一種絕緣體島上硅襯底材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件襯底及其制備方法，特別是涉及一種絕緣體島上硅襯底材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]S0I(Silicon-0n-1nsulator，絕緣襯底上的娃)技術(shù)是在頂層娃和背襯底之間引入了一層埋氧化層。通過(guò)在絕緣體上形成半導(dǎo)體薄膜，SOI材料具有了體硅所無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn):可以實(shí)現(xiàn)集成電路中元器件的介質(zhì)隔離，徹底消除了體硅CMOS電路中的寄生閂鎖效應(yīng)；采用這種材料制成的集成電路還具有寄生電容小、集成密度高、速度快、工藝簡(jiǎn)單、短溝道效應(yīng)小及特別適用于低壓低功耗電路等優(yōu)勢(shì)，因此，SOI逐漸成為了深亞微米的低壓、低功耗集成電路的主流技術(shù)。
[0003]開(kāi)始采用SOI材料做基板時(shí)，芯片制造商在生產(chǎn)過(guò)程中仍然能夠繼續(xù)使用傳統(tǒng)的制造工藝和設(shè)備。事實(shí)證明，SOI完全能夠滿足主流MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)的性能需求。對(duì)CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)器件的性能改善、漏電流減小以及功耗減少等都會(huì)產(chǎn)生極大的促進(jìn)作用，特別適合于低電壓器件結(jié)構(gòu)等。
[0004]除了CMOS器件，SOI還可用來(lái)制造技術(shù)領(lǐng)先的微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)，MEMS可用于傳感器以及微光電技術(shù)電路等。此外，也可以利用SOI增強(qiáng)BiCMOS、功率器件和高壓器件的性能，另外還能夠改善在高溫環(huán)境或者曝光在電離輻射環(huán)境下的集成電路的性能。
[0005]SOI晶圓制造的芯片由數(shù)百萬(wàn)含晶體管的絕緣區(qū)組成，每個(gè)絕緣區(qū)都與其它絕緣區(qū)和其下的體型襯底硅基板互相隔離。這一特點(diǎn)極大地簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì):由于晶體管之間是互相隔離的，設(shè)計(jì)師無(wú)需為了實(shí)現(xiàn)反偏結(jié)點(diǎn)的電氣絕緣而設(shè)計(jì)復(fù)雜的電路方案。同時(shí)絕緣層也會(huì)保護(hù)頂層和體硅襯底基板上寄生的活動(dòng)硅層。SOI的這兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，使得設(shè)計(jì)師們能夠研發(fā)出更加緊湊的超大規(guī)模集成電路(VLSI)芯片。
[0006]同時(shí)，集成電路制造商利用SOI還能夠生產(chǎn)出在待機(jī)和操作模式下功耗更低的CMOS電路。由于此結(jié)構(gòu)中絕緣層把活動(dòng)硅膜層與體型襯底硅基板分隔開(kāi)來(lái)，因此大面積的p-n結(jié)將被介電隔離(dielectric isolat1n)取代。源極和漏極(drain reg1ns)向下延伸至氧化埋層(buried oxide BOX)，有效減少了漏電流和結(jié)電容。其結(jié)果必然是大幅度提高了芯片的運(yùn)行速度，拓寬了器件工作的溫度范圍。SOI器件還具有極小的結(jié)面積，因此具有良好的抗軟失效、瞬時(shí)輻照和單粒子(α粒子)翻轉(zhuǎn)能力。
[0007]相對(duì)于體硅材料器件來(lái)說(shuō)，SOI的寄生電容、源漏耦合、抗輻照等相關(guān)性能都有顯著的提高，然而由于一般的SOI器件的有源區(qū)頂層硅與絕緣層接觸，對(duì)器件造成了以下影響:
[0008]第一，源漏與襯底之間存在一定的寄生電容，影響器件速度；
[0009]第二，源漏之間通過(guò)底層BOX耦合，在較小尺寸的器件中易產(chǎn)生短溝道效應(yīng)；
[0010]第三，溝道下方絕緣層中的缺陷會(huì)對(duì)溝道載流子造成散射，影響載流子的迀移率；
[0011]第四，高能粒子入射后，將在BOX絕緣層中激發(fā)電子-空穴對(duì)，影響器件的抗輻照性會(huì)K。
[0012]基于以上所述，提供一種能夠有效提高SOI器件可靠性的SOI襯底材料實(shí)屬必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種絕緣體島上硅襯底材料及其制備方法，用于進(jìn)一步提高傳統(tǒng)SOI襯底制作器件的可靠性。
[0014]為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種絕緣體島上硅襯底材料的制備方法，所述制備方法包括步驟:步驟I)，提供第一硅襯底，于所述第一硅襯底表面形成第一絕緣層;步驟2 )，基于所述第一絕緣層對(duì)所述第一硅襯底進(jìn)行剝離離子注入，于所述硅襯底中定義剝離界面，然后去除所述第一絕緣層;步驟3)，提供第二硅襯底，于所述第二硅襯底表面形成第二絕緣層;步驟4)，于所述第二絕緣層表面形成掩膜層，并于對(duì)應(yīng)于制備晶體管溝道的位置形成刻蝕窗口 ；步驟5)，基于刻蝕窗口刻蝕所述第二絕緣層，形成貫穿至所述第二硅襯底或底部保留有部分第二絕緣層的凹槽;步驟6)，鍵合所述第一硅襯底及所述第二絕緣層;步驟7)，進(jìn)行退火工藝使所述第一硅襯底從剝離界面處剝離，與所述第二絕緣層鍵合的部分作為絕緣體島上硅襯底材料的硅頂層；以及步驟8)，進(jìn)行高溫退火，以加強(qiáng)所述第二硅襯底及所述第二絕緣層的鍵合強(qiáng)度。
