專利名稱：含氧化多孔硅的低阻硅襯底及其制備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及適合于制造射頻電路的低阻硅襯底的制備。射頻電路指工作于射頻、微波和毫米波波段的元器件、組件及其組合電路和微電子機械(MEMS)系統(tǒng)，屬微電子固體器件及其制造的技術領域。
背景技術：
隨著通訊、特別是無線移動通信技術的飛速發(fā)展，急需將射頻/微波有源器件與無源器件，如共平面波導、電容器、電感器、濾波器、放大器、移相器及天線等，集成在與常規(guī)IC電路兼容的單片襯底上。電阻率為1～30Ω·cm的低阻硅價格低廉，適于作為制造ULSIC和ASIC集成電路的襯底。但低阻硅卻不適合作為射頻電路的襯底。如把射頻電路制造在低阻硅襯底上，那么后者將為前者引入過大的插入損耗和電容耦合效應，大大降低了前者的工作效率和質量。又因為不同的有源器件、無源器件對襯底的阻抗和介電常數(shù)有不同的需求，在同一塊襯底上很難滿足這種需求。這就是至今未采用低阻硅襯底來制造射頻、微波和毫米波波段等單片集成電路(MMIC)的原因。
發(fā)明內容
低阻硅經過陽極腐蝕后，可在其表面形成多孔硅(PS)，再經過氧化，可把多孔硅氧化成氧化多孔硅(OPS)。OPS是海綿狀的多孔物質，OPS的電阻率與OPS的多孔度、孔徑和厚度有關，可達106Ω·cm以上的數(shù)量級。如把射頻、微波和毫米波波段等單片集成電路(MMIC)制造在OPS上，那么后者為前者引入的插入損耗和電容耦合效應將比低阻硅襯底的插入損耗和電容耦合效應大大降低。此外，OPS的介電常數(shù)也與OPS的多孔度、孔徑和厚度有關。因為空氣、二氧化硅和低阻硅的相對介電常數(shù)分別為1、3.4和11.9，所以控制OPS加工工序，就可控制OPS的多孔度、孔徑和厚度，從而得到介電常數(shù)介于1～11.9的OPS，以滿足不同射頻電路對襯底的要求。綜上所述，OPS適于作制造射頻、微波和毫米波波段等單片集成電路(MMIC)的襯底。
本發(fā)明要解決的技術問題是提出一種含氧化多孔硅的低阻硅襯底，其特征在于，該襯底的一個表面由區(qū)域1和區(qū)域2甚至區(qū)域3組成，區(qū)域1是低阻硅區(qū)域，區(qū)域2和區(qū)域3是形成在低阻硅襯底上的OPS區(qū)域，根據(jù)區(qū)域2和區(qū)域3上電路所要求的阻抗和介電常數(shù)值，可選擇不同的OPS的多孔度、孔徑和厚度來滿足其要求。區(qū)域1、區(qū)域2和區(qū)域3上覆蓋有聚酰亞胺層4。在區(qū)域1上適合于制造有源器件，在區(qū)域2、區(qū)域3及其它們上面的聚酰亞胺層4上適合于制造無源器件，由此達到在低阻硅上制造射頻、微波和毫米波波段等單片集成電路(MMIC)的目的。
本發(fā)明要解決的另一個技術問題是推出一種含氧化多孔硅的低阻硅襯底的制備。本發(fā)明采用以下技術方案以低阻硅為原料，用金屬或氮化硅做掩膜，選擇區(qū)域形成多孔硅，氧化，涂敷聚酰亞胺，成膜、亞胺化四步，將原料加工成成品，即含氧化多孔硅的低阻硅襯底。
現(xiàn)結合附圖詳細說明本發(fā)明所述的襯底的制備。以上所述的一種含氧化多孔硅的低阻硅襯底的制備，以厚度為300μm的N或P型體硅。制作方式可根據(jù)需要采用整片或選擇制作PS。還可以在其表面加涂一層5～10um的聚酰亞胺膜。聚酰亞胺的介電常數(shù)是4，它的流平性比較好。不僅可以改善多孔硅、氧化多孔硅表面，還可以重復、穩(wěn)定地在其上制作微米級線條，而且不會增加襯底的損耗。
