專利名稱：Soi晶片及其形成方法
技術領域：
本發明涉及半導體技術領域，尤其涉及SOI晶片及其形成方法。
背景技術：
目前，作為可以使半導體裝置高性能化的半導體襯底，SOI (Silicon on Insulator，絕緣體上硅)晶片受到廣泛重視。SOI晶片包括硅基底、絕緣絕緣層和頂部硅 層，這樣的結構有如下優勢(1)可以用于制造0. 1 μ m以下線條的大規模集成電路，從而可 以消除在體硅中制造如此高集成度器件所產生的各種寄生效應；(2)可以用于制造各種袖 珍設備所需要的高速低功耗半導體器件；(3)可以用于制造抗核輻照的半導體器件；(4)形 成MOS器件的局部隔離，提高隔離器件的允許工作電壓。因此，業界普遍認為，SOI材料是 未來大規模集成電路主導產業的基礎材料。現有制造SOI材料的方法有三種。其中之一為注氧隔離技術，是目前制造SOI材 料所采用的主要方法。其要點是，如圖1所示，提供一單晶硅片1，將氧離子2注入到單晶硅 片中，經過高溫退火，在單晶硅片1內形成絕緣層3。這種絕緣層將原有的單晶硅片1分隔 成兩部分頂部硅層4和硅基底5。第二種方法為“鍵合SOI ”技術，該方法形成的SOI晶片在質量方面特別好。在該技 術中，如圖2所示，將第一單晶硅片10和第二單晶硅片12的表面互相緊密地粘合在一起， 其中第一單晶硅片10或第二單晶硅片12表面具有用氧化等方法形成的絕緣層14，對其進 行退火以增強粘合界面的連接；參考圖3，其后對第二單晶硅片12的非粘合面進行拋光或 刻蝕以便在絕緣層14上留下厚度較薄的頂部硅層12a。本技術中最重要一點是將襯底減薄 的步驟。第三種方法為“Smart Cut”技術，如中國專利申請200710161139中公開的方案中 提及的如圖4所示，提供第一單晶硅片20 ；在第一單晶硅片20的粘合面上形成絕緣層22， 形成方法可利用熱氧化等方式。通過絕緣層22，將氫離子24注入第一單晶硅片20內，形 成均勻的離子注入層26。在離子注入后，對第一單晶硅片20進行行熱處理；此熱處理，是 在剝離工藝之前，預先使離子注入層26的“注入界面”的機械性強度減弱的處理，也可避免 “注入界面”在以后的工藝中被剝離而得到的SOI膜表面的“粗糙度”增大。在對第一單晶 硅片20和第二單晶硅片30表面進行潔凈化處理后，如圖5所示，將第一單晶硅片20和第 二單晶硅片30進行緊密粘合；然后進行熱處理工藝，使第一單晶硅片20上的絕緣層22與 第一單晶硅片的接合強度提高。參考圖6，將第一單晶硅片20的離子注入層26上的硅襯底 從第一單晶硅片20上機械地進行剝離，形成SOI晶片。現有形成SOI晶片的三種方法都有一定的缺陷注氧隔離技術中氧氣的注入和退 火工藝后，會使單晶硅片的晶格被破壞，極大地降低了絕緣層的絕緣性能，進而降低了 SOI 材料的質量。而“鍵合S0I”技術中要將厚達幾百微米左右的硅襯底均勻地拋光或刻蝕到幾微米 或甚至1微米或更小，這從技術上講在可控性和均勻性方面是非常困難的，而且制作成本非常高；另外，在鍵合形成SOI過程中，如在鍵合表面中有污染物或因為鍵合表面的較差的 平整度而存在凹凸不平，則會有孔隙在鍵合界面處出現，影響SOI晶片的質量。"Smart Cut”技術對工藝精度要求很高，制作難度大，且成本高。
發明內容
本發明解決的問題是提供一種SOI晶片及其形成方法，防止絕緣層的絕緣性能 差，SOI晶片質量差，制作成本高。為解決上述問題，本發明一種SOI晶片的形成方法，包括提供單晶硅片，所述單 晶硅片上形成有掩膜層；刻蝕掩膜層和單晶硅片，形成若干溝槽；在溝槽側壁及底部形成 第一絕緣層；刻蝕去除溝槽底部第一絕緣層；沿溝槽刻蝕溝槽下方的單晶硅片，形成空洞； 處理空洞內壁，形成第二絕緣層；在溝槽及空洞內填充滿絕緣物質層。可選的，所述掩膜層包括第一膜層和位于第一膜層上的第二膜層。可選的，所述第一膜層的材料為氧化硅，第二膜層的材料為氮化硅。可選的，形成第一絕緣層的方法為熱氧化法、熱氮化法或化學氣相沉積法。