[发明专利]制备绝缘体上硅材料的内热氧化方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及集成电路材料的制备方法，尤其涉及制备绝缘体上硅材料的内热氧化方法。

【背景技术】

绝缘体上的硅(SOI，Silicon-on-insulator)技术被认为是在亚微米超大集成电路制造中，延续莫尔定律发展速度的关键技术，倍受国内外学术界与工业界的重视。SOI材料作为SOI技术发展的基础，是近10多年来随着超大集成电路，航空，航天与国防军工，便携式通讯等方面对高速、低功耗，抗辐照微电子器件的需求而迅速发展起来的一种新型的微电子材料。

注氧隔离技术即SIMOX(Seperation-implantation-by-oxygen)是目前制备SOI材料的主要技术之一。该技术通过向单晶硅片中注入高剂量(例如1.8×10¹⁸cm^-2)的氧离子，在一定深度处形成氧离子分布，在随后的高温退火中形成SiO₂绝缘埋层(BOX层)。但由于传统的SIMOX工艺中，氧注入剂量大，注入时间过长，导致SIMOX工艺生产效率低，SOI硅片成本过高。同时，大剂量的氧注入在顶层硅中产生大量的缺陷和应力，将直接影响到后续器件制造的良率。

近年来低剂量SIMOX技术发展迅速，Nakashima等人(IEICE TRANS.ELECTRON.VOL.E80-C，1997)提出内部热氧化工艺即ITOX(Internel-thermal-oxidation)。该工艺的主要工艺步骤包括：1、低剂量的氧离子注入，注入剂量的范围通常在3～4.5×10¹⁷cm^-2之间；2、高温退火，退火温度通常在1300—1350℃之间；3、高温热氧化。该工艺中氧离子注入符合能量与剂量的匹配窗口，经过高温退火形成连续的无硅岛的BOX层，然后在氩气和氧气的混合气氛中进行热氧化。SIMOX片在高温热氧化过程中，顶层硅表面发生氧化的同时，过饱和的氧将通过顶层硅扩散到已形成的BOX层，这时BOX层将作为吸收层收集氧并在界面处形成SiO2，表面SiO₂与顶层硅界面处以及顶层硅与BOX层界面处的氧浓度梯度将驱动氧扩散的进行。但在此工艺中，顶层硅的表面氧化速度将大大高于BOX层的增厚速度，通过牺牲顶层硅的厚度的方法增加BOX层厚度，提高顶层硅和BOX层的界面质量和BOX层的绝缘性能。但该工艺顶层硅的厚度受到氧离子注入深度的限制，不能用于厚顶层硅SOI材料的制备。A.Ogura等提出在退火过程中，通过在高温段采用非常低的升温速率(Appl.Surf.Sci.vol.159-160，104，2000)和退火气氛中较高的氧气含量(Appl.Phys.Lett.，vol.74，2188，1999)实现低剂量SOI的制备。例如采用剂量为2×10¹⁷cm^-2的氧离子注入，退火过程中从1000℃到1340℃温度段采用0.03/min的升温速率和Ar与O₂的流量比为100：1的退火气氛条件下制备出了具有连续BOX层的SOI材料。

现有技术的缺点在于，内部热氧化的效率非常低，导致大部分顶层硅被氧化，而且在内部热氧化工艺中退火时间超长，不适应工业化生产。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是，提供一种制备绝缘体上硅材料的内热氧化方法，避免大部分顶层硅在制备的过程中被氧化，并且可以缩短退火时间，从而适应工业化生产的需求。

为了解决上述问题，本发明提供了一种制备绝缘体上硅材料的内热氧化方法，包括如下步骤：提供单晶硅衬底；在单晶硅衬底中注入缺陷引入离子，从而在单晶硅衬底中形成缺陷空洞层，以及位于缺陷空洞层表面的顶层硅；在缺陷空洞层表面的顶层硅中形成扩散通道；将单晶硅衬底在含氧气氛中进行退火。

作为可选的技术方案，所述的缺陷引入离子选自于氢离子、氦离子中的一种或两种。

作为可选的技术方案，还包括如下步骤：在单晶硅衬底中注入氧离子，该步骤可以在注入缺陷引入离子之前实施，亦可以在注入缺陷引入离子之后实施。

作为可选的技术方案，所述注入缺陷引入离子之后，还包括如下步骤：对缺陷空洞层进行退火处理。

作为可选的技术方案，所述形成扩散通道的方法进一步包括：采用模板遮蔽和化学腐蚀的方法在顶层硅中形成规则分布的沟槽，沟槽的深度大于顶层硅的厚度。