專利名稱：一種soi集成電路結構及其制作方法
技術領域：
本發明涉及SOI(Silicon On Insulator，絕緣體上硅)集成電路領域，尤其涉及一種增強散熱能力的SOI集成電路結構及其制作方法。
背景技術：
伴隨集成電路制造工藝的不斷進步，半導體器件的體積正變得越來越小，隨之而來的是器件尺寸逼近物理極限時所產生的大量問題。這使得業界開始尋找除了單純縮小器件尺寸以外的解決方法，來進一步提高器件性能。SOI作為一個重要的發展方向而被業界廣泛研究和使用。相比傳統體硅材料，SOI的特點在于，在表面很薄的一個單晶硅層下是一個絕緣層，主要是以氧化硅作為絕緣材料。絕緣層之下是傳統的體硅材料，這一層的作用是對上面的結構起到機械支撐作用。SOI的機構在不改變器件尺寸的前提下，大大減小了器件的漏電流，降低了器件發熱量，從而使器件性能大大提高。
但是，SOI具備這些優點的同時，也帶來了散熱方面的問題。單晶硅材料在25℃時的導熱系數為83.5，而二氧化硅的導熱系數僅為1.5～39。特別是在STI(Shallow Trench Isolation，淺溝槽隔離)結構工藝中，當STI完成后，器件就如同被一個由二氧化硅所形成的碗所盛放，熱量無法有效的釋放到襯底體硅材料中去，從而影響到器件的性能和可靠性。
發明內容
本發明的目的在于提供一種SOI集成電路結構，克服了現有SOI技術散熱能力差，熱量無法有效的釋放的不足，利用絕緣導熱材料構造導熱回路，提高SOI芯片散熱能力，提高芯片的整體表現。
為了實現這一目的，本發明提供一種SOI集成電路結構，具有自上而下依次為單晶硅層、絕緣材料埋層以及襯底體硅材料的SOI結構，在單晶硅層具有淺溝槽隔離結構。所述的淺溝槽側壁和底部設有絕緣導熱材料，所述絕緣導熱材料貫穿絕緣材料埋層，所述絕緣導熱材料的底層與襯底體硅材料相接觸。所述的絕緣導熱材料厚度為5～30納米。所述的絕緣導熱材料導熱系數大于二氧化硅。所述的絕緣導熱材料是碳化硅。
本發明的另一目的在于提供一種SOI集成電路結構的制作方法，以提高SOI芯片散熱能力，提高芯片的整體表現。
為了實現該發明目的，本發明提供了一種SOI集成電路結構的制作方法，制作淺溝槽隔離結構，在單晶硅層刻蝕出凹槽，進一步刻蝕去除所述凹槽底部絕緣材料埋層，在所述凹槽內壁淀積一層絕緣導熱材料，連通所述的單晶硅層和襯底體硅材料，淀積淺溝槽隔離結構的氧化硅。
其中，所述的進一步刻蝕是各向異性的絕緣層刻蝕。所述的進一步刻蝕刻穿SOI硅片中的絕緣層埋層，停止在襯底體硅材料之上。所述的絕緣導熱材料是碳化硅。所述的淀積絕緣導熱材料薄膜厚度為5～30納米。
本發明提供另一方案是提供一種SOI集成電路結構的制作方法，包括以下步驟a.制作并完成上表面硬掩模光刻，刻蝕及去膠，形成有圖形的硬掩模層；b.刻蝕單晶硅層形成凹槽，清洗；c.進一步刻蝕去除凹槽底部絕緣材料埋層暴露出襯底體硅材料，清洗；d.在凹槽內壁淀積一層絕緣導熱材料，退火；e.淀積淺溝槽隔離氧化硅。
其中，所述的步驟b中的刻蝕是等離子體干法刻蝕，刻蝕氣體為鹵素氣體。所述的步驟b中的刻蝕停止在絕緣材料埋層上。所述的步驟b中的清洗采用氫氧化銨和過氧化氫混合液清洗。
所述的步驟c中的刻蝕是等離子體干法刻蝕，刻蝕氣體為碳氟類氣體。所述的步驟c中的清洗采用標準清洗程序、鹽酸和過氧化氫混合液、氫氧化銨和過氧化氫混合液、稀釋氫氟酸中的一種或多種組合進行清洗。
