采用侧墙技术制备有纳米硅通道的埋氧的方法技术

一种采用侧墙技术制备有纳米硅通道的埋氧的方法，依次包括离子注入和高温退火步骤，其特征在于包括以下工艺步骤：　　　　（ａ）在半导体衬底上生长ＳｉＯ↓［２］薄膜（２）；　　　　（ｂ）用ＬＰＣＶＤ在ＳｉＯ↓［２］薄膜上沉积Ｓｉ↓［３］Ｎ↓［４］薄膜（３），并用ＲＩＥ刻蚀成台阶；　　　　（ｃ）再用ＬＰＣＶＤ在刻蚀出台阶Ｓｉ↓［３］Ｎ↓［４］薄膜（３）上沉积多晶硅薄膜（４），ＲＩＥ刻蚀形成多晶硅侧墙；且用热磷酸除去剩余的Ｓｉ↓［３］Ｎ↓［４］薄膜；　　　　（ｄ）以多晶硅侧墙为掩模，ＲＩＥ刻蚀ＳｉＯ↓［２］薄膜，形成阻挡离子注入的掩模；　　　　（ｅ）通过ＳｉＯ↓［２］掩模进行氧离子注入；除去掩模后进行高温退火。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术提出了一种采用常规半导体制造工艺中的侧墙技术制备有纳米硅通道的埋氧的方法，可以在微电子机械系统(MEMS)和新型结构的纳米电子器件中得到应用。本专利技术属于微电子
，尤其是和绝缘体上的硅(SOI)技术相关。
技术介绍
近年来，随着微电子工业的飞速发展，SOI技术越来越受到重视，并在微电子和MEMS等领域得到了广泛应用。SOI材料的优越性主要归功于掩埋绝缘层(一般为SiO2，简称为埋氧)的存在。由于埋氧将顶层的硅薄膜和衬底隔离开来，这无论在器件的性能上，还是在器件的制造工艺上都带来了好处。目前，商业化的SOI材料中的埋氧都是连续的，也就是说埋氧存在于整个SOI晶片之中。这种全片的SOI材料给新型器件的设计和某些制造工艺带来了一定的限制。比如，在MEMS器件的制造工艺中，常常要将局部的埋氧腐蚀掉以制造悬浮在空气中的结构，由于埋氧是连续的，所以埋氧的横向腐蚀是无法控制的。要控制埋氧的横向腐蚀，可以在埋氧中形成一些连接顶层硅和衬底的硅通道(或硅桥)，也就是形成非连续的埋氧(Silicon-on-insulatorprocesses for the fabrication of novel nanostructures，S.Bourland，J.Denton，A.Ikram，et al.，Journal of Vacuum Science & TechnologyB，19(5)，2001，pp.1995-1997.)。这些硅桥的宽度越小将越有利于提高器件的集成度。另外，为了克服SOI器件固有的自热效应和浮体效应，一种新型的SOI器件结构是将器件沟道下方的埋氧除去，也就是说只在器件源区和漏区的下方形成埋氧，在沟道下方仍然保留单晶硅形成硅通道。这样，器件工作时产生的热量和因碰撞电离产生的空穴可以通过沟道下方的硅通道输运出去，从而有效地克服SOI器件的自热效应和浮体效应。我们将这种器件称为源漏在绝缘体上的晶体管器件，简称为DSOI(Drain and Source On Insulator)器件。为了提高器件的性能和集成度，晶体管的特征线宽正不断地缩小，目前正在向纳米范围(＜100nm)迈进。为了让这种新型的DSOI器件在纳米范围也能够得到应用，必须设法在晶体管沟道下方的埋氧中形成纳米硅通道。要实现这种在埋氧中有纳米硅通道的SOI结构，如何获得纳米尺寸的掩模是一个难点。常规的光学曝光无法获得纳米尺寸的掩模。电子束(e-beam)曝光是制备纳米尺寸掩模的主要方法。但是，电子束曝光设备的价格非常昂贵，效率也很低，同时电子束曝光还存在着邻近效应和二次电子效应(Reduction and elimination of proximity effects，E.A.Dobisz，C.R.K.Marrian，R.E.Salvino，et al.，Journal of Vacuum Science &Technology B，11(6)，1993，pp.2733-2740.)，从而影响了掩模的质量。注氧隔离(SIMOX)技术是制备SOI材料的主流技术之一。由于SIMOX技术可以通过掩模精确控制注氧的区域，埋氧和顶层硅的厚度可以通过氧离子的剂量和能量来控制，所以它完全与目前互补金属-氧化物-半导体(CMOS)的制造工艺相兼容，可以用来制备在埋氧中有纳米硅通道的SOI结构。我们前期的研究结果发现，采用SIMOX技术可以在埋氧中获得亚微米和深亚微米的硅通道(Measurement and simulation of electrical and thermalproperty of drain and source on insulator MOSFETs(DSOI)，P.He，X.Lin，B.Jiang，et al.