專利名稱：埋層阻檔式多孔硅氧化形成硅隔離結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體集成電路工藝結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。
SOI(Silicon-on-Insulator)結(jié)構(gòu)(亦稱硅隔離結(jié)構(gòu))在制備高速、高集成密度、抗輻射的大規(guī)模集成電路和其它高性能半導(dǎo)體器件方面具有重要意義。在形成SOI結(jié)構(gòu)的諸多方法中，多孔硅氧化技術(shù)是較有應(yīng)用前景的一種。1984年K.Imai等人提出多孔氧化硅全隔離(FIPOS)技術(shù)(IEEETRANSACTIONSonELECTRONPEVICESVOL.ED-31，297，(1984))。但該方法在形成多孔硅而進(jìn)行陽極化反應(yīng)時(shí)，反應(yīng)除了向側(cè)向進(jìn)行外，還要向縱向進(jìn)行，這樣形成的多孔硅層太厚、應(yīng)力較大，很難獲得平整、優(yōu)質(zhì)的SOI硅膜層。1986年J.D.Benjamin等人提出了一種新的多孔硅氧化SOI結(jié)構(gòu)，使陽極化反應(yīng)主要向側(cè)向進(jìn)行，克服了FIPOS的缺點(diǎn)(Appl.Phys.Lett.49(12)，716，(1986))。然而該方法的缺點(diǎn)在于工藝復(fù)雜，要采用質(zhì)子注入等設(shè)備要求較高的工藝，不易擴(kuò)廣實(shí)施。
本發(fā)明的目的是對(duì)上述形成SOI結(jié)構(gòu)的方法加以改進(jìn)，提出了一種工藝簡便，易于推廣實(shí)施的埋層阻擋式形成SOI結(jié)構(gòu)的新方法。
附

圖1-5為本發(fā)明基本步驟示意圖。本發(fā)明采用P型Si材料作為器件襯底1。經(jīng)過氧化、光刻步驟，在硅襯底1的一定區(qū)域形成所需的窗孔，對(duì)該窗孔進(jìn)行銻或砷擴(kuò)散，在襯底上形成n形埋層阻擋層2(見圖1)。然后進(jìn)行P型外延，在硅襯底上形成P型外延層3(見圖2)。經(jīng)過氧化、光刻，在P型外延層3上開出制作器件(如二極管、晶體管、電阻等)所需的窗口，而在n型埋層阻擋層部位的上方保留氧化層4和光刻膠5(見圖3)。在上述窗口部位進(jìn)行磷或砷離子注入，然后在氮?dú)鈿夥罩型嘶?，形成n型島器件區(qū)6(見圖3)，n型島的最大寬度可為40微米，而長度不受限制。陽極化，反應(yīng)溶液采用HF溶液。由于在無光照條件下，陽極化反應(yīng)僅在P型半導(dǎo)體區(qū)域發(fā)生，因此，經(jīng)過陽極化后使P型外延層轉(zhuǎn)化為多孔硅7(見圖4)。由于n型埋層阻擋層的作用，陽極化反應(yīng)主要向側(cè)向進(jìn)行，阻止了陽極化向P型襯底的縱向發(fā)展，保證了多孔硅層不至增厚。在硅片表面淀積一層氮化硅層，光刻后在n型島區(qū)保留氮化硅層9，阻止氧化在n型島區(qū)進(jìn)行。最后進(jìn)行多孔硅氧化，因?yàn)槎嗫坠柩趸乃俾瘦^單晶硅快得多，故經(jīng)氧化后，多孔硅區(qū)域7全部轉(zhuǎn)化為多孔氧化硅8，即n型島器件區(qū)6的四周及底部均為多孔氧化硅，從而最終形成如圖5所示的SOI結(jié)構(gòu)。如果要獲得P型器件區(qū)，則在形成SOI結(jié)構(gòu)后，根據(jù)需要對(duì)上述某些n型島器件區(qū)再進(jìn)行BF3離子注入即可。
由于本發(fā)明工藝簡單，實(shí)施方便，不需采用設(shè)備要求較高的質(zhì)子注入工藝，而獲得的SOI結(jié)構(gòu)性能優(yōu)于FIPOS法，n型島區(qū)之間擊穿電壓大于200伏。
本發(fā)明各個(gè)步驟中可以采用如下有關(guān)工藝條件上述n型埋層阻擋層的深度可控制在4-6微米之間，這樣的深度有利于提高生長的外延層的質(zhì)量。埋層阻擋層的電阻率通?？刂圃?0Ω/□～210Ω/□。
