生產矽絕緣體材料的方法
2023-07-30 06:25:16 1
專利名稱：生產矽絕緣體材料的方法
技術領域：
本發明一般地涉及半導體處理，更具體地涉及生產矽絕緣體(SOI)材料的方法。
背景技術：
矽絕緣體(Silicon on Insulator，SOI)材料具有形成在絕緣體材料上的矽層。SOI材料能在微電子應用中被用作半導體襯底。例如，半導體器件可以被形成在矽層中。在其他優點當中，SOI襯底可以有效地將形成在同一襯底上的器件和電路彼此隔離。此外，SOI襯底也代表了新的可能的器件設計。
晶片鍵合是一種用於生產SOI材料的傳統技術，例如，在美國專利No.5,710,057中描述了該方法。晶片鍵合技術一般涉及將第一矽晶片鍵合到在其表面上包括有絕緣層的第二矽晶片上，來形成SOI結構。但是，晶片鍵合技術也許麻煩而且耗時。
也可以使用氧注入技術來生產SOI材料。這樣的技術一般涉及一個離子注入步驟，其中，氧離子在所選擇的注入能量，被加速到達矽襯底。離子被注入到所需要的深度，並在加熱時，與矽襯底反應形成內埋氧化矽層(SiO2)。因此，埋入在矽層之下的氧化矽層形成了SOI結構。但是，為了注入足夠濃度的氧原子來形成內埋氧化矽層，離子注入技術需要使用相對大的劑量。劑量和注入時間與束流的乘積成比例。因為離子注入技術不能利用大束流，通常需要長的注入時間來獲得合適的劑量以形成足夠濃度的氧注入區域。長的注入時間導致了使用離子注入技術的SOI工藝相對低的處理量(即，單位時間內所處理的晶片數目)。
為了滿足當前商業半導體工藝的需求，具有高的晶片處理量的工藝是人們所希望的。這裡所描述的用於生產SOI材料的傳統技術，也許受限於它們滿足商業半導體工藝對處理量的需求的能力。因此，需要一種方法來高處理量地生產高質量SOI材料。
發明概述本發明提供了一種用於生產SOI材料的方法。該方法涉及使用等離子注入步驟在襯底中注入氧以在相對淺的深度形成注入區域。然後，將襯底在高溫下退火以將注入區域轉化為可以在薄的矽籽晶層之下的絕緣層。最好在薄的籽晶層上外延生長矽層，來形成可以形成器件的區域。該SOI材料適合於在廣泛的各種SOI應用中用作襯底。
在一個方面，本發明提供了一種生產SOI材料的方法。該方法包括使用等離子注入在襯底中注入氧來形成注入區域，對襯底進行退火來形成包括所注入的氧的絕緣層，以及在絕緣層之上生長矽層來生產SOI材料。
在另一個方面，本發明提供了一種生產SOI材料的方法。該方法包括使用等離子注入在襯底中注入氧來形成注入區域，將襯底進行退火來引起所注入的氧和襯底之間的反應以形成絕緣層，以及在絕緣層之上外延生長矽層來生產SOI材料。
在其他優點中，本發明提供了一種高處理量地生產SOI材料的方法。該高處理量通過利用相對短的等離子注入和外延生長步驟代替相對長離子注入步驟獲得。因為在相對淺的深度形成氧注入區域，以及隨後的為矽器件層提供足夠厚度的外延生長步驟，等離子注入可以被利用來形成氧注入區域。因為等離子注入不會被束流極限所約束，等離子注入步驟可以使用短的注入時間來形成具有足夠氧濃度的注入區域。
此外，因為可以外延生長矽器件層，本發明提供了具有低缺陷密度和汙染物水平的SOI材料。當結合附圖考慮時，本發明其他的優點、方面和特徵將在下面的本發明詳細的描述中變得清楚。
圖1根據本發明的一個實施例所生產的SOI晶片的截面圖。
圖2A是根據本發明的一個實施例的用作起始材料的襯底的界面圖。
圖2B是根據本發明的一個實施例的等離子注入步驟之後的襯底的截面圖。
圖2C是根據本發明的一個實施例的退火步驟之後的襯底的截面圖。
圖2D是根據本發明的一個實施例的蝕刻步驟之後的襯底的截面圖。
圖2E是根據本發明的一個實施例的外延生長步驟之後的襯底的截面圖。
