专利名称：具有半绝缘多晶硅吸杂位置层的半导体衬底及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体晶片及其制造方法，特别是，涉及一种具有半绝缘多晶硅吸杂位置层的半导体晶片及其制造方法。
半导体器件在集成密度方面已经得到了提高。集成电路可同时制造在大直径硅晶片上，使得器件制造技术变得很复杂。需要适当的吸杂技术用于下一代的半导体器件。
裸露区固有的吸杂是一种用于硅晶片的典型吸杂技术。然而，裸露区固有的吸杂方法需要对大直径的硅晶片进行长时间的热处理，而长时间的热处理是很昂贵的。
多基底密封吸杂是一种外部吸杂技术，并且多晶硅层可形成在硅晶片的基底表面上。多晶硅层的吸杂效率取决于多晶硅的淀积条件。D.M.Lee等人，在电化学学会杂志(Journal of ElectrochemicalSociety)，820-830页，1994年，题为“在P型CZ硅中由多晶硅层进行吸铁的效率”中教导了如何优化吸杂效率。
图1表示由D.M.Lee等人所完成的在实验中所使用的半导体结构。该半导体结构包括单晶硅层1和在单晶硅层1的底表面上所生长的多晶硅层2。多晶硅层1是通过Czochalski晶体生长技术而生长的，并且多晶硅层2是在不同条件下生长的。
第一试样的多晶硅层2是在700℃下生长为0.8微米厚，第二试样的多晶硅层2是在700℃下生长为1.2微米厚，第三试样的多晶硅层2是在700℃下生长为1.6微米厚，和第四试样的多晶硅层2是在620℃下生长为1.2微米厚。比较试样是通过不同吸杂处理而制备的。第一比较试样是采用腐蚀代替多晶硅淀积的，第二比较试样是采用喷沙代替多晶硅淀积的。六个试样，即第一至第四试样、第一比较试样和第二比较试样，均混杂有铁，并且，然后测量残余的铁。
图2表示残余铁浓度，图3表示一系列显微照片，部分A，B，C和D分别表示第二比较试样的晶体结构，第一试样的晶体结构，第二试样的晶体结构，和第三试样的晶体结构。如图2所示，多晶硅层2越厚，吸杂效率就越大。1.2微米是有效抗铁的多晶硅层2的最小厚度。另外，低淀积温度会使多晶硅的晶粒变小，并且小的晶粒会降低吸杂效率。700℃左右的淀积温度是适用的。微观照片指出，高密度双晶会在薄多晶硅层的固态生长过程中发生，如第一试样。另一方面，在CMOS热处理以后，大量的晶界会留在厚多晶硅层中，如第三试样，并且其还具有吸杂的能力。由此，通过控制淀积温度和淀积时间可优化吸杂效率。
正如D.M.Lee所教导的，大吸杂效率需要至少1.2微米厚的多晶硅，并且厚多晶硅层2往往会使单晶硅晶片1挠曲。这就是在现有技术的多基底密封技术中所固有的第一个问题。
另一个问题是，在半导体器件的制造工艺过程中，吸杂效率会在所重复的热处理中降低。如上所述，大量的晶界会获得大的吸杂效率。然而，热处理会促使多晶硅层2的固相生长，并且多晶硅层会丧失吸杂能力。
为了限制由多晶到单晶的固相生长，日本未审决申请公告号1-235242提出，将用作固相生长抑制剂的杂质离子注入到单晶硅晶片的背表面部分中。离子注入是在将多晶硅淀积在单晶硅晶片的背表面上之前完成的，氮气、氧气和氩气是抑制剂的实例。抑制剂可防止多晶硅在用于集成电路的制造工艺过程中厚度的降低。由此，抑制剂可有效地抵抗集成电路制造工艺过程中的热处理。然而，大的吸杂效率仍需要使多晶硅层等于或大于1.2微米厚，并且厚多晶硅层会引起单晶硅晶片上所产生的不期望的淀积。
因此，本发明的重要目的就是提供一种半导体器件，其可获得优良的吸杂效率，而不会出现严重的挠曲。
本发明还一个重要目的就是提供一种制造半导体器件的方法。
为了达到上述目的，本发明提出形成含有至少10％(重量)氧的半绝缘多晶硅吸杂位置层。半绝缘多晶硅含有至少10％(原子)的氧。
根据本发明的一个方面，提供一种用于制造半导体器件的半导体衬底，其包括由单晶硅半导体材料制成的活性层，并具有用于在其上制造至少一个电气元件的第一表面和与第一表面相反的第二表面，和在活性层第二表面上所生长的并由含有至少10％(原子)氧的半绝缘多晶硅制成的吸杂位置层。
