基于非晶化與尺度效應(yīng)的SiN埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸應(yīng)變Si的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于非晶化與尺度效應(yīng)的SiN埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸應(yīng)變Si的制作方法。其實(shí)現(xiàn)步驟是：在清洗后的SiN埋絕緣層上Si晶圓頂層Si層上淀積SiO2層；對(duì)頂層Si層進(jìn)行離子注入形成非晶化層，并去除非晶化層上的SiO2層；在頂層Si層上淀積張應(yīng)力SiN薄膜或壓應(yīng)力SiN薄膜后將SiN薄膜刻蝕成條狀陣列，得到單軸張應(yīng)力SiN條狀陣列或單軸壓應(yīng)力SiN條狀陣列，并對(duì)該晶圓進(jìn)行退火，使非晶化層再結(jié)晶，使SiN埋絕緣層發(fā)生塑性形變；刻蝕掉SiN條狀陣列，得到SiN埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸應(yīng)變Si。本發(fā)明散熱性好、應(yīng)變量大，可用于制作SiN埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸應(yīng)變SOI材料。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
基于非晶化與尺度效應(yīng)的SiN埋絕緣層上晶圓級(jí)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)體材料制作工藝技術(shù)，特別是一種基于非晶化與尺度效應(yīng)的SiN埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸應(yīng)變Si的制作方法，可用于制作超高速、低功耗、抗輻照半導(dǎo)體器件與集成電路所需的高性能SOI晶圓。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著Si基半導(dǎo)體器件制造工藝的發(fā)展，特征尺寸的持續(xù)縮小正面臨著巨大的挑戰(zhàn)，即持續(xù)的特征尺寸的縮小會(huì)導(dǎo)致寄生電容的增加、短溝效應(yīng)的惡化、熱載流子的退變、漏電較嚴(yán)重等，導(dǎo)致器件性能下降。
[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)體襯底材料，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(hào)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。用SiN取代S12的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相比，SiN埋絕緣層上Si具有散熱性好、速度高、功耗低、集成密度高、寄生電容小、抗輻照能力強(qiáng)、工藝簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，在低功耗、抗輻照等器件與電路領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。但SOI材料載流子的迀移率較低，無(wú)法滿(mǎn)足目前高速集成電路的需求。
[0004]利用應(yīng)變Si與SOI生成的應(yīng)變SOI材料既克服了體Si與SOI材料的缺點(diǎn)又具有較高的載流子迀移率，是高速、低功耗、抗輻照集成電路的優(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)。應(yīng)變SOI分為單軸應(yīng)變SOI和雙軸應(yīng)變SOI，其中:
[0005]雙軸應(yīng)變SOI具有兩個(gè)方向的應(yīng)變量，其在高電場(chǎng)下載流子迀移率的提升會(huì)隨著電場(chǎng)的增加而退化。
[0006]單軸應(yīng)變SOI僅具有一個(gè)方向的應(yīng)變量，相較于雙軸應(yīng)變SOI，其載流子迀移率的提升不隨電場(chǎng)的增加而退化，且在相同應(yīng)變量下，單軸應(yīng)變對(duì)載流子迀移率的提升高于雙軸應(yīng)變。
