带有绝缘埋层的辐射加固材料及其制备方法

摘要

本发明涉及半导体材料制备领域，提供一种带有绝缘埋层的辐射加固材料的制备方法，包括步骤：提供器件衬底和支撑衬底；在所述器件衬底和支撑衬底的裸露表面分别生长第一、第二绝缘层；在所述第一绝缘层的裸露表面采用化学气相沉积工艺依次生长纳米晶体层和第三绝缘层以形成纳米晶体复合层；采用键合工艺将第二绝缘层的裸露表面键合至所述纳米晶体复合层的裸露表面。本发明还提供了上述材料，依次包括器件衬底、绝缘埋层和器件层，所述绝缘埋层包括第一绝缘层、第二绝缘层和纳米晶体复合层。本发明的优点为避免了传统的离子注入加固工艺对材料器件层晶格的注入损伤及注入元素在绝缘埋层中的高斯分布展宽及由此造成的绝缘埋层完整性破坏。

权利要求

1. 一种带有绝缘埋层的辐射加固材料的制备方法，其特征在于，包括步骤： a）提供器件衬底和支撑衬底； b）在所述器件衬底和支撑衬底的裸露表面分别生长第一、第二绝缘层； c）在所述第一绝缘层的裸露表面采用化学气相沉积工艺依次生长纳米晶体层和第三绝缘层，所述纳米晶体层和第三绝缘层构成纳米晶体复合层；

d）采用键合工艺将第二绝缘层的裸露表面键合至所述纳米晶体复合层的裸露表面，通过调整支撑衬底表面的第二绝缘层的厚度以及在所述纳米晶体层表面沉积的第三绝缘层的厚度，以实现纳米晶体层在所述绝缘埋层中的位置的控制。

2. 根据权利要求1所述的带有绝缘埋层的辐射加固材料的制备方法，其特征在于，所述步骤d之后还包括步骤： e）对所述键合后的第一、第二和第三绝缘层实施退火，所述退火的温度范围为800℃至1300℃，退火的气氛为氮气、氩气、氧气中任意一种或几种混合物，退火的时间范围为0.5小时至5小时。

3. 根据权利要求2所述的带有绝缘埋层的辐射加固材料的制备方法，其特征在于，所述器件衬底依次包括器件层、腐蚀自停止层和牺牲层，所述步骤b中的第一绝缘层生长在所述器件层的裸露表面；所述步骤e 之后，进一步包括步骤：f）对所述器件衬底实施减薄或增加厚度至目标厚度。

4. 根据权利要求3所述的带有绝缘埋层的辐射加固材料的制备方法，其特征在于，所述步骤f进一步包括：f1）采用湿法腐蚀的方法对所述器件衬底的牺牲层实施腐蚀至腐蚀自停止层；

f2）去除所述腐蚀自停止层；

f3）减薄或增加剩余的器件层的厚度至目标厚度。

5. 根据权利要求1所述的带有绝缘埋层的辐射加固材料的制备方法，其特征在于，所述步骤d中的键合工艺为由等离子体处理表面后的亲水键合或直接的亲水键合。

6. 根据权利要求1所述的带有绝缘埋层的辐射加固材料的制备方法，其特征在于，所述步骤c中，化学气相沉积纳米晶体层采用低压化学气相沉积、减压化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积中任意一种。

7. 根据权利要求1所述的带有绝缘埋层的辐射加固材料的制备方法，其特征在于，所述纳米晶体复合层中的第三绝缘层是采用化学气相沉积的方式生长在所述纳米晶体层的裸露表面；所述第一、第二绝缘层均是采用热氧化的方式生长。

8. 根据权利要求1所述的带有绝缘埋层的辐射加固材料的制备方法，其特征在于，所述第一、第二和第三绝缘层的材料均为二氧化硅。

9. 一种带有绝缘埋层的辐射加固材料，依次包括器件衬底、绝缘埋层和器件层，其特征在于，所述绝缘埋层包括第一绝缘层、第二绝缘层和纳米晶体复合层，所述纳米晶体复合层置于第一绝缘层和第二绝缘层之间，所述纳米晶体复合层包括一层纳米晶体层和一层第三绝缘层，所述第三绝缘埋层设置于第一绝缘层和纳米晶体层之间，或者设置于第二绝缘层和纳米晶体层之间；所述纳米晶体复合层采用化学气相沉积而成，所述纳米晶体复合层和第一或第二绝缘层之间的界面为键合界面。

