[發(fā)明專利]一種納米絕緣體上硅結構材料及其制作方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910067164.5
• 申請日: 2009-06-23
• 公開（公告）號: CN101587902A
• 公開（公告）日: 2009-11-25
• 發(fā)明（設計）人: 李紅東;呂憲義;盧冬;成紹恒;鄒廣田
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: H01L27/12
• 分類號: H01L27/12;H01L23/552;H01L21/84;H01L21/762;H01L21/20;H01L21/00
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司
• 代理人: 王恩遠

技術領域

本發(fā)明屬于集成電路芯片材料的技術領域。特別涉及到利用新型絕緣材料來提高半導體器件抗輻射加固性能。?

技術背景

隨著科學技術的發(fā)展，越來越多的半導體光電子元件、大規(guī)模集成電路需要在輻射環(huán)境中工作。這些輻射環(huán)境包括空間輻射、核爆炸輻射等。由于輻射的影響，電子器件很容易發(fā)生故障，嚴重時甚至會完全失效。現(xiàn)階段通用的制作抗輻射元件的材料為絕緣體上硅結構材料，即SOI(Silicon-on-Insulation)，該材料是在頂層硅和背襯底之間引入了一層二氧化硅(SiO₂)埋氧化層。該類器件輻射加固原理與工藝已經(jīng)比較成熟，取得較好的結果。但是以SiO₂為絕緣層的SOI結構，在強輻射環(huán)境里使用過程中，除了存在與散熱、高頻、寄生雙極晶體管效應、浮體效應等有關的問題外，其抗輻射能力有限，易發(fā)生正電荷積累，特別在抗總劑量輻射方面能力有限。而金剛石具有寬帶隙，強鍵能，以及高熱導率、高的電子空穴遷移率等優(yōu)良特性，可用做SOI結構中的絕緣層，從而形成SOD(silicon?on?diamond)結構。SOD材料在抗輻射性能方面優(yōu)于目前應用的SOI材料，被認為是新一代的抗輻射“SOI材料”。目前，人們正采取多種手段進一步提高SOD抗輻射能力。但以微米尺寸金剛石為絕緣層的SOD具有加工工藝較復雜，生長時間長，需要拋光和界面態(tài)處理，在抗總劑量輻射方面能力也是相對有限的。?

與本發(fā)明相接近的現(xiàn)有技術是專利“含金剛石膜的SOI集成電路芯片材料及其制作工藝”(授權公告號：CN1041119C)，所制作的SOD結構是在單晶硅上生長一層SiO₂過渡層，微米金剛石膜生長在SiO₂之上，且其面積小于SiO₂面積，然后在金剛石上熔融再結晶一層多晶硅作為支撐膜。其結構示意圖參見圖1，其中，2為金剛石絕緣層，3為Si表層(單晶硅薄層)，4為襯底，是多晶硅材料的襯底，5為SiO₂過渡層。這種結構由于存在SiO₂和金剛石絕緣層其抗輻射能較傳統(tǒng)SOI有很大改善。但是由于該結構包含微米金剛石，其生長厚度不?易控制，生長薄膜的表面粗糙度較大，熔融再結晶襯底硅比較困難，且其處理單晶硅的方法是通過機械拋光，周期較長，處理過程相對復雜，拋光后單晶硅質(zhì)量可能變差。另外是由于該結構包含一層SiO₂過渡層，在總劑量輻射過程中可能會出現(xiàn)正電荷積累，在一定程度上影響器件的正常工作。?

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術問題是，設計一種以抗輻射、耐高溫、耐高頻、強化學穩(wěn)定性的材料(納米金剛石、摻氮納米金剛石、氮化硼(BN))作為SOI中的納米結構的絕緣層，提高半導體器件的抗輻射性能；并設計簡單工藝過程，制作出不同納米材料為絕緣層的SOI結構，用于制作集成電路芯片材料。?

新型納米絕緣層為基礎的SOI主要結構包括如下三種：?

第1種結構：Si表層→納米絕緣層→單晶或多晶Si襯底；?

第2種結構：Si表層→納米絕緣層→微米多晶金剛石襯底；?

第3種結構：Si表層→納米絕緣層→微米多晶金剛石膜→單晶或多晶Si襯底。?

該結構在傳統(tǒng)方案基礎上引入納米絕緣層，絕緣層材料包括納米尺寸金剛石膜、摻氮金剛石膜或納米尺寸BN膜，納米絕緣層有助于提高SOD結構的抗輻射能力。?

本發(fā)明的納米絕緣體上硅結構材料的主要結構可敘述如下：?

一種納米絕緣體上硅結構材料，按順序主要由硅表層3、絕緣層8和襯底4構成；其特征在于，所述的絕緣層8是納米材料的絕緣層，納米材料為納米金剛石膜、摻氮納米金剛石膜或納米氮化硼膜，絕緣層8厚度為0.1～10μm；所述的襯底4為微米多晶金剛石襯底7或單晶或多晶硅襯底6。?

上述的納米絕緣體上硅結構材料，還可以在納米材料的絕緣層8和單晶或多晶硅襯底4之間有微米多晶金剛石膜層9。?

所述的納米氮化硼膜是立方相氮化硼或/和六角相氮化硼。即構成絕緣層的氮化硼膜，可以是立方氮化硼膜，可以是六角氮化硼膜，還可以是立方的和六角的混合相氮化硼膜。?

由于納米結構的晶界多，正電荷陷阱數(shù)量多，將連續(xù)輻射引起的電子-空穴?對的正電荷在遷移過程中復合或捕獲，阻止其向Si/絕緣層界面聚集，大幅降低界面的正電荷密度，實現(xiàn)SOI抗總劑量輻射的效果。?