專利名稱：一種采用相變方法實現絕緣體上應變硅的制作方法
技術領域：
本發明涉及應變硅的制作技術，特別是利用不可逆相變的方法實現絕緣體上應變硅的制作。
背景技術：
應變硅具有高的載流子遷移率已經得到證實。如將應變硅技術引入絕緣體上的硅(Silicon on insulator，SOI)中的頂層硅能使本已優越的SOI互補金屬氧化物半導體(CMOS)電路獲得更加優越的性能。因此，制備帶有絕緣埋層的應變硅能夠結合SOI與應變硅的優勢于一體，成為將來理想的硅基微電子材料，由此也成為目前國際上的一個熱門研究課題。目前雖有人用氧注入隔離(separation-by-implanted-oxygen，SIMOX)技術制備了在帶有絕緣層的鍺硅層上的應變硅(strained-silicon-on-SiGe-on-insulator，SGOI)，但由于埋層氧化物形成需要高的退火溫度，導致鍺(Ge)的擴散，使作為應變模版的鍺硅(SiGe)層的作用大大降低。利用類似SOI制備技術中的智能切割(Smart-Cut)亦即層轉移技術制備了SGOI材料，但由于應變硅層下的鍺硅層存在，迫使對CMOS工藝做出相應的改變，以盡可能排除鍺硅層帶來的不利影響。因此制備應變硅直接在絕緣體上的研究成為理想硅基微電子材料的重要研究目標。為此，通常人們采用帶氧化硅與在鍺硅上外延應變硅層直接鍵合，再用選擇腐蝕的方法去除鍺硅層或類似智能切割技術實現外延應變硅層轉移，最終實現絕緣體上應變硅(SSOI/SSDOI)材料的制備。有文獻報道利用梯度變化的鍺硅外延到實現超薄應變硅的生長，然后通過鍵合和選擇腐蝕的方式實現SSDOI/SSOI的制作。最近國內研究者報道采用在SOI襯底上進行鍺硅外延后注入氮到初始的SOI薄層硅中，退火并選擇腐蝕去除外延的鍺硅層后，實現了硅的0.72％應變量，但其腐蝕后的表面明顯粗糙。又有文獻報道利用硼化的磷玻璃(BPSG)作為絕緣層代替氧化硅，通過改變硼化的磷玻璃中的成份比例可以實現粘度的調節。其制作過程如圖1所示。首先在襯底1上沉積硼化的磷玻璃，襯底2上外延鍺硅后再生長硅并注入氫(H+)(圖1a)，然后將襯底1與襯底2鍵合(圖1b)，通過層轉移和腐蝕技術留下鍺硅層和硅層，對其圖形化成方形的島(圖1c)，然后高溫退火使上層的層的膨脹帶動下層的硅共格側向膨脹(圖1d)，由于硼化的磷玻璃的順性存在，應變硅不會發生翹曲。最后利用選擇腐蝕去除頂層鍺硅層留下應變硅(圖1e)。但由于該制作工藝使用的絕緣層是硼化的磷玻璃，雖然5nm厚的Si3N4沉積在硼化的磷玻璃和硅層之間以阻止硼(B)、磷(P)在CMOS高溫工藝中的擴散，但畢竟增加了工藝難度并有潛在的風險。
至今為止，所有涉及雙軸拉伸應變硅的制作報道幾乎都采用了Si鍺硅生長和化學機械拋光(CMP)技術，這兩種工藝的使用都有較高的成本。美國因特爾(Intel)公司還報道在器件制作工藝中利用沉積的氮化硅的張應力實現硅的單軸拉伸應變，從而提高N型場效應管(FET)電子遷移率的性能，在源/漏區域用選擇外延鍺硅的方法實現單軸壓縮應力以提高P型場效應管空穴遷移率的性能。
發明內容
本發明的目的是為了克服當前制備技術成本高的缺陷，提供一種低成本的且與硅基半導體工藝完全兼容的絕緣體上應變硅的制作方法。
為了實現本發明的目的，本發明的技術方案是一種采用相變方法實現絕緣體上應變硅的制作方法，特點是，它包括以下步驟1.在頂層硅厚度為10-20納米(nm)，埋層氧化物的厚度3000～4000埃()的超薄SOI硅片的頂層硅上用低壓化學氣相沉積(LPCVD)生長一層厚度為40～80納米的致密光滑的非晶硅(α-Si)；2.再將另一襯底硅片熱氧化生長一層200納米的氧化硅；3.用步驟1所得沉積有非晶硅的超薄SOI硅片與用步驟2所得熱生長氧化硅的硅片在400℃下低溫鍵合；4.將鍵合后的硅片再減薄至SOI硅片的埋層氧化硅終止；5.再將腐蝕后的鍵合硅片對在600℃以上的高溫下保溫，使非晶硅相變為微晶硅；6.再升高溫度至800℃～1150℃保溫，使在低溫下鍵合沒有完成的鍵合反應繼續，此時放出的反應產物水與部分相變得到的微晶硅反應生成氧化硅，微晶硅完全氧化后成為制作的SSOI材料的氧化物埋層一部分；7.經冷卻后將上層氧化物腐蝕去除，完成了絕緣體上應變硅的制作。
