专利名称：剂量－能量优化注氧隔离技术制备图形化绝缘体上的硅材料的制作方法
技术领域：
本发明公开了一种制备高质量图形化绝缘体上的硅(SOIsilicon-on-insulator)材料的方法。与现有的技术相比，本发明的方法所制备的图形化SOI材料明显地改善了体硅与SOI区域之间过渡区的质量，使过渡区小，缺陷密度低，表面平整度高，属于先进半导体材料的制造工艺。
但是，许多SOI电路，如射频(RF)电路，动态随机存储器(DRAM)，电荷耦合器件(CCD)成像系统等，在SOI衬底实现的难度还很大，目前工艺上还非常不成熟，无法实际大规模应用。而这些电路在体硅上制造已经非常成熟，从设计到工艺都得到了优化，不存在任何问题。
如果将SOI电路和体硅电路制造在同一块芯片上，充分发挥各自的优势，将可以极大地提高芯片的性能；也可以避开目前RF，DRAM，CCD成像系统等电路目前在SOI衬底上设计和制造工艺不成熟的缺点。这就需要图形化的SOI(Patterned SOI)衬底材料。在这样的衬底上，SOI电路制造在衬底的SOI区域；体硅电路制造在衬底的体硅区域，从而实现了SOI电路与体硅电路的集成。例如，将高速低功耗的SOI CMOS逻辑或控制电路与体硅的DRAM，RF电路集成为便携式系统芯片；或者与体硅的CCD成像器件集成为数字相机的芯片。
注氧隔离(SIMOX)技术是制备SOI材料的主流技术之一，它完全与目前超大规模集成电路的制造工艺相兼容。SIMOX技术也是制备图形化SOI衬底材料的重要手段。最初，英国的研究者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技术制备图形化SOI材料以达到器件全介质隔离的目的。他们所制备的材料质量很差，在埋氧与体硅的边界过渡区域存在着大量的缺陷和硅岛。最近，美国的研究者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)采用低剂量(0.8×1018cm-2)SIMOX技术制备图形化SOI材料，从他们的结果来看，在埋氧和体硅的过渡区同样存在着大量的缺陷，其密度高达108cm-2，缺陷在边界处延伸了2个微米左右，并且SOI区域的表面被抬高许多。这主要是注入的氧离子高温退火过程中生成掩埋SiO2后体积膨胀(体积变大约2.2倍)的结果。如果采用标准的全剂量(1.8～2.0×1018cm-2)注入，在埋氧和体硅的边界区域将会产生更高密度的缺陷，边界过渡区会更大；并且整个SOI区域的顶层硅的质量都会受到严重的影响，从而影响芯片的性能和成品率，甚至无法制造电路。
鉴于常规的SIMOX技术在制备图形化SOI材料时存在着缺陷密度高；体硅和SOI之间过渡区大；表面平整度差等质量问题，本发明采用剂量—能量优化注氧隔离技术(DEO SIMOXdose-energy-optimization SIMOX)制备高质量的图形化SOI材料。
在制备SOI材料时，材料的质量与离子注入的剂量—能量的选择有很大关系。在一定的注入能量下存在着一个剂量窗口，在剂量窗口范围内制备的SOI材料具有较高的质量，从而使埋氧中没有硅岛，针孔密度也很低；顶层硅中没有氧沉淀，线位错等缺陷密度非常低。若以高于剂量窗口的剂量注入，埋氧中存在着大量的硅岛，顶层硅中缺陷很多。当注入剂量低于剂量窗口时，没有连续的掩埋氧化层形成。所以，要制备高质量的SOI材料必须优化剂量和能量的关系，具体可以参考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)的研究结果。采用剂量—能量优化注氧隔离技术可以制备高质量的SOI材料；同样，利用剂量和能量的优化匹配关系，也可以制备出高质量的图形化SOI材料。采用本发明提出的DEO SIMOX技术制备图形化SOI材料的工艺与常规SOI材料制备工艺相似，只是在氧离子注入之前在硅片上形成了掩模以在体硅区域完全阻挡氧离子的注入。具体工艺步骤如下(a)生成掩模；(b)选择优化的剂量和能量进行离子注入；(c)高温退火。
步骤(a)中的掩模可以是SiO2薄膜，Si3N4薄膜，多晶硅薄膜或金属薄膜。薄膜要足够厚以完全阻挡氧离子的注入。首选的掩模是热氧化或CVD沉积的SiO2薄膜，厚度600nm即可以阻挡200keV的离子注入。在需要形成SOI材料的区域将SiO2薄膜刻蚀掉，保留体硅区域的SiO2薄膜，这样只有在SOI区域有氧离子注入。掩模的厚度应满足完全阻挡注入的要求，在100～600nm之间。
