专利名称：金刚石膜上的薄层硅结构芯片材料及其制备方法
技术领域：
本发明属一种单晶硅芯片材料及制备方法，特别涉及一种带金刚石膜的薄层硅结构芯片材料及制备方法。
目前，常见的抗辐射电子器件的材料是绝缘物上的薄层单晶硅材料，称为SOI材料。金刚石膜上的薄层硅结构是发展了的绝缘层上的薄层硅结构。由于金刚石膜的高绝缘、高导热性，使该材料成为制作大功率电子器件和抗辐射电子器件的理想材料。
与本发明最相接近的薄层硅结构芯片材料与工艺是“硅片键合与背面刻蚀制作的CMOS/SOI器件的辐射特性”文章中介绍的材料及工艺，该文章载《IEEE Transactions on Nuclear Science》Vol.35，NO.6，December 1988，1653～1656。文章介绍的芯片材料的结构如
图1所示。芯片材料是以单晶硅为衬底，称衬底单晶硅1，其上形成有衬底二氧化硅层2；最上面为用于制作电子器件的键合单晶硅5，键合单晶硅5下表面形成有键合二氧化硅层3，衬底二氧化硅层2与键合二氧化硅层3，经高温键合而成为二氧化硅绝缘层。其制备工艺大致为衬底单晶硅1和键合单晶硅5，经氧化分别形成衬底二氧化硅层2和键合二氧化硅层3，两单晶硅片上的二氧化硅层(2，3)经密合，在1100℃高温和净化湿氧条件下，键合2小时，形成一块芯片材料，最后用机械与非接触化学抛光减薄键合单晶硅5至适合制作电子器件的厚度，形成绝缘二氧化硅上的薄层硅结构(SOI结构)的芯片材料。
这种结构采用二氧化硅为绝缘层，使薄层硅上所制作的器件具有抗辐射特征。但由于SOI结构的材料受本身禁带宽度的限制，造成该材料抗辐射性能和导热性能有一定的限度，不利于大功率器件和抗强辐射器件的制作，在工艺上，由于键合是在高温下直接进行，在牢固性方面也有缺陷，成品率较低。
本发明的目的是，设计一种以金刚石膜为绝缘层的薄层硅结构芯片材料，设计一套为实现这种结构的工艺过程和工艺条件，使制备出的金刚石膜上的薄层硅结构能克服SOI结构的不足，即有利于抗强辐射或/和大功率器件的制作，又能键合牢固、制作方便、成功率高。
本发明的金刚石膜上的薄层硅结构(称SOD结构)芯片材料，以单晶硅片为衬底，称为衬底单晶硅，它是本发明的结构材料中起支撑作用的单晶硅片，其表面制备有衬底二氧化硅层；另一片单晶硅片用于与衬底单晶硅一起密合后键合，最后被减薄形成薄层硅，用于制作电子器件，它被称为键合单晶硅，其上制备有键合二氧化硅层。两块单晶硅片上的二氧化硅层密合经高温键合形成一层二氧化硅绝缘层。与现有技术的SOI结构不同的是，在键合单晶硅和二氧化硅绝缘层之间，(即在键合单晶硅与键合二氧化硅层之间)，先形成有二氧化硅过渡薄层，其上制备有金刚石膜和氮化硅保护层。
图1是现有技术的SOI材料的横断面示意图。
图2是本发明的金刚石膜的薄层硅结构横断面示意图。
图2中，1是衬底单晶硅，可以有300μm的厚度，其表面制备有衬底二氧化硅层2，厚度可为0.3μm；5为键合单晶硅，厚度跟衬底单晶硅1一样，经减薄形成薄层硅后，其厚度在0.5～3μm，最好为1μm左右，成为适于制作电子器件的芯片材料。在键合单晶硅5上制备有一层二氧化硅过渡薄层6，厚度可为10-2μm量级，比方10-2μm，它可以减少金刚石摸膜7与薄层硅之间的界面态密度，阻挡以后制作电子器件时杂质的扩散。金刚石膜7的厚度为1～4μm，最好为2μm，在金刚石膜7的下表面的氮化硅保护层8，厚度可以是10-1μm量级它起到防止金刚石膜7被氧化的作用。最后形成的一层键合二氧化硅层3，跟衬底二氧化硅层2密合后键合形成二氧化硅绝缘层。
