專利名稱：金剛石膜上的薄層硅結(jié)構(gòu)芯片材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬一種單晶硅芯片材料及制備方法，特別涉及一種帶金剛石膜的薄層硅結(jié)構(gòu)芯片材料及制備方法。
目前，常見的抗輻射電子器件的材料是絕緣物上的薄層單晶硅材料，稱為SOI材料。金剛石膜上的薄層硅結(jié)構(gòu)是發(fā)展了的絕緣層上的薄層硅結(jié)構(gòu)。由于金剛石膜的高絕緣、高導(dǎo)熱性，使該材料成為制作大功率電子器件和抗輻射電子器件的理想材料。
與本發(fā)明最相接近的薄層硅結(jié)構(gòu)芯片材料與工藝是“硅片鍵合與背面刻蝕制作的CMOS/SOI器件的輻射特性”文章中介紹的材料及工藝，該文章載《IEEE Transactions on Nuclear Science》Vol.35，NO.6，December 1988，1653～1656。文章介紹的芯片材料的結(jié)構(gòu)如

圖1所示。芯片材料是以單晶硅為襯底，稱襯底單晶硅1，其上形成有襯底二氧化硅層2；最上面為用于制作電子器件的鍵合單晶硅5，鍵合單晶硅5下表面形成有鍵合二氧化硅層3，襯底二氧化硅層2與鍵合二氧化硅層3，經(jīng)高溫鍵合而成為二氧化硅絕緣層。其制備工藝大致為襯底單晶硅1和鍵合單晶硅5，經(jīng)氧化分別形成襯底二氧化硅層2和鍵合二氧化硅層3，兩單晶硅片上的二氧化硅層(2，3)經(jīng)密合，在1100℃高溫和凈化濕氧條件下，鍵合2小時，形成一塊芯片材料，最后用機(jī)械與非接觸化學(xué)拋光減薄鍵合單晶硅5至適合制作電子器件的厚度，形成絕緣二氧化硅上的薄層硅結(jié)構(gòu)(SOI結(jié)構(gòu))的芯片材料。
這種結(jié)構(gòu)采用二氧化硅為絕緣層，使薄層硅上所制作的器件具有抗輻射特征。但由于SOI結(jié)構(gòu)的材料受本身禁帶寬度的限制，造成該材料抗輻射性能和導(dǎo)熱性能有一定的限度，不利于大功率器件和抗強(qiáng)輻射器件的制作，在工藝上，由于鍵合是在高溫下直接進(jìn)行，在牢固性方面也有缺陷，成品率較低。
本發(fā)明的目的是，設(shè)計(jì)一種以金剛石膜為絕緣層的薄層硅結(jié)構(gòu)芯片材料，設(shè)計(jì)一套為實(shí)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)的工藝過程和工藝條件，使制備出的金剛石膜上的薄層硅結(jié)構(gòu)能克服SOI結(jié)構(gòu)的不足，即有利于抗強(qiáng)輻射或/和大功率器件的制作，又能鍵合牢固、制作方便、成功率高。
本發(fā)明的金剛石膜上的薄層硅結(jié)構(gòu)(稱SOD結(jié)構(gòu))芯片材料，以單晶硅片為襯底，稱為襯底單晶硅，它是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)材料中起支撐作用的單晶硅片，其表面制備有襯底二氧化硅層；另一片單晶硅片用于與襯底單晶硅一起密合后鍵合，最后被減薄形成薄層硅，用于制作電子器件，它被稱為鍵合單晶硅，其上制備有鍵合二氧化硅層。兩塊單晶硅片上的二氧化硅層密合經(jīng)高溫鍵合形成一層二氧化硅絕緣層。與現(xiàn)有技術(shù)的SOI結(jié)構(gòu)不同的是，在鍵合單晶硅和二氧化硅絕緣層之間，(即在鍵合單晶硅與鍵合二氧化硅層之間)，先形成有二氧化硅過渡薄層，其上制備有金剛石膜和氮化硅保護(hù)層。
圖1是現(xiàn)有技術(shù)的SOI材料的橫斷面示意圖。
圖2是本發(fā)明的金剛石膜的薄層硅結(jié)構(gòu)橫斷面示意圖。
圖2中，1是襯底單晶硅，可以有300μm的厚度，其表面制備有襯底二氧化硅層2，厚度可為0.3μm；5為鍵合單晶硅，厚度跟襯底單晶硅1一樣，經(jīng)減薄形成薄層硅后，其厚度在0.5～3μm，最好為1μm左右，成為適于制作電子器件的芯片材料。在鍵合單晶硅5上制備有一層二氧化硅過渡薄層6，厚度可為10-2μm量級，比方10-2μm，它可以減少金剛石摸膜7與薄層硅之間的界面態(tài)密度，阻擋以后制作電子器件時雜質(zhì)的擴(kuò)散。金剛石膜7的厚度為1～4μm，最好為2μm，在金剛石膜7的下表面的氮化硅保護(hù)層8，厚度可以是10-1μm量級它起到防止金剛石膜7被氧化的作用。最后形成的一層鍵合二氧化硅層3，跟襯底二氧化硅層2密合后鍵合形成二氧化硅絕緣層。
