本发明专利技术公开一种利用注氧隔离技术、热内氧化技术制造绝缘体上硅晶片的生产工艺，其步骤包括：１．高温第一次注入氧离子，形成连续的氧离子富含层；２．低温下第二次注入氧离子，引入晶格缺陷层；３．在高温、高氧含量的氧氩气氛中进行热内氧化工艺，加速氧原子的内扩散；４．在低氧含量的氧氩气氛中进行高温退火，以修复缺陷，形成高质量的氧化硅绝缘埋层；５．在ＨＦ溶液中漂洗，去除表面氧化层，得到最终的ＳＯＩ晶片。本发明专利技术通过引入晶格缺陷层，提高了氧原子在热内氧化过程中的扩散速度，增加了连续氧化物绝缘埋层的厚度，降低了埋层的针孔密度，从而提高了绝缘体上硅晶片的质量。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及半导体材料制造工艺，具体是指一种利用热内氧化技术(Internal Thermal Oxidation,艮卩ITOX)提高采用注氧隔离技术(Separation by Implanted Oxygen,即SIMOX)制造绝缘体上硅晶片(SOI)质量的方法。
技术介绍
绝缘体上硅(silicon on insulator,即SOI)是集成电路进入深亚微米领域后， 能突破传统体硅材料及集成电路限制的新型集成电路技术。与传统体硅晶圆 (bulk silicon)相比，绝缘体上硅晶圆制造的器件有源区位于绝缘层上的硅薄 膜层内。绝缘层完整的介质隔离避免了体硅器件中存在的大部分寄生效应，因 而具有更陡的亚阈值斜率；更高的跨导和电流驱动能力。同时，由于Si02绝缘 层的全介质隔离，使绝缘体上硅器件具有优良的抗辐照效应、抗单粒子效应和 短沟道效应，驱动电压更低、功耗更小。这些特性决定绝缘体上硅技术将是研 发高速、低功耗、高可靠性及高集成度的深亚微米超大规模集成电路的主流技 术之一。注氧隔离技术是目前制造绝缘体上硅材料的主要方法之一；其原理是利用 强流氧离子注入机将大剂量的高能氧离子从硅晶片的表面注入，在硅晶片表面 下方某一深度处形成一层富含氧离子的区域，经130(TC高温退火，使注入硅晶 片中的氧离子与硅反应，在硅晶片中形成二氧化硅绝缘埋层。这种二氧化硅绝 缘埋层将原有的硅晶片分隔成两部分经注入的顶部单晶硅薄膜层和底部未经 注入的单晶硅衬底。其中，经注入的顶部单晶硅薄膜层是用于制作集成电路"有 源区"的部分。传统的注氧隔离技术技术，由于大剂量、长时间的氧离子注入，会对顶部 单晶硅薄膜层造成极大损伤，虽经1300X1高温退火，仍不能完全修复注入所造成的缺陷，缺陷密度高达1X105 1X107 cm—2。因此，为了降低绝缘体上硅晶 片顶部单晶硅薄膜层的缺陷，提高晶片器件层质量，又专利技术了两注两退的方法， 即将一次注入的氧离子量分成两次注厶，注入一次退火一次，注入的总剂量不变。两注两退，虽然可以有效降低绝缘体上硅晶片的缺陷密度，但是由于注 入次数的增加，退火时间的延长而显著增加了绝缘体上硅晶片的制造成本，延 长了制造周期，不利于绝缘体上硅晶片的大规模生产和应用。为了降低制造成本、縮短制造周期，Aoki等提出了改良低剂量氧离子注入 技术第一次注入能量为165 240keV，注入剂量为0.2 X 1018cm—2 0.3 X 10'W2，第二次注入能量为165 24CkeV，注入剂量0.1 X 1015cm_2 0.1 X 1017cm—2;然后，在130(TC高温下退火，修复材料的内部缺陷。这种方法可在一定程度上节约生产时间和提高材料质量，是一种低成本制造绝缘体上硅晶片 的方法(参见美国专利US20070238269 );但仍需改进。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，针对现有技术存在的不足，提出一种绝缘体 上硅晶片的制造方法，它在改良低剂量载离子注入技术的基础上，通过在富含 氧气氛的高温条件下退火，可促进氧原子的扩散，使部分氧原子从晶片表面的 氧化层慢慢地扩散到晶片内部的埋氧化层中，从而提高顶部单晶硅薄膜的质量， 增加埋氧层的厚度，降低埋氧层针孔密度，实现绝缘体上硅晶片质量的提升和 制造成本的下降。本专利技术的技术方案是，所述的工艺步骤为(1) 高温、大剂量氧离子注入在单晶硅片中注入氧离子，形成连续的氧离子富含层；注入能量60keV 220keV，注入温度400°C 750°C，注入剂量为 0.2X1018cm-2 1.8X 1018cm-2;(2) 低温、小剂量氧离子注入对经过步骤(1)所述高温、大剂量氧离子 注入后的硅晶片进行低温氧离子注入，引入晶格缺陷层；注入温度为20°C 200 。C，注入剂量为0.1X1015cm'2 0.5X1016cm—2;(3) 将经过步骤(2)所述低温、小剂量氧离子注入后的硅晶片在高温、高含氧量的氧氩气氛中退火，进行热内氧化，形成表面氧化层；退火温度为1000 °C 1320°C，所述氧氩气氛中氧含量为10at% 50at%;(4) 对经所述热内氧化后的硅晶片进行高温退火，退火温度1330°C 1370 °C (优选1350°C)，在氧含量为0.1 at。/。到2at。/。的氧氩混合气氛或氧氮混合气氛 中退火，修复晶格缺陷；(5) 用HF溶液漂掉硅晶片表面氧化层，得到最终的SOI晶片。 本专利技术方法中，所述高温、大剂量氧离子注入和低温、小剂量氧离子注入可在同一台氧离子注入机上实施；所述热内氧化过程和高温退火可在同一台高 温退火炉上完成。本专利技术方法中，所述高温、大剂量氧离子注入次数、温度还可根据需要调整。.本专利技术方法中，首先，利用SIMOX技术，在60keV 220keV的注入能量范 围，将氧离子注入硅晶片表面，形成连续埋氧化物层；其次，采用热内氧化(ITOX)技术，进一步提高连续埋氧化物层界面的平整度，增加埋氧化物层厚 度，降低埋氧化物层的针孔密度；最后，在热内氧化结束后，经1350'C的高温 退火，使得绝缘体上硅晶片顶部单晶硅薄膜层的缺陷重新结晶、有序，修复单 晶硅薄膜层的缺陷，获得高质量的绝缘体上硅晶片。本专利技术的技术原理是，利用SIMOX技犬将氧离子注入硅晶片表面，形成连 续埋氧化层，至少包括两次注入过程第一次氧离子注入是为了形成连续的埋 氧化物层，注入温度选择为40(rC 75(TC;第二次氧离子注入是为了有利于热 内氧化工艺时氧原子的扩散，注入温度选择20(TC或以下。并且，第一次氧离子 注入是形成绝缘体上硅晶片三层结构的重要一步，可实现上层硅薄膜层与体硅 衬的完全隔离；第二次氧离子注入是为了增强氧原子的扩散作用，选择低温或 常温注入，可以在硅晶片表面造成大量的硅晶格空位缺陷，即易在上层硅薄膜 层与埋氧化物层之间的区域形成空位、非晶等缺陷。晶格空位缺陷的存在，有利于内热氧化物时氧原子能更快、更多地向"上层硅薄膜层/埋氧化物层"界面 扩散，从而提高了连续埋氧化物层的厚度，降低了埋氧化物层的针孔密度。所述低温或常温注入的结果是为了在硅晶片表面引入晶格空位缺陷，但仍 然保持顶层硅膜表面的单晶结构。引入的晶格空位缺陷在后期的高温退火过程 中发生重结晶，修复顶层硅膜的缺陷。本专利技术中，内热氧化(ITOX)工艺在富氧高温的环境中进行，晶片会从顶层硅膜表面开始氧化、扩散，表面的硅膜被大量消耗而形成氧化层，而降低了上层硅膜厚度；并且，在上层硅膜在被氧气大量消耗的同时，氧原子会通过上 层硅膜发生内扩散，不断将氧原子扩散至"上层硅薄膜层/埋氧化物层"界面。 同时，由于第二次注入在硅晶片表面造成大量的硅晶格空位缺陷，从而加速了 氧原子的内扩散行为。内热氧化(ITOX)工艺结束后，最终在绝缘体上硅晶片 表面产生很厚的氧化层，从而降低了上虔硅膜厚度。本专利技术中，硅晶格空位缺陷的引入，允许热内氧化(ITOX)工艺时氧原子 在纵向扩散的同时发生横向扩散，加快了氧原子的扩散速率，提高了热内氧化(ITOX)的效果；而且，热内氧化(ITOX)过程会消耗大量晶片表面的硅， 减薄了上层硅薄膜的厚度，从而可获得上层硅薄膜厚度达20nm的SOI晶片。本专利技术中，热内氧化(ITOX)后，SOI晶片在1330。C本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种绝缘体上硅晶片的制造方法，其特征在于，它的步骤为： （１）高温、大剂量氧离子注入：在单晶硅片中注入氧离子，形成连续的氧离子富含层；注入能量６０ｋｅＶ～２２０ｋｅＶ，注入温度４００℃～７５０℃，注入剂量为０．２×１０↑［１８］ｃｍ↑ ［－２］～１．８×１０↑［１８］ｃｍ↑［－２］； （２）低温、小剂量氧离子注入：对经过步骤（１）所述高温、大剂量氧离子注入后的硅晶片进行低温氧离子注入，引入晶格缺陷层；注入温度为２０℃～２００℃，注入剂量为０．１×１０↑［１５］ｃｍ↑ ［－２］～０．５×１０↑［１６］ｃｍ↑［－２］； （３）将经过步骤（２）所述低温、小剂量氧离子注入后的硅晶片在高温、高含氧量的氧氩气氛中退火，进行热内氧化，形成表面氧化层；退火温度为１０００℃～１３２０℃，所述氧氩气氛中氧含量为１０ａ ｔ％～５０ａｔ％； （４）对经所述热内氧化后的硅晶片进行高温退火，退火温度１３３０℃～１３７０℃，在氧含量为０．１ａｔ％～２ａｔ％的氧氩混合气氛或氧氮混合气氛中退火，修复晶格缺陷； （５）用ＨＦ溶液漂掉硅晶片表面氧化层，得到最终 的ＳＯＩ晶片。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：蓝镇立，刘东明，颜秀文，贾京英，乔狮雄，文正，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第四十八研究所，
类型：发明
国别省市：43[中国|湖南]
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