[发明专利]SOI晶片及其形成方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及SOI晶片及其形成方法。

背景技术

目前，作为可以使半导体装置高性能化的半导体衬底，SOI(Silicon on Insulator，绝缘体上硅)晶片受到广泛重视。SOI晶片包括硅基底、绝缘绝缘层和顶部硅层，这样的结构有如下优势：(1)可以用于制造0.1μm以下线条的大规模集成电路，从而可以消除在体硅中制造如此高集成度器件所产生的各种寄生效应；(2)可以用于制造各种袖珍设备所需要的高速低功耗半导体器件；(3)可以用于制造抗核辐照的半导体器件；(4)形成MOS器件的局部隔离，提高隔离器件的允许工作电压。因此，业界普遍认为，SOI材料是未来大规模集成电路主导产业的基础材料。

现有制造SOI材料的方法有三种。其中之一为注氧隔离技术，是目前制造SOI材料所采用的主要方法。其要点是，如图1所示，提供一单晶硅片1，将氧离子2注入到单晶硅片中，经过高温退火，在单晶硅片1内形成绝缘层3。这种绝缘层将原有的单晶硅片1分隔成两部分：顶部硅层4和硅基底5。

第二种方法为“键合SOI”技术，该方法形成的SOI晶片在质量方面特别好。在该技术中，如图2所示，将第一单晶硅片10和第二单晶硅片12的表面互相紧密地粘合在一起，其中第一单晶硅片10或第二单晶硅片12表面具有用氧化等方法形成的绝缘层14，对其进行退火以增强粘合界面的连接；参考图3，其后对第二单晶硅片12的非粘合面进行抛光或刻蚀以便在绝缘层14上留下厚度较薄的顶部硅层12a。本技术中最重要一点是将衬底减薄的步骤。

第三种方法为“Smart Cut”技术，如中国专利申请200710161139中公开的方案中提及的：如图4所示，提供第一单晶硅片20；在第一单晶硅片20的粘合面上形成绝缘层22，形成方法可利用热氧化等方式。通过绝缘层22，将氢离子24注入第一单晶硅片20内，形成均匀的离子注入层26。在离子注入后，对第一单晶硅片20进行行热处理；此热处理，是在剥离工艺之前，预先使离子注入层26的“注入界面”的机械性强度减弱的处理，也可避免“注入界面”在以后的工艺中被剥离而得到的SOI膜表面的“粗糙度”增大。在对第一单晶硅片20和第二单晶硅片30表面进行洁净化处理后，如图5所示，将第一单晶硅片20和第二单晶硅片30进行紧密粘合；然后进行热处理工艺，使第一单晶硅片20上的绝缘层22与第一单晶硅片的接合强度提高。参考图6，将第一单晶硅片20的离子注入层26上的硅衬底从第一单晶硅片20上机械地进行剥离，形成SOI晶片。

现有形成SOI晶片的三种方法都有一定的缺陷：注氧隔离技术中氧气的注入和退火工艺后，会使单晶硅片的晶格被破坏，极大地降低了绝缘层的绝缘性能，进而降低了SOI材料的质量。

而“键合SOI”技术中要将厚达几百微米左右的硅衬底均匀地抛光或刻蚀到几微米或甚至1微米或更小，这从技术上讲在可控性和均匀性方面是非常困难的，而且制作成本非常高；另外，在键合形成SOI过程中，如在键合表面中有污染物或因为键合表面的较差的平整度而存在凹凸不平，则会有孔隙在键合界面处出现，影响SOI晶片的质量。

“Smart Cut”技术对工艺精度要求很高，制作难度大，且成本高。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种SOI晶片及其形成方法，防止绝缘层的绝缘性能差，SOI晶片质量差，制作成本高。

为解决上述问题，本发明一种SOI晶片的形成方法，包括：提供单晶硅片，所述单晶硅片上形成有掩膜层；刻蚀掩膜层和单晶硅片，形成若干沟槽；在沟槽侧壁及底部形成第一绝缘层；刻蚀去除沟槽底部第一绝缘层；沿沟槽刻蚀沟槽下方的单晶硅片，形成空洞；处理空洞内壁，形成第二绝缘层；在沟槽及空洞内填充满绝缘物质层。

可选的，所述掩膜层包括第一膜层和位于第一膜层上的第二膜层。

可选的，所述第一膜层的材料为氧化硅，第二膜层的材料为氮化硅。

可选的，形成第一绝缘层的方法为热氧化法、热氮化法或化学气相沉积法。

可选的，所述第一绝缘层的材料是氧化硅或氮化硅，厚度为1nm～10μm。

可选的，刻蚀去除底部第一绝缘层的方法为等离子体刻蚀或离子束刻蚀，采用的气体为氩气。

可选的，刻蚀单晶硅片的方法为干法刻蚀法，采用气体为XeF₂或HNO₃和HF的混合气体。

可选的，形成第二绝缘层的方法为热氧化法或等热氮化法。

可选的，所述第二绝缘层材料为氧化硅或氮化硅。