專利名稱：用于高頻集成電路的襯底的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于設置集成電路的襯底，特別地，涉及以高頻工作的集成電路和用于這種集成電路中的元件的襯底。
對于在例如無線電通訊的電子電路領域內的普通應用有使用越來越高的頻率的趨勢。今天，頻率范圍已經擴展到千兆赫(GHz)范圍。在這些頻率情況下，用于設置單片集成電路的襯底的性能變得越來越重要。通常，砷化鎵基的半絕緣襯底已用于處理具有微波頻率范圍的信號的單片集成電路，這種電路被稱為MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuits單片微波集成電路)，因而對千兆赫頻率來說具有的良好信號性能。
最近，Westinghouse公司推出了一種稱為MICROXTM的相似的襯底材料，用于硅基集成電路，見由M.H.Hanes等人發(fā)表的文章“MICROXTM-An All-Silicon Technology for Monolithic Microwave Integrated Circuits”，Electron Device Letters，Vol.14，No.5，May 1993，pp.219-221。使用絕緣體底硅即SOI類型的硅晶片包括具有約10kohm-cm的原始電阻率值的高電阻率襯底。然而，由于需要很低的摻雜濃度，所以很難形成具有這樣高電阻率的硅。而且，襯底表面上的集成電路及元件的相當生產化的過程會降低此電阻率。而且，所推出的材料作為半絕緣材料并不如采用砷化鎵或磷化銦為基材料而獲得的那些材料好，這種推出的材料對于設置在其上的電路的高頻特性有不利的影響。
在Vu Quoc Ho和Takauo Sugano的文章“Fabrication of Si MOSFET’sUsing Neutron-Irradiated Silicon as Semi-Insulating Substrate”，IEEE-TED 24(4)，p.487(1982)中，公開了通過用中子輻射硅獲得具有非常高的電阻率的硅的方法，但所制成的材料具有的電阻率在制造集成電路的過程中是不穩(wěn)定的。
已經發(fā)現有些半導體材料具有半絕緣特性，而這些特性可以解釋為是從用做或產生具有疊加耗盡區(qū)的“掩埋”勢壘的材料內的沉積物得到的。對于砷化鎵基的半導體材料，發(fā)現其沉積物是砷的毫微顆粒，見Warren，A.C.；Woodall，J.M.；Freeouf，J.L.；Grischkowsky，D.和其他人的文章“Arsenicprecipitates and the semi-insulating properties of GaAs bufferlayers grown by low-temperature molecular beam epitaxy”，AppliedPhysics Letters，24 Sept.1990，Vol.57，No.13，pp.1331-1333，對于磷化銦基的材料，發(fā)現了銅-銦沉積物，見Leon，R.P.；Werner，P.；Eder，C.；Weber，E.R.的文章“Structure and thermal stability of Cu-Inprecipitates and their role in the semi-insulating behaviour ofInPCu”，Applied Physics Letters，23 Nov.1992，Vol.61，No.21，pp.2545-2547。
本發(fā)明的目的是提供一種適用于硅基集成電路領域中的普通處理方法的襯底材料，特別地，適用于制造以高頻和甚高頻如千兆赫范圍的頻率工作的元件。
本發(fā)明的另一個目的是提供制造特別適用于以高頻工作的元件的硅襯底的方法，但并不限于使用高頻的應用，例如可以用于高壓器件。
因而，本發(fā)明解決的問題是如何提供用于高頻應用的硅襯底，可以使用硅處理的標準方法制造，并容許元件設置在其表面內和/或其表面上，而且使用硅處理的標準方法，這些方法不影響襯底的基本特性。