所述的步驟d中淀積的絕緣導熱材料是碳化硅。所述的步驟d中淀積采用高密度等離子體化學氣相淀積或者等離子體輔助化學氣相淀積，淀積氣體為甲烷和硅烷。所述的步驟d中淀積參數為溫度為150℃～400℃，壓力為0.001～50托，淀積薄膜厚度為5～30納米。所述的步驟d中退火溫度為800℃～1200℃。
本發明的優點在于本發明利用導熱性能良好的絕緣導熱材料(如碳化硅，導熱系數100～125)，在表面單晶硅層和襯底體硅材料之間構建了一個導熱回路，這一結構可以形成一個上下硅層之間的熱通道，使制作在單晶硅層上的器件在工作時所產生的熱量可以更方便得傳遞到襯底上，從而提高了散熱能力。改善了芯片性能和可靠性。
同時，本發明充分利用了現有的結構，無需額外增加光刻步驟，同現有工藝相比，這個結構的優點在于不會改變已有器件結構，在工藝上也只需要增加一次刻蝕和一次淀積，在成本和可行性上有很大優勢，具有良好的可行性和性價比。
圖1是本發明完成傳統STI刻蝕后的結構截面圖；圖2是本發明完成絕緣材料埋層刻蝕后的結構截面圖；圖3是本發明完成絕緣導熱材料淀積后的結構截面圖4是本發明完成STI淀積后的結構截面圖。
具體實施方式以下結合附圖，對本發明的具體實施方式
作進一步的詳細說明本發明的SOI集成電路結構的制作方法的一個實施例是，在一個自上而下依次是單晶硅層、絕緣材料埋層以及襯底體硅材料的SOI結構上，首先制作淺溝槽隔離結構，在單晶硅層刻蝕出凹槽，進一步刻蝕去除所述凹槽底部絕緣材料埋層，在所述凹槽內壁淀積一層絕緣導熱材料，連通所述的單晶硅層和襯底體硅材料，淀積淺溝槽隔離結構的氧化硅。從而借助對傳統的淺溝槽隔離結構制作方法的改造，完成了本發明具有散熱導通結構的SOI集成電路結構的制作。
對于凹槽底部絕緣材料埋層的刻蝕是各向異性的絕緣層刻蝕，其技術要求是刻穿SOI硅片中的絕緣層埋層，停止在襯底體硅材料之上。因此其刻蝕深度應當大于或等于絕緣層埋層的厚度。
首先請參照圖1，圖1是本發明完成傳統STI刻蝕后的結構截面圖，在圖1中，位于最上面的是單晶硅層1，單晶硅層1下方是絕緣材料埋層2，最下面一層是襯底體硅材料層3。單晶硅層1和襯底體硅材料層3具有較佳的導電和導熱性能，而絕緣材料埋層2一般是二氧化硅，其導熱性能較差，單晶硅材料在25℃時的導熱系數為83.5，而二氧化硅的導熱系數僅為1.5～39。
在傳統的STI工藝中，如圖1所示，采用使用等離子體干法刻蝕單晶硅層1，主要氣體為鹵素氣體，刻蝕厚度取決于所使用的硅片，為30～500納米，刻蝕停止在絕緣材料埋層2上，使用APM(ammonium hydrogen peroxidemixture氫氧化銨，過氧化氫混合液)清洗。
當然，在實施傳統的STI之前，首先要制作并完成上表面硬掩模光刻，刻蝕及去膠，形成有圖形的硬掩模層，以確定形成STI結構的具體位置、形狀和大小。
請參閱圖2，圖2是本發明完成絕緣材料埋層刻蝕后的結構截面圖。在圖2中，在形成圖1中單晶硅層1淺溝槽的基礎上，進一步使用等離子體干法刻蝕絕緣材料埋層(二氧化硅)2，主要刻蝕氣體為碳氟類氣體，刻蝕厚度取決于所使用的硅片，為100～1000納米，刻蝕停止在襯底體硅材料3上。使用RCA(radio corporation of amencan標準清洗程序)、HPM(hydrochloric-peroxide mix鹽酸，過氧化氫混合液)、APM和DHF(dilutedhydrofluoric acid稀釋氫氟酸)中的一種或多種進行清洗。
