专利名称：埋层阻档式多孔硅氧化形成硅隔离结构的方法
技术领域：
本发明属于半导体集成电路工艺结构领域。
SOI(Silicon-on-Insulator)结构(亦称硅隔离结构)在制备高速、高集成密度、抗辐射的大规模集成电路和其它高性能半导体器件方面具有重要意义。在形成SOI结构的诸多方法中，多孔硅氧化技术是较有应用前景的一种。1984年K.Imai等人提出多孔氧化硅全隔离(FIPOS)技术(IEEETRANSACTIONSonELECTRONPEVICESVOL.ED-31，297，(1984))。但该方法在形成多孔硅而进行阳极化反应时，反应除了向侧向进行外，还要向纵向进行，这样形成的多孔硅层太厚、应力较大，很难获得平整、优质的SOI硅膜层。1986年J.D.Benjamin等人提出了一种新的多孔硅氧化SOI结构，使阳极化反应主要向侧向进行，克服了FIPOS的缺点(Appl.Phys.Lett.49(12)，716，(1986))。然而该方法的缺点在于工艺复杂，要采用质子注入等设备要求较高的工艺，不易扩广实施。
本发明的目的是对上述形成SOI结构的方法加以改进，提出了一种工艺简便，易于推广实施的埋层阻挡式形成SOI结构的新方法。
附
图1-5为本发明基本步骤示意图。本发明采用P型Si材料作为器件衬底1。经过氧化、光刻步骤，在硅衬底1的一定区域形成所需的窗孔，对该窗孔进行锑或砷扩散，在衬底上形成n形埋层阻挡层2(见图1)。然后进行P型外延，在硅衬底上形成P型外延层3(见图2)。经过氧化、光刻，在P型外延层3上开出制作器件(如二极管、晶体管、电阻等)所需的窗口，而在n型埋层阻挡层部位的上方保留氧化层4和光刻胶5(见图3)。在上述窗口部位进行磷或砷离子注入，然后在氮气气氛中退火，形成n型岛器件区6(见图3)，n型岛的最大宽度可为40微米，而长度不受限制。阳极化，反应溶液采用HF溶液。由于在无光照条件下，阳极化反应仅在P型半导体区域发生，因此，经过阳极化后使P型外延层转化为多孔硅7(见图4)。由于n型埋层阻挡层的作用，阳极化反应主要向侧向进行，阻止了阳极化向P型衬底的纵向发展，保证了多孔硅层不至增厚。在硅片表面淀积一层氮化硅层，光刻后在n型岛区保留氮化硅层9，阻止氧化在n型岛区进行。最后进行多孔硅氧化，因为多孔硅氧化的速率较单晶硅快得多，故经氧化后，多孔硅区域7全部转化为多孔氧化硅8，即n型岛器件区6的四周及底部均为多孔氧化硅，从而最终形成如图5所示的SOI结构。如果要获得P型器件区，则在形成SOI结构后，根据需要对上述某些n型岛器件区再进行BF3离子注入即可。
由于本发明工艺简单，实施方便，不需采用设备要求较高的质子注入工艺，而获得的SOI结构性能优于FIPOS法，n型岛区之间击穿电压大于200伏。
本发明各个步骤中可以采用如下有关工艺条件上述n型埋层阻挡层的深度可控制在4-6微米之间，这样的深度有利于提高生长的外延层的质量。埋层阻挡层的电阻率通常控制在70Ω/□～210Ω/□。
上述的P型外延层厚度控制在2-3微米之间，电阻率在0.4～0.8Ω-cm。这样有利于获得适当的多孔硅密度，从而使形成多孔氧化硅后产生的应力较小，提高SOI结构的质量。P型外延源一般采用SiCl4和BH4，也可采用SiH4和BH4。
上述的磷离子注入采用PF3作为磷源，注入能量为100-130Kev，注入剂量为1.0×1012～1.5×1012(cm2)，具体可根据不同器件的制备要求确定。退火温度为950℃～1000℃，时间为25～35分钟。退火气氛为氮气。形成的n形岛器件区的最大宽度可设计为40微米。
上述的阳极化反应溶液HF的浓度可取35%～48%，反应电流密度为40～100mA/cm2，反应时间为5-15分钟。
上述多孔硅氧化步骤可采用如下方式先在700℃～800℃湿氧条件下氧化80～100分钟，然后在1000℃～1100℃湿氧条件下氧化15～20分钟，最后在1000℃～1100℃干氧条件下氧化8～12分钟。
用本发明方法制备的多孔氧化硅SOI结构性能优良，可广泛用于制作MOS型、双极型、BicMOS型及其它各种高性能的半导体集成电路和器件。
