CN102623387A - 一种基于埋层氮化物陶瓷垫底的绝缘体上硅材料制备方法 - Google Patents

一种基于埋层氮化物陶瓷垫底的绝缘体上硅材料制备方法 Download PDF

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陈邦明
张峰
曹共柏
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Abstract

本发明公开了一种基于埋层氮化物陶瓷垫底的绝缘体上硅材料制备方法,包括以下步骤:选用初始硅片;将氮化物粉末烧结压制成氮化物陶瓷垫底;在初始硅片或氮化物陶瓷垫底上生成键合过渡层;通过键合过渡层将初始硅片与氮化物陶瓷垫底进行键合,得到基于埋层氮化物陶瓷垫底的绝缘体上硅材料;对基于埋层氮化物陶瓷垫底的绝缘体上硅材料进行剥离处理,得到基于埋层氮化物陶瓷垫底的绝缘体上硅片。本发明方法制备工艺简单,设备通用性强,制造成本低廉,所得产品既具有目前绝缘体上硅材料的优点,又克服了现有材料散热差的缺点。

Description

一种基于埋层氮化物陶瓷垫底的绝缘体上硅材料制备方法
技术领域
本发明涉及一种半导体材料的制备方法,尤其涉及一种基于埋层氮化物陶瓷垫底的绝缘体上硅材料制备方法。
背景技术
电路进一步集成化,对基板材料的性能提出了更高的要求,由于提高了单位尺寸内的电流密度,散热成为集成电路制造工艺中的关键问题。据统计,电子产品失效的原因,55%是过热造成。因此改进基板的散热效率是主要的研究方向。
在集成电路基板方面,目前国内外主要采用Al2O3陶瓷作为集成电路基板材料,然而随着电子元器件向高性能、高密度、大功率、小型化、低成本方向发展,迫切希望采用高导热系数陶瓷基板,理论上最适宜的候选材料有金刚石(C)、立方氮化硼(BN)、氧化铍(BeO)、碳化硅(SiC)和氮化铝(AlN)等。由于AlN导热系数高达250W·m-1·K-1,虽比SiC及BeO略低,但比Al2O3高8~10倍,其体积电阻率,击穿强度,介电损耗等电气性能可与Al2O3瓷媲美,且介电常数较低,机械强度也较高,热膨胀系数为4.4ppm/℃,接近于Si可进行多层布线。可以认为是最佳候选材料之一。目前日本德山曹达、东芝及美国一些公司已开始相当规模的应用,AlN陶瓷年总产量已逾千吨。国内目前AlN基板尚处于起步阶段,主要基本指标导热率大都在130~180 W·m-1·K-1。一些研究单位科技攻关产品性能已接近国际水平,但高性能、批量化、产品一致性和低成本化等方面的问题尚有待进一步解决。
绝缘体上硅(SOI)材料是集成电路制备的一种重要材料,在高速电子器件,高压功率器件,抗辐射电子器件等方面具有独特的优势。现有的SOI材料结构如图1示。制备电子器件的顶层硅材料6与底层硅衬底8之间有一层较厚的SiO2(几百nm到几个μm)绝缘层7。这是SOI材料的特点,但却给顶层器件的散热带来了很大的问题。因为SiO2的导热率只有1.4W/mk,比硅和AlN小100多倍。
发明内容
本发明的目的在于,提供一种基于埋层氮化物陶瓷垫底的绝缘体上硅材料制备方法,即具有目前绝缘体上硅材料的优点又可以克服现有材料散热差的缺点,且制备工艺简单,设备通用性强,制造成本低廉。
本发明公开了一种基于埋层氮化物陶瓷垫底的绝缘体上硅材料制备方法,包括以下步骤:
步骤一:选用初始硅片;
步骤二:将氮化物粉末烧结压制成氮化物陶瓷垫底; 
步骤三:在所述初始硅片或氮化物陶瓷垫底上生成键合过渡层;
步骤四:通过所述键合过渡层将所述初始硅片与氮化物陶瓷垫底进行键合,得到所述基于埋层氮化物陶瓷垫底的绝缘体上硅材料;
步骤五:对所述基于埋层氮化物陶瓷垫底的绝缘体上硅材料进行剥离处理,得到基于埋层氮化物陶瓷垫底的绝缘体上硅片。
本发明公开了一种基于埋层氮化物陶瓷垫底的绝缘体上硅材料制备方法,进一步包括:
步骤六:将所述基于埋层氮化物陶瓷垫底的绝缘体上硅片进行抛光处理。
