在绝缘层中嵌入纳米晶的半导体材料制备方法技术

本发明专利技术提供了一种在绝缘层中嵌入纳米晶的半导体材料制备方法，包括如下步骤：提供器件衬底和支撑衬底，所述器件衬底中具有腐蚀自停止层；选择在器件衬底和支撑衬底的一个或者两个的表面形成绝缘层；在绝缘层中注入纳米晶改性离子；通过绝缘层将器件衬底和支撑衬底键合在一起；实施键合后的退火加固；利用腐蚀自停止层将器件衬底减薄至目标厚度以在绝缘层表面形成器件层。本发明专利技术的优点在于，通过对工艺顺序的巧妙调整，在不影响其他工艺的前提下，将形成纳米晶所采用的离子注入的步骤调整在键合之前实施的，从而不会影响到器件层的晶格完整性，提高了所制备的ＳＯＩ材料的晶体质量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体材料制备领域，尤其涉及一种在绝缘层中嵌入纳米晶的半导体 材料制备方法。
技术介绍
随着航天技术的飞速发展，应用在辐射环境下的电子学系统越来越多，由于辐射 能够造成电子元器件和集成电路性能的退化和改变，从而影响由此组成的电子学系统的可 靠性、缩短系统的寿命，严重时甚至会导致任务的失败。对于在轨运行的航天器来讲，辐射 将会造成短时功能失效和缩短在轨运行寿命。SOI (绝缘体上的硅SiliCon-On-Insulator 或绝缘体上的半导体Aemiconductor-On-Insulator)技术正是为了满足航空航天、导弹 和卫星电子系统等空间及军事电子领域的需求而发展起来的一种技术。四十多年来，该技 术的发展一直以抗辐射加固的军事和空间应用为背景，其目标是提高战略武器的突防和延 长卫星在轨运行寿命。SOI材料由于绝缘埋层的存在，减小了器件的寄生电容，提高了器件的速度，并且 从根本上消除体硅CMOS技术的闭锁效应，单粒子翻转截面较体硅CMOS技术小二个数量级， 抗瞬时剂量率的能力提高二个数量级。但是，另一方面由于其绝缘埋层的存在使得其抗总剂量辐照性能受到限制，这是 因为当SOI绝缘埋层受到电离辐照时，辐射感生电荷被俘获在整个埋层。这些辐射感生的 陷阱电荷主要呈正电性。这些电荷能够导致η沟晶体管的背沟道界面反型，从而引起部分 耗尽(PD)和全耗尽(FD)晶体管的漏电流大幅度增加。对于全耗尽晶体管，正栅晶体管与 背栅晶体管有电耦合作用，绝缘埋层中辐射感生正电荷的积累会造成正栅晶体管阈值电压 的降低。目前，SOI材料的抗辐照加固技术主要是利用离子注入技术将硅或其他元素注入 SOI材料的绝缘埋层中，在绝缘埋层中产生大量的电子陷阱以补偿辐射在埋层中产生的空 穴陷阱电荷来降低埋层中正电荷的数量。但是，SOI材料中注入原子的过程中会造成顶层 硅晶格的损伤，降低了顶层硅的晶体质量。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种在绝缘层中嵌入纳米晶的半导体材料制 备方法，在绝缘埋层中引入硅纳米晶的同时，能够避免硅离子注入造成的顶层硅晶格损伤， 提高所制备的SOI材料的晶体质量。为了解决上述问题，本专利技术提供了一种在绝缘层中嵌入纳米晶的半导体材料制备 方法，包括如下步骤提供器件衬底和支撑衬底，所述器件衬底中具有腐蚀自停止层；选择 在器件衬底和支撑衬底的一个或者两个的表面形成绝缘层；在绝缘层中注入纳米晶改性离 子；通过绝缘层将器件衬底和支撑衬底键合在一起；实施键合后的退火加固；利用腐蚀自 停止层将器件衬底减薄至目标厚度以在绝缘层表面形成器件层。3作为可选的技术方案，所述器件衬底的材料为单晶硅，其中的腐蚀自停止层采用 氧离子注入的方法形成。作为可选的技术方案，所述减薄器件衬底的步骤进一步包括采用湿法腐蚀的方 法腐蚀器件衬底至腐蚀自停止层；将腐蚀自停止层除去；研磨保留在绝缘层表面的器件层 至目标厚度。作为可选的技术方案，所述绝缘层的材料为氧化硅，所述纳米晶改性离子的 材料选自与硅和锗中的一种或者两种，所述纳米晶改性离子为硅，注入剂量范围是 IXlO14Cnr2 2 X IO16CnT2。作为可选的技术方案，所述注入的纳米晶改性离子的位置与键合后的绝缘层与器 件衬底之间界面之间的距离范围是IOnm 700nm。作为可选的技术方案，所述键合工艺为辅助等离子体处理的亲水键合，键合后加 固工艺依次包括两个阶段第一阶段的温度范围是200°C 800°C，时间范围是0. 5小时至 5小时，第二阶段的加固温度范围是900°C 1300°C，加固时间是10分钟 6小时。