一种离子注入厚膜SOI晶片材料的制备方法

摘要

一种离子注入厚膜SOI晶片材料的制备方法，其步骤为：清洗硅片；在硅片中形成富氧层；在一定气氛、温度和时间下进行退火，形成SiO2埋层，顶部的非晶硅层变成多晶硅；在一定气氛、温度和时间内将顶部的多晶硅层完全氧化，得注氧片；平整注氧片的绝缘埋层表面，清洗；将注氧片与硅片，或所述注氧片与注氧片，或所述注氧片与氧化片在一定温度、真空度下键合，退火，形成“Si－SiO2－Si”三层结构，得键合SOI材料；减薄，使硅膜厚度达到顶层硅厚度要求，抛光，清洗，即得。本发明可精确控制SiO2埋层的厚度、增厚绝缘埋层、提高绝缘埋层质量及界面平坦度，制得的材料可满足特种SOI器件制作的需要。

说明书

技术领域

本发明涉及用于制备特种SOI器件所需厚膜绝缘层上硅(SOI)材料的制备方法，属于材料技术领域。

背景技术

SOI(Silicon-on-insulator)材料由于自身结构特点而受到广泛重视。器件的电路制作在SOI(绝缘层上硅)材料的顶层硅内，SiO₂埋层实现全介质隔离。不仅可以在航空航天及辐照等恶劣环境下正常工作，而且还能耐高温、耐高压。这对恶劣环境下工作的卫星飞船、导弹的电路模块而言是极其重要的(参见：张苗，竺士炀，林成鲁的“智能剥离-有竞争力的SOI制备新技术”一文，物理，Vol，26，No.3，1997，p 155～159)。特别是高压SOI器件，在雷达、飞机、电力电子等方面有着广泛的应用。目前，高压器件要求厚膜SOI材料的埋层厚度达到2～5um。

现有技术中，较成熟的SOI材料制备方法主要有SIMOX(Separation byIMplanted OXygen)、Unibond和键合减薄技术(BESOI或BGSOI)。SIMOX技术由于剂量的限制不能形成厚埋层；Unibond被法国Soitec公司申请Smart-cut^TM专利受到保护；键合减薄技术所形成的埋层是热氧化层，难以保证“Si-SiO₂”界面的平坦度，这对器件的抗辐照性能不利(参见：黄如，张国艳，李映雪等，SOI CMOS技术及其应用，北京：科学出版社，2005)。同时，厚膜SOI材料的埋层厚度也难以精确控制，无法精确计算绝缘埋层的耐压值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的缺陷，提出一种离子注入厚膜SOI晶片材料的制备方法，它利用常温氧离子注入精确控制SiO₂埋层的厚度，利用高温退火氧化来增厚绝缘埋层、提高绝缘埋层质量及界面平坦度，再通过键合及减薄工艺使厚膜SOI材料的顶层硅厚度达到目标值，制得的材料可满足特种SOI器件制作的需要。

本发明的技术解决方案是，所述离子注入厚膜SOI晶片材料的制备方法的步骤为：

(1)按照已有半导体标准清洗工艺清洗硅片；

(2)采用常温氧离子注入工艺在上述清洗后的硅片中形成富氧层；

(3)在1280℃～1350℃温度、0.5％～10％氧含量(体积百分比)的Ar/O₂或N₂/O₂混合气氛中退火5～8小时，形成SiO₂埋层，顶部的非晶硅层转变成多晶硅；

(4)降温到900℃～1200℃，将所述混合气氛中的氧含量增大至5％～30％，以SiO₂埋层为阻挡层，将顶部的多晶硅层完全氧化而形成绝缘埋层(即氧化层)，氧化时间根据绝缘埋层厚度而定，一般为1～10小时，绝缘埋层厚度在0.2um～2.5um范围内，即得注氧片；

(5)利用磨抛设备平整注氧片的绝缘埋层表面，清洗，使注氧片表面粗糙度和化学性质满足键合的要求；

(6)将满足键合要求的注氧片与硅片，或所述注氧片与注氧片，或所述注氧片与氧化片键合，退火，形成Si-SiO₂-Si三层结构，得键合SOI材料；键合温度为200℃～450℃，真空度为1～5×10^-3mbar，键合时间为10～50分钟；退火温度为200℃～1100℃，退火时间为2～5小时；

(7)将键合SOI材料减薄，使硅膜厚度达到顶层硅厚度要求，抛光，清洗，得厚膜SOI晶片材料。

以下对本发明做出进一步说明。

本发明中，所述常温离子注入方法，绝缘埋层厚度可通过常规注入能量精确控制。

本发明中，所述步骤(3)和(4)的高温退火、氧化过程可以是“高温退火+氧化”两个步骤，也可以是高温退火、氧化连续完成；所述氧化可以采用已有技术的干氧氧化，也可以是已有技术的湿氧氧化。

本发明中，所述键合SOI材料减薄可以采用常规的化学腐蚀减薄，也可以采用已有的机械磨抛减薄技术进行减薄。

本发明中，所述抛光可采用常规CMP抛光，达到镜面要求。

本发明工艺过程中，先利用常温氧离子注入技术在硅片中形成一富氧层2，如图1(a)所示；高温退火，形成“多晶硅-SiO₂埋层-Si衬底”三层结构，如图1(b)所示；将形成的SiO₂埋层4作为氧化阻挡层，氧化，得到拥有一厚度可精确控制的绝缘埋层6(SiO₂埋层)的注氧片，如图1(c)所示，它提高了顶层Si-SiO₂埋层的界面平坦度；将两片注氧片键合，减薄，得厚膜SOI晶片材料，如图1(d)所示，顶层硅厚度可根据需要通过减薄工艺控制。