本发明公开了一种基于埋层氮化物陶瓷垫底的绝缘体上硅材料制备方法,所述初始硅片为标准单晶硅片或多晶硅片,直径为2-12英寸,晶圆厚度符合固态技术协会标准。
本发明公开了一种基于埋层氮化物陶瓷垫底的绝缘体上硅材料制备方法,所述步骤二中,所述氮化物粉末包括氮化铝、立方氮化硼;所述氮化物粉末通过粉末烧结压片机进行烧结压制,形成所述氮化物陶瓷垫底。
本发明公开了一种基于埋层氮化物陶瓷垫底的绝缘体上硅材料制备方法,所述粉末烧结压片机的直径与所述初始硅片的直径相同。
本发明公开了一种基于埋层氮化物陶瓷垫底的绝缘体上硅材料制备方法,所述步骤三中生成所述键合过渡层的方法包括旋涂玻璃方法、化学气相沉积方法、物理沉积方法、热氧化方法;所述键合过渡层的厚度为1-100nm,所述键合过渡层的材料包括二氧化硅、三氧化二铝。
本发明公开了一种基于埋层氮化物陶瓷垫底的绝缘体上硅材料制备方法,所述步骤四中通过使用晶圆键合机完成所述初始硅片与氮化物陶瓷垫底的键合;所述键合包括疏水键合、亲水键合或等离子辅助键合。
本发明公开了一种基于埋层氮化物陶瓷垫底的绝缘体上硅材料制备方法,在所述步骤四的键合后还进一步包括热处理加固操作。
本发明公开了一种基于埋层氮化物陶瓷垫底的绝缘体上硅材料制备方法,所述步骤五中,所述剥离方法包括注氢智能剥离方法或者研磨硅片的方法。
本发明公开了一种基于埋层氮化物陶瓷垫底的绝缘体上硅材料制备方法,所述步骤六中,所述抛光处理包括研磨处理、腐蚀处理或者化学机械抛光处理。
本发明主要采用氮化铝作为氮化物陶瓷垫底,AlN是一种具有优良综合性能的新型陶瓷,优良的电绝缘性能以及于Si接近的热膨胀系数,是大规模集成电路,半导体模块电路和大功率器件的散热材料和封装材料。而且导热率是现有技术中常用二氧化硅垫底的100多倍,具有非常良好的导热性,克服了现有材料散热差的缺陷。
本发明主要使用旋涂玻璃(Spin-on-glass)、物理沉积或者化学气相沉积(CVD)的方法在硅片或者陶瓷垫底上生成键合过渡层。Spin-on-glass的方法即节省氧化层制备成本,降低陶瓷垫底对初始硅片的质量要求,又可增加与初始硅片的键合强度。随后通过退火使氧化层固化,然后将此初始硅片陶瓷垫底进行键合。
附图说明
图1是现有技术绝缘体上硅材料的示意图。
图2是本发明基于埋层氮化物陶瓷垫底的绝缘体上硅材料制备方法的流程图。
图3是本发明基于埋层氮化物陶瓷垫底的绝缘体上硅材料制备过程示意图。
具体实施方式
结合以下具体实施例和附图,对本发明作进一步的详细说明,实施本发明的过程、条件、试剂、实验方法等,除以下专门提及的内容之外,均为本领域的普遍知识和公知常识,本发明没有特别限制内容。
如图2、3所示,为本发明绝缘体上硅材料的制备示意图。1-初始硅片,2-键合过渡层,3-氮化物陶瓷垫底,4-基于埋层氮化物陶瓷垫底的绝缘体上硅材料,5-基于埋层氮化物陶瓷垫底的绝缘体上硅片。
本发明公开的一种基于埋层氮化物陶瓷垫底的绝缘体上硅材料制备方法,包括以下步骤:
步骤一:选用初始硅片1,初始硅片1为标准单晶硅片或多晶硅片,直径为2-12英寸,晶圆厚度符合固态技术协会标准。
步骤二:将氮化物粉末烧结压制成氮化物陶瓷垫底3; 
步骤三:在初始硅片1或氮化物陶瓷垫底3上生成键合过渡层2;
步骤四:通过键合过渡层2将初始硅片1与氮化物陶瓷垫底3进行键合,得到基于埋层氮化物陶瓷垫底的绝缘体上硅材料4。
步骤五:对基于埋层氮化物陶瓷垫底的绝缘体上硅材料4进行剥离处理,得到基于埋层氮化物陶瓷垫底的绝缘体上硅片5。
步骤六:将基于埋层氮化物陶瓷垫底的绝缘体上硅片5进行抛光处理。
其中,步骤二中氮化物粉末包括氮化铝、立方氮化硼;氮化物粉末通过粉末烧结压片机进行烧结压制,形成氮化物陶瓷垫底3,粉末烧结压片机的直径与初始硅片1的直径相同。其中,氮化物粉末可以通过直接得到或者将物质氮化后得到氮化物粉末。
其中,步骤三中生成键合过渡层2的方法包括旋涂玻璃方法、化学气相沉积方法、物理沉积方法、热氧化方法;键合过渡层2的厚度为1-100nm,键合过渡层2的材料包括二氧化硅、三氧化二铝。
