[发明专利]一种离子注入厚膜SOI晶片材料的制备方法

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。