專(zhuān)利名稱：通過(guò)多孔硅技術(shù)形成構(gòu)圖的絕緣體上硅/懸空硅復(fù)合結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體復(fù)合結(jié)構(gòu)，并且更特別地，涉及包括絕緣體上硅(SOI)結(jié)構(gòu)和懸空硅(SONsilicon-on-nothing)結(jié)構(gòu)的組合的半導(dǎo)體復(fù)合結(jié)構(gòu)，在SOI結(jié)構(gòu)中薄硅層即Si表層(Si over-layer)通過(guò)絕緣區(qū)域而與襯底分開(kāi)，在SON結(jié)構(gòu)中Si表層通過(guò)擴(kuò)展的空隙平面(void plane)或空氣間隙而與襯底分開(kāi)。本發(fā)明還涉及用于形成前述的半導(dǎo)體復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法。
背景技術(shù)：
在微電子集成電路(IC)制造中，SOI和SON晶片用于這樣的情形，其中特定IC要求使有源器件區(qū)域與位于下方的半導(dǎo)體襯底分開(kāi)并隔離。當(dāng)物理尺寸和體積相對(duì)較小的有源器件區(qū)域保持與體積大很多的襯底相接觸時(shí)，會(huì)觀察到對(duì)器件和電路性能有害的各種效應(yīng)。例如，可以觀察到以下效應(yīng)增加的漏電流和結(jié)電容、降低的對(duì)輻射效應(yīng)和熱效應(yīng)的抵抗力、增加的短溝道效應(yīng)以及增加的關(guān)于稱為閂鎖的電破壞的弱點(diǎn)?？傊?，這些有害效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)槠骷碗娐沸阅艿膿p失以及功耗的增加。
借助于在其上構(gòu)造了SOI和SON器件和電路的獨(dú)特半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)，SOI和SON器件和電路基本上免于經(jīng)受上述效應(yīng)并因而被大量需求。
在SOI中，諸如氧化物之類(lèi)的掩埋絕緣材料的連續(xù)層形成在Si表層與半導(dǎo)體襯底之間。掩埋絕緣材料用于使Si表層與襯底電隔離。在稱作鍵合和背蝕刻的SOI(BESOI)的已知方法中，這可以通過(guò)在表面上氧化兩個(gè)起始半導(dǎo)體晶片，在氧化表面處鍵合兩個(gè)晶片，以及然后通過(guò)從背面向下蝕刻一個(gè)晶片并且拋光所蝕刻的晶片以提供適于器件制造的光滑表面來(lái)將該晶片減薄為一個(gè)薄表層來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于在鍵合之前將晶片表面氧化到期望的深度，所以可維持對(duì)掩埋氧化物形成的非常良好的控制。從而，所得到的掩埋氧化物非常均勻并且?guī)缀蹩梢跃哂腥我馄谕暮穸?。但是，在鍵合界面處的雜質(zhì)陷阱以及通過(guò)背蝕刻工藝實(shí)現(xiàn)薄的均勻Si表層時(shí)的困難是現(xiàn)有技術(shù)BESOI工藝的主要缺陷。
在稱為SIMOX(氧離子注入隔離)的另一種已知方法中，氧離子直接注入到晶片表面中，并且然后所注入的氧離子與Si原子發(fā)生反應(yīng)，以在高溫退火后形成掩埋氧化物層。掩埋氧化物層的深度、厚度和均勻性主要依賴于注入的氧的劑量和能量以及隨后的退火條件。一般來(lái)說(shuō)，SIMOX工藝提供均勻且具有高質(zhì)量的掩埋氧化物和Si表層。
在稱為FIPOS(多孔氧化硅完全隔離)的又一種已知方法中，使構(gòu)圖的Si表面在含HF的溶液中進(jìn)行陽(yáng)極氧化處理，以形成完全圍繞未陽(yáng)極氧化的Si島的多孔Si。在這種方法中，構(gòu)圖Si島并在插入到溶液中之前將其轉(zhuǎn)化為抗陽(yáng)極氧化的類(lèi)型。由于多孔Si因其極大增加的表面面積而比體Si氧化得快很多，所以在熱氧化后多孔Si完全圍繞并隔離Si島。這種現(xiàn)有技術(shù)的方法被認(rèn)為是形成SOI的非常廉價(jià)的方式。但是，利用這種現(xiàn)有技術(shù)方法，一般難以形成薄且又非常致密的熱氧化物。而且，如果周?chē)难趸嗫譙i施加應(yīng)力，則Si島會(huì)經(jīng)受位錯(cuò)和層錯(cuò)。
在SON中，擴(kuò)展的空隙平面或空氣間隙形成在Si表層表面之下。但是，必需的是，掩埋的空隙平面的橫向尺寸是有限的，原因是如果空隙平面已經(jīng)擴(kuò)展為半導(dǎo)體晶片的全部直徑，則Si表層和之下的半導(dǎo)體襯底將分隔開(kāi)。通常，在晶片上的選定位置處形成有限大小的掩埋的空隙平面。
在被稱作硅中空的空間(ESSempty space in silicon)的又一種已知的現(xiàn)有技術(shù)方法中，通過(guò)在氫氣氣氛中進(jìn)行高溫退火(這將引起Si原子的表面遷移)在晶片表面上形成拉長(zhǎng)的腐蝕坑，并且將這些腐蝕坑轉(zhuǎn)變成掩埋的空隙平面。掩埋的空隙平面和之上的Si表層的面積和厚度由單個(gè)腐蝕坑的寬度和深度以及腐蝕坑的間距和數(shù)目來(lái)確定。
在另一種已知方法中，通過(guò)選擇性外延生長(zhǎng)在半導(dǎo)體晶片表面上淀積SiGe層，在該SiGe層之上形成Si橋，以及然后選擇性地蝕刻掉SiGe層，留下空氣間隙。在該現(xiàn)有技術(shù)方法中，整個(gè)過(guò)程作為器件制造工藝的一部分并入。
由于用于制造SOI和SON復(fù)合物的已知現(xiàn)有技術(shù)方法差異很大，并且因?yàn)榍罢呱婕把诼裱趸镆约昂笳呱婕翱障叮灾两襁€沒(méi)有實(shí)現(xiàn)將這兩個(gè)復(fù)合結(jié)構(gòu)結(jié)合在單一半導(dǎo)體晶片上。就低功率器件隔離而言，SON復(fù)合物優(yōu)越得多的地方在于，空隙的介電常數(shù)通常接近1(最低的可能介電常數(shù))，而典型的掩埋氧化物(諸如SiO2)的介電常數(shù)約為3.9。
