專利名稱：一種氧離子注入制備絕緣體上硅材料的方法
一種氧離子注入制備絕緣體上硅材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種氧離子注入制備絕緣體上硅材料的方法，特別涉及一種采用多 次氧離子注入制備絕緣體上硅材料的方法。
背景技術(shù)：
SOI (Silicon on Insulator，絕緣體上的硅)是為了滿足航空航天、導(dǎo)彈和衛(wèi)星電 子系統(tǒng)等空間及軍事電子領(lǐng)域的需求而發(fā)展起來的一種技術(shù)。SOI技術(shù)作為一種全介質(zhì)隔 離技術(shù)，具有諸多體硅技術(shù)不可比擬的優(yōu)越性，包括速度快、功耗低、短溝道效應(yīng)小、集成 度高、抗干擾和抗輻射能力強等，正逐漸成為制作高速、低功耗、高集成度和高可靠性超大 規(guī)模集成電路的主流技術(shù)，同時還在高壓功率器件、光無源器件、MEMS(Micro-electro-mec hanical-Systems，微機(jī)電系統(tǒng))等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。業(yè)界公認(rèn)SOI技術(shù)是維持Moore定 律走勢的兩大利器之一，被國際上譽為“21世紀(jì)的微電子技術(shù)”和“新一代硅”。SOI材料按其頂層硅薄層的厚度，可分為薄膜SOI (頂層硅通常小于1 μ m)和厚膜 SOI (頂層硅通常大于1 μ m)兩大類，不同頂層硅厚度的SOI材料具有不同的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，SOI材料的制備技術(shù)主要有注氧隔離技術(shù)(SIMOX)、鍵合及背面腐蝕技術(shù) (BESOI)。其中，由于鍵合及背面腐蝕技術(shù)具有工藝簡單、成本低等優(yōu)點，因此受到人們的重 視，雖然埋氧層厚度連續(xù)可調(diào)，但是通過研磨或者腐蝕的辦法減薄頂層硅，頂層硅的厚度均 勻性很難得到精確控制，僅能制備厚膜SOI材料。目前，商用鍵合SOI晶片頂層硅厚度通常 大于5 μ m，厚度均勻性為士0.5 μ m。采用SIMOX技術(shù)制備的SOI材料，頂層硅厚度一般在 200nm以內(nèi)，并且具有優(yōu)異的頂層硅厚度均勻性，主要面向薄膜應(yīng)用。目前，獲得應(yīng)用的主要 是全劑量SIMOX材料，其制備方法是將劑量為1.8X1018cm_2以上的氧離子注入進(jìn)單晶硅片 中，經(jīng)過高溫退火，促進(jìn)氧在硅片內(nèi)部聚集成核而形成約400nm厚的連續(xù)的二氧化硅絕緣 埋層。但是，由于受到大劑量氧離子的轟擊，所制備的SOI材料頂層硅質(zhì)量較差，表現(xiàn)為線 位錯密度較大等。此外，由于氧元素在二氧化硅內(nèi)擴(kuò)散速度大于硅氧化速度，因此其絕緣埋 層內(nèi)形成了硅島，進(jìn)而降低了整個絕緣埋層擊穿強度。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種SOI材料的制備方法，在保證獲得無硅 島的連續(xù)埋層的情況下，能夠有效地降低注入氧離子的總劑量，以降低生產(chǎn)成本。為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種氧離子注入制備絕緣體上硅材料的方法， 包括如下步驟提供單晶硅襯底，所述單晶硅襯底具有一光滑的上表面；實施第一次氧離 子注入，從單晶硅襯底的上表面注入，以在單晶硅襯底內(nèi)部形成注入損傷層；實施第二次氧 離子注入，從單晶硅襯底的上表面注入，第二次氧離子注入的注入位置在前一步驟形成的 注入損傷層靠近單晶硅襯底上表面一側(cè)的表面，以在注入損傷層的上表面形成缺陷層；在 含氧氣氛下對單晶硅襯底實施退火，以將注入損傷層轉(zhuǎn)變成絕緣埋層，將缺陷層轉(zhuǎn)變成多 晶層；實施第三次氧離子注入，從單晶硅襯底的上表面注入，本步驟中氧離子注入在絕緣埋層內(nèi)且更靠近絕緣埋層的下界面；在含氧氣氛下對單晶硅襯底再次實施退火，以促進(jìn)第三 次注入的氧和硅結(jié)合形成氧化硅，從而加厚絕緣埋層，并促進(jìn)多晶層的硅和氧結(jié)合形成絕 緣埋層的一部分；重復(fù)實施第三次離子注入以及退火的步驟以繼續(xù)加厚絕緣埋層，至絕緣 埋層的厚度達(dá)到目標(biāo)厚度為止。