专利名称：一种同时形成图形化埋氧和器件浅沟槽隔离的方法
技术领域：
本发明提出了一种同时形成图形化绝缘体上的硅(SOI)材料中掩埋氧化层(简称埋氧BOX)和器件浅沟槽隔离(STIshallow trench isolation)的方法，属于微电子技术领域。
然而，SOI技术在实际应用上还存在许多问题。从电路角度而言，许多SOI电路，如射频(RF)电路，动态随机存储器(DRAM)，电荷耦合器件(CCD)成像系统等，在SOI衬底上实现的难度还很大，目前在工艺上也非常不成熟。而这些电路在体硅上制造已经非常成熟，从设计到工艺都得到了优化，已不存在任何问题。
如果将SOI电路和体硅电路制造在同一块芯片上，充分发挥各自的优势，将可以极大地提高芯片的性能；也可以避开目前RF，DRAM，CCD等电路在SOI衬底上设计和制造工艺不成熟的缺点。这就需要图形化的SOI衬底材料，也就是在硅衬底中形成图形化的埋氧。在这样的衬底上，SOI电路制造在衬底的SOI区域；体硅电路制造在衬底的体硅区域，从而实现了SOI电路与体硅电路的集成。例如，将高速低功耗的SOI-CMOS逻辑或控制电路与体硅的DRAM，RF电路集成为便携式系统芯片；或者与体硅的CCD成像器件集成为数字相机的芯片。
注氧隔离(SIMOX)技术是制备SOI材料的主流技术之一，它完全与目前超大规模集成电路的制造工艺相兼容。SIMO利记体育也是制备图形化SOI材料的重要手段之一。最初，英国Surrey大学的U.Bussmann等人(U.Bussmann，A.K.Robinson，and P.L.F.Hemment，Silicon-on-insulator deviceislands formed by oxygen implantation through patterned masking layers，Journalof Applied Physics 70(8)(1991)4584-4592)采用SIMO利记体育制备图形化SOI材料以达到器件全介质隔离的目的。但他们所制备的材料质量很差，在埋氧与体硅之间的过渡区域存在着大量的缺陷。最近，S.Bagchi等人(S.Bagchi，Y.Yu，M.Mendicino，et al.，Defect analysis of patterned SOI material，IEEE International SOI Conference(1999)121-122)采用中等剂量(0.8×1018cm-2)的SIMO利记体育制备图形化SOI材料，从他们的结果来看，在埋氧和体硅之间的过渡区域也存在着大量的缺陷，密度高达108cm-2，缺陷在边界处延伸2个微米左右。这主要是注入的氧在高温退火过程中形成图形化埋氧后体积膨胀(体积变大2.25倍)产生应力的结果。如果采用标准的全剂量(1.8～2.0×1018cm-2)注入，过渡区域中将产生更高密度的缺陷，过渡区会更大；并且整个SOI区域的顶层硅的质量都会受到严重的影响，从而影响芯片的性能和成品率，甚至无法制造电路。
另外，在器件的制造过程中，需要进行器件隔离，主要的隔离方法有局部氧化(LOCOS)隔离和STI隔离两种。LOCOS隔离工艺有一系列的缺点鸟嘴结构使场氧侵入器件的有源区；场注入在高温氧化过程中发生再分布；场氧在窄隔离区变薄；表面不平坦等等。随着器件尺寸的不断缩小，STI隔离将成为深亚微米工艺中主流隔离技术，因为STI隔离克服了LOCOS隔离的缺点，具有优异的器件隔离性能表面平坦；隔离区可等比例缩小，几乎为零的场侵蚀；良好的抗锁定性能等等(深亚微米隔离技术——浅沟槽隔离工艺，王新柱，徐秋霞，钱鹤等，半导体学报，23(3)(2002)323-329)。目前，在半导体制造工艺中，SOI材料的制备和器件的制造是前后分离的，都是在商品化的SOI材料上进行器件的制造。