其中,步骤四中通过使用晶圆键合机完成初始硅片1与氮化物陶瓷垫底3的键合;键合包括疏水键合、亲水键合或等离子辅助键合。键合后还进一步包括热处理加固操作。
其中,步骤五中,剥离方法包括注氢智能剥离方法或者研磨硅片的方法。
其中,步骤六中,抛光处理包括研磨处理、腐蚀处理或者化学机械抛光处理。
具体实施方案一:注氢智能剥离方法(Smart-cut)
步骤一:选用一块初始单晶硅片1,晶圆尺寸和厚度均符合JEDEC标准。
步骤二:在初始单晶硅片1上使用热氧化的的方法,将初始单晶硅片1在900-1400度条件下,含氧气氛中氧化,在其表面生成一层50nm的SiO2键合过渡层。
步骤三:注氢智能剥离方法的离子注入,注入为氢离子、氦离子或者二者共注,也可以是B离子和氢离子共注;注入能量为5keV-1000keV,注入剂量为1E15-1E18cm-2,注入温度为室温,注入的离子在硅片内形成一层气泡层;
步骤四:将直径为40nm的Al粉末进行氮化形成AlN粉末。 
步骤五:将AlN粉末置于直径与初始单晶硅片1相同的粉末烧结压片机中,烧结压制成AlN陶瓷垫底3。
步骤六:将初始单硅晶片1与AlN陶瓷垫底3置于晶圆键合机中,用氮或者氧低温等离子体进行表面处理,处理后,用去离子水清洗表面并旋转甩干,之后进行等离子辅助键合;键合后进行热处理,处理温度为300-800度,注入离子形成的气泡会聚集,并从气泡层,将表面薄硅层剥离,转移到陶瓷衬底3上,得到了基于AlN陶瓷垫底的绝缘体上硅材料4,气氛为氮气或者氩气。因为采用等离子辅助键合,则第二次热处理过程并不需要。
步骤七:对转移的硅层,采用化学机械抛光处理,这样就得到了基于AlN陶瓷垫底的绝缘体上硅片5。
具体实施方案二:注氧键合法
步骤一:提供一片由Smart-cut制造的绝缘体上硅衬底。
步骤二:在SOI衬底使用旋涂玻璃方法,旋涂一层50nm的键合过渡层溶液后,对硅片进行200~400°C的固化,形成键合过渡层2。 
步骤三:将处理后的SOI衬底与陶瓷衬底3放入晶圆键合机中,用氮或者氧低温等离子体进行表面处理,处理后,用去离子水清洗表面并旋转甩干,之后进行亲水键合。键合后进行热处理,处理温度为300-800度,得到了基于AlN陶瓷垫底的绝缘体上硅材料4,气氛为氮气或者氩气,随后第二次热处理,即进行加固,加固温度为900-1300度,气氛含氧或者氮气气氛。
步骤四:研磨减薄SOI器件衬底,在其陶瓷衬底3上剩余3-30微米的残余硅层;
步骤五:选用TMAH选择性腐蚀,25%TMAH,95度腐蚀去除残余硅层;随后HF腐蚀去除腐蚀阻挡层;
步骤六:将转移后的薄硅层进行抛光处理;
步骤七:利用Si外延调整顶层硅厚度,得到了基于AlN陶瓷垫底的绝缘体上硅片5。
具体实施方案三:
步骤一:选用一块初始单晶硅片1,晶圆尺寸和厚度均符合JEDEC标准。
步骤二:在初始单晶硅片1上使用物理沉积的方法,通过物理沉积的Al2O3在其表面生成一层30nm的SiO2键合过渡层2,此键合过渡层2也可在陶瓷衬底3上面用上述方法制备。
步骤三:提供一个AlN陶瓷衬底3;
步骤四:将初始单晶硅片1与AlN陶瓷垫底3置于晶圆键合机中,用氮或者氧低温等离子体进行表面处理,处理后,用去离子水清洗表面并旋转甩干,之后进行疏水键合。键合后进行加固,加固温度为900-1300度,得到了基于AlN陶瓷垫底的绝缘体上硅材料4,气氛含氧或者氮气气氛,加固时间。
步骤五:对初始单晶硅片1进行边缘倒角处理,倒角宽度为1-10mm,随后采用TMAH腐蚀去除边缘残余硅层;
步骤六:研磨减薄器件衬底至一定厚度,随后CMP抛光处理得到了基于AlN陶瓷垫底的绝缘体上硅片5。
本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下,本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中,并且以所附的权利要求书为保护范围。