上述的P型外延層厚度控制在2-3微米之間，電阻率在0.4～0.8Ω-cm。這樣有利于獲得適當(dāng)?shù)亩嗫坠杳芏?，從而使形成多孔氧化硅后產(chǎn)生的應(yīng)力較小，提高SOI結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。P型外延源一般采用SiCl4和BH4，也可采用SiH4和BH4。
上述的磷離子注入采用PF3作為磷源，注入能量為100-130Kev，注入劑量為1.0×1012～1.5×1012(cm2)，具體可根據(jù)不同器件的制備要求確定。退火溫度為950℃～1000℃，時(shí)間為25～35分鐘。退火氣氛為氮?dú)?。形成的n形島器件區(qū)的最大寬度可設(shè)計(jì)為40微米。
上述的陽極化反應(yīng)溶液HF的濃度可取35%～48%，反應(yīng)電流密度為40～100mA/cm2，反應(yīng)時(shí)間為5-15分鐘。
上述多孔硅氧化步驟可采用如下方式先在700℃～800℃濕氧條件下氧化80～100分鐘，然后在1000℃～1100℃濕氧條件下氧化15～20分鐘，最后在1000℃～1100℃干氧條件下氧化8～12分鐘。
用本發(fā)明方法制備的多孔氧化硅SOI結(jié)構(gòu)性能優(yōu)良，可廣泛用于制作MOS型、雙極型、BicMOS型及其它各種高性能的半導(dǎo)體集成電路和器件。
實(shí)施例硅襯底材料采用P型Si單晶片，晶向(100)，電阻率為5Ω-cm，厚度350微米;氧化，溫度為1180℃，時(shí)間t＝10分鐘(干O2)+80分鐘(濕O2)+10分鐘(干O2);在硅片上所需的部位光刻n型埋層阻擋層的窗口;進(jìn)行銻擴(kuò)散，溫度為1200℃，時(shí)間為15分(N2氣氛)，R達(dá)到70～80Ω/□;銻擴(kuò)散再分布，溫度1200℃，時(shí)間180分鐘(干O2氣氛)，形成n型埋層阻擋層，深度為6微米;P型外延，源采用SiCl4和BH4，淀積溫度為1220℃，時(shí)間2分鐘，外延電阻率控制在0.5Ω-cm，厚度為2微米;氧化，溫度為1180℃，時(shí)間t＝5分鐘(干O2)+30分鐘(濕O2)+10分鐘(干O2);去除硅片背面氧化層，然后做硼擴(kuò)散，使硅片背面，形成較濃的P+區(qū);光刻n型島區(qū)窗口;磷離子注入，源采用PF3，注入能量為130Kev，注入劑量為1.5×1012cm-2;退火，溫度為1000℃，時(shí)間為30分鐘(N2氣氛);陽極化，反應(yīng)溶液HF濃度取42%，反應(yīng)電流密度為70mA/cm2，反應(yīng)時(shí)間為12分鐘，形成n型島器件區(qū);在硅片表面淀積一層氮化硅層，光刻后在n型島區(qū)保留氮化硅層;最后進(jìn)行多孔硅氧化，先在750℃溫度下，濕氧氧化90分鐘，然后在1050℃溫度下，濕氧氧化20分鐘，再干氧氧化10分鐘。在上述工藝步驟中的清洗采用常規(guī)的RCA方法。經(jīng)過上述工藝步驟，獲得n型硅島區(qū)為40微米的平整的SOI結(jié)構(gòu)。因?yàn)閚型島是外延形成的，其性能優(yōu)良，缺陷密度小，n型硅島之間的擊穿電壓大于200伏。用該方法制備的SOI結(jié)構(gòu)適于制作各種類型高性能的集成電路和半導(dǎo)體器件。
圖1為形成n型埋層阻擋層時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為形成P型外延層時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為形成n型島器件區(qū)時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為形成多孔硅層的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為形成多孔氧化硅的SOI結(jié)構(gòu)示意圖。
權(quán)利要求
