專利名稱：劑量－能量優(yōu)化注氧隔離技術制備圖形化絕緣體上的硅材料的制作方法
技術領域：
本發(fā)明公開了一種制備高質量圖形化絕緣體上的硅(SOIsilicon-on-insulator)材料的方法。與現(xiàn)有的技術相比，本發(fā)明的方法所制備的圖形化SOI材料明顯地改善了體硅與SOI區(qū)域之間過渡區(qū)的質量，使過渡區(qū)小，缺陷密度低，表面平整度高，屬于先進半導體材料的制造工藝。
但是，許多SOI電路，如射頻(RF)電路，動態(tài)隨機存儲器(DRAM)，電荷耦合器件(CCD)成像系統(tǒng)等，在SOI襯底實現(xiàn)的難度還很大，目前工藝上還非常不成熟，無法實際大規(guī)模應用。而這些電路在體硅上制造已經(jīng)非常成熟，從設計到工藝都得到了優(yōu)化，不存在任何問題。
如果將SOI電路和體硅電路制造在同一塊芯片上，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，將可以極大地提高芯片的性能；也可以避開目前RF，DRAM，CCD成像系統(tǒng)等電路目前在SOI襯底上設計和制造工藝不成熟的缺點。這就需要圖形化的SOI(Patterned SOI)襯底材料。在這樣的襯底上，SOI電路制造在襯底的SOI區(qū)域；體硅電路制造在襯底的體硅區(qū)域，從而實現(xiàn)了SOI電路與體硅電路的集成。例如，將高速低功耗的SOI CMOS邏輯或控制電路與體硅的DRAM，RF電路集成為便攜式系統(tǒng)芯片；或者與體硅的CCD成像器件集成為數(shù)字相機的芯片。
注氧隔離(SIMOX)技術是制備SOI材料的主流技術之一，它完全與目前超大規(guī)模集成電路的制造工藝相兼容。SIMOX技術也是制備圖形化SOI襯底材料的重要手段。最初，英國的研究者U.Bussmann等人(U.Bussmann，A.K.Robinson，and P.L.F.Hemment，Silicon-on-insulator device islands formedby oxygen implantation through patterned masking layers，Journal of AppliedPhysics 70(8)，1991，pp.4584-4592)采用SIMOX技術制備圖形化SOI材料以達到器件全介質隔離的目的。他們所制備的材料質量很差，在埋氧與體硅的邊界過渡區(qū)域存在著大量的缺陷和硅島。最近，美國的研究者S.Bagchi等人(S.Bagchi，Y.Yu，M.Mendicino，et al.，Defect analysis of patterned SOImaterial，IEEE International SOI Conference，1999，pp.121-122)采用低劑量(0.8×1018cm-2)SIMOX技術制備圖形化SOI材料，從他們的結果來看，在埋氧和體硅的過渡區(qū)同樣存在著大量的缺陷，其密度高達108cm-2，缺陷在邊界處延伸了2個微米左右，并且SOI區(qū)域的表面被抬高許多。這主要是注入的氧離子高溫退火過程中生成掩埋SiO2后體積膨脹(體積變大約2.2倍)的結果。如果采用標準的全劑量(1.8～2.0×1018cm-2)注入，在埋氧和體硅的邊界區(qū)域將會產(chǎn)生更高密度的缺陷，邊界過渡區(qū)會更大；并且整個SOI區(qū)域的頂層硅的質量都會受到嚴重的影響，從而影響芯片的性能和成品率，甚至無法制造電路。
鑒于常規(guī)的SIMOX技術在制備圖形化SOI材料時存在著缺陷密度高；體硅和SOI之間過渡區(qū)大；表面平整度差等質量問題，本發(fā)明采用劑量—能量優(yōu)化注氧隔離技術(DEO SIMOXdose-energy-optimization SIMOX)制備高質量的圖形化SOI材料。
