抗輻照加固的soi結構及其製作方法
2023-12-02 04:36:16 1
專利名稱：抗輻照加固的soi結構及其製作方法
技術領域：
本發明涉及半導體製造技術，尤其涉及一種具有抗輻照性能加固的SOI結構及其製作方法。
背景技術：
相對於其它半導體器件技術而言，絕緣體上矽(Silicon-On-Insulator，SOI)技術是一種全介質隔離技術。一種典型的SOI CMOS結構如圖1所示，即在頂層矽膜與襯底之間存在一層介質層-埋氧層用來把器件有源區與襯底隔離。由於埋氧層實現了良好的隔離，因此SOI器件在器件抗輻照性能方面有這其它器件不可比擬的優越性，這也是起初發展SOI技術的動機。儘管SOI器件由於埋氧層的存在實現了良好的隔離，器件有源區體積小，相對於體矽具有更低的洩漏電流，無閂鎖效應，因此其抗輻照性能獲得很大的提高。但是，由於埋氧層的存在，其內存在大量的空穴陷阱，當SOI器件持續工作於電離輻照環境中時，電離輻照會在埋氧層中激發電子-空穴對，電子會很快遷移出埋氧層，而空穴會被空穴陷阱俘獲， 成為固定空間正電荷，造成正電荷的積累，這些固定空間電荷主要集中在Si/Si02界面附近。當埋氧層中的正電荷積累到一定程度時，SOI η溝道電晶體的背柵界面將會反型，致使器件漏電電流增加、電特性參數漂移，並最終失效。因此，相對於體矽器件，SOI器件在抗總劑量輻照能力方面並沒有優勢，反而因埋氧層的存在增加了抗輻照加固的複雜性，因此如何提高SOI器件的抗總劑量性能成為目前研究的焦點。目前，主要通過離子注入的方式向已有的SOI結構的埋氧層中引入深電子陷阱或者複合中心，防止輻照產生的電子遷移出埋氧層，保持埋氧層的電中性，從而提高埋氧層的抗輻照能力，進而提高SOI結構的抗輻照能力、以及SOI器件的抗總劑量輻照水平。但是，在向埋氧層中進行離子注入的同時，不可避免的會對頂層材料造成一定的注入損傷；此外，離子注入在有效改善埋氧層抗輻照性能的同時，必定影響到埋氧層的內部微觀結構，宏觀上表現為埋氧層電特性的變化，而這樣的變化又可能反過來影響到離子注入對材料的抗輻照加固效果。因此，希望提出一種可以解決上述問題的具有加固的抗輻照性能的SOI結構及其製作方法。
發明內容
本發明的目的是提供一種具有加固的抗輻照性能的SOI結構及其製作方法，在 SOI製備過程中通過輻照高能粒子的方法例如質子、中子等，在埋氧層中引入位移損傷，形成缺陷，這些缺陷相當於複合中心，從而減小輻照時產生的電子空穴對來提高SOI結構背柵隱埋氧化層的抗輻照性能，進而提高SOI器件的抗總劑量輻照水平。在一個方面，針對目前製備SOI的鍵合技術，本發明提供一種SOI結構加固的製作方法，包括
a)提供兩個晶片，在至少一個所述晶片的表面形成絕緣氧化層；b)對所述絕緣氧化層進行輻照質子注入引入位移損傷；
c)將兩個所述襯底通過所述絕緣氧化層進行鍵合；d)對鍵合後的兩個晶片之一進行減薄，形成SOI結構。在另一個方面，本發明提供根據上述方法製作的SOI結構。與現有技術相比，本發明具有以下優點(1)通過在智能鍵合技術製備SOI的過程中，對熱氧化法所生成的SiO2層進行輻照質子注入，向其中引入位移損傷形成複合中心，使得載流子的壽命減小，如此一來，在輻照過程中產生的大量電子-空穴對會被複合中心所複合，使埋氧層中陷阱所俘獲的空穴數量大大減小，從而有效地提高SOI結構的抗輻照性能。而且，質子注入僅僅只是引入位移損傷，對埋氧層的電中性特性並不會產生影響；(2)由於質子注入是在鍵合技術過程中直接對隱埋層進行的，因此控制注入能量可以對頂層矽層影響很小，因此，不會影響到SOI頂層器件的性能。
通過閱讀參照以下附圖所作的對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特徵、目的和優點將會變得更明顯圖1為現有技術中SOI CMOS結構的剖面示意圖；圖2為根據本發明的加固SOI結構抗輻照性能的方法流程圖；圖3 (a)至圖3 (g)為根據本發明一個具體實施例按照圖2所示流程加固SOI結構抗輻照性能的各個階段的剖面示意圖。