但是，除了器件隔離之外，如果適當(dāng)?shù)貥?gòu)圖，則掩埋絕緣區(qū)域可以作為背柵電介質(zhì)執(zhí)行附加的功能，同時(shí)SON可以用作柵格失配外延層(諸如SiGe和GaAs)的適應(yīng)(compliant)襯底。因而，SOI/SON復(fù)合組合物不僅可以改進(jìn)當(dāng)前分開(kāi)利用SOI和SON的微電子應(yīng)用，而且該復(fù)合組合物可以用在目前未知的或者還未實(shí)現(xiàn)的許多新的應(yīng)用中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種用于通過(guò)共有工藝(shared process)在單一半導(dǎo)體晶片上形成構(gòu)圖的SOI/SON復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法。本發(fā)明的共有工藝的關(guān)鍵特征是，通過(guò)在含HF的溶液中進(jìn)行電解陽(yáng)極氧化形成多孔Si層。在一些現(xiàn)有技術(shù)SOI方法中，使用多孔Si作為犧牲腐蝕停止層、分裂平面、場(chǎng)氧化區(qū)域或完全隔離氧化區(qū)域。但是，在本發(fā)明中，在形成掩埋絕緣/空隙組合中唯一地利用多孔Si。
同樣地，本發(fā)明的主要目的在于提供一種包括構(gòu)圖的SOI/SON結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體復(fù)合結(jié)構(gòu)。該復(fù)合結(jié)構(gòu)可以包括單級(jí)或多級(jí)SOI和SON結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明中，在給定層中以SOI和SON的交替圖形，彼此相鄰地形成構(gòu)圖的SOI/SON結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種用于制造這種含SOI/SON的復(fù)合物的方法。
本發(fā)明的又一目的在于提供一種用于制造這種含SOI/SON的復(fù)合物的方法，該方法包括基本上由SOI和SON兩種結(jié)構(gòu)共有的處理步驟。
本發(fā)明的又一目的在于SOI/SON結(jié)構(gòu)圖形不固定，而可以以任意期望的形狀和尺寸形成。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供包括構(gòu)圖的SOI和SON結(jié)構(gòu)的組合的半導(dǎo)體復(fù)合結(jié)構(gòu)。具體地說(shuō)，本發(fā)明的半導(dǎo)體復(fù)合結(jié)構(gòu)包括半導(dǎo)體襯底；一層或多層構(gòu)圖的掩埋絕緣區(qū)域和空隙平面，該掩埋絕緣區(qū)域和空隙平面定位得彼此相鄰并且在半導(dǎo)體襯底的頂上；以及預(yù)定厚度的Si表層，位于該一層或多層構(gòu)圖的掩埋絕緣區(qū)域和空隙平面的頂上。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，用掩埋導(dǎo)電區(qū)域替換本發(fā)明的半導(dǎo)體復(fù)合結(jié)構(gòu)的掩埋絕緣區(qū)域。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，本發(fā)明的半導(dǎo)體復(fù)合結(jié)構(gòu)僅包括空隙平面。在本發(fā)明的又一實(shí)施例中，本發(fā)明的半導(dǎo)體復(fù)合結(jié)構(gòu)包括掩埋絕緣區(qū)域、掩埋導(dǎo)電區(qū)域和空隙平面。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種形成上述半導(dǎo)體復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法。具體地說(shuō)，本發(fā)明的方法包括以下步驟(a)在半導(dǎo)體晶片的表面區(qū)域中形成一層多孔Si；(b)在該多孔Si層上形成epi-Si層，其中在該epi-Si層和多孔Si層之間存在界面；(c)選擇性地將離子注入到晶片的預(yù)定范圍中，以在所述界面處或所述界面附近形成注入?yún)^(qū)域；以及
(d)在高溫下對(duì)晶片進(jìn)行退火，通過(guò)與周?chē)亩嗫譙i層發(fā)生反應(yīng)，使得注入?yún)^(qū)域轉(zhuǎn)變成掩埋絕緣區(qū)域，并且通過(guò)孔合并(porecoalescence)，使得未注入的多孔Si轉(zhuǎn)變成掩埋的空隙平面。
在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，其中形成多層垂直疊置的掩埋絕緣/空隙平面，在執(zhí)行退火步驟(d)之前任意次地重復(fù)步驟(a)至(c)。
根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)利用在含HF的溶液中執(zhí)行的電解陽(yáng)極氧化形成多孔Si層。在HF陽(yáng)極氧化中，所形成的多孔Si的多孔度主要依賴于所使用的電流和電壓、HF濃度以及半導(dǎo)體晶片的摻雜類(lèi)型和濃度。另外，多孔Si層的厚度依賴于陽(yáng)極氧化工藝的時(shí)間。
如果必要，則在步驟(a)之后可以采用在氫氣氣氛下的高溫的簡(jiǎn)單退火，以消除在多孔Si層的表面上的開(kāi)放孔。在又一實(shí)施例中，可選的氫退火也可以在退火步驟(d)之后執(zhí)行。
