CN102437019B - 基于机械弯曲台的SiN埋绝缘层上单轴应变SGOI晶圆的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机械弯曲台的SiN埋绝缘层上单轴应变SGOI晶圆的制作方法，包括以下步骤：1)SGOI晶圆顶层SiGe层面向上或向下放置在弧形弯曲台上；2)两根圆柱形不锈钢压杆分别水平放置在SGOI晶圆两端，距SGOI晶圆边缘1cm；3)缓慢旋动连接压杆的螺帽，使SGOI晶圆沿弧形台面逐渐弯曲，直至SGOI晶圆完全与弧形台面贴合；4)载有SGOI晶圆的弧形弯曲台放置在退火炉中进行退火；5)退火结束后缓慢降温至室温，取出载有SGOI晶圆片的弧形弯曲台；6)旋动连接压杆的螺帽，将压杆缓慢提升，直至弯曲的SGOI晶圆回复原状。本发明具有如下优点：1)热性能优良；2)应变效果高；3)表面粗糙度小；4)退火温度范围大；5)制作设备少且可自制；6)制作工艺简单。

Description

基于机械弯曲台的SiN埋绝缘层上单轴应变SGOI晶圆的制作方法

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及半导体材料制作工艺技术。具体的说是一种基于SiN(氮化铝)埋绝缘层的单轴应变SGOI(Silicon Germanium On Insulater，绝缘层上锗硅)晶圆制作的新方法，可用于制作超高速、低功耗、抗辐照半导体器件与集成电路所需的SGOI晶圆，能显著增强SGOI晶圆的电子迁移率与空穴迁移率，提高SGOI器件与电路的电学性能。

背景技术

应变SiGe(锗硅)以其器件与电路的工作频率高、功耗小、比GaAs价廉、与Si CMOS工艺兼容、成本低等诸多优点，在微波器件、移动通信、高频电路等产业领域有着广泛的应用前景和竞争优势。SiGe还是极优异的光电材料，在探测器、调制器、光波导、光发射器、太阳电池、光电集成等方面有着广泛的应用。

与体Si相比，SOI(Silicon On Insulater，埋绝缘层上硅)器件与电路具有功耗低、抗干扰能力强、集成密度高、速度高、寄生电容小、工艺简单、抗辐照能力强、并可彻底消除体硅CMOS的闩锁效应等优点，在高速、低功耗、抗辐照等器件与电路领域被广泛应用，是21世纪Si集成电路技术的发展方向。

SSGOI(Strained Silicon Germanium On Insulater，埋绝缘层上应变锗硅)结合了应变SiGe和SOI的优点，为研发新型的超高速、低功耗、抗辐射、高集成度硅基器件和芯片提供一种新的解决方案，在光电集成、系统级芯片等方面也有着重要的应用前景。

SGOI晶圆的埋绝缘层通常是SiO₂(二氧化硅)，其热导率仅为硅的百分之一，阻碍了SGOI在高温、大功率方面的应用；其介电常数仅为3.9，易导致信号传输丢失，也阻碍了SGOI材料在高密度、高功率集成电路中的应用。而用SiN取代SiO₂的SGOI具有更好的绝缘性和散热性，已广泛应用在高温、大功耗集成电路中。

传统的应变SGOI是基于SOI晶圆的双轴压应变，即在SOI晶圆上直接生长应变SiGe，或先在SOI晶圆上生长Ge组分渐变的SiGe层作虚衬底，再在该SiGe层上外延生长所需的应变SiGe层。传统应变SGOI的主要缺点是位错密度高、只能是双轴压应变、迁移率提升不高、SiGe虚衬底增加了热开销和制作成本、SiGe虚衬底严重影响了器件与电路的散热、应变SiGe层临界厚度受Ge组分限制、高场下的空穴迁移率提升会退化等。

C.Himcinschi于2007年提出了单轴应变SOI晶圆的制作技术，参见[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 layertransfer，Solid-State Electronics，51(2007)226-230；[2]C.Himcinschi，M.Reiche，R.Scholz，S.H.Christiansen，and U.Compressive uniaxially strainedsilicon on insulator by prestrained wafer bonding and layer transferAPPLIED，PHYSICS LETTERS 90，231909(2007)。该技术的工艺原理与步骤如图1和图2所示，其单轴张应变SOI的制作工艺步骤描述如下：

1.先将4英寸Si晶圆片1热氧化，再将该氧化片注入H⁺(氢离子)。

2.将注H⁺的氧化片1放在弧形弯曲台上，通过外压杆将其弯曲，与弧形台面紧密贴合；随后将3英寸Si片2沿相同弯曲方向放置在弯曲的H⁺的氧化片1上，通过内压杆将其弯曲，与H⁺的氧化片1紧密贴合；