作為可選的技術(shù)方案，第一次氧離子注入的注入劑量為2 X IO17CnT2 8 X IO17CnT2 ； 第二次氧離子注入的注入劑量為IXlO14 IXlO16cnT2 ；第三次氧離子注入的注入劑量為 2 X IO1W2 IX IO18CnT2。作為可選的技術(shù)方案，所述的兩次退火工藝中，退火的溫度為1000 1400°C，退 火氣氛為氧氬混合氣體，退火時間不小于6小時。作為可選的技術(shù)方案，在每一步退火的步驟之后實施腐蝕去除表面熱二氧化硅的步驟。本發(fā)明的優(yōu)點在于，通過多次注入多次退火制備SOI材料，降低了單次注入的劑 量，提高了所制備SOI材料的頂層硅晶體質(zhì)量。由于采用了多次離子注入，彼此互為補充， 可以保證所制備的材料絕緣埋層完整并且無硅島存在，并且第二次和第三次的氧離子注入 在界面處使得最終的SOI襯底具有陡峭的頂層硅/絕緣埋層界面。此外，本工藝雖然采用 了多次離子注入，但是降低了總的氧離子注入劑量，從而降低了生產(chǎn)成本。

附圖1是本發(fā)明的具體實施方式
所述方法的實施步驟示意圖。附圖2至附圖7是本發(fā)明的具體實施方式
所述方法的工藝流程圖。
具體實施方式
接下來結(jié)合附圖詳細(xì)介紹本發(fā)明所述一種氧離子注入制備絕緣體上硅材料的方 法的具體實施方式
。附圖1所示是本具體實施方式
所述方法的實施步驟示意圖，包括步驟S10，提供 單晶硅襯底，所述單晶硅襯底具有一光滑的上表面；步驟S110，實施第一次氧離子注入，從 單晶硅襯底的上表面注入，以在單晶硅襯底內(nèi)部形成注入損傷層；步驟S120，實施第二次 氧離子注入，從單晶硅襯底的上表面注入，第二次氧離子注入的注入位置在前一步驟形成 的注入損傷層靠近單晶硅襯底上表面一側(cè)的表面，以在注入損傷層的上表面形成缺陷層； 步驟S121，在含氧氣氛下對單晶硅襯底實施退火，以將注入損傷層轉(zhuǎn)變成絕緣埋層，將缺陷 層轉(zhuǎn)變成多晶層；步驟S130，實施第三次氧離子注入，從單晶硅襯底的上表面注入，本步驟 中氧離子注入在絕緣埋層內(nèi)且更靠近絕緣埋層的下界面；步驟S131，在含氧氣氛下對單晶 硅襯底實施退火，以促進(jìn)第三次注入的氧和硅結(jié)合形成氧化硅，從而加厚絕緣埋層，并促進(jìn) 多晶層的硅和氧結(jié)合形成絕緣埋層的一部分。如實施步驟S130和步驟S131之后，絕緣埋層的厚度仍然沒有達(dá)到目標(biāo)厚度，還可 以重復(fù)實施步驟S130和步驟S131以繼續(xù)加厚絕緣埋層，至絕緣埋層的厚度達(dá)到目標(biāo)厚度 為止。由于注入離子在襯底中的分布方式是沿著注入方向呈高斯分布的，因此下文所述 的注入位置應(yīng)當(dāng)是指注入離子高斯分布的峰值位置，這也是本領(lǐng)域內(nèi)對注入位置的通常定義。以下附圖2至附圖7是本具體實施方式
所述方法的工藝流程圖。附圖2所示，參考步驟S100，提供單晶硅襯底10，所述單晶硅襯底具有一光滑的上 表面10a。單晶硅襯底10的與上表面IOa相對的下表面并不限制為光滑表面。附圖3所示，參考步驟S110，實施第一次氧離子注入，從單晶硅襯底10的上表面 IOa注入，以在單晶硅襯底10內(nèi)部形成注入損傷層11。本步驟的注入能量范圍是20 500KeV間，優(yōu)化的注入能量為200KeV，注入劑量為 2X IO1W2 8X IO17CnT2，優(yōu)化的注入劑量為3X IO17CnT2，注入溫度為100 800°C，優(yōu)化的 注入溫度為550°C。