由于本发明的芯片材料引入了金刚石膜7，为了使制备出的芯片材料具有键合的牢固性，提高键合成功率，采用了与现有技术不同的工艺过程。具体键合制备过程如下所述。
用制备好的一片单晶硅片作键合单晶硅5，其一个表面先形成二氧化硅过渡薄层6，再顺次生长金刚石膜7和氮化硅保护层8；在氮化硅保护层8上生长一层厚度可为0.3μm的多晶硅，多晶硅层氧化形成键合二氧化硅层3。用制备好的另一片单晶硅片作衬底单晶硅1，其一个表面氧化形成衬底二氧化硅层2，厚度可为0.3μm。将分别生长有键合二氧化硅层3和衬底二氧化硅层2的键合单晶硅5和衬底单晶硅1进行亲水处理，使键合二氧化硅层3和衬底二氧化硅层2的抛光表面面对面密合，置于高温炉中，在净化环境中，通干氧条件下，自常温逐渐升温到800～1000℃，通湿氧至1200℃，恒温2小时。从高温炉中取出后，减薄键合单晶硅5至适合制作电子器件的厚度。
所说的亲水处理是将形成有键合二氧化硅层3和衬底二氧化硅层2的两单晶硅片，在丙酮中超声处理后，分别按顺序经含双氧水的硫酸、含双氧水的氨水、含双氧水的盐酸溶液中煮沸2～3分钟；再在(50±5)℃的含双氧水的硝酸中浸3～5分钟，在去离子水中冲洗。
其中含双氧水的硫酸成分可以是H2SO4∶H2O2为10∶1；含双氨水的氮水成分可以是H2O∶H2O2∶NH3·H2O为5∶2∶1，含双氧水的盐酸成分可以是H2O∶H2O2∶HCl为7∶2∶1；硝酸双氧水的成分可以是H2O2∶HNO3为1∶1。之后，冲洗用的去离子水温度为(50±5)℃，电阻率大于16MΩ/cm，冲洗10次以上。
所说的键合过程中，自常温逐渐升温到800～1000℃是这样进行的将密合后的硅片放置在高温炉距恒温区20～30cm处，常温下通氮气30分钟，之后通干氧升温，当温度升至800～1000℃时将密合的两单晶硅片推至恒温区。在通湿氧条件下，1200℃恒温2小时后，键合的硅片出炉前，有一个退火过程，通氮气降温约30分钟，再缓慢将芯片材料从高温炉中取出。
在上述的通氮、通干氧、通湿氧时，流量一般可以为0.8～1.5升/分钟，流量过大，过小都不利于键合的牢固性及成品率。
所说的在衬底单晶硅1上形成的衬底二氧化硅层2与在键合单晶硅5上形成的键合二氧化硅层3抛光表面面对面密合，是在常温下去离子水中进行的，从去离子水中取出时，是抛光表面在竖直方向取出放入高温炉中的。
将键合单晶硅5减薄，可以是机械抛光减薄之后再用离子束抛光减薄至薄层硅厚度为0.5～3μm。
本发明的金刚石膜上的薄层硅结构(SOD)芯片材料，由于采用了金刚石膜而使在其上制备的电子器件具有抗强辐射性能和良好的散热性能及绝缘性能，有益于制作大功率或/和抗辐射器件；由于有二氧化硅过渡薄层的形成，有利于阻止器件制作时杂质的扩散并减小金刚石膜与薄层硅的界面态密度。本发明的键合制备方法由于采用严格的亲水处理、水中密合以及1200℃高温键合，使键合具有牢固性；由于在高温炉中自常温开始逐渐升温，能够防止单晶硅片的爆裂，提高键合的成功率，减少废品；由于键合后在氮气保护下退火，而使单晶硅晶格具有完整性，有利于电子器件的制作和稳定。本发明的键合制备技术还具有制作周期短，制备工艺稳定，制作方法简便，批量大等特点。
权利要求
1.一种金刚石膜上的薄层硅结构，是在衬底单晶硅(1)上形成有衬底二氧化硅层(2)；最上面的键合单晶硅(5)通过其上的一层键合二氧化硅层(3)跟衬底二氧化硅层(2)高温键合形成一层二氧化硅绝缘层；本发明的特征在于，在键合单晶硅(5)和键合二氧化硅层(3)之间，先形成二氧化硅过渡薄层(6)，其上制备有金刚石膜(7)和氮化硅保护层(8)。
