SOI衬底及其制备方法、晶体管及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种SOI衬底及其制备方法、晶体管及其制备方法。

背景技术

与传统的基于体硅的晶体管器件（例如，bulk-LDMOS）相比，基于SOI衬底的晶体管器件（例如，SOI-LDMOS）因其独特的全介质隔离结构，使得器件具有面积小、集成度高、寄生电容少等诸多优点。由于SOI衬底的晶体管其工作区域被较厚的掩埋层隔离，从而不会造成纵向击穿，因此在针对SOI衬底的晶体管的器件设计中，通常主要关注的是器件的横向耐压能力，如何提高器件的横向耐压能力已成为领域内的一个重要研究课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种SOI衬底，通过优化SOI衬底以使得该SOI衬底可用于制备更高耐压性能的晶体管。

为此，本发明提供了一种SOI衬底，包括依次堆叠的第一衬底、掩埋层和第二衬底，所述第一衬底用于加工形成晶体管，所述第二衬底上形成有绝缘结构，所述绝缘结构由所述第二衬底靠近掩埋层的表面内嵌至所述第二衬底内，并且所述绝缘结构至少位于晶体管的漏端。

可选的，所述绝缘结构由晶体管的漏端延伸至源端。

可选的，所述绝缘结构包括至少一个凹槽，所述凹槽从所述第二衬底靠近掩埋层的表面内陷至预定深度，所述掩埋层封盖所述凹槽的顶部开口。

可选的，所述绝缘结构包括至少一个凹槽，所述凹槽从所述第二衬底靠近掩埋层的表面内陷至预定深度；以及，所述绝缘结构还包括填充至所述凹槽内的绝缘材料。

可选的，所述绝缘结构包括至少两个凹槽，所述至少两个凹槽由晶体管的漏端至源端的方向依次排布。

可选的，所述凹槽沿着水平方向的截面形状为矩形、圆形或者椭圆形。

可选的，所述绝缘结构从所述第二衬底的表面内嵌的深度为0.5μm-2μm。

可选的，所述晶体管包括LDMOS管。

本发明还提供了一种SOI衬底的制备方法，包括：提供第一衬底和第二衬底，在所述第一衬底上形成掩埋层，在所述第二衬底上形成绝缘结构，所述绝缘结构由所述第二衬底的表面内嵌至所述第二衬底内；其中，所述第一衬底用于加工形成晶体管，所述第二衬底上的绝缘结构至少位于晶体管的漏端；将所述第一衬底上的掩埋层和所述第二衬底相互键合，所述第二衬底以形成有所述绝缘结构的表面正对所述第一衬底的方向进行键合；以及，去除所述第一衬底远离第二衬底的部分厚度，以形成SOI衬底。

可选的，所述绝缘结构的制备方法包括刻蚀所述第二衬底的表面至预定深度以形成凹槽；以及，在键合所述第一衬底和所述衬底时，所述掩埋层封盖所述凹槽的顶部开口。

可选的，所述绝缘结构的制备方法包括：刻蚀所述第二衬底的表面至预定深度以形成凹槽，并在所述凹槽内填充绝缘材料。

可选的，所述绝缘结构从所述第二衬底的表面内嵌的深度为0.5μm-2μm。

本发明还提供了一种晶体管，包括如上所述的SOI衬底；以及，形成在所述SOI衬底上的漏极、源极和栅极结构，并且第二衬底内的绝缘结构至少位于所述漏极的下方。其中，所述晶体管例如包括LDMOS管。

本发明还提供了一种晶体管的制备方法，包括：提供如上所述的SOI衬底，并在所述SOI衬底上形成漏极、源极和栅极结构。或者，采用如上所述的制备方法形成SOI衬底；之后，在所述SOI衬底上形成漏极、源极和栅极结构。