注入能量的選擇方式是注入能量應(yīng)在相對應(yīng)注入劑量的“能量-劑量 匹配”窗口附近，以保證其退火后形成連續(xù)絕緣埋層，本步驟注入氧離子在硅片內(nèi)形成注入 損傷層。氧離子注入形成絕緣埋層的“能量_劑量匹配”理論是本領(lǐng)域成熟的理論。這一 匹配窗口根據(jù)不同的設(shè)備會略有不同，本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員有能力根據(jù)實際情況尋找到匹配 的窗口，故此處不再具體敘述如何選擇能量和劑量的匹配值。附圖4所示，參考步驟S120，實施第二次氧離子注入，從單晶硅襯底10的上表面 IOa注入，第二次氧離子注入的注入位置在前一步驟形成的注入損傷層11靠近單晶硅襯底 上表面一側(cè)的表面，以在注入損傷層的上表面形成缺陷層12。本步驟的注入能量在20 500KeV間，優(yōu)化的注入能量為190KeV，注入劑量為 1 X IO14 1 X IO16Cm-2,優(yōu)化的注入劑量為2 X 1015cm_2，注入溫度為室溫注入，第二步注入氧 離子在注入損傷層11上形成一個缺陷層12。附圖5所示，參考步驟S121，在含氧氣氛下對單晶硅襯底10實施退火，以將注入 損傷層11轉(zhuǎn)變成絕緣埋層13，將缺陷層12轉(zhuǎn)變成多晶層14。本步驟實施完畢后，在單晶 硅襯底10中形成了明確的頂層硅層19，并在頂層硅層19的表面形成熱氧化的二氧化硅層 18。本步驟的退火溫度為1000 1400°C，優(yōu)化的退火溫度為1350°C，退火氣氛為氧氬 混合氣體，退火時間不小于6小時，在退火過程中可通過增大氧氣含量，利用內(nèi)熱氧化原理 增厚絕緣埋層13。在該退火過程中，步驟S120的氧離子注入形成的缺陷層12將會變成多晶層14，促 進(jìn)氧的內(nèi)擴(kuò)散，并且有利于釋放絕緣埋層13形成過程中體積膨脹所帶來的應(yīng)力，減小頂層 硅層19中的位錯密度。退火后，形成一 SOI襯底，表面覆蓋有一熱氧化的二氧化硅層18。在退火過程中多晶層14有可能通過內(nèi)熱氧化工藝氧化成為絕緣埋層13的一部 分。優(yōu)化的辦法是通過控制退火時間不要過長，而將此多晶層14保留下來。該多晶層14 在下一步注入退火過程中能夠成為氧的擴(kuò)散通道，以促進(jìn)絕緣埋層13生長增厚，并在該過 程中再被氧化成為絕緣埋層13的一部分。應(yīng)當(dāng)通過控制退火的溫度和時間保證多晶層14不在此步驟中被氧化，具體的退 火溫度和時間的選擇應(yīng)當(dāng)根據(jù)前兩次注入的能量、劑量以及退火設(shè)備的情況進(jìn)行確定，本 領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員能夠通過有限次的實驗在前述退火參數(shù)的范圍內(nèi)確定更優(yōu)化的退火的參 數(shù)，以保留多晶層14用于后續(xù)工藝步驟，此處不再詳細(xì)敘述。本實施方式中，二氧化硅層18在后續(xù)注入的步驟中獲得保留，保留二氧化硅層18的優(yōu)點在于能夠在注入氧離子的工藝中對頂層硅層18起到保護(hù)作用，避免離子轟擊對頂 層硅層18的表面造成損傷。在其他的實施方式中，于步驟S121之后，還可以實施一腐蝕去除表面熱二氧化硅 層18的步驟。腐蝕除去二氧化硅的優(yōu)點在于能夠增進(jìn)后續(xù)第三次離子注入之后的退火步 驟中，氣氛中的氧離子能夠更有效率地進(jìn)入到單晶硅襯底10之中。腐蝕可以采用干法或者 濕法腐蝕等工藝，此處從略。附圖6所示，參考步驟S130，實施第三次氧離子注入，從單晶硅襯底10的上表面 IOa注入，本步驟中氧離子注入在絕緣埋層13內(nèi)且更靠近絕緣埋層13的下界面。此處所述 的下界面應(yīng)當(dāng)是指絕緣埋層13遠(yuǎn)離單晶硅襯底10上表面IOa的表面。本步驟中優(yōu)化的注入能量為200KeV，注入能量選擇原則是能夠使氧離子注入到絕 緣埋層13內(nèi)，并偏向絕緣埋層13的下界面。注入劑量為2X IO17CnT2 1 X 1018cm_2，優(yōu)化的 注入劑量為5 X IO17CnT2，注入溫度為100 800°C，優(yōu)化的注入溫度為550°C。附圖7所示，參考步驟S131，在含氧氣氛下對單晶硅襯底10再次實施退火，以促進(jìn) 第三次注入的氧和硅結(jié)合形成氧化硅，從而加厚絕緣埋層13，并促進(jìn)多晶層14的硅和氧結(jié) 合形成絕緣埋層13的一部分。本步驟實施完畢后，增厚了頂層硅層19表面的熱氧化的二 氧化硅層18。在步驟S121之后實施了除去二氧化硅層18步驟的具體實施方式