用SIMO利记体育制备图形化SOI材料需要的工艺步骤主要是在体硅区域光刻形成掩模；氧离子注入；高温退火(退火气氛中含有适量的氧气)。STI隔离工艺中主要的步骤是沟槽隔离区Si3N4掩模的形成；沟槽的反应离子刻蚀(RIE)；高温氧化使沟槽顶角圆滑以抑制STI边缘漏电；沟槽的填充；化学机械抛光(CMP)平坦化；湿法腐蚀Si3N4掩模。
可以看出，制备图形化SOI材料的掩模可以使用STI中的掩模来阻挡离子注入；而STI工艺中的沟槽顶角圆滑氧化可以在图形化SOI材料制备工艺中的高温退火过程中同时完成。所以二者结合使工艺步骤减少。由于在制备图形化SOI材料时，注入的区域被沟槽所隔离，不存在体硅与埋氧之间的过渡区问题，避免了应力的产生，从而大大提高了SOI材料的质量。另外，制备图形化SOI材料的高温退火过程中所生成的SiO2也使STI工艺中沟槽顶角圆滑的质量有所改善。
具体而言，本发明的方法包括以下各步骤(a)光刻出将形成的SOI区域及其四周的沟槽；(b)离子注入；(c)高温退火；(d)填充沟槽，CMP抛光，腐蚀Si3N4掩模。
步骤(a)中，为了释放与硅衬底之间的应力，在沉积Si3N4薄膜之前要生长厚度为10～30nm的缓冲氧化层。Si3N4薄膜采用低压化学气相沉积(LPCVD)方法沉积，厚度为200～600nm以完全阻挡25～200keV氧离子的注入。沟槽隔离区的宽度为0.1～2μm；沟槽深度为0.2～1.5μm。沟槽的刻蚀采用反应离子刻蚀，刻蚀气体为Cl2、HBr和O2的混合气体。
步骤(b)中离子注入的能量为25～200keV，剂量为1×1017～2.0×1018cm-2。注入时，衬底的温度为400～700℃。注入的离子除了O+以外还可以是O2+、HO+、H2O+、N+、N2+等以形成掩埋的氧化硅和氮化硅绝缘层。
步骤(c)中退火温度为1200～1375℃；退火时间为1～24小时；退火气氛为氮气或氩气与氧气的混合气体，其中氧气的体积含量为0.5％～20％。
步骤(d)中的工艺是实现图形化埋氧之后继续完成STI隔离的后续工艺，沟槽的填充物为热分解的SiO2(TEOS)或沉积的多晶硅；采用CMP工艺使衬底的表面平坦化；用热磷酸腐蚀除去Si3N4之后就可以继续进行常规的CMOS工艺流片，完成所设计的器件或电路。
本发明的方法在形成STI隔离工艺的过程中注入氧离子形成图形化SOI材料，充分利用了STI工艺中的步骤，就形成图形化SOI材料本身而言，在减少工艺步骤的同时提高了材料的质量。由于离子注入区域四周被沟槽隔离开，这样在高温退火工程中，退火气氛中的氧气可以更有效的扩散到硅片的内部。如果注入的剂量太低，外界的氧气扩散到离子注入的射程范围内，相当于起到了补充注入剂量的作用；这就使我们可以采用更低的注入剂量来形成图形化SOI材料。由于有更多的外界氧气扩散到硅片中起到内部热氧化(ITOX)的作用，这会提高图形化SOI材料的质量。S.Nakashima等人(S.Nakashima，T.Katayama，Y.Miyamura et al.，Thickness increment of buriedoxide in a SIMOX wafer by high-temperature oxidation，IEEE InternationalConference(1994)71-72)研究发现，内部热氧化可以使埋氧与顶层硅的界面更加平整，使界面处的埋氧的性质类似于热氧化生成的SiO2。
图1为已沉积和薄膜的原始硅片结构示意图。
图2为完成沟槽刻蚀以及光刻出将要离子注入区域后的结构示意图。
图3为完成离子注入和高温退火后的结构示意图。