10. 根据权利要求9所述的带有绝缘埋层的辐射加固材料，其特征在于，所述化学气相沉积为低压化学气相沉积、减压化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积中任意一种；

所述纳米晶体复合层中的第三绝缘层是采用化学气相沉积的方式生长在所述纳米晶体层的裸露表面。

说明书

带有绝缘埋层的辐射加固材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体材料制备领域，尤其涉及一种带有绝缘埋层的辐射加固材料制备。

背景技术

[0002] 基于绝缘体上的硅（SOI）的集成电路相对基于体硅的集成电路具有更低的功耗、更快的速度、更高的集成度、更简单的工艺、更能耐高温，因此基于绝缘体上的硅（SOI）的集成电路被认为是未来延续莫尔定律的主要技术手段之一。并且由于器件结构的优势，使得SOI电路相对体硅电路具有更强的抗单粒子辐射和瞬态剂量率辐射的能力，因而被广泛应用于辐射环境下的电子学系统中。但绝缘埋层的存在，使得SOI器件和电路的抗总剂量辐射能力显著下降。这是因为在辐射过程中，辐射在绝缘埋层中电离产生电子－空穴对，电子因为迁移率较快，且电子陷阱数量少而不易被俘获，空穴则因为迁移率小且空穴陷阱数量较多而易被俘获，致使绝缘埋层中产生净正电荷的累积，从而造成SOI器件的背栅阈值电压漂移和器件泄露电流增加，显著降低SOI电路在辐射环境中的使用寿命及可靠性。

[0003] 目前，对SOI电路进行抗总剂量辐射加固主要采用离子注入的手段。在SOI材料的绝缘埋层中注入特定元素的离子，结合高温退火形成纳米晶体，以引入电子陷阱来俘获辐射产生的电子，补偿绝缘埋层中累积的空穴。

[0004] 但采用离子注入工艺进行加固存在着一些固有问题：

[0005] 1.对SOI材料直接进行离子注入会对顶层硅的晶格结构造成较大的损伤并难以恢复，从而降低顶层硅的晶格质量甚至影响到器件或电路的性能，因此纳米晶体的大小和浓度受限于注入剂量参数，从而限制了SOI电路抗总剂量辐射能力的提高；

[0006] 2.注入离子在绝缘埋层中呈高斯分布，因此局部位置的注入离子密度不足以形成纳米晶体，而成为破坏绝缘埋层完整性的杂质。并且受限于高斯分布，退火后形成的纳米晶体的位置和纵向分布均匀性难以精确控制，容易对SOI器件特性造成一定程度的干扰，难以满足超深亚微米SOI超大规模集成电路的要求。

[0007] 注氧键合技术（Simbond）技术结合氧离子注入和退火工艺，利用氧离子注入产生一个氧离子注入层，并在退火过程中形成二氧化硅绝缘层。此二氧化硅绝缘层用来充当化学腐蚀阻挡层，对圆片在最终抛光前器件层的厚度及其均匀性有良好的控制。由于在此工艺中，表层硅的均匀性由氧离子注入工艺来控制，因此，顶层硅均匀性很好。

发明内容

[0008] 本发明所要解决的技术问题是，提供带有绝缘埋层的辐射加固材料及其制备方法。

[0009] 为了解决上述问题，本发明提供了一种带有绝缘埋层的辐射加固材料的制备方法，包括步骤：

[0010] a）提供器件衬底和支撑衬底；

[0011] b）在所述器件衬底和支撑衬底的裸露表面分别生长第一、第二绝缘层；

[0012] c）在所述第一绝缘层的裸露表面采用化学气相沉积工艺依次生长纳米晶体层和第三绝缘层，所述纳米晶体层和第三绝缘层构成纳米晶体复合层；

[0013] d）采用键合工艺将第二绝缘层的裸露表面键合至所述纳米晶体复合层的裸露表面。

[0014] 所述步骤d之后还包括步骤：e）对所述键合后的第一、第二和第三绝缘层实施退火，所述退火的温度范围为800℃至1300℃，退火的气氛为氮气、氩气、氧气中任意一种或几种混合物，退火的时间范围为0.5小时至5小时。