[0007]目前，應(yīng)變SOI制造技術(shù)大多數(shù)都是利用SiGe外延生長(zhǎng)應(yīng)變Si層制造方法，即在馳豫的SiGe層上外延應(yīng)變Si層，再通過(guò)鍵合和智能剝離轉(zhuǎn)移至絕緣層上形成應(yīng)變SOI。但該方法的主要缺點(diǎn)是僅能引入雙軸應(yīng)變、Ge雜質(zhì)擴(kuò)散、粗糙度高、制作成本高、散熱性差、引入的應(yīng)力較小等。
[0008]2008年國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司提出應(yīng)變SOI襯底的制造方法和在其上制造CMOS器件的方法(CN200810002269)，是利用高應(yīng)力的SiN層在非晶硅層上形成犧牲應(yīng)變結(jié)構(gòu)，犧牲應(yīng)變結(jié)構(gòu)可以是拉伸或壓縮應(yīng)變結(jié)構(gòu)，當(dāng)具有犧牲應(yīng)變結(jié)構(gòu)的晶圓被適當(dāng)退火時(shí)，它的應(yīng)變特性會(huì)轉(zhuǎn)移到退火過(guò)程中再結(jié)晶的頂層應(yīng)變硅層中，形成全局雙軸應(yīng)變硅層。該發(fā)明的缺點(diǎn)是:僅能制作雙軸應(yīng)變SOI材料。
[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)下退火制作晶圓級(jí)單軸應(yīng)變SOI材料的新方法專(zhuān)利(CN201110361512)。是將SOI頂層硅層向上放置在弧形彎曲臺(tái)上，用圓柱形機(jī)械壓桿使SOI晶圓與弧形臺(tái)面完全貼合，在溫度200°C至1250°C的退火爐中進(jìn)行退火，使S12埋絕緣層發(fā)生塑性形變，頂層Si層和襯底發(fā)生彈性形變。機(jī)械壓桿卸下后，SOI晶圓恢復(fù)原狀，由于S12埋絕緣層的塑性形變對(duì)頂層Si層有拉持作用，使得頂層Si層薄膜保持相應(yīng)的應(yīng)變，從而形成晶圓級(jí)單軸應(yīng)變SOI。該發(fā)明的缺點(diǎn):需要將SOI晶圓彎曲，易破碎、SOI片彈回后平整度低、成品率低。
[0010]2010年，中國(guó)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獲得的一種制備雙軸應(yīng)變SOI的方法專(zhuān)利(CN201010223281)。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Si層上外延Si1-xGex應(yīng)變層，Si1-xGex應(yīng)變層的厚度不超過(guò)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Si1-Aex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SinGex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):僅能形成雙軸應(yīng)變SOI晶圓、在制作過(guò)程中有Ge擴(kuò)散問(wèn)題、應(yīng)變量小。
[0011]2007年飛思卡爾半導(dǎo)體公司提出的厚應(yīng)變SOI襯底中的工程致應(yīng)變專(zhuān)利(CN200780019691)中將SOI分成四個(gè)區(qū)，在第四區(qū)域沿著晶體管寬度方向上進(jìn)行條狀非晶化以消除晶體管長(zhǎng)度方向的應(yīng)變，保留寬度方向上的應(yīng)變，從而得到單軸應(yīng)變。如圖1所示其工藝步驟如下:
[0012]I)選取頂層Si層為雙軸張應(yīng)變的SOI晶圓；2)將SOI片的頂層Si層分為四個(gè)區(qū)域；
3)在第一區(qū)域上淀積掩蔽層，在第四區(qū)域上進(jìn)行條狀掩膜;4)對(duì)頂層Si層進(jìn)行離子注入非晶化;5)去除掩蔽層;6)淀積S12層;7)在頂層Si層上淀積張應(yīng)變SiN層;8)刻蝕掉第三區(qū)域以外的SiN層;9)退火使非晶半導(dǎo)體再結(jié)晶；10)去除掉第三區(qū)域的SiN層；11)去除掉S12層。