图4为完成CMP抛光并腐蚀除去Si3N4后最终的图形化SOI衬底结构示意图。
图中，1为原始硅片；2为SiO2；3为Si3N4；4为刻蚀出的沟槽；5为SOI区域的埋氧；6为SOI区域的顶层硅；7为STI隔离区；8为体硅区域。
实施例1在4英寸p型(100)单晶硅片上1000℃，O2+HCl气氛下热氧化生长30nm厚的SiO2作为缓冲层；然后用LPCVD工艺沉积350nm厚的Si3N4薄膜；光刻出沟槽隔离区，沟槽的宽度为500nm。沟槽的刻蚀剂为80sccm的Cl2、40sccm的HBr和2sccm的O2，沟槽的深度为400nm。光刻出要注入氧离子形成SOI结构的区域，湿法腐蚀除去Si3N4和SiO2露出硅表面。注入氧离子，注入的能量为100keV，剂量为3.5×1017cm-2；注入时，衬底的温度为680℃。注入后的硅片在1320℃，Ar+1％O2气氛中退火5小时。退后过程中热氧化生成的SiO2正好使沟槽顶角圆滑，起到了抑制STI边缘漏电的作用。沟槽填充物为PECVD TEOS SiO2。最后经CMP抛光平整化，热磷酸腐蚀除去Si3N4。这样，完成STI隔离工艺的图形化SOI材料就制备完成，接着可以进行常规的CMOS工艺流片，完成所设计的器件或电路。
权利要求
1.一种同时形成图形化埋氧和器件浅沟槽隔离的方法，工艺步骤，其特征在于图形化材料的制备和器件浅沟槽隔离工艺相结合，在实现浅沟槽隔离的同时完成图形化SOI材料的制备；具体工艺步骤是(a)光刻出要进行离子注入以形成SOI的区域，并在该区域的四周刻蚀出沟槽；(b)离子注入，注入离子的能量为25～200keV，剂量为1×1017～2.0×1018cm-2；注入时，衬底的温度为400～700℃；(c)离子注入后进行高温退火，退火温度为1200～1375℃；退火时间为1～24小时；退火气氛为氮气或氩气与氧气的混合气体，其中氧气的含量为0.5％～20％；(d)在沟槽中填充SiO2或多晶硅，采用CMP工艺使衬底的表面平坦化；用热磷酸腐蚀除去Si3N4后接着进行常规的CMOS工艺流片，完成所设计的器件或电路。
2.按权利要求1所述的同时形成图形化埋氧和器件浅沟槽隔离的方法，其特征在于刻蚀沟槽的掩模为LPCVD沉积的Si3N4薄膜，厚度为200～600nm以完全阻挡所注入的离子。
3.按权利要求1所述的同时形成图形化埋氧和器件浅沟槽隔离的方法，其特征在于沟槽的刻蚀采用反应离子刻蚀，刻蚀气体为Cl2、HBr和O2的混合气体；沟槽深度为0.2～1.5μm；沟槽宽度为0.1～2μm。
4.按权利要求1所述的同时形成图形化埋氧和器件浅沟槽隔离的方法，其特征在于注入的离子为O+、O2+、HO+、H2O+、N+或N2+，以形成掩埋的氧化硅和氮化硅绝缘层。
5.按权利要求1所述的同时形成图形化埋氧和器件浅沟槽隔离的方法，其特征在于高温退火形成掩埋绝缘层的同时圆滑了沟槽顶角，起到抑制STI边缘漏电的作用。
全文摘要
本发明提出了一种同时形成图形化埋氧和器件浅沟槽隔离的方法。其特征在于将图形化绝缘体上的硅(SOI)材料的制备工艺和半导体器件的浅沟槽隔离(STI)工艺结合起来；在形成STI的过程中完成图形化SOI材料的制备。主要工艺步骤包括依次包括在半导体衬底中光刻出将形成的SOI区域及其四周的沟槽；离子注入；高温退火；填充沟槽，CMP抛光，腐蚀Si
文档编号H01L21/76GK1431701SQ0311542
公开日2003年7月23日 申请日期2003年2月14日 优先权日2003年2月14日
发明者董业民, 王曦, 陈猛, 王湘, 陈静, 林梓鑫 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所