[发明专利]半导体产品的制造工艺

说明书

本发明涉及半导体产品的制造工艺，该工艺适于制造如半导体集成电路、太阳能电池、半导体激光器或发光二极管等的半导体器件。特别涉及包括将半导体层生长到衬底上的步骤的半导体产品的制造工艺。

半导体产品通常指半导体晶片、半导体衬底和各种半导体器件，并且包括利用半导体区制造半导体器件的器件和用做制造半导体器件的预制件的器件。

所考虑的这类半导体器件包括在绝缘体上设置的半导体层。

在绝缘体上形成单晶硅半导体层的技术称做绝缘体上硅(SOI)技术，该技术已广泛公知。现已进行了各种研究探索SOI引人注目的优点，SOI不能用制造常规的Si集成电路的体Si衬底得到。SOI技术的优点包括：

1.易于介质隔离，能够增加集成度；

2.优良的抗辐射性；

3.减少浮动电容，提高器件的工作速度；

4.省却了阱形成步骤；

5.防止了闩锁效应；并且

6.使利用薄膜技术制造全耗尽场效应晶体管成为可能。在Journalof Crystal Growth的63卷，No.3，pp429-590(1983)G.W.Cullen编辑的文章“非单晶绝缘体上的单晶硅”中作为专题详尽地讨论了SOI技术的优点。

近年来，已公开了许多关于用于提供能实现MOSFET的高工作速度和低功率消耗的衬底的SOI技术的报道(IEEE SOI conference 1994)。如果与在体Si晶片上制造器件的工艺相比，由于实行了非常简化的器件隔离步骤，使用SOI结构的半导体器件制造工艺可以有效地缩减。因此，如果从体Si衬底上制造MOSFET或IC的常规技术来看，特别是就晶片成本和工艺成本而论，使用SOI技术可显著地降低半导体器件的制造成本，更不必说这种半导体器件的显著特性。

假设提高驱动功率，全耗尽MOSFET很有希望获得高工作速度和低功率消耗。一般来说，MOSFET的阈值电压(Vth)由它的沟道部分的杂质浓度的函数决定，对于全耗尽(FD)MOSFET，耗尽层的特性受SOI膜厚度影响。因此，要严格控制SOI膜的厚度，以便改善制造LSI的成品率。

同时，特别是就高工作速度和发光而论，在化合物半导体上形成的器件显示出出色的特性，这是硅器件所无法比拟的。这种器件目前是在GaAs或类似的化合物制成的化合物半导体衬底上外延生长形成的。然而，化合物半导体衬底成本很高并且机械性能不够强，所以不适于生产大晶片。

因此，现已研究在Si晶片上进行异质结外延生长形成化合物衬底，这种衬底便宜、机械强度高并且适于生产大晶片。

关于形成SOI衬底的研究在七十年代就已引人注目。最初，关注的是在蓝宝石衬底上进行外延生长制造单晶硅的技术(SOS：蓝宝石上硅)，即通过多孔氧化硅完全隔离(FIPOS)和氧离子注入技术制造SOI结构。FIPOS方法包括以下步骤：通过质子/离子注入(Imai et al.，J.CrystalGrowth，Vol.63，547(1983))或外延生长和构图，P型单晶Si衬底上形成隔离的N型Si层；通过在HF溶液中阳极化仅将P型硅Si衬底生长到多孔衬底中；从表面上遮蔽Si岛；然后通过加速氧化对N型Si岛进行介质隔离。然而，该技术也存在一个问题，在制造器件的工艺之前限定隔离的Si区，限制了器件设计的自由度。

氧离子注入法也称做SIMOX法，是由K.Izumi首次提出的。使用该技术，注入到Si晶片中的氧离子浓度级别为10¹⁷-10¹⁸/cm²，然后在氩气/氧气的气氛中在约1,320℃的高温下对Si晶片退火。结果，注入的氧离子与Si原子化合产生硅氧化层，聚集的深度对应于注入离子的投影射程(Rp)。在此情况下，通过氧离子注入变为无定形状态的Si氧化层的上部分再结晶产生单晶Si层。而表面Si层显示出高达10⁵/cm²的缺陷率，目前的技术发展通过选择约4×10¹⁷/cm²的氧注入速率，可以将缺陷率降到约10²/cm²。然而，如果表面Si层的结晶度和Si氧化层的膜质量分别保持在所需的级别，那么能量注入和离子注入的允许范围受到限制，因此表面Si层和掩埋的Si氧化物(BOX；掩埋的氧化物)的膜厚度只能取有限的数值。换句话说，牺牲氧化或外延生长的工艺为形成具有所需厚度的必不可少的工艺。反过来，由于该工艺固有的反型效应，产生了膜厚不均匀的问题。