在一些實(shí)施例中，可以采用二氧化硅、氮化硅、光刻膠或其組合的構(gòu)圖掩膜來(lái)在晶片中選擇性地形成注入?yún)^(qū)域。在這樣的實(shí)施例中，構(gòu)圖掩膜具有足夠的厚度，該厚度防止離子注入到其中將形成空隙平面的結(jié)構(gòu)區(qū)域中。
在本發(fā)明的備選方法中，所注入的離子能夠在退火時(shí)形成掩埋導(dǎo)電區(qū)域。在這樣的實(shí)施例中，注入金屬離子并且掩埋導(dǎo)電區(qū)域包括金屬硅化物。
在本發(fā)明的又一備選方法中，提供僅包括掩埋的空隙平面的復(fù)合結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的該方法包括以下步驟(i)在半導(dǎo)體晶片的頂上形成抗HF材料(例如光刻膠)的構(gòu)圖掩膜，所述構(gòu)圖掩膜具有一個(gè)或多個(gè)開(kāi)口，其使所述半導(dǎo)體晶片的部分露出；(ii)在所述半導(dǎo)體晶片的所述露出部分的表面區(qū)域中形成多孔Si；(iii)去除所述構(gòu)圖掩膜；(iv)在包括所述多孔Si的晶片的頂上形成epi-Si；以及(v)在高溫下對(duì)晶片進(jìn)行退火，這通過(guò)孔合并將多孔Si轉(zhuǎn)變成掩埋的空隙平面。
在本發(fā)明的另一備選方法中，通過(guò)在執(zhí)行引起上述轉(zhuǎn)變的最后的退火步驟之前，任意次地重復(fù)上述方法的步驟(a)-(c)和步驟(i)-(iv)，來(lái)提供包含并排的絕緣體/空隙平面結(jié)構(gòu)、并排的導(dǎo)體/空隙平面結(jié)構(gòu)和僅空隙平面結(jié)構(gòu)的掩埋層的半導(dǎo)體復(fù)合結(jié)構(gòu)。


圖1是示出本發(fā)明的構(gòu)圖SOI/SON復(fù)合結(jié)構(gòu)的圖示(通過(guò)截面視圖)。示出了單層的構(gòu)圖SOI和SON。
圖2是示出本發(fā)明的構(gòu)圖SOI/SON復(fù)合結(jié)構(gòu)的圖示(通過(guò)截面視圖)。示出了多層的構(gòu)圖SOI和SON。
圖3A-圖3D是說(shuō)明在形成圖1所示結(jié)構(gòu)中所使用的本發(fā)明的基本處理步驟的圖示(通過(guò)截面視圖)。在這些圖中，示出了直到退火步驟為止但不包括退火步驟的處理步驟。
圖4A-圖4D是說(shuō)明本發(fā)明的備選方法的圖示(通過(guò)截面視圖)。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供構(gòu)圖的SOI/SON復(fù)合結(jié)構(gòu)及其制造方法，以下將通過(guò)參照本申請(qǐng)的附圖更詳細(xì)地對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述。在附圖中，使用相同的參考標(biāo)號(hào)描述相同和相應(yīng)的元件。
由于在現(xiàn)有技術(shù)中工藝特征的顯著差異，將SOI和SON集成到單一半導(dǎo)體晶片上不是普遍的。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，在共有制造工藝中，在單一半導(dǎo)體晶片上以任意期望的圖形并排布置SOI和SON結(jié)構(gòu)。這里使用術(shù)語(yǔ)“半導(dǎo)體晶片”來(lái)表示包括半導(dǎo)體材料(諸如Si、SiGe、SiC、SiGeC、GaAs、GeAs、InAs、InP和其他類(lèi)似的III/V化合物半導(dǎo)體)的晶片。術(shù)語(yǔ)“半導(dǎo)體晶片”還可以包括絕緣體上硅襯底。
圖1說(shuō)明可以使用本發(fā)明方法之一制造的典型的構(gòu)圖SOI/SON復(fù)合結(jié)構(gòu)的截面視圖。圖1所示的構(gòu)圖SOI/SON復(fù)合結(jié)構(gòu)包括夾在Si表層30與半導(dǎo)體晶片或襯底10之間的單層的掩埋絕緣區(qū)域26和空隙平面27。應(yīng)注意的是，掩埋絕緣區(qū)域26與空隙平面27并排布置。因而，發(fā)明的復(fù)合結(jié)構(gòu)包含在單一半導(dǎo)體襯底中的一層交替的掩埋絕緣區(qū)域(SOI)和空隙平面(SON)。
本發(fā)明的構(gòu)圖SOI/SON復(fù)合結(jié)構(gòu)的各層的厚度會(huì)依賴于在制造該結(jié)構(gòu)時(shí)采用的工藝條件而變化。典型地，掩埋絕緣區(qū)域和空隙平面的層具有約5nm至約1μm的厚度，更加優(yōu)選的是約5nm至約200nm的厚度。掩埋絕緣區(qū)域和空隙平面的層的厚度取決于器件要求，并且在本發(fā)明中可以主要通過(guò)調(diào)整在HF陽(yáng)極氧化期間形成的多孔Si層的垂直深度以及所注入離子的劑量來(lái)控制。
Si表層30具有單晶結(jié)構(gòu)，并且層30的厚度典型地為約2nm至約1μm，更優(yōu)選地具有約2nm至約100nm的厚度。Si表層的厚度取決于器件要求并且在本發(fā)明中可以通過(guò)在熱退火期間的epi-Si淀積和Si消耗來(lái)控制。襯底10的厚度對(duì)于本發(fā)明來(lái)說(shuō)是無(wú)關(guān)緊要的。構(gòu)圖SOI/SON結(jié)構(gòu)的層基本均勻，并且各SOI/SON結(jié)構(gòu)是高質(zhì)量的。
在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，用掩埋導(dǎo)電區(qū)域替代掩埋絕緣區(qū)域26。在這樣的實(shí)施例中，提供構(gòu)圖的掩埋導(dǎo)電/SON復(fù)合結(jié)構(gòu)。這種復(fù)合結(jié)構(gòu)將類(lèi)似于以上圖1或以下圖2所示的結(jié)構(gòu)，除了用掩埋導(dǎo)電材料替代掩埋絕緣區(qū)域26之外。