本發(fā)明是基于理解到可以采用與用于III-V族材料、砷化鎵和磷化銦的相似的方法形成半絕緣硅襯底，如上所述，使用異質結勢壘如肖特基(Schottky)或pn異質結以通過電荷載流子耗盡硅材料，以便形成與半絕緣砷化鎵相比具有非常高的電阻率的材料。
以此，可形成用于制造集成電路的硅襯底，此襯底具有至少一層通過將包括具有金屬性能且任意形狀的顆粒形成為層而形成的半絕緣硅層。這些顆?？梢杂梢韵虏牧显诠柚行纬山饘?，如鎢和鉬；金屬硅化物，如X硅化鈷、X硅化鉑、X硅化鎢和X硅化鉬，或形成異質結的其它材料，如碳化硅、氮化鎵和氮化鋁。這些顆粒應該是很小的，通常直徑為1-1000nm，即在亞微米范圍，而且應該以這樣的密度存在，即相鄰顆粒的耗盡區(qū)彼此重疊。由這些顆粒形成的晶格可以基本上是二維或三維的。在砷化鎵中嵌入納米(nm)尺寸的鎢盤陣列(matrices of tungsten discs)的方法公開于L.-E.Wernersson、N.Carlsson，B.Gustafsson、A.Litwin和L.Samuelson的下列文章中“Lateral current-constriction in vertical devices usingopenings in buried lattices of metallic disc”，Applied PhysicsLetters，10 Nov.1997，Vol.71，No.19，pp.2803-2805。類似的方法也可用于硅-材料。
在美國專利US 4,901,121中公開了一種包括多孔金屬硅化物層的半導體器件。這樣一種多孔導電層在某些方面被認為等效于一個導電顆粒層。然而，包含這樣的非常好的導電層內部的半導體器件并不適于高頻應用，因為對于高頻的電操作來說，在多孔導電層中將會整體地感應出破壞半導體器件的性能的電流。而在彼此電絕緣的一層顆粒中，只在顆粒中獲得感應電流，結果只造成非常小的感應損耗。
具有穩(wěn)定的半絕緣層內部的硅襯底顯然非常適用于在其表面上的制造集成電路，其中可以直接采用用于硅處理的標準的和非常精細和有效的方法，由于半絕緣層將使電路與體襯底絕緣并由此減小襯底中的寄生電容和介電損耗，因此這些集成電路很適用于具有高頻的電信號。
于是，襯底材料通常以硅為基，并且具有至少一個以硅為基且通常作為內部層的半絕緣層，它包括其周圍有耗盡區(qū)的顆粒。為了形成半絕緣層，顆粒分布得使相鄰顆粒的耗盡區(qū)互相重疊。特別地，這些顆?？梢灾频没蜻x擇得使耗盡區(qū)是通過硅和顆粒之間的異質結產生的?；蛘?，這些顆粒可制成得使耗盡區(qū)是通過硅和顆粒之間的肖特基勢壘產生的。
顆?？梢园ɡ缃饘僭?，特別是鉬和/或鎢原子，和/或硅化物分子，如選自鈷、鉬、鎢、鈦、鉑、鎳的一種或多種金屬的硅化物的分子。這些顆粒還包括碳化物材料，如碳化硅，或氮化物材料，如氮化鋁、氮化鎵、氮化鈦。
襯底材料可以由硅板通過在其表面層中產生具有肖特基勢壘或異質結的顆粒形成。這些顆粒制成得使其以相鄰顆粒的肖特基勢壘或異質結獲得的耗盡區(qū)互相重疊的方式分布。或者，可以處理或制備表面層使得這些顆?？稍诤髞淼碾A段中形成，例如通過加熱該材料。然后在表面層之上施敷以硅為基的層，特別是硅和/或氧化硅，使其上施敷層總是硅層。在已經產生了顆粒的情況下，必須執(zhí)行施敷操作，使顆粒的肖特基勢壘或異質結基本不改變。在表面層只是制備得用于形成顆粒的情況下，可以在施敷操作之后或最好在施敷操作中形成顆粒，這是因為它可處于很多種情況下，例如包括熱處理或退火步驟。
襯底材料可制作得包括通過在施敷以硅為基的層時使用只由硅制成的層形成的較厚的半絕緣層。然后將該上部硅層薄化，并在薄化的硅層的表面層中形成具有肖特基勢壘或異質結的顆粒，這些顆粒的分布如上所述?；蛘?，可以形成或制備表面層，使這種顆粒稍后形成。然后在表面層上部施敷只有硅的另一層，這可以采用與上面一樣的施敷操作制成，使得在已經產生顆粒的情況下，顆粒的肖特基勢壘基本不變。在表面層只是制備得用于形成顆粒的情況下，可以在此步驟中或在此步驟之后形成顆粒。重復這些步驟，直到得到所需要的層厚為止。
