CN103035563B - 一种新型绝缘硅复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型绝缘硅复合材料及其制备方法，所述新型绝缘硅复合材料，包含中间绝缘层；所述中间绝缘层的上表面和下表面分别设置有单晶硅片；所述中间绝缘层，包含二氧化硅基多元无机复合材料层；所述二氧化硅基多元无机复合材料层的上表面设置有第一二氧化硅膜层；所述二氧化硅基多元无机复合材料层的下表面设置有第二二氧化硅膜层；本发明的新型绝缘硅复合材料能够保持有完整的单晶硅晶格结构，不需采用复杂昂贵设备，整体制备工艺简单、易行、低成本；所述新型绝缘硅复合材料及其制备方法能调节所述中间绝缘层的各组分的厚度和深度分布，不需采用复杂昂贵设备，整体制备工艺简单、易行，且制成的产品的电学性能优良。
Description
技术领域
本发明涉及一种低成本、高性能、易加工的新型绝缘硅复合材料及其制备方法。
背景技术
单晶硅材料是现代微电子制造业的基础，目前绝大部分的集成电路芯片和半导体器件都是在硅片上加工完成。然而随着IC制造技术向45纳米以下线宽发展，现有的体硅材料及其工艺越来越接近其物理极限，寻找新型衬底材料已成为当务之急。
SOI（SiliconOnInsulater）绝缘硅材料因其独特优良的性能近期得到了广泛的重视和应用。通过绝缘埋层，SOI绝缘硅材料实现了片上器件与衬底的全介质隔离，从而减小了寄生电容、降低了功耗、提高了运算速度、消除了闩锁效应；又由于与现有硅半导体工艺兼容，使其被公认为“21世纪的硅集成电路技术”，发展前景不可限量。
目前制备SOI绝缘硅材料的方法主要有两大类型：离子注入法和键合法，前者通过离子注入在硅片表面下一定距离内形成氧化硅埋层，后者通过硅片间水或其它物质在高温下形成片间氧化硅层并使两片硅片合二为一。
上述两大类型制备工艺均具有严重的缺陷，离子注入会使单晶硅晶格结构遭受严重破坏，能量越高损伤越大；注入的离子虽经退火后可以在表面下一定空间内形成氧化硅层，但这只是SiO2和SiOx的混合体，距离完美的SiO2结构有相当的距离，此外氧化层在硅片内的深度、厚度均难以控制；而键合法片间形成的主要也是SiO2-Si（OH）x混合物，直接影响键和强度和绝缘性能。
除了上述工艺外，目前制备SOI绝缘硅材料的其它工艺如阳极多孔硅氧化法、绝缘层上多晶硅再结晶法、固相横向外延法等或上述某些方法的混合工艺，均具有这样或那样的先天性缺陷；并且所有上述工艺的一大共同缺点是，所使用的设备都异常昂贵复杂，导致生产成本高企，这些不足严重制约了SOI绝缘硅材料的应用和发展。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明的目的是：提出了一种低成本、高性能、易加工的新型绝缘硅复合材料及其制备方法。
本发明的技术解决方案是这样实现的：一种新型绝缘硅复合材料，包含中间绝缘层；所述中间绝缘层的上表面和下表面分别设置有单晶硅片；所述中间绝缘层，包含二氧化硅基多元无机复合材料层；所述二氧化硅基多元无机复合材料层的上表面设置有第一二氧化硅膜层；所述二氧化硅基多元无机复合材料层的下表面设置有第二二氧化硅膜层。
优选的，所述二氧化硅基多元无机复合材料层由SiO2基多元无机复合材料制成，所述二氧化硅基多元无机复合材料的化学式为SiO2-Al2O3-PbO。
优选的，所述新型绝缘硅复合材料的层间结构为Si-SiO2-(SiO2-Al2O3-PbO)-SiO2-Si。
所述新型绝缘硅复合材料的制备方法：包含以下步骤：
①、先在单晶硅片的一个表面上热生长出一层二氧化硅膜层；
②、将二氧化硅基多元无机复合材料用有机挥发性溶剂溶解分散后，均匀涂镀于二氧化硅膜层的外表面，形成平整的二氧化硅基多元无机复合材料层；
③、将两份②中最终获得的本成品相对叠加在一起，使两者的二氧化硅基多元无机复合材料层紧密贴合在一起，然后均匀加压；