可選的，所述第一絕緣層的材料是氧化硅或氮化硅，厚度為1nm 10 μ m。可選的，刻蝕去除底部第一絕緣層的方法為等離子體刻蝕或離子束刻蝕，采用的 氣體為氬氣。可選的，刻蝕單晶硅片的方法為干法刻蝕法，采用氣體為XeF2或HNO3和HF的混合 氣體。可選的，形成第二絕緣層的方法為熱氧化法或等熱氮化法。可選的，所述第二絕緣層材料為氧化硅或氮化硅。可選的，填充絕緣物質層的方法為低壓化學氣相沉積法或旋涂法。可選的，所述絕緣物質層為氧化硅或包含磷、硼、碳、氮和氫的氧化硅。一種SOI晶片，包括單晶硅片；位于單晶硅片內的溝槽；位于單晶硅片內且與溝 槽連通的空洞；位于溝槽側壁的第一絕緣層；位于空洞內壁的第二絕緣層；填充滿溝槽和 空洞的絕緣物質層。可選的，所述第一絕緣層的材料是氧化硅或氮化硅，厚度為1nm 10 μ m。可選的，所述第二絕緣層材料為氧化硅或氮化硅。可選的，所述絕緣物質層為氧化硅或包含磷、硼、碳、氮和氫的氧化硅。與現有技術相比，本發明具有以下優點通過在單晶硅片內形成溝槽和空洞，然后 在溝槽和空洞內形成絕緣層和絕緣物質層作為SOI晶片的絕緣層，且空洞內的絕緣物質層 將單晶硅片分隔離為硅基底和頂層硅。此工藝的絕緣氧化硅是通過沉積或旋涂工藝形成 的，不但解決了注氧隔離技術中氧氣的注入和退火工藝使單晶硅片的晶格被破壞，降低了 絕緣絕緣層的絕緣性能的問題；而且也無需考慮如“鍵合S0I”技術中因鍵合表面中有污染 物或因為鍵合表面的較差的平整度而存在凹凸不平，而有孔隙在鍵合界面處出現的問題； 同時，相對于“Smart Cut”技術，工藝簡單，制作成本低，形成的SOI晶片的質量高，并能與 標準體硅CMOS工藝制程兼容。
圖1是現有注氧隔離技術形成SOI晶片的示意圖；圖2至圖3是現有“鍵合SOI”技術形成SOI晶片的示意圖；圖4至圖6是現有“Smart Cut”技術形成SOI晶片的示意圖；圖7、圖8、圖9、圖10、圖11a、圖lib、圖12a、圖12b、圖13a、圖13b是本發明工藝 形成SOI晶片的實施例示意圖；圖14是本發明形成SOI晶片的具體實施方式
流程圖。
具體實施例方式現有制作SOI晶片的幾種方法或者會對單晶硅片的晶格造成破壞，影響SOI晶片 的絕緣能力，或者工藝復雜，制造成本高，形成的SOI晶片質量差。本發明的實施方式通過 在單晶硅片內形成溝槽和空洞，然后在溝槽和空洞內形成絕緣層和絕緣物質層作為SOI晶 片的絕緣層，且空洞內的絕緣物質層將單晶硅片分隔離為硅基底和頂層硅。此工藝的絕 緣氧化硅是通過沉積或旋涂工藝形成的，不但解決了注氧隔離技術中氧氣的注入和退火工 藝使單晶硅片的晶格被破壞，降低了絕緣層的絕緣性能的問題；而且也無需考慮如“鍵合 S0I”技術中因鍵合表面中有污染物或因為鍵合表面的較差的平整度而存在凹凸不平，而有 孔隙在鍵合界面處出現的問題；同時，相對于“Smart Cut”技術，工藝簡單，制作成本低，形 成的SOI晶片的質量高。圖14是本發明形成SOI晶片的具體實施方式
流程圖。如圖14所示，執行步驟S11， 提供單晶硅片，所述單晶硅片上形成有掩膜層；執行步驟S12，刻蝕掩膜層和單晶硅片，形 成若干溝槽；執行步驟S13，在溝槽側壁及底部形成第一絕緣層；執行步驟S14，刻蝕去除溝 槽底部第一絕緣層；執行步驟S15，沿溝槽刻蝕溝槽下方的單晶硅片，形成空洞；執行步驟 S16，處理空洞內壁，形成第二絕緣層；執行步驟S17，在溝槽及空洞內填充滿絕緣物質層。基于上述實施方式形成的SOI晶片，包括單晶硅片；位于單晶硅片內的溝槽；位 于單晶硅片內且與溝槽連通的空洞；位于溝槽側壁的第一絕緣層；位于空洞內壁的第二絕 緣層；填充滿溝槽和空洞的絕緣物質層。下面結合附圖對本發明的具體實施方式