本发明还提供了一种半导体集成电路，包括如上所述的晶体管；或者，利用如上所述的晶体管制备得到。

本发明还提供了一种半导体集成电路的制备方法，包括如上所述的晶体管的制备方法；或者，包括利用如上所述的晶体管制备半导体集成电路。

在本发明提供的SOI衬底中，通过在第二衬底至少位于漏端的区域内形成绝缘结构，相当于将第二衬底中至少位于漏端的部分衬底材料替代为绝缘结构，该绝缘结构在有源区电场的作用下将难以甚至可避免产生自由移动的感生电荷，从而可改善掩埋层下方的感生电荷对其上方有源区内的电场的影响，使得器件有源区内的有效电场更接近矩形电场，提高有源区内的电场分布均匀性，改善器件的耐压能力。即，本发明中，通过优化SOI衬底以使得该SOI衬底可用于制备更高耐压性能的晶体管；换言之，基于本发明提供的SOI衬底的晶体管，可更好的进行横向电场调制，提高器件的横向耐压性能，优化器件的整体耐压性能。

附图说明

图1为本发明一实施例中的SOI衬底的一种结构示意图。

图2为本发明一实施例中的SOI衬底的另一种结构示意图。

图3-图7为本发明一实施例中的SOI衬底在其制备过程中的结构示意图。

图8为本发明一实施例中的晶体管的结构示意图。

图9为第二衬底内未设置有绝缘结构的晶体管和第二衬底内设置有绝缘结构的晶体管二者在承压过程中的电场分布比对图。

其中，附图标记如下：110-第一衬底；120-掩埋层；130-第三衬底；131-凹槽；132-绝缘材料。

具体实施方式

承如背景技术所述，目前在SOI衬底的晶体管的器件设计中，通常主要关注的是器件的横向耐压能力。而对于如何提高器件的横向耐压性能的这一问题，本发明的发明人有关注到SOI衬底的晶体管其实际的横向电场分布相较于理想状态下的横向电场分布存在较大差异，基于此，本发明即针对如何使器件的横向电场分布更趋于理想状态的这一思路进行研究和改进。

具体来说，SOI衬底的晶体管其最理想的状态下是在承压时横向电场在任意深度都能均匀分布，电势线能够和水平面垂直，这样不仅能最大程度提高其耐压能力，而且还可以实现任意耐压能力器件的设计。然而在实际情况中，晶体管器件在其承压过程中，掩埋层上方的电场还会引起掩埋层下方的衬底区域内产生可移动的感生电荷，这些电荷会反过来影响上方的器件有源区内的电场，进而影响器件在承压状态时的空间电荷区的横向电场分布，使得横向电场并不能够完全均匀分布，这在一定程度上限制了器件的耐压能力。

对此，本发明提供了一种SOI衬底，该SOI衬底包括依次堆叠的第一衬底、掩埋层和第二衬底，所述第一衬底用于加工形成晶体管，所述第二衬底上形成有绝缘结构，所述绝缘结构由所述第二衬底靠近掩埋层的表面内嵌至所述第二衬底内，并且所述绝缘结构至少位于晶体管的漏端。

本发明提供的SOI衬底中，将第二衬底靠近掩埋层部分替代为绝缘结构，并使绝缘结构至少位于漏端的下方。在将该SOI衬底应用于晶体管中时，即可利用绝缘结构在电场的作用下难以生产自由移动的感生电荷的特性，有效降低甚至消除了掩埋层下方的感生电荷，缓解感生电荷对其上方的有源区电场造成影响，提高了有源区电场的分布均匀性，进而优化了器件的耐压性能。

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的SOI衬底及其制备方法、晶体管及其制备方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。应当认识到，附图中所示的诸如“上方”，“下方”，“顶部”，“底部”，“上方”和“下方”之类的相对术语可用于描述彼此之间的各种元件的关系。这些相对术语旨在涵盖除附图中描绘的取向之外的元件的不同取向。例如，如果装置相对于附图中的视图是倒置的，则例如描述为在另一元件“上方”的元件现在将在该元件下方。

图1为本发明一实施例中的SOI衬底的一种结构示意图，图2为本发明一实施例中的SOI衬底的另一种结构示意图。如图1和图2所示，该SOI衬底包括依次堆叠的第一衬底110、掩埋层120和第二衬底130。其中，第一衬底110用于加工形成晶体管，例如可用于加工形成LDMOS管。即，在利用该SOI衬底制备晶体管时，晶体管的源极、漏极和栅极结构均形成在第一衬底110上。在一具体示例中，第二衬底130可构成支撑衬底，第一衬底110为顶层硅，掩模层120可以为氧化硅层，以及该掩埋层120的厚度例如可大于等于0.4μm，更具体的，该掩埋层120的厚度可大于等于1μm。