Claims (10)

1.一种基于埋层氮化物陶瓷垫底的绝缘体上硅材料制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一:选用初始硅片(1);
步骤二:将氮化物粉末烧结压制成氮化物陶瓷垫底(3); 
步骤三:在所述初始硅片(1)或氮化物陶瓷垫底(3)上生成键合过渡层(2);
步骤四:通过所述键合过渡层(2)将所述初始硅片(1)与氮化物陶瓷垫底(3)进行键合,得到所述基于埋层氮化物陶瓷垫底的绝缘体上硅材料(4);
步骤五:对所述基于埋层氮化物陶瓷垫底的绝缘体上硅材料(4)进行剥离处理,得到基于埋层氮化物陶瓷垫底的绝缘体上硅片(5)。
2.如权利要求1所述基于埋层氮化物陶瓷垫底的绝缘体上硅材料制备方法,其特征在于,进一步包括:
步骤六:将所述基于埋层氮化物陶瓷垫底的绝缘体上硅片(5)进行抛光处理。
3.如权利要求1所述基于埋层氮化物陶瓷垫底的绝缘体上硅材料制备方法,其特征在于,所述初始硅片(1)为标准单晶硅片或多晶硅片,直径为2-12英寸,晶圆厚度符合固态技术协会标准。
4.如权利要求1所述基于埋层氮化物陶瓷垫底的绝缘体上硅材料制备方法,其特征在于,所述步骤二中,所述氮化物粉末包括氮化铝、立方氮化硼;所述氮化物粉末通过粉末烧结压片机进行烧结压制,形成所述氮化物陶瓷垫底(3)。
5.如权利要求4所述基于埋层氮化物陶瓷垫底的绝缘体上硅材料制备方法,其特征在于,所述粉末烧结压片机的直径与所述初始硅片(1)的直径相同。
6.如权利要求1所述基于埋层氮化物陶瓷垫底的绝缘体上硅材料制备方法,其特征在于,所述步骤三中生成所述键合过渡层(2)的方法包括旋涂玻璃方法、化学气相沉积方法、物理沉积方法、热氧化方法;所述键合过渡层(2)的厚度为1-100nm,所述键合过渡层(2)的材料包括二氧化硅、三氧化二铝。
7.如权利要求1所述基于埋层氮化物陶瓷垫底的绝缘体上硅材料制备方法,其特征在于,所述步骤四中通过使用晶圆键合机完成所述初始硅片(1)与氮化物陶瓷垫底(3)的键合;所述键合包括疏水键合、亲水键合或等离子辅助键合。
8.如权利要求7所述基于埋层氮化物陶瓷垫底的绝缘体上硅材料制备方法,其特征在于,在所述步骤四中的键合后,还进一步包括热处理加固操作。
9.如权利要求1所述基于埋层氮化物陶瓷垫底的绝缘体上硅材料制备方法,其特征在于,所述步骤五中,所述剥离方法包括注氢智能剥离方法或者研磨硅片的方法。
10.如权利要求1所述基于埋层氮化物陶瓷垫底的绝缘体上硅材料制备方法,其特征在于,所述步骤六中,所述抛光处理包括研磨处理、腐蚀处理或者化学机械抛光处理。
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