專利名稱：一種廣義的絕緣體上半導體薄膜材料及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型半導體材料及制備方法，更確切地說是采用離子注入與鍵合技術(shù)，將多種半導體薄膜材料轉(zhuǎn)移到絕緣體或絕緣薄膜上，形成新型廣義的SOI材料。屬于微電子學領(lǐng)域。
近年來，H、He注入后在半導體及一些壓電、鐵電材料中的行為被廣泛研究。實驗證明，H、He注入后的許多材料中，包括SiC、GaAs、GeSi、LiTaO3等，都有著與硅材料相似的現(xiàn)象一旦H、He劑量達到或超過臨界值，在一定的熱處理條件下，材料中的H、He再注入所形成的缺陷處聚集而形成氣泡并生長，進而釋放產(chǎn)生空腔。人們已經(jīng)可使多種絕緣體與絕緣體、絕緣體與半導體材料成功鍵合，包括AlN與Si、石英玻璃與Si、SiC與SiO2、Si3N4與SiO2等等。先前，在襯底上制備不同材料的薄膜，一般采用外延或CVD技術(shù)，工藝苛刻，成本高昂，而且存在晶格失配問題，所導致的較高的缺陷密度降低了器件的性能甚至使之失效。顯然利用離子注入和鍵合的方法可制備出各種先進的高質(zhì)量SOI材料。
本發(fā)明涉及的是一類廣義的SOI材料，即絕緣體上的半導體材料(Semiconductor-on-Insulator)，其有源層可以是單晶硅，也可以是有著寬禁帶、高熱導率、高臨界擊穿電場的金剛石薄膜，在高速、高頻電路和光電器件方面有重要應用的GaAs、SiGe，以及廣泛應用于高溫、高壓、高頻器件的SiC等；其絕緣埋層除二氧化硅外，還可采用高熱傳導率的AlN、Al2O3，抗輻照性能更佳的SiO2/Si3N4復合體，光電器件中常被使用的LiTaO3，還可直接采用透光性能良好的石英、玻璃圓片作為襯底。這樣，結(jié)合了多種先進的半導體材料與絕緣埋層的新型SOI材料具有許多優(yōu)異的性能，在微電子領(lǐng)域有比Si-on-Insulator更廣泛的應用，如用于高速顯示系統(tǒng)驅(qū)動電路的Si-on-Glass、Si-on-Quartz材料、用于大功率抗輻照的Si-on-Mutilayer(SOIM)、用于系統(tǒng)集成的(SOC)的圖形轉(zhuǎn)移等。
更確切地說本發(fā)明提出的制備方法，要求鍵合的材料具有很高的表面平整度，利用Van der Waals力使兩類材料直接鍵合，從而在很大程度上避免了其他方法由于晶格失配而引入的缺陷，并結(jié)合離子切割(Ion-Cut)技術(shù)，可以利用一片昂貴材料如SiC、金剛石、GaAs等形成幾百片性能更優(yōu)良的SiC-on-Insulator、GaAs-on-Insulator等材料，不僅可大幅度降低材料成本，還提高了材料性能，拓展這些材料的應用領(lǐng)域。
本發(fā)明提出的制備絕緣體上半導體薄膜材料的特征是(1)室溫下向Si、SiC、SiGe、GaAs、InP、類金剛石等具有半導體性質(zhì)的材料內(nèi)注入H或He等離子，或者同時注入多種離子，如H和He離子，在半導體表層薄膜下面形成一個含有納米氣泡的注入層。H、He離子的注入劑量為3.5×1016/cm2～3.5×1017/cm2；(2)將H、He離子注入后的上述SiC等具有半導體性能的材料與表面生長有SiO2、AlN、Al2O3、LiTaO3等絕緣薄膜的硅片或玻璃、石英圓片面對面鍵合在一起。鍵合可以是在常壓下、也可以是真空下，或是常溫、或是較高溫度(一般為100℃～200℃)等等；需要的情況下，鍵合之前可以對表面進行拋光、親水等處理；(3)將鍵合后的圓片于300℃～600℃進行熱處理或機械處理，使半導體薄膜與其基底材料從氣泡層處完整分裂開，半導體薄膜轉(zhuǎn)移到絕緣襯底上，形成半導體薄膜/絕緣薄膜/硅或半導體薄膜/絕緣體的廣義SOI結(jié)構(gòu)。
需要特別強調(diào)指出的是(1)可以選擇將鍵合后的一對圓片進行加固處理，以加強鍵合強度。