基于氮化硅應(yīng)力薄膜與尺度效應(yīng)的AlN埋絕緣層上晶圓級單軸應(yīng)變Si的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于氮化硅應(yīng)力薄膜與尺度效應(yīng)的AlN埋絕緣層上晶圓級單軸應(yīng)變Si的制作方法，其實(shí)現(xiàn)步驟為：1.清洗AlN埋絕緣層SOI晶圓，并注入He離子；在離子注入后的SOI晶圓頂層上淀積?1.2GPa以上的壓應(yīng)力SiN薄膜或1.2GPa以上的張應(yīng)力SiN薄膜；2.對帶有SiN薄膜陣列的SOI晶圓進(jìn)行退火；3.腐蝕去除SOI晶圓表面上的SiN薄膜陣列，得到AlN埋絕緣層晶圓級單軸應(yīng)變SOI材料。本發(fā)明利用SiN埋絕緣層在條形SiN薄膜陣列作用下的單軸拉伸或單軸壓縮塑性形變在頂層Si引入應(yīng)變，增加了應(yīng)變量，且與現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝兼容，散熱性好，可制作用于高溫、大功耗、高功率半導(dǎo)體器件與集成電路。
【專利說明】
基于氮化硅應(yīng)力薄膜與尺度效應(yīng)的AIN埋絕緣層上晶圓級單軸應(yīng)變Si的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及半導(dǎo)體襯底材料制作工藝技術(shù)，具體的說是一種AlN埋絕緣層上晶圓級單軸應(yīng)變Si材料的制作方法，可制作用于高溫、大功耗、高功率半導(dǎo)體器件與集成電路所需的高性能SOI晶圓。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，Si集成電路已發(fā)展到了極大規(guī)模的納米技術(shù)時(shí)代，但現(xiàn)有的體Si材料及工藝已達(dá)到其物理極限，無法滿足先進(jìn)的CMOS器件及集成電路對高速、高頻和低壓低功耗的需求。而應(yīng)變Si的電子和空穴迀移率，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和速度。然而Si集成電路和應(yīng)變Si集成電路均存在漏電的問題，導(dǎo)致器件和電路性能下降。
[0003]SOI，即絕緣層上硅，是一種具有“Si/絕緣層/Si”三層結(jié)構(gòu)的新型Si基半導(dǎo)體材料。SOI晶圓的埋絕緣層通常是S12,其熱導(dǎo)率僅為硅的百分之一，阻礙了 SOI在高溫、大功率方面的應(yīng)用；其介電常數(shù)僅為3.9，易導(dǎo)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(yīng)用。而AlN的熱導(dǎo)率是S12的200倍、電阻率為320W/m.K、擊穿場強(qiáng)高、化學(xué)和熱穩(wěn)定性能好、熱膨脹系數(shù)與Si相近等優(yōu)異性能，是一種更加優(yōu)異的介電和絕緣材料。用AlN取代S12,其SOI具有更好的絕緣性和散熱性，已廣泛應(yīng)用在高溫、大功耗、高功率集成電路中。與體Si技術(shù)相比，絕緣層上硅SOI具有功耗低、集成密度高、寄生電容小、抗輻照能力強(qiáng)等優(yōu)勢，在要求低功耗、抗輻的領(lǐng)域擁有廣泛應(yīng)用。但是由于目前集成電路進(jìn)入納米技術(shù)時(shí)代，而SOI本身的迀移率較低，無法滿足現(xiàn)在高速集成電路的需求。
[0004]將應(yīng)變Si與SOI相結(jié)合，產(chǎn)生的應(yīng)變SOI材料，既可以克服Si集成電路的漏電，又能顯著提高SOI晶圓的電子迀移率和空穴迀移率，而且與現(xiàn)有Si工藝兼容，是高速、低功耗集成電路的優(yōu)選工藝，已成為21世紀(jì)延續(xù)摩爾定律的關(guān)鍵技術(shù)?，F(xiàn)有的應(yīng)變SOI材料分為雙軸應(yīng)變SOI和單軸應(yīng)變SOI。