圖2示出了包括多層掩埋絕緣區(qū)域26和空隙平面27的本發(fā)明的構(gòu)圖SOI/SON復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中該多層的每一層可以唯一地構(gòu)圖，并且不同于之上和之下的層。結(jié)構(gòu)的最底層是襯底10，而所示結(jié)構(gòu)的最頂層是Si表層30’。盡管本發(fā)明分別說(shuō)明了包含一層或兩層構(gòu)圖的掩埋絕緣區(qū)域和空隙平面的構(gòu)圖SOI/SON復(fù)合結(jié)構(gòu)，但是本發(fā)明可以在單一復(fù)合結(jié)構(gòu)中形成多個(gè)這樣的構(gòu)圖SOI/SON層。
在圖2中，兩個(gè)掩埋SOI/SON層(26和27)不需要對(duì)準(zhǔn)，并且它們可以不具有相同的設(shè)計(jì)。但是，為了清晰起見(jiàn)，圖2示出了兩個(gè)對(duì)準(zhǔn)的且具有相同設(shè)計(jì)尺寸的掩埋SOI/SON層。不管給出的說(shuō)明如何，本發(fā)明可以不對(duì)準(zhǔn)掩埋SOI/SON層，其中每個(gè)掩埋區(qū)域具有其自己的設(shè)計(jì)尺寸。
現(xiàn)在將更詳細(xì)地描述在制造圖1和圖2所示的構(gòu)圖SOI/SON復(fù)合結(jié)構(gòu)中所采用的本發(fā)明的處理步驟。首先參照?qǐng)D3A所示的結(jié)構(gòu)。具體地說(shuō)，圖3A所示的結(jié)構(gòu)包括半導(dǎo)體晶片或襯底10，在其表面區(qū)域中具有一層多孔Si 12。術(shù)語(yǔ)“晶片”和“襯底”在本申請(qǐng)中互換地使用。典型地，半導(dǎo)體晶片為具有任意期望尺寸的含Si的半導(dǎo)體材料。優(yōu)選地，但不是必須地，半導(dǎo)體晶片需要用p型摻雜原子來(lái)進(jìn)行摻雜。當(dāng)采用硼摻雜的p型晶片時(shí)，晶片的摻雜濃度典型地為約1E15至約1E19原子每立方厘米，更優(yōu)選地為約5E17至約1E19原子每立方厘米。
多孔Si層12是具有約100nm至約2μm的厚度的薄層，更優(yōu)選地具有約500nm至約1μm的厚度。多孔Si層12的多孔度為約5％至70％，更優(yōu)選地具有約10％至約40％的多孔度。多孔Si層典型地形成在半導(dǎo)體晶片10的上表面區(qū)域處或半導(dǎo)體晶片10的上表面區(qū)域之下。
利用在含HF的溶液中執(zhí)行的陽(yáng)極氧化技術(shù)，形成多孔Si層12。術(shù)語(yǔ)“含HF的溶液”表示HF和諸如烴、乙醇、水等的電解液的混合物。本發(fā)明中采用的優(yōu)選的電解液為濃縮的HF(49wt％HF+51wt％H2O)。在含HF的浴槽中執(zhí)行陽(yáng)極氧化工藝，在該浴槽中使晶片浸入并且正向偏置。該浴槽還包括反向偏置的電極。
HF陽(yáng)極氧化是形成多孔Si和諸如Ge和GaAs之類(lèi)的其他多孔半導(dǎo)體的廣泛已知且普遍接受的技術(shù)。通過(guò)涉及各種HF濃度、電流和電壓電平、晶片中的摻雜類(lèi)型(n型或p型)和摻雜濃度以及陽(yáng)極氧化時(shí)間的適當(dāng)試驗(yàn)，可以得到適于特定的期望多孔層結(jié)構(gòu)的陽(yáng)極氧化參數(shù)的配方。在本發(fā)明中形成多孔Si層時(shí)可以采用任意已知的陽(yáng)極氧化設(shè)備，只要該設(shè)備設(shè)計(jì)為允許電流在整個(gè)晶片的表面范圍上以均勻的密度流過(guò)。
根據(jù)本發(fā)明，并且為了實(shí)現(xiàn)上述多孔度，使用100％電解液中約25wt％(重量百分比)至約50wt％的HF濃度來(lái)執(zhí)行HF陽(yáng)極氧化，更優(yōu)選的是100％電解液中約40wt％至約50wt％的HF濃度。由于通過(guò)電流流動(dòng)驅(qū)動(dòng)陽(yáng)極氧化，所以在陽(yáng)極氧化期間電流通常設(shè)定為在期望的密度值處恒定。在陽(yáng)極氧化工藝期間采用的恒定電流密度為約0.1mA/cm2至約20mA/cm2，更優(yōu)選的是從約1mA/cm2至約2mA/cm2的陽(yáng)極氧化電流。根據(jù)Si晶片的類(lèi)型和摻雜密度，在陽(yáng)極氧化期間驅(qū)動(dòng)電流密度所需的電壓典型地從約0.1伏至約10伏，更優(yōu)選的是從約0.5伏至約5伏的電壓。典型地約在室溫下執(zhí)行陽(yáng)極氧化，時(shí)間段為約30秒至約10分鐘，更優(yōu)選的是約1分鐘至約5分鐘的時(shí)間段。
在陽(yáng)極氧化后，可選地，可以在氫氣氣氛中在高溫下對(duì)包含多孔Si層的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單退火，以基本消除多孔Si表面上的開(kāi)放孔。具體地說(shuō)，可選的氫退火在約800℃至約1100℃的溫度下以約10分鐘至約2小時(shí)的時(shí)間段執(zhí)行。更具體地說(shuō)，可選的氫退火在約850℃至約900℃的溫度下以約30分鐘至約1小時(shí)的時(shí)間段執(zhí)行。氫退火通常利用100％的純氫氣來(lái)執(zhí)行。但是，如果需要，則氫氣可以與惰性氣體(諸如He、Ar、Xe或其混合物)進(jìn)行混合。氫氣在氣體混合物中的量典型地為約50％至約100％。在該可選的預(yù)退火步驟期間使用的氫氣壓力典型地為約10托(Torr)至760托。
已知?dú)渫嘶鹩糜谝餝i原子的表面遷移，使得開(kāi)放的表面孔基本消除。但是，在高溫下，大量孔合并成更大的孔以使表面能量最小化。因此，如果在本發(fā)明中利用，則氫退火工藝不應(yīng)在長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間和過(guò)高溫度下執(zhí)行。
