[发明专利]一种纳米绝缘体上硅结构材料及其制作方法

说明书

技术领域

本发明属于集成电路芯片材料的技术领域。特别涉及到利用新型绝缘材料来提高半导体器件抗辐射加固性能。 

技术背景

随着科学技术的发展，越来越多的半导体光电子元件、大规模集成电路需要在辐射环境中工作。这些辐射环境包括空间辐射、核爆炸辐射等。由于辐射的影响，电子器件很容易发生故障，严重时甚至会完全失效。现阶段通用的制作抗辐射元件的材料为绝缘体上硅结构材料，即SOI(Silicon-on-Insulation)，该材料是在顶层硅和背衬底之间引入了一层二氧化硅(SiO₂)埋氧化层。该类器件辐射加固原理与工艺已经比较成熟，取得较好的结果。但是以SiO₂为绝缘层的SOI结构，在强辐射环境里使用过程中，除了存在与散热、高频、寄生双极晶体管效应、浮体效应等有关的问题外，其抗辐射能力有限，易发生正电荷积累，特别在抗总剂量辐射方面能力有限。而金刚石具有宽带隙，强键能，以及高热导率、高的电子空穴迁移率等优良特性，可用做SOI结构中的绝缘层，从而形成SOD(silicon on diamond)结构。SOD材料在抗辐射性能方面优于目前应用的SOI材料，被认为是新一代的抗辐射“SOI材料”。目前，人们正采取多种手段进一步提高SOD抗辐射能力。但以微米尺寸金刚石为绝缘层的SOD具有加工工艺较复杂，生长时间长，需要抛光和界面态处理，在抗总剂量辐射方面能力也是相对有限的。 

与本发明相接近的现有技术是专利“含金刚石膜的SOI集成电路芯片材料及其制作工艺”(授权公告号：CN1041119C)，所制作的SOD结构是在单晶硅上生长一层SiO₂过渡层，微米金刚石膜生长在SiO₂之上，且其面积小于SiO₂面积，然后在金刚石上熔融再结晶一层多晶硅作为支撑膜。其结构示意图参见图1，其中，2为金刚石绝缘层，3为Si表层(单晶硅薄层)，4为衬底，是多晶硅材料的衬底，5为SiO₂过渡层。这种结构由于存在SiO₂和金刚石绝缘层其抗辐射能较传统SOI有很大改善。但是由于该结构包含微米金刚石，其生长厚度不 易控制，生长薄膜的表面粗糙度较大，熔融再结晶衬底硅比较困难，且其处理单晶硅的方法是通过机械抛光，周期较长，处理过程相对复杂，抛光后单晶硅质量可能变差。另外是由于该结构包含一层SiO₂过渡层，在总剂量辐射过程中可能会出现正电荷积累，在一定程度上影响器件的正常工作。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是，设计一种以抗辐射、耐高温、耐高频、强化学稳定性的材料(纳米金刚石、掺氮纳米金刚石、氮化硼(BN))作为SOI中的纳米结构的绝缘层，提高半导体器件的抗辐射性能；并设计简单工艺过程，制作出不同纳米材料为绝缘层的SOI结构，用于制作集成电路芯片材料。 

新型纳米绝缘层为基础的SOI主要结构包括如下三种： 

第1种结构：Si表层→纳米绝缘层→单晶或多晶Si衬底； 

第2种结构：Si表层→纳米绝缘层→微米多晶金刚石衬底； 

第3种结构：Si表层→纳米绝缘层→微米多晶金刚石膜→单晶或多晶Si衬底。 

该结构在传统方案基础上引入纳米绝缘层，绝缘层材料包括纳米尺寸金刚石膜、掺氮金刚石膜或纳米尺寸BN膜，纳米绝缘层有助于提高SOD结构的抗辐射能力。 

本发明的纳米绝缘体上硅结构材料的主要结构可叙述如下： 

一种纳米绝缘体上硅结构材料，按顺序主要由硅表层3、绝缘层8和衬底4构成；其特征在于，所述的绝缘层8是纳米材料的绝缘层，纳米材料为纳米金刚石膜、掺氮纳米金刚石膜或纳米氮化硼膜，绝缘层8厚度为0.1～10μm；所述的衬底4为微米多晶金刚石衬底7或单晶或多晶硅衬底6。 

上述的纳米绝缘体上硅结构材料，还可以在纳米材料的绝缘层8和单晶或多晶硅衬底4之间有微米多晶金刚石膜层9。 

所述的纳米氮化硼膜是立方相氮化硼或/和六角相氮化硼。即构成绝缘层的氮化硼膜，可以是立方氮化硼膜，可以是六角氮化硼膜，还可以是立方的和六角的混合相氮化硼膜。 

由于纳米结构的晶界多，正电荷陷阱数量多，将连续辐射引起的电子-空穴 对的正电荷在迁移过程中复合或捕获，阻止其向Si/绝缘层界面聚集，大幅降低界面的正电荷密度，实现SOI抗总剂量辐射的效果。