加固處理溫度及保溫時間依不同材質(zhì)選擇，條件為300℃～1100℃，加熱1～20小時；(2)所述的H、He離子注入可以利用掩模(如polymethylmethacrylate)進行選擇區(qū)域的H、He離子注入，然后按上述方法進行鍵合與分離，或只將H、He離子注入部分轉(zhuǎn)移到支撐圓片上，實現(xiàn)圖形化的器件層轉(zhuǎn)移；或?qū)崿F(xiàn)半導體薄膜的整體轉(zhuǎn)移，但有源區(qū)得到掩模的保護未在離子注入中損傷；(3)所述的用于形成有源層的半導體材料可以是Si、SiC、SiGe、GaAs、InP、類金剛石等等，也可以是由它們組成的復合結(jié)構(gòu)，但絕不僅限于這幾種材料；(4)所述的支撐圓片可以是利用多種薄膜生長技術(shù)如熱氧化、CVD、PLD、MBE、濺射等在單晶硅片上獲得的SiO2/Si、AlN/Si、Al2O3/Si中一種結(jié)構(gòu)，或是由絕緣體材料組成的復合結(jié)構(gòu)，如Si3N4/SiO2/Si；還可以是絕緣體材料如玻璃圓片、石英圓片等，但絕不僅是限于上面所涉及的支撐材料；(5)上面所述的工藝可將新型絕緣體薄膜轉(zhuǎn)移到硅片上，形成半導體上的絕緣體薄膜-IOS(Insulator-on-Silicon)結(jié)構(gòu)，如LiTaO3-on-Silicon。且可重復上述工藝過程，以獲得多層的材料；(6)所述的半導體材料與支撐材料的表面微粗糙度小于2納米；所形成的廣義SOI結(jié)構(gòu)的上層半導體薄膜厚度為50～2000納米；(7)用本發(fā)明提供的制備方法可實現(xiàn)立體材料與三維的集成。
需要說明的是，為防止材料的非晶化，可以改變注入的溫度；注入的劑量也隨溫度進行調(diào)整，一般而言注入溫度的提高，薄膜轉(zhuǎn)移所需的臨界注入劑量下降；H、He的注入，既可以是H的注入，也可以是He的注入，還可以是H、He的共注入，在多數(shù)情況下，后者的采用能夠有效降低總的注入劑量；為獲得最佳的鍵合效果，可以在較高的溫度下進行鍵合，或利用離子轟擊清潔鍵合前圓片表面，或進行真空鍵合；該工藝流程同樣適用于多種IOS材料的制備；當需要多層結(jié)構(gòu)時，重復該工藝流程即可。
圖中1-硅襯底 3-GaAs晶片102-熱氧化生成SiO2絕緣層301-H+注入GaAs襯底302-H+注入在GaAs表層下形成的納米氣泡層303-H+注入后的GaAs表層實施例1 GaAs-on-Insulator工藝流程圖如附圖
所示左1是硅襯底，102是在硅片上用熱氧化方法生長的SiO2絕緣層，右側(cè)3是GaAs晶片，302是H離子注入在GaAs表層下形成的納米氣泡層，303是H注入后的GaAs表層，301為經(jīng)過H注入的GaAs襯底，H的注入劑量為1×1017/cm2，能量由所需的有源層的厚度確定，注入時GaAs晶片的溫度低于200℃，將兩個圓片的表面進行等離子清潔后面對面鍵合在一起。然后在400℃退火一小時，GaAs片從氣泡層處裂開，分為上下兩層301、303。303被轉(zhuǎn)移到SiO2絕緣層上。301是剝離后的GaAs襯底，進行表面拋光后可以重復使用。退火后表面拋光除去表面粗糙的注H殘留層。由于實現(xiàn)了電學隔離，基于這種材料的GaAs器件將會降低功耗，提高抗輻照能力。
實施例2 SiC/AlN/Si結(jié)構(gòu)的廣義SOI材料制備1.鍵合支撐片為單晶硅拋光片，利用PLD方法生長厚度為200納米，表面粗糙度小于2納米的AlN絕緣薄膜。
2.器件層材料為SiC，利用束式離子注入機在室溫下注入劑量為7×1016/cm2、能量為100KeV的H離子，在6H-SiC表層560納米下面形成納米氣泡層。
3.經(jīng)過嚴格的化學清洗，利用鍵和機將SiC圓片與AlN/Si兩個圓片面對面鍵合在一起，鍵合溫度為100℃。
4.在300℃下加熱30小時，加強鍵合強度。
5. 400℃進行熱處理，SiC圓片從氣泡層處裂開，分為上、下兩層，氣泡層以上的厚度為560納米的SiC薄膜轉(zhuǎn)移到AlN/Si上，形成SOI結(jié)構(gòu)。
6.SiC圓片的剩余基體進行表面拋光后可繼續(xù)利用，重復以上的過程，形成多個SiC/AlN/Si SOI結(jié)構(gòu)。
7.剝離后的SiC/AlN/Si片子進行適當表層拋光，即可滿足器件應用的需要。
實施例3 LiTaO3-on-Silicon的IOS結(jié)構(gòu)1.鍵合支撐片為單晶硅拋光片。
2.頂層材料為LiTaO3，表面粗糙度小于2納米，利用束式離子注入機在室溫下向LiTaO3單晶注入劑量為6×1016/cm2、能量為80KeV的H離子，在LiTaO3單晶表層430納米下面形成納米氣泡層。
3.經(jīng)過嚴格的化學清洗，利用鍵和機將LiTaO3單晶與單晶硅拋光片室溫下鍵合在一起。
4. 600℃進行熱處理，LiTaO3從氣泡層處裂開，分為上、下兩層，氣泡層以上的厚度為430納米的LiTaO3薄膜轉(zhuǎn)移到AlN/Si上，形成IOS結(jié)構(gòu)。
5.剩余的LiTaO3單晶進行表面拋光后可繼續(xù)利用，重復以上的過程，形成多個LiTaO3-on-Silicon的IOS結(jié)構(gòu)。
