[发明专利]阳极氧化方法和装置以及半导体衬底制造方法

说明书

本发明涉及到阳极氧化方法和装置以及半导体衬底制造方法，更确切地说是涉及到用来在衬底上制作多孔层的阳极氧化方法和装置以及采用阳极氧化方法作为部分工序的半导体衬底制造方法。

具有SOI(绝缘体上硅)结构的衬底(SOI衬底)即在绝缘层上有单晶硅层的衬底。采用这种SOI结构的器件具有普通硅衬底无法得到的许多优点。这些优点的例子如下：

(1)由于介电隔离容易而可提高集成度。

(2)可提高抗辐射能力。

(3)由于寄生电容小而可提高器件的工作速度。

(4)不需要制作阱的步骤。

(5)可防止闭锁。

(6)利用形成薄膜可制作完全耗尽的场效应晶体管。    

由于SOI结构有上述各种优点，故近几十年对它的制作方法进行了各种研究。

作为一种SOI技术，用CVD(化学汽相淀积)方法在单晶蓝宝石衬底上异质外延生长硅的SOS(蓝宝石上硅)技术早已为人所知。这一SOS技术曾经被认为是最成熟的SOI技术。但由于例如硅层与下方蓝宝石衬底之间的界面中的晶格失配产生大量晶体缺陷、组成蓝宝石的铝混杂在硅层中、衬底昂贵以及难以获得大的面积，SOS技术至今未能得到实际应用。

近来曾试图不用任何蓝宝石衬底来实现SOI结构。这些尝试可粗略地分成二种方法。

在第一种方法中，对单晶硅衬底表面进行氧化，在氧化膜(SiO₂层)中制作窗口以部分暴露硅衬底。用暴露的部分作为籽晶，横向外延生长 单晶硅，从而在SiO₂上制作单晶硅层(在此方法中，硅层淀积在SiO₂层上)。

在第二种方法中，单晶硅衬底本身用作有源层，而SiO₂层制作在衬底的下表面上(在此方法中，不淀积硅)。

已知的实现第一种方法的技术有：用CVD从单晶硅层沿水平方向直接外延生长单晶硅的方法(CVD)、淀积非晶硅并借助于退火而在固相中外延生长单晶硅的方法(固相外延生长)、用诸如电子束或激光束之类的聚焦能量束辐照非晶硅层或多晶硅层以便借助于熔化再结晶而在SiO₂层上生长单晶硅层的方法(束退火)、或用棒状加热器扫描带状熔区的方法(区域熔化再结晶)。

所有这些方法都具有优点和缺点以及许多控制、生产率、均匀性和质量方面的问题，因而在工业应用的意义上一直未能得到实际应用。例如，CVD为了制作平坦的薄膜而需要牺牲性氧化。固相外延生长的结晶性不好。在束退火中，扫描聚焦束所要求的工艺时间以及对束的叠加或聚焦点的调整的可控性都存在问题。区域熔化再结晶是最成熟的方法，并在试验基础上已经制造了相当大规模的集成电路。但由于不希望有地残留有大量诸如亚晶界之类的晶体缺陷，无法制造少数载流子器件。

下列四种技术可用作上述的第二种方法即不使用硅衬底作为外延生长籽晶的方法。

作为第一种技术，在具有用各向异性腐蚀方法制作在表面中的V型槽的单晶硅衬底上制作氧化膜。在氧化膜上淀积厚度几乎与单晶硅衬底相同的多晶硅层。然后，从下表面抛光单晶硅衬底，从而在厚的多晶硅层上制作具有被V形槽环绕和介电隔离的单晶硅区域的衬底。用这种技术可制造具有满意结晶性的衬底。但存在与淀积厚度高达数百μm的多晶硅的工序或与从下表面抛光单晶硅衬底以留下隔离的硅有源层的工序相关的可控性和产率的问题。

第二种技术是SIMOW(用离子注入的氧进行隔离)。在此技术中，氧离子被注入到单晶硅衬底之中以形成SiO₂层。在此技术中，为了在衬底中形成SiO₂层，氧的注入剂量必须为10¹⁸(离子/cm²)或更高。这一注入需要很长的时间，导致产率低而制造成本高。此外，由于产生了大量晶体缺陷，对于制造少数载流子器件来说，其质量也太低。

作为第三种技术，借助于对多孔硅层进行氧化形成介电隔离而制作SOI结构。在此技术中，用质子注入(见Imai等人的论文J.CrystalGrowth,Vol.63,547(1983))或外延生长和图形化，在p型单晶硅衬底表面上制作n型硅岛。将此衬底在HF溶液中进行阳极氧化，以便只将n型硅岛周围的p型衬底转变成多孔结构。然后用加速氧化对n型硅岛进行介电隔离。在此技术中，由于在器件工序之前必须确定待隔离的硅区域，故器件设计的自由度受到限制。