專利名稱：在絕緣層中嵌入納米晶的半導(dǎo)體材料制備方法
在絕緣層中嵌入納米晶的半導(dǎo)體材料制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料制備領(lǐng)域，尤其涉及一種在絕緣層中嵌入納米晶的半導(dǎo)體 材料制備方法。
背景技術(shù)：
隨著航天技術(shù)的飛速發(fā)展，應(yīng)用在輻射環(huán)境下的電子學(xué)系統(tǒng)越來越多，由于輻射 能夠造成電子元器件和集成電路性能的退化和改變，從而影響由此組成的電子學(xué)系統(tǒng)的可 靠性、縮短系統(tǒng)的壽命，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致任務(wù)的失敗。對(duì)于在軌運(yùn)行的航天器來講，輻射 將會(huì)造成短時(shí)功能失效和縮短在軌運(yùn)行壽命。SOI (絕緣體上的硅SiliCon-On-Insulator 或絕緣體上的半導(dǎo)體Aemiconductor-On-Insulator)技術(shù)正是為了滿足航空航天、導(dǎo)彈 和衛(wèi)星電子系統(tǒng)等空間及軍事電子領(lǐng)域的需求而發(fā)展起來的一種技術(shù)。四十多年來，該技 術(shù)的發(fā)展一直以抗輻射加固的軍事和空間應(yīng)用為背景，其目標(biāo)是提高戰(zhàn)略武器的突防和延 長衛(wèi)星在軌運(yùn)行壽命。SOI材料由于絕緣埋層的存在，減小了器件的寄生電容，提高了器件的速度，并且 從根本上消除體硅CMOS技術(shù)的閉鎖效應(yīng)，單粒子翻轉(zhuǎn)截面較體硅CMOS技術(shù)小二個(gè)數(shù)量級(jí)， 抗瞬時(shí)劑量率的能力提高二個(gè)數(shù)量級(jí)。但是，另一方面由于其絕緣埋層的存在使得其抗總劑量輻照性能受到限制，這是 因?yàn)楫?dāng)SOI絕緣埋層受到電離輻照時(shí)，輻射感生電荷被俘獲在整個(gè)埋層。這些輻射感生的 陷阱電荷主要呈正電性。這些電荷能夠?qū)е娄菧暇w管的背溝道界面反型，從而引起部分 耗盡(PD)和全耗盡(FD)晶體管的漏電流大幅度增加。對(duì)于全耗盡晶體管，正柵晶體管與 背柵晶體管有電耦合作用，絕緣埋層中輻射感生正電荷的積累會(huì)造成正柵晶體管閾值電壓 的降低。目前，SOI材料的抗輻照加固技術(shù)主要是利用離子注入技術(shù)將硅或其他元素注入 SOI材料的絕緣埋層中，在絕緣埋層中產(chǎn)生大量的電子陷阱以補(bǔ)償輻射在埋層中產(chǎn)生的空 穴陷阱電荷來降低埋層中正電荷的數(shù)量。但是，SOI材料中注入原子的過程中會(huì)造成頂層 硅晶格的損傷，降低了頂層硅的晶體質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種在絕緣層中嵌入納米晶的半導(dǎo)體材料制 備方法，在絕緣埋層中引入硅納米晶的同時(shí)，能夠避免硅離子注入造成的頂層硅晶格損傷， 提高所制備的SOI材料的晶體質(zhì)量。為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種在絕緣層中嵌入納米晶的半導(dǎo)體材料制備 方法，包括如下步驟提供器件襯底和支撐襯底，所述器件襯底中具有腐蝕自停止層；選擇 在器件襯底和支撐襯底的一個(gè)或者兩個(gè)的表面形成絕緣層；在絕緣層中注入納米晶改性離 子；通過絕緣層將器件襯底和支撐襯底鍵合在一起；實(shí)施鍵合后的退火加固；利用腐蝕自 停止層將器件襯底減薄至目標(biāo)厚度以在絕緣層表面形成器件層。