具體實施例方式下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本發明，而不能解釋為對本發明的限制。下文的公開提供了許多不同的實施例或例子用來實現本發明的不同結構。為了簡化本發明的公開，下文中對特定例子的部件和設置進行描述。當然，它們僅僅為示例，並且目的不在於限制本發明。此外，本發明可以在不同例子中重複參考數字和/或字母。這種重複是為了簡化和清楚的目的，其本身不指示所討論各種實施例和/或設置之間的關係。此夕卜，本發明提供了各種特定的工藝和材料的例子，但是本領域技術人員可以意識到其他工藝的可應用於性和/或其他材料的使用。應當注意，在附圖中所圖示的部件不一定按比例繪製。本發明省略了對公知組件和處理技術及工藝的描述以避免不必要地限制本發明。根據本發明的一個方面，提供了一種SOI結構抗輻照加固的製作方法。下面，將結合圖3(a)至圖3(g)對圖2所示的本發明所提供的SOI結構加固的製作方法進行說明。如圖2所示，所述方法包括以下步驟在步驟SlOl中，提供兩個晶片，在至少一個所述晶片的表面形成絕緣氧化層。具體地，首先，如圖3(a)所示，提供兩個晶片，即第一器件晶片IOOa和第二支撐晶片100b，在本實施例中，所述第一器件晶片IOOa和第二支撐晶片IOOb的材料相同，均為單晶矽。其中，所述第一器件晶片IOOa在後續的步驟中將用作形成SOI結構中的頂層矽層，而第二支撐晶片IOOb在後續步驟中將用作形成SOI結構中的襯底。所述第一器件晶片IOOa 和/或第二支撐晶片IOOb的厚度可以約為但不限於幾百微米，例如從0. 5mm-l. 5mm的厚度範圍。接著，在所述第一器件晶片IOOa和/或第二支撐晶片IOOb的表面形成絕緣氧化層。在本實施例中，通過熱氧化的方式在所述第一器件晶片IOOa和第二支撐晶片IOOb的表面分別形成 第一 SiO2層IlOa和第二 SiO2層110b，如圖3(b)所示，其中，所述第一 SiO2 層IlOa和第二 SiO2層IlOb在後續的步驟中，將用於形成SOI結構的埋氧層。在步驟S102中，對所述絕緣氧化層進行高能粒子注入。具體地，首先，如圖3(c)所示，將熱氧化後的所述第一器件晶片IOOa和第二支撐晶片IOOb放在輻照源下，對所述第一 SiO2層IlOa和第二 SiO2層IlOb進行輻照，在所述第一 SiO2層IlOa和第二 SiO2層IlOb中引入位移損傷形成缺陷。其中，所述輻照源可以是質子、中子，還可以是Y射線。在本實施例中，所述高能粒子注入的劑量範圍為5X1016cm_2至 5X1017cm_2，所述高能粒子注入的能量範圍為3MeV至lOMeV。本領域的技術人員應該可以理解，所述高能粒子注入的劑量和能量的大小和晶片表面氧化層的厚度有關，因此，上述所述高能粒子注入的劑量和能量範圍不應作為對本發明的限制。在步驟S103中，將兩個所述晶片通過所述絕緣氧化層進行鍵合。具體地，如圖3(d)和圖3(e)所示，將所述第一器件晶片IOOa和第二支撐晶片 IOOb進行鍵合，鍵合後，所述第一器件晶片IOOa的第一 SiO2層IlOa和所述第二支撐晶片 IOOb的第二 SiO2層IlOb連接在一起，形成第三SiO2層200，該第三SiO2層200用來作為 SOI結構中的埋氧層。在步驟S104中，對鍵合後的器件矽片進行減薄，形成SOI結構。具體地，如圖3(f)所示，對鍵合後所形成的半導體結構進行減薄，即，對用於形成頂層矽層的第一器件晶片IOOa進行減薄至所需的厚度。最後經過退火、拋光而形成SOI結構。如圖3(g)所示，SOI結構從上至下為頂層矽層300-埋氧層200-襯底IOOb的三層結構，其中，頂層矽層300的厚度範圍為200nm-300nm。