CN1328344A - 以氧化铝为埋层的绝缘层上硅结构的衬底材料及制备方法 - Google Patents
以氧化铝为埋层的绝缘层上硅结构的衬底材料及制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN1328344A CN1328344A CN 01126315 CN01126315A CN1328344A CN 1328344 A CN1328344 A CN 1328344A CN 01126315 CN01126315 CN 01126315 CN 01126315 A CN01126315 A CN 01126315A CN 1328344 A CN1328344 A CN 1328344A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- silicon
- buried regions
- aluminium oxide
- insulating barrier
- film
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Landscapes
- Element Separation (AREA)
- Recrystallisation Techniques (AREA)
Abstract
本发明涉及一种以Al2O3为绝缘埋层的新型绝缘层上硅衬底材料及制备方法,属于微电子学中半导体材料及制备工艺。本发明的特征在于它由三层构成,顶层单晶硅,厚度100－2000nm,中间是Al2O3埋层,厚度为50－500nm,下层是硅衬底,其制备特征在于系利用超高真空电子束蒸发或化学气相沉积技术在硅衬底上制备具有较高热导率的Al2O3薄膜,并与氢、氦离子注入和硅片键合(智能剥离)工艺结合,制备以三氧化二铝(Al2O3)为绝缘埋层的SOI结构,该SOI衬底材料热传导性能和抗辐照性能优于传统以SiO2为埋层的SOI,有利于减少器件的自加热效应,更加适合高温、大功率或辐照环境下的SOI电路的需要。
Description
技术领域
本发明涉及一种以氧化铝(Al2O3)为绝缘埋层的新型绝缘层上硅结构的衬底材料及制备方法，属于微电子学中半导体材料及制造工艺。
背景技术
绝缘体上的硅即SOI(Silicon on Insulator)电路具有优良的高速、低功耗、抗辐照等性能，在航空航天等军用领域和通讯等民用领域获得了广泛的应用，被认为是二十一世纪的硅集成电路技术，倍受人们青睐(J.P.Collige，Silicon onInsulator Technology，Materials to VLSI，Kluwer Academic Publishers，1991)。另外SOI结构在许多领域，例如传感器、微机械电子系统(MEMS)等也具有十分诱人的应用前景。
目前传统的SOI材料是以SiO2作为绝缘埋层的。由于SiO2的热导性能很差(热导率仅为0.01W/(cm.K))，大大限制了SOI器件在高温与大功率电路中的应用。Al2O3作为一种性能优良的绝缘材料，能和硅形成热力学稳定的接触，而且Al2O3/Si界面具有较低的界面态密度、漏电流，同时Al2O3还具有较高的热导率(热导率为0.3W/(cm.K))，优良的抗辐照性能(K.H.Zainingerand A.S.Waxman.IEEE Trans.Electron Devices ED-16，333.1969)。以Al2O3取代SiO2作SOI的绝缘埋层显然可以提高SOI器件在高温、大功率以及辐照环境等领域的应用。
早期，兰宝石(α-Al2O3)上外延硅(Silicon-on-Sapphire，SOS)技术被用于绝缘体上的硅衬底材料的制备，但由于蓝宝石和硅的晶格失配(为4.6％)和热膨胀系数失配(为3.6-5×10-6/℃)比较大等原因，很难在蓝宝石衬底上外延得到高质量的单晶硅。接着在此技术基础上Makoto等人(Makoto Ishida，Kazuaki Sawada，Shinsuke Yamaguchi et.al，Appl.Phys.Lett.556，1989)研究了双异质外延技术实现了Si/Al2O3/Si的SOI结构，即先在单晶硅衬底上采用低压化学汽相沉积法生长一层单晶γ-Al2O3，接着在γ-Al2O3上采用气态源分子束外延生长单晶硅。但该技术还很不成熟，很难得到质量优良的用于器件制作的顶层单晶硅。而且成本高，不适合于规模生产。
