CN1041119C - 含金刚石膜的soi集成电路芯片材料及其制作工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明是含金刚石膜的SOI集成电路芯片材料及制作工艺。其结构按顺序为单晶硅薄层(3)、SiO2过渡层(5)、金刚石膜(2)、多晶硅(4)。其工艺是在单晶硅片上逐层生长SiO2过渡层、金刚石膜和多晶硅，再对单晶硅片进行减薄处理。生长金刚石膜是以丙酮为原料气体，减薄是机械抛光后使用离子束溅射技术。本发明不经高温区熔，工艺简单，可防止氧及杂质渗入，单晶硅薄层质量好；制作的集成电路具有抗辐射能力强、漏电小、性能稳定、界面态密度低等优点。
Description
本发明属一种集成电路芯片材料及其制作方法。
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。用SOI材料制作的集成电路可在较大剂量辐照情况下正常工作。已有的制作SOI材料的方法有：在绝缘物(如兰宝石单晶片)上直接异质外延单晶硅薄层，或在单晶硅表面形成SiO2膜，再置另一单晶硅片于SiO2上高温键合后再减薄形成SOI结构。
与本发明最相接近的技术是一份美国专利，名称为“区熔再结晶SOD技术”，公开号5186785，公开日1993年2月16日。所制作的SOD结构是在单晶硅片表面生长金刚石膜，金刚石膜的面积小于单晶硅片的表面积，再在金刚石膜和单晶硅片上生长薄层多晶硅。以多晶硅与单晶硅片相接触的单晶硅为子晶，经过高温区熔，使多晶硅薄层结晶为单晶硅薄层。具体结构可参见图1。图1中，1为单晶硅片，2为金刚石膜，3为单晶硅薄层，是由多晶硅经区熔转变而成，制作电子器件是在单晶硅薄层3上进行的。已有技术的工艺过程大体是，经常规处理的单晶硅片1为衬底，以甲烷气体为碳源，生长金刚石膜2；在金刚石膜2表面上置多晶硅薄层，所置的多晶硅薄层面积跟单晶硅片1的面积相等；在高温下区熔再结晶，形成SOI结构的抗辐射电子集成电路芯片材料。
这种SOI材料由于有金刚石膜2的存在，制作成集成电路时可在较高温度下工作，抗辐射能力强；由于所置的多晶硅可以较薄，大约在1μm左右，有利于制作电子器件。但由于单晶硅薄层3是经区熔再结晶形成的，因而单晶质量差，缺陷多，电子空穴迁移率减小，性能不稳定，抗辐射能力也是有限的，而且表面平整度差；由于金刚石膜2也很薄，影响导热性能，并使击穿电压降低；金刚石膜2与单晶硅薄层3间的界面态密度较大，制作的器件漏电较严重。
本发明设计一种含金刚石膜和二氧化硅过渡层的SOI结构，并使用将单晶硅减薄的反外延技术，使本发明的SOI结构材料制作的电子器件抗辐射能力强、集成度高、性能稳定、导热效果好、击穿电压高、可靠性提高，使本发明的制作工艺避免高温区熔、工艺过程简单并能精确控制单晶硅薄层的厚度，达到克服已有技术不足的目的。
本发明的含金刚石膜的SOI集成电路芯片材料按顺序由单晶硅薄层、SiO2过渡层、金刚石膜、多晶硅构成。其中金刚石膜的面积小于单晶硅薄层和SiO2过渡层的面积，使得金刚石膜包在SiO2过渡层和多晶硅之间。
还可以在多晶硅的外表面生长有一薄层的氮化硅，即Si4N3层。这样形成的多晶硅和氮化硅的复合层，在制备SOI结构中可以有效地防止氧及其它杂质的渗入，起到保护集成电路芯片材料的作用。
图2是本发明的一种SOI结构示意图。
图3是本发明的覆有Si4N3层的SOI结构示意图。
图2中，单晶硅薄层3是由单晶硅片生长SiO2过渡5、金刚石膜2以及多晶硅4，制成SOI结构以后，经减薄处理后得到，其厚度小于1μm，甚至可薄至0.4～0.5μm。在这个厚度下制作集成电路具有抗辐射能力提高、运行速度增加、漏电流小、可控硅效应减小等许多优良特性，因此说单晶硅薄层的厚度对制作集成电路是至关重要的。在金刚石膜2和单晶硅薄层3之间生长有二氧化硅层，即SiO2过渡层5。SiO2过渡层5可有效地减小金刚石膜2与单晶硅薄层3间的界面态密度，而对制作的器件性能没有影响。在金刚石膜2表面覆有的多晶硅4，在制备SOI结构时起到保护作用，使金刚石膜2免受氧及杂质的渗入；在进行减薄和制作集成电路时又可起到支撑作用，方便操作。