與現有技術相比，本發明所提供的方法具有以下優點(1)通過在智能鍵合技術製備SOI的過程中，對熱氧化法所生成的SiO2層進行質子注入，向其中引入位移損傷形成複合中心，使得載流子的壽命減小，如此一來，在輻照過程中產生的大量電子_空穴對會被複合中心所複合，使埋氧層中陷阱所俘獲的空穴數量大大減小，從而有效地提高SOI結構的抗輻照性能。而且，質子注入僅僅只是引入位移損傷， 對埋氧層的電中性特性並不會產生影響；(2)由於質子注入是在智能鍵合技術過程中直接對隱埋氧化層進行的，因此對頂層矽層影響很小，因此，不會影響到SOI頂層器件的性能。根據本發明的另一個方面，還提供了一種SOI結構，該SOI結構是根據上述製造方法所製備的SOI結構。本發明所提供的SOI結構可以保持其埋氧層的電中性，具有良好的抗輻照性能。相應地，用本發明所提供的SOI結構所製作的SOI器件不但具有良好的器件性能，也具有良好的抗總劑量輻照水平。雖然關於示例實施例及其優點已經詳細說明，應當理解在不脫離本發明的精神和所附權利要求限定的保護範圍的情況下，可以對這些實施例進行各種變化、替換和修改。對於其他例子，本領域的普通技術人員應當容易理解在保持本發明保護範圍內的同時，工藝步驟的次序可以變化。 此外，本發明的應用範圍不局限於說明書中描述的特定實施例的工藝、機構、製造、物質組成、手段、方法及步驟。從本發明的公開內容，作為本領域的普通技術人員將容易地理解，對於目前已存在或者以後即將開發出的工藝、機構、製造、物質組成、手段、方法或步驟，其中它們執行與本發明描述的對應實施例大體相同的功能或者獲得大體相同的結果，依照本發明可以對它們進行應用。因此，本發明所附權利要求旨在將這些工藝、機構、製造、物質組成、手段、方法或步驟包含在其保護範圍內。
權利要求
1.一種加固SOI結構抗輻照性能的方法，該方法包括以下步驟a)提供兩個晶片，在至少一個所述晶片的表面形成絕緣氧化層；b)對所述絕緣氧化層進行高能粒子注入；c)將兩個所述晶片通過所述絕緣氧化層進行鍵合；d)對鍵合後的兩個晶片之一進行減薄，形成SOI結構。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述兩個晶片的材料為單晶矽。
3.根據權利要求2所述的方法，其中，在至少一個所述晶片的表面形成絕緣氧化層包括對至少一個所述晶片的表面進行熱氧化，以形成SiO2層。
4.根據權利要求1至3所述的方法，其中，所述步驟b)包括 利用輻照的方式，對所述絕緣氧化層進行高能粒子注入。
5.根據權利要求4所述的方法，其中 所述輻照包括質子、中子、Y射線輻照的一種。
6.根據權利要求4所述的方法，其中所述高能粒子注入的劑量範圍為5X IO16CnT2至5X 1017cm_2，所述高能粒子注入的能量範圍為3MeV至lOMeV。
7.根據權利要求1-6所述的方法製備的SOI結構。
全文摘要
抗輻照加固的SOI結構及其製作方法。一種SOI結構抗輻照的製作方法，該方法包括以下步驟提供兩個晶片，在至少一個所述晶片的表面形成絕緣氧化層後；對所述絕緣氧化層進行輻照質子、中子等注入，在絕緣氧化層中引入位移損傷；將兩個所述晶片通過所述絕緣氧化層進行鍵合；對鍵合後的兩個晶片之一進行減薄，形成SOI結構。本發明在利用鍵合技術製備SOI的過程中，通過向埋氧層中注入質子、中子等引入位移損傷形成複合中心的方法來提高SOI器件的抗輻照性能，同時還避免了對頂層矽層所造成的損傷，不會影響器件的性能。
文檔編號H01L21/762GK102437087SQ20111041832
公開日2012年5月2日 申請日期2011年12月14日 優先權日2011年12月14日
發明者葉甜春, 呂蔭學, 畢津順, 羅家俊, 韓鄭生 申請人:中國科學院微電子研究所