接下來請參閱圖3，圖3是本發明完成絕緣導熱材料淀積后的結構截面圖。如圖3所示，在凹槽內壁淀積一層絕緣導熱材料5，連通所述的單晶硅層1和襯底體硅材料層3，并進行退火處理。可使用PECVD(Plasma EnhancedChemical Vapor Deposition，等離子體輔助化學氣相淀積)或HDPCVD(HighDensity Plasma Chemical Vapor Veposition，高密度等離子體化學氣相淀積)淀積。
這里所述絕緣導熱材料5必須是絕緣材料，同時其導熱性優于二氧化硅(導熱系數為1.5～39)，如碳化硅(SiC，導熱系數為100～125)。在選用碳化硅作為絕緣導熱材料5的實施例中，淀積使用氣體為甲烷和硅烷，150℃～400℃，壓力為0.001～50torr。淀積薄膜厚度為5～30納米。退火溫度為800℃～1200℃。
在一些實施例中淀積可以僅對淺溝槽的兩側壁進行，這樣獲得的絕緣導熱5僅僅是連通了單晶硅層1和襯底體硅材料層3，但接觸面積較小，散熱效果不是太好；而另一些實施例中則對淺溝槽的整個內壁包括其兩側壁和底部都進行了絕緣導熱材料淀積，通過其底部的絕緣導熱材料5與襯底體硅材料層3的面接觸增大了散熱面積，起到了更好的散熱作用。
最后，請參閱圖4，圖4是本發明完成STI淀積后的結構截面圖。如圖4所示，在兩次刻蝕形成的淺溝槽中淀積淺溝槽隔離氧化硅4，最終形成具有淺溝槽側壁，在部分實施例中還包括淺溝槽底部的絕緣導熱材料5的淺溝槽結構。
在本發明的一些實施例中，所述襯底體硅材料3厚度大于10000納米，所述淺溝槽隔離氧化硅4深度略大于單晶硅層1與絕緣材料埋層2的厚度之和，所述淺溝槽隔離氧化硅4的寬度為60～350納米，所述絕緣導熱材料5厚度為5～30納米。具體設計尺寸應根據實際情況和工藝能力加以改變，本領域技術人員可以按照上述介紹加以實施。
本發明SOI集成電路結構，具有自上而下依次為單晶硅層1、絕緣材料埋層2以及襯底體硅材料3的SOI結構，在單晶硅層1具有淺溝槽隔離結構，淺溝槽側壁設有絕緣導熱材料5，該絕緣導熱材料5貫穿絕緣材料埋層2與襯底體硅材料3相接觸。絕緣導熱材料5進一步包括一個與襯底體硅材料3相接觸且連接兩淺溝槽側壁的絕緣導熱材料的底層。圖1至圖4中所示的實施例中，絕緣導熱材料5側壁部分是傾斜的，底層恰好連接兩個淺溝槽側壁的絕緣導熱材料。但在本發明的另外一些實施例中，絕緣導熱材料5側壁部分也可以是垂直或以其他角度及方向傾斜的通孔，底層也不僅限于剛好連接兩個淺溝槽側壁的絕緣導熱材料，其可以有更大的與襯底體硅材料3的接觸面以取得更好的散熱效果。
本發明的這一結構可以形成一個上下硅層之間的熱通道，便于器件產生的熱量轉移到襯底體硅材料上，有助于提高器件散熱效率。
以上介紹的僅僅是基于本發明的幾個較佳實施例，并不能以此來限定本發明的范圍。任何對本發明的裝置作本技術領域內熟知的部件的替換、組合、分立，以及對本發明實施步驟作本技術領域內熟知的等同改變或替換均不超出本發明的揭露以及保護范圍。
權利要求
1.一種SOI集成電路結構，具有自上而下依次為單晶硅層、絕緣材料埋層以及襯底體硅材料的SOI結構，在單晶硅層具有淺溝槽隔離結構，其特征在于所述的淺溝槽側壁和底部設有絕緣導熱材料，所述絕緣導熱材料貫穿絕緣材料埋層，所述絕緣導熱材料的底層與襯底體硅材料相接觸。
2.如權利要求1或2所述的SOI集成電路結構，其特征在于所述的絕緣導熱材料厚度為5～30納米。