硅的上層通常被薄化到適當的厚度，用于在該層之上和/或之中設置集成電路和電子元件。
在表面層中制造顆?；驕蕚湫纬深w粒時，可用形成硅化物或含硅的半導體化合物的一些材料濺射、蒸發(fā)、注入或噴射硅板表面。然后加熱表面層，特別是加熱整個板，從而在表面層中形成所述硅化物或所述半導體化合物。在濺射、蒸發(fā)、注入或噴射操作中，可以使用金屬材料或其化合物材料，特別是包含選自下列一種或多種金屬的金屬材料鈷、鉬、鎢、鈦、鉑、鎳，特別是鈷或其化合物。表面層中的顆粒還可以在制成硅板的硅錠的晶體生長過程中嵌入襯底之中。
通過下面詳細的說明使本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點更明顯，或者可以通過實施本發(fā)明而了解到。借助于后附的權利要求書所特別指出的方法、工藝、裝置及其組合可實現并獲得本發(fā)明的目的和優(yōu)點。
本發(fā)明的新穎的特征由后附的權利要求書所表述，通過下面結合附圖對非限制性的實施例的詳細介紹可以更完全地理解本發(fā)明，包括其結構和內容，并能獲得本發(fā)明的上述和其它特征，附圖中

圖1是具有一個半絕緣內部層的硅襯底的剖視圖，和圖2是具有一個半絕緣內部層的絕緣SOI襯底的剖視圖。
具有內部半絕緣層的硅襯底通過采用肖特基勢壘而制造，以通過電荷載流子耗盡硅材料，從而得到具有至少一個非常高的電阻率的內部層的襯底。該內部層被制成得包含具有金屬或半導體性能的顆粒。這些顆粒可以由在硅中形成肖特基勢壘的金屬、硅化物或其它材料形成。這些顆粒也可以由對硅形成異質結的半導體材料形成。這些顆粒是很小的，而且通常直徑為1-1000納米。它們在層中的分布得使相鄰顆粒的耗盡區(qū)互相重疊。由這些顆粒形成的晶格對于單層來說基本上是兩維的，或者通過在相互的頂層上設置幾個相同的單層而制成三維的。下面將以較詳細的方式描述具有半絕緣層的硅襯底的兩個實施例。
實施例1具有掩埋半絕緣內層的硅晶片用含鈷(Co)的合適的材料濺射硅晶片1的例如單晶晶片的表面，見圖1，使得非常薄的鈷膜施敷該表面，其厚度例如小于100。然后，使用退火工藝使具有施敷層的表面硅化，使得該晶片在適當的環(huán)境空氣中在適當的時間期間進行足夠高溫的處理，如Ph.D.thesis“Process IntegrationIssues for High-Performance Bipolar Technology”by T.E.Karlin，KTH，Stockholm 1997年，ISSN 0284-0545中所述。形成顆粒的另一方法是用金屬煙霧劑噴射晶片表面，然后產生硅化物。由此形成的硅化鈷以隔離團塊的方式聚集，其尺寸取決于原始鈷層和退火工藝條件，由此形成具有對于硅來說為肖特基勢壘的顆粒3。因此，在顆粒周圍形成其延伸程度取決于硅襯底的摻雜水平的耗盡區(qū)，它們延伸到側面和下面，由此還進入直接位于含團塊的層的下面的硅晶片的表面層5中。另一硅晶片7是直接鍵合到第一晶片上的晶片，見例如K.Ljungberg，A.Sderbrg，A.Tiensuu，S.Johansson，G.Thunstrm和S.Petersson的“Buried Cobalt SilicideLayers in Silicon Created by Wafer Bonding”，J.Electrochem.Soc.141(10)，p.2829，1994。然后將頂部晶片7薄化以使其厚度適于制造位于其中和其上的元件和集成電路。然后，由顆粒的肖特基勢壘形成的耗盡區(qū)會向上延伸，向著加入的薄化后的硅層7的表面，該層將設置電子器件，未示出，特別是它們延伸到頂部、薄化硅層的底層9中。由顆粒的肖特基勢壘形成的半絕緣層5+9可以到達或者也可以不到達上部薄化晶片7的頂表面，這根據所要制造的元件而決定。