在制備SOI材料時，材料的質量與離子注入的劑量—能量的選擇有很大關系。在一定的注入能量下存在著一個劑量窗口，在劑量窗口范圍內制備的SOI材料具有較高的質量，從而使埋氧中沒有硅島，針孔密度也很低；頂層硅中沒有氧沉淀，線位錯等缺陷密度非常低。若以高于劑量窗口的劑量注入，埋氧中存在著大量的硅島，頂層硅中缺陷很多。當注入劑量低于劑量窗口時，沒有連續(xù)的掩埋氧化層形成。所以，要制備高質量的SOI材料必須優(yōu)化劑量和能量的關系，具體可以參考M.Chen等人(M.Chen，X.Wang，J.Chen，et.al.，Does-energy match for the formation of high-integrity buried oxide layers inlow-dose separation-by-implantation-of-oxygen materials，Applied PhysicsLetters 80(3)，2002，pp.880-882)的研究結果。采用劑量—能量優(yōu)化注氧隔離技術可以制備高質量的SOI材料；同樣，利用劑量和能量的優(yōu)化匹配關系，也可以制備出高質量的圖形化SOI材料。采用本發(fā)明提出的DEO SIMOX技術制備圖形化SOI材料的工藝與常規(guī)SOI材料制備工藝相似，只是在氧離子注入之前在硅片上形成了掩模以在體硅區(qū)域完全阻擋氧離子的注入。具體工藝步驟如下(a)生成掩模；(b)選擇優(yōu)化的劑量和能量進行離子注入；(c)高溫退火。
步驟(a)中的掩?？梢允荢iO2薄膜，Si3N4薄膜，多晶硅薄膜或金屬薄膜。薄膜要足夠厚以完全阻擋氧離子的注入。首選的掩模是熱氧化或CVD沉積的SiO2薄膜，厚度600nm即可以阻擋200keV的離子注入。在需要形成SOI材料的區(qū)域將SiO2薄膜刻蝕掉，保留體硅區(qū)域的SiO2薄膜，這樣只有在SOI區(qū)域有氧離子注入。掩模的厚度應滿足完全阻擋注入的要求，在100～600nm之間。
步驟(b)中離子注入是形成高質量圖形化SOI材料的關鍵。注入時要優(yōu)化注入的劑量和能量，不同的能量對應著不同的優(yōu)化劑量。能量的范圍是50～200keV；相應的劑量范圍是2.0×1017～7.0×1017cm-2。每一個注入能量有一個優(yōu)化的劑量，50keV所對應的劑量為2.0×1017cm-2；70keV所對應的劑量為2.5×1017cm-2；100keV所對應的劑量為3.5×1017cm-2；130keV所對應的劑量為4.5×1017cm-2；160keV所對應的劑量為5.5×1017cm-2；200keV所對應的劑量為7.0×1017cm-2；其劑量—能量優(yōu)化對應關系可表示為D(1017cm-2)＝(0.035±0.005)×E(keV)。注入的離子除O+外還可以是O2+、HO+、H2O+等含氧的離子以形成掩埋氧化層。如果注入含氮的離子，如N+、N2+等，可以形成掩埋氮化硅絕緣層；也可以氮氧混合注入形成氮氧化硅的混合埋層。注入時襯底溫度為400～700℃。注入后用稀釋的HF溶液漂去SiO2掩模。
步驟(c)是形成圖形化SOI材料的另一個重要步驟。退火的溫度為1200～1375℃，退火時間為1～24小時。；退火氣氛為氬氣或氮氣與氧氣的混合氣體，其中氧氣的體積含量可以為0.5％～20％。
本發(fā)明所述的制備圖形化SOI材料的方面是廣義的，作為半導體襯底的材料包括硅、鍺、硅鍺合金、GaAs或其它IV-IV，III-V和II-VI族的二元和三元化合物半導體或者它們之間的多層結構。