结合H+注入工艺和键合工艺的智能剥离(Smart-cut)技术已成功地运用于SOI材料的制备(S.Tan，T.E.Schlesinger，and M.Migliuolo，Appl.Phys.Lett.67，2651，1996)。当前智能剥离(Smart-cut)技术已经成为SOI产业化生产的一大主导技术。同时Ericsson P等人(Ericsson P，Bengtsson S，Skarp J，Kanniainen T.Proceedings of the Fourth Intemational Symposium on Semiconductor WaferBonding：Science，Technology，and Applications.Electrochem.Soc.1998，pp.576-83.)和Bengtsson S等人(Bengtsson S，Bergh M，Soderbarg A，et.al，III-V and IV-VI Materials and Processing Challenges for Highly Integrated microelectronicsand Optoelectronics Symposium.Materials Res.Soc.1999.pp.133-8)，研究了淀积有Al2O3薄膜的硅片和另一硅片的键合，并且取得了成功，虽然他们没有结合智能剥离技术制备SOI，但为智能剥离工艺制备以Al2O3为绝缘埋层的SOI打下了基础。
发明内容
本发明的目的是提供一种以Al2O3为绝缘埋层的新型绝缘层上硅结构的衬底材料及其制备方法。
本发明的方法在于采用超高真空电子束直接蒸发或化学气相沉积等技术在硅衬底上制备一层Al2O3薄膜，并利用加以改进的目前具有竞争力的智能剥离(Smart-Cut)SOI制备技术(M.Bruel，Electronics Letters，31,1995,1201)，即为了降低总的注入剂量，利用H+、He+双注入技术注入淀积有Al2O3薄膜的硅片中形成H+、He+注入层，将之与另外一硅片键合，接着经热处理从注入形成的气泡层分裂，顶层薄膜转移到另外一硅片上，获得如图1所示的Si/Al2O3/Si结构的SOI衬底材料。图中1为顶层单晶硅，其厚度为100-2000nm；2为Al2O3绝缘埋层，其厚度为50nm-500nm；3为硅衬底。本发明避免了背面腐蚀减薄工艺的难点，其特征在于利用H+、He+双注入降低后续退火开裂时所需总的离子注入剂量；顶层硅的厚度可以通过调整离子注入能量来改变，而且厚度均匀，成本低，易于实现产业化。
本发明的方法中，如采用超高真空电子束直接蒸发法在单晶硅衬底上沉积Al2O3薄膜，则衬底温度为400-900℃，蒸发速率在10秒以下，本底真空度高于1×10-5Pa，蒸发高纯Al2O3制备Al2O3薄膜，或反应蒸发高纯金属Al制备Al2O3薄膜。如采用化学气相沉积，反应物如Al(CH3)3(TMA)和N2O，衬底温度为400-900℃。然后在室温下将H+(1×1016/cm2)、He+(5×1015/cm2)注入到该衬底片，在微净化室内将它和另外一硅片一起进行亲水处理，并键合起来。为改善键合特性，在所制备的Al2O3薄膜上制备一层厚度为十几到几十纳米的多晶硅过渡层。
将键合后的片子在150-300℃烘烤数小时，接着进行400—700℃的热处理，使得注入的H+或H+、He+离子形成连续的气泡层，并且从气泡层开裂分为上下两层，其中一薄层(单晶硅/Al2O3转移到基底硅片上，从而得到以Al2O3为埋层的SOI结构。
在制备工艺过程中，为了进一步加强键合强度，可将已经形成的SOI结构的衬底材料在1000—1200℃退火1—3小时。为了进一步改善顶层单晶硅表面质量，可将获得的SOI结构的衬底材料进行化学机械抛光(CMP)。
本发明提供方法制备的Al2O3为埋层的绝缘层上硅结构的衬底材料，其热传导和抗辐射性能，优于传统的SiO2为埋层的SOI，有利于减少器件自加热效应，更适合高温、大功率或辐射环境下的SOI电路要求。
附图说明
图1是本发明提供的以Al2O3为绝缘埋层的SOI衬底材料；
1—单晶硅 2—Al2O3绝缘埋层
3—硅衬底
图2是图1以Al2O3为绝缘埋层的SOI衬底材料的工艺流程：
(1)采用超高真空蒸发技术或化学汽相淀积在一硅片(1号硅片)表面生长Al2O3薄膜；
(2)室温下向沉积有Al2O3薄膜的1号硅片内注入氢或氢、氦离子；
(3)对离子注入过的1号硅片和另外一硅片(2号硅片)进行亲水处理、室温键合；
(4)在专用高温退火炉中对键合后的片子进行热处理，1号硅片上的一单晶硅薄层被转移到2号硅片上，中间是Al2O3绝缘埋层，形成SOI结构，然后在高温退火，提高SOI材料的质量；将所制备的SOI衬底表面抛光，最终得到表面平整的以Al2O3为绝缘埋层的新型SOI衬底材料.
