專利名稱：一種絕緣層上硅結構及制備方法
技術領域：
本發明涉及一種絕緣層上硅(SOI)結構及制備方法，更確切地說涉及一種以AlN或Al2O3或AlN、Al2O3、Si3N4或SiO2兩種或多種復合層為埋層的絕緣層上硅襯底材料及制備方法，屬于微電子學中半導體材料的制造工藝。
背景技術：
絕緣體上的硅即SOI(Silicon on Insulator)電路具有優良的高速、低功耗、抗輻照等優點，早期在航空航天等軍事領域得到廣泛應用。近年來，隨著計算機、通訊業的快速發展，SOI的技術優勢進一步得到體現，因而逐漸被成功地商業化，并被認為是二十一世紀的硅集成電路技術(J.P.Collige，Silicon on Insulator Technology，Materials to VLSI，Kluwer AcademicPublishers，1991)。
傳統的SOI材料一般以SiO2作為絕緣埋層。由于SiO2的熱導性能很差(熱導率僅為0.014W/(cm.K))，大大限制了SOI器件在高溫與大功率電路中的應用。AlN、Al2O3作為兩種性能優良的絕緣材料，能和硅形成熱力學穩定的接觸，而且AlN/Si、Al2O3/Si界面具有較低的界面態密度、漏電流，同時AlN、Al2O3還具有較高的熱導率(AlN3.2W/(cm.K)；Al2O30.3W/(cm.K))，優良的抗輻照性能(Z.Y.Fan，G.Rong，J.Browning，N.Newman，Mater.Sci.Eng.B67(1999)90；K.H.Zaininger and A.S.Waxman，IEEE Trans.Electron DevicesED-16，(1969)333)。以AlN、Al2O3取代SiO2作SOI的絕緣埋層顯然可以提高SOI器件在高溫、大功率以及輻照環境等領域的應用。
近年來，以AlN、Al2O3取代SiO2作SOI的絕緣埋層技術已經分別由林成魯(林成魯等，”以氮化鋁(AlN)為絕緣埋層的SOI材料制備方法”(申請號98122067)、萬青(萬青等，“以三氧化二鋁為埋層的絕緣層上硅結構的襯底材料及其制備方法”(申請號01126315))等人提出。然而，這些已有的技術往往是先在硅片表面制備絕緣埋層薄膜材料(如AlN、Al2O3)然后進行鍵合工藝。這種工藝有兩個明顯的缺點一是在硅片表面很難制備得到高純的埋層材料，尤其是AlN材料，由于O的活性比N強，受目前的真空技術的限制，制備得到的AlN薄膜往往含有很多的氧(C.Lin，J.A.Kilner，R.J.Chater，J.Li，A.Nejim，J.P.Zhang and P.L.F.Hemment，Nuclear Instrumentsand Methods in Physics Research Section BBeam Interactions withMaterials and Atoms，vol.80/81(1993)323)；二是為了能進行后續的鍵合工藝，要求制備得到的薄膜表面非常平整，這在目前的薄膜制備技術下很難達到。
發明內容
本發明的目的在于提供一種制備以AlN或Al2O3或AlN、Al2O3、Si3N4或SiO2中兩種或兩種以上復合層為埋層的SOI襯底材料及制備方法。
本發明提供的的制備方法特征在于采用Al薄膜淀積結合高溫鍵合來降低鍵合工藝對結合界面表面平整度的要求，并利用離子注入技術形成絕緣埋層來提高埋層質量，克服過去在表面形成絕緣埋層材料表面粗糙度大的缺點。具體地說，首先在硅片表面淀積Al薄膜，然后在高溫下快速鍵合，由于Al(或AlSi合金)的熔點很低，可以很容易地與另一個硅片結合在一起，這樣可以大大降低鍵合對表面微粗糙度的依賴性。鍵合后，通過背面減薄、氧化減薄等減薄技術，或者通過先在鍵合硅片中引入多孔硅，然后在多孔硅上外延單晶硅，與Al/Si片鍵合后，利用應力，在外延/外延硅界面處裂開，得到薄層單晶Si/Al/Si襯底結構。然后通過離子注入往薄單晶Si層下的Al薄層中注入N或O離子，在高溫下將Al薄膜轉化成AlN或Al2O3薄膜，從而得到所需的新型SOI結構。由于單晶Si薄層的存在，外部氣氛對埋層形成過程的影響被明顯降低，埋層純度得到提高。本發明工藝簡單，成本低，有大規模產業化的潛力。