接下來(lái)，如圖3B所示，利用能夠生長(zhǎng)低缺陷epi-Si層的淀積方法，在多孔Si層12的頂上形成epi-Si層14。在本發(fā)明中可以采用的適當(dāng)?shù)矸e方法的說(shuō)明性示例包括但不限于化學(xué)汽相淀積(CVD)、等離子體輔助CVD、分子束外延淀積等。典型地具有單晶結(jié)構(gòu)的epi-Si層的厚度為約100nm至約1μm，更優(yōu)選的是約400nm至約600nm的厚度。應(yīng)注意的是，在多孔Si層和epi-Si層14之間存在界面13。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，可以利用諸如低溫CVD、旋轉(zhuǎn)涂布等常規(guī)淀積工藝，將氧化硅、氮化硅、光刻膠或其任意組合的常規(guī)掩膜材料涂覆到epi-Si層14的上表面，并且之后在提供具有一個(gè)或多個(gè)開(kāi)口20的構(gòu)圖掩膜18時(shí)使用常規(guī)的光刻，該開(kāi)口20使位于下方的epi-Si層14的表面露出。例如在圖3C中示出了所得到的包括構(gòu)圖掩膜以及一個(gè)或多個(gè)開(kāi)口的結(jié)構(gòu)。應(yīng)注意的是，在本發(fā)明的該步驟期間，典型地形成截面為矩形的圖形。光刻步驟包括淀積光刻膠(在二氧化硅和氮化硅的情況下)，使光刻膠曝光成輻射的圖形并且利用常規(guī)的抗蝕劑顯影液使曝光的光刻膠顯影。
構(gòu)圖掩膜的厚度可以變化，只要它能夠在隨后的離子注入步驟期間防止(即，阻止)離子注入到被阻止的區(qū)域中。典型地，該掩膜的厚度至少為約500nm或更大，更優(yōu)選的是約1μm至約3μm的厚度。
接下來(lái)，如圖3D所示，通過(guò)開(kāi)口20將氧離子22均勻地注入到該結(jié)構(gòu)中，在界面13處或者其附近形成氧注入?yún)^(qū)域24。更具體地說(shuō)，形成氧注入?yún)^(qū)域，使得注入的峰值濃度在epi-Si/多孔Si界面處或比該界面略低。應(yīng)注意的是，在其中存在構(gòu)圖掩膜的區(qū)域中，所注入的氧離子在構(gòu)圖掩膜內(nèi)停止并且不滲入到位于下方的epi-Si層。相反地，所注入的氧離子滲入到其中不存在掩膜的區(qū)域中的結(jié)構(gòu)中。
在本發(fā)明中可以利用任意常規(guī)的離子注入設(shè)備來(lái)形成氧注入，并且可以采用任意常規(guī)的離子注入條件。例如，可以利用每平方厘米約1×1016至約2×1018個(gè)原子的氧離子劑量、約50KeV至約10MeV的注入能量、約0.05mA/cm2至約500mA/cm2的離子束電流密度以及約480℃至約650℃的注入溫度，來(lái)執(zhí)行氧離子注入。更優(yōu)選地，可以利用每平方厘米約5×1016至約2×1017個(gè)原子的氧離子劑量、約150KeV至約300MeV的注入能量、約1.0mA/cm2至約10mA/cm2的離子束電流密度以及約550℃至600℃的注入溫度，來(lái)執(zhí)行氧離子注入。這里也包括除以上具體指出的那些離子注入條件之外的其他離子注入條件。該高溫注入步驟之后是如在美國(guó)專(zhuān)利No.5,930,643、No.6,043,166和No.6,090,689中描述的正常室溫注入，在此通過(guò)引用的方式包含其內(nèi)容。
可以在單一步驟中注入氧離子，或者可以采用多個(gè)離子注入步驟。注入可以是連續(xù)的注入或者也可以采用間斷的注入。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，用氮離子或者氧離子和氮離子的組合來(lái)替換氧離子，該氮離子或者氧離子和氮離子的組合能夠在執(zhí)行隨后的高溫退火工藝時(shí)在該結(jié)構(gòu)中形成掩膜絕緣區(qū)域。利用本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的包括注入條件的任意離子注入工藝來(lái)執(zhí)行氮離子的注入。
在本發(fā)明的一個(gè)備選實(shí)施例中，所注入的離子是諸如Mo、Ta、W和其他類(lèi)似耐熔金屬的金屬離子，當(dāng)與Si進(jìn)行合金處理時(shí)其具有高于約1300℃的共晶溫度。當(dāng)經(jīng)受將在下面更詳細(xì)地描述的隨后的高溫退火工藝時(shí)，這些金屬離子能夠形成掩埋導(dǎo)電區(qū)域。在該實(shí)施例中，將形成包含交替的掩埋導(dǎo)電區(qū)域和空隙平面的層。
在注入步驟之后，通常利用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的常規(guī)剝離工藝，從該結(jié)構(gòu)的表面去除構(gòu)圖掩膜。在其他實(shí)施例中，直到執(zhí)行了退火工藝之后才去除構(gòu)圖掩膜。但是在本發(fā)明中優(yōu)選的是在退火步驟之前去除構(gòu)圖掩膜。
現(xiàn)在執(zhí)行退火，以便提供例如圖1所示的結(jié)構(gòu)。具體地說(shuō)，在本發(fā)明的這點(diǎn)上采用的退火步驟是高溫退火，其能夠?qū)⒆⑷胙鯀^(qū)域24轉(zhuǎn)變成掩埋氧化區(qū)域26，同時(shí)將不包含氧離子的區(qū)域轉(zhuǎn)變成空隙平面26。區(qū)域26和27之上的層是Si表層30。當(dāng)采用除氧之外的其他離子時(shí)，代替掩埋氧化區(qū)域而形成掩埋絕緣區(qū)域。當(dāng)采用導(dǎo)電離子時(shí)，代替掩埋氧化區(qū)域而形成掩埋導(dǎo)電區(qū)域。
在該掩埋氧化物/空隙形成中，消耗多孔Si并且可以通過(guò)表面氧化使epi-Si層減薄，當(dāng)剝離表面氧化物時(shí)，導(dǎo)致比初始epi-Si層薄得多的Si表層30。在一些實(shí)施例(未示出)中，將表面氧化物留在復(fù)合結(jié)構(gòu)上。