[0015] 所述器件衬底依次包括器件层、腐蚀自停止层和牺牲层，所述步骤b中的第一绝缘层生长在所述器件层的裸露表面；所述步骤e之后，进一步包括步骤：f）对所述器件衬底实施减薄或增加厚度至目标厚度。

[0016] 所述步骤f进一步包括：f1）采用湿法腐蚀的方法对所述器件衬底的牺牲层实施腐蚀至腐蚀自停止层；f2）去除所述腐蚀自停止层；f3）减薄或增加剩余的器件层的厚度至目标厚度。

[0017] 所述步骤d中的键合工艺为由等离子体处理表面后的亲水键合或直接的亲水键和。

[0018] 所述步骤c中，化学气相沉积纳米晶体层采用低压化学气相沉积、减压化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积中任意一种。

[0019] 所述纳米晶体复合层中的第三绝缘层是采用化学气相沉积的方式生长在所述纳米晶体层的裸露表面；所述第一、第二绝缘层均是采用热氧化的方式生长。

[0020] 所述第一、第二和第三绝缘层的材料均为二氧化硅。

[0021] 为了解决上述技术问题，本发明还提供一种带有绝缘埋层的辐射加固材料，依次包括器件衬底、绝缘埋层和器件层，所述绝缘埋层包括第一绝缘层、第二绝缘层和纳米晶体复合层，所述纳米晶体复合层置于第一绝缘层和第二绝缘层之间，所述纳米晶体复合层依次包括一层纳米晶体层和一层第三绝缘层，所述第三绝缘埋层设置于第一绝缘层和纳米晶体层之间，或者设置于第二绝缘层和纳米晶体层之间；所述纳米晶体复合层采用化学气相沉积而成，所述纳米晶体复合层和第一或第二绝缘层之间的界面为键合界面。

[0022] 所述化学气相沉积为低压化学气相沉积、减压化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积中任意一种；所述纳米晶体复合层中的第三绝缘层是采用化学气相沉积的方式生长在所述纳米晶体层的裸露表面。。

[0023] 本发明的优点在于：

[0024] 本发明提供的制备方法采用化学气相沉积的方法在SOI材料的制备过程中即在其绝缘埋层中沉积出一层或多层嵌入式硅纳米晶体，以实现SOI材料的辐射加固；

[0025] 本发明提供的制备方法可通过调整化学气相沉积工艺中的相关工艺参数如反应气分压、腔体温度、反应时间等，实现对嵌入式硅纳米晶的厚度、密度的精确控制；

[0026] 本发明提供的制备方法通过调整支撑衬底表面的绝缘层的厚度以及在硅纳米晶体表面沉积的绝缘层的厚度，能够实现硅纳米晶体在SOI材料绝缘埋层中的位置的精确控制，也即实现了电子陷阱距SOI材料上界面的距离控制；

[0027] 除此以外，本发明提供的制备方法还避免了传统的离子注入加固工艺对材料器件层晶格的注入损伤及注入元素在绝缘埋层中的高斯分布展宽及由此造成的绝缘埋层完整性破坏。

附图说明

[0028] 图1是本发明提供的一种带有绝缘埋层的辐射加固材料的制备方法实施例一的步骤流程图；

[0029] 图2A～2D是本发明提供的一种带有绝缘埋层的辐射加固材料的制备方法实施例一的工艺步骤流程图。

具体实施方式

[0030] 下面结合附图对本发明提供的带有绝缘埋层的辐射加固材料及其制备方法的具体实施方式做详细说明。

[0031] 实施例一

[0032] 图1所示为本发明提供的一种带有绝缘埋层的辐射加固材料的制备方法实施例一的步骤流程图。

[0033] 本实施例提供了一种带有绝缘埋层的辐射加固材料的制备方法，包括：步骤101，提供器件衬底和支撑衬底；步骤102，在所述器件衬底和支撑衬底的裸露表面分别生长第一、第二绝缘层；步骤103，在所述第一绝缘层的裸露表面采用化学气相沉积一层纳米晶体复合层；步骤104，采用键合工艺将第二绝缘层的裸露表面键合至所述一层纳米晶体复合层的裸露表面；步骤105，对所述键合后的第一、第二和第三绝缘层实施退火；步骤106，对所述器件衬底实施减薄或增加厚度至目标厚度。

