專利名稱：一種基于SiN埋絕緣層的晶圓級單軸應變SOI的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于微電子技術領域，涉及半導體襯底材料制作工藝技術，具體的說是一種基于SiN(氮化硅)埋絕緣層的單軸應變SOI (Silicon On hsulater，絕緣層上硅)晶圓的制作方法，可用于制作超高速、低功耗、抗輻照半導體器件與集成電路所需的SOI晶圓， 能顯著提高傳統(tǒng)SOI晶圓的電子遷移率，克服傳統(tǒng)雙軸應變SOI的高場遷移率退化。與現(xiàn)有單軸應變SOI技術相比，本發(fā)明具有應變度高、工藝簡單、成品率高、成本低等優(yōu)點。
背景技術：
與體Si技術相比，SOI技術具有速度高、功耗低、集成密度高、寄生電容小、抗輻照能力強、工藝簡單等優(yōu)勢，在高速、低功耗、抗輻照等器件與電路領域被廣泛應用。隨著器件特征尺寸進入亞微米及深亞微米，Si載流子的遷移率限制了器件與電路的速度，無法滿足高速高頻和低壓低功耗的需求。而應變Si的電子和空穴遷移率，理論上將分別是體Si的2倍和5倍，可大大提升器件與電路的頻率與速度。目前，應變Si技術被廣泛應用于65納米及以下的Si集成電路工藝中。而結合了應變Si與SOI的應變SOI技術很好地兼顧了應變Si和SOI的特點與技術優(yōu)勢，并且與傳統(tǒng)的Si工藝完全兼容，是高速、低功耗集成電路的優(yōu)選工藝，已成為21世紀延續(xù)摩爾定律的關鍵技術。SOI晶圓的埋絕緣層通常是SiO2 (二氧化硅)，其熱導率僅為硅的百分之一，阻礙了 SOI在高溫、大功率方面的應用；其介電常數(shù)僅為3. 9，易導致信號傳輸丟失，也阻礙了 SOI材料在高密度、高功率集成電路中的應用。用SiN取代SiO2，其SOI具有更好的絕緣性和散熱性，已廣泛應用在高溫、大功耗、高功率集成電路中。傳統(tǒng)的應變SOI是基于SGOI (絕緣層上鍺硅)晶圓的雙軸應變，即先在SOI晶圓上外延生長一厚弛豫SiGe層作為虛襯底，再在弛豫SiGe層上外延生長所需的應變Si層。 傳統(tǒng)應變SOI的主要缺點是粗糙度高、厚SiGe虛襯底增加了熱開銷和制作成本、SiGe虛襯底嚴重影響了器件與電路的散熱、雙軸應變Si的遷移率提升在高電場下退化等。為了克服傳統(tǒng)應變SOI的缺點，C. Himcinschi于2007年提出了單軸應變 SOI 晶圓的制作技術，參見[1]C. Himcinschi.，I. Radu, F. Muster, R. SiNgh, Μ. Reiche， Μ. Petzold, U.Go “ sele, S. H. Christiansen, Uniaxially strained silicon by wafer bonding and layer transfer, Sol id-State Electronics,51 (2007) 226-230 ; [2] C. Himcinschi, M. Reiche, R. Scholz, S. H. Christiansen, and U. Gosele , Compressive uniaxially strained silicon on insulator by prestrained wafer bonding and layer transferAPPLIED, PHYSICS LETTERS 90，231909 Q007)。