[發明專利]一種基于SiN埋絕緣層的晶圓級單軸應變SOI的制作方法

無效

• 申請號: 201110361527.3
• 申請日: 2011-11-16
• 公開（公告）號: CN102403260A
• 公開（公告）日: 2012-04-04
• 發明（設計）人: 郝躍;查冬;戴顯英;楚亞萍;孫騰達;楊程;張鶴鳴
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H01L21/762
• 分類號: H01L21/762;H01L21/18
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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?Insulater，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，M.Reiche，M.Petzold，U.Go¨?sele，S.H.Christiansen，Uniaxially?strained?silicon?by?wafer?bonding?and?layer?transfer，Solid-State?Electronics，51(2007)226-230；[2]C.Himcinschi，M.Reiche，R.Scholz，S.H.Christiansen，and?U.Compressive?uniaxially?strained?silicon?on?insulator?by?prestrained?wafer?bonding?and?layer?transferAPPLIED，PHYSICS?LETTERS?90，231909(2007)。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℃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℃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℃，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