一种消除有源区中自间隙硅原子的方法与流程

本发明涉及半导体集成电路制造工艺技术领域，更具体地，涉及一种消除有源区中自间隙硅原子的方法。

背景技术：

随着集成电路工艺的持续发展，器件特征线宽越来越小，由此带来了很多小尺寸效应、如短沟道效应等，使得集成电路的功耗持续上升。另外，由于应用范围的不断扩大，使得空间应用对集成电路提出了更高的要求。

上述问题使得传统的CMOS集成电路面临更多的挑战。例如如何消除栓锁效应(Latch-up)，以及消除高能粒子产生的离化效应等。这些挑战催生了一种新的衬底材料：绝缘层上硅(Silicon On Insulator，SOI)。

SOI材料可以实现集成电路中元器件的介质隔离，超薄SOI衬底能很好地解决短沟道效应、闩锁效应及高能粒子离化效应，从而可有效降低集成电路的功耗。

但是，在得到SOI衬底过程中，有可能会应用到氧化/去除氧化层的方法；在氧化过程中，在衬底硅中会产生大量的自间隙硅原子，这些自间隙硅原子在其后的掺杂工艺中，会极大地影响杂质的扩散行为，如增强扩散，使杂质的扩散系数产生数量级上的变化等，从而将影响杂质的分布，继而影响器件的特性。

因此，本领域技术人员亟需提供一种消除有源区中自间隙硅原子的方法，并可与现有的集成电路平面工艺相兼容。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种消除有源区中自间隙硅原子的方法，其方法简便、可靠，并可与现有的集成电路平面工艺完全兼容。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种消除有源区中自间隙硅原子的方法，包括以下步骤：

步骤S01：提供一半导体衬底，其具有顶层硅层；

步骤S02：在所述半导体衬底上形成有源区；

步骤S03：对位于有源区的顶层硅层进行H⁺注入处理，以使H与顶层硅层中的自间隙硅原子结合，形成Si-H对；

步骤S04：对注入处理后的所述半导体衬底进行高温热处理，以使Si-H对中的自间隙硅原子快速扩散至Si-SiO₂界面和/或Si-空气界面。

优选地，步骤S03中，进行H⁺注入处理时的注入剂量为10¹⁰～10¹⁴cm^-2。

优选地，步骤S04中，进行高温热处理的温度为400～800℃。

优选地，步骤S04中，进行高温热处理的时间为1～30分钟。

优选地，所述半导体衬底采用SOI衬底。

优选地，所述有源区具有隔离结构。

优选地，所述隔离结构的形成方法包括：在所述半导体衬底上定义有源区，在有源区的边界形成用于隔离的沟槽结构，通过氧化方法在沟槽中填充SiO₂，去除所述半导体衬底顶层硅层表面多余的SiO₂，形成隔离结构。

从上述技术方案可以看出，本发明通过对位于有源区的半导体衬底顶层硅层进行H⁺注入处理，使进入硅层中的H与自间隙硅原子结合，形成Si-H对，其在较低温度下也具有较大的扩散系数，可使自间隙硅原子能较快地扩散至Si-SiO₂界面或Si-空气界面；本发明采用H⁺注入的方法，使H能直接进入有源区的硅层中，从而降低了后续的热处理温度，节省了工艺成本，减少了工艺时间，同时也降低了衬底硅片的应力。

附图说明

图1是本发明一种消除有源区中自间隙硅原子的方法流程图；

图2-图3是本发明一较佳实施例中根据图1的方法消除有源区中自间隙硅原子时的工艺步骤示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。

在以下本发明的具体实施方式中，请参阅图1，图1是本发明一种消除有源区中自间隙硅原子的方法流程图；同时，请参考图2-图3，图2-图3是本发明一较佳实施例中根据图1的方法消除有源区中自间隙硅原子时的工艺步骤示意图。如图1所示，本发明的一种消除有源区中自间隙硅原子的方法，包括以下步骤：

执行步骤S01：提供一半导体衬底，其具有顶层硅层。

请参阅图2。首先，可采用一个具有顶层硅层的半导体衬底，例如，可采用一个标准SOI衬底10。所述SOI衬底10包括底层硅层11、SiO₂埋氧层12、顶层硅层13；这种超薄的衬底结构能很好地解决短沟道效应、闩锁效应及高能粒子离化效应，从而可有效降低集成电路的功耗。

执行步骤S02：在所述半导体衬底上形成有源区。

接着，可采用常规集成电路平面工艺，在所述半导体衬底10上定义出有源区(即图示的衬底横向区域)；然后在所述有源区形成隔离结构(图略)。

隔离结构的具体制作方法可包括：在定义的有源区的边界通过光刻、刻蚀工艺形成用于将有源区进行隔离的沟槽结构，停止在SiO₂埋氧层12；然后，可通过氧化方法在沟槽中填充SiO₂；之后，可通过化学机械研磨方法或其他图形化方法，去除顶层硅层13表面多余的SiO₂材料，形成隔离结构。隔离结构所包围的区域即为有源区。也可采用其他公知方法形成有源区及其隔离结构。

执行步骤S03：对位于有源区的顶层硅层进行H⁺注入处理，以使H与顶层硅层中的自间隙硅原子结合，形成Si-H对。

如图2所示，可采用常规工艺方式，对位于有源区的顶层硅层13进行H⁺注入处理。采用本发明方法形成的Si-H对，在较低温度下也具有较大的扩散系数，可以提高自间隙硅原子在后续高温热处理时的扩散速度，使顶层硅层中的自间隙硅原子能较快地扩散至Si-SiO₂界面或Si-Air(Si-空气)界面。

较佳地，进行H⁺注入处理时的注入剂量可为10¹⁰～10¹⁴cm^-2。

执行步骤S04：对注入处理后的所述半导体衬底进行高温热处理，以使Si-H对中的自间隙硅原子快速扩散至Si-SiO₂界面和/或Si-空气界面。

请参阅图2。可采用常规工艺方式，对注入处理后的所述半导体衬底进行高温热处理。经过高温热处理后，顶层硅层13中的自间隙硅原子已通过扩散大量减少甚至得到消除，从而形成不具有或少量具有自间隙硅原子的高温热处理后顶层硅层13’。从而在其后的掺杂工艺中，可有效避免因自间隙硅原子的存在对杂质扩散行为的影响，确保了器件的特性。

通常，只有在高温下(例如1050℃以上)，H才可有效地扩散至硅中；当采用本发明H⁺注入的方法时，可使H能直接进入到有源区的顶层硅层中，并形成Si-H对，从而可降低后续的高温热处理温度，以及减少高温热处理的时间，并可以使Si-H对中的自间隙硅原子快速扩散至Si-SiO₂界面和/或Si-空气界面。因此采用本发明的方法可节省工艺成本，减少工艺时间，并可有效降低硅片应力。

较佳地，进行高温热处理的温度可明显低于常规的处理温度，例如可以降低至400～800℃，时间也可以缩短为1～30分钟。

综上所述，本发明通过对位于有源区的半导体衬底顶层硅层进行H⁺注入处理，使进入硅层中的H与自间隙硅原子结合，形成Si-H对，其在较低温度下也具有较大的扩散系数，可使自间隙硅原子能较快地扩散至Si-SiO₂界面或Si-空气界面；本发明采用H⁺注入的方法，使H能直接进入有源区的硅层中，从而降低了后续的热处理温度，节省了工艺成本，减少了工艺时间，同时也降低了衬底硅片的应力。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。