CN102569163B - 一种基于AlN埋绝缘层的晶圆级单轴应变SOI晶圆的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于AlN埋绝缘层的单轴应变SOI晶圆的制作方法，包括以下步骤：1)SOI晶圆顶层Si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SOI晶圆两端，距SOI晶圆边缘1cm；3)缓慢旋动连接压杆的螺帽，使SOI晶圆沿弧形台面逐渐弯曲，直至SOI晶圆完全与弧形台面贴合；4)载有SOI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SOI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SOI晶圆回复原状。本发明具有如下优点：1)退火温度范围大；2)应变效果高；3)绝缘性和热性能优良；4)电学性能优良；5)成品率高；6)制作工艺简单；7)制作设备少且可自制；8)制作成本低。

Description

一种基于AlN埋绝缘层的晶圆级单轴应变SOI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AlN(氮化铝)埋绝缘层的晶圆级单轴应变SOI(Silicon On Insulater，绝缘层上硅)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SOI晶圆，能显著提高传统SOI晶圆的电子迁移率与空穴迁移率，克服传统双轴应变SOI的高场迁移率退化，提高SOI技术在高温、大功耗集成电路方面的应用。与现有单轴应变SOI技术相比，本发明具有应变度高、工艺简单、成品率高、成本低等优点。

背景技术

与体Si技术相比，SOI技术具有速度高、功耗低、集成密度高、寄生电容小、抗辐照能力强、工艺简单等优势，在高速、低功耗、抗辐照等器件与电路领域被广泛应用。

随着器件特征尺寸进入亚微米及深亚微米，Si载流子的迁移率限制了器件与电路的速度，无法满足高速高频和低压低功耗的需求。而应变Si的电子和空穴迁移率，理论上将分别是体Si的2倍和5倍，可大大提升器件与电路的频率与速度。目前，应变Si技术被广泛应用于65纳米及以下的Si集成电路工艺中。

而结合了应变Si与SOI的应变SOI技术很好地兼顾了应变Si和SOI的特点与技术优势，并且与传统的Si工艺完全兼容，是高速、低功耗集成电路的优选工艺，已成为21世纪延续摩尔定律的关键技术。

SOI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SOI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SOI材料在高密度、高功率集成电路中的应用。而AlN具有热导率高(是SiO₂的200倍)、电阻率大(320W/m·K)、击穿场强高、化学和热稳定性能好、热膨胀系数与Si相近等优异性能，是一种更加优异的介电和绝缘材料。用AlN取代SiO₂，其SOI具有更好的绝缘性和散热性，已广泛应用在高温、大功耗、高功率集成电路中。

传统的应变SOI是基于SGOI(绝缘层上锗硅)晶圆的双轴应变，即先在SOI晶圆上外延生长一厚弛豫SiGe层作为虚衬底，再在弛豫SiGe层上外延生长所需的应变Si层。传统应变SOI的主要缺点是粗糙度高、厚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、双轴应变Si的迁移率提升在高电场下退化等。

为了克服传统应变SOI的缺点，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.AlNgh，M.Reiche，M.Petzold，U.Go¨sele，S.H.Christiansen，Uniaxially strained silicon by waferbonding 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 waferbonding 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注H+氧化片1上，通过内压杆将其弯曲，与氧化片1紧密贴合；

3、将弯曲台放置在退火炉中，在200oC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SOI晶圆。

与本发明相比，该方法有以下几点主要缺点：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AlN埋绝缘层的晶圆级单轴应变SOI晶圆的制作方法，以降低应变SOI晶圆的制作成本、提高应变SOI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SOI晶圆的需求。采用如下技术方案：

一种基于AlN埋绝缘层的晶圆级单轴应变SOI晶圆的制作方法，包括以下步骤：1)SOI晶圆顶层Si层面向上或向下放置在弧形弯曲台上；2)两根圆柱形压杆分别水平放置在SOI晶圆两端，距SOI边缘1cm；3)缓慢旋动连接压杆的螺帽，使SOI晶圆沿弧形台面逐渐弯曲，直至SOI晶圆完全与弧形台面贴合；4)载有SOI晶圆的弧形弯曲台放置在退火炉中进行退火，退火温度在300℃至1250℃范围内可任意选择。例如，可在300℃下退火10小时，也可在800℃下退火3.5小时；5)退火结束后缓慢降温至室温，取出载有SOI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SOI晶圆回复原状。载有SOI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SOI晶圆中的AlN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SOI晶圆。