[0034] 图2A～2D所示为本发明提供的一种带有绝缘埋层的辐射加固材料的制备方法实施例一的工艺步骤流程图。

[0035] 图2A所示为本发明提供的一种带有绝缘埋层的辐射加固材料的制备方法实施例一步骤101的示意图。

[0036] 本实施例的步骤101中，所述器件衬底201采用氧离子注入单晶硅中的方法形成的注氧隔离SOI材料衬底，依次包括器件层、腐蚀自停止层和牺牲层，其中本实施例中的腐蚀自停止层为所述注氧隔离SOI材料中的埋氧层，用于阻挡腐蚀。所述支撑衬底203在本实施例中为单晶硅材料衬底。本发明的器件衬底201的选取不限于采用注氧隔离SOI材料衬底，还可采用在单晶硅材料衬底中注入氢获得；本发明的支撑衬底203不限于采用单晶硅材料衬底，也可采用掺杂的单晶硅材料衬底。

[0037] 图2B所示为本发明提供的一种带有绝缘埋层的辐射加固材料的制备方法实施例一步骤102的示意图。

[0038] 本实施例的步骤102中，所述第一绝缘层202和第二绝缘层204均采用热氧化的方式生长。所述第一绝缘层202和第二绝缘层204的厚度可根据需要进行控制、调节。

[0039] 图2C所示为本发明提供的一种带有绝缘埋层的辐射加固材料的制备方法实施例一步骤103的示意图。所述纳米晶体复合层依次包括一层纳米晶体层206和一层第三绝缘层205，其中与第一绝缘层202直接接触的为纳米晶体层206。

[0040] 本实施例中，所述的纳米晶体层206采用或减压化学气相沉积（Reduced Pressure Chemical Vapor Deposition，RPCVD）的方法沉积在第一绝缘层202的裸露表面上。该工艺主要包括两个阶段：硅晶成核阶段和硅晶生长阶段。成核阶段主要以SiH4做反应气体，H2做载气,在400℃至800℃的温度范围内进行分解反应，优选的反应时间范围为550℃至650℃，腔体总压力20Torr，反应气分压0.05Torr至0.5Torr，反应时间为5秒至1分钟，从而在第一绝缘层202的裸露表面形成分立的硅晶核。生长阶段以SiH2Cl2做反应气体、H2做载气，分压30mTorr至300mTorr，反应时间为1秒至10分钟，在600℃至700℃的温度范围内进行分解反应，在成核阶段形成的硅晶核的基础上，使其生长，从而在所述第一绝缘层202的裸露表面形成显著的纳米晶体层206。上述实施方式中，化学气相沉积工艺不限于RPCVD工艺，其他CVD工艺如等离子体增强化学气相沉积（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD）、低压化学气相沉积（Low Pressure Chemical Vapor Deposition，LPCVD）等均可以用来制备硅晶。反应气体不限于SiH4和SiH2Cl2，其他如SiCl4等能分解生成单质硅的都可以作为反应气体。载气也可以采用惰性气体如Ar气等。

[0041] 本实施例中，第三绝缘层205生长于纳米晶体层206的裸露表面，所述第三绝缘层205是通过低压化学气相沉积工艺形成，将在所述纳米晶体层206覆盖并保护起来。形成所述所述第三绝缘层205的低压化学气相沉积工艺中，以SiH4和N2O做反应气，保持腔体压力
1Torr左右，在700℃的温度下反应生成第三绝缘层205，作为优选地，所述第三绝缘层205的厚度范围为1nm至10nm。

