專利名稱：以氮化鋁為絕緣埋層的絕緣體上的硅材料制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于微電子學與固體電子學中半導體材料的制造工藝，進一步說是一種以AlN為絕緣埋層的SOI材料制備方法。
絕緣體上的硅即SOI(Silicon on Insulator)電路具有高速、低功耗、抗輻射等優(yōu)點，在航空航天、軍工電子、便攜式通訊系統(tǒng)等方面具有重要應用背景，被認為是二十一世紀的硅集成電路技術，倍受人們重視(J.P.Collige,Silicon on Insulator Technology,Materials to VLSI,Kluwer Academic Publishers,1991)。
目前的SOI材料均采用SiO2作為絕緣埋層。由于SiO2導熱性能差，在很大程度上限制了SOI材料在高溫與大功耗電路中的應用。AIN材料具有熱導率高，電阻率大，擊穿場強高，熱膨脹系數(shù)與Si相近等優(yōu)異性能，是更優(yōu)異的介電和絕緣材料。用AlN取代SiO2作SOI的絕緣埋層顯然可以提高SOI技術的在高溫、大功耗電路方面的應用。S.Bengtsson等人在Jpn.J.Appl.Phys．上發(fā)表文章(S.Bengtsson,M Bergh,M Choumas,et al,Jpn.J.Appl Phys Pt.1,35(1996),4175)，將在Si襯底上用反應磁控濺射沉積的AlN薄膜和另一硅片鍵合起來，再將其中的一個硅片用化學機械拋光的方法減薄，形成以AlN為絕緣埋層的SOI結構。但該方法所采用的減薄工藝難度大，減薄后頂層硅的厚度不均勻，難以形成質量優(yōu)良的SOI新材料。
本發(fā)明的目的是提供一種以氮化鋁(AlN)為絕緣埋層的SOI材料制備方法。
本發(fā)明的方法在于利用已知的離子注入合成(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)在硅襯底上形成AlN薄膜，并改進目前最具有競爭力的智能剝離(Smart-Cut)SOI制備技術(M.Bruel,Electronics Letters,31(1995),1201)，即利用H+、He+雙注入技術在降低注入劑量的情況下，在另一硅片中形成H+、He+注入層后，將之與AlN薄膜鍵合起來，經熱處理從H+、He+注入形成的氣泡層分開，頂層硅膜轉移到AlN上，獲得如

圖1所示的Si/AlN/Si SOI結構。圖1中1為上層硅，厚度為0.2～1.5μm；2為AlN絕緣埋層，厚度為0.1～0.3μm；3為硅襯底。本發(fā)明避免了S.Bengtsson等所采用的困難的減薄工藝，其特征在于利用H+、He+雙注入降低在硅中形成連續(xù)氣泡層的劑量；頂層硅的厚度可通過調整H+、He+的注入能量來改變，厚度均勻，而且工藝上容易實現(xiàn)。
本發(fā)明的方法中，首先用超高真空電子束蒸發(fā)儀在單晶硅襯底上先蒸發(fā)厚度為0.2μm的鋁膜，后蒸發(fā)500多晶硅，然后采用氮離子注入法或Al膜氮化法制備AlN薄膜。所述的氮離子注入合成法，氮離子注入能量為40keV，劑量為1.5×1018cm-2，注入后在400～600℃退火，形成AlN薄膜。推薦退火溫度為500℃。所述的Al膜氮化法是超高真空鍍膜儀制備的Al膜，在1200～1300℃的高溫下，在高純氮氣氛中退火，將Al膜氮化形成AlN薄膜。
然后在室溫下將氫(1×1016cm-2)、氦(1×1016cm-2)子注入到單晶硅中形成連續(xù)氣泡層，在微凈化室內將氫、氦雙注入的硅片與上述表面生長有AlN薄膜的硅片鍵合起來。
將AlN-Si鍵合后的片子在500～700℃熱退火，以600℃退火效果最佳，使氫、氦雙注入的硅片從形成的氣泡層處分為上下兩層，其中與基底分開的硅膜轉移到AlN上，形成以AlN為埋層的SOI結構。
為了進一步提高頂層硅和氮化鋁的質量，加強鍵合強度，最好將形成的SOI材料在1000～1200℃退火0.5～2小時。
