專利名稱：帶有絕緣埋層的輻射加固材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料制備領(lǐng)域，尤其涉及一種帶有絕緣埋層的輻射加固材料制備。
背景技術(shù)：
基于絕緣體上的硅(SOI)的集成電路相對基于體硅的集成電路具有更低的功耗、更快的速度、更高的集成度、更簡單的工藝、更能耐高溫，因此基于絕緣體上的硅(SOI)的集成電路被認(rèn)為是未來延續(xù)莫爾定律的主要技術(shù)手段之一。并且由于器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，使得SOI電路相對體硅電路具有更強的抗單粒子輻射和瞬態(tài)劑量率輻射的能力，因而被廣泛應(yīng)用于輻射環(huán)境下的電子學(xué)系統(tǒng)中。但絕緣埋層的存在，使得SOI器件和電路的抗總劑量輻射能力顯著下降。這是因為在輻射過程中，輻射在絕緣埋層中電離產(chǎn)生電子一空穴對，電子因為遷移率較快，且電子陷阱數(shù)量少而不易被俘獲，空穴則因為遷移率小且空穴陷阱數(shù)量較多而易被俘獲，致使絕緣埋層中產(chǎn)生凈正電荷的累積，從而造成SOI器件的背柵閾值電壓漂移和器件泄露電流增加，顯著降低SOI電路在輻射環(huán)境中的使用壽命及可靠性。目前，對SOI電路進行抗總劑量輻射加固主要采用離子注入的手段。在SOI材料的絕緣埋層中注入特定元素的離子，結(jié)合高溫退火形成納米晶體，以引入電子陷阱來俘獲輻射產(chǎn)生的電子，補償絕緣埋層中累積的空穴。但采用離子注入工藝進行加固存在著一些固有問題
1.對SOI材料直接進行離子注入會對頂層硅的晶格結(jié)構(gòu)造成較大的損傷并難以恢復(fù)，從而降低頂層硅的晶格質(zhì)量甚至影響到器件或電路的性能，因此納米晶體的大小和濃度受限于注入劑量參數(shù)，從而限制了 SOI電路抗總劑量輻射能力的提高；
2.注入離子在絕緣埋層中呈高斯分布，因此局部位置的注入離子密度不足以形成納米晶體，而成為破壞絕緣埋層完整性的雜質(zhì)。并且受限于高斯分布，退火后形成的納米晶體的位置和縱向分布均勻性難以精確控制，容易對SOI器件特性造成一定程度的干擾，難以滿足超深亞微米SOI超大規(guī)模集成電路的要求。注氧鍵合技術(shù)(Simbond)技術(shù)結(jié)合氧離子注入和退火工藝，利用氧離子注入產(chǎn)生一個氧離子注入層，并在退火過程中形成二氧化硅絕緣層。此二氧化硅絕緣層用來充當(dāng)化學(xué)腐蝕阻擋層，對圓片在最終拋光前器件層的厚度及其均勻性有良好的控制。由于在此工藝中，表層硅的均勻性由氧離子注入工藝來控制，因此，頂層硅均勻性很好。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供帶有絕緣埋層的輻射加固材料及其制備方法。為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種帶有絕緣埋層的輻射加固材料的制備方法，包括步驟
a)提供器件襯底和支撐襯底；b)在所述器件襯底和支撐襯底的裸露表面分別生長第一、第二絕緣層；C)在所述第一絕緣層的裸露表面采用化學(xué)氣相沉積工藝依次生長納米晶體層和第三絕緣層，所述納米晶體層和第三絕緣層構(gòu)成納米晶體復(fù)合層；
d)采用鍵合工藝將第二絕緣層的裸露表面鍵合至所述納米晶體復(fù)合層的裸露表面。所述步驟d之后還包括步驟e)對所述鍵合后的第一、第二和第三絕緣層實施退火，所述退火的溫度范圍為800°C至1300°C，退火的氣氛為氮氣、氬氣、氧氣中任意一種或幾種混合物，退火的時間范圍為0. 5小時至5小時。所述器件襯底依次包括器件層、腐蝕自停止層和犧牲層，所述步驟b中的第一絕緣層生長在所述器件層的裸露表面；所述步驟e之后，進一步包括步驟f)對所述器件襯底實施減薄或增加厚度至目標(biāo)厚度。所述步驟f進一步包括fi)采用濕法腐蝕的方法對所述器件襯底的犧牲層實施腐蝕至腐蝕自停止層；f2)去除所述腐蝕自停止層；f3)減薄或增加剩余的器件層的厚度至目標(biāo)厚度。