做詳細的說明。圖7、圖8、圖9、圖10、圖11a、圖lib、圖12a、圖12b、圖13a、圖13b是本發明工藝 形成SOI晶片的實施例示意圖。如圖7所示，提供單晶硅片100，所述單晶硅片的厚度為 500 μ m 1500 μ m ；用熱氧化方法在單晶硅片100上形成厚度為Inm 1 μ m的第一膜層 102a，所述第一膜層102a的材料為氧化硅；用化學氣相沉積方法在第一膜層102a上形成 厚度為Inm Iym的第二膜層102b，所述第二膜層102b的材料為氮化硅；其中，第一膜層 102a和第二膜層102b構成掩膜層102，其作用為在后續刻蝕及研磨過程中，使單晶硅片100 不被破壞。參考圖8，在單晶硅片100內形成若干溝槽103。具體形成工藝如下用旋涂法在 掩膜層102上形成光刻膠層(未圖示)，經過曝光顯影工藝后，在光刻膠層上定義出若干溝 槽光刻膠圖形；以光刻膠層為掩膜，沿溝槽光刻膠圖形刻蝕掩膜層102，形成溝槽圖形；去 除光刻膠層后，以掩膜層102為掩膜，沿溝槽圖形刻蝕單晶硅片100，形成溝槽103。本實施例中，所述溝槽103的寬度為IOnm 50 μ m，深度為50nm 50 μ m。溝槽103的個數取決于后續形成于溝槽103下方的空洞是否能連接在一起以將單晶硅片100分 隔成硅基底和頂層硅。如圖9所示，在掩膜層102及溝槽側壁形成厚度為Inm 10 μ m的第一絕緣層104， 所述第一絕緣層104的材料為氧化硅或氮化硅，第一絕緣層104的作用為絕緣隔離，防止后 續填充至溝槽內的物質擴散至單晶硅片100中；如果第一絕緣層104的材料為氧化硅，則形 成方法為熱氧化法，如果第一絕緣層104的材料為氮化硅，則形成方法為熱氮化法或化學 氣相沉積法。參考圖10，用干法刻蝕法去除掩膜層102上及溝槽底部的第一絕緣層104。所述 干法刻蝕采用的氣體為氬氣。如圖Ila和lib所示，沿溝槽對溝槽下方的單晶硅片100進行各向同性刻蝕，形成空 洞106。所述各向同性刻蝕為濕法刻蝕，采用的溶液為XeF2溶液或HNO3和HF的混合溶液。本實施例中，空洞106的深度為50nm 50 μ m。如果一個空洞106就足以將單晶硅片100分隔，上述在單晶硅片100內形成一個
溝槽即可。而通常單晶硅片100的面積較大，而工藝限制無法形成一個溝槽后，沿溝槽對單 晶硅片100進行各向同性刻蝕即能形成將單晶硅片100分隔的空洞106。因此，在單晶硅片 100內形成的溝槽數量是較多的，在經過各向同性刻蝕后，空洞106之間距離一種情況如圖 Ila所示，大概有IOnm IOOOnm納米的間隔；而另一種情況則如圖lib所示，空洞106之 間完全連通。參考圖12a和12b，對空洞106內壁進行處理，形成厚度為IOnm IOOOnm的第二 絕緣層108，所述第二絕緣層108的材料可以是氧化硅或氮化硅，其作用為絕緣隔離，防止 后續填充至空洞內的物質擴散至單晶硅片100中。其中，如果第二絕緣層108的材料為氧 化硅，則形成方法為熱氧化法；如果第二絕緣層108的材料為氮化硅，則形成方法為等熱氮化法。繼續參考圖12a，由于在形成空洞106時，各空洞106之間存在一定的距離，經過對 空洞106內壁的氧化，空洞106之間互相連接在一起，起到了分隔單晶硅片100的目的。參考圖12b，在這種情況下，由于在形成空洞106時，空洞106之間已經完全連通， 起到了分隔單晶硅片100的目的。因此，只需在空洞106內壁形成第二絕緣層108即可起 到隔離作用。如圖13a和13b所示，在溝槽和空洞106內填充滿絕緣物質層110。具體工藝如 下用低壓化學氣相沉積法在單晶硅片100上形成絕緣物質層110，且將絕緣物質層110填 充滿溝槽和空洞106 ；用化學機械拋光法對絕緣物質層110進平坦化至露出掩膜層102。本實施例中，所述絕緣物質層110的材料為正硅酸乙酯、多晶硅或硅玻璃等。所述第一絕緣層104、第二絕緣層108和絕緣物質層110構成SOI晶片的絕緣層。 并且第一絕緣層104、第二絕緣層108和絕緣物質層110將單晶硅片分隔成硅基底IOOb和 頂層硅100a。