[发明专利]含金刚石膜的SOI集成电路芯片材料及其制作工艺

说明书

本发明属一种集成电路芯片材料及其制作方法。

目前，常见的抗辐射电子器件的材料是绝缘物上的薄层单晶硅材料，称为SOI材料。用SOI材料制作的集成电路可在较大剂量辐照情况下正常工作。已有的制作SOI材料的方法有：在绝缘物(如兰宝石单晶片)上直接异质外延单晶硅薄层，或在单晶硅表面形成SiO₂膜，再置另一单晶硅片于SiO₂上高温键合后再减薄形成SOI结构。

与本发明最相接近的技术是一份美国专利，名称为“区熔再结晶SOD技术”，公开号5186785，公开日1993年2月16日。所制作的SOD结构是在单晶硅片表面生长金刚石膜，金刚石膜的面积小于单晶硅片的表面积，再在金刚石膜和单晶硅片上生长薄层多晶硅。以多晶硅与单晶硅片相接触的单晶硅为子晶，经过高温区熔，使多晶硅薄层结晶为单晶硅薄层。具体结构可参见图1。图1中，1为单晶硅片，2为金刚石膜，3为单晶硅薄层，是由多晶硅经区熔转变而成，制作电子器件是在单晶硅薄层3上进行的。已有技术的工艺过程大体是，经常规处理的单晶硅片1为衬底，以甲烷气体为碳源，生长金刚石膜2；在金刚石膜2表面上置多晶硅薄层，所置的多晶硅薄层面积跟单晶硅片1的面积相等；在高温下区熔再结晶，形成SOI结构的抗辐射电子集成电路芯片材料。

这种SOI材料由于有金刚石膜2的存在，制作成集成电路时可在较高温度下工作，抗辐射能力强；由于所置的多晶硅可以较薄，大约在1μm左右，有利于制作电子器件。但由于单晶硅薄层3是经区熔再结晶形成的，因而单晶质量差，缺陷多，电子空穴迁移率减小，性能不稳  定，抗辐射能力也是有限的，而且表面平整度差；由于金刚石膜2也很薄，影响导热性能，并使击穿电压降低；金刚石膜2与单晶硅薄层3间的界面态密度较大，制作的器件漏电较严重。

本发明设计一种含金刚石膜和二氧化硅过渡层的SOI结构，并使用将单晶硅减薄的反外延技术，使本发明的SOI结构材料制作的电子器件抗辐射能力强、集成度高、性能稳定、导热效果好、击穿电压高、可靠性提高，使本发明的制作工艺避免高温区熔、工艺过程简单并能精确控制单晶硅薄层的厚度，达到克服已有技术不足的目的。

本发明的含金刚石膜的SOI集成电路芯片材料按顺序由单晶硅薄层、SiO₂过渡层、金刚石膜、多晶硅构成。其中金刚石膜的面积小于单晶硅薄层和SiO₂过渡层的面积，使得金刚石膜包在SiO₂过渡层和多晶硅之间。

还可以在多晶硅的外表面生长有一薄层的氮化硅，即Si₄N₃层。这样形成的多晶硅和氮化硅的复合层，在制备SOI结构中可以有效地防止氧及其它杂质的渗入，起到保护集成电路芯片材料的作用。

图2是本发明的一种SOI结构示意图。

图3是本发明的覆有Si₄N₃层的SOI结构示意图。

图2中，单晶硅薄层3是由单晶硅片生长SiO₂过渡5、金刚石膜2以及多晶硅4，制成SOI结构以后，经减薄处理后得到，其厚度小于1μm，甚至可薄至0.4～0.5μm。在这个厚度下制作集成电路具有抗辐射能力提高、运行速度增加、漏电流小、可控硅效应减小等许多优良特性，因此说单晶硅薄层的厚度对制作集成电路是至关重要的。在金刚石膜2和单晶硅薄层3之间生长有二氧化硅层，即SiO₂过渡层5。SiO₂过渡层5可有效地减小金刚石膜2与单晶硅薄层3间的界面态密度，而对制作的器件性能没有影响。在金刚石膜2表面覆有的多晶硅4，在制备SOI结构时起到保护作用，使金刚石膜2免受氧及杂质的渗入；在进行减薄和制作集成电路时又可起到支撑作用，方便操作。

在图3中，6即是生长在多晶硅4外表面上的Si₄N₃层。可更有效地起保护作用。

在本发明的SOI结构中，SiO₂过渡层5的厚度可以控制在(0.8～1.0)×10^-2μm，过薄将会产生空洞，起不到减小金刚石膜2与单晶硅薄层3间的界面态密度的目的；过厚可能降低含金刚石膜2的SOI结构的一些优良特性。金刚石膜2的厚度控制在6～15μm范围，过薄会影响金刚石膜2的导热性能和降低击穿电压，使制作的集成电路抗辐射能力降低；而过厚给制作器件的加工带来困难。多晶硅4的厚度控制在300μm左右，以便在减薄单晶硅片和制作器件时能起到支撑和保护作用。