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SOI晶圓的電子遷移率，克服傳統雙軸應變SOI的高場遷移率退化。與現有單軸應變SOI技術相比，本發明具有應變度高、工藝簡單、成品率高、成本低等優點。
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的特點與技術優勢，并且與傳統的Si工藝完全兼容，是高速、低功耗集成電路的優選工藝，已成為21世紀延續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，且又在彎曲狀態下進行高溫剝離，硅晶圓片很容易破碎。
發明內容
本發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，發生塑性形變；根據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層將沿彎曲方向發生單軸拉伸形變，其晶格常數將變大，即發生所謂的單軸張應變。同時，在SOI晶圓內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晶圓會發生回彈，即由彎曲狀態回復到原態，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，晶格常數變小，最終可得到單軸壓應變SOI晶圓。相對于現有單軸應變SOI技術，本發明具有以下優點1.電學性能高與傳統基于SiGe虛襯底的雙軸應變SOI晶圓相比，本發明制作的應變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.應變效果好與現有相似的技術相比，同樣彎曲度下，本發明的應變量高，因而可獲得更高的電子遷移率和空穴遷移率。4.表面缺陷少與傳統基于SiGe虛襯底的雙軸壓應變SOI晶圓片相比，本發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.成品率高現有技術采用兩片Si晶圓進行鍵合彎曲退火，并在彎曲狀態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有單軸應變SOI技術的200°C到300°C退火溫度范圍， 本發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有相似的技術相比，本發明沒有熱氧化、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為現有單軸張應變SOI原理與工藝步驟；
圖2為現有單軸壓應變SOI原理與工藝步驟；圖3為本發明單軸張應變SOI晶圓制作原理及工藝步驟；圖4為本發明單軸壓應變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。對于本發明所制作的基于SiN埋絕緣層的單軸應變SOI晶圓而言，根據其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。對于本發明所制作的基于SiN埋絕緣層的單軸應變SOI晶圓而言，根據其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。為了使本發明的敘述更清晰，以下將對諸多細節作出具體說明。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生塑性形變，但SOI晶圓中的Si襯底在退火中只能發生彈性形變。因此，根據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。本發明的詳細說明和描述均基于優選試驗方案，但本領域的技術人員會理解，上述和其他形式和細節的變化并不會偏離本發明的本質和范圍。對于本領域的專業人員來說，在了解了本發明內容和原理后，能夠在不背離本發明的原理和范圍的情況下，根據本發明的方法進行形式和細節上的各種修正和改變，但是這些基于本發明的修正和改變仍在本發明的權利要求保護范圍之內。應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據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。本發明具有如下優點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 優先權日2011年11月16日
發明者孫騰達, 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