 劉東明, 正 文, 藍(lán)鎮(zhèn)立, 賈京英, 顏秀文 申請人:中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所