由于本發(fā)明的芯片材料引入了金剛石膜7，為了使制備出的芯片材料具有鍵合的牢固性，提高鍵合成功率，采用了與現(xiàn)有技術(shù)不同的工藝過程。具體鍵合制備過程如下所述。
用制備好的一片單晶硅片作鍵合單晶硅5，其一個表面先形成二氧化硅過渡薄層6，再順次生長金剛石膜7和氮化硅保護(hù)層8；在氮化硅保護(hù)層8上生長一層厚度可為0.3μm的多晶硅，多晶硅層氧化形成鍵合二氧化硅層3。用制備好的另一片單晶硅片作襯底單晶硅1，其一個表面氧化形成襯底二氧化硅層2，厚度可為0.3μm。將分別生長有鍵合二氧化硅層3和襯底二氧化硅層2的鍵合單晶硅5和襯底單晶硅1進(jìn)行親水處理，使鍵合二氧化硅層3和襯底二氧化硅層2的拋光表面面對面密合，置于高溫爐中，在凈化環(huán)境中，通干氧條件下，自常溫逐漸升溫到800～1000℃，通濕氧至1200℃，恒溫2小時。從高溫爐中取出后，減薄鍵合單晶硅5至適合制作電子器件的厚度。
所說的親水處理是將形成有鍵合二氧化硅層3和襯底二氧化硅層2的兩單晶硅片，在丙酮中超聲處理后，分別按順序經(jīng)含雙氧水的硫酸、含雙氧水的氨水、含雙氧水的鹽酸溶液中煮沸2～3分鐘；再在(50±5)℃的含雙氧水的硝酸中浸3～5分鐘，在去離子水中沖洗。
其中含雙氧水的硫酸成分可以是H2SO4∶H2O2為10∶1；含雙氨水的氮水成分可以是H2O∶H2O2∶NH3·H2O為5∶2∶1，含雙氧水的鹽酸成分可以是H2O∶H2O2∶HCl為7∶2∶1；硝酸雙氧水的成分可以是H2O2∶HNO3為1∶1。之后，沖洗用的去離子水溫度為(50±5)℃，電阻率大于16MΩ/cm，沖洗10次以上。
所說的鍵合過程中，自常溫逐漸升溫到800～1000℃是這樣進(jìn)行的將密合后的硅片放置在高溫爐距恒溫區(qū)20～30cm處，常溫下通氮?dú)?0分鐘，之后通干氧升溫，當(dāng)溫度升至800～1000℃時將密合的兩單晶硅片推至恒溫區(qū)。在通濕氧條件下，1200℃恒溫2小時后，鍵合的硅片出爐前，有一個退火過程，通氮?dú)饨禍丶s30分鐘，再緩慢將芯片材料從高溫爐中取出。
在上述的通氮、通干氧、通濕氧時，流量一般可以為0.8～1.5升/分鐘，流量過大，過小都不利于鍵合的牢固性及成品率。
所說的在襯底單晶硅1上形成的襯底二氧化硅層2與在鍵合單晶硅5上形成的鍵合二氧化硅層3拋光表面面對面密合，是在常溫下去離子水中進(jìn)行的，從去離子水中取出時，是拋光表面在豎直方向取出放入高溫爐中的。
將鍵合單晶硅5減薄，可以是機(jī)械拋光減薄之后再用離子束拋光減薄至薄層硅厚度為0.5～3μm。
本發(fā)明的金剛石膜上的薄層硅結(jié)構(gòu)(SOD)芯片材料，由于采用了金剛石膜而使在其上制備的電子器件具有抗強(qiáng)輻射性能和良好的散熱性能及絕緣性能，有益于制作大功率或/和抗輻射器件；由于有二氧化硅過渡薄層的形成，有利于阻止器件制作時雜質(zhì)的擴(kuò)散并減小金剛石膜與薄層硅的界面態(tài)密度。本發(fā)明的鍵合制備方法由于采用嚴(yán)格的親水處理、水中密合以及1200℃高溫鍵合，使鍵合具有牢固性；由于在高溫爐中自常溫開始逐漸升溫，能夠防止單晶硅片的爆裂，提高鍵合的成功率，減少廢品；由于鍵合后在氮?dú)獗Ｗo(hù)下退火，而使單晶硅晶格具有完整性，有利于電子器件的制作和穩(wěn)定。本發(fā)明的鍵合制備技術(shù)還具有制作周期短，制備工藝穩(wěn)定，制作方法簡便，批量大等特點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種金剛石膜上的薄層硅結(jié)構(gòu)，是在襯底單晶硅(1)上形成有襯底二氧化硅層(2)；最上面的鍵合單晶硅(5)通過其上的一層鍵合二氧化硅層(3)跟襯底二氧化硅層(2)高溫鍵合形成一層二氧化硅絕緣層；本發(fā)明的特征在于，在鍵合單晶硅(5)和鍵合二氧化硅層(3)之間，先形成二氧化硅過渡薄層(6)，其上制備有金剛石膜(7)和氮化硅保護(hù)層(8)。
