專利名稱：劑量－能量優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。與現有的技術相比，本發明的方法所制備的圖形化SOI材料明顯地改善了體硅與SOI區域之間過渡區的質量，使過渡區小，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，動態隨機存儲器(DRAM)，電荷耦合器件(CCD)成像系統等，在SOI襯底實現的難度還很大，目前工藝上還非常不成熟，無法實際大規模應用。而這些電路在體硅上制造已經非常成熟，從設計到工藝都得到了優化，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，充分發揮各自的優勢，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區域；體硅電路制造在襯底的體硅區域，從而實現了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芯片；或者與體硅的CCD成像器件集成為數字相機的芯片。
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域將會產生更高密度的缺陷，邊界過渡區會更大；并且整個SOI區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之間過渡區大；表面平整度差等質量問題，本發明采用劑量—能量優化注氧隔離技術(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，沒有連續的掩埋氧化層形成。所以，要制備高質量的SOI材料必須優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。采用本發明提出的DEO SIMOX技術制備圖形化SOI材料的工藝與常規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)選擇優化的劑量和能量進行離子注入；(c)高溫退火。
步驟(a)中的掩模可以是SiO2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材料的區域將SiO2薄膜刻蝕掉，保留體硅區域的SiO2薄膜，這樣只有在SOI區域有氧離子注入。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。注入時要優化注入的劑量和能量，不同的能量對應著不同的優化劑量。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—能量優化的低劑量注氧隔離和常規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的過渡區產生大量的缺陷，使過渡區范圍很大；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區域之間的缺陷非常少，過渡區很陡峭，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明提供的方法制備的圖形化SOI材料的優點。
選擇不同的劑量—能量優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區域。
圖3為沒有進行劑量—能量優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的高分辨TEM照片。
圖6為優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區域；6為體硅區域。
從圖4和5中可以明顯地看出，劑量—能量優化注氧隔離技術所制備的圖形化SOI材料是高質量的，具體表現在在埋氧中沒有硅島的存在；體硅與SOI的過渡區附近沒有線位錯等缺陷的存在；過渡區非常的陡峭；SOI區域的表面沒有抬高，整個襯底的表面非常的平整。而對于常規的沒有優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；過渡區存在非常多的線位錯，甚至有晶界出現；SOI區域的表面向上隆起，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結構的區域沒有掩模覆蓋；體硅區域有掩模。注入O+離子，注入時選擇的能量為50keV，優化的劑量為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域完全阻擋離子的注入；(2)圖形化SOI材料體硅區域的掩模為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 優先權日2002年12月27日
發明者董業民, 陳猛, 王曦, 王湘, 陳靜, 林梓鑫 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所