[發明專利]一種廣義的絕緣體上半導體薄膜材料及制備方法

無效

• 申請號: 02111828.0
• 申請日: 2002-05-24
• 公開（公告）號: CN1385906A
• 公開（公告）日: 2002-12-18
• 發明（設計）人: 張苗;吳雁軍;劉衛麗;安正華;林成魯
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: H01L27/12
• 分類號: H01L27/12;H01L21/84;H01L21/00
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司
• 代理人: 潘振甦

技術領域

本發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，將多種半導體薄膜材料轉移到絕緣體或絕緣薄膜上，形成新型廣義的SOI材料。屬于微電子學領域。

背景技術

一般意義上，SOI材料指絕緣體上的硅(Si-on-Insulator)，是一種以單晶硅薄膜作為有源層、以二氧化硅為絕緣埋層的新型硅基材料，與體硅相比，用SOI材料制備的電路具有諸如抗輻照、高速、高集成度、低壓、低功耗等優點。然而，以單一的SiO₂為埋層存在著種種不足：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；熱膨脹系數較大，限制了能與之結合而生成異質結構的材料。而且僅以硅作為頂層材料(有源層)，顯然也不能滿足所有器件對材料性能的要求。半導體技術的發展呼喚新型的SOI材料。基于這種要求，已有人提出了GeSi-on-Insulator等新結構。

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，進而釋放產生空腔。人們已經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，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量SOI材料。

發明內容

本發明提出一種先進SOI材料的制備方法，通過離子注入的手段向Si、SiC、SiGe、GaAs、類金剛石等材料內注入氫、氦離子，與支撐材料包括表面生長有SiO₂、AlN、Al₂O₃等絕緣薄膜的硅片或玻璃、石英圓片鍵合起來，熱處理后形成上面為半導體薄膜、下面為絕緣薄膜或絕緣體的新型SOI材料。

本發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材料具有許多優異的性能，在微電子領域有比Si-on-Insulator更廣泛的應用，如用于高速顯示系統驅動電路的Si-on-Glass、Si-on-Quartz材料、用于大功率抗輻照的Si-on-Mutilayer(SOIM)、用于系統集成的(SOC)的圖形轉移等。

更確切地說本發明提出的制備方法，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，并結合離子切割(Ion-Cut)技術，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域。

本發明提出的制備絕緣體上半導體薄膜材料的特征是：