本發(fā)明提供的方法屬于低劑量(low dose)SIMOX技術，即離子注入后沒有立即形成連續(xù)的絕緣埋層，絕緣埋層是在高溫退火過程中形成的。這種劑量—能量優(yōu)化的低劑量注氧隔離和常規(guī)的高劑量注氧隔離在埋層的形成機理上是不一樣的。高劑量注氧隔離是在注入時就形成了埋層，高溫退火的作用是恢復頂層硅的單晶質量并使埋層的界面更陡峭。然而低劑量的注氧隔離的埋層是在高溫退火中形成的；埋層的厚度相對比較薄。注入的氧離子在高溫退火過程中形成埋氧后體積會膨脹，需要排出硅原子以獲得足夠的空間。所排出的硅原子主要向表面遷移，形成表面外延層。在高劑量注入的情況下，由于埋氧在注入時已經(jīng)形成并且厚度較厚，被埋氧所包圍的硅原子由于在埋氧中的遷移率非常低，無法遷移出來，就形成了硅島。同時，由于較厚的埋氧會導致過大的體積膨脹，產(chǎn)生很大的應力，在高溫退火過程中為了釋放應力便會在體硅與SOI的過渡區(qū)產(chǎn)生大量的缺陷，使過渡區(qū)范圍很大；由于體積膨脹，表面變得凹凸不平，使平整度很低。對于劑量—能量優(yōu)化的注氧隔離而言，由于注入的劑量低，注入時沒有埋氧形成。在退火過程中，被注入的氧離子所包圍的硅原子可以有效的遷移出來，擴散到表面去，這樣所形成的埋氧中就沒有硅島的存在。同時，由于埋氧絕緣層較薄，體積膨脹較小，所排出的硅原子也較少，在高溫退火過程中，這些硅原子可以很容易地遷移到表面。所以最后形成的圖形化SOI材料中體硅和SOI區(qū)域之間的缺陷非常少，過渡區(qū)很陡峭，表面平整度高。從下面的說明書附圖可以非常直觀地看出采用本發(fā)明提供的方法制備的圖形化SOI材料的優(yōu)點。
選擇不同的劑量—能量優(yōu)化關系可以獲得不同厚度頂層硅和不同厚度埋氧的圖形化SOI結構材料，這大大增加了制備高質量圖形化SOI材料的選擇性，可以在硅襯底中制備不同頂層硅厚度和埋氧厚度的圖形化SOI區(qū)域。
圖3為沒有進行劑量—能量優(yōu)化的注氧隔離技術所制備的圖形化SOI材料的TEM照片。
圖4為劑量—能量優(yōu)化的注氧隔離技術所制備的圖形化SOI材料的TEM照片。
圖5為圖4中埋氧和體硅之間過渡區(qū)的高分辨TEM照片。
圖6為優(yōu)化的劑量和能量關系曲線。
在

圖1至圖5的附圖中，1為硅襯底；2為注入的氧或退火后形成的埋氧；3為掩模；4為氧離子；5為SOI區(qū)域；6為體硅區(qū)域。
從圖4和5中可以明顯地看出，劑量—能量優(yōu)化注氧隔離技術所制備的圖形化SOI材料是高質量的，具體表現(xiàn)在在埋氧中沒有硅島的存在；體硅與SOI的過渡區(qū)附近沒有線位錯等缺陷的存在；過渡區(qū)非常的陡峭；SOI區(qū)域的表面沒有抬高，整個襯底的表面非常的平整。而對于常規(guī)的沒有優(yōu)化劑量和能量關系的注氧隔離技術所制備的圖形化SOI材料的質量很差，有大量的硅島存在；過渡區(qū)存在非常多的線位錯，甚至有晶界出現(xiàn)；SOI區(qū)域的表面向上隆起，整個表面凹凸不平。
實施例1在4英寸p型(100)單晶硅片上熱氧化生長300nm厚的SiO2薄膜，光刻生成掩模，使要形成SOI結構的區(qū)域沒有掩模覆蓋；體硅區(qū)域有掩模。注入O+離子，注入時選擇的能量為50keV，優(yōu)化的劑量為2.0×1017cm-2，注入時襯底溫度保持為680℃。注入后用稀釋的HF溶液漂去SiO2掩模。高溫退火Ar+0.5％O2氣氛中進行，退火溫度為在1300℃，退火5小時。
實施例2具體步驟和條件同實施例1，不同之處在于注入的離子不是O+離子，而是N+氮離子。