具体实施方式
下述实施例将有助于理解本发明，但并不限制本发明。
实施例1
采用超高真空电子束直接蒸发技术，在单晶硅衬底上制备厚度为150nm的Al2O3薄膜，衬底温度为800℃，蒸发速率控制在3/秒左右。接着在Al2O3薄膜上继续蒸发沉积一层多晶硅(厚度为20nm)，温度为600℃，然后将该硅片进行H+剂量为1×1016/cm2，He+剂量为5×1015/cm2的离子注入；接着在微净化室内进行亲水处理并将它和另外一硅片键合起来；然后将键合后的片子在250℃烘烤1小时，接着进行650℃的热处理，使得注入的H+、He+离子形成连续的气泡层，并且从气泡层开裂分为上下两层，其中一薄层(单晶硅/Al2O3)转移到基底硅片上，从而得到以Al2O3为埋层的SOI结构的衬底材料；所制成的Si/Al2O3/Si结构的衬底材料进行1100℃退火1.5小时。为改善顶层单晶硅表面质量，可以对其进行化学机械抛光。
实施例2
采用化学气相沉积技术，在单晶硅衬底上制备厚度为150nm的Al2O3薄膜，反应物为Al(CH3)3(TMA)和N2O，衬底温度为600℃；其余实施同施例1。
Claims (9)
1.一种以氧化铝为埋层的绝缘层上硅结构的衬底材料，其特征在于它由三层构成：顶层是单晶硅，厚度为100-2000nm，中间是氧化铝埋层，厚度为50-500nm，下层是硅衬底。
2.按权利要求1所述的以氧化铝为埋层的绝缘层上硅结构，其特征在于所述的氧化铝埋层的表面粗糙度低于2nm；顶层硅的厚度可以通过调整离子注入能量来改变。
3.一种以氧化铝为埋层的绝缘层上硅的结构的衬底材料制备方法，其特征在于：
(1)采用超高真空蒸发或化学汽相沉积等技术在一硅片上制备Al2O3薄膜；
(2)室温下对蒸发或沉积有Al2O3薄膜的硅片进行H+或H+、He+离子注入；H+、He+双注入可降低后续退火开裂时所需总的离子注入剂量；
(3)对离子注入后的硅片和另一硅片在微净化室内键合；
(4)键合后的硅片在150-300℃条件下烘烤，接着于400-700℃条件下热处理，使注入的离子形成连续的气泡层，并从气泡层开裂为上下两层，实现剥离，使其中单晶硅/Al2O3薄层转移到衬底硅片上，从而制成Si/Al2O3/Si绝缘层上硅的结构。
4.按权利要求3所述的以氧化铝为埋层的绝缘层上硅的结构的衬底材料制备方法，其特征在于采用超高真空电子束蒸发技术制备Al2O3薄膜。
5.按权利要求3或4所述的以氧化铝为埋层的绝缘层上硅的结构的衬底材料制备方法，其特征在于采用超高真空电子束蒸发技术的衬底温度为400-900℃，蒸发速率在10秒以下，本底真空度高于1×10-5Pa.，蒸发高能Al2O3薄膜或反应蒸发高能金属Al制备Al2O3薄膜。
6.按权利要求3所述的以氧化铝为埋层的绝缘层上硅的结构的制备方法，其特征在于采用化学气相沉积技术制备Al2O3薄膜，衬底温度为衬底温度为400-900℃，然后在室温下将H+、He+注入，注入量分别为1×1016/cm2和5×1015/cm2。
7.按权利要求3所述的以氧化铝为埋层的绝缘层上硅的结构的制备方法，其特征在于为了改善键合特性，在所制备的Al2O3薄膜上制备一层厚度为十几到几十个纳米的多晶硅过渡层。
8.按权利要求3所述的以氧化铝为埋层的绝缘层上硅的结构的制备方法，其特征在于离子注入后的覆盖有Al2O3薄膜的硅片与另一硅片键合之前应进行亲水处理。
9.按权利要求3所述的以三氧化二铝为埋层的绝缘层上硅的结构的制备方法，其特征在于所制成的Si/Al2O3/Si绝缘层上硅的结构进行1000-1200℃退火1-3小时；为提高顶层单晶硅平整度，可以对其进行化学机械抛光。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CNB011263156A CN1153283C (zh) | 2001-07-20 | 2001-07-20 | 以氧化铝为埋层的绝缘层上硅结构的衬底材料的制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CNB011263156A CN1153283C (zh) | 2001-07-20 | 2001-07-20 | 以氧化铝为埋层的绝缘层上硅结构的衬底材料的制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN1328344A true CN1328344A (zh) | 2001-12-26 |
| CN1153283C CN1153283C (zh) | 2004-06-09 |
Family
ID=4666336
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CNB011263156A Expired - Fee Related CN1153283C (zh) | 2001-07-20 | 2001-07-20 | 以氧化铝为埋层的绝缘层上硅结构的衬底材料的制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN1153283C (zh) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101351872B (zh) * | 2006-03-08 | 2010-04-14 | 夏普株式会社 | 半导体装置及其制造方法 |
| CN101197260B (zh) * | 2007-12-28 | 2010-04-14 | 上海新傲科技股份有限公司 | 半导体衬底制备方法和外延方法 |
| CN101914758A (zh) * | 2010-07-23 | 2010-12-15 | 上海新傲科技股份有限公司 | 一种氧离子注入制备绝缘体上硅材料的方法 |
| CN102723265A (zh) * | 2012-06-18 | 2012-10-10 | 苏州阿特斯阳光电力科技有限公司 | 一种硅片的铝掺杂方法 |
| CZ303867B6 (cs) * | 2009-03-26 | 2013-06-05 | Vysoké ucení technické v Brne | Zarízení k nanásení ultratenkých vrstev |
| US9136794B2 (en) | 2011-06-22 | 2015-09-15 | Research Triangle Institute, International | Bipolar microelectronic device |
| CN107731731A (zh) * | 2017-10-11 | 2018-02-23 | 苏州研材微纳科技有限公司 | 陶瓷体上硅衬底的制备方法 |
