專利名稱：硅絕緣體基片、半導體基片及它們的制造方法
技術領域：
本發明涉及一種部分SOI基片，所述基片具有通過SIMOX(注氧隔離)技術制得的SOI(硅絕緣體)結構元件和整合在其上的主體結構元件；以及所述部分SOI基片的制造方法。
背景技術：
迄今為止，采用SIMOX法制造部分SOI基片的普遍做法是沿固定方向將氧離子注入掩膜的鏤空部分，這是普通SIMOX級離子注入器的構造所決定的。
具體地，此項技術旨在通過如下步驟來形成掩埋式氧化物薄膜5透過由平板印刷法在保護薄膜2內形成的鏤空部分3，將氧離子注入基片表面，對經過加工的基片施以規定的清洗處理，然后在高溫下對其進行熱處理(參閱專利文獻1和2)。
在所述專利文獻1和2中曾介紹了使注入氧離子的方向與基片表面法線成約7度夾角的想法。所述傾角旨在調節所注入的氧離子的分布以確保形成-理想的掩埋式氧化物薄層。然而，這種傾斜的離子注入造成所述掩埋式氧化物薄膜的邊緣透過表面被曝露(參閱專利文獻2和3)。造成這一現象的原因是如圖4所示，因為鏤空部分的周邊部分未被保護薄膜徹底掩蔽，從而不可避免地將氧離子注入所述基片的表面上，在通過熱處理形成掩埋式氧化物薄膜時，所述掩埋式氧化物薄膜會在表面曝露。因在用氫氟酸清洗表面以移除氧化物薄膜的后續步驟中，該曝露部分會不可避免地形成凹痕或孔穴以致(1)因必需引入有效的器件-隔離結構而妨礙電路設計；和(2)因在CMP拋光步驟中產生過多漿液而造成加工方面的問題。
專利文獻2和3曾建議了若干措施來解決這些問題。但，這些措施不易于用實際工業生產中。
專利文獻2中建議的垂直注入法影響了BOX的形成并降低了所述BOX的品質，因在注入氧的分布通道中會產生一尾部。專利文獻3中建議了沿與基片表面法線成7-10度傾角實施的各向異性蝕刻處理，然而這樣的處理不容易控制，因為雖然ECR方法(電子回旋加速器共振法)沿垂直于基片表面方向在等離子體與基片間形成電位差，但是由于傾角會引起偏差，利用共振點不能確保方向特性。而利用氮化物薄膜的方法的缺點是處理步驟增加、處理時間延長和生產成本提高。
使用現有技術制備的部分硅絕緣體在硅絕緣體區與非硅絕緣體區之間必然存在一個表面高度差。迄今為止還沒有人提出解決這一問題的措施，也沒有人致力于澄清現存問題。可容許的表面高度差取決于目標集成電路的電路圖案的尺寸。雖然一般要求該表面高度差不超過200nm，但容許的幅度有降低趨勢。
日本專利JP-A-08-017694的正式公報[專利文獻2]日本專利JP-A-2001-308025的正式公報[專利文獻3]日本專利JP-A-2003-308172的正式公報發明內容迄今為止，在利用注氧隔離(SIMOX)技術制造部分硅絕緣體基片時，普通方法不可避免地使BOX(掩埋式氧化物薄層)曝露，且已有的解決該問題的建議措施在付諸具體生產時必然遇到困難。本發明旨在提供(1)一種方法，該方法采用注氧隔離(SIMOX)技術以低成本批量制造其中掩埋式氧化物薄膜不曝露的理想的部分硅絕緣體結構；和(2)一種由該方法制得的硅絕緣體基片。另外，本發明旨在提供(1)一種制造方法，該方法可避免在硅絕緣體區與非硅絕緣體區間產生嚴重的表面高度差；和(2)一種由該方法制得的硅絕緣體基片。
上述目的通過一種硅絕緣體基片得以實現，所述硅絕緣體基片是在單晶硅半導體基片內形成的，其帶有掩埋式氧化物薄膜，其特征在于具有掩埋式氧化物薄膜的硅絕緣體區與無掩埋式氧化物薄膜的非硅絕緣體區的表面高度差不超過200nm。