基于上述實施例形成的SOI晶片包括單晶硅片100 ；溝槽103，位于單晶硅片100 內，其深度為50nm 50μπι;空洞106，位于單晶硅片100內且與溝槽103連通，其深度為 50nm 50 μ m ；第一絕緣層104，位于溝槽103側壁；第二絕緣層108，位于空洞106內壁，各空洞106直接連接在一起或通過第二絕緣層108連接在一起；絕緣物質層110，填充滿溝槽 103和空洞106。其中，第一絕緣層104和第二絕緣層108的作用為防止填充至溝槽103和空洞106 的絕緣物質層110擴散至單晶硅片100中。其中，第一絕緣層104、第二絕緣層108和絕緣物質層110將單晶硅片分隔成硅基 底IOOb和頂層硅IOOa0雖然本發明已以較佳實施例披露如上，但本發明并非限定于此。任何本領域技術 人員，在不脫離本發明的精神和范圍內，均可作各種更動與修改，因此本發明的保護范圍應 當以權利要求所限定的范圍為準。
權利要求
1.一種SOI晶片的形成方法，其特征在于，包括提供單晶硅片，所述單晶硅片上形成有掩膜層；刻蝕掩膜層和單晶硅片，形成若干溝槽；在溝槽側壁及底部形成第一絕緣層；刻蝕去除溝槽底部第一絕緣層；沿溝槽刻蝕溝槽下方的單晶硅片，形成空洞；處理空洞內壁，形成第二絕緣層；在溝槽及空洞內填充滿絕緣物質層。
2.根據權利要求1所述SOI晶片的形成方法，其特征在于，所述掩膜層包括第一膜層和 位于第一膜層上的第二膜層。
3.根據權利要求2所述SOI晶片的形成方法，其特征在于，所述第一膜層的材料為氧化 硅，第二膜層的材料為氮化硅。
4.根據權利要求1所述SOI晶片的形成方法，其特征在于，形成第一絕緣層的方法為熱 氧化法、熱氮化法或化學氣相沉積法。
5.根據權利要求4所述SOI晶片的形成方法，其特征在于，所述第一絕緣層的材料是氧 化硅或氮化硅，厚度為Inm 10 μ m。
6.根據權利要求1所述SOI晶片的形成方法，其特征在于，刻蝕去除底部第一絕緣層的 方法為等離子體刻蝕或離子束刻蝕，采用的氣體為氬氣。
7.根據權利要求1所述SOI晶片的形成方法，其特征在于，刻蝕單晶硅片的方法為干法 刻蝕法，采用氣體為XeF2或HNO3和HF的混合氣體。
8.根據權利要求1所述SOI晶片的形成方法，其特征在于，形成第二絕緣層的方法為熱 氧化法或等熱氮化法。
9.根據權利要求8所述SOI晶片的形成方法，其特征在于，所述第二絕緣層材料為氧化 硅或氮化硅。
10.根據權利要求1所述SOI晶片的形成方法，其特征在于，填充絕緣物質層的方法為 低壓化學氣相沉積法或旋涂法。
11.根據權利要求10所述SOI晶片的形成方法，其特征在于，所述絕緣物質層為氧化硅 或包含磷、硼、碳、氮和氫的氧化硅。
12.—種SOI晶片，其特征在于，包括單晶硅片；位于單晶硅片內的溝槽；位于單晶硅 片內且與溝槽連通的空洞；位于溝槽側壁的第一絕緣層；位于空洞內壁的第二絕緣層；填 充滿溝槽和空洞的絕緣物質層。
13.根據權利要求12所述SOI晶片，其特征在于，所述第一絕緣層的材料是氧化硅或氮 化硅，厚度為Inm 10 μ m。
14.根據權利要求12所述SOI晶片，其特征在于，所述第二絕緣層材料為氧化硅或氮化娃。
15.根據權利要求12所述SOI晶片，其特征在于，所述絕緣物質層為氧化硅或包含磷、 硼、碳、氮和氫的氧化硅。
全文摘要
一種SOI晶片及其形成方法。其中SOI晶片的形成方法，包括提供單晶硅片，所述單晶硅片上形成有掩膜層；刻蝕掩膜層和單晶硅片，形成若干溝槽；在溝槽側壁及底部形成第一絕緣層；刻蝕去除溝槽底部第一絕緣層；沿溝槽刻蝕溝槽下方的單晶硅片，形成空洞；處理空洞內壁，形成第二絕緣層；在溝槽及空洞內填充滿絕緣物質層。本發明工藝簡單，制作成本低，形成的SOI晶片的質量高，并與標準體硅CMOS工藝制程兼容。
文檔編號H01L21/762GK101996922SQ200910165230
公開日2011年3月30日 申請日期2009年8月13日 優先權日2009年8月13日
發明者黃河 申請人:江蘇麗恒電子有限公司