继续参考图1和图2所示，在第二衬底130内还形成有绝缘结构（具体示例中，该绝缘结构例如为图1所示的镂空槽，或者如图2所示的填充有绝缘材料的结构）。该绝缘结构由第二衬底130靠近掩埋层120的表面内嵌至第二衬底130内，并且该绝缘结构至少位于晶体管的漏端。

具体来说，在晶体管器件的承压过程中，器件的漏端（Drain）施加高压（正高压或负高压），而源端（Source）等其它区域都是处于零电势的状态，此时电势线总是会呈“口袋状”由漏端（Drain）向其它区域延伸，使得漏端的电场强度较大，进而导致漏端的电场会更大程度的引起掩埋层120下方的第二衬底130内产生可移动的感生电荷，使得漏端所产生的感生电荷对上方的电场产生较大的影响。基于此，本实施例中，至少在第二衬底130对应于的漏端的区域内设置有绝缘结构，该绝缘结构在有源区电场的作用下难以产生可自由移动的感生电荷，降低了对有源区内的电场的影响，使漏端附近的电场更均匀，提高器件的横向耐压性能。

同时，该绝缘结构由第二衬底130的表面内嵌至第二衬底130内，确保了第二衬底130中最靠近第一衬底110的预定深度的部分可以被绝缘结构（例如，镂空槽或者绝缘材料）代替，也即第二衬底130中在有源区电场的作用下可产生强度最大的感生电荷的部分被绝缘结构代替，降低甚至消除了绝缘结构内的感生电荷，从而可改善对有源区电场的影响。其中，该绝缘结构由第二衬底130的表面内嵌至第二衬底130内的深度例如为0.5μm-2μm，即，在图1和图2的示例中，凹槽131的深度例如为0.5μm-2μm。

可选的方案中，还可使绝缘结构由晶体管的漏端延伸至源端，例如可使晶体管的有源区下方均设置有绝缘结构，如此一来，即可在器件的承压过程中，大大降低第二衬底130在漏端至源端的区域内所产生的可自由移动感生电荷，进一步降低感生电荷对有源区内的电场的影响，提高有源区内的电场分布均匀性，进而改善器件的耐压性能。

在一种示例中，重点参考图1所示，该绝缘结构包括至少一个凹槽131，该所述凹槽131从第二衬底130靠近掩埋层120的表面内陷至预定深度，掩埋层120封盖该凹槽131的顶部开口，进而形成镂空槽，在器件的承压过程中，该镂空槽内难以产生感生电荷。

在另一种示例中，重点参考图2所示，该绝缘结构包括至少一个凹槽131，该凹槽131从第二衬底130靠近掩埋层120的表面内陷至预定深度；以及，该绝缘结构还包括填充至凹槽131内的绝缘材料132，填充的绝缘材料132例如包括氮化硅、氧化硅等。同样的，在器件的承压过程中，绝缘材料132在有源区电场的作用下所产生的可移动感生电荷的数量大大降低，有效缓解了对有源区内的电场的影响。

需要说明的是，在图1和图2的示例中的绝缘结构为一整体，并从漏端连续延伸至源端，即图1和图2的示例中，其绝缘结构具有从漏端连续延伸至源端的凹槽131。然而，在其他示例中，该绝缘结构可包括至少两个凹槽，至少两个凹槽由晶体管的漏端至源端的方向依次排布，即，其他示例中，可沿着漏端至源端的方向配置有两个或两个以上间隔排布的凹槽，该凹槽内同样可填充绝缘材料，也可不填充绝缘材料。此外，不论是从漏端连续延伸至源端的凹槽131，或者是从漏端至源端间隔排布的凹槽，其凹槽沿着水平方向的截面形状可均为矩形、圆形或者椭圆形等。

针对如上所述的SOI衬底，以下对其制备方法进行说明。本实施例中，该SOI衬底的制备方法可包括：提供第一衬底和第二衬底，在所述第一衬底上形成掩埋层，在所述第二衬底上形成绝缘结构，所述绝缘结构由所述第二衬底的表面内嵌至所述第二衬底内；接着，将所述第一衬底上的掩埋层和所述第二衬底相互键合，所述第二衬底以形成有所述绝缘结构的表面正对所述第一衬底的方向进行键合；之后，去除所述第一衬底远离第二衬底的部分厚度，以形成SOI衬底。由此，即可使所形成的SOI衬底中，将第二衬底靠近第一衬底预定深度的部分替代为绝缘结构，以及在利用该SOI衬底加工形成晶体管时，使得晶体管的组件可具体形成在第一衬底上，并使第二衬底上的绝缘结构可至少布置在晶体管漏端。