根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)所注入離子和多孔Si之間的熱相互作用，形成掩埋絕緣區(qū)域(以及掩埋導(dǎo)電區(qū)域)。通過(guò)孔合并形成空隙平面。術(shù)語(yǔ)“空隙平面”是指存在于Si表層和襯底之間的其中只有空氣而沒(méi)有其他任何東西的間隙。
在約1300℃或更高但低于1415℃的Si熔點(diǎn)的溫度下，以約2小時(shí)或更長(zhǎng)的時(shí)間段，來(lái)執(zhí)行高溫退火。更優(yōu)選地，在約1300℃至約1350℃的溫度下，以約5小時(shí)至約10小時(shí)的時(shí)間段，來(lái)執(zhí)行高溫退火步驟。高溫退火可以在100％純氧氣、與惰性氣體或N2或這兩者混合的氧氣、僅惰性氣體或N2或它們的混合物、或者真空中執(zhí)行。當(dāng)采用含氧混合物時(shí)，氧氣通常以約0.25％至約99.75％的濃度存在，更優(yōu)選的是約2％至約25％的氧濃度?；旌衔锏氖Ｓ嗖孔疃?00％地是惰性氣體或N2或這兩者。
可以利用連續(xù)加熱法來(lái)形成退火步驟，其中采用單一的升溫速率(ramp-up rate)和冷卻速率(cool down rate)。作為備選，高溫退火步驟可以包括各種升溫速率、均熱處理(soak)和冷卻速率。
在高溫退火步驟期間，在襯底10中存在的摻雜劑可以從襯底10擴(kuò)散到Si表層30中。對(duì)于給定器件應(yīng)用，如果在Si表層30中的摻雜濃度水平過(guò)高，則可以使圖1所示的結(jié)構(gòu)經(jīng)受后氫退火工藝。后氫退火包括與上述可選的氫退火相同或不同的條件。可以在本發(fā)明中采用的優(yōu)選的后氫退火為在低壓(80托或更小)氫氣氣氛下在1100℃至1150℃的0.25小時(shí)至3小時(shí)的退火。
在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，在執(zhí)行高溫退火之前可以重復(fù)以上在圖3A至圖3D中概述的處理步驟，以提供例如圖2所示的結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明的又一實(shí)施例中，可以利用本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的處理步驟，用氣體、液體或固體填充以上所提供的空隙平面。該氣體是除空氣之外的氣體。
在本發(fā)明的又一備選實(shí)施例中，可以除去涂覆掩膜并構(gòu)圖掩膜的步驟。在這種情況下，可以使用選擇性離子注入工藝，其中僅將離子注入到該結(jié)構(gòu)的預(yù)定范圍中。
在本發(fā)明的另一備選實(shí)施例中，用形成空位或空隙而不是孔的工藝替代HF陽(yáng)極氧化步驟。
在本發(fā)明的備選方法中，僅將掩埋的空隙平面形成到半導(dǎo)體晶片中。在圖4A至圖4D中描述了本發(fā)明的該備選方法。
圖4A說(shuō)明在半導(dǎo)體晶片10的表面的頂上形成抗HF的光刻膠18’的構(gòu)圖掩膜之后的結(jié)構(gòu)。構(gòu)圖光刻膠利用上述處理步驟而形成。如同所示，構(gòu)圖光刻膠18’具有一個(gè)或多個(gè)開(kāi)口20，其使半導(dǎo)體晶片的部分露出。
接下來(lái)，如圖4B所示，利用上述HF陽(yáng)極氧化工藝，在半導(dǎo)體晶片的露出部分中形成多孔Si區(qū)域12，并且之后剝離構(gòu)圖光刻膠，以及在包括多孔Si區(qū)域12的整個(gè)結(jié)構(gòu)的頂上形成epi-Si 14，其與多孔Si區(qū)域形成界面13，見(jiàn)圖4C。利用上述淀積工藝之一而形成該epi-Si。
然后在高溫下對(duì)圖4C所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行退火，這通過(guò)孔合并使得多孔Si轉(zhuǎn)變成掩埋的空隙平面27。高溫退火包括上述條件。例如，在圖4D中示出了所得到的結(jié)構(gòu)。如上所述，可以用氣體、液體或固體來(lái)填充空隙平面。也可以在退火之前通過(guò)重復(fù)圖4A至圖4C所示的處理步驟來(lái)形成多層空隙平面。
在本發(fā)明的附加實(shí)施例中，在執(zhí)行高溫退火之前，可以任意次地重復(fù)以上在圖3A至圖3D和圖4A至圖4C中概述的處理步驟，以提供包含所有的掩埋絕緣區(qū)域、導(dǎo)電區(qū)域和空隙平面的半導(dǎo)體復(fù)合結(jié)構(gòu)。
在可能的情況下，可以將圖2中的掩埋絕緣區(qū)域、導(dǎo)電區(qū)域和空隙平面彼此連接并且通過(guò)通孔連接到表面?？梢杂媒^緣材料或?qū)щ姴牧咸畛渫谆蛘吆?jiǎn)單地留作空隙。形成導(dǎo)通孔并用絕緣材料或?qū)щ姴牧蠈?duì)其進(jìn)行填充的方法和處理步驟是本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的。