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作為可選的技術(shù)方案，所述器件襯底的材料為單晶硅，其中的腐蝕自停止層采用 氧離子注入的方法形成。作為可選的技術(shù)方案，所述減薄器件襯底的步驟進(jìn)一步包括采用濕法腐蝕的方 法腐蝕器件襯底至腐蝕自停止層；將腐蝕自停止層除去；研磨保留在絕緣層表面的器件層 至目標(biāo)厚度。作為可選的技術(shù)方案，所述絕緣層的材料為氧化硅，所述納米晶改性離子的 材料選自與硅和鍺中的一種或者兩種，所述納米晶改性離子為硅，注入劑量范圍是 IXlO14Cnr2 2 X IO16CnT2。作為可選的技術(shù)方案，所述注入的納米晶改性離子的位置與鍵合后的絕緣層與器 件襯底之間界面之間的距離范圍是IOnm 700nm。作為可選的技術(shù)方案，所述鍵合工藝為輔助等離子體處理的親水鍵合，鍵合后加 固工藝依次包括兩個(gè)階段第一階段的溫度范圍是200°C 800°C，時(shí)間范圍是0. 5小時(shí)至 5小時(shí)，第二階段的加固溫度范圍是900°C 1300°C，加固時(shí)間是10分鐘 6小時(shí)。作為可選的技術(shù)方案，所述鍵合工藝為直接的親水鍵合，鍵合后加固工藝的溫度 范圍是800°C 1400°C，加固時(shí)間是10分鐘 10小時(shí)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，通過對(duì)工藝順序的巧妙調(diào)整，在不影響其他工藝的前提下，將 形成納米晶所采用的離子注入的步驟調(diào)整在鍵合之前實(shí)施的，從而不會(huì)影響到器件層的晶 格完整性，提高了所制備的SOI材料的晶體質(zhì)量。

附圖1是本發(fā)明的具體實(shí)施方式
的實(shí)施步驟示意圖；附圖2至附圖7是本發(fā)明的具體實(shí)施方式
的工藝示意圖。
具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明提供的一種在絕緣層中嵌入納米晶的半導(dǎo)體材料制備方 法的具體實(shí)施方式
做詳細(xì)說明。附圖1所示是本具體實(shí)施方式
的實(shí)施步驟示意圖，包括步驟S100，提供器件襯 底和支撐襯底；步驟S101，采用氧離子注入的方法在器件襯底中形成腐蝕自停止層；步驟 S110，選擇在器件襯底的表面形成絕緣層；步驟S120，在絕緣層中注入納米晶改性離子；步 驟S130，通過絕緣層將器件襯底和支撐襯底鍵合在一起；步驟S140，實(shí)施鍵合后的退火加 固；步驟S150，利用腐蝕自停止層將器件襯底減薄至目標(biāo)厚度以在絕緣層表面形成器件 層。附圖2至附圖7是本具體實(shí)施方式
的工藝示意圖。附圖2所示，參考步驟S100，提供器件襯底19和支撐襯底10。支撐襯底10的材料可以是包括單晶硅在內(nèi)的任何一種本領(lǐng)域內(nèi)常見的襯底材 料，本具體實(shí)施方式
為單晶硅。器件襯底19用于在后續(xù)步驟中形成頂層半導(dǎo)體層，又稱之為器件層，因此該器件 襯底19的材料應(yīng)當(dāng)是單晶硅或者化合物半導(dǎo)體等常用的單晶半導(dǎo)體材料，本具體實(shí)施方 式為單晶硅。
附圖3所示，參考步驟S101，采用氧離子注入的方法在器件襯底19中形成腐蝕自 停止層18。注入離子可以是氧離子，也可以采用氮氧共注，注入可以是單次注入也可以是多 次注入，多次注入時(shí)注入能量可以與第一次注入時(shí)能量相同，也可以不同。注入劑量的范圍 是IXlO14Cnr2 2 X IO18CnT2，注入能量為20KeV 500KeV。這里以多次注入為例，第一次 注入能量為190KeV，注入劑量為4\1017側(cè)-2，注入溫度為5001;第二次注入能量為180KeV， 注入劑量為2X IO15CnT2。注入溫度為室溫注入。本實(shí)施方式以單晶硅中注入氧離子為例，敘述了在器件襯底19中形成腐蝕自停 止層18的方法。在其他的實(shí)施方式中，如果選擇用離子注入的方法形成腐蝕停止層，還可 以根據(jù)欲采用的腐蝕工藝選擇不同的注入離子，例如在單晶硅中注入硼離子形成濃硼自停 止層，也是一種可選的技術(shù)方案。在其他的實(shí)施方式中，如果選擇采用外延的方法生長腐蝕自停止層，也可以將上 述步驟SlOO和步驟SlOl合并實(shí)施，即采用外延工藝依次形成自停止層，以及自停止層表面 的最終產(chǎn)品的器件層，例如在單晶硅襯底表面首先外延一層濃硼的單晶硅作為自停止層， 再外延一層低摻雜或者本征的單晶硅層作為最終產(chǎn)品的器件層。上述兩步外延實(shí)施完畢后 方才獲得用于鍵合的器件襯底，也就相當(dāng)于將上述步驟SlOO和步驟SlOl合并實(shí)施了?？傊鲜霾襟ESlOO和步驟SlOl實(shí)施的目的在于獲得一個(gè)具有腐蝕自停止層18 的器件襯底19。