CN1088541C - 以氮化铝为绝缘埋层的绝缘体上的硅材料制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微电子学与固体电子学中新材料的制造工艺，具体地说是一种以AIN为绝缘埋层的绝缘体上的硅即SOI材料制备方法，系利用离子束合成或AI膜氮化的方法制备具有良好导热性能的AIN绝缘薄膜，并与、氢氦离子注入、硅片键合和智能剥离工艺相结合，制备以AIN为绝缘埋层的SOI结构，这种SOI材料的导热性能优于常规的以SiO₂为绝缘埋层的SOI，更加适应高温、大功率SOI电路的需要。

Description

以氮化铝为绝缘埋层的绝缘体上的硅材料制备方法

本发明属于微电子学与固体电子学中半导体材料的制造工艺，进一步说是一种以AlN为绝缘埋层的SOI材料制备方法。

绝缘体上的硅即SOI(Silicon on Insulator)电路具有高速、低功耗、抗辐射等优点，在航空航天、军工电子、便携式通讯系统等方面具有重要应用背景，被认为是二十一世纪的硅集成电路技术，倍受人们重视(J.P.Collige，Silicon on Insulator Technology，Materials to VLSI，Kluwer Academic Publishers，1991)。

目前的SOI材料均采用SiO₂作为绝缘埋层。由于SiO₂导热性能差，在很大程度上限制了SOI材料在高温与大功耗电路中的应用。AlN材料具有热导率高，电阻率大，击穿场强高，热膨胀系数与Si相近等优异性能，是更优异的介电和绝缘材料。用AlN取代SiO₂作SOI的绝缘埋层显然可以提高SOI技术的在高温、大功耗电路方面的应用。S.Bengtsson等人在Jpn.J.Appl.Phys.上发表文章(S.Bengtsson，M.Bergh，M.Choumas，et al，Jpn.J.Appl.Phys.Pt.1，35(1996)，4175)，将在Si衬底上用反应磁控溅射沉积的AlN薄膜和另一硅片键合起来，再将其中的一个硅片用化学机械抛光的方法减薄，形成以AlN为绝缘埋层的SOI结构。但该方法所采用的减薄工艺难度大，减薄后顶层硅的厚度不均匀，难以形成质量优良的SOI新材料。

本发明的目的是提供一种以氮化铝(AlN)为绝缘埋层的SOI材料制备方法。

本发明的方法在于利用已知的离子注入合成(Chenglu Lin，P.L.F.Hemmentand Shichang Zou，Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B，84(1994)，208)或Al膜氮化方法(Huang Jipo，Wang Lianwei and Lin Chenglu，Chin.Phys.Lett.，15(1998)732)在硅衬底上形成AlN薄膜，并改进目前最具有竞争力的智能剥离(Smart-Cut)SOI制备技术(M.Bruel，Electronics Letters，31(1995)，1201)，即利用H⁺、He⁺双注入技术在降低注入剂量的情况下，在另一硅片中形成H⁺、He⁺注入层后，将之与AlN薄膜键合起来，经热处理从H⁺、He⁺注入形成的气泡层分开，顶层硅膜转移到AlN上，获得如图1所示的Si/AlN/Si SOI结构。图1中1为上层硅，厚度为0.2～1.5μm；2为氮化铝薄膜，又可称为AlN绝缘埋层，厚度为0.1～0.3μm，最好表面粗糙度低于0.01μm；3为硅衬底。本发明避免了S.Bengtsson等所采用的困难的减薄工艺，其特征在于利用H⁺、He⁺双注入降低在硅中形成连续气泡层的剂量；顶层硅的厚度可通过调整H⁺、He⁺的注入能量来改变，厚度均匀，而且工艺上容易实现。

本发明的方法中，首先用超高真空电子束蒸发仪在单晶硅衬底上先蒸发厚度为0.2μm的铝膜，后蒸发500多晶硅，然后采用氮离子注入法或Al膜氮化法制备AlN薄膜。所述的氮离子注入合成法，氮离子注入能量为40keV，剂量为1.5×10¹⁸cm^-2，注入后在400～600℃退火，形成AlN薄膜。推荐退火温度为500℃。所述的Al膜氮化法是超高真空镀膜仪制备的Al膜，在1200～1300℃的高温下，在高纯氮气氛中退火，将Al膜氮化形成AlN薄膜。

然后在室温下将氢(1×10¹⁶cm^-2)、氦(1×10¹⁶cm^-2)离子注入到单晶硅中形成连续气泡层，在微净化室内将氢、氦双注入的硅片与上述表面生长有AlN薄膜的硅片键合起来。