這種材料在表面聲學波器件的制備中起著重要作用，并為光電子和聲學器件的集成提供了襯底。
權(quán)利要求
1.一種廣義的絕緣體上半導體薄膜材料，包括有源層和絕緣埋層，其特征在于有源層除單晶硅外，有源層為SiC、SiGe、GaAs、InP、類金剛石半導體材料中的一種，或是由它們組成的復合結(jié)構(gòu)；絕緣埋層至少或為表面生長有SiO2或AlN或Al2O3或LiTaO3或Si3N4絕緣薄膜中的一種的硅片；或直接采用玻璃或石英圓片作襯底；或者是由這些絕緣材料組成的復合結(jié)構(gòu)。
2.按權(quán)利要求1所述廣義的SOI材料，其特征在于所形成的SOI結(jié)構(gòu)上層半導體薄膜的厚度介于50～2000納米之間。
3.按權(quán)利要求1所述的廣義的SOI材料的制備方法，包括離子注入、鍵合工藝，其特征在于工藝流程是a)室溫下向Si、SiC、SiGe、GaAs、InP、類金剛石材料內(nèi)注入H離子或He離子，或者同時注入H和He離子，在半導體表層薄膜下面形成一個含有納米氣泡的注入層；b)將H離子或He離子或H和He離子同時注入的上述具有半導體性能的材料與表面生長有SiO2、AlN、Al2O3、LiTaO3絕緣薄膜的硅片或玻璃、石英圓片面對面鍵合在一起；c)鍵合后的圓片進行熱處理或機械處理，使半導體薄膜與其基底材料從氣泡層處完整分裂開，半導體薄膜轉(zhuǎn)移到絕緣襯底上，形成半導體薄膜/絕緣薄膜/硅或半導體薄膜/絕緣體的廣義SOI結(jié)構(gòu)。
4.按權(quán)利要求3所述的廣義的SOI材料的制備方法，H離子或He離子或H和He離子同時注入劑量為3.5×1016/cm2～3.5×1017/cm2。
5.按權(quán)利要求3所述的廣義的SOI材料的制備方法，其特征在于半導體材料與支撐材料的表面微粗糙度小于2納米；需要的情況下，鍵合之前可以對表面進行拋光、親水等處理。
6.按權(quán)利要求3所述的廣義的SOI材料的制備方法，其特征在于所述的鍵合或是在常壓下或是真空下；或是常溫或是低于200℃的較高溫度下鍵合；鍵合后于300℃～600℃進行熱處理或機械處理使半導體材料從氣泡層處分裂開。
7.按權(quán)利要求3或6所述的廣義的SOI材料的制備方法，可以選擇將鍵合后一對圓片進行加固處理，以加強鍵合強度。加固處理溫度及保溫時間依不同材質(zhì)選擇，條件為300℃～1100℃，加熱1～20小時，該工藝或在半導體薄膜剝離前或在半導體薄膜剝離后進行。
8.按權(quán)利要求3或6所述的廣義的SOI材料的制備方法，其特征在于或使用熱氧化或CVD、PLD、MBE、濺射工藝在單晶硅片上獲得SiO2/Si、AlN/Si、Al2O3/Si結(jié)構(gòu)；或是由絕緣體材料組成的復合結(jié)構(gòu)，如Si3N4/SiO2/Si、Al2O3/SiO2/Si、AlN/SiO2/Si，或是絕緣體材料如玻璃圓片、石英圓片，但絕不只限于所涉及的支撐材料；且重復工藝流程，可獲得多層結(jié)構(gòu)。
9.按權(quán)利要求3所述的廣義的SOI材料的制備方法，其特征在于將新型絕緣體薄膜轉(zhuǎn)移到硅片上，形成半導體上的絕緣體薄膜-IOS，且重復該工藝過程，可獲得多層材料。
10.按權(quán)利要求3所述的方法，利用掩模進行選擇區(qū)域的H、He離子注入，然后按所述方法進行鍵合與分離，或只將H、He離子注入部分轉(zhuǎn)移到支撐圓片上，實現(xiàn)圖形化的半導體薄膜轉(zhuǎn)移；或?qū)崿F(xiàn)半導體薄膜的整體轉(zhuǎn)移，但有源區(qū)得到掩模的保護未在離子注入中損傷。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種廣義的絕緣體上半導體薄膜材料(SOI)及制備方法,屬于微電子學領(lǐng)域。其特征在于利用氫、氦等離子注入與鍵合技術(shù),形成以Si、SiC、SiGe、GaAs、InP、類金剛石等半導體薄膜材料為有源層,以SiO
文檔編號H01L27/12GK1385906SQ02111828
公開日2002年12月18日 申請日期2002年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月24日
發(fā)明者張苗, 吳雁軍, 劉衛(wèi)麗, 安正華, 林成魯 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所