附圖4所示，參考步驟S110，選擇在器件襯底19的表面形成絕緣層17。本實(shí)施方式采用的是在單晶硅襯底中注入氧離子形成腐蝕自停止層18，因此可以 本步驟可以選擇將器件襯底19在高溫下退火，退火溫度為1000°C 1400°C，退火氣氛為氧 氬混合氣氛。退火后的器件襯底，表面覆蓋了一層熱氧化的二氧化硅層，可以作為絕緣層 17。采用熱氧化的優(yōu)點(diǎn)還在于高溫下的退火還可以促進(jìn)注入的氧離子在單晶硅中的聚集， 提高腐蝕自停止層18的腐蝕阻擋效果。在其他未采用單晶硅襯底中注入氧離子形成腐蝕停止層18的實(shí)施方式中，也可 以選擇化學(xué)氣相沉積等其他方法在器件襯底19的表面形成絕緣層17。附圖5所示，參考步驟S120，在絕緣層17中注入納米晶改性離子，形成納米晶層 171。納米晶改性離子選自于硅離子和鍺離子中的一種或兩種。本具體實(shí)施方式
中所述 納米晶改性離子為硅離子，注入劑量范圍是IXlO14cnT2 2X1016cm_2。納米晶改性離子注 入至絕緣層17之中形成了由納米晶團(tuán)簇構(gòu)成的納米晶層171，能夠在絕緣層17中產(chǎn)生大量 的電子陷阱，一旦受到放射線的輻射，這些電子陷阱能夠補(bǔ)償輻射在埋層中產(chǎn)生的空穴陷 阱電荷來降低埋層中正電荷的數(shù)量。本具體實(shí)施方式
中，納米晶改性離子注入位置，即納米晶層171的位置與絕緣 層17和器件襯底19界面之間的距離范圍是IOnm 700nm為較佳的注入位置，并優(yōu)選為 30nm 70nm，尤其是50nm。在其他的實(shí)施方式中，如果絕緣層17是生長在支撐襯底10的表 面，則應(yīng)當(dāng)控制注入位置與絕緣埋層17自由表面之間的距離范圍是30nm 70nm為優(yōu)，這 樣能保證在鍵合之后，注入位置距絕緣層17和器件襯底19界面之間的距離范圍是IOnm 700nm。在支撐襯底10和器件襯底19的表面都生長絕緣層的實(shí)施方式中，則應(yīng)當(dāng)根據(jù)器件襯底19表面的絕緣層厚度確定納米晶改性離子應(yīng)當(dāng)注入在哪個(gè)絕緣層中，以及注入深度 是多少，以確保鍵合之后的注入位置滿足上述條件。由于注入的離子在襯底中不可能嚴(yán)格的分布在某一固定的位置，而是沿著注入的 方向呈高斯分布的，因此本說明書中所提到的離子的注入位置應(yīng)當(dāng)是離子在注入方向高斯 分布的峰值位置，這也是本領(lǐng)域?qū)﹄x子注入深度的一種通常的表述方法。附圖6所示，參考步驟S130，通過絕緣層17將器件襯底19和支撐襯底10鍵合在一起。鍵合可以是親水鍵合也可以是疏水鍵合。親水鍵合前可以使用氬或者氧等離子處 理襯底表面。優(yōu)化的鍵合方式為等離子體處理后采用親水鍵合，先使用Ar+處理5分鐘，隨 后去離子水清洗表面并甩干，襯底表面吸附有一層水分子。繼續(xù)參考步驟S140，實(shí)施鍵合后的退火加固。鍵合后，鍵合襯底對(duì)進(jìn)行加固處理，加固溫度為200°C 800°C，優(yōu)化溫度為 400°C，加固時(shí)間為30分鐘 5小時(shí)，優(yōu)化時(shí)間為3小時(shí)，隨后升溫進(jìn)行進(jìn)一步退火處理激 活硅原子成為硅納米晶，處理溫度為900°C 1300°C，處理時(shí)間為10分鐘到6小時(shí)，優(yōu)化 溫度為110(TC，退火2小時(shí)。如果襯底不采用等離子體處理，直接親水鍵合，則加固溫度為 8001400°C，優(yōu)化溫度為1100°C，退火時(shí)間為10分鐘到10小時(shí)，優(yōu)化為6小時(shí)。附圖7所示，參考步驟S150，利用腐蝕自停止層18將器件襯底19減薄至目標(biāo)厚度 以在絕緣層17表面形成器件層12。由于器件襯底19中具有腐蝕自停止層18，因此本步驟具體可以采用濕法腐蝕的 方法腐蝕器件襯底至腐蝕自停止層，然后將腐蝕自停止層18除去形成保留在絕緣層17表 面的器件層12，最后研磨器件層12至目標(biāo)厚度。本具體實(shí)施方式