步骤(b)中离子注入是形成高质量图形化SOI材料的关键。注入时要优化注入的剂量和能量，不同的能量对应着不同的优化剂量。能量的范围是50～200keV；相应的剂量范围是2.0×1017～7.0×1017cm-2。每一个注入能量有一个优化的剂量，50keV所对应的剂量为2.0×1017cm-2；70keV所对应的剂量为2.5×1017cm-2；100keV所对应的剂量为3.5×1017cm-2；130keV所对应的剂量为4.5×1017cm-2；160keV所对应的剂量为5.5×1017cm-2；200keV所对应的剂量为7.0×1017cm-2；其剂量—能量优化对应关系可表示为D(1017cm-2)＝(0.035±0.005)×E(keV)。注入的离子除O+外还可以是O2+、HO+、H2O+等含氧的离子以形成掩埋氧化层。如果注入含氮的离子，如N+、N2+等，可以形成掩埋氮化硅绝缘层；也可以氮氧混合注入形成氮氧化硅的混合埋层。注入时衬底温度为400～700℃。注入后用稀释的HF溶液漂去SiO2掩模。
步骤(c)是形成图形化SOI材料的另一个重要步骤。退火的温度为1200～1375℃，退火时间为1～24小时。；退火气氛为氩气或氮气与氧气的混合气体，其中氧气的体积含量可以为0.5％～20％。
本发明所述的制备图形化SOI材料的方面是广义的，作为半导体衬底的材料包括硅、锗、硅锗合金、GaAs或其它IV-IV，III-V和II-VI族的二元和三元化合物半导体或者它们之间的多层结构。
本发明提供的方法属于低剂量(low dose)SIMOX技术，即离子注入后没有立即形成连续的绝缘埋层，绝缘埋层是在高温退火过程中形成的。这种剂量—能量优化的低剂量注氧隔离和常规的高剂量注氧隔离在埋层的形成机理上是不一样的。高剂量注氧隔离是在注入时就形成了埋层，高温退火的作用是恢复顶层硅的单晶质量并使埋层的界面更陡峭。然而低剂量的注氧隔离的埋层是在高温退火中形成的；埋层的厚度相对比较薄。注入的氧离子在高温退火过程中形成埋氧后体积会膨胀，需要排出硅原子以获得足够的空间。所排出的硅原子主要向表面迁移，形成表面外延层。在高剂量注入的情况下，由于埋氧在注入时已经形成并且厚度较厚，被埋氧所包围的硅原子由于在埋氧中的迁移率非常低，无法迁移出来，就形成了硅岛。同时，由于较厚的埋氧会导致过大的体积膨胀，产生很大的应力，在高温退火过程中为了释放应力便会在体硅与SOI的过渡区产生大量的缺陷，使过渡区范围很大；由于体积膨胀，表面变得凹凸不平，使平整度很低。对于剂量—能量优化的注氧隔离而言，由于注入的剂量低，注入时没有埋氧形成。在退火过程中，被注入的氧离子所包围的硅原子可以有效的迁移出来，扩散到表面去，这样所形成的埋氧中就没有硅岛的存在。同时，由于埋氧绝缘层较薄，体积膨胀较小，所排出的硅原子也较少，在高温退火过程中，这些硅原子可以很容易地迁移到表面。所以最后形成的图形化SOI材料中体硅和SOI区域之间的缺陷非常少，过渡区很陡峭，表面平整度高。从下面的说明书附图可以非常直观地看出采用本发明提供的方法制备的图形化SOI材料的优点。
选择不同的剂量—能量优化关系可以获得不同厚度顶层硅和不同厚度埋氧的图形化SOI结构材料，这大大增加了制备高质量图形化SOI材料的选择性，可以在硅衬底中制备不同顶层硅厚度和埋氧厚度的图形化SOI区域。
图3为没有进行剂量—能量优化的注氧隔离技术所制备的图形化SOI材料的TEM照片。
图4为剂量—能量优化的注氧隔离技术所制备的图形化SOI材料的TEM照片。
图5为图4中埋氧和体硅之间过渡区的高分辨TEM照片。
图6为优化的剂量和能量关系曲线。
在
图1至图5的附图中，1为硅衬底；2为注入的氧或退火后形成的埋氧；3为掩模；4为氧离子；5为SOI区域；6为体硅区域。
从图4和5中可以明显地看出，剂量—能量优化注氧隔离技术所制备的图形化SOI材料是高质量的，具体表现在在埋氧中没有硅岛的存在；体硅与SOI的过渡区附近没有线位错等缺陷的存在；过渡区非常的陡峭；SOI区域的表面没有抬高，整个衬底的表面非常的平整。而对于常规的没有优化剂量和能量关系的注氧隔离技术所制备的图形化SOI材料的质量很差，有大量的硅岛存在；过渡区存在非常多的线位错，甚至有晶界出现；SOI区域的表面向上隆起，整个表面凹凸不平。
