[发明专利]半导体晶片及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及分层的半导体晶片及其制造方法。

背景技术

SOI晶片(绝缘体上半导体)包括通常由单晶硅、电绝缘材料层(所谓的掩埋氧化物层，BOX)以及与其相连的半导体材料的表面层(顶层或器件层)组成的基底晶片(处理晶片或基晶片)，该晶片的表面层就是所谓的用于制造电子元件的活性层。

SOI晶片可以通过各种不同的方法制造：首先，广泛使用的方法是将半导体材料的薄层从供体晶片转移至基底晶片。在转移之前，使供体晶片或基底晶片或两者的表面氧化以形成绝缘层。该方法称作“层转移”。其次，将氧离子注入其一个表面内并随后退火基底晶片以形成氧化硅层，由此可以在硅基底晶片内直接形成绝缘层。该方法称作“SIMOX”。

第一种方法(层转移)由于方法步骤加工强度大所以成本高。这对于硅和在一定范围内的锗而言是充分发展的，但是不适用于选择性的半导体，如氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)或用于活性层的其他材料。此外，其受限于存在适当直径的块体晶片(bulk wafer)的半导体材料，对于许多令人感兴趣的材料是成问题的，如碳化硅(SiC)、砷化镓(GaAs)或氮化镓(GaN)。

第二种方法(SIMOX)受限于存在适当直径的块体晶片的材料，这些材料对于通过注入后退火步骤实施离子注入以及形成掩埋氧化物层是可行的。其由于需要设备所以成本高，尤其是对于离子注入及长的加工时间而言。

随后在硅晶片上沉积异质外延掩埋氧化物层及半导体层是制造SOI晶片的第三种方法，例如H.J.Osten等人的论文“Growth of crystallinepraseodymium oxide on silicon”，Journal of Crystal Growth 235(2002)，229～234及T.等人的论文“Structure，twinning behavior，andinterface composition of epitaxial Si(111)films on hex-Pr₂O₃(0001)/Si(111)support systems”，Journal of Applied Physics 98(2005)，123513-1～123513-6中描述的用于epi-Si/六方Pr₂O₃/Si系统者。该方法包括在硅基底晶片上外延沉积由具有六方晶体结构的氧化镨组成的绝缘体层，并随后在绝缘体层上外延沉积硅层。

WO 03/096385 A2公开了一种类似的方法。其提及氧化铈(CeO₂)、氮化铝(AlN)及氧化镧铝(LaAlO₃)作为该绝缘体层的材料。这些材料的晶格常数及立方晶体结构与硅接近。诸如LaAlO₃的三元材料可用于使绝缘体层的晶格常数与覆盖的半导体层(例如硅-锗，SiGe)相匹配。任选可以通过在氧化气氛中实施热处理而在硅基底晶片与外延沉积的绝缘体层之间的界面处生长非晶氧化硅的薄层。若需要具有低介电常数的电介质，则优选形成该层。WO 03/096385 A2并没有记述该氧化硅层的任何其他的效果。

当它们用作制造电子器件的基底时，根据WO 03/096385 A2的SOI晶片具有若干缺点：

仅在非常有限的范围内可能匹配晶格常数：La₂O₃、LaAlO₃及Al₂O₃具有不同的晶体结构。La₂O₃具有立方Ia-3晶体结构，而Al₂O₃具有R3CH对称性的刚玉结构。若混合两种氧化物，则取决于La/Al比而产生各种不同的结构，例如LaAlO₃在室温下具有R-3mR对称性的钙钛矿型结构。由于结构不同，无法以0至1的任意期望的比例混合La₂O₃及Al₂O₃，即存在互溶性间隙。对于约0.8至约1.2的La/Al比仅存在钙钛矿型结构。此外，该结构不适合于在其上外延沉积单晶立方半导体材料。

掩埋氧化物晶格从硅基底不完全脱耦，a)通过错配应变以及b)通过由于异质结构中材料的热膨胀系数不同而造成的热错配，导致缺陷产生。例如后者效应导致在温度剧烈变化期间(thermal ramping，退火以及冷却循环)、在制造SOI晶片期间以及在加工IC器件期间于SOI结构中形成微裂纹。