根据本发明的另一方面，提供一种制造用于半导体器件的半导体衬底的方法，其包括制备单晶硅材料的活性层步骤，和在活性层的一个表面上制成吸杂位置层的步骤，该层是由含有至少10％(原子)氧的半绝缘多晶硅制成。
半导体晶片和制造方法的特性和优点将通过结合附图进行的下列描述而变得更加清楚，其中图1是一截面图，其表示通过多基底密封吸杂所处理的硅晶片结构；图2是一曲线图，其表示在论文中所公开试样的残余铁浓度；图3是系列显微照片，其表示在论文中所公开试样的晶体结构；图4是截面图，其表示按照本发明在硅衬底上所制造的半导体器件的结构；图5A至5F是截面图，其表示按照本发明制造半导体器件的方法；图6是一曲线图，其表示由本发明人所测量的初始击穿电压；图7是曲线图，其表示在退火以后按照半绝缘多晶硅的氧含量的晶粒大小变化；和图8是截面图，其表示按照本发明的另一硅衬底的结构。
第一实施例参见图4，半导体器件可制造在本发明的硅衬底11上。硅衬底11包括活性层12和吸杂位置层13。活性层12具有主表面和与主表面相反的背表面，并且吸杂位置层13生长在活性层12的背表面上。活性层12是由单晶硅制成，而吸杂位置层13是由半绝缘多晶硅制成。多晶硅含有至少10％(原子)的氧，并且氧将半绝缘特性赋予了多晶硅。
在这种情况下，单晶硅可用n型杂质进行掺杂，并且p型阱可在活性层12的表面上生成。厚场氧化层15限定了多个活性区域，其中一个活性区域确定为n沟道型场效应晶体管16。虽然在图4中未示出，但是在另一活性区域中形成了p沟道型场效应晶体管，并且与n沟道型场效应晶体管16一起形成互补场效应晶体管。
n沟道型场效应晶体管16包括n型源和漏区16a和16b。n型源和漏区16a和16b形成在p型阱区14上，并且相互分隔开。n型源和漏区16a和16b之间的表面部分可用作沟道区域。n沟道型场效应晶体管16进一步包括薄栅绝缘层16c和栅电极16d。沟道区域叠置有薄栅绝缘层16c，并且栅电极16d形成在薄栅绝缘层16c上。
一对侧壁间隔17形成在栅电极16d的两侧表面上，并且硅化钛层18a，18b和18c形成在n型源和漏区16a/16b和栅电极16d上。场效应晶体管和硅化钛层18a/18b/18c可覆盖有级间绝缘层19，并且通孔19a/19b/19c可形成在级间绝缘层19上。通孔19a/19b/19c可在级间绝缘层19的上表面上和n型源和漏区16a/16b以及栅电极16d上开口。金属导线20a/20b/20c可在级间绝缘层19上构图，并且通过通孔19a/19b/19c分别保持与n型源和漏区16a/16b以及栅电极16d的接触。金属导线20b可将地电位电平提供给n型源区16a，并且金属导线20b可连接于p沟道型场效应晶体管的漏区上，还有金属导线20c可将输入的信号提供给栅电极16d和p沟道型场效应晶体管的栅电极上。由此，n沟道型场效应晶体管16和p沟道型场效应晶体管结合形成互补场效应晶体管。
图4所示半导体器件制造如下。首先，制备单晶硅晶片30。单晶硅晶片30的部分30a可用作活性层12提供给半导体器件。
接着，在单晶硅晶片30整个背表面上使用低压化学汽相淀积技术淀积800nm厚的半绝缘多晶硅，并且形成半绝缘多晶硅层31。半绝缘多晶硅层31的一部分31a位于活性层12上，并可用作吸杂位置层13。由此，晶片30的部分30a和半绝缘多晶硅层31的部分31a的叠层可用作半导体衬底11。
本发明人可在不同淀积条件下生长多晶硅。多晶硅叠层可在650℃下进行淀积，并且可将N2O/SiH4气体混合物引入低压化学汽相淀积系统的反应室中。本发明人可改变的N2O/SiH4的比，如表1所示，并且可测量氧含量。
表1试样 N2O/SiH4的比氧含量(以％计)10.01 1020.05 3530.10 35由此可知，N2O/SiH4的气流比影响多晶硅的氧含量，并且半绝缘多晶硅的最小气流比为0.01。