操作步驟第一步 形成多孔硅1).常規(guī)清洗硅片2).在低阻硅表面采用微電子的LPCVD技術生長一層氮化硅掩膜或用蒸發(fā)鍍膜技術在低阻硅表面形成CrAu掩膜3).涂敷光刻膠，前烘，光刻、顯影出形成多孔硅的窗口4).分別用丙酮、酒精和去離子水去除表面光刻膠5).把硅片單面放入5～40％HF溶液內，電流密度為5～30mA/cm2，時間為0.5～3小時6).加上反向電場2～10分鐘后，取出硅片7).放入去離子水中浸泡、清洗后，用酒精脫水8).去除CrAu或氮化硅掩膜如制作無源元器件襯底，2)，3)，4)步省略；第二步 氧化(見圖2)
1).把生長好多孔硅的硅片，放入氧化爐內，先通入干氧，升溫至300℃，再通入濕氧2).逐步升溫到氧化溫度(600～1180℃)，升溫過程持續(xù)4～10小時3).恒溫濕氧化1～2小時，干氧化0.5～1小時4).繼續(xù)通入干氧，自然降溫至200℃以下，把片子取出；第三步 涂敷聚酰亞胺層1).把清潔的氧化多孔硅片放入普通烘箱內，從室溫升至200℃，時間為半小時2).利用旋轉離心涂膠工藝，將固體含量10-30％的聚酰亞胺膠液均勻涂布在氧化多孔硅基片的表面，轉速為3000～4000rpm，溫度為20℃，涂布時間為60秒3).把涂敷完聚酰亞胺層的基片，放入80℃的烘箱內加熱半小時，繼續(xù)升溫至100℃，45分鐘4).涂光刻正膠，4000轉，30分鐘，前烘15min，光刻，顯影，去除不需要的聚酰亞胺5).分別用丙酮、酒精和去離子水去除光刻正膠；第四步 亞胺化1).將上三步完成的基片放入烘箱內進行熱處理100℃半小時→125℃半小時→150℃半小時→175℃半小時→200℃半小時2).通入氮氣，繼續(xù)升溫至300℃，時間為1～2小時，使聚酰亞胺亞胺化，至此，含氧化多孔硅的低阻硅襯底制備完畢。
本發(fā)明的突出優(yōu)點是1).通過控制OPS加工工序，可調節(jié)PS/OPS的孔徑、厚度和多孔度，其介電常數(shù)可以從11.9調節(jié)至接近1；2).可以極大降低低阻硅的襯底的阻抗損耗和導體損耗；3).通過選擇制作OPS，可以明顯降低有源器件的寄生電容，緩解了微波有源器件寄生電容和寄生電阻這對矛盾，有效提高有源器件的工作頻率；4).可以使無源元器件和有源元器件集成在一片低阻硅襯底上。
圖1是在低阻硅襯底1上，選擇形成OPS示意圖，(a)圖是在低阻硅上蒸發(fā)CrAu4，涂光刻膠5后，開出形成多孔硅的窗口示意圖；(b)圖是已完成氧化多孔硅2的低阻硅剖面示意圖；(c)圖足去除掩膜層后的含局部多孔硅的低阻硅剖面示意圖。
圖2是經過氧化后含局部氧化多孔硅6的低阻硅剖面示意圖。
圖3是表面涂敷聚酰亞胺7后，局部氧化多孔硅的低阻硅剖面示意圖；(a)圖表示在整個基片表面涂敷一層聚酰亞胺；(b)圖是再在聚酰亞胺上涂敷光刻膠5，(c)圖是光刻開出劃片槽后，局部氧化多孔硅的低阻硅剖面示意圖。
圖4是經過亞胺化后，局部氧化多孔硅的低阻硅剖面示意圖。
圖5是實施例2的實施步驟示意圖。
圖6是實施例3的實施步驟示意圖。
圖7是實施例4的實施步驟示意圖。
具體實施例方式
實施例1，在P型低阻硅襯底區(qū)域1上，選擇制作多孔硅區(qū)域2。
首先取一低阻(1～30Ω.cm)Si襯底上生長一層氮化硅或蒸發(fā)CrAu掩膜，用常規(guī)光刻方法，涂敷光刻膠，光刻、顯影出形成多孔硅的窗口，見圖1(a)。去除光刻膠，清洗后，把該片單面放入40％HF溶液內，電流密度為5～10mA/cm2，時間可以20分鐘～3小時，如果需要介電常數(shù)低一點，襯底損耗小一點，可取較長反應時間。然后，由此形成局部多孔硅，見圖1(b)。用碘/碘化鉀和鹽酸去除CrAu掩膜，見圖1(c)。把生長好多孔硅的低阻硅片，放入氧化爐內，先通入干氧，升溫至300℃，再通入濕氧，逐步升溫到氧化溫度(600～1180℃)，升溫過程緩慢，持續(xù)4～10小時，恒溫濕氧化1～2小時，干氧化0.5～1小時，繼續(xù)通入干氧，自然降溫至200℃以下，在低阻硅上形成局部氧化多孔硅。見圖2。把上述片子放入烘箱，升溫至200℃后取出，涂敷聚酰亞胺，轉速為3000～4000轉，時間為1分鐘。見圖3(a)。把涂敷聚酰亞胺層的片子放入烘箱，先升溫至80℃，半小時后繼續(xù)升溫至100℃、45分鐘后，取出片子、涂敷光刻正膠，光刻，顯影，去除劃片槽上的聚酰亞胺層。見圖3(b)。去除光刻膠，逐步升溫至200℃。見圖3(c)。通入氮氣，逐步升溫至300℃，恒溫1～2小時，完成亞胺化。見圖4。至此完成整個工藝過程。