将AlN-Si键合后的片子在500～700℃热退火，以600℃退火效果最佳，使氢、氦双注入的硅片从形成的气泡层处分为上下两层，其中与基底分开的硅膜转移到AlN上，形成以AlN为埋层的SOI结构。

为了进一步提高顶层硅和氮化铝的质量，加强键合强度，最好将形成的SOI材料在1000～1200℃退火0.5～2小时。

将上述所获的SOI材料经化学机械抛光(CMP)处理进一步改善上层硅的表面质量。

附图说明

附图1是一种以AlN为绝缘埋层的SOI材料的结构示意图。其中1为上层硅；2为AlN绝缘埋层；3为硅衬底；4为另一单晶硅片。

附图2是一种制备以AlN为绝缘埋层的SOI材料的工艺流程原理示意图。

从图2可见制备以AlN为绝缘埋层的SOI材料的流程图：其中(1)利用超高真空电子束蒸发仪在硅片3表面生长铝膜；(2)采用离子注入合成或铝膜氮化的方法制备氮化铝薄膜2；(3)向另一单晶硅片4内注入氢、氦离子，形成纳米气泡层；(4)AlN薄膜2与氢、氦双注入另一单晶硅片4亲水处理、室温键合；(5)在SOI专用高温退火炉中进行热处理，氢、氦双注入硅片4从气泡层裂开，另一单晶硅片4的顶层上层硅1与氮化铝薄膜2连为一体，形成SOI结构，然后在1100℃退火，提高SOI材料的质量；(6)将裂开后的较粗糙的表面抛光，最终制备出表面平整的以AlN为绝缘埋层的新型SOI材料。

下述实施例将有助于理解本发明，但并不限制本发明的内容。

实施1：AlN薄膜的制备方法。用超高真空电子束蒸发仪在单晶硅衬底上先蒸发厚度为0.2μm的铝膜，后蒸发500多晶硅作为保护层，然后向Al膜中注入能量为40keV，剂量为1.5×10¹⁸cm^-2的氮离子，注入后在400～600℃温度下退火，形成AlN薄膜；或者将Al膜置于高纯氮气氛中，并在1200～1300℃高温下退火、氮化形成AlN薄膜。

实施2：以AlN薄膜埋层的SOI结构的制备方法。将实施1制备的AlN薄膜与室温下进行过氢(1×10¹⁶cm^-2)、氦(1×10¹⁶cm^-2)离子双注入的单晶硅片，在微净化室进行亲水处理与键合；然后将AlN-Si键合后的片子进行500～700℃热退火，使氢、氦双注入的硅片从形成的气泡层处分为上下两层，其中与基底分开的硅膜转移到AlN上，形成以AlN为埋层的SOI结构。

实施3：抛光。将上述所获的SOI材料经化学机械抛光(CMP)处理，进一步改善上层硅的表面质量。

Claims (5)

1、一种绝缘体上的硅即SOI材料的制备方法，用Al膜中注入高剂量N⁺与后退火处理或Al膜高温氮化方法制备AlN薄膜，结合硅中H⁺、He⁺双注入，并与AlN薄膜低温键合、智能剥离工艺，形成以AlN为绝缘埋层的Si/AlN/Si结构的SOI材料；

上述的Al膜高温氮化方法制备AlN薄膜是硅片上利用超高真空电子束蒸发仪制备Al膜，然后采用下述方法：

(1)向Al膜中注入高剂量N⁺，并经400～600℃退火合成AlN薄膜；

或(2)在1200～1300℃的高温下，在高纯氮中退火，将Al膜氮化形成AlN薄膜；

上述的硅中H⁺、He⁺双注入与AlN薄膜的键合剥离工艺是室温下向单晶硅中注入剂量为(1～2)×10¹⁶/cm²的氢、氦离子，选择能量使氢、氦在硅中的浓度分布峰值重迭，在微净化室内将此硅片与表面生长有AlN薄膜的硅片进行亲和处理、键合，然后在500～700℃退火，在气体压力作用下，氢、氦离子注入的硅片从形成的气泡层处分裂开，气泡层上方的硅膜转移到AlN薄膜上，形成Si膜/AlN/Si衬底的SOI结构。

2、按权利要求1或2所述的方法，其特征是在Si单晶上制备AlN薄膜，其厚度是0.1～0.3μm，表面粗糙度低于0.01μm。

3、按权利要求1所述的方法，其特征是经H⁺、He⁺注入的单晶硅与长有AlN薄膜的硅片进行亲和处理、键合，然后在600℃退火处理。

4、按权利要求1所述的方法，其特征是所述的顶层硅膜的厚度为0.2～1.5μm。

5、按权利要求4所述的方法，其特征是对SOI顶层硅进行化学机械抛光

Images