CN101017834A - 一种soi集成电路结构及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种SOI集成电路结构，具有自上而下依次为单晶硅层、绝缘材料埋层以及衬底体硅材料的SOI结构，在单晶硅层具有浅沟槽隔离结构，所述的浅沟槽侧壁设有绝缘导热材料，该绝缘导热材料贯穿绝缘材料埋层与衬底体硅材料相接触。该结构可以形成一个上下硅层之间的热通道，便于器件产生的热量转移到衬底体硅材料上，有助于提高器件散热效率，改善器件性能。
Description
【技术领域】
本发明涉及SOI(Silicon On Insulator，绝缘体上硅)集成电路领域，尤其涉及一种增强散热能力的SOI集成电路结构及其制作方法。
【背景技术】
伴随集成电路制造工艺的不断进步，半导体器件的体积正变得越来越小，随之而来的是器件尺寸逼近物理极限时所产生的大量问题。这使得业界开始寻找除了单纯缩小器件尺寸以外的解决方法，来进一步提高器件性能。SOI作为一个重要的发展方向而被业界广泛研究和使用。相比传统体硅材料，SOI的特点在于，在表面很薄的一个单晶硅层下是一个绝缘层，主要是以氧化硅作为绝缘材料。绝缘层之下是传统的体硅材料，这一层的作用是对上面的结构起到机械支撑作用。SOI的机构在不改变器件尺寸的前提下，大大减小了器件的漏电流，降低了器件发热量，从而使器件性能大大提高。
但是，SOI具备这些优点的同时，也带来了散热方面的问题。单晶硅材料在25℃时的导热系数为83.5，而二氧化硅的导热系数仅为1.5～39。特别是在STI(Shallow Trench Isolation，浅沟槽隔离)结构工艺中，当STI完成后，器件就如同被一个由二氧化硅所形成的碗所盛放，热量无法有效的释放到衬底体硅材料中去，从而影响到器件的性能和可靠性。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种SOI集成电路结构，克服了现有SOI技术散热能力差，热量无法有效的释放的不足，利用绝缘导热材料构造导热回路，提高SOI芯片散热能力，提高芯片的整体表现。
为了实现这一目的，本发明提供一种SOI集成电路结构，具有自上而下依次为单晶硅层、绝缘材料埋层以及衬底体硅材料的SOI结构，在单晶硅层具有浅沟槽隔离结构。所述的浅沟槽侧壁和底部设有绝缘导热材料，所述绝缘导热材料贯穿绝缘材料埋层，所述绝缘导热材料的底层与衬底体硅材料相接触。所述的绝缘导热材料厚度为5～30纳米。所述的绝缘导热材料导热系数大于二氧化硅。所述的绝缘导热材料是碳化硅。
本发明的另一目的在于提供一种SOI集成电路结构的制作方法，以提高SOI芯片散热能力，提高芯片的整体表现。
为了实现该发明目的，本发明提供了一种SOI集成电路结构的制作方法，制作浅沟槽隔离结构，在单晶硅层刻蚀出凹槽，进一步刻蚀去除所述凹槽底部绝缘材料埋层，在所述凹槽内壁淀积一层绝缘导热材料，连通所述的单晶硅层和衬底体硅材料，淀积浅沟槽隔离结构的氧化硅。
其中，所述的进一步刻蚀是各向异性的绝缘层刻蚀。所述的进一步刻蚀刻穿SOI硅片中的绝缘层埋层，停止在衬底体硅材料之上。所述的绝缘导热材料是碳化硅。所述的淀积绝缘导热材料薄膜厚度为5～30纳米。
本发明提供另一方案是提供一种SOI集成电路结构的制作方法，包括以下步骤：a.制作并完成上表面硬掩模光刻，刻蚀及去胶，形成有图形的硬掩模层；b.刻蚀单晶硅层形成凹槽，清洗；c.进一步刻蚀去除凹槽底部绝缘材料埋层暴露出衬底体硅材料，清洗；d.在凹槽内壁淀积一层绝缘导热材料，退火；e.淀积浅沟槽隔离氧化硅。