[0015]作為本發(fā)明的絕緣體島上硅襯底材料的制備方法的一種優(yōu)選方案，步驟I)中，采用熱氧化工藝于所述第一硅襯底表面形成二氧化硅層，作為第一絕緣層;步驟3)中，采用熱氧化工藝于所述第二硅襯底表面形成二氧化硅層，作為第二絕緣層。
[0016]作為本發(fā)明的絕緣體島上硅襯底材料的制備方法的一種優(yōu)選方案，所述第二絕緣層的厚度為不小于5nm。
[0017]作為本發(fā)明的絕緣體島上硅襯底材料的制備方法的一種優(yōu)選方案，步驟2)中，所述剝離離子為H離子或He離子。
[0018]作為本發(fā)明的絕緣體島上硅襯底材料的制備方法的一種優(yōu)選方案，步驟2)中，所述剝離離子于所述第一硅襯底的注入深度為20?2000nm。
[0019]作為本發(fā)明的絕緣體島上硅襯底材料的制備方法的一種優(yōu)選方案，步驟6)在鍵合前還包括對(duì)所述第一硅襯底及第二硅襯底進(jìn)行清洗的步驟。
[0020]作為本發(fā)明的絕緣體島上硅襯底材料的制備方法的一種優(yōu)選方案，步驟7)中，退火工藝的氣氛為N2氣氛。
[0021 ]作為本發(fā)明的絕緣體島上硅襯底材料的制備方法的一種優(yōu)選方案，步驟7)中，退火工藝的溫度范圍為400?500°C，以使所述第一硅襯底從剝離界面處剝離。
[0022]作為本發(fā)明的絕緣體島上硅襯底材料的制備方法的一種優(yōu)選方案，步驟7)中，還包括對(duì)所述頂層硅表面進(jìn)行CMP拋光的步驟。
[0023]本發(fā)明還提供一種絕緣體島上硅襯底材料，包括:底層硅;絕緣層，結(jié)合于所述底層硅表面，且于對(duì)應(yīng)于制備晶體管溝道的位置具有直至所述底層硅或底部保留有部分絕緣層的凹槽；以及頂層硅，結(jié)合于所述絕緣層表面。
[0024]作為本發(fā)明的絕緣體島上硅襯底材料的一種優(yōu)選方案，所述絕緣層為二氧化硅層。
[0025]作為本發(fā)明的絕緣體島上硅襯底材料的一種優(yōu)選方案，所述絕緣層的厚度為不小于 5nm。
[0026]作為本發(fā)明的絕緣體島上硅襯底材料的一種優(yōu)選方案，所述頂層硅的厚度范圍為20?2000nm。
[0027]如上所述，本發(fā)明的絕緣體島上硅襯底材料及其制備方法，具有以下有益效果:本發(fā)明通過(guò)在對(duì)應(yīng)于制備晶體管溝道的絕緣層中制作凹槽，該凹槽可以完全貫穿于頂層硅及底層硅之間，也可以在凹槽內(nèi)保留部分的絕緣層，使得后續(xù)制備的晶體管溝道下方具有挖空區(qū)域。本發(fā)明結(jié)構(gòu)及方法簡(jiǎn)單，可有效提高器件的可靠性，在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
【附圖說(shuō)明】
[0028]圖1?圖10分別顯示為本發(fā)明的絕緣體島上硅襯底材料的制備方法各步驟所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖11顯示為本發(fā)明絕緣體島上硅襯底材料的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]元件標(biāo)號(hào)說(shuō)明
[0031]101第一硅襯底
[0032]102第一絕緣層
[0033]201第二硅襯底
[0034]202第二絕緣層
[0035]203 凹槽
[0036]301底層硅
[0037]302絕緣層
[0038]303 凹槽
[0039]304頂層硅
【具體實(shí)施方式】
[0040]以下通過(guò)特定的具體實(shí)例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說(shuō)明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過(guò)另外不同的【具體實(shí)施方式】加以實(shí)施或應(yīng)用，本說(shuō)明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒(méi)有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0041]請(qǐng)參閱圖1?圖11。需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說(shuō)明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖示中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。
[0042]如圖1?圖10所示，本實(shí)施例提供一種絕緣體島上硅襯底材料的制備方法，所述制備方法包括步驟:
[0043]如圖1?圖2所示，首先進(jìn)行步驟I)，提供第一硅襯底101，于所述第一硅襯底101表面形成第一絕緣層102。
[0044]作為示例，采用熱氧化工藝于所述第一硅襯底101表面形成二氧化硅層，作為第一絕緣層102，在本實(shí)施例中，所述熱氧化工藝選用為干法熱氧化工藝，氧化的溫度范圍為900?1200°C，具體選用為1000°C。
[0045]作為示例，所述第一絕緣層102的厚度為不小于5nm，所述第一絕緣層102的厚度可以依據(jù)熱氧化工藝的溫度及時(shí)間確定。在本實(shí)施例中，所述第一絕緣層102的厚度為20nm。所述第一絕緣層102可以在后續(xù)的H或He離子