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含金剛石膜的soi集成電路芯片材料及其制作工藝的制作方法

文檔序號:6806333閱讀:393來源:國知局
專利名稱:含金剛石膜的soi集成電路芯片材料及其制作工藝的制作方法
技術領域
本發(fā)明屬一種集成電路芯片材料及其制作方法。
目前,常見的抗輻射電子器件的材料是絕緣物上的薄層單晶硅材料,稱為SOI材料。用SOI材料制作的集成電路可在較大劑量輻照情況下正常工作。已有的制作SOI材料的方法有在絕緣物(如蘭寶石單晶片)上直接異質外延單晶硅薄層,或在單晶硅表面形成SiO2膜,再置另一單晶硅片于SiO2上高溫鍵合后再減薄形成SOI結構。
與本發(fā)明最相接近的技術是一份美國專利,名稱為“區(qū)熔再結晶SOD技術”,公開號5186785,
公開日1993年2月16日。所制作的SOD結構是在單晶硅片表面生長金剛石膜,金剛石膜的面積小于單晶硅片的表面積,再在金剛石膜和單晶硅片上生長薄層多晶硅。以多晶硅與單晶硅片相接觸的單晶硅為子晶,經過高溫區(qū)熔,使多晶硅薄層結晶為單晶硅薄層。具體結構可參見

圖1。圖1中,1為單晶硅片,2為金剛石膜,3為單晶硅薄層,是由多晶硅經區(qū)熔轉變而成,制作電子器件是在單晶硅薄層3上進行的。已有技術的工藝過程大體是,經常規(guī)處理的單晶硅片1為襯底,以甲烷氣體為碳源,生長金剛石膜2;在金剛石膜2表面上置多晶硅薄層,所置的多晶硅薄層面積跟單晶硅片1的面積相等;在高溫下區(qū)熔再結晶,形成SOI結構的抗輻射電子集成電路芯片材料。
這種SOI材料由于有金剛石膜2的存在,制作成集成電路時可在較高溫度下工作,抗輻射能力強;由于所置的多晶硅可以較薄,大約在1μm左右,有利于制作電子器件。但由于單晶硅薄層3是經區(qū)熔融再結晶形成的,因而單晶質量差,缺陷多,電子空穴遷移率減小,性能不穩(wěn)定,抗輻射能力也是有限的,而且表面平整度差;由于金剛石膜2也很薄,影響導熱性能,并使擊穿電壓降低;金剛石膜2與單晶硅薄層3間的界面態(tài)密度較大,制作的器件漏電較嚴重。
本發(fā)明設計一種含金剛石膜和二氧化硅過渡層的SOI結構,并使用將單晶硅減薄的反外延技術,使本發(fā)明的SOI結構材料制作的電子器件抗輻射能力強、集成度高、性能穩(wěn)定、導熱效果好、擊穿電壓高、可靠性提高,使本發(fā)明的制作工藝避免高溫區(qū)熔、工藝過程簡單并能精確控制單晶硅薄層的厚度,達到克服已有技術不足的目的。
本發(fā)明的含金剛石膜的SOI集成電路芯片材料按順序由單晶硅薄層、SiO2過渡層、金剛石膜、多晶硅構成。其中金剛石膜的面積小于單晶硅薄層和SiO2過渡層的面積,使得金剛石膜包在SiO2過渡層和多晶硅之間。
還可以在多晶硅的外表面生長有一薄層的氮化硅,即Si4N3層。這樣形成的多晶硅和氮化硅的復合層,在制備SOI結構中可以有效地防止氧及其它雜質的滲入,起到保護集成電路芯片材料的作用。
圖2是本發(fā)明的一種SOI結構示意圖。
圖3是本發(fā)明的覆有Si4N3層的SOI結構示意圖。
圖2中,單晶硅薄層3是由單晶硅片生長SiO2過渡5、金剛石膜2以及多晶硅4,制成SOI結構以后,經減薄處理后得到,其厚度小于1μm,甚至可薄至0.4~0.5μm。在這個厚度下制作集成電路具有抗輻射能力提高、運行速度增加、漏電流小、可控硅效應減小等許多優(yōu)良特性,因此說單晶硅薄層的厚度對制作集成電路是至關重要的。在金剛石膜2和單晶硅薄層3之間生長有二氧化硅層,即SiO2過渡層5。SiO2過渡層5可有效地減小金剛石膜2與單晶硅薄層3間的界面態(tài)密度,而對制作的器件性能沒有影響。在金剛石膜2表面覆有的多晶硅4,在制備SOI結構時起到保護作用,使金剛石膜2免受氧及雜質的滲入;在進行減薄和制作集成電路時又可起到支撐作用,方便操作。
在圖3中,6即是生長在多晶硅4外表面上的Si4N3層??筛行У仄鸨Wo作用。
在本發(fā)明的SOI結構中,SiO2過渡層5的厚度可以控制在(0.8~1.0)×10-2μm,過薄將會產生空洞,起不到減小金剛石膜2與單晶硅薄層3間的界面態(tài)密度的目的;過厚可能降低含金剛石膜2的SOI結構的一些優(yōu)良特性。金剛石膜2的厚度控制在6~15μm范圍,過薄會影響金剛石膜2的導熱性能和降低擊穿電壓,使制作的集成電路抗輻射能力降低;而過厚給制作器件的加工帶來困難。多晶硅4的厚度控制在300μm左右,以便在減薄單晶硅片和制作器件時能起到支撐和保護作用。