其中，所述的步骤b中的刻蚀是等离子体干法刻蚀，刻蚀气体为卤素气体。所述的步骤b中的刻蚀停止在绝缘材料埋层上。所述的步骤b中的清洗采用氢氧化铵和过氧化氢混合液清洗。
所述的步骤c中的刻蚀是等离子体干法刻蚀，刻蚀气体为碳氟类气体。所述的步骤c中的清洗采用标准清洗程序、盐酸和过氧化氢混合液、氢氧化铵和过氧化氢混合液、稀释氢氟酸中的一种或多种组合进行清洗。
所述的步骤d中淀积的绝缘导热材料是碳化硅。所述的步骤d中淀积采用高密度等离子体化学气相淀积或者等离子体辅助化学气相淀积，淀积气体为甲烷和硅烷。所述的步骤d中淀积参数为：温度为150℃～400℃，压力为0.001～50托，淀积薄膜厚度为5～30纳米。所述的步骤d中退火温度为800℃～1200℃。
本发明的优点在于：本发明利用导热性能良好的绝缘导热材料(如碳化硅，导热系数100～125)，在表面单晶硅层和衬底体硅材料之间构建了一个导热回路，这一结构可以形成一个上下硅层之间的热通道，使制作在单晶硅层上的器件在工作时所产生的热量可以更方便得传递到衬底上，从而提高了散热能力。改善了芯片性能和可靠性。
同时，本发明充分利用了现有的结构，无需额外增加光刻步骤，同现有工艺相比，这个结构的优点在于不会改变已有器件结构，在工艺上也只需要增加一次刻蚀和一次淀积，在成本和可行性上有很大优势，具有良好的可行性和性价比。
【附图说明】
图1是本发明完成传统STI刻蚀后的结构截面图；
图2是本发明完成绝缘材料埋层刻蚀后的结构截面图；
图3是本发明完成绝缘导热材料淀积后的结构截面图；
图4是本发明完成STI淀积后的结构截面图。
【具体实施方式】
以下结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：
本发明的SOI集成电路结构的制作方法的一个实施例是，在一个自上而下依次是单晶硅层、绝缘材料埋层以及衬底体硅材料的SOI结构上，首先制作浅沟槽隔离结构，在单晶硅层刻蚀出凹槽，进一步刻蚀去除所述凹槽底部绝缘材料埋层，在所述凹槽内壁淀积一层绝缘导热材料，连通所述的单晶硅层和衬底体硅材料，淀积浅沟槽隔离结构的氧化硅。从而借助对传统的浅沟槽隔离结构制作方法的改造，完成了本发明具有散热导通结构的SOI集成电路结构的制作。
对于凹槽底部绝缘材料埋层的刻蚀是各向异性的绝缘层刻蚀，其技术要求是刻穿SOI硅片中的绝缘层埋层，停止在衬底体硅材料之上。因此其刻蚀深度应当大于或等于绝缘层埋层的厚度。
首先请参照图1，图1是本发明完成传统STI刻蚀后的结构截面图，在图1中，位于最上面的是单晶硅层1，单晶硅层1下方是绝缘材料埋层2，最下面一层是衬底体硅材料层3。单晶硅层1和衬底体硅材料层3具有较佳的导电和导热性能，而绝缘材料埋层2一般是二氧化硅，其导热性能较差，单晶硅材料在25℃时的导热系数为83.5，而二氧化硅的导热系数仅为1.5～39。
在传统的STI工艺中，如图1所示，采用使用等离子体干法刻蚀单晶硅层1，主要气体为卤素气体，刻蚀厚度取决于所使用的硅片，为30～500纳米，刻蚀停止在绝缘材料埋层2上，使用APM(ammonium hydrogen peroxidemixture氢氧化铵，过氧化氢混合液)清洗。
当然，在实施传统的STI之前，首先要制作并完成上表面硬掩模光刻，刻蚀及去胶，形成有图形的硬掩模层，以确定形成STI结构的具体位置、形状和大小。
