[发明专利]一种低剂量注氧隔离技术制备绝缘体上硅的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种低剂量注氧隔离技术制备绝缘体上硅(SOI)的方法，更准确地说，是应用注氧隔离技术制备以SiO₂为绝缘埋层的SOI材料制备方法。属于微电子与与固体电子学中、硅基集成光电子器件材料的制造领域。

背景技术

绝缘体上的硅即SOI(Silicon-on-insulator)电路具有高速，低功率，抗辐照等优点，在航空航天，军工电子，便携式通讯等方面具有重要的应用背景，被认为是二十一世纪的硅集成电路技术，因而倍受人们重视(J.P.Colige，Silicon on Insulator Technology，Material to VLSI，Kulwer Academic Publication1991)。

注氧隔离技术即SIMOX(Seperation-implanation-by-oxygen)是目前制备SOI衬底的主流技术之一。它通过向单晶硅圆片中注入高剂量氧离子，从而形成隐埋绝缘SiO₂即BOX(Buried-Oxide)层。用这种技术制备SOI衬底圆片已经商业化。由于传统标准剂量SIMOX圆片注入剂量很大，注入时间过长，而SIMOX技术制备的SOI注入硅片直接正比于注入时间，因此，传统SIMOX产品成本过高；另一方面，注入硅片中的缺陷也直接同注入剂量和能量相关，这是因为大剂量的注入往往会导致的材料缺陷随剂量和能量的增加而增加。

因此，近年来对低剂量SIMOX圆片的研究兴趣越来越大并已有低剂量商业圆片出现。这是因为低剂量SIMOX圆片的结构不但可大幅度降低生产成本，同时在许多方面有明显改善，包括：明显降低线缺陷密度、降低金属沾污程度以及提高表层硅微区均匀性等。同时，薄的BOX提高了SOI电路的抗辐照水平和提高了埋层的热导性能。这对深亚微米集成电路制造中降低功耗是很重要的。另一方面，低压低功耗的应用是SOI走向主流集成电路基础材料的重要驱动力。在这些应用中采用的部分耗尽(Partially-depleted-MOS，PDMOS)和全耗尽(Fully-depleted-MOS，FDMOS)电路要求薄的表层硅厚度，特别是后者，甚至要求表层硅厚度在0.05μm左右。然而，常规的低剂量工艺存在以下三点不足之处：1)表层硅厚度需采用牺牲氧化层方法获得薄的表层硅厚度，容易引入氧化诱导缺陷；2)BOX层的针空密度相对较高，击穿电压低；3)薄的BOX层中存在硅岛，大大降低了SIMOX圆片的电学性能。

为了提高低剂量SIMOX圆片的质量，Nakashima等人发表文章(IEEE Int.Conf.SOI Proc.，pp.71-72，1994)提出了使用内热氧化工艺即ITOX(Internal-thermal-oxidation)。它是通过牺牲器件层厚度的方法来增加BOX厚度，从而提高BOX层的质量。ITOX工艺包括三步：低剂量氧离子注入，高温退火，高温热氧化。首先氧离子注入硅中，氧离子剂量在3～4.5×10¹⁷/cm²这个窗口内，经过高温退火形成连续的，无硅岛的BOX层，最后在1350℃氩气和氧气混合气氛下进行干热氧化。一方面在硅片表面生长了一层热氧化层，另一方面也在BOX层顶部生长了ITOX层。这个方法的的缺点在于高温氧化过程很难同时满足器件对表层硅厚度的要求和对埋层电学性能的要求。此外，A.Ogura等(Applied Surface Science 159(2000)104)提出180keV能量下注入2，3和4×10¹⁷/cm²的氧离子，然后在1340℃退火5个小时。从1000到1340℃或1200到1340℃的升温速率在0.03到0.1℃/min。而从室温升到1000或1200℃以及冷却速率固定在20℃/min。退火气氛中Ar/O2比在100/0.5到100/50之间。极慢的升温速率和退火气氛中高浓度的氧促进了衬底中氧化沉积物的生长，经退火后得到了高质量的低剂量SIMOX圆片。这个方法的缺点在于很长的退火时间，明显不适应规模化生产的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低剂量注氧隔离技术制备绝缘体上硅(SOI)的方法，以避免了Nakashima等在使用内热氧化(ITOX)退火工艺中采用的复杂工艺步骤，同时也避免了A.Ogura等人采用的极慢的升温速率来提高隐埋SiO₂层质量的方法。