本发明涉及的清洗和减薄是一种很成熟的工艺。本发明的特点在于采用常温氧离子注入形成的SiO₂层做氧化阻挡层，材料的埋层厚度可通过注入能量进行精确控制，可解决SIMOX技术制备SOI材料绝缘埋层厚度不够的问题。所制备材料的Si-SiO₂界面平坦度更好，具有更好的电学、抗辐照性能。同时，常温氧离子注入可减少注入过程中晶片的翘曲，提高了注入设备的寿命，大大降低了注入成本。本发明的关键是常温氧离子注入后的高温退火氧化过程，通过合理确定温度、气氛、氧化时间等工艺参数(参见图2、图3)，实现注氧片的形成及Si-SiO₂界面的高陡峭度。图4(a)是常温氧离子注入后的TEM照片，图4(b)是高温退火氧化后的TEM照片。结果表明通过合理的高温退火氧化工艺，可以得到高质量的、厚度可控的绝缘埋层。该方法与键合减薄方法制备的厚膜SOI材料相比，所制备材料的绝缘层厚度可控性及Si-SiO₂界面平坦度更好，界面应力更小，这点对于高压器件绝缘层耐压的准确控制、器件的抗辐照性能及减少硅刻蚀端面的变形是非常有利的。用该方法制备厚膜SOI材料，除常温氧离子注入及高温退火氧化外，其余都是成熟工艺，在技术上容易实现。

由以上可知，本发明为一种离子注入厚膜SOI晶片材料的制备方法，它利用常温氧离子注入实现了精确控制SiO₂埋层的厚度，利用高温退火氧化来增厚绝缘埋层、提高绝缘埋层质量及界面平坦度，再通过键合及减薄工艺使厚膜SOI材料的顶层硅厚度达到目标值，可实现顶层硅厚度＞3um，SiO₂埋层厚度0.4um～5um范围的厚膜SOI晶片材料的制备，制得的材料可满足特种SOI器件制作的需要。

附图说明

图1(a)为常温氧离子注入后的硅晶片结构示意图，

图1(b)为高温退火后的常温氧离子注入片结构示意图，

图1(c)为高温退火氧化后的注氧片结构示意图，

图1(d)为键合、减薄后的厚膜SOI材料结构示意图；

图2为一种实施例的高温退火与氧化分步进行的工艺条件曲线图，其中(a)为高温退火工艺条件曲线，(b)为氧化工艺条件曲线；

图3为一种实施例的高温退火与氧化一步化工艺条件曲线；

图4(a)是常温氧离子注入后的TEM照片，

图4(b)高温退火氧化后的TEM照片。

在图中：

1-硅底衬，        2-富氧层，      3-非晶层，

4-SiO₂埋层，     5-多晶层，      6-绝缘埋层，

7-顶层硅。

具体实施方式

实施例1：利用能量为152KeV、剂量为0.6×10¹⁸cm^-2的氧离子在常注入到清洗后的硅片中。硅片为P型<100>。将常温注入后的硅片在热壁式超高温退火炉中退火，退火温度为1320℃，气氛为0.5％氧含量(体积百分比)的Ar/O₂混合气体，保温时间为6小时；在退火炉温度降至500℃后升温，同时，将氧含量增加到15％进行干氧氧化，氧化温度为1150℃，保温时间为8.5小时，得注氧片；利用磨抛设备平整注氧片的绝缘埋层表面，清洗；然后将注氧片与硅片键合，退火，形成Si-SiO₂-Si三层结构，得键合SOI材料；键合温度为200℃，真空度为5×10^-3mbar，键合时间为30分钟；退火温度为1100℃，退火时间为3小时；将键合SOI材料用机械磨抛方法减薄，使硅膜厚度达到顶层硅厚度要求，抛光，清洗，得厚膜SOI晶片材料。经TEM测试后得出厚膜SOI晶片材料的绝缘埋层厚度为0.65um。

实施例2：利用能量为200KeV、剂量为0.72×10¹⁸cm^-2的氧离子在常注入到清洗后的硅片中。硅片为P型<100>。经1320℃、6小时的超高温退火。退火后得到厚度为190nm的连续埋层和338nm厚的多晶硅层。退火时，气氛中的氧含量为1％(体积百分比，Ar/O₂气氛)。然后在超高温退火炉中进行热氧化，氧化工艺为H₂、O₂点火的湿氧氧化。氧化温度为1050℃，氧化时间为3.5小时，氧含量为15％。得注氧片；利用磨抛设备平整注氧片的绝缘埋层表面，清洗；然后将两片注氧片键合，退火，形成Si-SiO₂-Si三层结构，得到键合SOI材料；键合温度为450℃，真空度为1×10^-3mbar，键合时间为45分钟；退火温度为1100℃，退火4小时；将键合SOI材料用机械磨抛方法减薄，使硅膜厚度达到顶层硅厚度要求，抛光，清洗，得厚膜SOI晶片材料。经TEM测试结果表明厚膜SOI晶片材料的绝缘层厚度为2.2um。