采用半导体衬底11，可制成互补场效应晶体管。虽然p沟道场效应晶体管和n沟道场效应晶体管16可在半导体衬底11上制成，但是本描述主要是针对n沟道场效应晶体管16。
首先，采用硅局部氧化技术选择地生长厚场氧化层15，并且将硼在300KeV下离子注入到活性层12的表面部分中。所得结构在1000℃下进行退火，并且离子注入的硼会形成p型阱14，如图5C所示。
薄栅绝缘层16c可在p型阱14上热生长达6nm。多晶硅可在所得半导体结构的整个表面上淀积，并且多晶硅层可通过使用光刻技术和腐蚀而构图成为栅电极16d。绝缘材料如氧化硅可淀积在所得半导体结构的整个表面上，并且绝缘层可局部地覆盖厚场氧化层15、p型阱14和栅电极16d。绝缘层可各向异性地腐蚀掉，并且侧壁间隔17保留在栅电极16d的两侧表面上。砷可在10KeV加速能量下以1×1015cm-2的剂量离子注入到p型阱中14中，并且通过950℃下的热处理而活化。然后，在p型阱14上形成n型源和漏区16a和16b，如图5D所示。
接着，通过溅射将钛淀积在所得半导体结构的整个表面上，并且钛层32可拓扑地延伸。在690℃下完成第一次烧结，以后，在800℃下完成第二次烧结。在烧结过程中，钛与硅反应，并且钛层32局部地变为硅化钛部分32a，32b和32c，如图5E所示。
剩余的钛可以腐蚀掉，并且硅化钛层18a/18b/18c分别保留在n型源区16a、栅电极16d和n型漏区上。绝缘材料可淀积在所得半导体结构的整个表面上，并且形成级间绝缘层19。级间绝缘层19在800℃下可回流。光刻胶腐蚀掩模(未示出)可形成在级间绝缘层19上，并且在n型源和漏区16a/16b和栅电极16d上具有开口。级间绝缘层19和硅化钛层18a/18b/18c可分别腐蚀掉，以便形成接触孔19a/19b/19c，如图5F所示。
导电金属可淀积在所得半导体结构的整个表面上。导电金属可填充接触孔19a/19b/19c中，并且进入导电金属层中。光刻胶掩模(未示出)可提供在导电金属层上，并且导电金属层可构图成为金属导线20a，20b和20c，如图4所示。
本发明人通过上述方法制造出半导体器件的试样I，II和III，并且通过相同方法进一步制备出两个比较试样。单晶硅晶片可通过区域熔炼法所生长的单晶硅棒而获得。第一比较试样是无任何多晶硅吸杂位置层的，第二比较试样具有由D.M.Lee等人所指出的多晶硅吸杂位置层。在表2中汇总了厚度和氧含量。
表2氧(以％计)试样I10试样II 35试样III 55在半导体器件制造以后，第一比较试样、第二比较试样和试样I，II和III用铁进行污染。本发明人对每个试样的栅电极16d施加电位，并测量栅绝缘层16c的初始击穿电压。在图6中绘出了初始击穿电压，半绝缘多晶硅的吸杂位置层要优于现有技术的多晶硅吸杂位置层。初始击穿电压随半绝缘多晶硅的氧含量增加而增加。
本发明人研究了退火以后氧对晶粒尺寸的影响。本发明人对试样I，II和III进行热处理，并测量晶粒尺寸。曲线PL1，PL2和PL3分别代表试样I，II和III多晶硅的晶粒尺寸变化。由曲线PL1，PL2和PL3可以看到，晶粒尺寸直到1000℃才稳定，并且稳定度取决于氧含量。氧沿晶界形成氧化硅层，并且氧化硅层防止了多晶硅颗粒的固相生长。由于晶粒尺寸的稳定可获得大的吸杂效率。晶粒尺寸在由D.M.Lee所指出的现有技术多晶硅吸杂位置层中急剧生长(参见图3)。这意味着，多晶硅不含至少10％(重量)的氧。
本发明人进一步研究了半绝缘多晶硅吸杂位置层和由D.M.Lee等人所提出的现有技术吸杂位置层。当半绝缘多晶硅吸杂位置层的吸杂效率等于现有技术的多晶硅吸杂位置层时，半绝缘多晶硅的厚度小于现有技术的多晶硅厚度，并且可减少挠曲。
由上面的描述可以清楚地知道，半绝缘多晶硅的吸杂位置层可以减少半导体衬底的挠曲而不会降低吸杂效率。第二实施例图8表示本发明的另一半导体衬底40的结构。半导体衬底40可制造如下。首先，制备单晶硅晶片41，然后通过使用低压化学汽相淀积在650℃下生长厚度为800nm的半绝缘硼掺杂多晶硅。材料气体包含N2O，SiH4和B2H6。可将N2O/SiH4的比调整为0.05。因此，在单晶硅晶片41的背表面上形成半绝缘硼掺杂多晶硅层，并可用作吸杂位置层42。