所述步驟d中的鍵合工藝為由等離子體處理表面后的親水鍵合或直接的親水鍵和。所述步驟c中，化學(xué)氣相沉積納米晶體層采用低壓化學(xué)氣相沉積、減壓化學(xué)氣相沉積、等離子體增強化學(xué)氣相沉積中任意一種。所述納米晶體復(fù)合層中的第三絕緣層是采用化學(xué)氣相沉積的方式生長在所述納米晶體層的裸露表面；所述第一、第二絕緣層均是采用熱氧化的方式生長。所述第一、第二和第三絕緣層的材料均為二氧化硅。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明還提供一種帶有絕緣埋層的輻射加固材料，依次包括器件襯底、絕緣埋層和器件層，所述絕緣埋層包括第一絕緣層、第二絕緣層和納米晶體復(fù)合層，所述納米晶體復(fù)合層置于第一絕緣層和第二絕緣層之間，所述納米晶體復(fù)合層依次包括一層納米晶體層和一層第三絕緣層，所述第三絕緣埋層設(shè)置于第一絕緣層和納米晶體層之間，或者設(shè)置于第二絕緣層和納米晶體層之間；所述納米晶體復(fù)合層采用化學(xué)氣相沉積而成，所述納米晶體復(fù)合層和第一或第二絕緣層之間的界面為鍵合界面。所述化學(xué)氣相沉積為低壓化學(xué)氣相沉積、減壓化學(xué)氣相沉積、等離子體增強化學(xué)氣相沉積中任意一種；所述納米晶體復(fù)合層中的第三絕緣層是采用化學(xué)氣相沉積的方式生長在所述納米晶體層的裸露表面。。本發(fā)明的優(yōu)點在于
本發(fā)明提供的制備方法采用化學(xué)氣相沉積的方法在SOI材料的制備過程中即在其絕緣埋層中沉積出一層或多層嵌入式硅納米晶體，以實現(xiàn)SOI材料的輻射加固；
本發(fā)明提供的制備方法可通過調(diào)整化學(xué)氣相沉積工藝中的相關(guān)工藝參數(shù)如反應(yīng)氣分壓、腔體溫度、反應(yīng)時間等，實現(xiàn)對嵌入式硅納米晶的厚度、密度的精確控制；
本發(fā)明提供的制備方法通過調(diào)整支撐襯底表面的絕緣層的厚度以及在硅納米晶體表面沉積的絕緣層的厚度，能夠?qū)崿F(xiàn)硅納米晶體在SOI材料絕緣埋層中的位置的精確控制，也即實現(xiàn)了電子陷阱距SOI材料上界面的距離控制；
除此以外，本發(fā)明提供的制備方法還避免了傳統(tǒng)的離子注入加固工藝對材料器件層晶格的注入損傷及注入元素在絕緣埋層中的高斯分布展寬及由此造成的絕緣埋層完整性破壞。
圖1是本發(fā)明提供的一種帶有絕緣埋層的輻射加固材料的制備方法實施例一的步驟流程圖2A 2D是本發(fā)明提供的一種帶有絕緣埋層的輻射加固材料的制備方法實施例一的工藝步驟流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明提供的帶有絕緣埋層的輻射加固材料及其制備方法的具體實施方式
做詳細(xì)說明。實施例一
圖1所示為本發(fā)明提供的一種帶有絕緣埋層的輻射加固材料的制備方法實施例一的步驟流程圖。本實施例提供了一種帶有絕緣埋層的輻射加固材料的制備方法，包括步驟101，提供器件襯底和支撐襯底；步驟102，在所述器件襯底和支撐襯底的裸露表面分別生長第一、第二絕緣層；步驟103，在所述第一絕緣層的裸露表面采用化學(xué)氣相沉積一層納米晶體復(fù)合層；步驟104，采用鍵合工藝將第二絕緣層的裸露表面鍵合至所述一層納米晶體復(fù)合層的裸露表面；步驟105，對所述鍵合后的第一、第二和第三絕緣層實施退火；步驟106，對所述器件襯底實施減薄或增加厚度至目標(biāo)厚度。圖2A 2D所示為本發(fā)明提供的一種帶有絕緣埋層的輻射加固材料的制備方法實施例一的工藝步驟流程圖。圖2A所示為本發(fā)明提供的一種帶有絕緣埋層的輻射加固材料的制備方法實施例一步驟101的示意圖。本實施例的步驟101中，所述器件襯底201采用氧離子注入單晶硅中的方法形成的注氧隔離SOI材料襯底，依次包括器件層、腐蝕自停止層和犧牲層，其中本實施例中的腐蝕自停止層為所述注氧隔離SOI材料中的埋氧層，用于阻擋腐蝕。