本發(fā)明的含金剛石膜的SOI集成電路芯片材料的制作工藝過程如下所述。
首先將單晶硅片經過常規(guī)處理,生長其它材料的薄層。所說的其它材料的薄層包括SiO2過渡層5。再在SiO2過渡層5上生長金剛石膜2。生長金剛石膜2是以丙酮為碳源氣體,采用熱絲CVD法生長的,并使金剛石膜2的面積小于單晶硅片的面積,即在SiO2過渡層5的表面的周邊沒有生長上金剛石膜2。在金剛石膜2上生長多晶硅4時,多晶硅4和SiO2過渡層5將金剛石膜2包圍在SOI結構的中間。最后對單晶硅片進行減薄處理,可以先使用機械拋光方法,再用離子束濺射方法實現,使單晶硅片被減薄至適于制作集成電路的厚度,構成單晶硅薄層3。
所說的減薄處理,可以是先用機械拋光的方法使單晶硅片減薄至10μm以下,再采用離子束濺射的方法使單晶硅片減薄至適于制作集成電路的厚度,如薄至0.4~0.5μm。
這種在單晶硅片上先生長其它材料,形成SOI結構后,再減薄單晶硅片構成單晶硅薄層的方法,就是反外延技術。
本發(fā)明的含金剛石膜的SOI集成電路芯片材料,由于金剛石膜2的高電阻率,良好的導熱性能、寬禁帶和較高的電子空穴遷移率,使制備的器件在大劑量輻射條件下,各項性能參數穩(wěn)定,擊穿電壓增大,導熱性能提高;由于金剛石膜2的熱膨脹系數與硅相接近和生長有SiO2過渡層5,而具有較低的界面態(tài)密度,制作器件時漏電流小,可控硅效應減小,抗輻射能力提高;由于在背面沉積多晶硅4或多晶硅和氮化硅的復合層,有效地阻止在集成電路中常用的氧及其它雜質的滲入,保證中間的金剛石膜2不被氧化和污染,同時為單晶硅片減薄成單晶硅薄層3提供有效的支撐平面。
本發(fā)明的制備含金剛石膜的SOI集成電路芯片材料的工藝,由于采用反外延減薄技術,沒有區(qū)熔再結晶過程,不僅使工藝簡單,而且單晶硅薄層3的質量好,還保證了SiO2過渡層5不形成單晶硅而起到SiO2過渡層的作用;由于生長金剛石膜2時使用丙酮作原料氣體,使金剛石膜2質量好,可充分表現金剛石膜2的優(yōu)良性能;由于采用離子束濺射減薄技術,可準確控制單晶硅薄層3的厚度和保證單晶硅薄層3的質量,有益于在SOI結構上制作集成電路,且具有高集成度和高可靠性。
權利要求
1.一種含金剛石膜的SOI集成電路芯片材料,包括有單晶硅薄層(3)和金剛石膜(2),金剛石膜(2)的面積小于單晶硅薄層(3)的面積,本發(fā)明的特征在于,在單晶硅薄層(3)和金剛石膜(2)之間生長有SiO2過渡層(5);在金剛石膜(2)的表面上再覆有多晶硅(4),多晶硅(4)面積大于金剛石膜(2)面積,將金剛石膜(2)包在SiO2過渡層(5)和多晶硅(4)之間。
2.按照權利要求1所述的含金剛石膜SOI集成電路芯片材料,其特征在于在多晶硅(4)的外表面生長有一薄層Si4N3層(6),形成多晶硅和氮化硅的復合層。
3.按照權利要求1或2所述的含金剛石膜的SOI集成電路芯片材料,其特征在于所說的SiO2過濾層(5)的厚度為(0.8~1.0)×10-2μm;金剛石膜(2)的厚度為6~15μm;單晶硅薄層(3)的厚度為0.4~0.5μm。
4.一種含金剛石膜的SOI集成電路芯片材料的制備工藝,將單晶硅片經常規(guī)處理,生長其它材料的薄層,通過反外延減薄技術,將單晶硅片減薄成單晶硅薄層(3);在制備的SOI結構中間還生長有金剛石膜(2),本發(fā)明的特征在于①在常規(guī)處理后的單晶硅片上生長SiO2過渡層(5),再在SiO2過濾層(5)上生長金剛石膜(2);②所說的生長金剛石膜(2)是以丙酮為碳源氣體,采用熱絲CVD法生長出來的,并使金剛石膜(2)的面積小于單晶硅片面積,即在SiO2過渡層(5)表面的周邊沒有生長上金剛石膜(2);③在金剛石膜(2)上生長多晶硅(4);④所說的對單晶硅片進行減薄處理是用機械拋光方法,再用離子束濺射方法實現的。
5.按照權利要求4所述的含金剛石膜的SOI集成電路芯片材料的制備方法,其特征在于所說的機械拋光方法使單晶硅片減薄至10μm以下,再用離子束濺射方法將單晶硅片減薄至0.4~0.5μm,構成單晶硅薄層(3)。
全文摘要
本發(fā)明是含金剛石膜的SOI集成電路芯片材料及制作工藝,其結構按順序為單晶硅薄層(3)、SiO
文檔編號H01L21/02GK1109518SQ9410362
公開日1995年10月4日 申請日期1994年4月1日 優(yōu)先權日1994年4月1日
發(fā)明者顧長志, 金曾孫, 呂憲義, 鄒廣田 申請人:吉林大學
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