[发明专利]一种新型绝缘硅复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种低成本、高性能、易加工的新型绝缘硅复合材料及其制备方法。

背景技术

单晶硅材料是现代微电子制造业的基础，目前绝大部分的集成电路芯片和半导体器件都是在硅片上加工完成。然而随着IC制造技术向45纳米以下线宽发展，现有的体硅材料及其工艺越来越接近其物理极限，寻找新型衬底材料已成为当务之急。

SOI（Silicon On Insulater）绝缘硅材料因其独特优良的性能近期得到了广泛的重视和应用。通过绝缘埋层，SOI绝缘硅材料实现了片上器件与衬底的全介质隔离，从而减小了寄生电容、降低了功耗、提高了运算速度、消除了闩锁效应；又由于与现有硅半导体工艺兼容，使其被公认为“21世纪的硅集成电路技术”，发展前景不可限量。 

目前制备SOI绝缘硅材料的方法主要有两大类型：离子注入法和键合法，前者通过离子注入在硅片表面下一定距离内形成氧化硅埋层，后者通过硅片间水或其它物质在高温下形成片间氧化硅层并使两片硅片合二为一。 

上述两大类型制备工艺均具有严重的缺陷，离子注入会使单晶硅晶格结构遭受严重破坏，能量越高损伤越大；注入的离子虽经退火后可以在表面下一定空间内形成氧化硅层，但这只是SiO₂和SiOx的混合体，距离完美的SiO₂结构有相当的距离，此外氧化层在硅片内的深度、厚度均难以控制；而键合法片间形成的主要也是SiO₂-Si（OH）x混合物，直接影响键和强度和绝缘性能。 

除了上述工艺外，目前制备SOI绝缘硅材料的其它工艺如阳极多孔硅氧化法、绝缘层上多晶硅再结晶法、固相横向外延法等或上述某些方法的混合工艺，均具有这样或那样的先天性缺陷；并且所有上述工艺的一大共同缺点是，所使用的设备都异常昂贵复杂，导致生产成本高企，这些不足严重制约了SOI绝缘硅材料的应用和发展。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明的目的是：提出了一种低成本、高性能、易加工的新型绝缘硅复合材料及其制备方法。

本发明的技术解决方案是这样实现的：一种新型绝缘硅复合材料，包含中间绝缘层；所述中间绝缘层的上表面和下表面分别设置有单晶硅片；所述中间绝缘层，包含二氧化硅基多元无机复合材料层；所述二氧化硅基多元无机复合材料层的上表面设置有第一二氧化硅膜层；所述二氧化硅基多元无机复合材料层的下表面设置有第二二氧化硅膜层。

优选的，所述二氧化硅基多元无机复合材料层由SiO₂基多元无机复合材料制成，所述二氧化硅基多元无机复合材料的化学式为SiO₂-Al₂O₃-PbO。

优选的，所述新型绝缘硅复合材料的层间结构为Si-SiO₂-(SiO₂-Al₂O₃-PbO)-SiO₂-Si。

所述新型绝缘硅复合材料的制备方法：包含以下步骤：

①、先在单晶硅片的一个表面上热生长出一层二氧化硅膜层； 

②、将二氧化硅基多元无机复合材料用有机挥发性溶剂溶解分散后，均匀涂镀于二氧化硅膜层的外表面，形成平整的二氧化硅基多元无机复合材料层；

③、将两份②中最终获得的本成品相对叠加在一起，使两者的二氧化硅基多元无机复合材料层紧密贴合在一起，然后均匀加压；

④、将③中最终获得的半成品送入超净真空炉内，然后缓慢升温，至熔凝温度后恒温，使③中获得的两个二氧化硅基多元无机复合材料层充分熔合并排出气泡，而后再缓慢降温固化，最后经退火程序处理。

优选的，所述单晶硅片通过半导体直拉CZ工艺或区融FZ工艺制备而成。 

优选的，所述二氧化硅膜层通过热氧化生长在单晶硅片的表面上，当所述二氧化硅膜层的厚度小于300纳米时，采用高温干氧氧化工艺，以保证最佳成膜质量。 

优选的，所述二氧化硅膜层通过热氧化生长在单晶硅片的表面上，当所述二氧化硅膜层的厚度超过300纳米时，采用高温干氧-湿氧-干氧混合工艺，以可获取成膜效率和成膜质量的最优折衷；

优选的，所述二氧化硅膜层也可采用CVD/PVD或溅射成膜工艺制备而成。 

优选的，所述二氧化硅基多元无机复合材料通过高温烧结-粉碎、溶胶凝胶等方法制备而成，其熔凝温度为750~1200℃。