[发明专利]采用离子注入制备绝缘体上硅材料的方法

说明书

技术领域

本发明是关于一种制备绝缘体上硅材料的方法，特别涉及一种采用离子注入制备绝缘体上硅材料的方法。

背景技术

SOI(Silicon on Insulator，绝缘体上的硅)是为了满足航空航天、导弹和卫星电子系统等空间及军事电子领域的需求而发展起来的一种技术。SOI技术作为一种全介质隔离技术，具有诸多体硅技术不可比拟的优越性，包括：速度快、功耗低、短沟道效应小、集成度高、抗干扰和抗辐射能力强等，正逐渐成为制作高速、低功耗、高集成度和高可靠性超大规模集成电路的主流技术，同时还在高压功率器件、光无源器件、MEMS(Micro-electro-mechanical-Systems，微机电系统)等领域得到广泛应用。业界公认SOI技术是维持Moore定律走势的两大利器之一，被国际上誉为“21世纪的微电子技术”和“新一代硅”。

SOI材料按其顶层硅薄层的厚度，可分为薄膜SOI(顶层硅通常小于1μm)和厚膜SOI(顶层硅通常大于1μm)两大类，不同顶层硅厚度的SOI材料具有不同的应用领域。

目前，SOI材料的制备技术主要有注氧隔离技术(SIMOX)、键合及背面腐蚀技术(BESOI)。其中，由于键合及背面腐蚀技术具有工艺简单、成本低等优点，因此受到人们的重视，虽然埋氧层厚度连续可调，但是通过研磨或者腐蚀的办法减薄顶层硅，顶层硅的厚度均匀性很难得到精确控制，仅能制备厚膜SOI材料。通常，商用键合SOI晶片顶层硅厚度通常大于5μm，厚度均匀性为±0.5μm。

采用SIMOX技术制备的SOI材料，顶层硅厚度一般在200nm以内，并且具有优异的顶层硅厚度均匀性，主要面向薄膜应用。目前，获得应用的主要是全剂量SIMOX材料，其制备方法为剂量为1.8×10¹⁸cm^-2的氧离子注入进单晶硅片中，经过高温退火，促进氧在硅片内部聚集成核而形成约400nm厚的连续的二氧化硅绝缘埋层。但是，由于受到大剂量氧离子的轰击，所制备的SOI材料顶层硅质量较差，表现为线位错密度较大。此外，由于氧元素在二氧化硅内扩散速度大于硅氧化速度，因此其绝缘埋层内形成了硅岛，进而降低了整个绝缘埋层击穿强度，而且高的注入剂量也极大地提高了生产成本。为了进一步降低SIMOX材料的制造成本，人们提出了低剂量SIMOX技术，该工艺仅需在4×10¹⁷cm^-2的注入剂量下边可以形成连续的绝缘埋层。并且随着注入剂量的降低，所制备的SIMOX材料顶层硅晶体质量得到了有效的提高。但是，低剂量SIMOX技术制备的SOI材料埋氧层厚度较薄，绝缘性能较差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种采用离子注入制备绝缘体上硅材料的方法，能够解决低剂量SIMOX工艺中绝缘埋层厚度薄的缺点。

为了解决上述问题，本发明提供了一种采用离子注入制备绝缘体上硅材料的方法，包括如下步骤：提供单晶硅衬底；将氧离子注入至单晶硅衬底中，以在单晶硅衬底中形成富氧层，以及覆盖在富氧层表面的器件层；对注入后的单晶硅衬底实施第一次退火，在含氧气氛中进行，使富氧层转变成绝缘埋层，并修复器件层中的注入损伤；对注入后的单晶硅衬底实施第二次退火，亦在含氧气氛中进行，第二次退火气氛中氧浓度大于第一次退火气氛中的氧浓度，以增厚绝缘埋层。

作为可选的技术方案，所述第一次退火的步骤中，温度范围是1000℃～1400℃，氧气的含量是0～20％(体积百分比)，退火的时间范围是1～20小时。

作为可选的技术方案，所述第二次退火的步骤中，温度范围是1000℃～1400℃，氧气的含量是10％～50％(体积百分比)，退火的时间范围是1～20小时。

作为可选的技术方案，所述注入氧离子至单晶硅衬底的步骤采用单次注入工艺，注入剂量范围是5×10¹⁶cm^-2～1×10¹⁸cm^-2，注入能量范围是20keV～500keV，注入温度范围是100℃～800℃。