3.将弯曲台放置在退火炉中，在200℃下退火15小时。

4.从弯曲台上取下弯曲的并已键合的两个Si晶圆片，重新放入退火炉中，在500℃下退火1小时，完成智能剥离，并最终形成单轴应变SGOI晶圆。

该技术的主要缺点是：1)工艺步骤复杂：该方法必须经历热氧化、H⁺离子注入、剥离退火等必不可少的主要工艺及其相关步骤。2)弯曲温度受限：由于是在智能剥离前进行键合与弯曲退火，受注H⁺剥离温度的限制，其弯曲退火温度不能高于300℃，否则将在弯曲退火过程中发生剥离，使Si片破碎。3)制作周期长：额外的热氧化、H⁺离子注入、剥离退火等工艺步骤增加了其制作的时间。4)成品率低：该方法是用两片重叠的硅晶圆片进行机械弯曲与键合，且又在弯曲状态下进行高温剥离，硅晶圆片很容易破碎。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种基于SiN埋绝缘层的单轴应变SGOI晶圆的制作方法，以降低应变SGOI晶圆的制作成本、提高应变SGOI器件与集成电路的散热性能、绝缘性能和集成度，满足微电子技术领域、特别是超高速、低功耗、抗辐照及大功率器件与集成电路对应变SGOI晶圆的需求。采用如下技术方案：

一种基于SiN埋绝缘层的机械致单轴应变SGOI晶圆的制作方法，包括以下步骤：1)SGOI晶圆顶层SiGe层面向上或向下放置在弧形弯曲台上；2)两根圆柱形不锈钢压杆分别水平放置在SGOI晶圆两端，距SGOI晶圆边缘1cm；3)缓慢旋动连接压杆的螺帽，使SGOI晶圆沿弧形台面逐渐弯曲，直至SGOI晶圆完全与弧形台面贴合；4)载有SGOI晶圆的弧形弯曲台放置在退火炉中进行退火，退火温度在250℃至1250℃范围内可任意选择。例如，可在250℃下退火10小时，也可在800℃下退火3小时；5)退火结束后缓慢降温至室温，取出载有SGOI片的弧形弯曲台；6)旋动连接压杆的螺帽，将压杆缓慢提升，直至弯曲的SGOI晶圆回复原状。载有SGOI晶圆的弯曲台在退火炉中进行退火的温度最低为300℃，以保证SGOI晶圆中的SiN埋绝缘层在此过程中的形变能够超过其屈服强度，发生塑性形变；根据SiGe层中Ge组分的不同，最高退火温度上限为1250℃，接近Si的熔点；最高退火温度下限为900℃，接近Ge的熔点。但最高退火温度不得高于机械弯曲台的形变温度。

所述的的制作方法，所述的弧形弯曲台的曲率半径可从1.2m到0.4m连续变化，其对应制作不同应变量的单轴应变SGOI晶圆。

所述的的制作方法，所述步骤4)的退火工艺为：在250℃下退火10小时；或者在800℃下退火3小时；或者在1250℃下退火2小时。

所述的的制作方法，所述SGOI晶圆为4英寸、5英寸、6英寸、8英寸、12英寸的SGOI晶圆。

本发明的技术原理：

成品的SGOI片顶层SiGe层面向上放置在圆弧形台面上进行机械弯曲，然后热退火。根据材料弹塑性力学原理，受长时间弯曲形变热处理的作用，处于SGOI晶圆中性面上部的SiN层和顶层SiGe层将沿弯曲方向发生单轴拉伸形变，其晶格常数将变大，即发生所谓的单轴张应变。同时，在SGOI晶圆内部储存了一定的弹性势能。当退火结束去除机械外力后，在此弹性势能作用下，SGOI晶圆会发生回弹，即由弯曲状态回复到原态，如图3所示。

但复原的SGOI晶圆中顶层SiGe层却保留了一定量的张应变。这是因为在弯曲热退火处理时，设定了合适的退火温度与时间，保证所施加的机械外力能超过SiN的屈服强度但小于Si衬底的屈服强度，使SiN发生塑性形变，而Si衬底始终是弹性形变。塑性形变的SiN埋绝缘层在SGOI晶圆回弹复原时不可能完全回弹，仍保持一定量的张应变。而顶层SiGe受塑性形变SiN埋绝缘层的拉持作用，也不能完全回弹，最终形成单轴张应变SGOI晶圆。