[0013]該發(fā)明的缺點(diǎn):1.必須使用具有雙軸應(yīng)變的SOI晶圓，成本較高。2.頂層Si層中的應(yīng)變大小固定，在后續(xù)的工藝步驟中不可調(diào)整。3.該方法得到的單軸應(yīng)力是消除一個(gè)應(yīng)力分量得到，應(yīng)力較小。4.SOI應(yīng)變的性質(zhì)為張應(yīng)變僅能提高電子的迀移率，不能提高空穴的迀移率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種基于非晶化與尺度效應(yīng)的SiN埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸應(yīng)變Si的制作方法，以降低晶圓級(jí)單軸應(yīng)變SOI制作成本，增加應(yīng)變量，消除Ge雜質(zhì)擴(kuò)散，提高載流子迀移率及電路的散熱性能。
[0015]本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0016]一.技術(shù)原理:
[0017]通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積PECVD工藝，在SiN埋絕緣層上Si晶圓上淀積具有雙軸張應(yīng)力或雙軸壓應(yīng)力的SiN薄膜。當(dāng)雙軸應(yīng)力SiN薄膜被刻蝕成寬度為亞微米級(jí)的長(zhǎng)條時(shí)，由于“尺度效應(yīng)”的影響，SiN條寬度方向的應(yīng)力會(huì)釋放掉，而SiN條長(zhǎng)度方向?yàn)楹暧^尺度應(yīng)力得到保留，可得到具有單軸張應(yīng)力或單軸壓應(yīng)力的SiN條狀陣列，其沿著條長(zhǎng)方向?qū)攲覵i層中的非晶化層施加單軸張應(yīng)力或單軸壓應(yīng)力。在650 °C?1050 °C退火，可使非晶化層重結(jié)晶，由于頂層Si層的非晶化層在退火過(guò)程中始終受到SiN條狀陣列施加的單軸張應(yīng)力或單軸壓應(yīng)力，因而在退火過(guò)程中由應(yīng)力引起的單軸應(yīng)變被保留到頂層Si層中，最終在退火后得到晶圓級(jí)單軸應(yīng)變的頂層Si層。同時(shí)，退火使SiN埋絕緣層發(fā)生塑性形變，在退火后SiN埋絕緣層對(duì)頂層Si層具有拉持作用，以保障去除高應(yīng)力SiN薄膜后單軸應(yīng)變的頂層Si層中的應(yīng)力不消失，最終可得到SiN埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸應(yīng)變Si材料。
[0018]二.實(shí)現(xiàn)步驟
[0019]根據(jù)上述原理，本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)步驟如下:
[0020]I)選取SiN埋絕緣層上Si晶圓進(jìn)行清洗，該SiN埋絕緣層上Si晶圓包括頂層Si層、SiN埋絕緣層和Si襯底；
[0021]2)在頂層Si層上通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積PECVD工藝淀積厚度為1nm?30nm的S12層，以消除后續(xù)離子注入工藝的溝道效應(yīng)；
[0022]3)對(duì)頂層Si層進(jìn)行離子注入，使頂層Si層形成非晶化層；
[0023]4)去除非晶化層上的S12層；
[0024]5)在頂層Si層上采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積PECVD工藝淀積-1GPa以上的高壓應(yīng)力SiN薄膜或IGPa以上的張應(yīng)力SiN薄膜；
[0025]6)使用光刻和反應(yīng)離子刻蝕RIE工藝方法將張應(yīng)力SiN薄膜或壓應(yīng)力SiN薄膜刻蝕成寬度和間距均為0.08μπι?0.18μπι的SiN條狀陣列，以消除SiN條寬度方向的應(yīng)力，得到具有單軸張應(yīng)力的SiN條狀陣列或單軸壓應(yīng)力的SiN條狀陣列；
[0026]7)對(duì)帶有SiN條狀陣列的SiN埋絕緣層上Si晶圓進(jìn)行退火，進(jìn)一步增強(qiáng)SiN條狀陣列應(yīng)力，并使非晶化層再結(jié)晶，同時(shí)使SiN埋絕緣層發(fā)生塑性形變，保證SiN條狀陣列去除后頂層Si層的應(yīng)力不消失；