上述目的通過一種硅絕緣體基片得以實現，所述硅絕緣體基片的制備方法包括如下步驟在單晶硅半導體基片的表面上形成一保護薄膜作為離子注入掩膜的步驟；在所述保護薄膜內形成規定圖案的鏤空部分的步驟；沿不垂直于半導體基片的方向將氧離子注入所述半導體基片表面的步驟；和對所述半導體基片施以熱處理，從而在該半導體基片內形成掩埋式氧化物薄膜的步驟；所述硅絕緣體基片的特征為具有掩埋式氧化物薄膜的硅絕緣體區與無掩埋式氧化物薄膜的非硅絕緣體區的表面高度差不超過200nm。
上述目的通過一種制造硅絕緣體基片的方法得以實現，該制造方法包括在單晶硅半導體基片的表面上形成一保護薄膜作為離子注入掩膜的步驟；在所述保護薄膜內形成規定圖案的鏤空部分的步驟；沿不垂直于半導體基片的方向將氧離子注入所述半導體基片表面的步驟；和對所述半導體基片施以熱處理，從而在該半導體基片內形成掩埋式氧化物薄膜的步驟；所述方法的特征在于在將氧離子注入所述半導體基片表面的步驟中，使氧離子注入流的投影與基片主體的特定方向間所形成的夾角至少有兩個取值。
如以上所述，借助本發明可獲得(1)一種方法，該方法采用注氧隔離(SIMOX)技術以低成本批量制造其中掩埋式氧化物薄膜不曝露的理想的部分硅絕緣體結構；和(2)一種由該方法制得的硅絕緣體基片。
附圖簡介
圖1(A)-(D)是依照本發明制造硅絕緣體基片的方法實例的流程圖。
圖2(A)和(B)是依照本發明制造硅絕緣體基片的方法中注入離子步驟實例的典型斷面圖。
圖3是說明制造本發明硅絕緣體基片的方法中的熱處理條件與硅絕緣體/本體兩區之間表面高度差的消除的關系的相圖。
圖4是說明依照現有技術制造硅絕緣體基片的方法的特征的典型斷面圖。
本發明優選實施方式下面結合附圖對本發明的具體實施方式
加以詳細說明。但本發明的范圍并不以此為限。
此處，圖1(A)、(B)、(C)和(D)是本發明硅絕緣體基片制造方法的一個實施例的流程圖。下面說明中將假定使用熱氧化物薄膜作為保護薄膜。
參照圖1(A)，用作離子注入掩膜的氧化物薄膜(保護薄膜2)通過熱氧化作用形成在單晶硅半導體基片1的表面上。然后，如圖1(B)所示，采用光學微影技術在保護薄膜2中形成具有特定圖案的鏤空部分3。然后，如圖1(C)所示，將氧離子4沿不垂直于半導體基片表面的方向注入半導體基片1的表面，如圖1(D)圖所示，通過對半導體基片1施以熱處理，在半導體基片1內形成掩埋式氧化物薄膜5。
在此，優選通過各向異性蝕刻形成的掩膜的鏤空部分3的邊緣與基片近乎垂直。
所述采用注氧隔離技術制得的硅絕緣體基片的制備方法包括(1)以4×1017個原子/平方厘米的劑量和180kev的加速能量注入氧離子，直至在預定深度處形成高濃度氧離子注入層，(2)在1350℃的退火溫度下，在氧濃度為0.5％的氬氣環境中將該層退火4小時。并在氧濃度增至70％的情況下再將其退火4小時。但，注氧隔離基片的制造條件無需特別局限于此。
此處，所述半導體基片由硅或硅鍺形成。
舉例來說，如圖2(A)和(B)所示，通過將基片的[110]方向與注入離子流42在基片平面上的投影41所形成的夾角φ變成α和β條件下的夾角，借助保護薄膜可將掩膜內鏤空部分的邊緣的離子掩蔽作用加以均化。
本發明還涉及一種用于制造前述硅絕緣體基片的適當方法，其中在使用保護薄膜作為掩膜將氧離子注入所述半導體基片表面的步驟中，注入過程分多輪進行，在這些輪中，氧離子注入流在基片平面上的投影與基片主體的特定方向間所形成的夾角有所差異。
當注入過程中的前述夾角φ不能自由設定時，可以通過將注入處理分成多輪進行，并改變每輪的夾角φ，借助保護薄膜將掩膜內鏤空部分的邊緣的離子掩蔽作用加以均化。
本發明的另一目的是提供一種用于制造前述硅絕緣體基片的適當方法，其中在使用保護薄膜2作為掩膜將氧離子4注入所述半導體基片表面的步驟中，氧離子注入流42與所述基片主體表面的法線7間所形成的夾角至少為10度，優選為11至16度。
