一种用于SOI工艺的介质隔离结构及其方法与流程

本发明属于集成电路技术领域，涉及一种用于SOI工艺的介质隔离结构及其方法。

背景技术：

SOI(Silicon-On-Insulator)技术作为一种全介质隔离技术，以其独特的结构有效地克服了体硅材料的不足，充分发挥了硅集成电路技术的潜力，正逐渐成为制造高速、低功耗、高集成度和高可靠超大规模集成电路的主流技术。SOI技术采取全介质隔离，彻底消除了CMOS器件的寄生闩锁效应，减少单粒子翻转界面，具有极好的抗单粒子和瞬时辐照能力，使得SOI芯片能在最恶劣的宇宙射线环境下工作，在空间科学中得到广泛应用。然而，总剂量电离损伤在氧化层中产生的电荷俘获和界面态，会引起隔离氧化层附近的硅衬底反型，并在一定的源漏偏压下形成寄生管漏电。现有的环栅结构虽然从本质上杜绝了源漏之间的泄漏通道，但该结构占据的版图面积大、栅电阻大，并且器件之间泄漏通道仍然存在。另外，现有技术中有对介质隔离区的结构或材质作一定的改进，抑制寄生沟道的开启。但是，无论是哪种方法，一定程度上增加了工艺复杂度，使得晶体管器件的制造成本增加。随着半导体器件的尺寸日益减小，浅槽隔离(Shallow-Trench-Isolation，STI)技术正以其优良的器件隔离性能成为集成电路中器件之间电学隔离的主流技术。然而，对于厚硅膜的SOI工艺，器件之间的全介质隔离工艺难度大、复杂度高，浅槽隔离技术无法满足电路要求。因此，在介质隔离技术的主流制备工艺的基础上提出一种用于SOI工艺的介质隔离结构及其方法。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是克服上述隔离问题，提供一种用于SOI工艺的介质隔离结构及其方法，不仅提高整个集成电路的抗辐射加固能力，同时简化大线宽工艺条件下厚硅膜SOI全介质隔离工艺的复杂度和难度，突破一次性形成场区和全介质隔离区。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

本发明一种用于SOI工艺的介质隔离结构，包括P型衬底、埋氧化层和SOI材料顶层硅，还包括全介质隔离槽、部分介质隔离槽、线性氧化层和氧化层或氧化绝缘层，全介质隔离槽和部分介质隔离槽位于SOI材料顶层硅内且在埋氧化层的上方；线性氧化层位于全介质隔离槽和部分介质隔离槽的内表面；氧化层或氧化绝缘层被线性氧化层包围，且位于全介质隔离槽和部分介质隔离槽的内部，线性氧化层位于隔离槽和SOI材料顶层硅之间。

进一步地，线性氧化层的厚度为50nm～100nm。

进一步地，全介质隔离槽和部分介质隔离槽采用湿法腐蚀工艺同时形成，简化工艺复杂度和难度，且根据腐蚀窗口大小和腐蚀时间控制介质隔离槽深度；湿法腐蚀工艺采用的湿法腐蚀液包括但不限于KOH、乙二胺和邻苯二酚混合液、TMAH。