下面结合图3-图7对本实施例中的SOI衬底的制备过程进行详细说明，其中图3-图7为本发明一实施例中的SOI衬底在其制备过程中的结构示意图。

首先参考图3和图4所示，提供第一衬底110，并在第一衬底110上形成掩埋层120，所形成的掩埋层120的厚度例如可大于等于0.4μm，甚至可大于等于1μm。其中，第一衬底110例如为硅晶圆，掩埋层120例如为氧化硅层。

本实施例中，在形成所述掩埋层120之后还包括：对第一衬底110注入氢离子以形成氢掺杂层111，通过形成该氢掺杂层111以利于后续步骤中可在该氢掺杂层111的位置发生剥离，进而减薄第一衬底110的厚度。在实际应用中，通过调整氢掺杂层111的深度，以相应的控制后续第一衬底110被去除的厚度，例如可将氢离子注入至第一衬底110距离正面（即，第一衬底110靠近掩埋层120的表面）3μm-5μm的距离范围内，如此以使得后续去除第一衬底110的部分厚度后，剩余的第一衬底110的厚度介于3μm-5μm。

接着参考图5所示，提供第二衬底130，并在第二衬底130上形成绝缘结构，该绝缘结构从第二衬底的表面内嵌至预定深度，例如从第二衬底的表面内嵌深度为0.5μm-2μm。

本实施例中，在第二衬底130上形成绝缘结构的方法包括：刻蚀第二衬底130的表面至预定深度以形成凹槽131，该凹槽131将在后续步骤被封闭而形成镂空槽。具体的，该凹槽131的深度例如为0.5μm-2μm。

接着参考图6所示，将第一衬底110上的掩埋层120和第二衬底130相互键合，第二衬底130以形成有绝缘结构的表面正对第一衬底110的方向进行键合。本实施例中，第二衬底130其形成有凹槽131的表面键合至第一衬底110的掩埋层120上，以使掩埋层120封盖凹槽131的顶部开口。

接着参考图7所示，去除第一衬底110远离第二衬底130的部分厚度，剩余厚度的第一衬底110用于加工以形成晶体管。

具体示例中，去除第一衬底110的部分厚度的方法包括：如上所述，在键合第二衬底130之前，对第一衬底110注入氢离子以形成氢掺杂层111；以及，在键合第二衬底130之后，执行热退火工艺，以使得第一衬底110在氢掺杂层111的位置发生剥离而去除部分厚度。具体来说，氢掺杂层11I经过热退火工艺其内部的氢（H）会形成氢气而产生微气泡，从而促使第一衬底110在氢掺杂层111的位置发生剥离。在可选的方案中，剥离第一衬底的部分厚度之后，还可对剩余厚度的第一衬底110进行研磨处理，以提高剩余厚度的第一衬底110的表面平整度。

需要说明的是，在图3-图7的示例中以所制备的绝缘结构为镂空槽为例进行说明，即，针对的是图1所示的SOI衬底的制备方法。在其他示例中，绝缘结构包括凹槽和形成在凹槽内的绝缘材料，例如图2所示的SOI衬底结构。相比于图1所示的SOI衬底的制备方法不同的是，图2所示的SOI衬底的制备方法中，在第二衬底130内形成凹槽131之后，填充绝缘材料至凹槽131内，该绝缘材料例如包括氮化硅和/或氧化硅等，接着再将第一衬底110和第二衬底130相互键合。

基于上述实施例中的SOI衬底，本实施例中还提供了一种晶体管。具体可参考图8所示，该晶体管包括如上所述的SOI衬底；以及，形成在所述SOI衬底上的漏极200D、源极200S和栅极结构200G，并且第二衬底100内绝缘结构至少位于漏极200D的下方。其中，该晶体管具体可以包括LDMOS管，或者其他功率晶体管。