④、将③中最终获得的半成品送入超净真空炉内，然后缓慢升温，至熔凝温度后恒温，使③中获得的两个二氧化硅基多元无机复合材料层充分熔合并排出气泡，而后再缓慢降温固化，最后经退火程序处理。
优选的，所述单晶硅片通过半导体直拉CZ工艺或区融FZ工艺制备而成。
优选的，所述二氧化硅膜层通过热氧化生长在单晶硅片的表面上，当所述二氧化硅膜层的厚度小于300纳米时，采用高温干氧氧化工艺，以保证最佳成膜质量。
优选的，所述二氧化硅膜层通过热氧化生长在单晶硅片的表面上，当所述二氧化硅膜层的厚度超过300纳米时，采用高温干氧-湿氧-干氧混合工艺，以可获取成膜效率和成膜质量的最优折衷；
优选的，所述二氧化硅膜层也可采用CVD/PVD或溅射成膜工艺制备而成。
优选的，所述二氧化硅基多元无机复合材料通过高温烧结-粉碎、溶胶凝胶等方法制备而成，其熔凝温度为750~1200℃。
优选的，④中缓慢升温过程中保持不断抽取真空；至熔凝温度后恒温，使③中获得的两个二氧化硅基多元无机复合材料层充分熔合并排出气泡。
优选的，将④中获得的最终结果通过常规的机械磨削或化学腐蚀工艺，对上层的单晶硅片进行减薄，从而调节所述中间绝缘层的各组分的深度。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明的新型绝缘硅复合材料能够保持有完整的单晶硅晶格结构，不需采用复杂昂贵设备，整体制备工艺简单、易行、低成本；所述新型绝缘硅复合材料及其制备方法能调节所述中间绝缘层的各组分的厚度和深度分布，不需采用复杂昂贵设备，整体制备工艺简单、易行，且制成的产品的电学性能优良。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：
附图1为本发明所述的新型绝缘硅复合材料的示意图；
附图2为本发明所述的新型绝缘硅复合材料的制备方法的工艺流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图来说明本发明。
如附图1所示为本发明所述的新型绝缘硅复合材料，包含中间绝缘层；所述中间绝缘层的上表面和下表面分别设置有单晶硅片；所述中间绝缘层，包含二氧化硅基多元无机复合材料层；所述二氧化硅基多元无机复合材料层的上表面设置有第一二氧化硅膜层；所述二氧化硅基多元无机复合材料层的下表面设置有第二二氧化硅膜层；所述二氧化硅基多元无机复合材料层由二氧化硅基多元无机复合材料制成，所述二氧化硅基多元无机复合材料的化学式为SiO2-Al2O3-PbO；所述新型绝缘硅复合材料的层间结构为Si-SiO2-(SiO2-Al2O3-PbO)-SiO2-Si。
如附图2所示为本发明所述的所述新型绝缘硅复合材料的制备方法的工艺流程示意图：所述新型绝缘硅复合材料的制备方法，包含以下步骤：
①、先在单晶硅片的一个表面上热生长出一层二氧化硅膜层；所述单晶硅片通过半导体直拉CZ工艺或区融FZ工艺制备而成；当所述二氧化硅膜层的厚度小于300纳米时，采用高温干氧氧化工艺，以保证最佳成膜质量；当所述二氧化硅膜层的厚度超过300纳米时，采用高温干氧-湿氧-干氧混合工艺，以可获取成膜效率和成膜质量的最优折衷；当然也可采用CVD/PVD或溅射成膜工艺；
②、将二氧化硅基多元无机复合材料用有机挥发性溶剂溶解分散后，均匀涂镀于二氧化硅膜层的外表面，形成平整的二氧化硅基多元无机复合材料层；所述二氧化硅基多元无机复合材料通过高温烧结-粉碎或溶胶凝胶法制备而成，通过调整其组分比例可在一定范围内直接调节其熔凝温度为750~1200℃；
③、将两份②中最终获得的本成品相对叠加在一起，使两者的二氧化硅基多元无机复合材料层紧密贴合在一起，然后均匀加压；
④、将③中最终获得的半成品送入超净真空炉内，然后缓慢升温，同时保持不断抽取真空，至熔凝温度后恒温，使③中获得的两个二氧化硅基多元无机复合材料层充分熔合并排出气泡，而后再缓慢降温固化，最后经退火程序处理；