圖3A是根據本發明的一個實施例的在退火步驟之前的所注入的氧的深度分布圖。
圖3B是根據本發明的一個實施例的在退火步驟之後的所注入的氧的深度分布圖。
發明詳述本發明提供了一種用於生產矽絕緣體(SOI)材料的方法。該方法涉及使用等離子注入步驟以及隨後的退火步驟，在矽襯底中相對淺的深度形成內埋絕緣層。然後，在矽襯底上例如外延地生長矽層來形成SOI材料。這樣的材料可以被用作半導體晶片，其可以被進一步處理以在外延矽層中形成半導體器件。
參考圖1，所示為根據本發明的一個實施例的SOI晶片10。晶片10包括襯底12，形成在襯底上的絕緣層14，形成在絕緣層14上的矽層16。如在下面所進一步描述的那樣，矽層16包括例如外延層的高質量單晶材料區域，其適合於用作半導體器件的襯底。當形成器件時，晶片10可以包括諸如在矽層16中的摻雜區域17、矽層16上的附加層18(例如，氧化層，金屬化層)等的傳統特徵。
圖2A-2E是根據本發明的一個說明性方法在不同處理步驟之後SOI晶片10的截面圖。
圖2A示出了在說明性方法中用作起始材料的襯底12。襯底12可以是在半導體處理中使用的任何類型，例如矽襯底。襯底12示範性尺度包括在約200mm到約300mm之間的直徑，在約600微米到約700微米之間的厚度。應該理解的是，具有其他尺度的襯底也是可以使用的。
說明性方法包括使用等離子注入步驟將氧注入到襯底12中形成注入區域24的步驟，如圖2B所示。在等離子注入期間，襯底12一般被支撐在真空條件下的處理室中。等離子注入涉及產生包括正離子的等離子體，加速離子到襯底12的前表面22。可以使用本領域中任何公知併合適的等離子注入工藝。這樣的工藝可以產生等離子體，例如可以使用脈衝高壓、電感耦合等離子體(Inductive Coupled Plasma，ICP)以及電子迴旋共振(ElectronCyclitron Residence，ECR)方法。
一般，氧等離子體可以包括O2+和O+離子。能夠利用本領域中公知的技術來控制等離子體中O2+和O+離子的比率。這樣的技術可能涉及調節一個或多個工藝參數，這包括電極幾何形狀、輸入功率、氣壓和磁場強度。如下面將進一步描述的那樣，在一些方法中，最好具有接近1.0或0的O2+/O+比率，從而等離子體包括佔優勢數量的O2+離子或O+離子。在一些情形中，該比率大於0.9或約大於0.95。在另一些情形中，該比率小於0.10或小於0.05。
等離子注入步驟可以有利地在相對短的注入時間中進行，特別是與傳統SOI工藝中的離子注入時間相比。因為等離子注入能通過利用大束流來提供合適的劑量，可獲得短的注入時間。短的注入時間能導致晶片處理量的增加。
一般，在離子注入期間，通過公知的冷卻和/或加熱技術來控制襯底12的溫度以防止熱損傷。溫度一般被控制在約600℃到約700℃之間。在特定實施例中使用相對低的注入能量可能是有利的。利用相對低的注入能量的工藝可以減弱對冷卻的需求，這能減少注入時間。在一些實施例中，用於O+原子的注入能量小於40kV，少於30kV或甚至更少。
圖2B示出了注入步驟以後的襯底12的截面圖。通過使氧離子存在於襯底12的晶格結構中(例如間隙位置)，形成注入區域24。注入區域24的氧濃度變化是到前表面22距離的函數。濃度的深度分布圖取決於注入步驟的處理條件。
圖3A是示出了氧離子濃度作為對襯底12深度的函數的典型深度分布圖。該說明性的深度分布圖包括單主峰26，這可能在某些實施例中是優選的。例如，單主峰可能有利於在所希望的深度形成具有明顯邊緣的絕緣層14。單峰代表了利用如上所述的佔優勢數量(例如，大於90％或95％)的O2+離子或O+離子的注入工藝。在一些情形，當存在主峰時，也可能觀察到副峰。