該技術的工藝原理與步驟如圖 1 和圖2所示，其單軸張應變SOI的制作工藝步驟描述如下1、先將4英寸Si片1熱氧化，再將該氧化片注入H+(氫離子)。2、將注H+的氧化片1放在弧形彎曲臺上，通過外壓桿將其彎曲，與弧形臺面緊密貼合；隨后將3英寸Si片2沿相同彎曲方向放置在彎曲的注H+氧化片1上，通過內(nèi)壓桿將其彎曲，與氧化片1緊密貼合；3、將彎曲臺放置在退火爐中，在200°C下退火15小時。4、從彎曲臺上取下彎曲的并已鍵合的兩個Si晶圓片，重新放入退火爐中，在 500°C下退火1小時，完成智能剝離，并最終形成單軸應變SOI晶圓。與本發(fā)明相比，該方法有以下幾點主要缺點1)工藝步驟復雜該方法必須經(jīng)歷熱氧化、H+離子注入、剝離退火等必不可少的主要工藝及其相關步驟。2)彎曲溫度受限由于是在智能剝離前進行鍵合與彎曲退火，受注H+剝離溫度的限制，其彎曲退火溫度不能高于300°C，否則將在彎曲退火過程中發(fā)生剝離，使Si片破碎。3)制作周期長額外的熱氧化、 H+離子注入、剝離退火等工藝步驟增加了其制作的時間。4)成品率低該方法是用兩片重疊的硅晶圓片進行機械彎曲與鍵合，且又在彎曲狀態(tài)下進行高溫剝離，硅晶圓片很容易破碎。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術的不足，提出一種基于SiN埋絕緣層的晶圓級單軸應變SOI的制作方法，以降低應變SOI晶圓的制作成本、提高應變SOI器件與集成電路的散熱性能、絕緣性能和集成度，滿足微電子技術領域、特別是超高速、低功耗、抗輻照及大功率器件與集成電路對應變SOI晶圓的需求。采用如下技術方案一種基于SiN埋絕緣層的晶圓級單軸應變SOI晶圓的制作方法，包括以下步驟1) SOI晶圓頂層Si層面向上或向下放置在弧形彎曲臺上；幻兩根圓柱形壓桿分別水平放置在 SOI晶圓兩端，距SOI邊緣Icm ；3)緩慢旋動連接壓桿的螺帽，使SOI晶圓沿弧形臺面逐漸彎曲，直至SOI晶圓完全與弧形臺面貼合；4)載有SOI晶圓的弧形彎曲臺放置在退火爐中進行退火，退火溫度在250°C至1250°C范圍內(nèi)可任意選擇。例如，可在250°C下退火10小時，也可在800°C下退火3小時力)退火結束后緩慢降溫至室溫，取出載有SOI片的弧形彎曲臺；6)旋動連接壓桿的螺帽，將壓桿緩慢提升，直至彎曲的SOI晶圓回復原狀。載有SOI 晶圓的彎曲臺在退火爐中進行退火的溫度最低為250°C，以保證SOI晶圓中的SiN埋絕緣層在此過程中的形變能夠超過其屈服強度，發(fā)生塑性形變；根據(jù)SiGe層中Ge組分的不同， 最高退火溫度上限為1250°C，接近Si的熔點；最高退火溫度下限為900°C，接近Ge的熔點。 但最高退火溫度不得高于機械彎曲臺的形變溫度所述的的制作方法，所述的弧形彎曲臺的曲率半徑可從1. 2m到0. 4m連續(xù)變化，其對應制作不同應變量的單軸應變SOI晶圓。所述的的制作方法，所述步驟4)的退火工藝為在250°C下退火10小時；或者在 800°C下退火3小時；或者在1250°C下退火2小時。所述的的制作方法，所述SOI晶圓為3英寸、4英寸、5英寸、6英寸、8英寸、12英寸、16英寸的SOI晶圓。本發(fā)明的技術原理成品的SOI晶圓頂層Si層面向上放置在圓弧形臺面上進行機械彎曲，然后熱退火。根據(jù)材料彈塑性力學原理，受長時間彎曲形變熱處理的作用，處于SOI晶圓中性面上部的SiN層和頂層Si層將沿彎曲方向發(fā)生單軸拉伸形變，其晶格常數(shù)將變大，即發(fā)生所謂的單軸張應變。同時，在SOI晶圓內(nèi)部儲存了一定的彈性勢能。當退火結束去除機械外力后， 在此彈性勢能作用下，SOI晶圓會發(fā)生回彈，即由彎曲狀態(tài)回復到原態(tài)，如圖3所示。