请参阅图2，图2是本发明完成绝缘材料埋层刻蚀后的结构截面图。在图2中，在形成图1中单晶硅层1浅沟槽的基础上，进一步使用等离子体干法刻蚀绝缘材料埋层(二氧化硅)2，主要刻蚀气体为碳氟类气体，刻蚀厚度取决于所使用的硅片，为100～1000纳米，刻蚀停止在衬底体硅材料3上。使用RCA(radio corporation of amencan标准清洗程序)、HPM(hydrochloric-peroxide mix盐酸，过氧化氢混合液)、APM和DHF(dilutedhydrofluoric acid稀释氢氟酸)中的一种或多种进行清洗。
接下来请参阅图3，图3是本发明完成绝缘导热材料淀积后的结构截面图。如图3所示，在凹槽内壁淀积一层绝缘导热材料5，连通所述的单晶硅层1和衬底体硅材料层3，并进行退火处理。可使用PECVD(Plasma EnhancedChemical Vapor Deposition，等离子体辅助化学气相淀积)或HDPCVD(HighDensity Plasma Chemical Vapor Veposition，高密度等离子体化学气相淀积)淀积。
这里所述绝缘导热材料5必须是绝缘材料，同时其导热性优于二氧化硅(导热系数为1.5～39)，如碳化硅(SiC，导热系数为100～125)。在选用碳化硅作为绝缘导热材料5的实施例中，淀积使用气体为甲烷和硅烷，150℃～400℃，压力为0.001～50torr。淀积薄膜厚度为5～30纳米。退火温度为800℃～1200℃。
在一些实施例中淀积可以仅对浅沟槽的两侧壁进行，这样获得的绝缘导热5仅仅是连通了单晶硅层1和衬底体硅材料层3，但接触面积较小，散热效果不是太好；而另一些实施例中则对浅沟槽的整个内壁包括其两侧壁和底部都进行了绝缘导热材料淀积，通过其底部的绝缘导热材料5与衬底体硅材料层3的面接触增大了散热面积，起到了更好的散热作用。
最后，请参阅图4，图4是本发明完成STI淀积后的结构截面图。如图4所示，在两次刻蚀形成的浅沟槽中淀积浅沟槽隔离氧化硅4，最终形成具有浅沟槽侧壁，在部分实施例中还包括浅沟槽底部的绝缘导热材料5的浅沟槽结构。
在本发明的一些实施例中，所述衬底体硅材料3厚度大于10000纳米，所述浅沟槽隔离氧化硅4深度略大于单晶硅层1与绝缘材料埋层2的厚度之和，所述浅沟槽隔离氧化硅4的宽度为60～350纳米，所述绝缘导热材料5厚度为5～30纳米。具体设计尺寸应根据实际情况和工艺能力加以改变，本领域技术人员可以按照上述介绍加以实施。
本发明SOI集成电路结构，具有自上而下依次为单晶硅层1、绝缘材料埋层2以及衬底体硅材料3的SOI结构，在单晶硅层1具有浅沟槽隔离结构，浅沟槽侧壁设有绝缘导热材料5，该绝缘导热材料5贯穿绝缘材料埋层2与衬底体硅材料3相接触。绝缘导热材料5进一步包括一个与衬底体硅材料3相接触且连接两浅沟槽侧壁的绝缘导热材料的底层。图1至图4中所示的实施例中，绝缘导热材料5侧壁部分是倾斜的，底层恰好连接两个浅沟槽侧壁的绝缘导热材料。但在本发明的另外一些实施例中，绝缘导热材料5侧壁部分也可以是垂直或以其他角度及方向倾斜的通孔，底层也不仅限于刚好连接两个浅沟槽侧壁的绝缘导热材料，其可以有更大的与衬底体硅材料3的接触面以取得更好的散热效果。
本发明的这一结构可以形成一个上下硅层之间的热通道，便于器件产生的热量转移到衬底体硅材料上，有助于提高器件散热效率。
以上介绍的仅仅是基于本发明的几个较佳实施例，并不能以此来限定本发明的范围。任何对本发明的装置作本技术领域内熟知的部件的替换、组合、分立，以及对本发明实施步骤作本技术领域内熟知的等同改变或替换均不超出本发明的揭露以及保护范围。