2.按照權(quán)利要求1所述的金剛石膜上的薄層硅結(jié)構(gòu)，其特征在于在鍵合單晶硅(5)上的二氧化硅過渡薄層(5)厚度為10-2μm量級，金剛石膜(7)的厚度為1～4μm，氮化硅保護(hù)層(8)厚度10-1μm量級，鍵合單晶硅(5)經(jīng)減薄所形成的薄層硅厚度為0.5～3μm。
3.一種金剛石膜上的薄層硅結(jié)構(gòu)的鍵合制備方法，是在襯底單晶硅(1)和鍵合單晶硅(5)的一個表面上分別形成襯底二氧化硅層(2)和鍵合二氧化硅層(3)；經(jīng)凈化的氧氣環(huán)境中鍵合，再減薄鍵合單晶硅(5)，本發(fā)明的特征在于，在鍵合前，在鍵合單晶硅(5)上先形成二氧化硅過渡薄層(6)，其上順次生長金剛石膜(7)和氮化硅保護(hù)層(8)；所說的鍵合二氧化硅層(3)是在氮化硅保護(hù)層(8)上生長一層多晶硅，再氧化形成的；所說的鍵合，是先經(jīng)過親水處理，將襯底單晶硅(1)上的襯底二氧化硅層(2)跟鍵合單晶硅(5)表面上的鍵合二氧化硅(3)拋光表面面對面密合，放在高溫爐中，在凈化環(huán)境中通干氧條件下，自常溫逐漸升溫到800～1000℃，通濕氧至1200℃恒溫2小時；從高溫爐取出后減薄鍵合單晶硅(5)至適合制作電子器件的厚度。
4.按照權(quán)利要求3所述的金剛石膜上的薄層硅結(jié)構(gòu)的鍵合制備方法，其特征在于所說的親水處理是將形成有襯底二氧化硅層(2)和鍵合二氧化硅層(3)的兩單晶硅片，在丙酮中超聲處理后，分別按順序經(jīng)含雙氧水的硫酸、含雙氧水的氨水、含雙氧水的鹽酸溶液中煮沸2～3分鐘，再在(50±5)℃的含雙氧水的硝酸中浸3～5分鐘，在去離子水中沖洗干凈，再密合鍵合。
5.按照權(quán)利要求3或4所述的金剛石膜上的薄層硅結(jié)構(gòu)的鍵合制備方法，其特征在于親水處理中所用的含雙氧水的硫酸成分是H2SO4∶H2O2為10∶1；含雙氧水的氨水的成分是H2O∶H2O2∶NH3·H2O為5∶2∶1；含雙氧水的鹽酸溶液的成分是H2O∶H2O2∶HCl為7∶2∶1；含雙氧水的硝酸的成分是H2O2∶HNO3為1∶1；所說的在去離子水中沖洗，是在電阻率大于16MΩ/cm的(50±5)℃的去離子水中沖洗10次以上。
6.按照權(quán)利要求3或4所述的金剛石膜上的薄層硅結(jié)構(gòu)的鍵合制備方法，其特征在于在鍵合中，自常溫逐漸升溫至800～1000℃的過程包括將密合后的兩單晶硅片放置在高溫爐中距恒溫后區(qū)20～30厘米處，常溫下通氮?dú)?0分鐘，之后通干氧升溫，當(dāng)溫度升至800～1000℃時將密合的兩單晶硅片推到恒溫區(qū)；在高溫鍵合后還要經(jīng)退火過程，即在濕氧條件下1200℃恒溫2小時后，通氮?dú)饨禍?0分鐘，再緩慢將制備成的芯片材料從高溫爐中取出；在鍵合中所通的氮?dú)?、干氧、濕氧的流量均?.8～1.5升/分鐘。
7.按照權(quán)利要求3或4所述的金剛石膜上的薄層硅結(jié)構(gòu)的鍵合制備方法，其特征在于所說的襯底二氧化硅層(2)和鍵合二氧化硅層(3)的拋光表面面對面密合，是在常溫下去離子水中進(jìn)行的，從去離子水中取出時，是拋光表面在豎直方向取出放入高溫爐的。
8.按照權(quán)利要求6所述的金剛石膜上的薄層硅結(jié)構(gòu)的鍵合制備方法，其特征在于所說的襯底二氧化硅層(2)和鍵合二氧化硅層(3)的拋光表面面對面密合，是在常溫下去離子水中進(jìn)行的，從去離子水中取出時，是拋光表面在豎直方向取出放入高溫爐的。
全文摘要
金剛石膜上的薄層硅結(jié)構(gòu)屬用于制作電子器件的芯片材料。制備過程大致是在鍵合單晶硅(5)上順次形成SiO
文檔編號H01L21/00GK1132408SQ9511937
公開日1996年10月2日 申請日期1995年12月12日 優(yōu)先權(quán)日1995年12月12日
發(fā)明者顧長志, 金曾孫 申請人:吉林大學(xué)