实施例硅衬底材料采用P型Si单晶片，晶向(100)，电阻率为5Ω-cm，厚度350微米;氧化，温度为1180℃，时间t＝10分钟(干O2)+80分钟(湿O2)+10分钟(干O2);在硅片上所需的部位光刻n型埋层阻挡层的窗口;进行锑扩散，温度为1200℃，时间为15分(N2气氛)，R达到70～80Ω/□;锑扩散再分布，温度1200℃，时间180分钟(干O2气氛)，形成n型埋层阻挡层，深度为6微米;P型外延，源采用SiCl4和BH4，淀积温度为1220℃，时间2分钟，外延电阻率控制在0.5Ω-cm，厚度为2微米;氧化，温度为1180℃，时间t＝5分钟(干O2)+30分钟(湿O2)+10分钟(干O2);去除硅片背面氧化层，然后做硼扩散，使硅片背面，形成较浓的P+区;光刻n型岛区窗口;磷离子注入，源采用PF3，注入能量为130Kev，注入剂量为1.5×1012cm-2;退火，温度为1000℃，时间为30分钟(N2气氛);阳极化，反应溶液HF浓度取42%，反应电流密度为70mA/cm2，反应时间为12分钟，形成n型岛器件区;在硅片表面淀积一层氮化硅层，光刻后在n型岛区保留氮化硅层;最后进行多孔硅氧化，先在750℃温度下，湿氧氧化90分钟，然后在1050℃温度下，湿氧氧化20分钟，再干氧氧化10分钟。在上述工艺步骤中的清洗采用常规的RCA方法。经过上述工艺步骤，获得n型硅岛区为40微米的平整的SOI结构。因为n型岛是外延形成的，其性能优良，缺陷密度小，n型硅岛之间的击穿电压大于200伏。用该方法制备的SOI结构适于制作各种类型高性能的集成电路和半导体器件。
图1为形成n型埋层阻挡层时的结构示意图。
图2为形成P型外延层时的结构示意图。
图3为形成n型岛器件区时的结构示意图。
图4为形成多孔硅层的结构示意图。
图5为形成多孔氧化硅的SOI结构示意图。
权利要求
1.一种形成SOI结构的方法，器件衬底采用P型硅材料，其特征在于包括如下步骤(1)对在硅衬底上经过氧化和光刻步骤而形成的所需窗口部位进行锑或砷扩散，形成n型埋层阻挡层；(2)P型外延，在衬底上形成P型外延层；(3)经过氧化、光刻，在P型外延层上开出制作器件所需的窗口，在n型埋层阻挡层部位的上方保留氧化层和光刻胶；(4)在上述窗口部位进行磷或砷离子注入，然后在氮气气氛中退火，形成n型岛器件区；(5)在HF溶液中进行阳极化反应，使P型外延层转化为多孔硅；(6)多孔硅氧化，使多孔硅区域全部转变为多孔氧化硅。
2.根据权利要求1所说的形成SOI结构的方法，其特征在于上述n型埋层阻挡层的深度控制在4-6微米之间，电阻率在70Ω/□～210Ω/□。
3.根据权利要求1所说的形成SOI结构的方法，其特征在于P型外延层厚度控制在2-3微米，电阻率在0.4～0.8Ω-cm。
4.根据权利要求1所说的形成SOI结构的方法，其特征在于上述的磷离子注入采用PF3作为磷源，注入能量为100～130Kev，注入剂量为1.0×1012～1.5×1012(cm-2)，退火温度为950℃～1000℃，时间为25～35分钟。
5.根据权利要求1所说的形成SOI结构的方法，其特征在于上述的阳极化反应溶液HF的浓度为35%～48%，反应电流密度为40-100mA/cm2，反应时间为5-15分钟。
6.根据权利要求1所说的形成SOI结构的方法，其特征在于上述的多孔硅氧化步骤为先在700℃～800℃湿氧条件下氧化80～100分钟，然后在1000℃～1100℃湿氧条件下氧化15-20分钟，最后在1000℃～1100℃干氧条件下氧化8-12分钟。
7.根据权利要求1所说的形成SOI结构的方法，其特征在于还包括如下步骤在形成SOI结构后，根据需要，对某些n型岛器件区再进行BF3离子注入，形成P型岛器件区。
全文摘要
本发明属半导体集成电路工艺结构领域，是一种埋层阻挡式多孔硅氧化形成SOI结构的新工艺。主要步骤包括锑或砷扩散，在硅衬底上形成n型埋层阻挡层；P型外延；磷或砷离子注入，形成n型岛器件区；阳极化，使P型外延层转化为多孔硅；多孔硅氧化，形成SOI结构。本发明工艺简单，实施方便，获得的SOI结构平整，缺陷密度小，n型硅岛间的击穿电压大于200伏，适于制作各种类型的集成电路和半导体器件。
文档编号H01L21/76GK1040460SQ89106240
公开日1990年3月14日 申请日期1989年7月25日 优先权日1989年7月25日
发明者黄宜平, 汤庭鰲 申请人:复旦大学