同理，若将SGOI晶圆顶层SiGe层面向下放置在圆弧形台面上进行机械弯曲与热退火，由于顶层SiGe层处于SGOI晶圆中性面的下部，在弯曲退火时其晶格将被压缩，晶格常数变小，最终可得到单轴压应变SGOI晶圆。

相对于现有单轴应变SOI技术，本发明具有以下优点：

1)热性能良好：与传统基于SiGe虚衬底的应变SGOI晶圆相比，本发明制作的单轴应变SOI晶圆无厚厚的SiGe缓冲层，可降低其器件与电路的热开销，其SiN埋绝缘层又使其器件与电路具有良好的散热性能。

2)应变效果好：与现有相似的技术相比，同样弯曲度下，本发明的应变量高，因而可获得更高的电子和空穴迁移率。

3)表面粗糙度小：本发明无需通过剥离工艺制作单轴应变SGOI，因而其顶层SiGe薄膜单晶的表面粗糙度远小于与现有相似技术的表面粗糙度。

4)退火温度范围大：相对现有单轴应变SOI技术的200℃到300℃退火温度范围，本发明的退火温度从最低的250℃到最高的1250℃，可任意选择。

5)制作设备少且可自制：只需弯曲台和退火炉两台设备即可实现本发明，而且弯曲台可自制。

6)制作工艺简单：与现有相似的技术相比，没有热氧化、离子注入、高温剥离等额外的工艺，仅有机械弯曲和热退火两个工艺步骤。

附图说明

图1为现有单轴张应变SGOI原理与工艺步骤；

图2为现有单轴压应变SGOI原理与工艺步骤；

图3为本发明单轴张应变SGOI晶圆制作原理及工艺步骤；

图4为本发明单轴压应变SGOI晶圆制作原理及工艺步骤；

1-Si衬底，2-SiN埋绝缘层，3-顶层SiGe层。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1：4英寸单轴应变SGOI晶圆的制备

1、SGOI晶圆片选择：4英寸(100)或(110)晶圆片((100)或(110)指的是SGOI晶圆晶体表面的某个晶面)，Si衬底厚0.4mm，SiN埋绝缘层厚500nm，顶层SiGe层厚500nm。

SGOI晶圆直径选择：SGOI晶圆的直径越大，其弯曲的最小弯曲半径就越小，得到的单轴应变SGOI晶圆的应变量也就越大，最终单轴应变SGOI晶圆的电子迁移率和空穴迁移率的增强也就越高。对于本发明所制作的基于SiN埋绝缘层的单轴应变SGOI晶圆而言，根据其SGOI器件与电路的不同工艺，可选择从英寸到12英寸的不同直径SGOI晶圆片。

SGOI晶圆晶面与晶向选择：对于本发明所制作的张应变SGOI晶圆而言，应选择(100)晶面，弯曲方向应选择<110>晶向(<110>指的是晶圆片表面的某个晶向，通常也是器件的沟道方向)，可获得最大的电子迁移率提升。对于本发明所制作的压应变SGOI晶圆而言，应选择(11O)晶面，弯曲方向应选择<100>晶向，可获得最大的空穴迁移率提升。

SGOI晶圆Si衬底厚度选择：Si衬底的厚度越薄，其SGOI晶圆的最小弯曲半径就小，得到的单轴张应变SGOI晶圆的应变量也就越大。对于本发明所制作的基于SiN埋绝缘层的单轴应变SGOI晶圆而言，根据其SGOI器件与电路的不同结构及其工艺，可选择不同Si衬底厚度的SGOI晶圆。

SGOI晶圆顶层SiGe层厚度选择：根据其SGOI器件与电路的不同结构，可选择不同顶层SiGe厚度的SGOI晶圆片。若本发明所制作的基于SiN埋绝缘层的应变SGOI晶圆应用于HBT(异质结双极晶体管)器件，则顶层SiGe厚度不能低于300nm；若应用于BiCMOS(双极互补金属氧化物半导体晶体管)电路，则顶层SiGe厚度不能超过200nm；

SGOI晶圆片SiN绝缘层厚度选择：根据SGOI器件与电路的不同结构，可选择不同SiN绝缘层厚度的SGOI晶圆片。若本发明所制作的基于SiN埋绝缘层的应变SGOI晶圆应用于HBT(异质结双极晶体管)器件，则SiN绝缘层厚度不低于800nm；若应用于BiCMOS电路，则SiO₂绝缘层厚度不超过200nm；