[0027]8)采用濕法刻蝕去除掉SiN條狀陣列，最終得到SiN埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸應(yīng)變Si材料。
[0028]本發(fā)明與現(xiàn)有的晶圓級(jí)單軸應(yīng)變SOI制造技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0029]1.散熱性好
[0030]本發(fā)明采用SiN取代S12作為埋絕緣層，具有更好的絕緣性和散熱性。
[0031]2.成本低
[0032]現(xiàn)有的晶圓級(jí)單軸應(yīng)變SOI制造技術(shù)通過(guò)消除雙軸應(yīng)變SOI的一個(gè)應(yīng)變分量得到單軸應(yīng)變，而雙軸應(yīng)變SOI需額外的工藝由無(wú)應(yīng)變的SOI晶圓制造，因而成本高，本發(fā)明采用高壓應(yīng)力S iN條狀陣列對(duì)無(wú)應(yīng)變的SOI片直接引入單軸應(yīng)變，成本低。
[0033]3.單軸應(yīng)變大小可控
[0034]本發(fā)明通過(guò)改變SiN淀積工藝調(diào)整SiN的應(yīng)力，能控制最終得到的單軸應(yīng)變的大小。
[0035]4.無(wú)Ge雜質(zhì)擴(kuò)散
[0036]本發(fā)明使用單軸張應(yīng)力SiN條狀陣列或單軸壓應(yīng)力SiN條狀陣列引入應(yīng)力，無(wú)Ge雜質(zhì)，避免了傳統(tǒng)應(yīng)變制造技術(shù)中利用馳豫GenSix層引入應(yīng)變產(chǎn)生的Ge雜質(zhì)擴(kuò)散問(wèn)題，提高了材料性能。
[0037]5.成品率高
[0038]本發(fā)明使用單軸張應(yīng)力SiN條狀陣列或單軸壓應(yīng)力SiN條狀陣列引入應(yīng)變，避免了機(jī)械致晶圓級(jí)單軸應(yīng)變SOI方法對(duì)SOI進(jìn)行彎曲引起的破損和缺陷問(wèn)題，成品率高。
[0039]6.平整度高
[0040]本發(fā)明使用單軸張應(yīng)力SiN條狀陣列或單軸壓應(yīng)力SiN條狀陣列引入應(yīng)變，避免了機(jī)械致晶圓級(jí)單軸應(yīng)變SOI方法中對(duì)SOI晶圓彎曲退火后SOI晶圓平整度較低的問(wèn)題。
[0041 ] 7.應(yīng)變量大
[0042]本發(fā)明采用單軸張應(yīng)力SiN條狀陣列或單軸壓應(yīng)力SiN條狀陣列引入單軸應(yīng)變，且SiN埋絕緣層退火后發(fā)生塑性形變對(duì)頂層Si層具有拉持作用，增大了頂層Si層應(yīng)變量，使得載流子迀移率有了明顯的提升。
【附圖說(shuō)明】
[0043]圖1為現(xiàn)有單軸應(yīng)變SOI晶圓的工藝流程圖；
[0044]圖2為本發(fā)明SiN埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸應(yīng)變Si的工藝流程圖；
[0045]圖3為本發(fā)明中淀積在頂層Si層上的SiN條狀陣列的俯視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0046]SiN埋絕緣層上Si晶圓，其大小包括3英寸、4英寸、5英寸、6英寸、8英寸、12英寸和16英寸的不同規(guī)格，且頂層Si層厚度為0.Ιμπι?0.4μηι。
[0047]參照?qǐng)D2，本發(fā)明給出基于非晶化與尺度效應(yīng)的SiN埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸應(yīng)變Si的制作方法的三個(gè)實(shí)施例，即制作4英寸SiN埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸張應(yīng)變Si材料;制作12英寸SiN埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸張應(yīng)變Si材料;制作16英寸SiN埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸壓應(yīng)變Si材料。上述SiN埋絕緣層上Si晶圓均具有三層結(jié)構(gòu)，即頂層Si層I，SiN埋絕緣層2，Si襯底3，如圖2(a)所示。其中:
[0048]4英寸SiN埋絕緣層上Si晶圓，頂層Si層I的厚度為0.Ιμπι，SiN埋絕緣層2的厚度為
0.5口!11，31襯底3的厚度為6754111。
[0049]12英寸SiN埋絕緣層上Si晶圓，頂層Si層I的厚度為0.2ym，SiN埋絕緣層2的厚度為0.5口!11，31襯底3的厚度為6754111。
[0050]16英寸SiN埋絕緣層上Si晶圓，頂層Si層I的厚度為0.4ym，SiN埋絕緣層2的厚度為0.5口!11，31襯底3的厚度為6754111。
[0051 ]實(shí)施例1，制作4英寸SiN埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸應(yīng)變Si材料。
[0052]步驟1:選用4英寸SiN埋絕緣層上Si晶圓，并對(duì)其進(jìn)行清洗。
[0053](Ia)使用丙酮和異丙醇對(duì)所選SiN埋絕緣層上Si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；
[0054](Ib)將氨水、雙氧水、去離子水按照1: 1:3的比例配置成混合溶液，并加熱至120°C，將SiN埋絕緣層上Si晶圓置于此混合溶液中浸泡12min，取出后用大量去離子水沖洗，以去除SiN埋絕緣層上Si晶圓表面無(wú)機(jī)污染物；
[0055](Ic)將SiN埋絕緣層上Si晶圓用HF酸緩沖液浸泡2min，去除表面的氧化層。
[0056]步驟2:淀積S12層4，如圖2 (b)所示。
[0057]將清洗后的SiN埋絕緣層上Si晶圓取出，在其頂層Si層I上利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)淀積PECVD淀積厚度為1nm的S12層4，淀積的工藝條件如下:
[0058]SiH4 流量為 45sccm;
[0059]N2O 流量為 164sccm;
[0060]N2 流量為 800sccm;
[0061]氣壓為600mTorr;
[0062]功率為60W;
[0063]淀積溫度為為30(TC;
[0064]淀積厚度為1nm0
[0065]步驟3:形成非晶化層5，如圖2(c)所示。
[0066]通過(guò)離子注入機(jī)對(duì)頂層Si層I進(jìn)行離子注入，以在頂層Si層I內(nèi)部形成非晶化層5;注入的工藝條件如下:
[0067]注入離子為C，注入劑量為lE14cm—2，注入能量為20keV。
[0068 ] 步驟4:去除S i O2層4，如圖2 (d)所示。
[0069]在室溫下，將帶有S12層4的SiN埋絕緣層上Si晶圓在BHF溶液中浸泡30s，去除非晶化層5上的S12層4。
[0070]步驟5:在非晶化層上淀積壓應(yīng)力SiN薄膜6，如圖2(e)所示。
[0071]采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積PECVD工藝，在非晶化層5上淀積應(yīng)力大小為_(kāi)1.5GPa，厚度為0.8μπι的壓應(yīng)力SiN薄膜6，淀積工藝條件如下:
[0072]高頻HF功率為0.15kW，低頻LF功率為0.85kW，高純SiH4流量為0.42slm，高純NH3流量為1.8s Im，高純氮?dú)饬髁繛?.7s Im，反應(yīng)室壓強(qiáng)為2.4Torr，反應(yīng)室溫度為400 °C。
[0073]步驟6:將壓應(yīng)力SiN薄膜6刻蝕成SiN條狀陣列7，如圖2(f)所示。
[0074](6a)利用半導(dǎo)體光刻工藝在壓應(yīng)力SiN薄膜6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，再用顯影液去除掉曝光區(qū)域易溶于顯影液的正光刻膠，在壓應(yīng)力SiN薄膜6上形成條狀光刻膠掩蔽膜陣列；
[0075](6b)采用反應(yīng)離子刻蝕RIE工藝刻蝕掉淀積在SiN埋絕緣層上Si晶圓頂層Si層I上的無(wú)光刻膠掩蔽膜保護(hù)的壓應(yīng)力SiN薄膜6，留下條狀光刻膠掩蔽膜下的壓應(yīng)力SiN薄膜6，得到寬度和間距均為0.08μπι的SiN條狀陣列7，以消除SiN條寬度方向的應(yīng)力，保留SiN條長(zhǎng)度方向的應(yīng)力，得到單軸應(yīng)力SiN條狀陣列7。如圖2(f)所示；
[0076](6c)去除條狀光刻膠掩蔽膜，僅留下SiN條狀陣列7，帶有SiN條狀陣列的SiN埋絕緣層上Si晶圓俯視圖如圖3所示。
[0077]步驟7:對(duì)帶有SiN條狀陣列7的SiN埋絕緣層上Si晶圓進(jìn)行退火，如圖2(g)所示。
[0078]在退火爐中，先按照4°C/min的升溫速率將溫度由室溫提升至650°C后，將帶有SiN條狀陣列7的SiN埋絕緣層上Si晶圓在惰性氣體He下退火3h ；再按照4°C/min的降溫速率將退火爐溫度降至室溫，退火后頂層Si層I變?yōu)閱屋S應(yīng)變頂層Si層8;
[0079]在退火過(guò)程中SiN條狀陣列應(yīng)力進(jìn)一步增強(qiáng)，非晶化層5再結(jié)晶，同時(shí)使SiN埋絕緣層2發(fā)生塑性形變，變成塑性形變SiN埋絕緣層9，以保證SiN條狀陣列去除后其上的應(yīng)變頂層Si層8的應(yīng)力不消失。
[0080]步驟8:去除SiN埋絕緣層上Si晶圓上的SiN條狀陣列，如圖2 (h)所示。
[0081]配置152°C，體積分?jǐn)?shù)為86%的熱磷酸溶液，將帶有SiN條狀陣列7的SiN埋絕緣層上Si晶圓在熱磷酸溶液中浸泡8min，去除掉SiN條狀陣列7，得到4英寸SiN埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸張應(yīng)變Si材料。
[0082]實(shí)施例2，制作12英寸SiN埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸張應(yīng)變Si材料。
[0083]步驟一:選用12英寸SiN埋絕緣層上Si晶圓，并對(duì)其進(jìn)行清洗。
[0084]本步驟的實(shí)現(xiàn)與實(shí)施例1的步驟I相同。
[0085]步驟二:將清洗后的SiN埋絕緣層上Si晶圓取出，在其頂層Si層I上通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積PECVD工藝淀積S12層，即在SiH4流量為45sccm，N20流量為164sccm，N2流量為800SCCm，氣壓為600mTorr，功率為60W，淀積溫度為300°C的工藝條件下，淀積厚度為20nm的S12層4，如圖2(b)所示。
[0086]步驟三:通過(guò)離子注入機(jī)對(duì)頂層Si層I內(nèi)注入劑量為1.5E15cm—2，能量為30keV，的Si離子，以在頂層Si層I內(nèi)部形成非晶化層5，如圖2(c)所示。
[0087]步驟四:將帶有S12層4的SiN埋絕緣層上Si晶圓在BHF溶液中浸泡40s，去除非晶化層5上的S12層4，如圖2(d)所示。
[0088]步驟五:采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積PECVD工藝，在非晶化層5上淀積應(yīng)力大小為-1.9GPa，厚度為0.9μπι的壓應(yīng)力SiN薄膜6，如圖2(e)所示。
[0089]本步驟的淀積工藝條件如下:
[0090]高頻HF功率為0.2kW，低頻LF功率為0.8kW，高純SiH4流量為0.3s Im，高純NH3流量為1.9sIm，高純氮?dú)饬髁繛?.0slm,反應(yīng)室壓強(qiáng)為2.6Torr，反應(yīng)室溫度為400°C。
[0091]步驟六:利用半導(dǎo)體光刻和刻蝕技術(shù)，將壓應(yīng)力SiN薄膜6刻蝕成條狀陣列，以消除SiN條寬度方向的應(yīng)力，保留SiN條長(zhǎng)度方向的應(yīng)力，得到單軸應(yīng)力SiN條狀陣列7。
[0092](6.1)在壓應(yīng)力SiN薄膜6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0.14μηι的光刻板進(jìn)行曝光，曝光的區(qū)域?yàn)閷挾群烷g隔均為0.14μηι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，在壓應(yīng)力SiN薄膜6上形成條狀光刻膠掩蔽膜陣列；
[0093](6.2)采用反應(yīng)離子刻蝕RIE工藝刻蝕掉淀積在SiN埋絕緣層上Si晶圓頂層Si層I上的無(wú)光刻膠掩蔽膜保護(hù)的壓應(yīng)力SiN薄膜，留下條狀光刻膠掩蔽膜下的SiN，得到寬度和間距均為0.14μπι的SiN條狀陣列7，如圖2(f)所示；