本方法的機理是由于非晶硅的密度能達到2.3～2.6g/cm3，而晶態硅的密度是2.3g/cm3，雖然在570℃以下用低壓化學氣相沉積(LPCVD)生長鏡面光滑(粗糙度小于1nm)的非晶硅所產生的應力是壓應力，但在600℃退火后可將壓應力轉變為張應力，顯然是由于在600℃發生了非晶硅到微晶硅的不可逆相變，溫度進一步升高在850℃以上時張應力降低，薄膜的應力是可以通過退火等工藝參數調節。同時，由于鍵合反應的主要產物是水，通過標準清洗或硝酸清洗預處理的鍵合所得到的鍵合反應產物的水有限，但利用氧等離子體鍵合技術，可以根據需要而適當增加鍵合反應產物水，使短時間內部分完成低溫鍵合(此時僅牢固鍵合而鍵合反應不完全)，但在后續的高溫工藝中鍵合反應繼續，此時持續緩慢放出過剩的鍵合反應產物水與在600℃僅需30分鐘轉變為張應力的微晶硅發生反應，形成氧化硅，完成微晶硅的完全內氧化。所以，致密的非晶硅相變為微晶硅后體積發生不可逆的膨脹，帶動其上層硅產生張應變，因此，本方法是可行的。
本發明的有益效果是本方法通過致密光滑的非晶硅沉積技術、低溫鍵合技術、非晶硅到微晶硅的不可逆相變控制以及微晶硅的內氧化技術的巧妙組合，避免了現有SSOI材料制備中昂貴的鍺硅外延和化學機械拋光工藝，而且完全不需要像SGOI材料制作后要求后續的CMOS工藝修改等考慮，實現一種全新的SSOI材料的制作，同時達到降低SSOI的制作成本目標。
下面結合附圖對本發明作進一步說明。
圖1現有絕緣體上應變硅的制作方法之一；圖2是起始超薄SOI硅片的材料剖視圖；圖3是在超薄SOI材料上生長一薄層致密光滑非晶硅(α-Si)(或輔以硅離子注入以增加非晶硅的密度)后的示意圖；圖4是另一硅片氧化后的示意圖；圖5是圖3與圖4所示硅片低溫鍵合并減薄后的示意圖；圖6是圖5所示減薄鍵合硅片對在經歷600℃的非晶硅到微晶硅相變后，再經歷800℃～1150℃的內氧化，并去除起始超薄SOI材料的氧化物后的SSOI材料示意圖；圖7是圖例。
具體實施例方式
本發明的絕緣體上應變硅(SSOI)材料的制備工藝過程舉例如下1.所用超薄SOI硅片如圖2所示，頂層硅的厚度在15納米厚，埋層氧化物的厚度在3500，在頂層硅上用低壓化學氣相沉積生長一層厚度在40納米的致密光滑的非晶硅(α-Si)，如圖3所示；2.再將另一襯底硅片熱氧化生長一層200納米的氧化硅，如圖4所示；3.用步驟1所得到的硅片與步驟2所得硅片低溫400℃鍵合(SiO2/α-Si)；4.將鍵合后的硅片再減薄腐蝕至SOI硅片的埋層氧化物終止，如圖5所示，減薄腐蝕用機械和化學腐蝕；5.將步驟3所得的鍵合硅片在600℃保溫30分鐘使非晶硅相變為微晶硅；6.將按第4、第5步驟經減薄腐蝕后的鍵合硅片在1000℃保溫，使低溫鍵合未完全反應的鍵合反應繼續反應，同時釋放出鍵合反應產物水，由于水與相變得到的微晶硅反應生成氧化硅(SiO2)，使微晶硅完全氧化后成為所制備SSOI材料的氧化物埋層一部分；7.冷卻后將上層氧化物腐蝕去除，便完成了絕緣體上應變硅的制作，如圖6所示。
本方法的第一步也可以用硅離子注入的方法增加非晶硅的密度方法。
以上所述內容僅為本發明構思下的基本說明，而依據本發明的技術方案所作的任何等效變換，均應屬于本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種采用相變方法實現絕緣體上應變硅的制作方法，其特征在于，它包括以下步驟1)在頂層硅厚度為10-20納米，埋層氧化物的厚度3000～4000的超薄SOI硅片的頂層硅上用低壓化學氣相沉積生長一層厚度為90-110納米的致密光滑的非晶硅(α-Si)；2)再將另一硅片熱氧化生長一層190-210納米的氧化硅；3)用步驟1所得沉積有非晶硅的超薄SOI硅片與用步驟2所得熱生長氧化硅的硅片在400℃下低溫鍵合；4)將鍵合后的硅片再用機械和化學腐蝕減薄至SOI硅片的埋層氧化硅終止；5)再將腐蝕后的鍵合硅片在600℃以上的高溫下保溫，使非晶硅相變為微晶硅；6)再升高溫度至800℃～1150℃保溫，使在低溫下鍵合沒有完成的鍵合反應繼續，此時放出的反應產物水與步驟相變得到的微晶硅反應生成氧化硅，使微晶硅完全氧化后成為制作的SSOI材料的氧化物埋層一部分；7)經冷卻后將上層氧化物腐蝕去除，完成了絕緣體上應變硅的制作。
全文摘要
本發明公開了一種采用相變方法實現絕緣體上應變硅的制作方法，它通過致密光滑的非晶硅沉積技術、低溫鍵合技術、非晶硅到微晶硅的不可逆相變控制以及微晶硅的內氧化技術的巧妙組合，避免了現有SSOI材料制備中昂貴的鍺硅外延和化學機械拋光工藝，而且完全不需要像SGOI材料制作后要求后續的CMOS工藝修改等考慮，實現一種全新的SSOI材料的制作，同時達到降低SSOI的制作成本目標。
文檔編號H01L21/20GK1851900SQ20061002528
公開日2006年10月25日 申請日期2006年3月30日 優先權日2006年3月30日
發明者張軒雄, 茹國平 申請人:上海理工大學