本发明一种用于SOI工艺的介质隔离方法，包括如下步骤：

(1)采用氧化工艺，在SOI材料顶层硅的表面生长一层薄的阻挡氧化层，并在阻挡氧化层表面淀积光刻胶；

(2)采用光刻腐蚀工艺，在SOI材料顶层硅的表面腐蚀光刻胶和阻挡氧化层，形成全介质隔离腐蚀窗口和部分介质隔离腐蚀窗口，并漂去阻挡氧化层表面剩余的光刻胶；

(3)采用湿法腐蚀工艺，在SOI材料顶层硅上形成全介质隔离槽和部分介质隔离槽；

(4)采用氧化工艺，在全介质隔离槽和部分介质隔离槽的内侧壁表面形成线性氧化层；

(5)采用隔离工艺，在全介质隔离槽和部分介质隔离槽内填充介质隔离氧化层，漂去SOI材料顶层硅表面的阻挡氧化层。

进一步地，步骤(5)可具体包括：

(1)采用旋涂工艺，多次旋涂在全介质隔离槽和部分介质隔离槽的内填充SOG材料；

(2)采用氧化工艺，将SOG材料转化成氧化层，全介质隔离槽和部分介质隔离槽被填充氧化层；

(3)采用腐蚀工艺，漂去SOI材料顶层硅表面的阻挡氧化层。

进一步地，步骤(5)可具体包括：

(1)采用直接填充工艺，在全介质隔离槽和部分介质隔离槽内采用氧化绝缘层填充；

(2)采用CMP工艺，漂去SOI材料顶层硅表面多余的氧化绝缘层和阻挡氧化层。

进一步地，阻挡氧化层的厚度为10nm～50nm，线性氧化层的厚度为50nm～100nm。

进一步地，全介质隔离槽和部分介质隔离槽采用湿法腐蚀工艺同时形成，简化工艺复杂度和难度，且根据腐蚀窗口大小和腐蚀时间控制介质隔离槽深度；所述湿法腐蚀工艺采用的湿法腐蚀液包括但不限于KOH、乙二胺和邻苯二酚混合液、TMAH。

进一步地，隔离工艺在阱注入前完成或在栅氧前完成。

进一步地，介质隔离方法应用在厚硅膜的SOI工艺中，一次性实现器件之间的全介质隔离和局部场隔离，同时解决LOCOS氧化工艺导致硅表面形貌不平坦的问题。

本发明的有益效果：采用湿法腐蚀工艺，通过控制腐蚀窗口的大小和腐蚀时间可以获得预期的介质隔离槽深度，从而实现厚硅膜SOI集成电路的全介质隔离和部分隔离结构的同时完成，提高集成电路的集成度，减少光刻次数，工艺简单可控，损伤小；全介质隔离槽和部分介质隔离槽采用介质隔离氧化层的填充，避免了传统隔离工艺的长时间高温退火，减小对总剂量加固杂质扩散的影响，提高器件的抗总剂量辐照能力；该隔离工艺对其它工艺过程影响小，可以在器件的阱注入前完成，也可以在栅氧之前完成，而且硅片表面较为平坦。

附图说明

图1是本发明的一种用于SOI工艺的介质隔离结构剖面示意图；

图2～9是本发明的一种用于SOI工艺的介质隔离方法，其中：

图2是本发明采用的SOI材料片结构示意图；

图3是本发明的介质隔离方法步骤(1)示意图；

图4是本发明的介质隔离方法步骤(2)示意图；

图5是本发明的介质隔离方法步骤(3)示意图；

图6是本发明的介质隔离方法步骤(4)示意图；

图7是本发明的介质隔离方法步骤(5)示意图；

图8是本发明的介质隔离方法步骤(6)示意图；

图9是本发明的介质隔离方法步骤(7)示意图；

图10～图11是本发明的一种用于SOI工艺的介质隔离方法中步骤(5)、(6)、(7)的另一种实现方法，其中：

图10是本发明的介质隔离方法步骤(5)、(6)另一种示意图；

图11是本发明的介质隔离方法步骤(7)另一种示意图。

图中：1、P型衬底；2、埋氧化层；21、阻挡氧化层；22、线性氧化层；23、SOG材料；24、氧化层；25、氧化绝缘层；3、SOI材料顶层硅；41、全介质隔离腐蚀窗口；42、全介质隔离槽；51、部分介质隔离腐蚀窗口；52、部分介质隔离槽；6、光刻胶。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案：

如图1所示，本发明的一种用于SOI工艺的介质隔离结构，包括P型衬底1、埋氧化层2、SOI材料顶层硅3、全介质隔离槽42、部分介质隔离槽52、线性氧化层22、氧化层24，全介质隔离槽42和部分介质隔离槽52位于SOI材料顶层硅3内，在埋氧化层2的上方，线性氧化层22位于全介质隔离槽42和部分介质隔离槽52的内表面，氧化层24被线性氧化层22包围，位于全介质隔离槽42和部分介质隔离槽52的内部，而线性氧化层22位于隔离槽和SOI材料顶层硅3之间。

如图2所示，一种用于SOI工艺的介质隔离方法，在绝缘体上硅材料(SOI材料)上加工制备，绝缘体上硅SOI具有从下往上依次叠置的P型衬底1、绝缘埋层2和SOI材料顶层硅3，该介质隔离方法包括如下步骤：