由于使用了半导体衬底40，可制造辅助场效应晶体管如下。描述与第一实施例一样针对n沟道增强型场效应晶体管。厚场氧化层可通过使用硅局部氧化技术而生长，并且在可将硼在300KeV加速能量下离子注入到半导体衬底40的表面部分中。所得半导体结构可在1000℃下进行热处理，并且硼形成p型阱。
薄栅绝缘层可生长到6nm厚，并且形成栅电极和侧壁隔层。可将砷在10KeV加速能量下以1×1015cm2的剂量以与侧壁隔层自对准方式离子注入到p型阱中，并且将砷通过在950℃下退火而活化。砷形成源区和漏区。
将钛在所得半导体结构的整个表面上淀积，通过在690℃下进行第一次烧结和在800℃下进行第二次烧结，在源/漏区上制成硅化层。可将剩余钛腐蚀掉。
级间绝缘层可形成所得半导体结构上，并且在800℃下进行回流。接触孔可形成在级间绝缘层上，并且通过硅化钛层达到源和漏区和栅电极。导电金属可淀积在所得半导体结构的整个表面上，并且可将导电金属构图成为金属导线。
在第二实施例中，可将硼掺入半绝缘多晶硅层中。硼还可以用磷来代替。磷也可以增强半绝缘多晶硅层的吸杂能力。
半绝缘多晶硅层42可用硼来掺杂，并且硼可增强半绝缘多晶硅的吸杂效率。因此，制造者可以减小吸杂位置层，并且薄吸杂位置层可降低挠曲。
虽然已经对本发明的特定实施例进行了描述和图示，但是很明显，本技术领域的普通专业人员可以对其进行各种改进和变形，其均不会脱离本发明的精神和范围。
例如，可将硼或磷在生长以后引入半绝缘多晶硅层中。
权利要求
1.一种用于制造半导体器件的半导体衬底(11；40)，其包括活性层(12；41)，其由单晶硅半导体材料制成，并且具有用于在其上制造至少一个电气部件的第一表面和与所述第一表面相反的第二表面；和在所述第二表面上生长的吸杂位置层(13；42)，其特征在于，所述吸杂位置层可由含有至少10％(原子)的氧的半绝缘多晶硅制成。
2.根据权利要求1的半导体衬底，其中所述活性层(12；41)是由单晶硅制成。
3.根据权利要求1的半导体衬底，其中所述活性层(12；41)是由单晶硅制成，并且可将硼掺入半绝缘多晶硅中。
4.根据权利要求1的半导体衬底，其中所述活性层(12；41)是由单晶硅制成，并且可将磷掺入半绝缘多晶硅中。
5.根据权利要求1的半导体衬底，其中所述吸杂位置层小于1.2微米厚。
6.一种制造用于半导体器件的半导体衬底的方法，其包括下列步骤a)制备单晶硅半导体材料的活性层(12；41)；和b)在所述活性层的背表面上制成吸杂位置层(13；42)，其特征在于，所述吸杂位置层是由在所述活性层的一个表面上含有至少10％(原子)的氧的半绝缘多晶硅制成。
7.根据权利要求6的方法，其中所述单晶半导体材料是单晶硅。
8.根据权利要求6的方法，其中所述活性层(12；41)是由单晶硅制成，并且可将硼掺入半绝缘多晶硅中。
9.根据权利要求8的方法，其中在所述步骤b)的生长过程中，可将所述硼引入所述半绝缘多晶硅中。
10.根据权利要求6的方法，其中所述活性层可由单晶硅制成，并且可将磷掺入半绝缘多晶硅中。
11.根据权利要求10的方法，其中在所述步骤b)的生长过程中，可将所述磷引入所述半绝缘多晶硅中。
12.根据权利要求6的方法，其中所述半绝缘多晶硅层可生长到小于1.2微米的一定厚度。
全文摘要
一种含有至少10%(原子)的氧的半绝缘多晶硅层(13)可在单晶硅晶片(12)的背表面上生长,并且可以以比通常多晶硅的厚度更小的厚度获得高吸杂效率,使得硅衬底具有较少的挠曲。
文档编号H01L29/04GK1199923SQ9810193
公开日1998年11月25日 申请日期1998年5月15日 优先权日1997年5月16日
发明者滨田耕治 申请人:日本电气株式会社