弯曲台材料选择：弯曲台材料主要是根据退火温度来选择，要保证弯曲台在最高退火温度下不变形。对于本发明所采用的基于SiN埋绝缘层的SGOI晶圆而言，由于其顶层SiGe半导体材料的Ge组分通常不超过30％，其最高退火温度为1000℃，因此弯曲台材料采用ZG40Cr25Ni20耐热钢材料。若其顶层SiGe半导体材料的Ge组分低于10％，其最高退火温度为1250℃，则弯曲台材料应采用耐高温的金属钼。

2、弯曲曲率半径选择：根据选择的SGOI晶圆片，选择弯曲台曲率半径为1m。弯曲台的曲率半径是根据SGOI晶圆片的直径和厚度来选择。相同SGOI晶圆片尺寸下，薄SGOI晶圆片的最小弯曲半径比厚SGOI晶圆片的要小。相同厚度下，大尺寸SGOI晶圆的最小弯曲半径比小尺寸SGOI晶圆片的要小。对于本发明所制作的基于SiN埋绝缘层的张应变SGOI晶圆而言，其4英寸SGOI晶圆的弯曲半径范围为0.50m-1.2m，其6英寸SGOI晶圆的弯曲半径范围为0.45m-1.2m，，其8英寸SGOI晶圆弯曲半径范围为0.4m-1.2m，，其12英寸SGOI晶圆弯曲半径范围为0.35m-1.2m。

3、SGOI晶圆片弯曲工艺步骤：

1)将SGOI晶圆片顶层SiGe层面向上(或向下，向上为张应变，如图3，向下为压应变，如图4，下同)放置在弧形弯曲台上，其弯曲方向与<110>或<100>方向平行；