，IEEE International SOI Conference，2002，pp.55-57.)，并且所形成硅通道和所用的掩模相比要大一些。这样，如果将掩模进一步缩小到纳米范围，埋氧不会连接到一起，从而使得制备有纳米硅通道的埋氧存在可行性。众所周知，侧墙(sidewall spacer)的形成是衬底表面形状和各向异性反应离子刻蚀(RIE)的共同结果。在有台阶的衬底上用化学气相沉积(CVD)或溅射沉积的薄膜会以均匀的厚度覆盖衬底，这就意味着在台阶处薄膜的垂直高度是台阶的高度和所沉积薄膜厚度之和。当采用各向异性RIE刻蚀时，台阶处的薄膜便形成侧墙。侧墙厚度与所沉积薄膜的厚度相当，约为其厚度的90％；当然，如果过刻蚀的话，其厚度会更薄。由于侧墙的厚度决定于所沉积薄膜的厚度，这样我们通过沉积纳米厚度的薄膜和RIE刻蚀就可以获得纳米厚度的侧墙。利用这种天然的纳米尺寸的侧墙作为掩模，我们可以制备有纳米硅通道的埋氧，从而避免了昂贵和复杂的电子束曝光。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种，其特征在于该方法包括以下工艺步骤(1)在硅片上生成SiO2薄膜；(2)沉积Si3N4薄膜，光刻生成台阶；(3)沉积多晶硅薄膜，RIE刻蚀形成多晶硅侧墙，除去剩余的Si3N4薄膜；(4)以多晶硅侧墙为掩模RIE刻蚀下层的SiO2薄膜形成阻挡离子注入的掩模；(5)通过SiO2掩模进行氧离子注入；(6)除去掩模，进行高温退火。一般而言，侧墙不是规则的台面结构，有一个侧面是圆弧面，所以不能直接以侧墙为掩模进行氧离子注入。可以利用侧墙作为掩模将其下面的SiO2薄膜刻蚀成一个足够厚的规则掩模来完全阻挡注入的氧离子。采用热氧化或CVD的方法生成厚度为100～800nm的SiO2薄膜，可以相应地完全阻挡20～200keV的氧离子。步骤(2)中的Si3N4薄膜是为了引入台阶以便形成侧墙。Si3N4薄膜的沉积可以采用低压CVD(LPCVD)工艺获得，其厚度100～500nm。这里采用常规的光学曝光和RIE来实现Si3N4台阶的光刻。步骤(3)用LPCVD的方法沉积多晶硅，其厚度为33～110nm。然后RIE刻蚀出侧墙，侧墙的厚度约为所沉积多晶硅薄膜厚度的90％，即30～100nm。用热磷酸除去Si3N4薄膜。步骤(1)到(3)的工艺完成了侧墙的制作。步骤(4)是以所形成的侧墙为掩模刻蚀出进行阻挡氧离子注入的掩模。步骤(5)和(6)是SIMOX工艺中的两个主要步骤。步骤(5)中的氧离子注入是采用低剂量SIMOX工艺，所注入的氧离子的剂量低于形成埋氧的化学配比所需，所以注入后没有连续的埋氧形成。为了在注入氧离子的区域形成高质量的完整埋氧，在降低剂量的同时必须降低离子的能量。所以，注入离子的剂量为1.0～7.0×1017cm-2，相应的能量为20～200keV。注入时衬底的温度保持为400～700℃。步骤(6)中高温退火使注入的氧离子从衬底硅中化学分离出来，从而形成埋氧。退火的温度为1200～1375℃，退火时间为1～24小时；退火气氛为Ar与O2的混合气体，其中O2的含量为0.1％～20％。以上工艺步骤如图1所示。本专利技术中的衬底和注入的离子是广义的。作为半导体衬底的材料包括Si、Ge、SiGe、GaAs或其它IV-IV，III-V和II-VI族的二元和三元化合物半导体或者它们之间的多层结构。注入的离子除O+外还可以是O本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种采用侧墙技术制备有纳米硅通道的埋氧的方法，依次包括离子注入和高温退火步骤，其特征在于包括以下工艺步骤(a)在半导体衬底上生长SiO2薄膜(2)；(b)用LPCVD在SiO2薄膜上沉积Si3N4薄膜(3)，并用RIE刻蚀成台阶；(c)再用LPCVD在刻蚀出台阶Si3N4薄膜(3)上沉积多晶硅薄膜(4)，RIE刻蚀形成多晶硅侧墙；且用热磷酸除去剩余的Si3N4薄膜；(d)以多晶硅侧墙为掩模，RIE刻蚀SiO2薄膜，形成阻挡离子注入的掩模；(e)通过SiO2掩模进行氧离子注入；除去掩模后进行高温退火。2.根据权利要求1所述的采用侧墙技术制备有纳米硅通道的埋氧的方法，其特征在于所述的半导体衬底材料还包括Si、Ge、SiGe、GaAs或其它IV-IV，III-V和II-VI族的二元和三元化合物半导体或者它们之间的多层结构。3.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：董业民，王曦，陈猛，陈静，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：