[其他]絕緣層上多晶硅的激光加熱再結晶方法

在審

• 申請號: 101985000003942
• 申請日: 1985-05-16
• 公開（公告）號: CN85103942B
• 公開（公告）日: 1988-03-16
• 發明（設計）人: 林成魯;鄒世昌;沈宗雍
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海冶金所
• 代理公司: 中國科學院上海專利事務所
• 代理人: 季良赳

本發明是一種制備ＳＯＩ材料的激光加熱再結晶方法，屬于半導體器件及集成電路的制造工藝。本發明采用激光加熱方法使兩層ＳｉＯ₂中間的多晶Ｓｉ再結晶，從而得到良好表面質量的ＳｉＯ材料，可供制造器件和集成電路。本方法與常規的集成電路工藝相容，工藝簡單，而且提高了激光能量的利用率。

　　　　　　絕緣層上多晶硅的激光加熱再結晶方法

本發明是絕緣層上多晶硅(Silicon on Insulator-SOI)的激光加熱再結晶方法。屬于半導體器件及集成電路的制造工藝。

絕緣層上多晶硅的激光再結晶所制備的SOI材料可用于制造高速、抗輻照器件、復合功能電路及三維結構的集成電路，它具有易于隔離，縮小電路尺寸、提高集成度，寄生電容小，提高器件速度及工作頻率，抗輻照能力強、可靠性高以及與常規的集成電路工藝相容等優點，價格也比SOS（Silicon on Sapphire）材料低。

激光加熱再結晶制備SOI材料是在熱氧化后的Si材料上，用低壓化學汽相淀積（LPCVD）多晶Si層，然后用激光束輻照加熱，使多晶硅層局部熔化再結晶。由于再結晶過程是局部熔化-固化的過程，因而材料表面不易平整，使器件制造工藝發生困難。改進SOI材料的表面質量采用的方法是使激光束整形和改變激光掃描的方式。前者是改變激光束強度分布的剖面，如日本專利特開昭57-128024，59-121822及T.J.Stulte等人在Appl.Phys.Lett.，39，6，498（1981）上發表的文章，通過光學系統或兩臺激光器使激光束的強度分布變成彎月形或雙峰狀等，從而得到較好的再結晶表面。但使用兩臺激光器投資大，光學系統的使用又導致激光功率的損失，而且效果也不理想。日本專利特開昭58-56316及美國專利US4466179采用改變激光掃描的方式，即先后兩次垂直方向的掃描以提高材料表面質量，但這種方式使效率降低一倍。另外，J.Sakurai等人通過淀積不同厚度的SiO₂和Si，N。二層薄膜作保護層（Appl.Phys.Lett.，41，1，64，1982）來改善表面質量，但對不同層的厚度要求相匹配，工藝復雜，難度比較大。

本發明的目的在于采用簡單的方法，使激光加熱再結晶制備的SOI材料具有良好的表面質量，可供常規的集成電路工藝線用于制造SOI器件與集成電路。

本發明是在單晶Si上用熱氧化方法生長一層SiO₂，然后用低壓化學汽相淀積一層多晶Si，在激光加熱再結晶以前，再在多晶Si上以化學汽相淀積一層SiO₂，形成SiO₂夾層，利用Si與SiO₂的熔點不同（Si為1415℃，SiO₂約為1610℃），采用連續氬離子激光器，控制氬離子激光束的功率及掃描速度，使得多晶Si層完全熔化，而SiO₂不熔化，保持了局部液相區域的穩定性，限制了Si熔化時的表面張力，從而得到表面質量良好的SOI材料。

使用本發明的方法不僅可以使制得的SOI材料具有適合于半導體器件及集成電路制造的良好的表面質量，而且由于SiO₂的折射率比Si低，因而多晶Si層上的SiO₂層起到了光學增透膜的作用，適當選擇與所用激光波長相匹配的SiO₂層的厚度，可使復蓋膜層的反射率為極小，從而提高了激光能量的利用率。

圖1是激光再結晶制備SOI材料的樣品結構，圖中1是單晶Si襯底，2是熱氧化的SiO₂層，3是用低壓化學汽相淀積的多晶Si層，4是化學汽相淀積的SiO₂層。

以下是一種實施方法：

單晶Si襯底，厚度約350μm，用常規方法拋光清洗后熱氧化生長SiO₂層，厚度為0.1～1μm，采用低壓化學汽相淀積生長多晶Si層，厚度為0.5～0.8μm，再用化學汽相淀積0.5-1.5μm的SiO₂，用一般加熱方法使整個樣品在再結晶過程中保持溫度為250～550℃，以連續氬離子激光器（多模多譜線，主要譜線5145）進行輻照再結晶，激光功率為6-10W，經聚焦后光斑直徑40-80μm，樣品置于x，y兩維自動掃描的工作臺上，x方向掃描速度為2-10cm/秒，y方向每次步進使相鄰掃描線重迭50%，再結晶過程中使局部的多晶Si層溫度為1415-1600℃。最后用稀氫氟酸去除表面的SiO₂層，得到的SOI材料表面光潔度在14級以上，局部不平整度小于600。晶粒大小從激光輻照前的300-500增大到2×20μm到10×30μm。圖2是本實施例用氬離子激光加熱樣品時的溫度場分布其中橫坐標為離開表面的距離，縱坐標為溫度。Ⅰ區為表面SiO₂層（即圖1中4），Ⅱ區為多晶Si層（圖1中3），Ⅲ區為熱氧化SiO₂層（圖1中2），Ⅳ區為單晶Si襯底（圖1中1）。