[0005]雙軸應(yīng)變S0I，通常采用智能剝離加鍵合的工藝方法，即在弛豫的SiGe層上外延應(yīng)變Si層，再轉(zhuǎn)移至絕緣層上形成應(yīng)變SOI。由于形成的頂層應(yīng)變Si層為雙軸應(yīng)變，而雙軸應(yīng)變對載流子迀移率的提升隨著電場升高而退化。
[0006]中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、上海新傲科技股份有限公司提出一種絕緣體上應(yīng)變硅制備方法(CN101916741A)，是將SOI的頂層硅熱氧化減薄至10-30nm形成超薄的頂層娃層，然后在超薄的頂層娃層上外延Si1-xGex應(yīng)變層，Si1-xGex應(yīng)變層的厚度不超過其臨界厚度;進(jìn)行離子注入，選擇合適的能量，使離子注入到埋氧層和襯底硅層的界面;進(jìn)行退火工藝，形成弛豫的SinGex層，同時(shí)，頂層硅層受到拉伸的應(yīng)力，離子注入使得埋氧層和襯底硅層的界面疏松，最終形成應(yīng)變硅層;將剩余弛豫的SipxGex應(yīng)變層移除，得到全局雙軸應(yīng)變SOI材料。該發(fā)明缺點(diǎn)是制作過程中有Ge擴(kuò)散問題、應(yīng)變量小等。
[0007]相對于雙軸應(yīng)變SOI，單軸應(yīng)變對載流子迀移率的提升不隨電場的升高而退化，而且在相同的應(yīng)變量下，單軸應(yīng)變對載流子迀移率的提升高于雙軸應(yīng)變對載流子迀移率的提升。
[0008]飛思卡爾半導(dǎo)體公司于2007年提出厚應(yīng)變SOI襯底中的工程應(yīng)變(CN101454894B)，采用雙軸全局應(yīng)變SOI材料，在其第四個(gè)區(qū)域上淀積SiN或S12條形掩蔽膜，對雙軸應(yīng)變硅層進(jìn)行離子注入非晶化，去除掩蔽圖形后退火，消除雙軸應(yīng)變其中一個(gè)方向的應(yīng)變的方法，形成全局單軸應(yīng)變SOI。但是該方法需利用經(jīng)過工藝加工形成的全局雙軸應(yīng)變SOI，工藝成本高;形成的全局單軸應(yīng)變SOI的應(yīng)變量來源于原有的雙軸應(yīng)變，受到所采用的全局雙軸應(yīng)變SOI應(yīng)變量的限制。
[0009]2011年西安電子科技大學(xué)獲得的一種采用機(jī)械彎曲并在彎曲狀態(tài)下退火制作AlN埋絕緣層圓片級單軸應(yīng)變SOI材料的新方法專利(CN201110361513.1)，用以制作AlN埋絕緣層晶圓級全局單軸應(yīng)變SOI材料，其主要工藝如圖1所示，步驟如下:
[0010]1、將SOI晶圓頂層硅層向上放置在弧形彎曲臺上，其彎曲方向與〈110〉或〈100〉方向平行。
[0011]2、彎曲臺上的兩根圓柱形水平壓桿分別放置在SOI晶圓片兩端，用圓柱形水平壓桿使SOI晶圓與弧形臺面完全貼合。
[0012]3、在溫度200 0C至1250 V的退火爐中退火1.5小時(shí)至10小時(shí)，使AlN埋絕緣層在此過程中發(fā)生塑性形變。
[0013]4、卸下SOI晶圓恢復(fù)原狀后，由于AlN埋絕緣層的塑形形變，形成頂層全局單軸應(yīng)變硅層。