但復原的SOI晶圓中頂層Si層卻保留了一定量的張應變。這是因為在彎曲熱退火處理時，設定了合適的退火溫度與時間，保證所施加的機械外力能超過SiN層的屈服強度但小于Si襯底的屈服強度，使SiN層發(fā)生塑性形變，而Si襯底始終是彈性形變。塑性形變的SiN埋絕緣層在SOI晶圓回彈復原時不可能完全回彈，仍保持一定量的張應變。而頂層Si層受塑性形變SiN埋絕緣層的拉持作用，不能完全回彈，最終形成單軸張應變SOI晶圓。同理，若將SOI晶圓頂層Si層面向下放置在圓弧形臺面上進行機械彎曲與熱退火，由于頂層Si層處于SOI晶圓中性面的下部，在彎曲退火時其晶格將被壓縮，晶格常數(shù)變小，最終可得到單軸壓應變SOI晶圓。相對于現(xiàn)有單軸應變SOI技術，本發(fā)明具有以下優(yōu)點1.電學性能高與傳統(tǒng)基于SiGe虛襯底的雙軸應變SOI晶圓相比，本發(fā)明制作的應變SOI晶圓是單軸應變，其載流子遷移率性能增強不僅高，且在高電場下不退化。2.熱性能良好本發(fā)明基于SiN埋絕緣層的單軸應變SOI晶圓無厚厚的SiGe緩沖層，可大大降低器件與電路的熱開銷，其SiN埋絕緣層的具有良好熱導率，有利于其器件與電路的散熱。3.應變效果好與現(xiàn)有相似的技術相比，同樣彎曲度下，本發(fā)明的應變量高，因而可獲得更高的電子遷移率和空穴遷移率。4.表面缺陷少與傳統(tǒng)基于SiGe虛襯底的雙軸壓應變SOI晶圓片相比，本發(fā)明無需異質外延生長SiGe虛擬襯底，沒有異質外延生長所形成的失配位錯。5.成品率高現(xiàn)有技術采用兩片Si晶圓進行鍵合彎曲退火，并在彎曲狀態(tài)下通過高溫剝離來獲取單軸應變S0I，因而Si片非常容易破碎。而本發(fā)明僅用一片成品的SOI晶圓進行彎曲退火來獲得單軸應變SOI，不易破碎，因而成品率高。6.退火溫度范圍大相對現(xiàn)有單軸應變SOI技術的200°C到300°C退火溫度范圍， 本發(fā)明的退火溫度從最低的250°C到最高的1250°C，可任意選擇。7.制作工藝及設備簡單與現(xiàn)有相似的技術相比，本發(fā)明沒有熱氧化、離子注入、 高溫剝離等額外的工藝，僅有機械彎曲與熱退火兩道工藝過程，且只需彎曲臺和退火爐兩臺設備，而且彎曲臺可自制。
圖1為現(xiàn)有單軸張應變SOI原理與工藝步驟；
圖2為現(xiàn)有單軸壓應變SOI原理與工藝步驟；圖3為本發(fā)明單軸張應變SOI晶圓制作原理及工藝步驟；圖4為本發(fā)明單軸壓應變SOI晶圓制作原理及工藝步驟；I-Si襯底，2-SiN埋絕緣層，3-頂層Si層。
具體實施例方式以下結合具體實施例，對本發(fā)明進行詳細說明。實施例1 :4英寸單軸應變SOI晶圓的制備USOI晶圓片選擇4英寸(100)或(110)晶圓片((100)或(110)指的是SOI晶圓晶體表面的某個晶面)，Si襯底厚0. 4mm, SiN埋絕緣層厚500nm，頂層Si厚500nm。SOI晶圓直徑選擇S0I晶圓的直徑越大，其彎曲的最小彎曲半徑就越小，得到的單軸應變SOI晶圓的應變量也就越大，最終單軸應變SOI晶圓的電子遷移率和空穴遷移率的增強也就越高。