為了增強兩晶片1、7之間的鍵合強度，有必要在兩晶片的互相之間相當鍵固之后增加一個退火步驟，該退火可以在適當的溫度下和環(huán)境空氣中進行，退火時段是可選擇的。因此，也可以在晶片互相鍵合在一起之前，在退火步驟過程中形成硅化物團塊或異質結，而不是如前所述的形成。
實施例2SOI晶片用含鈷(Co)的合適材料濺射硅晶片1的例如單晶晶片的表面，見圖2，使用非常薄的鈷膜3施敷該表面，其厚度例如小于100。然后，使用退火工藝使施敷層的表面硅化，使得該晶片在適當的環(huán)境空氣中在適當的時間期間進行足夠高溫的處理。由此形成的硅化鈷以隔離團塊的方式聚集，其尺寸取決于施敷的鈷層和退火工藝采用的條件。然后形成具有導致形成耗盡區(qū)的肖特基勢壘的顆粒，耗盡區(qū)的延伸程度取決于所用硅材料的摻雜水平。耗盡區(qū)延伸到側面和下面，由此也進入直接位于含團塊的層下面的硅晶片的表面層5中。在其一個表面上的具有薄的二氧化硅層13的另一硅晶片11是直接與第一晶片鍵合的晶片，隨后二氧化硅層13被鍵合到硅化層3上，見所引的Ljunberg等人的文章。因此頂部晶片11的硅部分直接朝上，并且隨后該層被薄化以具有適于制造位于其中和其上的元件和集成電路的厚度。
實施例2的一般優(yōu)點在于由器件層11和襯底1之間的二氧化硅膜13提供的直流絕緣。
在絕緣材料的內部層即二氧化硅層直接放置在半絕緣硅層的上部且放置在薄硅層的下面的如實施例2所述的各種幾何結構可以是半絕緣層位于最后組合晶片的薄的側面上，即薄硅層和絕緣層之間，或者甚至半絕緣層位于例如氧化硅的掩埋絕緣層的兩個側面。
在硅層中嵌入金屬顆粒的另一方法包括外延生長。已采用砷化鎵說明了該方法，見L.-E.Wernersson，K.Georgsson，A.Litwin，L.Samuelson和W.Seifert的“GaAs Metalorganic Vapour Phase Epitaxial Overgrowthover nm-Sized Tungsten Wires”，Jpn.J.Appl.Phys.34，1995年8月，P.4419。最后的結果與上述鍵合在硅襯底的晶片相似。
在硅內部形成顆粒或材料團塊的另一方法是采用材料的離子注入。該注入方法會產生掩埋在單晶硅晶片中并具有高濃度的注入材料的非晶化硅區(qū)。通過在注入之后進行后退火操作，注入的材料可以擴散并形成具有相對于周圍硅的異質結或金屬性能的團塊。
為在具有適當顆粒的三維晶格的硅晶片中形成較厚的半絕緣層，多次重復進行晶片鍵合或外延的上述步驟，直到達到所需厚度為止，該方法包括在基底硅晶片的頂部制成具有團塊的層，施加頂部硅晶片，薄化頂部硅晶片，使其厚度約是例如圖1和2的頂層5的厚度的兩倍，在薄化的硅層頂部制成具有團塊的層，施加新頂部硅晶片，等等，最后的步驟是施加硅晶片或在其底表面具有氧化層的硅晶片，并且最后將頂部硅晶片薄化，使其厚度適于設置元件。
形成厚的半絕緣襯底的另一方法是在制造晶片的原硅錠的晶體生長過程中如上所述嵌入顆粒。
上面已經介紹了本發(fā)明的具體實施例，但對于本領域技術人員來說很容易實現各種附加的優(yōu)點、改進和改變。因此，本發(fā)明在其更廣泛的方面并不限于這里所示和介紹的具體細節(jié)、示意器件和所示實施例。相應地，在不脫離由所附權利要求書及其等效作用限定的一般發(fā)明概念的精神或范圍的情況下，可以做出各種修改。因此，可以理解到，后附的權利要求書試圖覆蓋屬于本發(fā)明精神和范圍內的所有這種修改和改變。
權利要求
1.一種硅基襯底材料，其特征在于，硅基半絕緣層和包括具有在其周圍的耗盡區(qū)的顆粒，這些顆粒分布得使相鄰顆粒的耗盡區(qū)互相重疊。
2.根據權利要求1的襯底材料，其特征在于，所述顆粒選擇得使其周圍的耗盡區(qū)是由硅和顆粒之間的異質結產生的。
3.根據權利要求1的襯底材料，其特征在于，所述顆粒選擇得使其周圍的耗盡區(qū)是由硅和顆粒之間的肖特基勢壘產生的。
4.根據權利要求1-3的其中任一的襯底材料，其特征在于，所述顆粒包括金屬原子和/或硅化物分子。
5.根據權利要求1-4的其中任一的襯底材料，其特征在于，所述顆粒包含選自鈷、鉬、鎢、鈦、鉑和鎳的一種或多種金屬的硅化物。