中，步驟S131會 在頂層硅19的表面再次形成熱二氧化硅層。本步驟的退火溫度為1000 1400°C，優(yōu)化的退火溫度為1350°C，退火氣氛為氧氬 混合氣體，退火時間不小于6小時，在本步驟的退火過程中，多晶層14能夠成為氧擴(kuò)散通 道，使退火氣氛中的氧氣通過多晶層14進(jìn)入絕緣埋層13，以促進(jìn)絕緣埋層13生長增厚，并 且多晶層14在該過程中被氧化成為絕緣埋層13的一部分，并且步驟S130中注入進(jìn)絕緣埋 層13內(nèi)的氧將與其上下界面的硅反應(yīng)形成二氧化硅，從而加厚該絕緣埋層13，并且表面二 氧化硅層同樣增厚。上述步驟實施完畢后，即獲得了最終的SOI襯底。實驗表明，采用三次離子注入 所獲的襯底在絕緣層完整無硅島，且頂層硅/絕緣埋層界面陡峭。并且從以上敘述可以看 出，獲得SOI襯底所采用的氧離子的總劑量不超過1.8X1018cm_2 (第二次離子注入的劑量 比另外兩次低兩個數(shù)量級，可以忽略不計)，采用優(yōu)化的劑量則總劑量更低，因此較現(xiàn)有技 術(shù)而言節(jié)約了注入的總劑量。對于離子注入工藝而言，累計的總劑量是主要的成本考量因 素(即使采用目前世界上最先進(jìn)的大束流離子注入機(jī)，如果進(jìn)行IO18CnT2數(shù)量級的氧離子注 入，時間也要長達(dá)幾個小時)，而更換注入片的時間較注入時間相比并不算長(通常只要十 幾分鐘甚至更短)。因此如果能夠降低累計的注入總劑量，即使增加了注入次數(shù)，但總體上 還是節(jié)約了注入機(jī)臺的占用時間。需要指出的是，本實施方式所列舉的劑量范圍并非絕對限制本發(fā)明的實施，而是 為了說明采用了多次離子注入工藝之后帶來的總劑量降低的效果。如果采用其他的設(shè)備或 者注入條件，離子注入的劑量會隨之發(fā)生變化。但無論何種情況，采用多次離子注入由于在 退火過程中由于氣氛中氧的擴(kuò)散作用而帶來的絕緣埋層增厚作用都會使其總劑量小于單 次注入。如實施步驟S130和步驟S131之后，絕緣埋層的厚度仍然沒有達(dá)到目標(biāo)厚度，還可以重復(fù)實施步驟S130和步驟S131以繼續(xù)加厚絕緣埋層，至絕緣埋層的厚度達(dá)到目標(biāo)厚度 為止。如果反復(fù)實施步驟S130和步驟S131，有可能累計的注入劑量會達(dá)到甚至超過現(xiàn)有技 術(shù)的1. 8X IO18CnT2劑量，但是所獲得的絕緣埋層的厚度將達(dá)到甚至超過400nm的單次注入 極限厚度。因此多次注入對絕緣埋層的增厚作用是現(xiàn)有技術(shù)無法做到的。目前，全劑量SIM0X-S0I材料主要制備方法為劑量至少為1. 8 X IO18CnT2的氧離子 注入進(jìn)單晶硅片中，經(jīng)過高溫退火，促進(jìn)氧在硅片內(nèi)部聚集成核而形成約400nm厚的連續(xù) 的二氧化硅絕緣埋層。但是，由于受到大劑量氧離子的轟擊，所制備的SOI材料頂層硅質(zhì)量 較差，表現(xiàn)為線位錯密度較大。此外，由于氧元素在二氧化硅內(nèi)擴(kuò)散速度大于硅氧化速度， 因此其絕緣埋層內(nèi)形成了硅島，進(jìn)而降低了整個絕緣埋層擊穿電壓。以上具體實施方式