對于本發(fā)明所制作的基于SiN埋絕緣層的單軸應變SOI晶圓而言，根據(jù)其SOI器件與電路的不同工藝，可選擇從3英寸到16英寸的不同直徑SOI晶圓片。SOI晶圓晶面與晶向選擇對于本發(fā)明所制作的張應變SOI晶圓而言，應選擇 (100)晶面，彎曲方向應選擇<110>晶向(<110>指的是晶圓片表面的某個晶向，通常也是器件的溝道方向)，可獲得最大的電子遷移率提升。對于本發(fā)明所制作的壓應變SOI晶圓而言，應選擇(110)晶面，彎曲方向應選擇<100>晶向，可獲得最大的空穴遷移率提升。SOI晶圓Si襯底厚度選擇Si襯底的厚度越薄，其SOI晶圓的最小彎曲半徑就小， 得到的單軸張應變SOI晶圓的應變量也就越大。對于本發(fā)明所制作的基于SiN埋絕緣層的單軸應變SOI晶圓而言，根據(jù)其SOI器件與電路的不同結構及其工藝，可選擇不同Si襯底厚度的SOI晶圓。SOI晶圓頂層Si層厚度選擇根據(jù)其SOI器件與電路的不同結構，可選擇不同頂層Si層厚度的SOI晶圓片。本發(fā)明所制作的基于SiN埋絕緣層的應變SOI晶圓主要應用于高壓SOI器件，因此頂層Si厚度不低于400nm。SOI晶圓片SiN埋絕緣層厚度選擇根據(jù)SOI器件與電路的不同結構，可選擇不同 SiN絕緣層厚度的SOI晶圓片。本發(fā)明所制作的基于SiN埋絕緣層的張應變SOI晶圓主要應用于高壓器件，因此SiN埋絕緣層厚度不低于800nm。彎曲臺材料選擇彎曲臺材料主要是根據(jù)退火溫度來選擇，要保證彎曲臺在最高退火溫度下不變形。對于本發(fā)明所采用的基于SiN埋絕緣層的SOI晶圓而言，其最高退火溫度為1250°C，因此彎曲臺材料應采用耐高溫的金屬鉬。2、彎曲曲率半徑選擇根據(jù)選擇的SOI晶圓片，選擇彎曲臺曲率半徑為lm。彎曲臺的曲率半徑是根據(jù)SOI晶圓片的直徑和厚度來選擇。相同SOI晶圓片尺寸下，薄SOI晶圓片的最小彎曲半徑比厚SOI晶圓片的要小。相同厚度下，大尺寸SOI晶圓的最小彎曲半徑比小尺寸SOI晶圓片的要小。對于本發(fā)明所制作的基于SiN埋絕緣層的張應變SOI晶圓而言，其3英寸SOI晶圓的彎曲半徑范圍為0. 7m-l. 2m，其4英寸SOI晶圓的彎曲半徑范圍為0. 6m-1. 2m，其6英寸SOI晶圓的彎曲半徑范圍為0. 5m-1. &ι，，其8英寸SOI晶圓彎曲半徑范圍為0. 4m-1. 2m，，其12英寸SOI晶圓彎曲半徑范圍為0. 3m-1. 2m。3、SOI晶圓片彎曲工藝步驟1)將SOI晶圓片頂層Si層面向上(或向下，向上為張應變，如圖3，向下為壓應變， 如圖4，下同)放置在弧形彎曲臺上，其彎曲方向與<110>或<100>方向平行；2)彎曲臺上的兩根圓柱形水平壓桿分別水平放置在SOI晶圓片兩端，距離其邊緣 1厘米；3)旋動彎曲臺上其中一個壓桿的頂桿螺帽，使SOI晶圓片一端先固定；4)再緩慢旋動另一個壓桿的頂桿螺帽，使SOI晶圓片沿弧形彎曲臺臺面逐漸彎曲，直至SOI晶圓片完全與弧形彎曲臺臺面完全貼合。4、退火工藝步驟1)退火溫度250°C ；