[0042] 作为可选的实施方式，根据材料对抗辐射能力大小的要求，可将上述制备纳米晶体复合层工艺重复进行，以制备出多层的嵌入式纳米晶体复合层，增强材料的抗辐射能力。

[0043] 图2D所示为本发明提供的一种带有绝缘埋层的辐射加固材料的制备方法实施例一步骤104的示意图。

[0044] 本实施例中，通过第二绝缘层204的裸露表面和所述纳米晶体复合层的裸露表面对其进行键合，且键合可以是亲水键合或疏水键合，本实施中优选亲水键合。相对于实验室中采用的对键合界面的研磨和相关液体浸泡的方法解决键合界面不兼容的方法，本发明采用绝缘层界面相互键合，可以避免键合中产生的界面不兼容现象，适合在工业生产中进行生产，节约工艺成本。

[0045] 作为可选实施方式，通过第二绝缘层204的裸露表面和所述纳米晶体复合层的裸露表面对其进行键合，且键合还可以为先对第二绝缘层204的裸露表面和所述纳米晶体复合层的裸露表面均进行等离子体处理后，用去离子水冲洗甩干后再进行键合工艺实现。

[0046] 作为可选的实施方式，步骤103中，所述一层纳米晶体复合层还可采用化学气相沉积在所述第二绝缘层204的裸露表面生长，所述纳米晶体复合层依次包括一层纳米晶体层206和一层第三绝缘层205，其中与第二绝缘层204直接接触的为纳米晶体层206。相应地，步骤104中，采用键合工艺将第一绝缘层202的裸露表面键合至所述一层纳米晶体复合层的裸露表面。

[0047] 步骤105，对所述键合后的第一绝缘层202、第二绝缘层204和第三绝缘层205实施退火。所述退火温度范围为900℃至1200℃，退火时间为1小时至5小时以增强键合界面的强度。

[0048] 步骤106，对所述器件衬底201实施减薄或增加厚度至目标厚度。针对实际设计的需要，减薄器件衬底201的厚度以便在其中制作所需器件。

[0049] 减薄工艺进一步包括步骤：采用四甲基氢氧化铵（TMAH）溶液腐蚀所述器件衬底201的牺牲层至腐蚀自停止层；采用溶液浓度为5%左右的氢氟酸（HF）溶液去除所述腐蚀自停止层；采用化学机械抛光（CMP）抛光剩余的器件层的厚度至目标厚度。

[0050] 作为可选实施方式，上述步骤中去除腐蚀自停止层后还可通过化学气相外延的方法增加剩余的器件层的厚度。

[0051] 作为可选的实施方式，第一绝缘层202、第二绝缘层204和第三绝缘层205的材料均为二氧化硅。

[0052] 实施例二

[0053] 本实施例提供了一种带有绝缘埋层的辐射加固材料，其结构如图2D所示，采用键合工艺制备，依次包括器件衬底201、绝缘埋层和支撑衬底203，所述绝缘埋层包括一层纳米晶体复合层，置于所述绝缘埋层中，所述纳米晶体复合层依次包括一层纳米晶体层206和一层第三绝缘层205，且所述纳米晶体复合层采用化学气相沉积而成，所述纳米晶体层206和第一绝缘层202之间的界面为键合界面，所述纳米晶体层206和第二绝缘层204之间的界面为键合界面；所述绝缘埋层进一步包括第一绝缘层202，置于器件衬底201与所述一层纳米晶体复合层之间，第二绝缘层204，置于支撑衬底203与所述一层纳米晶体复合层之间。所述纳米晶体复合层中的第三绝缘层205是采用化学气相沉积的方式生长在所述纳米晶体层206的裸露表面。所述第三绝缘层205用于保护纳米晶体层206，隔绝纳米晶体层
206受到污染。

[0054] 作为可选的实施方式，所述纳米晶体层206可采用低压化学气相沉积、减压化学沉积、等离子体增强化学气相沉积中任意一种气相沉积方式生长。

[0055] 作为可选的实施方式，本发明中纳米晶体复合层可为多层，且多层纳米晶体复合层间顺次相连，其中所述多层纳米晶体层皆采用化学气相沉积生长。

[0056] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。