當氧離子注入流42與所述基片主體表面的法線7間所形成的夾角θ(參見圖2)不低于10度時，對掩埋式氧化物薄膜的曝露的抑制作用較該角低于10度時更為有效。
借助離子注入和熱處理(可防止掩埋層或孔穴的曝露)，本發明的以上說明可用于形成掩埋式絕緣薄膜、掩埋式孔穴或掩埋式硅化合物(例如SiC或Si3N4)。
另外，本發明還涉及一種用以制造前述硅絕緣體基片的方法，其中所述熱處理步驟所用的溫度不低于1250℃，優選不超過1300℃，更優選不超過1325℃，熱處理過程中氧流率不低于5％，優選不低于20％，且處理持續時間不少于10分鐘，優選不少于30分鐘。
通過在所述方法中加入此熱處理步驟，可消除硅絕緣體區與本體區之間的表面高度差。
本發明的另一目的是一種用以制造前述硅絕緣體基片的方法，其中將形成的硅氧化物薄膜作為保護薄膜2。
雖然僅要求保護薄膜能阻擋氧離子，但使用氧化硅薄膜則容許在更廣泛的條件下進行硅絕緣體基片的制造(見表1)。
因此，本發明提供一種用上述方法制得的硅絕緣體基片，其特征為掩埋式氧化物薄膜不會透過基片表面而曝露，且硅絕緣體區與本體區之間的表面高度差不超過200nm。
實施例下面結合實施例對本發明加以詳細說明。
實施例1至17及對比例1至5通過按照Czochralski法生長摻硼單晶硅制得具有(001)面作為基片主表面的晶片，其直徑為200毫米。實施氧離子注入的條件是基片溫度為550℃，加速電壓為180kev，注入氧離子的總劑量為4×1017個原子/平方厘米。在本發明的實施例中，注入工作分四輪進行，每輪的劑量為1×1017個原子/平方厘米。每個晶片的外周沿<110>方向上都有用以指示標記的切口。注入流體的投影與<110>方向間所形成的夾角φ每輪旋轉90度。在每輪注入的過程中夾角φ是固定的。在每輪注入的過程中基片表面法線與注入流體間所形成的夾角θ固定在15度。按照上述步驟，在10至16度范圍內每輪將夾角θ改變1度，制得部分硅絕緣體。分別地，通過將注入工作分成兩輪且各輪間以180度的間隔改變夾角θ，和將注入工作分成三輪且各輪間以120度的間隔改變夾角θ，制得部分硅絕緣體。對于對比例，注入工作是依照表1所示的條件實施，其中在注入工作中不采用分多輪進行的方式。將這些晶片置入一熱處理爐內并在下列兩種條件下在該爐中施以熱處理條件A溫度1350℃，氬環境+0.5％氧，加熱時間四小時。
條件B溫度1350℃，氬環境+0.5％氧，加熱時間四小時，隨后施以熱處理，所用條件為溫度1350℃，氬環境+70％氧，加熱時間三小時。
用氫氟酸將所制部分硅絕緣體晶片的表面氧化物層剝除，并利用橢圓偏振光譜儀測量表面硅層和硅絕緣體部分中的掩埋式氧化物層的厚度。結果，在這些試樣中并未發現太大差異。在條件A下處理的試樣的硅表面厚度為340nm，掩埋式氧化物層厚度為85nm，而在條件B下處理的試樣，硅層表面厚度為175nm，掩埋式氧化物層厚度為105nm。
然后，利用一原子力顯微(AFM)可看出硅絕緣體/本體的界面。所觀察到的結果如表1所示。根據硅絕緣體/本體邊界處的掩埋式氧化物的曝露情況評定試樣的等級。等級的評定采用三級制S表示完全未觀察到，P表示部分觀察到，F表示整個界面曝露。
表1
當熱處理加工包含這樣一個熱處理步驟時溫度不低于1250℃，熱處理過程中氧流率不低于5％，熱處理時間不少于10分鐘，硅絕緣體和本體區之間的表面高度差得以消除。(圖3所示為流率-處理溫度相圖。)在空心圓(○)所指示的點，觀察到超過200nm的表面高度差，而在實心圓(●)所指示的點未觀察到超過200nm的表面高度差。
權利要求