所述支撐襯底203在本實施例中為單晶硅材料襯底。本發(fā)明的器件襯底201的選取不限于采用注氧隔離SOI材料襯底，還可采用在單晶硅材料襯底中注入氫獲得；本發(fā)明的支撐襯底203不限于采用單晶硅材料襯底，也可采用摻雜的單晶硅材料襯底。圖2B所示為本發(fā)明提供的一種帶有絕緣埋層的輻射加固材料的制備方法實施例一步驟102的示意圖。本實施例的步驟102中，所述第一絕緣層202和第二絕緣層204均采用熱氧化的方式生長。所述第一絕緣層202和第二絕緣層204的厚度可根據(jù)需要進行控制、調(diào)節(jié)。圖2C所示為本發(fā)明提供的一種帶有絕緣埋層的輻射加固材料的制備方法實施例一步驟103的示意圖。所述納米晶體復(fù)合層依次包括一層納米晶體層206和一層第三絕緣層205，其中與第一絕緣層202直接接觸的為納米晶體層206。本實施例中，所述的納米晶體層206采用或減壓化學(xué)氣相沉積(Iteduced PressureChemical Vapor Deposition, RPCVD)的方法沉積在第一絕緣層202的裸露表面上。該工藝主要包括兩個階段硅晶成核階段和硅晶生長階段。成核階段主要以SiH4做反應(yīng)氣體，H2做載氣，在400°C至800°C的溫度范圍內(nèi)進行分解反應(yīng)，優(yōu)選的反應(yīng)時間范圍為550°C至6500C，腔體總壓力20Torr，反應(yīng)氣分壓0. 05Torr至0. 5Torr,反應(yīng)時間為5秒至1分鐘，從而在第一絕緣層202的裸露表面形成分立的硅晶核。生長階段以SiH2Cl2做反應(yīng)氣體、H2做載氣，分壓30mTorr至300mTorr，反應(yīng)時間為1秒至10分鐘，在600°C至700°C的溫度范圍內(nèi)進行分解反應(yīng)，在成核階段形成的硅晶核的基礎(chǔ)上，使其生長，從而在所述第一絕緣層202的裸露表面形成顯著的納米晶體層206。上述實施方式中，化學(xué)氣相沉積工藝不限于RPCVD工藝，其他CVD工藝如等離子體增強化學(xué)氣相沉積(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition, PECVD)、低壓化學(xué)氣相沉禾只(Low Pressure Chemical Vapor Deposition,LPCVD)等均可以用來制備硅晶。反應(yīng)氣體不限于SiH4和SiH2Cl2,其他如SiCl4等能分解生成單質(zhì)硅的都可以作為反應(yīng)氣體。載氣也可以采用惰性氣體如Ar氣等。本實施例中，第三絕緣層205生長于納米晶體層206的裸露表面，所述第三絕緣層205是通過低壓化學(xué)氣相沉積工藝形成，將在所述納米晶體層206覆蓋并保護起來。形成所述所述第三絕緣層205的低壓化學(xué)氣相沉積工藝中，以SiH4和隊0做反應(yīng)氣，保持腔體壓力ITorr左右，在700°C的溫度下反應(yīng)生成第三絕緣層205，作為優(yōu)選地，所述第三絕緣層205的厚度范圍為Inm至lOnm。作為可選的實施方式，根據(jù)材料對抗輻射能力大小的要求，可將上述制備納米晶體復(fù)合層工藝重復(fù)進行，以制備出多層的嵌入式納米晶體復(fù)合層，增強材料的抗輻射能力。圖2D所示為本發(fā)明提供的一種帶有絕緣埋層的輻射加固材料的制備方法實施例一步驟104的示意圖。本實施例中，通過第二絕緣層204的裸露表面和所述納米晶體復(fù)合層的裸露表面對其進行鍵合，且鍵合可以是親水鍵合或疏水鍵合，本實施中優(yōu)選親水鍵合。相對于實驗室中采用的對鍵合界面的研磨和相關(guān)液體浸泡的方法解決鍵合界面不兼容的方法，本發(fā)明采用絕緣層界面相互鍵合，可以避免鍵合中產(chǎn)生的界面不兼容現(xiàn)象，適合在工業(yè)生產(chǎn)中進行生產(chǎn)，節(jié)約工藝成本。