[0014]但是該方法存在以下幾個(gè)缺點(diǎn):I)與傳統(tǒng)集成電路工藝兼容性差:為了獲得不同應(yīng)變量的SOI，該方法需要額外制作對應(yīng)的不同曲率半徑的彎曲臺，且所制作的彎曲臺需要兼容現(xiàn)有退火設(shè)備。2)可靠性較差:該工藝方法需使用壓桿施加機(jī)械外力使SOI晶圓彎曲，會在頂層硅中引入缺陷；SSOI晶圓彎曲度過大，會造成圓片碎裂。3)由于擔(dān)心SOI晶圓碎裂，所以機(jī)械彎曲的彎曲度不能過大，這就限制了在頂層硅中引入的應(yīng)變量的大小，所能實(shí)現(xiàn)的應(yīng)變量較小。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于氮化硅應(yīng)力薄膜與尺度效應(yīng)的AlN埋絕緣層上晶圓級單軸應(yīng)變Si的制作方法，以降低應(yīng)變SOI晶圓的制作工藝復(fù)雜度和成本，提高單軸應(yīng)變SOI的應(yīng)變量，進(jìn)而提高載流子的迀移率，滿足高溫、大功耗、高功率半導(dǎo)體器件與集成電路對應(yīng)變SOI晶圓的要求。
[0016]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案包括如下:
[0017](I)對絕緣層上硅SOI晶圓進(jìn)行清洗，該SOI晶圓包括頂層Si層、AlN埋絕緣層和Si襯底三層結(jié)構(gòu)；
[0018](2)對清洗過的SOI晶圓進(jìn)行He離子注入，即將He離子注入到SOI晶圓的AlN埋絕緣層與Si襯底界面處；
[0019](3)在離子注入后的SOI晶圓頂層Si上采用PECVD等工藝淀積-1.2GPa以上的壓應(yīng)力SiN薄膜或1.2GPa以上的張應(yīng)力SiN薄膜；
[0020](4)利用半導(dǎo)體光刻和干法刻蝕工藝，對SiN薄膜進(jìn)行條形圖形化，形成條寬和間距均為0.08μπι?0.18μπι的條形SiN薄膜陣列，用以消除寬度方向的應(yīng)力，得到只有長度方向應(yīng)力的氮化硅壓應(yīng)力條或張應(yīng)力條，使頂層Si層和AlN埋絕緣層發(fā)生整體的單軸拉伸形變或單軸壓縮形變，進(jìn)而導(dǎo)致SOI晶圓轉(zhuǎn)變?yōu)榫A級的單軸張應(yīng)變SOI或單軸壓應(yīng)變SOI;
[0021](5)對頂層Si表面形成條形SiN薄膜陣列的SOI晶圓進(jìn)行退火，使SiN薄膜的應(yīng)力進(jìn)一步增強(qiáng)，并使AlN埋絕緣層發(fā)生塑性形變，保證SiN薄膜去除后頂層Si層應(yīng)力不消失；
[0022](6)通過濕法腐蝕去除SOI晶圓表面上的條形SiN薄膜陣列，最終得到AlN埋絕緣層晶圓級單軸張應(yīng)變SOI或單軸壓應(yīng)變SOI材料。
[0023]本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0024]1、與現(xiàn)有硅集成電路工藝完全兼容:本發(fā)明的晶圓級單軸應(yīng)變SOI的制作，可通過現(xiàn)有PECVD工藝淀積、圖形光刻、刻蝕等現(xiàn)有的常規(guī)Si工藝實(shí)現(xiàn)，工藝簡單，不需要額外定制工藝所需設(shè)備。
[0025]2、可靠性高:本發(fā)明通過將高應(yīng)力SiN條形陣列引入晶圓級單軸應(yīng)變，不需要對SOI施加機(jī)械外力，從而防止了圓片發(fā)生彎曲，避免了頂層硅中的缺陷產(chǎn)生和圓片碎裂，提高了成品率。
[0026]3、成本低:本發(fā)明由于采用高應(yīng)力SiN條形陣列，能直接引入晶圓級的單軸應(yīng)變，故可采用普通AlN埋絕緣層SOI晶圓來制作單軸全局應(yīng)變SOI材料，而非雙軸應(yīng)變SOI晶圓，降低了工藝成本。
[0027]4、應(yīng)變量大:本發(fā)明通過條形SiN條形陣列的單軸應(yīng)力使頂層Si層和AlN埋絕緣層發(fā)生整體的單軸拉伸形變或單軸壓縮形變來引入應(yīng)變，故可以通過調(diào)整SiN薄膜淀積工藝增大應(yīng)變量。
[0028]5、絕緣性和熱性能優(yōu)良:與基于SiGe虛襯底外延生長的傳統(tǒng)雙軸應(yīng)變SOI晶圓相比，本發(fā)明的單軸應(yīng)變SOI晶圓無需厚厚的SiGe緩沖層，可大大降低器件與電路的熱開銷，其AlN埋絕緣層又使有其器件與電路具有優(yōu)良的絕緣性和散熱性。
【附圖說明】
[0029]圖1為現(xiàn)有晶圓級單軸應(yīng)變SOI晶圓的工藝流程圖。
[0030]圖2為本發(fā)明的AlN埋絕緣層上晶圓級單軸應(yīng)變Si工藝流程圖。
[0031]圖3為本發(fā)明中淀積在頂層Si層上的條形SiN薄膜陣列的俯視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]本發(fā)明的技術(shù)原理如下:
[0033]本發(fā)明根據(jù)離子注入工藝原理，將He離子注入到AlN埋絕緣層與襯底Si層的界面處，會導(dǎo)致AlN埋絕緣層和襯底Si層的界面結(jié)合變得疏松，以使AlN埋絕緣層及其上的頂層Si層在淀積高應(yīng)力SiN薄膜后容易發(fā)生相應(yīng)的應(yīng)變。又根據(jù)材料力學(xué)的尺度效應(yīng)原理，通過半導(dǎo)體工藝技術(shù)制作寬度和間距均為800nm?1800nm的條形SiN薄膜陣列，使得條形寬度方向的應(yīng)力釋放，而沿條形長度方向的應(yīng)力大小不發(fā)生變化，從而使條形SiN薄膜陣列擁有單軸壓應(yīng)力或單軸張應(yīng)力，以在頂層Si層和AlN埋絕緣層中引入單軸張應(yīng)變或單軸壓應(yīng)變。在退火過程中，條形SiN薄膜陣列的應(yīng)力會進(jìn)一步增強(qiáng)，并同時(shí)導(dǎo)致AlN埋絕緣層產(chǎn)生拉伸或壓縮的塑性形變，而頂層Si仍處于彈性形變。當(dāng)去除條形SiN薄膜陣列后，由于AlN埋絕緣層拉伸或壓縮的塑性形變作用，導(dǎo)致頂層Si發(fā)生單軸張應(yīng)變或單軸壓應(yīng)變，最終形成擁有應(yīng)變頂層Si層的晶圓級單軸應(yīng)變SOI。
[0034]AlN埋絕緣層SOI晶圓包括3英寸、4英寸、5英寸、6英寸、8英寸、12英寸的不同規(guī)格，其頂層Si層厚度為150?500nmo
[0035]參照圖2，本發(fā)明給出基于氮化硅應(yīng)力薄膜與尺度效應(yīng)的AlN埋絕緣層上晶圓級單軸應(yīng)變
[0036]Si制作方法的三個(gè)實(shí)施例，即制備5英寸、12英寸、16英寸的AlN埋絕緣層單軸壓應(yīng)變SOI晶圓材料，不同規(guī)格的AlN埋絕緣層SOI晶圓均包括三層結(jié)構(gòu):Si襯底3、AlN埋絕緣層2和頂層Si層I，如圖2a所示。其中:
[0037]5英寸AlN埋絕緣層SOI晶圓，其Si襯底的厚度為500μπι，Α1Ν埋絕緣層的厚度為500nm，頂層Si層的厚度為160nm;
[0038]12英寸AlN埋絕緣層SOI晶圓，其Si襯底的厚度為500μπι，Α1Ν埋絕緣層的厚度為500nm，頂層Si層的厚度為320nm;
[0039]16英寸AlN埋絕緣層SOI晶圓，其Si襯底的厚度為500μπι，Α1Ν埋絕緣層的厚度為500nm，頂層Si層的厚度為480nmo
[0040]實(shí)施例1，制備5英寸AlN埋絕緣層單軸張應(yīng)變SOI晶圓材料。
[0041]步驟1:選用5英寸AlN埋絕緣層SOI晶圓并對其進(jìn)行清洗。
[0042](1.1)使用丙酮和異丙醇對SOI晶圓交替進(jìn)行超聲波清洗，以去除襯底表面有機(jī)物污染；
[0043](1.2)配置1: 1:3的氨水、雙氧水、去離子水的混合溶液，并加熱至120°C，將SOI晶圓置于此混合溶液中浸泡12分鐘，取出后用大量去離子水沖洗，以去除SOI晶圓表面無機(jī)污染物；
[0044](1.3)將SOI晶圓用HF酸緩沖液浸泡2分鐘，去除表面的氧化層。
[0045]步驟2:離子注入。
[0046]對已清洗的SOI晶圓，在其Si襯底3和AlN埋絕緣層2界面4進(jìn)行He離子注入，以使Si襯底3與AlN埋絕緣層2的界面4疏松，如圖2b所示；
[0047]注入劑量為1.5E14cm—2，注入能量為80Kev。
[0048]步驟3:淀積SiN薄膜。
[0049]采用PECVD等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積工藝，在已完成離子注入的SOI晶圓的頂層Si層I的表面淀積厚度為1.ομπι，應(yīng)力大小為-1.2GPa的壓應(yīng)力SiN薄膜5，如圖2c所示。
[0050]淀積的工藝條件是:高頻HF功率為0.22KW，低頻LF功率為0.82KW，高純SiH4流量為0.42slm，高純NH3流量為1.9slm，高純氮?dú)饬髁繛?.0slm,反應(yīng)室壓強(qiáng)為2.7Torr，反應(yīng)室溫度為400°C。
[0051 ]步驟4:利用半導(dǎo)體光刻和刻蝕技術(shù)，刻蝕壓應(yīng)力SiN薄膜5，形成條形SiN薄膜陣列6，如圖2(1所示。
[0052](4.1)在壓應(yīng)力SiN層5上涂正光刻膠，將光刻膠烘干，利用具有條形寬度和間隔均為0.18μηι的光刻板進(jìn)行曝光，曝光的區(qū)域?yàn)閷挾群烷g隔均為0.18μηι的條狀陣列，用顯影液去除掉曝光區(qū)域易溶于顯影液的正光刻膠，在SiN層上形成條狀光刻膠掩蔽膜陣列；
[0053](4.2)采用反應(yīng)離子刻蝕RIE工藝，對淀積在SOI晶圓頂層Si層上的壓應(yīng)力SiN薄膜5進(jìn)行刻蝕，形成寬度為0.18μπι的條形SiN薄膜陣列6，用以消除寬度方向的應(yīng)力，得到只有長度方向應(yīng)力的氮化硅應(yīng)力條，得到的帶有SiN薄膜陣列6的SOI晶圓俯視圖如圖3所示；
[0054]刻蝕的工藝條件為:反應(yīng)腔壓強(qiáng)為4Pa，反應(yīng)室溫度為40°C，基片溫度為5°C，13.561取高頻射頻功率為400胃，刻蝕氣體(:冊4流量為308(^111，02氣體流量為38(^111;
[0055](4.3)去除條形SiN薄膜陣列上的光刻膠。
[0056]步驟5:退火。
[0057]對頂層Si層I表面形成條形SiN薄膜陣列6的SOI晶圓以4°C/min的速率升溫到3700C，在惰性氣體N2中退火3.2小時(shí)，再以4°C/min的速率降溫至室溫。如圖2e所示。
[0058]在退火過程中，條形SiN薄膜陣列6的應(yīng)力會進(jìn)一步增強(qiáng)，導(dǎo)致AlN埋絕緣層2產(chǎn)生拉伸的塑性形變。
[0059]步驟6:去除SOI晶圓頂層Si層I表面的條形SiN薄膜陣列6，如圖2f所示。
[0060]把淀積了條形SiN薄膜陣列6的SOI晶圓放入體積分?jǐn)?shù)為85%的磷酸溶液中，在160°C下進(jìn)行5分鐘的濕法刻蝕，最終得到具有應(yīng)變頂層Si層7的單軸張應(yīng)變SOI晶圓材料。
[0061 ]實(shí)施例2，制備12英寸AlN埋絕緣層單軸壓應(yīng)變SOI晶圓材料。
[0062]步驟一:選用12英寸AlN埋絕緣層SOI晶圓并對其進(jìn)行清洗。
[0063]本步驟的實(shí)現(xiàn)與實(shí)施例1的步驟I相同。
[0064]步驟二:對已清洗的SOI晶圓注入劑量為1.5E15cm—2，能量120Kev的He離子，以使Si襯底3和AlN埋絕緣層2界面4疏松，如圖2b所示。
[0065]步驟三:采用PECVD等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積工藝，在已完成離子注入的SOI晶圓的頂層Si層I表面淀積厚度為1.Ομπι，應(yīng)力大小為1.2GPa的張應(yīng)力SiN薄膜5，如圖2c所示。
[0066]淀積的工藝條件是:高頻HF功率為1.3KW，低頻LF功率為0.23KW，高純SiH4流量為0.31slm，高純NH3流量為1.9slm，高純氮?dú)饬髁繛?.lslm，反應(yīng)室壓強(qiáng)為3.0Torr，反應(yīng)室溫度為400°C。
[0067]步驟四:利用半導(dǎo)體光刻和刻蝕技術(shù)，刻蝕張應(yīng)力SiN薄膜5，形成條形SiN薄膜陣列6，如圖2d所示。
[0068](4a)在張應(yīng)力SiN層5上涂正光刻膠，將光刻膠烘干，利用具有條形寬度和間隔均為0.13μηι的光刻板進(jìn)行曝光，曝光的區(qū)域?yàn)閷挾群烷g隔均為0.13μηι的條狀陣列，用顯影液去除掉曝光區(qū)域易溶于顯影液的正光刻膠，在SiN層上形成條狀光刻膠掩蔽膜陣列；
[0069](4b)采用反應(yīng)離子刻蝕RIE工藝，對淀積在SOI晶圓頂層Si層上的張應(yīng)力SiN薄膜5進(jìn)行刻蝕，形成寬度為0.13μπι的條形SiN薄膜陣列6，用以消除寬度方向的應(yīng)力，得到只有長度方向應(yīng)力的氮化硅應(yīng)力條，得到的帶有SiN薄膜陣列6的SOI晶圓俯視圖如圖3所示，反應(yīng)離子刻蝕RIE工藝條件與實(shí)施例1中的步驟(4.1)相同；
[0070](4c)去除條形SiN薄膜陣列6上的光刻膠。
[0071]步驟五:對頂層Si層I表面形成條形SiN薄膜陣列6的SOI晶圓進(jìn)行退火，如圖2e所示，即在升溫速率為4°C/min，溫度為420°C的條件下在惰性氣體Ar中退火2.7小時(shí)，再以4°C/min的速率降溫。在退火過程中，條形SiN薄膜陣列6的應(yīng)力會進(jìn)一步增強(qiáng)，導(dǎo)致AlN埋絕緣層2產(chǎn)生壓縮的塑性形變。
[0072]步驟六:去除SOI晶圓頂層Si層I表面的條形SiN薄膜陣列6，如圖2f所示。
[0073]把淀積了條形SiN薄膜陣列6的SOI晶圓放入體積分?jǐn)?shù)為85%的磷酸溶液中，在180°C下進(jìn)行8分鐘的濕法刻蝕，最終得到具有應(yīng)變頂層Si層7的單軸壓應(yīng)變SOI晶圓材料。
[0074]實(shí)施例3，制備16英寸AlN埋絕緣層單軸張應(yīng)變SOI晶圓材料。
[0075]步驟A:選用16英寸AlN埋絕緣層SOI晶圓并對其進(jìn)行清洗。
[0076]本步驟的實(shí)現(xiàn)與實(shí)施例1的步驟I相同。
[0077]步驟B:對已清洗的SOI晶圓進(jìn)行離子注入，以使Si襯底3和AlN埋絕緣層2界面4疏松，如圖2b所示。
[0078]離子注入的工藝是:注入的離子為He離子，注入劑量為1.5E16cm—2，注入能量160KeVo
[0079]步驟C:采用PECVD等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積工藝，在高頻HF功率為0.42KW，低頻LF功率為0.62KW，高純SiH4流量為0.22slm，高純NH3流量為2.lslm,高純氮?dú)饬髁繛?.4slm，反應(yīng)室壓強(qiáng)為3.2Torr，反應(yīng)室溫度為400 V的條件下，在完成離子注入后的SOI晶圓的頂層Si層I表面淀積厚度為1.4μπι，應(yīng)力大小為-1.3GPa的壓應(yīng)力SiN薄膜5，如圖2c所示。
[0080]步驟D:利用半導(dǎo)體光刻和刻蝕技術(shù)，刻蝕壓應(yīng)力SiN薄膜5，形成條形SiN薄膜陣列6，如圖2(1所示。
[0081](Dl)在壓應(yīng)力SiN層5上涂正光刻膠，將光刻膠烘干，利用具有條形寬度和間隔均為0.08μηι的光刻板進(jìn)行曝光，曝光的區(qū)域?yàn)閷挾群烷g隔均為0.08μηι的條狀陣列，用顯影液去除掉曝光區(qū)域易溶于顯影液的正光刻膠，在SiN層上形成條狀光刻膠掩蔽膜陣列；
[0082](D2)采用反應(yīng)離子刻蝕RIE工藝，對淀積在SOI晶圓頂層Si層上的壓應(yīng)力SiN薄膜5進(jìn)行刻蝕，形成寬度為0.08μπι的條形SiN薄膜陣列6，用以消除寬度方向的應(yīng)力，得到只有長度方向應(yīng)力的氮化硅應(yīng)力條，得到的帶有SiN薄膜陣列6的SOI晶圓俯視圖如圖3所示;反應(yīng)離子刻蝕RIE工藝條件與實(shí)施例1的步驟(4.1)相同；
[0083](D3)去除條形SiN薄膜陣列6上的光刻膠。
[0084]步驟Ε:對頂層Si層I表面形成條形SiN薄膜陣列6的SOI晶圓進(jìn)行退火，如圖2e所示，即在升溫速率為4°C/min，溫度為470°C的條件下在惰性氣體Ar中退火2.2小時(shí)，再以4°C/min的速率降溫。
[0085]在退火過程中，條形SiN薄膜陣列6的應(yīng)力會進(jìn)一步增強(qiáng)，導(dǎo)致AlN埋絕緣層2產(chǎn)生拉伸的塑性形變。
[0086]步驟F:去除SOI晶圓頂層Si層I表面的條形SiN薄膜陣列6，如圖2f所示。
[0087]把淀積了條形SiN薄膜陣列6的SOI晶圓放入體積分?jǐn)?shù)為85%的磷酸溶液中，在200°C下進(jìn)行13分鐘的濕法刻蝕，最終得到具有應(yīng)變頂層Si層7的單軸張應(yīng)變SOI晶圓材料。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于氮化硅應(yīng)力薄膜與尺度效應(yīng)的AlN埋絕緣層上晶圓級單軸應(yīng)變Si的制作方法，包括如下步驟: (1)對絕緣層上硅SOI晶圓進(jìn)行清洗，該SOI晶圓包括頂層Si層、AlN埋絕緣層和Si襯底三層結(jié)構(gòu)； (2)對清洗過的SOI晶圓進(jìn)行He離子注入，即將He離子注入到SOI晶圓的AlN埋絕緣層與Si襯底界面處； (3)在離子注入后的SOI晶圓頂層Si上采用PECVD等工藝淀積-1.2GPa以上的壓應(yīng)力SiN薄膜或1.2GPa以上的張應(yīng)力SiN薄膜； (4)利用半導(dǎo)體光刻和干法刻蝕工藝，對SiN薄膜進(jìn)行條形圖形化，形成條寬和間距均為0.08μπι?0.18μπι的條形SiN薄膜陣列，用以消除寬度方向的應(yīng)力，得到只有長度方向應(yīng)力的氮化硅壓應(yīng)力條或張應(yīng)力條，使頂層Si層和AlN埋絕緣層發(fā)生整體的單軸拉伸形變或單軸壓縮形變，進(jìn)而導(dǎo)致SOI晶圓轉(zhuǎn)變?yōu)榫A級的單軸張應(yīng)變SOI或單軸壓應(yīng)變SOI; (5)對頂層Si表面形成條形SiN薄膜陣列的SOI晶圓進(jìn)行退火，使SiN薄膜的應(yīng)力進(jìn)一步增強(qiáng)，并使AlN埋絕緣層發(fā)生塑性形變，保證SiN薄膜去除后頂層Si層應(yīng)力不消失； (6)通過濕法腐蝕去除SOI晶圓表面上的條形SiN薄膜陣列，最終得到AlN埋絕緣層晶圓級單軸張應(yīng)變SOI或單軸壓應(yīng)變SOI材料。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟(I)中的AlN埋絕緣層SOI晶圓，其包括3英寸、4英寸、5英寸、6英寸、8英寸、12英寸、16英寸的不同規(guī)格，其頂層Si層厚度為150?500nm。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟(I)中對AlN埋絕緣層SOI晶圓進(jìn)行清洗，其步驟如下: (Ia)使用丙酮和異丙醇對SOI晶圓交替進(jìn)行超聲波清洗，以去除襯底表面有機(jī)物污染； (Ib)配置1: 1:3的氨水、雙氧水、去離子水的混合溶液，并加熱至120°C，將AlN埋絕緣層SOI晶圓置于此混合溶液中浸泡12分鐘，取出后用大量去離子水沖洗，以去除AlN埋絕緣層SOI晶圓表面無機(jī)污染物； (Ic)將AlN埋絕緣層SOI晶圓用HF酸緩沖液浸泡2分鐘，去除表面的氧化層。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟(2)中的離子注入，采用He離子，其注入劑量從1.5E14cm—2?1.5E16cm—2變化，注入能量根據(jù)頂層Si層厚度的不同從80Kev?160Kev變化。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟(3)在頂層Si上淀積壓應(yīng)力SiN層的工藝，采用等離子體化學(xué)氣相淀積PECVD工藝，其參數(shù)如下: 高頻功率HF為0.22KW?0.42KW； 低頻功率LF從0.62KW?0.82KW； 高純SiH4流量0.22slm?0.42slm，高純冊3流量I.9slm?2.lslm，高純氮?dú)饬髁?.0slm?2.4slm； 反應(yīng)室壓強(qiáng)2.7Torr?3.2Torr ； 反應(yīng)室溫度400 °C; 淀積厚度1.Ομπι?1.4μηι。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟(3)在頂層Si上淀積張應(yīng)力SiN層的工藝，采用等離子體化學(xué)氣相淀積PECVD工藝，其參數(shù)如下: 高頻功率HF為1.2KW?I.4KW; 低頻功率LF從0.22KW?0.42KW； 高純SiH4流量0.21slm?0.41slm，高純冊3流量1.8slm?2.0slm，高純氮?dú)饬髁?.9slm?I.3slm; 反應(yīng)室壓強(qiáng)2.8Torr?3.2Torr ； 反應(yīng)室溫度400 °C; 淀積厚度0.9μηι?1.Ιμπι。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(4)中使用光刻和反應(yīng)離子刻蝕RIE工藝方法將SiN層刻蝕成條狀陣列，按如下步驟進(jìn)行: (4a)在SiN層上涂正光刻膠，將光刻膠烘干，利用具有條形寬度和間隔均為0.08μπι?0.18μηι的光刻板進(jìn)行曝光，曝光的區(qū)域?yàn)閷挾群烷g隔均為0.08μηι?0.18μηι的條狀陣列，用顯影液去除掉曝光區(qū)域易溶于顯影液的正光刻膠，在SiN層上形成條狀光刻膠掩蔽膜陣列； (4b)采用反應(yīng)離子刻蝕RIE工藝刻蝕掉淀積在AlN埋絕緣層SOI圓片頂層Si上的無光刻膠掩蔽膜區(qū)域，即曝光區(qū)域下的SiN，留下條狀光刻膠掩蔽膜下的SiN，得到寬度和間距均為0.08μπι?0.18μπι的SiN條狀陣列； (4c)去除條狀光刻膠掩蔽膜，僅留下SiN條狀陣列。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟(5)中的退火，其工藝條件是:溫度:370°C?470°(:，時(shí)間:2.2?3.2小時(shí)。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟(6)中的濕法刻蝕去除SiN薄膜，是采用體積分?jǐn)?shù)為85 %的磷酸溶液，在溫度為150 0C?200 0C下進(jìn)行5?20分鐘的刻蝕。
【文檔編號】H01L21/762GK105938814SQ201610446185
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年6月20日
【發(fā)明人】戴顯英, 焦帥, 郝躍, 吳武健, 苗東銘, 祁林林, 梁彬
【申請人】西安電子科技大學(xué)