實施例2，在上述實施例1中，已完成局部多孔硅區(qū)域2，即圖1(c)步驟后，如果需要可以繼續(xù)制作局部多孔硅區(qū)域3。區(qū)域2和區(qū)域3可以是不同的厚度，原則上區(qū)域2要比區(qū)域3薄。
具體實施方式
見圖5。
首先在含有區(qū)域1和區(qū)域2的低阻硅襯底上，見圖5(a)。蒸發(fā)一層CrAu后，涂敷光刻膠，80℃前烘15分鐘，光刻、顯影，開出欲多孔硅的窗口，見圖5(b)。去除光刻膠，清洗后，把該片單面放入40％HF溶液內，電流密度為5～10mA/cm2，時間為2～3小時，然后，由此形成局部多孔硅區(qū)域3，見圖5(c)。去除CrAu掩膜，見圖5(d)。后面布置同實施例中的圖2、3、4。圖5(e)進行氧化，圖5(f)涂敷聚酰亞胺層，圖5(g)涂正膠、光刻、顯影，開出劃片槽，圖5(h)去正膠、亞胺化。至此完成整個工藝過程。
實施例3，在P型低阻硅襯底區(qū)域1上用外延的方法生長一層N型低阻硅9后，再在其上制作區(qū)域2和區(qū)域10。具體實施例見圖6。
首先在P型低阻硅襯底上，用常規(guī)氣相外延、液相外延或分子束外延、金屬有機化學氣相淀積的方法生長一層1～10微米的N型低阻硅區(qū)域9，見圖6(a)。再在其上蒸發(fā)一層CrAu掩膜，涂敷光刻膠后，光刻顯影，腐蝕CrAu，開出需要形成多孔硅的區(qū)域2，見圖6(b)。去除光刻膠后，重新涂敷光刻膠，光刻、顯影，腐蝕CrAu，開出需要形成多孔硅區(qū)域10，見圖6(c)把片子清洗干凈，放入1～40％HF溶液中，形成多孔硅區(qū)域2和區(qū)域10，見圖6(d)。用碘加碘化鉀去除CrAu，見圖6(e)。把該片放入氧化爐內，先通入干氧，升溫至300℃，再通入濕氧，逐步升溫到氧化溫度(600～1000℃)，升溫過程緩慢，持續(xù)4～10小時，恒溫濕氧化1～2小時，干氧化0.5～1小時，繼續(xù)通入干氧，自然降溫至200℃以下，在低阻硅上形成局部氧化多孔硅，見圖6(f)。至此完成整個工藝過程。
實施例4，在P型低阻硅襯底區(qū)域1上用離子注入或擴散的方法形成一N型低阻硅區(qū)域12后，再在其上制作區(qū)域2和區(qū)域10。具體實施例見圖7。
首先在清潔的P型低阻硅襯底區(qū)域1上，氧化1微米厚度的二氧化硅11，涂膠、光刻，腐蝕二氧化硅，開出窗口，去除光刻膠、清洗，見圖7(a)。用常規(guī)熱擴散的方法擴磷，形成N區(qū)域12，見圖7(b)。如果采用離子注入形成N區(qū)域的方法，可以省略第一步氧化。在上述片子上蒸發(fā)CrAu掩膜，涂敷光刻膠，光刻、顯影，腐蝕CrAu，開出形成多孔硅的區(qū)域2和區(qū)域10，見圖7(c)。放入HF溶液中形成多孔硅，見圖7(d)。用碘加碘化鉀去除CrAu保護層，清洗干凈，把該片放入氧化爐內，先通入干氧，升溫至300℃，再通入濕氧，逐步升溫到氧化溫度(600～1000℃)，持續(xù)4～10小時，恒溫濕氧化1～2小時，干氧化0.5～1小時，繼續(xù)通入干氧，自然降溫至200℃以下，在低阻硅上形成局部氧化多孔硅，見圖7(e)。至此完成整個工藝過程。
權利要求