⑤、将④中获得的最终结果通过常规的机械磨削或化学腐蚀工艺，对上层的单晶硅片进行减薄，从而调节中间绝缘层的深度；当然也可以通过控制所述二氧化硅膜层和二氧化硅基多元无机复合材料层的厚度，调节所述中间绝缘层的各组分的厚度分布，从而满足不同性能和成本需求。
所述新型绝缘硅复合材料的结构为上单晶硅片+二氧化硅膜层+二氧化硅基多元无机复合材料层+二氧化硅膜层+下单晶硅片；所述上、下单晶硅片均由常规直拉CZ或区融FZ工艺制成，可以保证最优单晶晶格结构；所述二氧化硅膜层通过热生长等常规半导体工艺制备，可以获取最佳成膜质量并且厚度可控；所述二氧化硅基多元无机复合材料层与二氧化硅膜层一道共同构筑高阻绝缘层的作用，其制备方法包括高温烧结-粉碎法、溶胶凝胶法等均简单易行和低成本化；所述新型绝缘硅复合材料的制备方法，主要通过真空超净炉完成，非离子注入之类昂贵设备，由于采用了上述诸多工艺和材料的创新组合，使得本发明所述新型绝缘硅复合材料具有如下优点：1、成品后能够保持有完整的单晶硅晶格结构，2、所述中间绝缘层的组分的厚度和深度分布可调，电学性能优良，3、不采用复杂昂贵设备，整体制备工艺简单、易行，4、低成本。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种新型绝缘硅复合材料，包含中间绝缘层；所述中间绝缘层的上表面和下表面分别设置有单晶硅片；其特征在于：所述中间绝缘层，包含二氧化硅基多元无机复合材料层；所述二氧化硅基多元无机复合材料层的上表面设置有第一二氧化硅膜层；所述二氧化硅基多元无机复合材料层的下表面设置有第二二氧化硅膜层；所述二氧化硅基多元无机复合材料层由二氧化硅基多元无机复合材料制成，所述二氧化硅基多元无机复合材料的化学式为SiO2-Al2O3-PbO。
2.根据权利要求1所述的新型绝缘硅复合材料，其特征在于：所述新型绝缘硅复合材料的层间结构为Si-SiO2-(SiO2-Al2O3-PbO)-SiO2-Si。
3.根据权利要求1或2所述新型绝缘硅复合材料的制备方法：包含以下步骤：
①、先在单晶硅片的一个表面上热生长出一层二氧化硅膜层；
②、将二氧化硅基多元无机复合材料用有机挥发性溶剂溶解分散后，均匀涂镀于二氧化硅膜层的外表面，形成平整的二氧化硅基多元无机复合材料层；
③、将两份②中最终获得的本成品相对叠加在一起，使两者的二氧化硅基多元无机复合材料层紧密贴合在一起，然后均匀加压；
④、将③中最终获得的半成品送入超净真空炉内，然后缓慢升温，至熔凝温度后恒温，使③中获得的两个二氧化硅基多元无机复合材料层充分熔合并排出气泡，而后再缓慢降温固化，最后经退火程序处理。
4.根据权利要求3所述的新型绝缘硅复合材料的制备方法，其特征在于：所述单晶硅片通过半导体直拉CZ工艺或区融FZ工艺制备而成。
5.根据权利要求3所述的新型绝缘硅复合材料的制备方法，其特征在于：所述二氧化硅膜层通过热氧化生长在单晶硅片的表面上，当所述二氧化硅膜层的厚度小于300纳米时，采用高温干氧氧化工艺，以保证最佳成膜质量。
6.根据权利要求3所述的新型绝缘硅复合材料的制备方法，其特征在于：所述二氧化硅膜层通过热氧化生长在单晶硅片的表面上，当所述二氧化硅膜层的厚度超过300纳米时，采用高温干氧-湿氧-干氧混合工艺，以可获取成膜效率和成膜质量的最优折衷。
7.根据权利要求3所述的新型绝缘硅复合材料的制备方法，其特征在于：所述二氧化硅膜层也可采用CVD/PVD或溅射成膜工艺制备而成。
8.根据权利要求3所述的新型绝缘硅复合材料的制备方法，其特征在于：所述二氧化硅基多元无机复合材料通过高温烧结-粉碎或溶胶凝胶法制备而成，其熔凝温度为750~1200℃。
9.根据权利要求3所述的新型绝缘硅复合材料的制备方法，其特征在于：④中缓慢升温过程中保持不断抽取真空；至熔凝温度后恒温，使③中获得的两个二氧化硅基多元无机复合材料层充分熔合并排出气泡。
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