將上述所獲的SOI材料經化學機械拋光(CMP)處理進一步改善上層硅的表面質量。
圖2是本發(fā)明制備以AlN為絕緣埋層的SOI材料的流程圖(1)利用超高真空電子束蒸發(fā)儀在硅片表面生長鋁膜；(2)采用離子注入合成或鋁膜氮化的方法制備氮化鋁薄膜；(3)向另一單晶硅片內注入氫、氦離子，形成納米氣泡層；(4)AlN薄膜與氫、氦雙注入硅片親水處理、室溫鍵合；(5)在SOI專用高溫退火爐中進行熱處理，氫、氦雙注入硅片從氣泡層裂開，頂層硅與氮化鋁薄膜連為一體，形成SOI結構，然后在1100℃退火，提高SOI材料的質量；(6)將裂開后的較粗糙的表面拋光，最終制備出表面平整的以AlN為絕緣埋層的新型SOI材料。
下述實施例將有助于理解本發(fā)明，但并不限制本發(fā)明的內容。
實施1AlN薄膜的制備方法。用超高真空電子束蒸發(fā)儀在單晶硅襯底上先蒸發(fā)厚度為0.2μm的鋁膜，后蒸發(fā)500多晶硅作為保護層，然后向Al膜中注入能量為40keV，劑量為1.5×1018cm-2的氮離子，注入后在400～600℃溫度下退火，形成AlN薄膜；或者將Al膜置于高純氮氣氛中，并在1200～1300℃高溫下退火、氮化形成AlN薄膜。
實施2以AlN薄膜埋層的SOI結構的制備方法。將實施1制備的AlN薄膜與室溫下進行過氫(1×1016cm-2)、氦(1×1016cm-2)離子雙注入的單晶硅片，在微凈化室進行親水處理與鍵合；然后將AlN-Si鍵合后的片子進行500～700℃熱退火，使氫、氦雙注入的硅片從形成的氣泡層處分為上下兩層，其中與基底分開的硅膜轉移到AlN上，形成以AlN為埋層的SOI結構。
實施3拋光。將上述所獲的SOI材料經化學機械拋光(CMP)處理，進一步改善上層硅的表面質量。
權利要求
1.一種絕緣體上的硅即SOI材料的制備方法，用Al膜中注入高劑量N+與后退火處理或Al膜高溫氮化方法制備AlN薄膜，結合硅中H+、He+雙注入，并與AlN薄膜低溫鍵合、智能剝離工藝，形成以AlN為絕緣埋層的Si/AlN/Si結構的SOI材料。
2.按權利要求1所述的方法，其特征是在硅片上利用超高真空電子束蒸發(fā)儀制備Al膜，然后采用下述方法(1)向Al膜中注入高劑量N+，并經400～600℃退火合成AlN薄膜；(2)在1200～1300℃的高溫下，在高純氮中退火，將Al膜氮化形成AlN薄膜。
3.按權利要求1或2所述的方法，其特征是向Al膜中注入高劑量的N+，然后在500℃退火合成AlN薄膜。
4.按權利要求1或2所述的方法，其特征是在Si單晶上制備AlN薄膜，其厚度是0.1～0.3μm，表面粗糙度低于0.01μm。
5.按權利要求1或2所述的方法，其特征是室溫下向單晶硅中注入劑量為(1～2)×1016/cm2的氫、氦離子，選擇能量使氫、氦在硅中的濃度分布峰值重迭，在微凈化室內將此硅片與表面生長有AlN薄膜的硅片進行親和處理、鍵合，然后在500～700℃退火，在氣體壓力作用下，氫、氦離子注入的硅片從形成的氣泡層處分裂開，氣泡層上方的硅膜轉移到AlN薄膜上，形成Si膜/AlN/Si襯底的SOI結構。
6.按權利要求5所述的方法，其特征是經H+、He+注入的單晶硅與長有AlN薄膜的硅片進行親和處理、鍵合，然后在600℃處理。
7.按權利要求5所述的方法，其特征是所述的頂層硅膜的厚度為0.2～1.5μm。
8.按權利要求7所述的方法，其特征是對SOI頂層硅進行化學機械拋光。
全文摘要
本發(fā)明屬于微電子學與固體電子學中新材料的制造工藝，具體地說是一種以AlN為絕緣埋層的絕緣體上的硅即SOl材料制備方法，系利用離子束合成或Al膜氮化的方法制備具有良好導熱性能的AlN絕緣薄膜，并與、氫氦離子注入、硅片鍵合和智能剝離工藝相結合，制備以用AlN為絕緣埋層的SOl結構，這種SOl材料的導熱性能優(yōu)于常規(guī)的以SiO
文檔編號H01L21/20GK1227400SQ9812206
公開日1999年9月1日 申請日期1998年12月4日 優(yōu)先權日1998年12月4日
發(fā)明者林成魯, 張苗, 王連衛(wèi), 黃繼頗, 多新中 申請人:中國科學院上海冶金研究所