所述的的制作方法，所述步骤4)的退火工艺为：在300℃下退火10小时；或者在800℃下退火3.5小时；或者在1250℃下退火2.2小时。

所述的的制作方法，所述SOI晶圆为3英寸、4英寸、5英寸、6英寸、8英寸、12英寸、16英寸的SOI晶圆(3英寸为75mm，4英寸为100mm，5英寸为125mm，6英寸为150mm，8英寸为200mm，12英寸为300mm，16英寸为400mm)。

本发明的技术原理：

成品的SOI片顶层Si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SOI晶圆中性面上部的AlN层和顶层Si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SOI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，SOI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SOI晶圆中顶层Si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AlN层的屈服强度但小于Si衬底的屈服强度，使AlN层发生塑性形变，而Si衬底始终是弹性形变。塑性形变的AlN埋绝缘层在SOI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Si层受塑性形变AlN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SOI晶圆。

同理，若将SOI晶圆顶层Si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Si层处于SOI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SOI晶圆。

相对于现有单轴应变SOI技术，本发明具有以下优点：

1)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300℃到最高的1250℃，可任意选择。

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，因而可获得更高的迁移率。

3)绝缘性和热性能优良：与基于SiGe虚衬底外延生长的传统双轴应变SOI晶圆相比，本发明的单轴应变SOI晶圆无需厚厚的SiGe缓冲层，可大大降低器件与电路的热开销，其AlN埋绝缘层又使有其器件与电路具有优良的绝缘性和散热性。

4)电学性能优良：与传统基于SiGe虚衬底的双轴应变SOI晶圆相比，本发明制作的单轴应变SOI晶圆，其载流子迁移率性能增强不仅高，且在高电场下不退化。

5)成品率高：现有技术采用两片Si晶圆进行键合弯曲退火，并在弯曲状态下通过高温剥离来获取单轴应变SOI，因而Si片非常容易破碎。而本发明仅用一片成品的SOI晶圆进行弯曲退火来获得单轴应变SOI，不易破碎，因而成品率高。

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项工艺过程。

7)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。

8)制作成本低：由于制作工艺简单，设备投资少，因而制作成本低。

附图说明

图1为现有单轴张应变SOI原理与工艺步骤；

图2为现有单轴压应变SOI原理与工艺步骤；

图3为本发明单轴张应变SOI晶圆制作原理及工艺步骤；

图4为本发明单轴压应变SOI晶圆制作原理及工艺步骤；

1-Si衬底，2-AlN埋绝缘层，3-顶层Si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SOI晶圆的制备

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

SOI晶圆直径选择：SOI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SOI晶圆的应变量也就越大，最终单轴应变SOI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AlN埋绝缘层的单轴应变SOI晶圆而言，根据其SOI器件与电路的不同工艺，可选择从3英寸到16英寸的不同直径SOI晶圆片。

SOI晶圆晶面与晶向选择：对于本发明所制作的张应变SOI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SOI晶圆而言，应选择(110)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。

SOI晶圆Si衬底厚度选择：Si衬底的厚度越薄，其SOI晶圆的最小弯曲半径就小，得到的单轴张应变SOI晶圆的应变量也就越大。对于本发明所制作的基于AlN埋绝缘层的单轴应变SOI晶圆而言，根据其SOI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SOI晶圆。

SOI晶圆顶层Si层厚度选择：根据其SOI器件与电路的不同结构，可选择不同顶层Si层厚度的SOI晶圆片。本发明所制作的基于AlN埋绝缘层的张应变SOI晶圆主要应用于大功率SOI器件，因此顶层Si厚度不低于500nm。

SOI晶圆片AlN埋绝缘层厚度选择：根据SOI器件与电路的不同结构，可选择不同AlN绝缘层厚度的SOI晶圆片。本发明所制作的基于AlN埋绝缘层的张应变SOI晶圆主要应用于大功率器件，因此AlN埋绝缘层厚度不低于900nm。