-
2001
- 2001-07-20 CN CNB011263156A patent/CN1153283C/zh not_active Expired - Fee Related
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101351872B (zh) * | 2006-03-08 | 2010-04-14 | 夏普株式会社 | 半导体装置及其制造方法 |
| CN101197260B (zh) * | 2007-12-28 | 2010-04-14 | 上海新傲科技股份有限公司 | 半导体衬底制备方法和外延方法 |
| CZ303867B6 (cs) * | 2009-03-26 | 2013-06-05 | Vysoké ucení technické v Brne | Zarízení k nanásení ultratenkých vrstev |
| CN101914758A (zh) * | 2010-07-23 | 2010-12-15 | 上海新傲科技股份有限公司 | 一种氧离子注入制备绝缘体上硅材料的方法 |
| US9136794B2 (en) | 2011-06-22 | 2015-09-15 | Research Triangle Institute, International | Bipolar microelectronic device |
| CN102723265A (zh) * | 2012-06-18 | 2012-10-10 | 苏州阿特斯阳光电力科技有限公司 | 一种硅片的铝掺杂方法 |
| CN102723265B (zh) * | 2012-06-18 | 2014-12-24 | 苏州阿特斯阳光电力科技有限公司 | 一种硅片的铝掺杂方法 |
| CN107731731A (zh) * | 2017-10-11 | 2018-02-23 | 苏州研材微纳科技有限公司 | 陶瓷体上硅衬底的制备方法 |
| CN107731731B (zh) * | 2017-10-11 | 2020-04-21 | 苏州研材微纳科技有限公司 | 陶瓷体上硅衬底的制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN1153283C (zh) | 2004-06-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11183420B2 (en) | High resistivity silicon-on-insulator wafer manufacturing method for reducing substrate loss | |
| TWI222111B (en) | Strained Si based layer made by UHV-CVD, and devices therein | |
| CN101276791B (zh) | 半导体晶片及其制造方法 | |
| US9142448B2 (en) | Method of producing a silicon-on-insulator article | |
| US10748989B2 (en) | Insulating layer structure for semiconductor product, and preparation method of insulating layer structure | |
| CN1315155C (zh) | 一种绝缘层上硅结构的制备方法 | |
| JP5231460B2 (ja) | パターニングされた薄いｓｏｉ | |
| KR20190095322A (ko) | 높은 저항률 실리콘-온-절연체 구조 및 그의 제조 방법 | |
| WO2016036792A1 (en) | Method of manufacturing high resistivity silicon-on-insulator substrate | |
| SG189443A1 (en) | Electronic device for radiofrequency or power applications and process for manufacturing such a device | |
| JP2018530925A (ja) | 半導体基板本体及びその上の機能層を分離する方法 | |
| US20130221377A1 (en) | Heterogrowth | |
| CN116705594B (zh) | 一种薄膜半导体与金刚石复合衬底及其制造方法 | |
| CN1153283C (zh) | 以氧化铝为埋层的绝缘层上硅结构的衬底材料的制备方法 | |
| CN118016691A (zh) | 基于大尺寸硅基复合衬底的氮化镓异质结构及其制作方法 | |
| CN1184692C (zh) | 一种多层结构绝缘层上锗化硅材料及制备方法 | |
| CN116666199B (zh) | 一种基于临时载体的SiC/金刚石复合衬底制造方法 | |
| CN1359158A (zh) | 一种类似绝缘层上硅结构的材料及制备方法 | |
| CN106531682A (zh) | GeOI结构以及制备方法 | |
| CN1088541C (zh) | 以氮化铝为绝缘埋层的绝缘体上的硅材料制备方法 | |
| TWI742828B (zh) | 可降低應力的氮化鎵磊晶片 | |
| CN112201567B (zh) | 用于氮化物材料外延的高导热衬底的制备方法 | |
| CN106783616A (zh) | 半导体结构以及制备方法 | |
| CN106449368B (zh) | 半导体结构以及制备方法 | |
| Matsumae et al. | Hydrophilic bonding of SiC substrate dipped in hydrofluoric acid with Ga 2 O 3 film through atomically thin intermediate layer |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C19 | Lapse of patent right due to non-payment of the annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |