本發(fā)明涉及一種低成本、高性能、易加工的新型磁性絕緣硅復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

單晶硅材料是現(xiàn)代微電子制造業(yè)的基礎(chǔ)，目前絕大部分的集成電路芯片和半導(dǎo)體器件都是在硅片上加工完成。然而隨著IC制造技術(shù)向45納米以下線寬發(fā)展，現(xiàn)有的體硅材料及其工藝越來越接近其物理極限，尋找增強型襯底材料已成為當務(wù)之急。

SOI（Silicon On Insulater）絕緣硅材料因其獨特優(yōu)良的性能近期得到了廣泛的重視和應(yīng)用。通過絕緣埋層，SOI絕緣硅材料實現(xiàn)了片上器件與襯底的全介質(zhì)隔離，從而減小了寄生電容、降低了功耗、提高了運算速度、消除了閂鎖效應(yīng)；又由于與現(xiàn)有硅半導(dǎo)體工藝兼容，使其被公認為“21世紀的硅集成電路技術(shù)”，發(fā)展前景不可限量。

單晶硅是一種半導(dǎo)體材料，可以根據(jù)半導(dǎo)體的特性摻雜來改變自身的性質(zhì)，因此可以向硅中摻入磁性元素使其具有磁性，通過這種方式制成的磁性半導(dǎo)體材料兼具半導(dǎo)體性質(zhì)和磁學(xué)性質(zhì)。磁性半導(dǎo)體不僅利用了電子的電荷自由度來處理信息，同時又使電子的自旋始終處于極化狀態(tài)，這就為同時進行信息處理和存儲提供了可能，進而可以大幅度地提高運算速度，還有可能會提高系統(tǒng)芯片上有效集成的器件密度。此外磁性半導(dǎo)體具有多種磁、磁光、磁電性能，使其在磁感應(yīng)器、高密度非易失性存儲器、半導(dǎo)體激光器和自旋量子計算機等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，已經(jīng)成為材料領(lǐng)域中研究熱點。

目前制備SOI絕緣硅材料的方法主要有兩大類型：離子注入法和鍵合法，前者通過離子注入在硅片表面下一定距離內(nèi)形成氧化硅埋層，后者通過硅片間水或其它物質(zhì)在高溫下形成片間氧化硅層并使兩片硅片合二為一。

上述兩大類型制備工藝均具有嚴重的缺陷，離子注入會使單晶硅晶格結(jié)構(gòu)遭受嚴重破壞，能量越高損傷越大；注入的離子雖經(jīng)退火后可以在表面下一定空間內(nèi)形成氧化硅層，但這只是SiO₂和SiOx的混合體，距離完美的SiO₂結(jié)構(gòu)有相當?shù)木嚯x，此外氧化層在硅片內(nèi)的深度、厚度均難以控制；而鍵合法片間形成的主要也是SiO₂-Si（OH）x混合物，直接影響鍵和強度和絕緣性能。

除了上述工藝外，目前制備SOI絕緣硅材料的其它工藝如陽極多孔硅氧化法、絕緣層上多晶硅再結(jié)晶法、固相橫向外延法等或上述某些方法的混合工藝，均具有這樣或那樣的先天性缺陷；并且所有上述工藝的一大共同缺點是，所使用的設(shè)備都異常昂貴復(fù)雜，導(dǎo)致生產(chǎn)成本高企，這些不足嚴重制約了SOI絕緣硅材料的應(yīng)用和發(fā)展。

另一方面，在磁性半導(dǎo)體中，磁性離子的濃度是決定其性質(zhì)的一個重要因素，通常磁場強度相同，晶體的磁性離子含量越多，其磁化強度越高，但常規(guī)方法將磁離子摻雜到傳統(tǒng)的單晶硅材料中有很大難度：首先磁離子在單晶硅中的溶解度很低，普通的晶體生長條件不可能摻進大量的磁性原子，而且很容易形成二次相；其次磁離子濃度達到一定程度時材料會相分離，磁離子在材料中形成的磁有序不穩(wěn)定。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述存在的技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是：提出了一種低成本、高性能、易加工的新型磁性絕緣硅復(fù)合材料及其制備方法。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是這樣實現(xiàn)的：一種新型磁性絕緣硅復(fù)合材料，包含中間絕緣層；所述中間絕緣層的上表面和下表面分別設(shè)置有單晶硅片；所述中間絕緣層，包含二氧化硅基多元磁性復(fù)合材料層；所述二氧化硅基多元磁性復(fù)合材料層的上表面設(shè)置有第一二氧化硅膜層；所述二氧化硅基多元磁性復(fù)合材料層的下表面設(shè)置有第二二氧化硅膜層；所述二氧化硅基多元磁性復(fù)合材料層由SiO₂基多元磁性復(fù)合材料制成，所述二氧化硅基多元磁性復(fù)合材料由磁性材料和熔凝材料復(fù)合而成。

優(yōu)選的，所述新型磁性絕緣硅復(fù)合材料的層間結(jié)構(gòu)為Si-SiO₂-(多元磁性復(fù)合材料)-SiO₂-Si。

所述新型磁性絕緣硅復(fù)合材料的制備方法：包含以下步驟：

①、先在單晶硅片的一個表面上熱生長出一層二氧化硅膜層；

②、將二氧化硅基多元磁性復(fù)合材料用有機揮發(fā)性溶劑溶解分散后，均勻涂鍍于二氧化硅膜層的外表面，形成平整的二氧化硅基多元磁性復(fù)合材料層；

③、將兩份②中最終獲得的本成品相對疊加在一起，使兩者的二氧化硅基多元磁性復(fù)合材料層緊密貼合在一起，然后均勻加壓；

④、將③中最終獲得的半成品送入超凈真空爐內(nèi)，然后緩慢升溫，至熔凝溫度后恒溫，使③中獲得的兩個二氧化硅基多元磁性復(fù)合材料層充分熔合并排出氣泡，而后再緩慢降溫固化，最后經(jīng)退火程序處理。

優(yōu)選的，所述單晶硅片通過半導(dǎo)體直拉CZ工藝或區(qū)融FZ工藝制備而成。

優(yōu)選的，所述二氧化硅膜層通過熱氧化生長在單晶硅片的表面上，當所述二氧化硅膜層的厚度小于300納米時，采用高溫干氧氧化工藝，以保證最佳成膜質(zhì)量。

優(yōu)選的，所述二氧化硅膜層通過熱氧化生長在單晶硅片的表面上，當所述二氧化硅膜層的厚度超過300納米時，采用高溫干氧-濕氧-干氧混合工藝，以可獲取成膜效率和成膜質(zhì)量的最優(yōu)折衷；

優(yōu)選的，所述二氧化硅膜層也可采用CVD/PVD以及濺射成膜等其它半導(dǎo)體工藝制備而成。

優(yōu)選的，所述二氧化硅基多元磁性復(fù)合材料通過將磁性材料與熔凝材料燒結(jié)-粉碎-再燒結(jié)-再粉碎-萃取-過濾或溶膠凝膠法制備而成，其熔凝溫度為500~1200℃。

優(yōu)選的，④中緩慢升溫過程中保持不斷抽取真空；至熔凝溫度后恒溫，使③中獲得的兩個二氧化硅基多元復(fù)合材料層充分熔合并排出氣泡。

優(yōu)選的，將④中獲得的最終結(jié)果通過常規(guī)的機械磨削或化學(xué)腐蝕工藝，對上層的單晶硅片進行減薄，從而調(diào)節(jié)中間絕緣層的各組分的深度。

由于上述技術(shù)方案的運用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點：

所述二氧化硅基多元磁性復(fù)合材料由磁性元素摻入到熔凝材料復(fù)合而成。本發(fā)明方案能夠保持有完整的單晶硅晶格結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)良的電、磁性能，所述新型磁性絕緣硅復(fù)合材料的制備方法可調(diào)節(jié)中間絕緣層的各組分的厚度和深度分布，且制備過程不需采用復(fù)雜昂貴設(shè)備，整體制備工藝簡單、易行、低成本。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明技術(shù)方案作進一步說明：

附圖1為本發(fā)明所述的新型磁性絕緣硅復(fù)合材料的示意圖；

附圖2為本發(fā)明所述的新型磁性絕緣硅復(fù)合材料的制備方法的工藝流程示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖來說明本發(fā)明。

如附圖1所示為本發(fā)明所述的新型磁性絕緣硅復(fù)合材料，包含中間絕緣層；所述中間絕緣層的上表面和下表面分別設(shè)置有單晶硅片；所述中間絕緣層，包含二氧化硅基多元磁性復(fù)合材料層；所述二氧化硅基多元磁性復(fù)合材料層的上表面設(shè)置有第一二氧化硅膜層；所述二氧化硅基多元磁性復(fù)合材料層的下表面設(shè)置有第二二氧化硅膜層；所述二氧化硅基多元磁性復(fù)合材料層由二氧化硅基多元磁性復(fù)合材料制成，所述二氧化硅基多元磁性復(fù)合材料由磁性材料和熔凝材料復(fù)合而成；所述增強型絕緣硅復(fù)合材料的層間結(jié)構(gòu)為Si-SiO₂-(多元磁性復(fù)合材料)-SiO₂-Si。

如附圖2所示為本發(fā)明所述的所述新型磁性絕緣硅復(fù)合材料的制備方法的工藝流程示意圖：所述新型磁性絕緣硅復(fù)合材料的制備方法，包含以下步驟：

①、先在單晶硅片的一個表面上熱生長出一層二氧化硅膜層；所述單晶硅片通過半導(dǎo)體直拉CZ工藝或區(qū)融FZ工藝制備而成；當所述二氧化硅膜層的厚度小于300納米時，采用高溫干氧氧化工藝，以保證最佳成膜質(zhì)量；當所述二氧化硅膜層的厚度超過300納米時，采用高溫干氧-濕氧-干氧混合工藝，以可獲取成膜效率和成膜質(zhì)量的最優(yōu)折衷；當然也可采用CVD/PVD以及濺射成膜等其它半導(dǎo)體工藝；

②、將二氧化硅基多元磁性復(fù)合材料用有機揮發(fā)性溶劑溶解分散后，均勻涂鍍于二氧化硅膜層的外表面，形成平整的二氧化硅基多元磁性復(fù)合材料層；所述二氧化硅基多元磁性復(fù)合材料通過將磁性材料與熔凝材料燒結(jié)-粉碎-再燒結(jié)-再粉碎-萃取-過濾或溶膠凝膠法制備而成，通過調(diào)整其組分比例可在一定范圍內(nèi)直接調(diào)節(jié)其熔凝溫度為500~1200℃；

③、將兩份②中最終獲得的本成品相對疊加在一起，使兩者的二氧化硅基多元磁性復(fù)合材料層緊密貼合在一起，然后均勻加壓；

④、將③中最終獲得的半成品送入超凈真空爐內(nèi)，然后緩慢升溫，同時保持不斷抽取真空，至熔凝溫度后恒溫，使③中獲得的兩個二氧化硅基多元磁性復(fù)合材料層充分熔合并排出氣泡，而后再緩慢降溫固化，最后經(jīng)退火程序處理；

⑤、將④中獲得的最終結(jié)果通過常規(guī)的機械磨削和化學(xué)腐蝕工藝，對上層的單晶硅片進行減薄，從而調(diào)節(jié)中間絕緣層的深度；當然也可以通過控制所述二氧化硅膜層和二氧化硅基多元磁性復(fù)合材料層的厚度，調(diào)節(jié)中間絕緣層的各組分的厚度分布，從而滿足不同性能和成本需求。

所述新型磁性絕緣硅復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)為上單晶硅片+二氧化硅膜層+二氧化硅基多元磁性復(fù)合材料層+二氧化硅膜層+下單晶硅片；所述上、下單晶硅片均由常規(guī)直拉CZ或區(qū)融FZ工藝制成，可以保證最優(yōu)單晶晶格結(jié)構(gòu)；所述二氧化硅膜層通過熱生長等常規(guī)半導(dǎo)體工藝制備，可以獲取最佳成膜質(zhì)量并且厚度可控；所述二氧化硅基多元磁性復(fù)合材料層與二氧化硅膜層一道共同構(gòu)筑高阻絕緣層的作用，其制備方法包括高溫燒結(jié)-粉碎法、溶膠凝膠法等，均簡單易行和低成本化；所述新型絕緣硅磁性復(fù)合材料的制備方法，主要通過真空超凈爐完成，非離子注入之類昂貴設(shè)備，由于采用了上述諸多工藝和材料的創(chuàng)新組合，使得本發(fā)明所述新型磁性絕緣硅復(fù)合材料具有如下優(yōu)點：1、成品后能夠保持有完整的單晶硅晶格結(jié)構(gòu)，2、所述中間絕緣層的各組分的厚度和深度分布可調(diào)，電學(xué)性能優(yōu)良，3、所述二氧化硅基多元磁性復(fù)合材料中含有磁性材料，具有磁學(xué)性能，4、不采用復(fù)雜昂貴設(shè)備，整體制備工藝簡單、易行，4、低成本。

上述實施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并加以實施，并不能以此限制本發(fā)明的保護范圍，凡根據(jù)本發(fā)明精神實質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。