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AlN埋绝缘层的SOI晶圆而言，其最高退火温度为1250℃，因此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SOI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SOI晶圆片的直径和厚度来选择。相同SOI晶圆片尺寸下，薄SOI晶圆片的最小弯曲半径比厚SOI晶圆片的要小。相同厚度下，大尺寸SOI晶圆的最小弯曲半径比小尺寸SOI晶圆片的要小。对于本发明所制作的基于AlN埋绝缘层的张应变SOI晶圆而言，其3英寸SOI晶圆的弯曲半径范围为0.7m-1.2m，其4英寸SOI晶圆的弯曲半径范围为0.6m-1.2m，其6英寸SOI晶圆的弯曲半径范围为0.5m-1.2m，，其8英寸SOI晶圆弯曲半径范围为0.4m-1.2m，，其12英寸SOI晶圆弯曲半径范围为0.3m-1.2m。

3、SOI晶圆片弯曲工艺步骤：

1)将SOI晶圆片顶层Si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SOI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SOI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SOI晶圆片沿弧形弯曲台台面逐渐弯曲，直至SOI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：300℃；

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SOI晶圆片。

通过上述工艺步骤，可得到基于AlN埋绝缘层的4英寸单轴应变SOI晶圆片。实施例2：6英寸单轴应变SOI晶圆的制备

1、SOI晶圆片选择：6英寸(100)或(110)晶面，Si衬底厚0.55mm，AlN埋绝缘层厚300nm，顶层Si层厚50nm。

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

3、SOI晶圆片弯曲工艺步骤：

1)将SOI晶圆片顶层Si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SOI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SOI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SOI晶圆片沿弧形弯曲台台面逐渐弯曲，直至SOI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：4℃/分钟；

3)退火时间：3.5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SOI晶圆片。

通过上述工艺步骤，可得到基于AlN埋绝缘层的6英寸单轴应变SOI晶圆片。实施例3：8英寸单轴应变SOI晶圆的制备

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

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

3、SOI晶圆片弯曲工艺步骤：

1)将SOI晶圆片顶层Si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SOI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SOI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SOI晶圆片沿弧形弯曲台台面逐渐弯曲，直至SOI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：2.2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SOI晶圆片。

通过上述工艺步骤，可得到基于AlN埋绝缘层的8英寸单轴应变SOI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SOI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SOI晶圆顶层半导体材料3不限于Si半导体材料，也可是SiGe、Ge、GaAs等所有适合制作SOI晶圆顶层半导体薄膜的半导体材料。

任何工艺方法制作的SOI晶圆片均适于本发明制作单轴应变SOI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(BESOI)、层转移(ELRANT)、基于SOI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SOI晶圆结构中AlN薄膜在退火过程中发生塑性形变，但SOI晶圆中的Si衬底在退火中只能发生弹性形变。因此，根据AlN薄膜的材料热力学特性，其最低退火温度不得低于300℃。-而根据SOI晶圆片的Si衬底材料的热力学特性，其最高退火温度可达1250℃，接近Si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A1N埋绝缘层的晶圆级单轴应变SOI晶圆的制作方法，其特征在于以成品的SOI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)SOI晶圆顶层Si层面向上或向下放置在弧形弯曲台上，其最小曲率半径与SOI晶圆尺寸相关；2)两根圆柱形不锈钢压杆分别水平放置在SOI晶圆两端，距SOI晶圆边缘1cm；3)缓慢旋动连接压杆的螺帽，使SOI晶圆沿弧形台面逐渐弯曲，直至SOI晶圆完全与弧形台面贴合；4)载有SOI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300℃至1250℃之间；5)退火结束后缓慢降温至室温，取出载有SOI晶圆的弧形弯曲台；6)旋动连接压杆的螺帽，将压杆缓慢提升，直至弯曲的SOI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，所述步骤1)的弯曲台的曲率半径介于1.2m到0.4m之间，其对应制作不同应变量的单轴应变SOI晶圆；弯曲台材料采用金属钼材料。

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300℃下退火10小时；或者在800℃下退火3.5小时；或者在1250℃下退火2.2小时。

4.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述SOI晶圆为3英寸、4英寸、5英寸、6英寸、8英寸、12英寸、16英寸的SOI晶圆。