1.一種含氧化多孔硅的低阻硅襯底，其特征在于該襯底的一個表面由區(qū)域(1)和區(qū)域(2)甚至區(qū)域(3)組成；區(qū)域(1)是低阻硅區(qū)域，區(qū)域(2)和區(qū)域(3)是形成在低阻硅襯底上的含氧化多孔硅區(qū)域；根據(jù)區(qū)域(2)和區(qū)域(3)上電路所要求的阻抗和介電常數(shù)值，可選擇不同的含氧化多孔硅的多孔度、孔徑和厚度來滿足其要求；區(qū)域(1)、區(qū)域(2)和區(qū)域(3)上覆蓋有聚酰亞胺層(4)。
2.一種含氧化多孔硅的低阻硅襯底的制備方法，包括以低阻硅為原料，用金屬或氮化硅做掩膜，選擇區(qū)域形成多孔硅，氧化，涂敷聚酰亞胺，成膜、亞胺化四步，其特征在于具體步驟如下第一步 形成多孔硅1).常規(guī)清洗硅片2).在低阻硅表面采用微電子的LPCVD技術生長一層氮化硅掩膜或用蒸發(fā)鍍膜技術在低阻硅表面形成CrAu掩膜3).涂敷光刻膠，前烘，光刻、顯影出形成多孔硅的窗口4).分別用丙酮、酒精和去離子水去除表面光刻膠5).把硅片單面放入5～40％HF溶液內，電流密度為5～30mA/cm2，時間為0.5～3小時6).加上反向電場2～10分鐘后，取出硅片7).放入去離子水中浸泡、清洗后，用酒精脫水8).去除CrAu或氮化硅掩膜如制作無源元器件襯底，2)，3)，4)步省略；第二步 氧化1).把生長好多孔硅的硅片，放入氧化爐內，先通入干氧，升溫至300℃，再通入濕氧2).逐步升溫到氧化溫度600～1180℃，升溫過程持續(xù)4～10小時3).恒溫濕氧化1～2小時，干氧化0.5～1小時4).繼續(xù)通入干氧，自然降溫至200℃以下，把片子取出；第三步 涂敷聚酰亞胺層1).把清潔的氧化多孔硅片放入普通烘箱內，從室溫升至200℃，時間為半小時2).利用旋轉離心涂膠工藝，將固體含量10-30％的聚酰亞胺膠液均勻涂布在氧化多孔硅基片的表面，轉速為3000～4000rpm，溫度為20℃，涂布時間為60秒3).把涂敷完聚酰亞胺層的基片，放入80℃的烘箱內加熱半小時，繼續(xù)升溫至100℃，45分鐘4).涂光刻正膠，4000轉，30分鐘，前烘15min，光刻，顯影，去除不需要的PI5).分別用丙酮、酒精和去離子水去除光刻正膠；第四步 亞胺化1).將上三步完成的基片放入烘箱內進行熱處理100℃半小時→125℃半小時→150℃半小時→175℃半小時→200℃半小時2).通入氮氣，繼續(xù)升溫至300℃，時間為1～2小時，使聚酰亞胺亞胺化，至此，含氧化多孔硅的低阻硅襯底制備完畢。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適合于制造射頻電路的含氧化多孔硅的低阻硅襯底。該襯底的一個表面由區(qū)域1和區(qū)域2甚至區(qū)域3組成，區(qū)域1是低阻硅區(qū)域，區(qū)域2和區(qū)域3是形成在低阻硅襯底上的含氧化多孔硅區(qū)域。在區(qū)域1上適合于制造有源器件，在區(qū)域2、區(qū)域3上適合于制造無源器件，由此達到在低阻硅上制造射頻、微波和毫米波波段等單片集成電路的目的。同時本發(fā)明還公開了該襯底的制備，包括以低阻硅為原料，用金屬或氮化硅做掩膜，選擇區(qū)域形成多孔硅，氧化，涂敷聚酰亞胺，成膜、亞胺化等四步。本發(fā)明的優(yōu)點是可以滿足不同射頻電路對襯底的要求。同時可以極大降低低阻硅襯底的阻抗損耗和導體損耗；可以使無源元器件和有源元器件集成在一片低阻硅襯底上。
文檔編號H01L21/70GK1484280SQ0314220
公開日2004年3月24日 申請日期2003年8月11日 優(yōu)先權日2003年8月11日
發(fā)明者郭方敏, 陸衛(wèi), 朱自強, 王偉明, 葛羽屏, 李寧 申請人:中國科學院上海技術物理研究所, 華東師范大學