1.一種形成SOI結(jié)構(gòu)的方法，器件襯底采用P型硅材料，其特征在于包括如下步驟(1)對(duì)在硅襯底上經(jīng)過氧化和光刻步驟而形成的所需窗口部位進(jìn)行銻或砷擴(kuò)散，形成n型埋層阻擋層；(2)P型外延，在襯底上形成P型外延層；(3)經(jīng)過氧化、光刻，在P型外延層上開出制作器件所需的窗口，在n型埋層阻擋層部位的上方保留氧化層和光刻膠；(4)在上述窗口部位進(jìn)行磷或砷離子注入，然后在氮?dú)鈿夥罩型嘶穑纬蒼型島器件區(qū)；(5)在HF溶液中進(jìn)行陽極化反應(yīng)，使P型外延層轉(zhuǎn)化為多孔硅；(6)多孔硅氧化，使多孔硅區(qū)域全部轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗫籽趸琛?br> 2.根據(jù)權(quán)利要求1所說的形成SOI結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于上述n型埋層阻擋層的深度控制在4-6微米之間，電阻率在70Ω/□～210Ω/□。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所說的形成SOI結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于P型外延層厚度控制在2-3微米，電阻率在0.4～0.8Ω-cm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所說的形成SOI結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于上述的磷離子注入采用PF3作為磷源，注入能量為100～130Kev，注入劑量為1.0×1012～1.5×1012(cm-2)，退火溫度為950℃～1000℃，時(shí)間為25～35分鐘。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所說的形成SOI結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于上述的陽極化反應(yīng)溶液HF的濃度為35%～48%，反應(yīng)電流密度為40-100mA/cm2，反應(yīng)時(shí)間為5-15分鐘。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所說的形成SOI結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于上述的多孔硅氧化步驟為先在700℃～800℃濕氧條件下氧化80～100分鐘，然后在1000℃～1100℃濕氧條件下氧化15-20分鐘，最后在1000℃～1100℃干氧條件下氧化8-12分鐘。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所說的形成SOI結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于還包括如下步驟在形成SOI結(jié)構(gòu)后，根據(jù)需要，對(duì)某些n型島器件區(qū)再進(jìn)行BF3離子注入，形成P型島器件區(qū)。
全文摘要
本發(fā)明屬半導(dǎo)體集成電路工藝結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，是一種埋層阻擋式多孔硅氧化形成SOI結(jié)構(gòu)的新工藝。主要步驟包括銻或砷擴(kuò)散，在硅襯底上形成n型埋層阻擋層；P型外延；磷或砷離子注入，形成n型島器件區(qū)；陽極化，使P型外延層轉(zhuǎn)化為多孔硅；多孔硅氧化，形成SOI結(jié)構(gòu)。本發(fā)明工藝簡單，實(shí)施方便，獲得的SOI結(jié)構(gòu)平整，缺陷密度小，n型硅島間的擊穿電壓大于200伏，適于制作各種類型的集成電路和半導(dǎo)體器件。
文檔編號(hào)H01L21/76GK1040460SQ89106240
公開日1990年3月14日 申請(qǐng)日期1989年7月25日 優(yōu)先權(quán)日1989年7月25日
發(fā)明者黃宜平, 湯庭鰲 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)