可以采用TMAH溶液在90°C條件下進(jìn)行選擇性腐蝕，隨后采用5% HF溶液去除器件襯底19中的氧化硅腐蝕自停止層18，再采用CMP對(duì)器件層12的厚度和表 面平整度進(jìn)行調(diào)整。上述步驟實(shí)施完畢后，初步制備出的襯底包括了支撐襯底10、絕緣層17和器件層 12，并且絕緣埋層17中含有嵌入納米晶層171的SOI材料。形成納米晶層171所采用的離 子注入的步驟是在鍵合之前實(shí)施的，因此沒有影響到器件層12的晶格完整性。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為 本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種在絕緣層中嵌入納米晶的半導(dǎo)體材料制備方法，其特征在于，包括如下步驟提供器件襯底和支撐襯底，所述器件襯底中具有腐蝕自停止層；選擇在器件襯底和支撐襯底的一個(gè)或者兩個(gè)的表面形成絕緣層；在絕緣層中注入納米晶改性離子；通過絕緣層將器件襯底和支撐襯底鍵合在一起；實(shí)施鍵合后的退火加固；利用腐蝕自停止層將器件襯底減薄至目標(biāo)厚度以在絕緣層表面形成器件層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述器件襯底的材料為單晶硅，其中的腐 蝕自停止層采用氧離子注入的方法形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述減薄器件襯底的步驟進(jìn)一步包括采用濕法腐蝕的方法腐蝕器件襯底至腐蝕自停止層；將腐蝕自停止層除去；研磨保留在絕緣層表面的器件層至目標(biāo)厚度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述絕緣層的材料為氧化硅，所述納米晶 改性離子的材料選自與硅和鍺中的一種或者兩種。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述納米晶改性離子為硅，注入劑量范圍 是 IXlO14Cnr2 2X IO16CnT2。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或4或5所述的方法，其特征在于，所述注入的納米晶改性離子的位 置與鍵合后的絕緣層與器件襯底之間界面之間的距離范圍是IOnm 700nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述鍵合工藝為輔助等離子體處理的親 水鍵合，鍵合后加固工藝依次包括兩個(gè)階段第一階段的溫度范圍是200°C 800°C，時(shí)間 范圍是0.5小時(shí)至5小時(shí)，第二階段的加固溫度范圍是900°C 1300°C，加固時(shí)間是10分 鐘 6小時(shí)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述鍵合工藝為直接的親水鍵合，鍵合后 加固工藝的溫度范圍是800°C 1400°C，加固時(shí)間是10分鐘 10小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種在絕緣層中嵌入納米晶的半導(dǎo)體材料制備方法，包括如下步驟提供器件襯底和支撐襯底，所述器件襯底中具有腐蝕自停止層；選擇在器件襯底和支撐襯底的一個(gè)或者兩個(gè)的表面形成絕緣層；在絕緣層中注入納米晶改性離子；通過絕緣層將器件襯底和支撐襯底鍵合在一起；實(shí)施鍵合后的退火加固；利用腐蝕自停止層將器件襯底減薄至目標(biāo)厚度以在絕緣層表面形成器件層。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，通過對(duì)工藝順序的巧妙調(diào)整，在不影響其他工藝的前提下，將形成納米晶所采用的離子注入的步驟調(diào)整在鍵合之前實(shí)施的，從而不會(huì)影響到器件層的晶格完整性，提高了所制備的SOI材料的晶體質(zhì)量。
文檔編號(hào)H01L21/20GK101908472SQ20101021144
公開日2010年12月8日 申請(qǐng)日期2010年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月25日
發(fā)明者張苗, 林成魯, 王曦, 王湘, 魏星 申請(qǐng)人:上海新傲科技股份有限公司;中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所