作為可選實施方式，通過第二絕緣層204的裸露表面和所述納米晶體復(fù)合層的裸露表面對其進行鍵合，且鍵合還可以為先對第二絕緣層204的裸露表面和所述納米晶體復(fù)合層的裸露表面均進行等離子體處理后，用去離子水沖洗甩干后再進行鍵合工藝實現(xiàn)。作為可選的實施方式，步驟103中，所述一層納米晶體復(fù)合層還可采用化學(xué)氣相沉積在所述第二絕緣層204的裸露表面生長，所述納米晶體復(fù)合層依次包括一層納米晶體層206和一層第三絕緣層205，其中與第二絕緣層204直接接觸的為納米晶體層206。相應(yīng)地，步驟104中，采用鍵合工藝將第一絕緣層202的裸露表面鍵合至所述一層納米晶體復(fù)合層的裸露表面。步驟105，對所述鍵合后的第一絕緣層202、第二絕緣層204和第三絕緣層205實施退火。所述退火溫度范圍為900°C至1200°C，退火時間為1小時至5小時以增強鍵合界面的強度。步驟106，對所述器件襯底201實施減薄或增加厚度至目標(biāo)厚度。針對實際設(shè)計的需要，減薄器件襯底201的厚度以便在其中制作所需器件。減薄工藝進一步包括步驟采用四甲基氫氧化銨(TMAH)溶液腐蝕所述器件襯底201的犧牲層至腐蝕自停止層；采用溶液濃度為5%左右的氫氟酸(HF)溶液去除所述腐蝕自停止層；采用化學(xué)機械拋光(CMP)拋光剩余的器件層的厚度至目標(biāo)厚度。作為可選實施方式，上述步驟中去除腐蝕自停止層后還可通過化學(xué)氣相外延的方法增加剩余的器件層的厚度。作為可選的實施方式，第一絕緣層202、第二絕緣層204和第三絕緣層205的材料均為二氧化硅。實施例二
本實施例提供了一種帶有絕緣埋層的輻射加固材料，其結(jié)構(gòu)如圖2D所示，采用鍵合工藝制備，依次包括器件襯底201、絕緣埋層和支撐襯底203，所述絕緣埋層包括一層納米晶體復(fù)合層，置于所述絕緣埋層中，所述納米晶體復(fù)合層依次包括一層納米晶體層206和一層第三絕緣層205，且所述納米晶體復(fù)合層采用化學(xué)氣相沉積而成，所述納米晶體層206和第一絕緣層202之間的界面為鍵合界面，所述納米晶體層206和第二絕緣層204之間的界面為鍵合界面；所述絕緣埋層進一步包括第一絕緣層202，置于器件襯底201與所述一層納米晶體復(fù)合層之間，第二絕緣層204，置于支撐襯底203與所述一層納米晶體復(fù)合層之間。所述納米晶體復(fù)合層中的第三絕緣層205是采用化學(xué)氣相沉積的方式生長在所述納米晶體層206的裸露表面。所述第三絕緣層205用于保護納米晶體層206，隔絕納米晶體層206受到污染。作為可選的實施方式，所述納米晶體層206可采用低壓化學(xué)氣相沉積、減壓化學(xué)沉積、等離子體增強化學(xué)氣相沉積中任意一種氣相沉積方式生長。作為可選的實施方式，本發(fā)明中納米晶體復(fù)合層可為多層，且多層納米晶體復(fù)合層間順次相連，其中所述多層納米晶體層皆采用化學(xué)氣相沉積生長。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種帶有絕緣埋層的輻射加固材料的制備方法，其特征在于，包括步驟a)提供器件襯底和支撐襯底；b)在所述器件襯底和支撐襯底的裸露表面分別生長第一、第二絕緣層；c)在所述第一絕緣層的裸露表面采用化學(xué)氣相沉積工藝依次生長納米晶體層和第三絕緣層，所述納米晶體層和第三絕緣層構(gòu)成納米晶體復(fù)合層；d)采用鍵合工藝將第二絕緣層的裸露表面鍵合至所述納米晶體復(fù)合層的裸露表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有絕緣埋層的輻射加固材料的制備方法，其特征在于，所述步驟d之后還包括步驟e)對所述鍵合后的第一、第二和第三絕緣層實施退火，所述退火的溫度范圍為800°C至1300°C，退火的氣氛為氮氣、氬氣、氧氣中任意一種或幾種混合物，退火的時間范圍為0. 5小時至5小時。