綜上所述，本發明涉及SOI結構的制備方法，其特征在于可用下列二種方法中的任意一種來制備第一種制備方法(a)采用濺襯或真空蒸發方法在單晶硅片上鍍上一層鋁薄層；(b)將另一單晶硅片與表面鍍有Al薄層的硅片面對面在100-700℃溫度下鍵合，然后從背面刻蝕減薄至其中一片僅剩幾十納米-幾百納米；(c)往鍵合片中注入氧離子或氮離子或氮、氧兩種離子，離子注入的峰值正好處于鋁薄層中間；(d)經步驟(c)注入后的鍵合片再在400-600℃溫度和保護氣氛下進行退火，使注入的氮或氧離子等與鍵合在里面的Al形成非晶AlN或Al2O3埋層。
第二種制備方法(a)采用濺時或真空蒸發方法在單晶硅片上鍍上一層鋁薄層；(b)在另一單晶硅片中引入多孔硅，然后在多孔硅上外延單晶硅，與步驟(a)鍍鋁薄層的硅片鍵合；(c)鍵合后在外延單晶硅處裂開，得到單晶Si/Al/Si襯底結構；(d)然后用離子注入方法，往單晶硅層下的Al薄層中注入氮或氧離子；
(e)再在400-600℃溫度下和氮保護氣氛下將Al薄層轉化成AlN或Al2O3埋層；所述的制備方法特征在于(1)合之前在單晶硅片表面淀積的一層鋁層厚度為5-100納米，鍵合的兩硅片或是普通拋光單晶硅片，或是一片為拋光單晶硅片，另一片是多孔硅片上外延了單晶硅薄膜的硅片。
(2)在單晶硅片淀層鋁層之前，在單晶硅片表面先生長氮化硅或氧化硅薄膜層。
(3)使用第一種制備方法時，鍵合后從背面減薄包括刻蝕、研磨、氧化、自停止腐蝕或拋光方法。
由此可見，所得到的絕緣上硅結構由三層構成，頂層是單晶硅層，厚度為20-2000nm，中間是絕緣埋層，厚度為50-500nm，底層是硅材料。
所制作的絕緣層上硅結構其特征在于絕緣埋層，或是氮化鋁層，或是氧化鋁層，或是氮化鋁、氮化硅、氧化鋁或氧化硅中兩種或多種復合而成。
圖1、2是分別為本發明提供的兩種制備方法以氮化鋁、氧化鋁為埋層的SOI結構的工藝流程。其中1為一單晶硅片，101為1單晶硅片經背面減薄后得到的單晶硅薄層，2為另一單晶硅片，3為Al薄膜，301為注入氮或氧離子后的Al薄層，高溫處理后形成非晶氮化鋁或氧化鋁絕緣埋層，4為多孔硅層，5為多孔硅4上的外延單晶硅層。
具體實施例方式
下面結合附圖具體闡述實施例將有助于理解本發明，但本發明決不僅限制于實施例。
實施例1如圖1所示，在單晶硅片2上淀積Al薄膜后與單晶硅片1快速高溫鍵合，然后從1號硅片背面通過腐蝕、氧化減薄等得到單晶硅薄層101，然后以一定能量和劑量向鍵合片中注入氮或氧離子，高溫處理后形成所需的SOI結構。具體的工藝條件是采用真空電子束蒸發技術，在單晶硅襯底上制備厚度為5納米的Al薄層，與另一硅片鍵合，然后從背面腐蝕至其中一片僅剩約5微米厚，再通過氧化、HF腐蝕進一步減薄，反復進行直至薄Si層厚度達到約300納米厚。以200keV的能量向Al薄層中注入5×1017/cm2劑量的氮離子，高溫處理得到以AlN為埋層的SOI結構。
實施例2如圖2所示，在單晶硅片1表面首先制備得到多孔硅層4，然后在4表面外延單晶硅薄層；單晶硅片2表面淀積Al薄層，之后與單晶硅片1快速高溫鍵合，并處理從多孔硅層處裂開，然后以一定能量和劑量向鍵合片中注入氮或氧離子，結合高溫處理形成所需的SOI結構。具體的實施過程是采用濺射方法在單晶硅襯底上制備厚度為8納米的Al薄層；另一硅片先通過陽極氧化方法在表面制備一層多孔硅層，然后采用分子束外延技術在多孔硅上外延200納米的單晶硅層，將外延片與Al薄膜淀積硅片高溫鍵合，并處理從多孔硅層處裂開。采用化學機械拋光將裂開的鍵合片表面拋光。以150keV向鍵合片中注入1×1018/cm2劑量的氧離子，高溫處理得到以Al2O3為埋層的SOI結構。