提 出的改進(jìn)的多次注入多次退火工藝用于全劑量SIM0X-S0I材料的工藝，通過多次注入多次 退火制備SIM0X-S0I材料，降低了單次注入的劑量，提高了所制備SIM0X-S0I材料的頂層硅 晶體質(zhì)量。由于采用了多次離子注入，彼此互為補充，可以保證所制備的材料絕緣埋層完整 并且無硅島存在，并且第二次和第三次的氧離子注入在界面處使得最終的SOI襯底具有陡 峭的頂層硅/絕緣埋層界面。此外，本工藝雖然采用了多次離子注入，但是降低了總的氧離 子注入劑量，從而降低了生產(chǎn)成本。綜上所述，雖然本發(fā)明已用較佳實施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，本發(fā) 明所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種的更動 與潤飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求書所申請的專利范圍所界定者為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種氧離子注入制備絕緣體上硅材料的方法，其特征在于，包括如下步驟提供單晶硅襯底，所述單晶硅襯底具有一光滑的上表面；實施第一次氧離子注入，從單晶硅襯底的上表面注入，以在單晶硅襯底內(nèi)部形成注入損傷層；實施第二次氧離子注入，從單晶硅襯底的上表面注入，第二次氧離子注入的注入位置在前一步驟形成的注入損傷層靠近單晶硅襯底上表面一側(cè)的表面，以在注入損傷層的上表面形成缺陷層；在含氧氣氛下對單晶硅襯底實施退火，以將注入損傷層轉(zhuǎn)變成絕緣埋層，將缺陷層轉(zhuǎn)變成多晶層；實施第三次氧離子注入，從單晶硅襯底的上表面注入，本步驟中氧離子注入在絕緣埋層內(nèi)且更靠近絕緣埋層的下界面；在含氧氣氛下對單晶硅襯底再次實施退火，以促進(jìn)第三次注入的氧和硅結(jié)合形成氧化硅，從而加厚絕緣埋層，并促進(jìn)多晶層的硅和氧結(jié)合形成絕緣埋層的一部分；重復(fù)實施第三次離子注入以及退火的步驟以繼續(xù)加厚絕緣埋層，至絕緣埋層的厚度達(dá)到目標(biāo)厚度為止。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，第一次氧離子注入的注入劑量為 2X IO1W2 8X IO17CnT2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，第二次氧離子注入的注入劑量為 IXlO14 IX IO16CnT2。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，第三次氧離子注入的注入劑量為 2 X IO1W2 IX IO18CnT2。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的兩次退火工藝中，退火的溫度為 1000 1400°C，退火氣氛為氧氬混合氣體，退火時間不小于6小時。
6.根據(jù)權(quán)利要求1 5任意一項所述的方法，其特征在于，在每一步退火的步驟之后實 施腐蝕去除表面熱二氧化硅的步驟。
全文摘要
一種氧離子注入制備絕緣體上硅材料的方法，包括如下步驟提供單晶硅襯底，所述單晶硅襯底具有一光滑的上表面；實施第一次氧離子注入，從單晶硅襯底的上表面注入；實施第二次氧離子注入，從單晶硅襯底的上表面注入；在含氧氣氛下對單晶硅襯底實施退火；實施第三次氧離子注入，從單晶硅襯底的上表面注入；在含氧氣氛下對單晶硅襯底再次實施退火；重復(fù)實施第三次離子注入以及退火的步驟以繼續(xù)加厚絕緣埋層，至絕緣埋層的厚度達(dá)到目標(biāo)厚度為止。
文檔編號C23C14/48GK101914758SQ20101023502
公開日2010年12月15日 申請日期2010年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月23日
發(fā)明者張苗, 楊建 , 林成魯, 王曦, 王湘, 魏星 申請人:上海新傲科技股份有限公司;中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所