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的帶有絕緣埋層的輻射加固材料的制備方法，其特征在于，所述器件襯底依次包括器件層、腐蝕自停止層和犧牲層，所述步驟b中的第一絕緣層生長在所述器件層的裸露表面；所述步驟e之后，進一步包括步驟f)對所述器件襯底實施減薄或增加厚度至目標(biāo)厚度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的帶有絕緣埋層的輻射加固材料的制備方法，其特征在于，所述步驟f進一步包括fl)采用濕法腐蝕的方法對所述器件襯底的犧牲層實施腐蝕至腐蝕自停止層；f2)去除所述腐蝕自停止層；f3)減薄或增加剩余的器件層的厚度至目標(biāo)厚度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有絕緣埋層的輻射加固材料的制備方法，其特征在于，所述步驟d中的鍵合工藝為由等離子體處理表面后的親水鍵合或直接的親水鍵和。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有絕緣埋層的輻射加固材料的制備方法，其特征在于，所述步驟c中，化學(xué)氣相沉積納米晶體層采用低壓化學(xué)氣相沉積、減壓化學(xué)氣相沉積、等離子體增強化學(xué)氣相沉積中任意一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有絕緣埋層的輻射加固材料的制備方法，其特征在于，所述納米晶體復(fù)合層中的第三絕緣層是采用化學(xué)氣相沉積的方式生長在所述納米晶體層的裸露表面；所述第一、第二絕緣層均是采用熱氧化的方式生長。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有絕緣埋層的輻射加固材料的制備方法，其特征在于，所述第一、第二和第三絕緣層的材料均為二氧化硅。
9.一種帶有絕緣埋層的輻射加固材料，依次包括器件襯底、絕緣埋層和器件層，其特征在于，所述絕緣埋層包括第一絕緣層、第二絕緣層和納米晶體復(fù)合層，所述納米晶體復(fù)合層置于第一絕緣層和第二絕緣層之間，所述納米晶體復(fù)合層包括一層納米晶體層和一層第三絕緣層，所述第三絕緣埋層設(shè)置于第一絕緣層和納米晶體層之間，或者設(shè)置于第二絕緣層和納米晶體層之間；所述納米晶體復(fù)合層采用化學(xué)氣相沉積而成，所述納米晶體復(fù)合層和第一或第二絕緣層之間的界面為鍵合界面。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的帶有絕緣埋層的輻射加固材料，其特征在于，所述化學(xué)氣相沉積為低壓化學(xué)氣相沉積、減壓化學(xué)氣相沉積、等離子體增強化學(xué)氣相沉積中任意一種；所述納米晶體復(fù)合層中的第三絕緣層是采用化學(xué)氣相沉積的方式生長在所述納米晶體層的裸露表面。
全文摘要
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料制備領(lǐng)域，提供一種帶有絕緣埋層的輻射加固材料的制備方法，包括步驟提供器件襯底和支撐襯底；在所述器件襯底和支撐襯底的裸露表面分別生長第一、第二絕緣層；在所述第一絕緣層的裸露表面采用化學(xué)氣相沉積工藝依次生長納米晶體層和第三絕緣層以形成納米晶體復(fù)合層；采用鍵合工藝將第二絕緣層的裸露表面鍵合至所述納米晶體復(fù)合層的裸露表面。本發(fā)明還提供了上述材料，依次包括器件襯底、絕緣埋層和器件層，所述絕緣埋層包括第一絕緣層、第二絕緣層和納米晶體復(fù)合層。本發(fā)明的優(yōu)點為避免了傳統(tǒng)的離子注入加固工藝對材料器件層晶格的注入損傷及注入元素在絕緣埋層中的高斯分布展寬及由此造成的絕緣埋層完整性破壞。
文檔編號H01L21/3105GK102569061SQ20111045444
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月30日
發(fā)明者張正選, 武愛民, 畢大煒, 陳明, 魏星, 黃輝祥 申請人:上海新傲科技股份有限公司