2.按照权利要求1所述的金刚石膜上的薄层硅结构，其特征在于在键合单晶硅(5)上的二氧化硅过渡薄层(5)厚度为10-2μm量级，金刚石膜(7)的厚度为1～4μm，氮化硅保护层(8)厚度10-1μm量级，键合单晶硅(5)经减薄所形成的薄层硅厚度为0.5～3μm。
3.一种金刚石膜上的薄层硅结构的键合制备方法，是在衬底单晶硅(1)和键合单晶硅(5)的一个表面上分别形成衬底二氧化硅层(2)和键合二氧化硅层(3)；经净化的氧气环境中键合，再减薄键合单晶硅(5)，本发明的特征在于，在键合前，在键合单晶硅(5)上先形成二氧化硅过渡薄层(6)，其上顺次生长金刚石膜(7)和氮化硅保护层(8)；所说的键合二氧化硅层(3)是在氮化硅保护层(8)上生长一层多晶硅，再氧化形成的；所说的键合，是先经过亲水处理，将衬底单晶硅(1)上的衬底二氧化硅层(2)跟键合单晶硅(5)表面上的键合二氧化硅(3)抛光表面面对面密合，放在高温炉中，在净化环境中通干氧条件下，自常温逐渐升温到800～1000℃，通湿氧至1200℃恒温2小时；从高温炉取出后减薄键合单晶硅(5)至适合制作电子器件的厚度。
4.按照权利要求3所述的金刚石膜上的薄层硅结构的键合制备方法，其特征在于所说的亲水处理是将形成有衬底二氧化硅层(2)和键合二氧化硅层(3)的两单晶硅片，在丙酮中超声处理后，分别按顺序经含双氧水的硫酸、含双氧水的氨水、含双氧水的盐酸溶液中煮沸2～3分钟，再在(50±5)℃的含双氧水的硝酸中浸3～5分钟，在去离子水中冲洗干净，再密合键合。
5.按照权利要求3或4所述的金刚石膜上的薄层硅结构的键合制备方法，其特征在于亲水处理中所用的含双氧水的硫酸成分是H2SO4∶H2O2为10∶1；含双氧水的氨水的成分是H2O∶H2O2∶NH3·H2O为5∶2∶1；含双氧水的盐酸溶液的成分是H2O∶H2O2∶HCl为7∶2∶1；含双氧水的硝酸的成分是H2O2∶HNO3为1∶1；所说的在去离子水中冲洗，是在电阻率大于16MΩ/cm的(50±5)℃的去离子水中冲洗10次以上。
6.按照权利要求3或4所述的金刚石膜上的薄层硅结构的键合制备方法，其特征在于在键合中，自常温逐渐升温至800～1000℃的过程包括将密合后的两单晶硅片放置在高温炉中距恒温后区20～30厘米处，常温下通氮气30分钟，之后通干氧升温，当温度升至800～1000℃时将密合的两单晶硅片推到恒温区；在高温键合后还要经退火过程，即在湿氧条件下1200℃恒温2小时后，通氮气降温30分钟，再缓慢将制备成的芯片材料从高温炉中取出；在键合中所通的氮气、干氧、湿氧的流量均为0.8～1.5升/分钟。
7.按照权利要求3或4所述的金刚石膜上的薄层硅结构的键合制备方法，其特征在于所说的衬底二氧化硅层(2)和键合二氧化硅层(3)的抛光表面面对面密合，是在常温下去离子水中进行的，从去离子水中取出时，是抛光表面在竖直方向取出放入高温炉的。
8.按照权利要求6所述的金刚石膜上的薄层硅结构的键合制备方法，其特征在于所说的衬底二氧化硅层(2)和键合二氧化硅层(3)的抛光表面面对面密合，是在常温下去离子水中进行的，从去离子水中取出时，是抛光表面在竖直方向取出放入高温炉的。
全文摘要
金刚石膜上的薄层硅结构属用于制作电子器件的芯片材料。制备过程大致是在键合单晶硅(5)上顺次形成SiO
文档编号H01L21/00GK1132408SQ9511937
公开日1996年10月2日 申请日期1995年12月12日 优先权日1995年12月12日
发明者顾长志, 金曾孙 申请人:吉林大学