2)弯曲台上的两根圆柱形水平压杆分别水平放置在SGOI晶圆片两端，距离其边缘1厘米；

3)旋动弯曲台上其中一个压杆的顶杆螺帽，使SGOI晶圆片一端先固定；

4)再缓慢旋动另一个压杆的顶杆螺帽，使SGOI晶圆片沿弧形弯曲台台面逐渐弯曲，直至SGOI晶圆片完全与弧形弯曲台台面完全贴合。

4、退火工艺步骤：

1)退火温度：250℃；

2)升温速率：5℃/分钟；

3)退火时间：10小时；

4)降温速率：5℃/分钟；

5、卸架：待炉温降至室温，取出弯曲台。同时缓慢旋动弯曲台两端两个压杆的顶杆螺帽，使水平压杆同时缓慢提升，直至压杆完全脱离SGOI晶圆片。

通过上述工艺步骤，可得到基于SiN埋绝缘层的4英寸单轴应变SGOI晶圆片。

实施例2：5英寸单轴应变SGOI晶圆的制备

1、SGOI晶圆片选择：5英寸(100)或(110)晶面，Si衬底厚0.55mm，SiN埋绝缘层厚300nm，顶层SiGe厚50nm。

2、弯曲曲率半径选择：根据选择的SGOI晶圆片，选择弯曲台曲率半径为0.75m。

3、SGOI晶圆片弯曲工艺步骤：

1)将SGOI晶圆片顶层Si层面向上(或向下)放置在清洁的弯曲台上，其<110>或<100>方向与弯曲方向平行，如图3或图4所示；

2)弯曲台上的两根圆柱形水平压杆分别水平放置在SGOI晶圆片两端，距离其边缘1厘米；

3)旋动弯曲台上其中一个压杆的顶杆螺帽，使SGOI晶圆片一端先固定；

4)再缓慢旋动另一个压杆的顶杆螺帽，使SGOI晶圆片沿弧形弯曲台台面逐渐弯曲，直至SGOI晶圆片完全与弧形弯曲台台面完全贴合。

4、退火工艺步骤：

1)退火温度：800℃；

2)升温速率：5℃/分钟；

3)退火时间：3小时；

4)降温速率：4℃/分钟；

5、卸架：待炉温降至室温，取出弯曲台。同时缓慢旋动弯曲台两端两个压杆的顶杆螺帽，使水平压杆同时缓慢提升，直至压杆完全脱离SGOI晶圆片。

通过上述工艺步骤，可得到基于SiN埋绝缘层的5英寸单轴应变SGOI晶圆片。实施例3：8英寸单轴应变SGOI晶圆的制备

1、SGOI晶圆片选择：8英寸(100)或(110)晶面，Si衬底厚0.68mm，SiN埋绝缘层厚1000nm，顶层SiGe厚1000nm。

2、弯曲曲率半径选择：根据选择的SGOI晶圆片，选择弯曲台曲率半径为0.5m。

3、SGOI晶圆片弯曲工艺步骤：

1)将SGOI晶圆片顶层SiGe层面向上(或向下)放置在弧形弯曲台上，其弯曲方向与<110>或<100>方向平行，如图3或图4所示；

2)弯曲台上的两根圆柱形水平压杆分别水平放置在SGOI晶圆片两端，距离其边缘1厘米；

3)旋动弯曲台上其中一个压杆的顶杆螺帽，使SGOI晶圆片一端先固定；

4)再缓慢旋动另一个压杆的顶杆螺帽，使SGOI晶圆片沿弧形弯曲台台面逐渐弯曲，直至SGOI晶圆片完全与弧形弯曲台台面完全贴合。

4、退火工艺步骤：

1)退火温度：1250℃；

2)升温速率：3℃/分钟；

3)退火时间：2小时；

4)降温速率：3℃/分钟；

5、卸架：待炉温降至室温，取出弯曲台。同时缓慢旋动弯曲台两端两个压杆的顶杆螺帽，使水平压杆同时缓慢提升，直至压杆完全脱离SGOI晶圆片。

通过上述工艺步骤，可得到基于SiN埋绝缘层的8英寸单轴应变SGOI晶圆片。

为了使本发明的叙述更清晰，以下将对诸多细节作出具体说明。例如具体结构、成分、材料、尺寸、工艺过程和技术。

本发明所用弧形弯曲台采用ZG40Cr25Ni20耐热钢材料或金属钼材料，这是为了保证弯曲台在最高退火温度下不变形。除此之外，本发明所用弯曲台也可采用其他易于机械加工、光洁度较高和耐高温的一切材质来制作。

本发明应变SGOI晶圆底部半导体衬底1也可以是其他半导体材料，如Ge、GaAs等所有可能的半导体材料。

本发明应变SGOI晶圆顶层半导体材料3不限于SiGe半导体材料，也可是Si、Ge、GaAs等所有适合制作SGOI晶圆顶层半导体薄膜的半导体材料。

任何工艺方法制作的SGOI晶圆片均适于本发明制作单轴应变SGOI晶圆，这些工艺方法包括智能剥离(Smart-cut)、注氧隔离(SIMOX)、键合与背腐蚀(BeSGOI)、层转移(eLRANT)、基于SGOI晶圆的外延生长等。

本发明弯曲退火温度和退火时间的选取原则是，保证SGOI晶圆结构中SiN薄膜在退火过程中发生塑性形变，但SGOI晶圆中的Si衬底在退火中只能发生弹性形变。因此，根据SiN薄膜的材料热力学特性，其最低退火温度不得低于300℃。根据SiGe材料的熔点T_s与Ge组分x的关系：T_s＝1412-738x+263x²，SiGe的熔点最高为1412℃，最低为937℃。因而SGOI晶圆的最高退火温度并不限于800℃，最高退火温度上限可达1250℃，接近Si的熔点；最高退火温度下限可达900℃，接近Ge的熔点。但最高退火温度必须考虑弯曲台材料的热力学性能，不能高于其形变温度。

本发明的详细说明和描述均基于优选试验方案，但本领域的技术人员会理解，上述和其他形式和细节的变化并不会偏离本发明的本质和范围。对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，能够在不背离本发明的原理和范围的情况下，根据本发明的方法进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于机械弯曲台的SiN埋绝缘层上单轴应变SGOI晶圆的制作方法，其特征在于以成品的SGOI晶圆为原料，仅有机械弯曲与热退火两道工艺过程，只采用弯曲台和退火炉两台设备，包括以下步骤：

1)SGOI晶圆顶层SiGe层面向上或向下放置在弧形弯曲台上，其最小曲率半径与SGOI晶圆尺寸相关；2)两根圆柱形不锈钢压杆分别水平放置在SGOI晶圆两端，距SGOI晶圆边缘1cm；3)缓慢旋动连接压杆的螺帽，使SGOI晶圆沿弧形台面逐渐弯曲，直至SGOI晶圆完全与弧形台面贴合；4)载有SGOI晶圆的弧形弯曲台放置在退火炉中进行退火，退火温度介于250℃至1250℃之间；5)退火结束后缓慢降温至室温，取出载有SGOI晶圆片的弧形弯曲台；6)旋动连接压杆的螺帽，将压杆缓慢提升，直至弯曲的SGOI晶圆回复原状。

2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述的弯曲台的曲率半径为1.2m到0.4m之间；弯曲台材料采用ZG40Cr25Ni20耐热钢材料。

3.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述步骤4)的退火工艺的退火温度与退火时间密切相关，为：在250℃下退火10小时；或者在800℃下退火3小时；或者在1250℃下退火2小时。

4.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述SGOI晶圆为4英寸、5英寸、6英寸、8英寸、12英寸的SGOI晶圆。