实施例1在4英寸p型(100)单晶硅片上热氧化生长300nm厚的SiO2薄膜，光刻生成掩模，使要形成SOI结构的区域没有掩模覆盖；体硅区域有掩模。注入O+离子，注入时选择的能量为50keV，优化的剂量为2.0×1017cm-2，注入时衬底温度保持为680℃。注入后用稀释的HF溶液漂去SiO2掩模。高温退火Ar+0.5％O2气氛中进行，退火温度为在1300℃，退火5小时。
实施例2具体步骤和条件同实施例1，不同之处在于注入的离子不是O+离子，而是N+氮离子。
实施例3在硅锗合金衬底上CVD沉积300nm厚的SiO2掩模，注入条件同实施例1。由于硅锗合金的熔点温度比硅低，所以退火温度可以适当降低，如1200℃，退火5小时。
实施例4具体步骤同实施例1，不同之处在于衬底材料是单晶硅薄膜/硅锗合金薄膜/体硅的多层结构。本实施例中所用的掩模和实施例2相同，是CVD沉积的SiO2薄膜。退火温度为1200℃，退火5小时。
权利要求
1.一种剂量—能量优化注氧隔离技术制备图形化绝缘体上的硅材料的方法，依次包括在半导体衬底上生成掩模、离子注入和高温退火，其特征在于(1)在离子注入前在硅片上形成掩模以在体硅区域完全阻挡离子的注入；(2)图形化SOI材料体硅区域的掩模为SiO2薄膜、Si3N4薄膜、多晶硅薄膜或金属薄膜，厚度在100～600nm之间；(3)离子注入时的能量范围是50～200keV，相应的剂量范围是2.0×1017～7.0×1017cm-2；其剂量—能量优化对应关系表示为D(1017cm-2)＝(0.035±0.005)×E(keV)；(4)离子注入后的高温退火的温度为1200～1375℃，退火的时间为1～24个小时，退火的气氛为氩气或氮气与氧气的混合气体，其中氧气的体积含量为0.5％～20％。
2.按权利要求1所述的制备高质量图形化SOI材料的方法，其特征在于所述的半导体衬底包括硅、锗、硅锗合金、GaAs或其它IV-IV，III-V和II-VI族的二元和三元化合物半导体或者它们之间的多层结构。
3.按权利要求1所述的制备高质量图形化SOI材料的方法，其特征在于在50～200keV的范围内，每一个注入能量有一个优化的剂量50keV所对应的剂量为2.0×1017cm-2；70keV所对应的剂量为2.5×1017cm-2；100keV所对应的剂量为3.5×1017cm-2；130keV所对应的剂量为4.5×1017cm-2；160keV所对应的剂量为5.5×1017cm-2；200keV所对应的剂量为7.0×1017cm-2。
4.按权利要求1所述的制备高质量图形化SOI材料的方法，其特征在于离子注入时衬底温度为400～700℃。
5.按权利要求1所述的制备高质量图形化SOI材料的方法，其特征在于注入的离子为O+、O2+、HO+或H2O+等含氧的离子，以形成掩埋氧化硅绝缘层。
6.按权利要求1所述的制备高质量图形化SOI材料的方法，其特征在于注入的离子的为N+或N2+等含氮的离子，以形成掩埋氮化硅绝缘层。
7.按权利要求1所述的制备高质量图形化SOI材料的方法，其特征在于注入离子为氮氧混合注入以形成氮氧化硅混合埋层。
8.按权利要求1所述的制备高质量图形化SOI材料的方法，其特征在于所述的掩模是热氧化或CVD方法生成的SiO2薄膜，600nm完全阻挡200keV离子的注入。
9.按权利要求1或3所述的制备高质量图形化SOI材料的方法，其特征在于选择不同的剂量-能量优化关系获得不同厚度的顶层硅和不同厚度埋氧的图形化SOI结构材料。
全文摘要
本发明公开了一种制备高质量图形化SOI材料的方法，依次包括在半导体衬底上生成掩模、离子注入和高温退火，其特征在于(1)离子注入前在硅片上形成掩模以在体硅区域完全阻挡离子的注入；(2)离子注入时的能量范围是50～200 keV，相应的剂量范围是2.0×10
文档编号H01L21/84GK1424754SQ0216074
公开日2003年6月18日 申请日期2002年12月27日 优先权日2002年12月27日
发明者董业民, 陈猛, 王曦, 王湘, 陈静, 林梓鑫 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所