在图3中，6即是生长在多晶硅4外表面上的Si4N3层。可更有效地起保护作用。
在本发明的SOI结构中，SiO2过渡层5的厚度可以控制在(0.8～1.0)×10-2μm，过薄将会产生空洞，起不到减小金刚石膜2与单晶硅薄层3间的界面态密度的目的；过厚可能降低含金刚石膜2的SOI结构的一些优良特性。金刚石膜2的厚度控制在6～15μm范围，过薄会影响金刚石膜2的导热性能和降低击穿电压，使制作的集成电路抗辐射能力降低；而过厚给制作器件的加工带来困难。多晶硅4的厚度控制在300μm左右，以便在减薄单晶硅片和制作器件时能起到支撑和保护作用。
本发明的含金刚石膜的SOI集成电路芯片材料的制作工艺过程，如下所述。
首先将单晶硅片经过常规处理，生长其它材料的薄层。所说的其它材料的薄层包括SiO2过渡层5。再在SiO2过渡层5上生长金刚石膜2。生长金刚石膜2是以丙酮为碳源气体，采用热丝CVD法生长的，并使金刚石膜2的面积小于单晶硅片的面积，即在SiO2过渡层5的表面的周边没有生长上金刚石膜2。在金刚石膜2上生长多晶硅4时，多晶硅4和SiO2过渡层5将金刚石膜2包围在SOI结构的中间。最后对单晶硅片进行减薄处理，可以先使用机械抛光方法，再用离子束溅射方法实现，使单晶硅片被减薄至适于制作集成电路的厚度，构成单晶硅薄层3。
所说的减薄处理，可以是先用机械抛光的方法使单晶硅片减薄至10μm以下，再采用离子束溅射的方法使单晶硅片减薄至适于制作集成电路的厚度，如薄至0.4～0.5μm。
这种在单晶硅片上先生长其它材料，形成SOI结构后，再减薄单晶硅片构成单晶硅薄层的方法，就是反外延技术。
本发明的含金刚石膜的SOI集成电路芯片材料，由于金刚石膜2的高电阻率，良好的导热性能、宽禁带和较高的电子空穴迁移率，使制备的器件在大剂量辐射条件下，各项性能参数稳定，击穿电压增大，导热性能提高；由于金刚石膜2的热膨胀系数与硅相接近和生长有SiO2过渡层5，而具有较低的界面态密度，制作器件时漏电流小，可控硅效应减小，抗辐射能力提高；由于在背面沉积多晶硅4或多晶硅和氮化硅的复合层，有效地阻止在集成电路中常用的氧及其它杂质的渗入，保证中间的金刚石膜2不被氧化和污染，同时为单晶硅片减薄成单晶硅薄层3提供有效的支撑平面。
本发明的制备含金刚石膜的SOI集成电路芯片材料的工艺，由于采用反外延减薄技术，没有区熔再结晶过程，不仅使工艺简单，而且单晶硅薄层3的质量好，还保证了SiO2过渡层5不形成单晶硅而起到SiO2过渡层的作用；由于生长金刚石膜2时使用丙酮作原料气体，使金刚石膜2质量好，可充分表现金刚石膜2的优良性能；由于采用离子束溅射减薄技术，可准确控制单晶硅薄层3的厚度和保证单晶硅薄层3的质量，有益于在SOI结构上制作集成电路，且具有高集成度和高可靠性。
Claims (2)
1、一种含金刚石膜的SOI集成电路芯片材料的制备工艺，将单晶硅片经常规处理，生长其它材料的薄层，通过反外延减薄技术，将单晶硅片减薄成单晶硅薄层(3)；在制备的SOI结构中间还生长有金刚石膜(2)，其特征在于：
①在常规处理后的单晶硅片上生长SiO2过渡层(5)，再在SiO2过渡层(5)上生长金刚石膜(2)；
②所说的生长金刚石膜(2)是以丙酮为碳源气体，采用热丝CVD法生长出来的，并使金刚石膜(2)的面积小于单晶硅片面积，即在SiO2过渡层(5)表面的周边没有生长上金刚石膜(2)；
③在金刚石膜(2)上生长多晶硅(4)；
④所说的对单晶硅片进行减薄处理是用机械抛光方法，再用离子束溅射方法实现的。
2、按照权利要求4所述的含金刚石膜的SOI集成电路芯片材料的制备方法，其特征在于所说的机械抛光方法使单晶硅片减薄至10μm以下，再用离子束溅射方法将单晶硅片减薄至0.4～0.5μm，构成单晶硅薄层(3)。
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