盡管已經(jīng)針對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例特別地示出和描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解到，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以在形式和細(xì)節(jié)上進(jìn)行前述以及其它改變。因此并不旨在將本發(fā)明限于所描述和所說(shuō)明的確切形式和細(xì)節(jié)，而旨在使本發(fā)明限于處在所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體復(fù)合結(jié)構(gòu)，包括半導(dǎo)體襯底；一層或多層構(gòu)圖的掩埋絕緣區(qū)域和空隙平面，所述掩埋絕緣區(qū)域和空隙平面定位得彼此相鄰并且在所述半導(dǎo)體襯底的頂上；以及預(yù)定厚度的Si表層，位于所述一層或多層構(gòu)圖的掩埋絕緣區(qū)域和空隙平面的頂上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中所述Si表層具有單晶結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中所述Si表層具有約2nm至約1μm的厚度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中所述掩埋絕緣區(qū)域?yàn)檠诼裱趸瘏^(qū)域。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中所述一層或多層掩埋絕緣區(qū)域和空隙平面的每一層都具有約5nm至約1μm的厚度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中所述空隙平面用液體填充。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中所述空隙平面用氣體填充。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中所述空隙平面用固體填充。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中所述半導(dǎo)體襯底為含Si的襯底。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中所述半導(dǎo)體襯底被摻雜。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中所述Si表層被摻雜。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體復(fù)合結(jié)構(gòu)，還包括位于所述Si表層的頂上的表面氧化物。
13.一種半導(dǎo)體復(fù)合結(jié)構(gòu)，包括半導(dǎo)體襯底；一層或多層構(gòu)圖的掩埋導(dǎo)電區(qū)域和空隙平面，所述掩埋導(dǎo)電區(qū)域和空隙平面定位得彼此相鄰并且在所述半導(dǎo)體襯底的頂上；以及預(yù)定厚度的Si表層，位于所述一層或多層構(gòu)圖的掩埋導(dǎo)電區(qū)域和空隙平面的頂上。
14.一種形成半導(dǎo)體復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法，所述半導(dǎo)體復(fù)合結(jié)構(gòu)包含并排的掩埋SOI/SON結(jié)構(gòu)，所述方法包括以下步驟(a)在半導(dǎo)體晶片的表面區(qū)域中形成一層多孔Si；(b)在所述多孔Si層上形成epi-Si層，其中在所述epi-Si層和所述多孔Si層之間存在界面；(c)選擇性地將離子注入到所述晶片的預(yù)定范圍中，以在所述界面處或所述界面附近形成注入?yún)^(qū)域；以及(d)在高溫下對(duì)所述晶片進(jìn)行退火，這通過(guò)與周?chē)亩嗫譙i層發(fā)生反應(yīng)，使得所述注入?yún)^(qū)域轉(zhuǎn)變成掩埋絕緣區(qū)域，并且通過(guò)孔合并，使得未注入的多孔Si轉(zhuǎn)變成掩埋的空隙平面。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，還包括在步驟(a)和(b)之間執(zhí)行氫退火步驟，以基本消除在所述多孔Si層中的開(kāi)放表面孔。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中在約800℃至約1100℃的溫度下，以約10分鐘至約2小時(shí)的時(shí)間段，執(zhí)行所述氫退火。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中在100％純氫氣中或者與惰性氣體混合的氫氣中，執(zhí)行所述氫退火。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中通過(guò)在含HF的浴槽中進(jìn)行電解陽(yáng)極氧化而形成所述多孔Si層。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述含HF的浴槽包括電解液。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述浴槽包括在100％電解液中的約25wt％至約50wt％的HF。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中使用約0.1mA/cm2至約20mA/cm2的恒定陽(yáng)極氧化電流密度，執(zhí)行所述電解陽(yáng)極氧化。
22.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中在約0.5伏至約10伏的電壓下執(zhí)行所述電解陽(yáng)極氧化。
23.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中在室溫下以約30秒至約10分鐘的時(shí)間段執(zhí)行所述電解陽(yáng)極氧化。
24.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中通過(guò)能夠生長(zhǎng)低缺陷epi-Si層的淀積工藝形成所述epi-Si層。
25.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述選擇性離子注入包括使用在所述epi-Si層部分的頂上形成的構(gòu)圖掩膜。