實施例3實施例1在單晶硅片淀積Al薄層之前，先生長一層氮化硅或氧化硅，然后再按實施例1進行鍵合，離子注入以及再高溫處理，以形成復合組成的埋層，如單獨注入氮離子則形成氮化硅、氮化鋁或氧化硅、氮化鋁，如單獨注入氧離子則形成氮化硅、氧化鋁或氧化硅、氧化鋁復合組成；如N、O兩種離子共注入，則形成Si3N4、AlN、Al2O3組成復合結構，或SiO2、AlN、Al2O3復合結構。
實施例4實施例2在單晶硅片淀積Al薄層之前，先生長一層氮化硅或氧化硅，然后再按實施例1進行鍵合，離子注入以及再高溫處理，以形成復合組成的埋層，如單獨注入氮離子則形成氮化硅、氮化鋁或氧化硅、氮化鋁，如單獨注入氧離子則形成氮化硅、氧化鋁或氧化硅、氧化鋁復合組成；如N、O兩種離子同時注入，則形成Si3N4、AlN、Al2O3組成復合結構，或SiO2、AlN、Al2O3復合結構。
權利要求
1.一種絕緣層上硅結構的制備方法，其特征在于可以采用下面兩種方法中的任意一種來制備第一種制備方法(a)用濺襯或真空蒸發方法在單晶硅片上鍍上一層鋁薄層；(b)將另一單晶硅片與表面鍍有Al薄層的硅片面對面在100-700℃ 溫度下鍵合，然后從背面刻蝕減薄至其中一片僅剩幾十納米-幾百納米；(c)往鍵合片中注入氧離子或氮離子或氮、氧兩種離子，離子注入的峰值正好處于鋁薄層中間；(d)經步驟(c)注入后的鍵合片再在400-600℃溫度和保護氣氛下進行退火，使注入的氮或氧離子等與鍵合在里面的Al形成非晶AlN或Al2O3埋層；第二種制備方法(a)采用濺時或真空蒸發方法在單晶硅片上鍍上一層鋁薄層；(b)在另一單晶硅片中引入多孔硅，然后在多孔硅上外延單晶硅，與步驟(a)鍍鋁薄層的硅片鍵合；(c)鍵合后在外延單晶硅處裂開，得到單晶Si/Al/Si襯底結構；(d)然后用離子注入方法，往單晶硅層下的Al薄層中注入氮或氧離子；(e)再在400-600℃溫度下和保溫氣氛下將Al薄層轉化成AlN或Al2O3埋層。
2.按權利要求1所述的制備方法，其特征在于鍵合之前在單晶硅片表面淀積的一層鋁層厚度為5-100納米，鍵合的兩硅片或是普通拋光單晶硅片，或是一片為拋光單晶硅片，另一片是多孔硅片上外延了單晶硅薄膜的硅片。
3.按權利要求1或2所述的制備方法，其特征在于在單晶硅片淀層鋁層之前，在單晶硅片表面先生長氮化硅或氧化硅薄膜層。
4.按權利要求1所述的制備方法，其特征在于使用第一種制備方法時鍵合后從背面減薄包括刻蝕、研磨、氧化、自停止腐蝕或拋光方法。
5.一種絕緣層上硅結構，其特征在于所得到的絕緣上硅結構由三層構成，頂層是單晶硅層，厚度為20-2000nm，中間是絕緣埋層，厚度為50-500nm，底層為硅襯底。
6.按權利要求5所述的絕緣層上硅結構，其特征在于絕緣埋層，或是氮化鋁層，或是氧化鋁層，或是氮化鋁、氮化硅、氧化鋁或氧化硅中兩種或多種復合而成。
全文摘要
本發明涉及一種絕緣體上硅結構及制備方法，屬于微電子技術領域。其特征在于先后通過Al薄膜沉積、鍵合、離子注入，結合熱處理等技術來制備以氮化鋁或氧化鋁或AlN、Al
文檔編號H01L21/20GK1564308SQ200410017080
公開日2005年1月12日 申請日期2004年3月19日 優先權日2004年3月19日
發明者安正華, 林成魯, 張苗, 劉衛麗, 門傳玲 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所, 上海新傲科技有限公司