3.權利要求1或2所述的SOI集成電路結構，其特征在于所述的絕緣導熱材料導熱系數大于二氧化硅。
4.如權利要求4所述的SOI集成電路結構，其特征在于所述的絕緣導熱材料是碳化硅。
5.一種SOI集成電路結構的制作方法，制作淺溝槽隔離結構，在單晶硅層刻蝕出凹槽，其特征在于進一步刻蝕去除所述凹槽底部絕緣材料埋層，在所述凹槽內壁淀積一層絕緣導熱材料，連通所述的單晶硅層和襯底體硅材料，淀積淺溝槽隔離結構的氧化硅。
6.如權利要求6所述的SOI集成電路結構的制作方法，其特征在于所述的進一步刻蝕是各向異性的絕緣層刻蝕。
7.如權利要求6所述的SOI集成電路結構的制作方法，其特征在于所述的進一步刻蝕刻穿SOI硅片中的絕緣層埋層，停止在襯底體硅材料之上。
8.如權利要求6所述的SOI集成電路結構的制作方法，其特征在于所述的絕緣導熱材料是碳化硅。
9.如權利要求6所述的SOI集成電路結構的制作方法，其特征在于所述的淀積絕緣導熱材料薄膜厚度為5～30納米。
10.一種SOI集成電路結構的制作方法，其特征在于包括以下步驟a.制作并完成上表面硬掩模光刻，刻蝕及去膠，形成有圖形的硬掩模層；b.刻蝕單晶硅層形成凹槽，清洗；c.進一步刻蝕去除凹槽底部絕緣材料埋層暴露出襯底體硅材料，清洗；d.在凹槽內壁淀積一層絕緣導熱材料，退火；e.淀積淺溝槽隔離氧化硅。
11.如權利要求11所述的SOI集成電路結構的制作方法，其特征在于所述的步驟b中的刻蝕是等離子體干法刻蝕，刻蝕氣體為鹵素氣體。
12.如權利要求11所述的SOI集成電路結構的制作方法，其特征在于所述的步驟b中的刻蝕停止在絕緣材料埋層上。
13.如權利要求11所述的SOI集成電路結構的制作方法，其特征在于所述的步驟b中的清洗采用氫氧化銨和過氧化氫混合液清洗。
14.如權利要求11所述的SOI集成電路結構的制作方法，其特征在于所述的步驟c中的刻蝕是等離子體干法刻蝕，刻蝕氣體為碳氟類氣體。
15.如權利要求11所述的SOI集成電路結構的制作方法，其特征在于所述的步驟c中的清洗采用標準清洗程序、鹽酸和過氧化氫混合液、氫氧化銨和過氧化氫混合液、稀釋氫氟酸中的一種或多種組合進行清洗。
16.如權利要求11所述的SOI集成電路結構的制作方法，其特征在于所述的步驟d中淀積的絕緣導熱材料是碳化硅。
17.如權利要求11所述的SOI集成電路結構的制作方法，其特征在于所述的步驟d中淀積采用高密度等離子體化學氣相淀積或者等離子體輔助化學氣相淀積，淀積氣體為甲烷和硅烷。
18.如權利要求11所述的SOI集成電路結構的制作方法，其特征在于所述的步驟d中淀積參數為溫度為150℃～400℃，壓力為0.001～50托，淀積薄膜厚度為5～30納米。
19.如權利要求11所述的SOI集成電路結構的制作方法，其特征在于所述的步驟d中退火溫度為800℃～1200℃。
全文摘要
本發明提供一種SOI集成電路結構，具有自上而下依次為單晶硅層、絕緣材料埋層以及襯底體硅材料的SOI結構，在單晶硅層具有淺溝槽隔離結構，所述的淺溝槽側壁設有絕緣導熱材料，該絕緣導熱材料貫穿絕緣材料埋層與襯底體硅材料相接觸。該結構可以形成一個上下硅層之間的熱通道，便于器件產生的熱量轉移到襯底體硅材料上，有助于提高器件散熱效率，改善器件性能。
文檔編號H01L21/70GK101017834SQ20071003777
公開日2007年8月15日 申請日期2007年3月2日 優先權日2007年3月2日
發明者張晨騁 申請人:上海集成電路研發中心有限公司