26.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述選擇性離子注入包括氧離子注入。
27.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述選擇性離子注入包括氮、氮和氧的組合或?qū)щ娊饘俚碾x子注入。
28.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中使用每平方厘米約1×1016至約2×1018個(gè)原子的氧離子劑量，執(zhí)行所述氧離子注入。
29.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中以約50KeV至約10MeV的注入能量執(zhí)行所述氧離子注入。
30.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中使用約0.05mA/cm2至約500mA/cm2的離子束電流密度，執(zhí)行所述氧離子注入。
31.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，還包括在執(zhí)行步驟(d)之前，任意次地重復(fù)步驟(a)至(c)。
32.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中在約1300℃或更高但低于1415℃的Si熔點(diǎn)的溫度下，以約2小時(shí)或更長(zhǎng)的時(shí)間段，執(zhí)行所述退火。
33.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述退火氣氛包括100％純氧氣。
34.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述退火氣氛包括與惰性氣體或氮?dú)饣蜻@兩者混合的氧氣。
35.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述退火氣氛包括惰性氣體或氮?dú)饣蜻@兩者的混合物。
36.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述退火氣氛為真空。
37.一種形成包含掩埋SON結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括以下步驟(i)在半導(dǎo)體晶片的頂上形成抗HF的光刻膠的構(gòu)圖掩膜，所述構(gòu)圖掩膜具有一個(gè)或多個(gè)開(kāi)口，其使所述半導(dǎo)體晶片的部分露出；(ii)在所述半導(dǎo)體晶片的所述露出部分的表面區(qū)域中形成多孔Si；(iii)去除所述構(gòu)圖掩膜；(iv)在包括所述多孔Si的所述晶片的頂上形成epi-Si；以及(v)在高溫下對(duì)所述晶片進(jìn)行退火，這使得所述多孔Si轉(zhuǎn)變成掩埋的空隙平面。
38.一種形成半導(dǎo)體復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法，所述半導(dǎo)體復(fù)合結(jié)構(gòu)包含并排的絕緣體/空隙平面結(jié)構(gòu)、并排的導(dǎo)體/空隙平面結(jié)構(gòu)以及僅空隙平面結(jié)構(gòu)的掩埋層，所述方法包括按任意順序進(jìn)行的以下工藝(A)利用以下步驟提供絕緣體/空隙平面或?qū)w/空隙的結(jié)構(gòu)(a)在半導(dǎo)體晶片的表面區(qū)域中形成一層多孔Si；(b)在所述多孔Si層上形成epi-Si層，其中在所述epi-Si層與所述多孔Si層之間存在界面；(c)選擇性地將離子注入到所述晶片的預(yù)定范圍中，以在所述界面處或所述界面附近形成注入?yún)^(qū)域；以及(B)利用以下步驟提供空隙平面(i)在半導(dǎo)體晶片的頂上形成抗HF的光刻膠的構(gòu)圖掩膜，所述構(gòu)圖掩膜具有一個(gè)或多個(gè)開(kāi)口，其使所述半導(dǎo)體晶片的部分露出；(ii)在所述半導(dǎo)體晶片的所述露出部分的表面區(qū)域中形成多孔Si；(iii)去除所述構(gòu)圖掩膜；(iv)在包括所述多孔Si的晶片的頂上形成epi-Si；以及(C)在高溫下對(duì)所述晶片進(jìn)行退火。
全文摘要
提供一種構(gòu)圖的SOI/SON復(fù)合結(jié)構(gòu)及形成該結(jié)構(gòu)的方法。在該SOI/SON復(fù)合結(jié)構(gòu)中，構(gòu)圖的SOI/SON結(jié)構(gòu)夾在Si表層與半導(dǎo)體襯底之間。形成該構(gòu)圖的SOI/SON復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法包括其中將SOI和SON結(jié)構(gòu)一起形成的共有處理步驟。本發(fā)明還提供一種用于形成包括掩埋導(dǎo)電/SON結(jié)構(gòu)的復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法，以及一種用于形成僅包括掩埋的空隙平面的復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法。
文檔編號(hào)H01L21/265GK1914721SQ200480041533
公開(kāi)日2007年2月14日 申請(qǐng)日期2004年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月9日
發(fā)明者羅伯特·E·本德內(nèi)格爾, 崔廣洙, 比詹·戴瓦里, 基思·E·福格爾, 德延德拉·K·薩達(dá)納, 格瓦姆·G·沙希迪, 桑迪普·蒂沃里 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司