作为可选的技术方案，所述键合工艺为直接的亲水键合，键合后加固工艺的温度 范围是800°C 1400°C，加固时间是10分钟 10小时。本专利技术的优点在于，通过对工艺顺序的巧妙调整，在不影响其他工艺的前提下，将 形成纳米晶所采用的离子注入的步骤调整在键合之前实施的，从而不会影响到器件层的晶 格完整性，提高了所制备的SOI材料的晶体质量。附图说明附图1是本专利技术的具体实施方式的实施步骤示意图；附图2至附图7是本专利技术的具体实施方式的工艺示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术提供的一种在绝缘层中嵌入纳米晶的半导体材料制备方 法的具体实施方式做详细说明。附图1所示是本具体实施方式的实施步骤示意图，包括步骤S100，提供器件衬 底和支撑衬底；步骤S101，采用氧离子注入的方法在器件衬底中形成腐蚀自停止层；步骤 S110，选择在器件衬底的表面形成绝缘层；步骤S120，在绝缘层中注入纳米晶改性离子；步 骤S130，通过绝缘层将器件衬底和支撑衬底键合在一起；步骤S140，实施键合后的退火加 固；步骤S150，利用腐蚀自停止层将器件衬底减薄至目标厚度以在绝缘层表面形成器件 层。附图2至附图7是本具体实施方式的工艺示意图。附图2所示，参考步骤S100，提供器件衬底19和支撑衬底10。支撑衬底10的材料可以是包括单晶硅在内的任何一种本领域内常见的衬底材 料，本具体实施方式为单晶硅。器件衬底19用于在后续步骤中形成顶层半导体层，又称之为器件层，因此该器件 衬底19的材料应当是单晶硅或者化合物半导体等常用的单晶半导体材料，本具体实施方 式为单晶硅。附图3所示，参考步骤S101，采用氧离子注入的方法在器件衬底19中形成腐蚀自 停止层18。注入离子可以是氧离子，也可以采用氮氧共注，注入可以是单次注入也可以是多 次注入，多次注入时注入能量可以与第一次注入时能量相同，也可以不同。注入剂量的范围 是IXlO14Cnr2 2 X IO18CnT2，注入能量为20KeV 500KeV。这里以多次注入为例，第一次 注入能量为190KeV，注入剂量为4\1017側-2，注入温度为5001;第二次注入能量为180KeV， 注入剂量为2X IO15CnT2。注入温度为室温注入。本实施方式以单晶硅中注入氧离子为例，叙述了在器件衬底19中形成腐蚀自停 止层18的方法。在其他的实施方式中，如果选择用离子注入的方法形成腐蚀停止层，还可 以根据欲采用的腐蚀工艺选择不同的注入离子，例如在单晶硅中注入硼离子形成浓硼自停 止层，也是一种可选的技术方案。在其他的实施方式中，如果选择采用外延的方法生长腐蚀自停止层，也可以将上 述步骤SlOO和步骤SlOl合并实施，即采用外延工艺依次形成自停止层，以及自停止层表面 的最终产品的器件层，例如在单晶硅衬底表面首先外延一层浓硼的单晶硅作为自停止层， 再外延一层低掺杂或者本征的单晶硅层作为最终产品的器件层。上述两步外延实施完毕后 方才获得用于键合的器件衬底，也就相当于将上述步骤SlOO和步骤SlOl合并实施了。总之上述步骤SlOO和步骤SlOl实施的目的在于获得一个具有腐蚀自停止层18 的器件衬底19。附图4所示，参考步骤S110，选择在器件衬底19的表面形成绝缘层17。本实施方式采用的是在单晶硅衬底中注入氧离子形成腐蚀自停止层18，因此可以 本步骤可以选择将器件衬底19在高温下退火，退火温度为1000°C 1400°C，退火气氛为氧 氩混合气氛。退火后的器件衬底，表面覆盖了一层热氧化的二氧化硅层，可以作为绝缘层 17。采用热氧化的优点还在于高温下的退火还可以促进注入的氧离子在单晶本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在绝缘层中嵌入纳米晶的半导体材料制备方法，其特征在于，包括如下步骤：提供器件衬底和支撑衬底，所述器件衬底中具有腐蚀自停止层；选择在器件衬底和支撑衬底的一个或者两个的表面形成绝缘层；在绝缘层中注入纳米晶改性离子；通过绝缘层将器件衬底和支撑衬底键合在一起；实施键合后的退火加固；利用腐蚀自停止层将器件衬底减薄至目标厚度以在绝缘层表面形成器件层。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：魏星，王湘，张苗，王曦，林成鲁，
申请(专利权)人：上海新傲科技股份有限公司，中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]