1.一種在單晶硅半導體基片內形成的帶有掩埋式氧化物薄膜的硅絕緣體基片，其特征在于具有掩埋式氧化物薄膜的硅絕緣體區與無掩埋式氧化物薄膜的非硅絕緣體區的表面高度差不超過200nm。
2.一種硅絕緣體基片，其制備方法包括如下步驟在單晶硅半導體基片的表面上形成一保護薄膜作為離子注入掩膜的步驟；在所述保護薄膜內形成規定圖案的鏤空部分的步驟；沿不垂直于半導體基片的方向將氧離子注入所述半導體基片表面的步驟；和對所述半導體基片施以熱處理，從而在該半導體基片內形成掩埋式氧化物薄膜的步驟；所述硅絕緣體基片的特征為具有掩埋式氧化物薄膜的硅絕緣體區與無掩埋式氧化物薄膜的非硅絕緣體區的表面高度差不超過200nm。
3.一種制造硅絕緣體基片的方法，該制造方法包括在單晶硅半導體基片的表面上形成一保護薄膜作為離子注入掩膜的步驟；在所述保護薄膜內形成規定圖案的鏤空部分的步驟；沿不垂直于半導體基片的方向將氧離子注入所述半導體基片表面的步驟；和對所述半導體基片施以熱處理，從而在該半導體基片內形成掩埋式氧化物薄膜的步驟；所述方法的特征在于在將氧離子注入所述半導體基片表面的步驟中，使氧離子注入流的投影與基片主體的特定方向間所形成的夾角至少有兩個取值。
4.如權利要求3的方法，其中在使用保護薄膜作為掩膜將氧離子注入所述半導體基片表面的步驟中，注入過程分多輪進行，在這些輪中，氧離子注入流在基片平面上的投影與基片主體的特定方向間所形成的夾角有所差異。
5.如權利要求3或4的方法，其中在使用保護薄膜作為掩膜將氧離子注入所述半導體基片表面的步驟中，氧離子注入流與所述基片主體表面的法線間所形成的夾角至少為10度。
6.如權利要求3-5任一的方法，其中所述熱處理步驟所用的溫度不低于1250℃，熱處理過程中氧流率不低于5％，且處理持續時間不少于10分鐘。
7.如權利要求3-6任一的方法，其中形成硅氧化物薄膜作為所述保護薄膜。
8.一種由權利要求3-7任一的方法所制得的硅絕緣體基片，其特征為具有掩埋式氧化物薄膜的硅絕緣體區與無掩埋式氧化物薄膜的非硅絕緣體區的表面高度差不超過200nm。
9.一種由權利要求3-7任一的方法所制得的硅絕緣體基片，其特征為不使掩埋式氧化物薄膜透過基片表面而曝露。
10.一種制造半導體基片的方法，其特征為在權利要求3-7任一的方法中，取代注入氧離子，通過注入可與硅形成化合物的元素離子以形成掩埋式硅化合物薄膜。
11.一種由權利要求10所述方法制造的半導體基片，其特征為具有掩埋式硅化合物薄膜的區與無掩埋式硅化合物薄膜的區之間的表面高度差不超過200nm。
12.一種由如權利要求10所述方法制造的半導體基片，其特征為不使掩埋式硅化合物薄膜透過基片表面而曝露。
全文摘要
本發明提供了一種通過注氧隔離(SIMOX)技術批量生產理想的部分硅絕緣體基片的方法，該方法可避免掩埋式氧化物薄膜透過基片表面而曝露，且硅絕緣體區與非硅絕緣體區之間不會形成表面高度差。本發明的硅絕緣體基片制造方法包括在單晶硅半導體基片的表面上形成一保護薄膜作為離子注入掩膜的步驟；在所述保護薄膜內形成規定圖案的鏤空部分的步驟；沿不垂直于半導體基片的方向將氧離子注入所述半導體基片表面的步驟；和對所述半導體基片施以熱處理，從而在該半導體基片內形成掩埋式氧化物薄膜的步驟；所述方法的特征在于在將氧離子注入所述半導體基片表面的步驟中，使氧離子注入流的投影與基片主體的特定方向間所形成的夾角至少有兩個取值。
文檔編號H01L21/266GK1585106SQ20041004892
公開日2005年2月23日 申請日期2004年6月14日 優先權日2003年6月13日
發明者佐佐木勉, 高山誠治, 松村篤樹 申請人:硅電子股份公司