Claims (19)
1、一种SOI集成电路结构，具有自上而下依次为单晶硅层、绝缘材料埋层以及衬底体硅材料的SOI结构，在单晶硅层具有浅沟槽隔离结构，其特征在于：所述的浅沟槽侧壁和底部设有绝缘导热材料，所述绝缘导热材料贯穿绝缘材料埋层，所述绝缘导热材料的底层与衬底体硅材料相接触。
2、如权利要求1或2所述的SOI集成电路结构，其特征在于：所述的绝缘导热材料厚度为5～30纳米。
3、权利要求1或2所述的SOI集成电路结构，其特征在于：所述的绝缘导热材料导热系数大于二氧化硅。
4、如权利要求4所述的SOI集成电路结构，其特征在于：所述的绝缘导热材料是碳化硅。
5、一种SOI集成电路结构的制作方法，制作浅沟槽隔离结构，在单晶硅层刻蚀出凹槽，其特征在于：进一步刻蚀去除所述凹槽底部绝缘材料埋层，在所述凹槽内壁淀积一层绝缘导热材料，连通所述的单晶硅层和衬底体硅材料，淀积浅沟槽隔离结构的氧化硅。
6、如权利要求6所述的SOI集成电路结构的制作方法，其特征在于：所述的进一步刻蚀是各向异性的绝缘层刻蚀。
7、如权利要求6所述的SOI集成电路结构的制作方法，其特征在于：所述的进一步刻蚀刻穿SOI硅片中的绝缘层埋层，停止在衬底体硅材料之上。
8、如权利要求6所述的SOI集成电路结构的制作方法，其特征在于：所述的绝缘导热材料是碳化硅。
9、如权利要求6所述的SOI集成电路结构的制作方法，其特征在于：所述的淀积绝缘导热材料薄膜厚度为5～30纳米。
10、一种SOI集成电路结构的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
a.制作并完成上表面硬掩模光刻，刻蚀及去胶，形成有图形的硬掩模层；
b.刻蚀单晶硅层形成凹槽，清洗；
c.进一步刻蚀去除凹槽底部绝缘材料埋层暴露出衬底体硅材料，清洗；
d.在凹槽内壁淀积一层绝缘导热材料，退火；
e.淀积浅沟槽隔离氧化硅。
11、如权利要求11所述的SOI集成电路结构的制作方法，其特征在于：所述的步骤b中的刻蚀是等离子体干法刻蚀，刻蚀气体为卤素气体。
12、如权利要求11所述的SOI集成电路结构的制作方法，其特征在于：所述的步骤b中的刻蚀停止在绝缘材料埋层上。
13、如权利要求11所述的SOI集成电路结构的制作方法，其特征在于：所述的步骤b中的清洗采用氢氧化铵和过氧化氢混合液清洗。
14、如权利要求11所述的SOI集成电路结构的制作方法，其特征在于：所述的步骤c中的刻蚀是等离子体干法刻蚀，刻蚀气体为碳氟类气体。
15、如权利要求11所述的SOI集成电路结构的制作方法，其特征在于：所述的步骤c中的清洗采用标准清洗程序、盐酸和过氧化氢混合液、氢氧化铵和过氧化氢混合液、稀释氢氟酸中的一种或多种组合进行清洗。
16、如权利要求11所述的SOI集成电路结构的制作方法，其特征在于：所述的步骤d中淀积的绝缘导热材料是碳化硅。
17、如权利要求11所述的SOI集成电路结构的制作方法，其特征在于：所述的步骤d中淀积采用高密度等离子体化学气相淀积或者等离子体辅助化学气相淀积，淀积气体为甲烷和硅烷。
18、如权利要求11所述的SOI集成电路结构的制作方法，其特征在于：所述的步骤d中淀积参数为：温度为150℃～400℃，压力为0.001～50托，淀积薄膜厚度为5～30纳米。
19、如权利要求11所述的SOI集成电路结构的制作方法，其特征在于：所述的步骤d中退火温度为800℃～1200℃。
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