(1)如图3所示，采用氧化工艺，在SOI材料顶层硅3的表面生长一层薄的阻挡氧化层21，并在阻挡氧化层21表面淀积光刻胶6；

(2)如图4所示，采用光刻腐蚀工艺，在SOI材料顶层硅3的表面腐蚀光刻胶6和阻挡氧化层21，形成全介质隔离腐蚀窗口41和部分介质隔离腐蚀窗口51，并漂去阻挡氧化层21表面剩余的光刻胶6；

(3)如图5所示，采用湿法腐蚀工艺，在SOI材料顶层硅3上形成全介质隔离槽42和部分介质隔离槽52；

(4)如图6所示，采用氧化工艺，在全介质隔离槽42和部分介质隔离槽52的内侧壁表面形成线性氧化层22；

(5)如图7所示，采用旋涂工艺，多次旋涂在全介质隔离槽42和部分介质隔离槽52的内填充SOG材料23；

(6)如图8所示，采用氧化工艺，将SOG材料23转化成氧化层24，全介质隔离槽42和部分介质隔离槽52被填充氧化层24；全介质隔离槽42和部分介质隔离槽52内采用SOG材料23，并通过氧化过程，实现氧化层24的填充，避免了传统隔离工艺的长时间高温退火。

(7)如图9所示，采用腐蚀工艺，漂去顶层硅3表面的阻挡氧化层21。

上述隔离工艺步骤可以在阱注入前完成，也可以在栅氧前完成，对于后续的工艺步骤不会有影响。阻挡氧化层21的厚度10nm～50nm，线性氧化层22的厚度50nm～100nm。全介质隔离槽42和部分介质隔离槽52采用湿法腐蚀工艺同时形成，工艺制造简单，器件损伤小；腐蚀液可以是KOH、EPW(乙二胺和邻苯二酚)或TMAH，碱性腐蚀液对于不同晶向的硅片腐蚀速率不同，因此可以根据腐蚀窗口的大小和腐蚀时间来控制介质隔离槽的深度，工艺简单难度小，易兼容，还可以同时实现器件之间的全介质隔离和部分介质隔离；全介质隔离槽42和部分介质隔离槽52填充氧化不需要长时间高温退火，对抗辐射加固注入杂质的扩散影响小，器件的抗总剂量辐射性能提高，同时全介质隔离保证了电路的抗闩锁能力。

图10～图11是本发明的一种用于SOI工艺的介质隔离方法中步骤(5)、(6)、(7)的另一种实现方法，下面两次工艺可以替代上述工艺步骤(5)至(7)，其工艺实现步骤如下：

如图10所示，是本发明的一种用于SOI工艺的介质隔离方法步骤(5)、(6)另一种示意图。其中，25是绝缘氧化层，采用淀积的方式在SOI材料顶层硅3表面淀积绝缘氧化层25，使得全介质隔离槽42和部分介质隔离槽52被绝缘氧化层25填充。

如图11所示，是本发明的一种用于SOI工艺的介质隔离方法步骤(7)另一种示意图。采用CMP(化学机械抛光)的工艺方法，可以将SOI材料顶层硅3表面的阻挡氧化层21和多余的绝缘氧化层漂去，绝缘氧化层25只填充在全介质隔离槽42和部分介质隔离槽52内。CMP工艺所得到的硅片表面平坦，便于后续工艺进行。

本发明的介质隔离方法应用于厚硅膜SOI工艺中，采用碱性湿法腐蚀，可以同时实现不同深度介质隔离槽，从而实现器件之间的全介质隔离和部分介质隔离，提高电路的集成度，减少光刻次数，降低工艺制造成本，同时工艺简单难度小。本发明采用的隔离工艺可以避免隔离结构的长时间高温退火，在抗辐射电路应用中，可以减小对总剂量加固杂质扩散的影响，提高器件的抗总剂量辐照能力，同时全介质隔离消除了CMOS器件的寄生闩锁效应。

本发明所列举的实施例，只是用于帮助理解本发明，不应理解为对本发明保护范围的限定，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明思想的前提下，还可以对本发明进行改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求保护的范围内。