2)升溫速率5°C /分鐘；3)退火時間10小時；4)降溫速率5°C /分鐘；5、卸架待爐溫降至室溫，取出彎曲臺。同時緩慢旋動彎曲臺兩端兩個壓桿的頂桿螺帽，使水平壓桿同時緩慢提升，直至壓桿完全脫離SOI晶圓片。通過上述工藝步驟，可得到基于SiN埋絕緣層的4英寸單軸應變SOI晶圓片。實施例2 6英寸單軸應變SOI晶圓的制備1、SOI晶圓片選擇6英寸(100)或(110)晶面，Si襯底厚0. 55mm, SiN埋絕緣層厚300nm，頂層Si層厚50nm。2、彎曲曲率半徑選擇根據(jù)選擇的SOI晶圓片，選擇彎曲臺曲率半徑為0. 75m。3、SOI晶圓片彎曲工藝步驟1)將SOI晶圓片頂層Si面向上(或向下)放置在清潔的彎曲臺上，其<110>或 <100>方向與彎曲方向平行，如圖3或圖4所示；2)彎曲臺上的兩根圓柱形水平壓桿分別水平放置在SOI晶圓片兩端，距離其邊緣 1厘米；3)旋動彎曲臺上其中一個壓桿的頂桿螺帽，使SOI晶圓片一端先固定；4)再緩慢旋動另一個壓桿的頂桿螺帽，使SOI晶圓片沿弧形彎曲臺臺面逐漸彎曲，直至SOI晶圓片完全與弧形彎曲臺臺面完全貼合。4、退火工藝步驟1)退火溫度800°C ；2)升溫速率4°C /分鐘；3)退火時間3小時；4)降溫速率4°C /分鐘；5、卸架待爐溫降至室溫，取出彎曲臺。同時緩慢旋動彎曲臺兩端兩個壓桿的頂桿螺帽，使水平壓桿同時緩慢提升，直至壓桿完全脫離SOI晶圓片。通過上述工藝步驟，可得到基于SiN埋絕緣層的6英寸單軸應變SOI晶圓片。實施例3 8英寸單軸應變SOI晶圓的制備1、SOI晶圓片選擇8英寸(100)或(110)晶面，Si襯底厚0. 68mm, SiN埋絕緣層厚 lOOOnm，頂層 Si 層厚 IOOOnm02、彎曲曲率半徑選擇根據(jù)選擇的SOI晶圓片，選擇彎曲臺曲率半徑為0. 5m。3、SOI晶圓片彎曲工藝步驟1)將SOI晶圓片頂層Si層面向上(或向下)放置在弧形彎曲臺上，其彎曲方向與 <110>或<100>方向平行，如圖3或圖4所示；2)彎曲臺上的兩根圓柱形水平壓桿分別水平放置在SOI晶圓片兩端，距離其邊緣 1厘米；3)旋動彎曲臺上其中一個壓桿的頂桿螺帽，使SOI晶圓片一端先固定；4)再緩慢旋動另一個壓桿的頂桿螺帽，使SOI晶圓片沿弧形彎曲臺臺面逐漸彎曲，直至SOI晶圓片完全與弧形彎曲臺臺面完全貼合。4、退火工藝步驟
1)退火溫度1250°C ；2)升溫速率3°C /分鐘；3)退火時間2小時；4)降溫速率3°C /分鐘；5、卸架待爐溫降至室溫，取出彎曲臺。同時緩慢旋動彎曲臺兩端兩個壓桿的頂桿螺帽，使水平壓桿同時緩慢提升，直至壓桿完全脫離SOI晶圓片。通過上述工藝步驟，可得到基于SiN埋絕緣層的8英寸單軸應變SOI晶圓片。為了使本發(fā)明的敘述更清晰，以下將對諸多細節(jié)作出具體說明。例如具體結構、成分、材料、尺寸、工藝過程和技術。本發(fā)明所用弧形彎曲臺采用金屬鉬材料，這是為了保證彎曲臺在最高退火溫度下不變形。除此之外，本發(fā)明所用彎曲臺也可采用其他易于機械加工、光潔度較高和耐高溫的一切材質來制作。本發(fā)明應變SOI晶圓底部半導體襯底1也可以是其他半導體材料，如Ge、GaAs等所有可能的半導體材料。本發(fā)明應變SOI晶圓頂層半導體材料3不限于Si半導體材料，也可是SiGe、Ge、 GaAs等所有適合制作SOI晶圓頂層半導體薄膜的半導體材料。任何工藝方法制作的SOI晶圓片均適于本發(fā)明制作單軸應變SOI晶圓，這些工藝方法包括智能剝離(Smart-cut)、注氧隔離(SIMOX)、鍵合與背腐蝕(BESOI)、層轉移 (ELRANT)、基于SOI晶圓的外延生長等。本發(fā)明彎曲退火溫度和退火時間的選取原則是，保證SOI晶圓結構中SiN薄膜在退火過程中發(fā)生塑性形變，但SOI晶圓中的Si襯底在退火中只能發(fā)生彈性形變。