专利名称：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
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。
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 WaferBondingScience，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。
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。
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.
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。
权利要求
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。
全文摘要
本发明涉及一种以Al
文档编号C23C16/00GK1328344SQ0112631
公开日2001年12月26日 申请日期2001年7月20日 优先权日2001年7月20日
发明者万青, 章宁琳, 林青, 沈勤我, 张苗, 林成鲁 申请人:中国科学院上海冶金研究所