峰26最好在約500埃深度具有最大氧濃度。在某些實施例中，最大氧濃度出現在約300埃到約800埃之間的深度。最大氧濃度可以是在1022原子/釐米3到5×1022原子/釐米3之間。但是，最大氧濃度的特定深度和最大氧濃度取決於具體的應用，並且可以落入這裡所描述的區域之外。
在注入步驟以後，該說明性方法包括退火步驟來形成絕緣層14。圖2C示出了退火後襯底12的截面圖。一般，晶片從注入工藝室被移出，並轉移到用於退火步驟的爐子。在該爐中，可以一次退火許多晶片，從而不會限制處理量。退火步驟涉及將晶片加熱到高溫來形成具有明顯邊界的絕緣層14(例如，SiO2)。
退火步驟使所注入的氧離子擴散到高氧離子濃度的區域，在這裡氧離子與襯底反應形成絕緣層14。因為這些原子與矽的化學反應驅動力超過了其他使原子擴散到低濃度區域的驅動力，所以氧原子擴散到高濃度區域。因此，低氧離子濃度的區域(即，在深度分布圖的邊緣)變得耗盡了氧原子，深度分布圖在形狀上變成矩形，具有相對恆定的氧注入濃度。由退火導致的典型深度分布圖如圖3B所示。退火步驟的溫度和時間可以是能導致反應發生的任意組合。特定的退火條件將取決於具體的方法。退火溫度一般大於1200℃，退火時間長於1小時。但是，在一些情形，可以利用其他條件。在某些優選實施例中，退火溫度約大於1350℃，退火時間在約0.5小時到4小時之間。如上所述，因為可以一次退火許多晶片，退火時間不會限制晶片處理量。
絕緣層14的厚度一般取決於具體的應用，並能被注入工藝條件所控制。在一些實施例中，厚度在約800埃到2000埃之間。在一些情形，由於氧離子的擴散，高於和低於絕緣層14的區域幾乎沒有所注入的氧離子。具體地，這導致了在絕緣層14上的薄的矽籽晶層28的產生。在一些實施例中，籽晶層28的厚度小於100埃，在一些實施例中，小於50埃，在一些實施例中，在約30埃到100埃之間。籽晶層28最好是高質量的、低缺陷濃度的單晶矽層。但是，應該明白的是，在一些實施例中，籽晶層28可以包括少量的包括氧離子的缺陷。如下面進一步所描述的那樣，籽晶層28促進了高質量外延層的沉積。
在某些情形中，並如圖2C所示，在退火步驟和/或等離子注入步驟期間，在襯底12的前表面22上形成了薄的天然氧化物層30。天然氧化物層30能通過矽原子和暴露於前表面22的氧原子和/或離子之間的反應來形成。例如，天然氧化物層30的厚度可以是約10埃到約30埃之間。
如果存在氧化物層的話，可以使用蝕刻步驟來去除氧化物層30。圖2D圖示了蝕刻步驟後的襯底12的截面圖。可以使用本領域中任何公知的能充分去除氧化物層30而不損傷下層的蝕刻技術。這樣的技術包括等離子蝕刻和溼法蝕刻。當使用溼法蝕刻步驟時，一般將襯底12從退火裝置(例如，爐)傳送到溼法蝕刻臺。當使用等離子蝕刻步驟時，襯底12可以被傳送到蝕刻室，或可以停留在退火步驟中使用的同一處理室中，如果蝕刻能在該處理室中進行的話。應該明白的是，在一些實施例中，天然氧化物層30可以沒有被形成，在另一些實施例中，天然氧化物層可以不被去除。
該方法包括在矽籽晶層28上生長外延矽層32來形成矽層16(圖1)的外延生長步驟。圖2E是外延生長步驟之後的襯底12的截面圖。在一些情形，襯底12可以被傳送到生長外延層的處理室，或襯底能停留在前面步驟的處理室中，如果該處理室具有外延生長功能。多種在本領域中公知的外延生長技術能被用來生長外延層32。在一種示範性技術中，使用化學氣相沉積(CVD)技術來生長外延層32，在CVD技術中，襯底被加熱到高溫(例如，700℃)，矽烷(SiH4)氣體被引入到處理室中，並與晶片一起處於高溫。矽烷氣體在襯底12的表面上反應來在籽晶層28上形成外延層32。籽晶層28的高晶體質量促進了外延層32的沉積，該外延層32是具有低缺陷濃度的外延層。如果需要，在通過傳統技術沉積期間，外延層可以是n型或p型摻雜的。
進行外延生長步驟直到獲得所希望的厚度。外延層32的厚度一般足以使器件能夠形成在外延層中。例如，外延層32可以是在約500埃到2000埃之間。但是，外延層32特定的厚度由具體應用所指出。外延層32最好是具有低缺陷濃度的單晶矽層。應該明白的是，如圖2A-2E所示的方法說明了本發明的一個實施例。該說明性的實施例可以包括一些對本技術領域的普通技術人員公知的變化。
圖2A-2E所示的方法可以被用來生產SOI晶片，其可以被進一步如本領域所公知的那樣處理來包括由具體應用所希望的半導體器件。進一步處理包括在第二矽層16中形成摻雜區域17(圖1)，在第二矽層16上形成附加層18(例如，氧化層、金屬化層)(圖1)等。示例性的器件包括部分耗盡型或完全耗盡型CMOS器件，但不限於這些。
本領域的技術人員將很容易意識到這裡所列出的所有參數都是意於示範性的，實際參數將取決於本發明的方法所使用的特定應用。因此，應該明白的是，前述實施例僅僅是用舉例的方式提出，並且在所附的權利要求及其等同物的範圍內，本發明可以被實施為除特別描述以外的方式。
權利要求
1.一種生產矽絕緣體材料的方法，包括使用等離子注入在襯底中注入氧來形成注入區域；對襯底進行退火來形成包括所注入的氧的絕緣層；和在所述絕緣層上生長矽層來生產矽絕緣體材料。
2.如權利要求1所述的方法，其中，所述矽層是外延生長的。
3.如權利要求1所述的方法，其中，所述襯底是矽。
4.如權利要求1所述的方法，其中，所述絕緣層包括氧化矽。
5.如權利要求1所述的方法，其中，所述絕緣層通過所注入的氧和襯底之間的反應形成。
6.如權利要求1所述的方法，包括使用小於約40kV的注入能量注入氧。
7.如權利要求1所述的方法，包括使用小於約30kV的注入能量注入氧。
8.如權利要求1所述的方法，其中，所述注入區域在約300埃到約800埃的深度之間具有氧濃度峰值。
9.如權利要求1所述的方法，其中，所述絕緣層被埋入在襯底之中、籽晶層下。
10.如權利要求9所述的方法，其中，所述籽晶層具有小於約100埃的厚度。
11.如權利要求9所述的方法，其中，所述籽晶層具有在約30埃到約100埃之間的厚度。
12.如權利要求9所述的方法，其中，所述籽晶層幾乎沒有氧原子。
13.如權利要求1所述的方法，其中，所述絕緣層具有在約800埃到約2000埃之間的厚度。
14.如權利要求1所述的方法，其中，所述矽層具有在約500埃到約2000埃之間的厚度。
15.如權利要求1所述的方法，還包括去除在生長矽層之前的蝕刻工藝中在襯底表面上形成的天然氧化物層。
16.如權利要求1所述的方法，還包括在矽層中形成一個或多個半導體器件。
17.一種生產矽絕緣體材料的方法，包括使用等離子注入在襯底中注入氧來形成注入區域；將襯底進行退火來引起所注入的氧和襯底之間的反應以形成絕緣層；和在所述絕緣層之上外延生長矽層來生產矽絕緣體材料。
18.如權利要求17所述的方法，其中，所述襯底是矽。
19.如權利要求17所述的方法，其中，所述絕緣層包括氧化矽。
20.如權利要求17所述的方法，其中，所述絕緣層被埋入在襯底之中、籽晶層下。
全文摘要
本發明提供了一種用於生產矽絕緣體(SOI)材料的方法。該方法涉及使用等離子注入步驟在襯底中注入氧以在相對淺的深度形成注入區域。然後，將襯底在高溫退火以將注入區域轉化為可以在薄的矽籽晶層之下的絕緣層。最好在薄的籽晶層上外延生長矽層，來形成可以形成器件的區域。該SOI材料適合於在廣泛的各種SOI應用中用作襯底。
文檔編號H01L21/02GK1528010SQ02805268
公開日2004年9月8日 申請日期2002年1月10日 優先權日2001年1月23日
發明者方紫薇 申請人:瓦裡安半導體設備聯合公司