6.根據權利要求1-5的其中任一的襯底材料，其特征在于，所述顆粒包含鉬和/或鎢的原子。
7.根據權利要求1-6的其中任一的襯底材料，其特征在于，所述顆粒包含碳化物、特別是碳化硅、氮化鋁、氮化鎵、氮化鈦。
8.根據權利要求1-7的其中任一的襯底材料，其特征在于，所述半絕緣層位于硅晶片的上面。
9.根據權利要求1-8的其中任一的襯底材料，其特征在于，頂部晶片表面上的氧化硅層，所述氧化硅層的表面與所述半絕緣層鍵合。
10.一種制造硅基襯底材料的方法，其特征在于，其步驟為提供硅板，在所述硅板的表面層中制造具有肖特基勢壘或異質結的顆粒，所述顆粒分布得使相鄰顆粒的由肖特基勢壘或異質結形成的耗盡區(qū)互相重疊，或者制備表面層，由此可以形成這樣的顆粒，在表面層頂部施敷以硅為基的層，特別是硅和/或氧化硅，所述頂部施敷層可以是硅層，所述施敷操作進行得使在已有顆粒形成的情況下，所述顆粒的肖特基勢壘或異質結基本不改變，并且在已經制備表面層的情況下，形成所述顆粒。
11.根據權利要求10的方法，其特征在于，在已經制備了表面層的情況下，在施敷以硅為基的層的步驟中形成所述顆粒。
12.根據權利要求10-11的其中任一的方法，其特征在于，在施敷以硅為基的層的操作中采用只由硅制成的層，包括附加的步驟為將此頂部硅層薄化，在薄化的硅層表面層中形成具有肖特基勢壘或異質結的顆粒，所述顆粒分布得使相鄰顆粒的由肖特基勢壘或異質結形成的耗盡區(qū)互相重疊，或者制備表面層，由此可以形成這樣的顆粒，在表面層頂部上施敷只含有硅的另一層，所述施敷操作進行得使在已有顆粒形成的情況下，顆粒的肖特基勢壘基本不改變，而且在已經制備表面層的情況下，形成所述顆粒，在表面層中形成所述顆粒或制備表面層以形成這種顆粒的步驟之后，重復這些步驟，直到最后步驟為止，所述最后步驟包括在頂部表面層的頂部施敷以硅為基的層，特別是硅和/或氧化硅，頂部施敷層是硅層，施敷操作進行得使在制造顆粒的情況下，所述顆粒的肖特基勢壘或異質結基本不改變，而且在已經制備表面層的情況下，形成所述顆粒。
13.根據權利要求12的方法，其特征在于，在已經制備表面層的情況下，在施敷以硅為基的層的步驟中形成所述顆粒。
14.根據權利要求10-13的其中之一的方法，其特征在于，所述頂部硅層被薄化到適于在頂層上和/或頂層中設置集成電路和電子元件的適當厚度。
15.根據權利要求10-14的其中之一的方法，其特征在于，在表面層中形成所述顆粒時，采用形成硅化物或具有硅的半導體化合物濺射、蒸發(fā)、注入或噴射所述硅板的表面，并且隨后加熱所述表面層，特別加熱整個板，從而在所述表面層中形成所述硅化物或所述半導體化合物。
16.根據權利要求15的方法，其特征在于，在所述濺射、蒸發(fā)、注入或噴射中，采用金屬材料或其化合物，特別是含有選自鈷、鉬、鎢、鈦、鉑和鎳的一種或多種金屬的金屬材料，更特別是鈷或其化合物。
17.根據權利要求10的方法，其特征在于，在所述表面層中形成所述顆粒時，在硅錠的晶體生長過程中所述顆粒被嵌入襯底中。
全文摘要
一種硅基硅襯底材料具有使體襯底材料與頂層(7)絕緣的半絕緣內部層(5),其中集成電路要設置在頂層中。該半絕緣層是這樣形成的,即通過形成具有肖特基勢壘或pn異質結勢壘的亞微米顆粒,并且使顆粒分布得使所形成的圍繞相鄰顆粒的耗盡區(qū)互相重疊。這種顆粒將通過電荷載流子耗盡硅材料。隨后可以使用標準硅處理方法處理襯底材料,并允許制造適于高頻應用的集成電路。通過在硅晶片(1)中濺射金屬如鈷,然后借助退火處理使濺射的鈷原子硅化,由此制成硅襯底。然后將在其底表面具有二氧化硅層(13)的頂部硅晶片(11)鍵合到該濺射的層上。最后將頂部晶片(11)薄化以提供適于在元件制造中所需處理步驟的層厚度。
文檔編號H01L29/167GK1260906SQ9880611
公開日2000年7月19日 申請日期1998年6月17日 優(yōu)先權日1997年6月18日
發(fā)明者A·利特溫, A·瑟德貝格 申請人:艾利森電話股份有限公司