如上所述，在晶体管器件的承压过程中，漏端将承受更大的电压，使得漏端下方的第二衬底区域内更容易产生感生电荷，因此本实施例中至少在第二衬底位于漏端下方的区域内设置绝缘结构（该绝缘结构例如为凹槽内未填充材料的镂空槽，或者为凹槽内填充有绝缘材料的结构），以降低第二衬底130在有源区电场的作用下产生的感生电荷，进而可缓解对有源区电场的影响，使有源区电场的分布更均匀，提高器件的横向耐压性能。可选的方案中，可使绝缘结构还从漏端进一步延伸至源端，使得第二衬底130中对应于晶体管器件的有源区的部分均形成绝缘结构，大大降低了第二衬底130在漏端至源端的区域内所产生的可自由移动感生电荷，进一步降低感生电荷对有源区电场的影响，提高有源区内的电场分布均匀性，更大程度的提高器件的耐压性能。

具体可参考图9，图9为第二衬底内未设置有绝缘结构的晶体管器件和第二衬底内设置有绝缘结构的晶体管器件二者在承压过程中的电场分布示意图。如图9所示，第二衬底内未设置有绝缘结构的晶体管器件其在承压过程中的电场分布具体以虚线L1示意出，第二衬底内设置有绝缘结构的晶体管器件在承压过程中的电场分布以实线L2示意出，通过比对可以明显的发现，实线L2表示出的区域相对于虚线L1表示出的区域更趋近于矩形，即，相比于未设置有绝缘结构的晶体管器件而言，设置有绝缘结构的晶体管器件在承压时，可降低漏端的电场，并抬高源端以及源端和漏端之间的漂移区内的电场，使得有源区内的有效电场更趋近于矩形电场，从而提高了有源区内的电场分布均匀性，改善电场集中的现象，有效提升了器件的击穿电压。通过一实验仿真结果显示，第二衬底内未设置有绝缘结构的晶体管器件其击穿电压例如为289V，而设置有绝缘结构的晶体管其击穿电压可达到353V，实现了器件的耐压能力提高22%左右。

此外，本实施例中还提供了一种晶体管的制备方法。一种可选的示例中，可采用如上所述的制备方法形成SOI衬底；之后，在该SOI衬底上形成漏极200D、源极200S和栅极结构200G。而另一种可选的方案中，针对SOI衬底的制备方法并不限定为上述方法（即，可以不采用上述方法形成SOI衬底），只要能够制备出如上所述的SOI衬底的结构即可，并在此基础上继续加工形成漏极200D、源极200S和栅极结构200G。即，其他示例中，晶体管的制备方法包括：提供如上所述SOI衬底上，并在该SOI衬底上形成漏极200D、源极200S和栅极结构200G。这仍属于本发明技术方案保护的范围。

本实施例中还提供了一种半导体集成电路，其具体包括如上所述晶体管，或利用如上所述的晶体管制备得到。即，本实施例中的半导体集成电路具有如上所述的SOI衬底，并基于该SOI衬底制备形成晶体管，以及该SOI衬底的第二衬底内形成有绝缘结构（该绝缘结构例如为凹槽内未填充材料的镂空槽，或者为凹槽内填充有绝缘材料的结构），该绝缘结构至少位于晶体管的漏端，以利于提高该晶体管的耐压性能。具体示例中，半导体集成电路可包括BCD器件（具体为SOI-BCD器件），该BCD器件包括基于SOI衬底制备形成的双极型晶体管、CMOS管和DMOS管，其中的DMOS管可以为LDMOS管。

以及，制备该半导体集成电路的方法相应的包括如上所述的晶体管的制备方法，或包括利用如上所述的晶体管制备半导体集成电路，具体的，可采用如上所述的SOI衬底的制备方法形成SOI衬底，并基于该SOI衬底制备形成晶体管。可选的方案中，还包括在该SOI衬底上进一步加工制备其他的半导体器件等。例如，针对该半导体集成电路包括BCD器件的情况下，则可在SOI衬底上形成双极型晶体管、CMOS管和DMOS管。

需要说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。以及，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

还应当理解的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。此外还应该认识到，此处的以及所附权利要求中使用的单数形式“一个”和“一种”包括复数基准，除非上下文明确表示相反意思。例如，对“一个步骤”或“一个装置”的引述意味着对一个或多个步骤或装置的引述，并且可能包括次级步骤以及次级装置。