實施例3在硅鍺合金襯底上CVD沉積300nm厚的SiO2掩模，注入條件同實施例1。由于硅鍺合金的熔點溫度比硅低，所以退火溫度可以適當降低，如1200℃，退火5小時。
實施例4具體步驟同實施例1，不同之處在于襯底材料是單晶硅薄膜/硅鍺合金薄膜/體硅的多層結構。本實施例中所用的掩模和實施例2相同，是CVD沉積的SiO2薄膜。退火溫度為1200℃，退火5小時。
權利要求
1.一種劑量—能量優(yōu)化注氧隔離技術制備圖形化絕緣體上的硅材料的方法，依次包括在半導體襯底上生成掩模、離子注入和高溫退火，其特征在于(1)在離子注入前在硅片上形成掩模以在體硅區(qū)域完全阻擋離子的注入；(2)圖形化SOI材料體硅區(qū)域的掩模為SiO2薄膜、Si3N4薄膜、多晶硅薄膜或金屬薄膜，厚度在100～600nm之間；(3)離子注入時的能量范圍是50～200keV，相應的劑量范圍是2.0×1017～7.0×1017cm-2；其劑量—能量優(yōu)化對應關系表示為D(1017cm-2)＝(0.035±0.005)×E(keV)；(4)離子注入后的高溫退火的溫度為1200～1375℃，退火的時間為1～24個小時，退火的氣氛為氬氣或氮氣與氧氣的混合氣體，其中氧氣的體積含量為0.5％～20％。
2.按權利要求1所述的制備高質量圖形化SOI材料的方法，其特征在于所述的半導體襯底包括硅、鍺、硅鍺合金、GaAs或其它IV-IV，III-V和II-VI族的二元和三元化合物半導體或者它們之間的多層結構。
3.按權利要求1所述的制備高質量圖形化SOI材料的方法，其特征在于在50～200keV的范圍內，每一個注入能量有一個優(yōu)化的劑量50keV所對應的劑量為2.0×1017cm-2；70keV所對應的劑量為2.5×1017cm-2；100keV所對應的劑量為3.5×1017cm-2；130keV所對應的劑量為4.5×1017cm-2；160keV所對應的劑量為5.5×1017cm-2；200keV所對應的劑量為7.0×1017cm-2。
4.按權利要求1所述的制備高質量圖形化SOI材料的方法，其特征在于離子注入時襯底溫度為400～700℃。
5.按權利要求1所述的制備高質量圖形化SOI材料的方法，其特征在于注入的離子為O+、O2+、HO+或H2O+等含氧的離子，以形成掩埋氧化硅絕緣層。
6.按權利要求1所述的制備高質量圖形化SOI材料的方法，其特征在于注入的離子的為N+或N2+等含氮的離子，以形成掩埋氮化硅絕緣層。
7.按權利要求1所述的制備高質量圖形化SOI材料的方法，其特征在于注入離子為氮氧混合注入以形成氮氧化硅混合埋層。
8.按權利要求1所述的制備高質量圖形化SOI材料的方法，其特征在于所述的掩模是熱氧化或CVD方法生成的SiO2薄膜，600nm完全阻擋200keV離子的注入。
9.按權利要求1或3所述的制備高質量圖形化SOI材料的方法，其特征在于選擇不同的劑量-能量優(yōu)化關系獲得不同厚度的頂層硅和不同厚度埋氧的圖形化SOI結構材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制備高質量圖形化SOI材料的方法，依次包括在半導體襯底上生成掩模、離子注入和高溫退火，其特征在于(1)離子注入前在硅片上形成掩模以在體硅區(qū)域完全阻擋離子的注入；(2)離子注入時的能量范圍是50～200 keV，相應的劑量范圍是2.0×10
文檔編號H01L21/84GK1424754SQ0216074
公開日2003年6月18日 申請日期2002年12月27日 優(yōu)先權日2002年12月27日
發(fā)明者董業(yè)民, 陳猛, 王曦, 王湘, 陳靜, 林梓鑫 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所