因此，根據(jù)SiN薄膜的材料熱力學特性，其最低退火溫度不得低于300°C。而根據(jù)SOI晶圓片的Si 襯底材料的熱力學特性，其最高退火溫度可達1250°C，接近Si的熔點。但最高退火溫度必須考慮彎曲臺材料的熱力學性能，不能高于其形變溫度。本發(fā)明的詳細說明和描述均基于優(yōu)選試驗方案，但本領域的技術人員會理解，上述和其他形式和細節(jié)的變化并不會偏離本發(fā)明的本質和范圍。對于本領域的專業(yè)人員來說，在了解了本發(fā)明內(nèi)容和原理后，能夠在不背離本發(fā)明的原理和范圍的情況下，根據(jù)本發(fā)明的方法進行形式和細節(jié)上的各種修正和改變，但是這些基于本發(fā)明的修正和改變?nèi)栽诒景l(fā)明的權利要求保護范圍之內(nèi)。應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進或變換， 而所有這些改進和變換都應屬于本發(fā)明所附權利要求的保護范圍。
權利要求
1.一種基于SiN埋絕緣層的晶圓級單軸應變SOI的制作方法，其特征在于，包括以下步驟1)S0I晶圓頂層Si層面向上或向下放置在弧形彎曲臺上；幻兩根圓柱形不銹鋼壓桿分別水平放置在SOI晶圓兩端，距SOI晶圓邊緣Icm ；3)緩慢旋動連接壓桿的螺帽，使SOI晶圓沿弧形臺面逐漸彎曲，直至SOI晶圓完全與弧形臺面貼合；4)載有SOI晶圓的弧形彎曲臺放置在退火爐中進行退火，退火溫度在250°C至1250°C范圍內(nèi)可任意選擇力)退火結束后緩慢降溫至室溫，取出載有SOI晶圓的弧形彎曲臺；6)旋動連接壓桿的螺帽，將壓桿緩慢提升，直至彎曲的SOI晶圓回復原狀。
2.根據(jù)權利要求1所述的的制作方法，其特征在于，所述的彎曲臺的曲率半徑可從 1. 2m到0. ^!連續(xù)變化，其對應制作不同應變量的單軸應變SOI晶圓；彎曲臺材料采用金屬鉬材料。
3.根據(jù)權利要求1所述的的制作方法，其特征在于，所述步驟4)的退火工藝為在 250°C下退火10小時；或者在800°C下退火3小時；或者在1250°C下退火2小時。
4.根據(jù)權利要求1所述的的制作方法，其特征在于，所述SOI晶圓為3英寸、4英寸、5 英寸、6英寸、8英寸、12英寸、16英寸的SOI晶圓。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于SiN埋絕緣層的晶圓級單軸應變SOI的制作方法，包括以下步驟1)SOI晶圓頂層Si層面向上或向下放置在弧形彎曲臺上；2)兩根圓柱形不銹鋼壓桿分別水平放置在SOI晶圓兩端，距SOI晶圓邊緣1cm；3)緩慢旋動連接壓桿的螺帽，使SOI晶圓沿弧形臺面逐漸彎曲，直至SOI晶圓完全與弧形臺面貼合；4)載有SOI晶圓的弧形彎曲臺放置在退火爐中進行退火；5)退火結束后緩慢降溫至室溫，取出載有SOI晶圓片的弧形彎曲臺；6)旋動連接壓桿的螺帽，將壓桿緩慢提升，直至彎曲的SOI晶圓回復原狀。本發(fā)明具有如下優(yōu)點1)電學性能高；2)熱性能良好；3)應變量高；4)表面缺陷少；5)成品率高；6)退火溫度范圍大；7)制作工藝及設備簡單。
文檔編號H01L21/18GK102403260SQ20111036152
公開日2012年4月4日 申請日期2011年11月16日 優(yōu)先權日2011年11月16日
發(fā)明者孫騰達, 張鶴鳴, 戴顯英, 楊程, 查冬, 楚亞萍, 郝躍 申請人:西安電子科技大學