[0094](6.3)去除條狀光刻膠掩蔽膜，僅留下SiN條狀陣列7，帶有SiN條狀陣列的SiN埋絕緣層上Si晶圓俯視圖如圖3所示。
[0095]步驟七:在退火爐中，按照4°C/min的升溫速率將溫度由室溫提升至850°C后，將帶有SiN條狀陣列7的SiN埋絕緣層上Si晶圓在惰性氣體Ne下退火2.5h，以進(jìn)一步增強(qiáng)SiN條狀陣列應(yīng)力，并使非晶化層再結(jié)晶，同時(shí)使SiN埋絕緣層2發(fā)生塑性形變，變成塑性形變SiN埋絕緣層9，以保證SiN條狀陣列去除后頂層Si層的應(yīng)力不消失;再按照4°C/min的降溫速率將退火爐溫度降至室溫。退火后頂層Si層I變?yōu)閱屋S應(yīng)變頂層Si層8。如圖2(g)所示。
[0096]步驟八:配置160°C，體積分?jǐn)?shù)為87%的熱磷酸溶液，將帶有SiN條狀陣列7的SiN埋絕緣層上Si晶圓在熱磷酸溶液中浸泡9min，去除掉SiN條狀陣列7，得到12英寸SiN埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸張應(yīng)變S i材料，如圖2 (h)所示。
[0097]實(shí)施例3，制作16英寸SiN埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸壓應(yīng)變Si材料。
[0098]步驟A:選用16英寸SiN埋絕緣層上Si晶圓，并對(duì)其進(jìn)行清洗。
[0099]本步驟的實(shí)現(xiàn)與實(shí)施例1的步驟I相同。
[0100]步驟B:淀積S i02層4，如圖2 (b)所示。
[0101]將清洗后的SiN埋絕緣層上Si晶圓取出，在其頂層Si層I上通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積PECVD工藝淀積厚度為20nm的S12層4，使其在離子注入過(guò)程中保護(hù)頂層Si層1，如圖2(b)所示。
[0102]淀積的工藝如下:SiH4流量為45sccm，N20流量為164sccm，N2流量為800sccm，氣壓為600mTorr，功率為60W，淀積溫度為300°C。
[0103]步驟C:形成非晶化層5，如圖2(c)所示。
[0104]形成具有保護(hù)作用的S12層4后，通過(guò)離子注入機(jī)對(duì)頂層Si層I進(jìn)行Ge離子注入，以在頂層Si層I內(nèi)部形成非晶化層5;
[0105]注入劑量為IEl 5cm—2，注入能量為40keV，如圖2 (c)所示。
[0106]步驟D:去除S12層4，如圖2(d)所示。
[0107]將帶有S12層4的SiN埋絕緣層上Si晶圓在BHF溶液中浸泡90s，去除非晶化層5上的S12層4，以免在淀積SiN薄膜6后阻礙其應(yīng)力傳遞給非晶化層5，如圖2(d)所示。
[0108]步驟E:在非晶化層上淀積張應(yīng)力SiN薄膜6，如圖2(e)所示。
[0109]采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積PECVD工藝，在非晶化層5上淀積應(yīng)力大小為1.8GPa，厚度為1.Ομπι的SiN薄膜6 ；
[0110]淀積工藝條件如下:
[0111]高頻HF功率為1.5kW，低頻LF功率為0.5kW，高純SiH4流量為0.4sIm，高純NH3流量為1.7s Im，高純氮?dú)饬髁繛?.2s Im，反應(yīng)室壓強(qiáng)為3.3Torr，反應(yīng)室溫度為400 °C。
[0112]步驟F:將張應(yīng)力SiN薄膜6刻蝕成SiN條狀陣列7，如圖2(f)所示。
[0113](Fl)利用半導(dǎo)體光刻工藝在張應(yīng)力SiN薄膜6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，在張應(yīng)力SiN薄膜6上形成條狀光刻膠掩蔽膜陣列；
[0114](F2)采用反應(yīng)離子刻蝕RIE工藝刻蝕掉淀積在SiN埋絕緣層上Si晶圓頂層Si層上的無(wú)光刻膠掩蔽膜保護(hù)的張應(yīng)力SiN薄膜6，留下條狀光刻膠掩蔽膜下的張應(yīng)力SiN薄膜6，得到寬度和間距均為0.18μπι的單軸張應(yīng)力SiN條狀陣列7，以消除SiN條寬度方向的應(yīng)力，保留SiN條長(zhǎng)度方向的應(yīng)力，如圖2(f)所示；
[0115](F3)去除條狀光刻膠掩蔽膜，僅留下SiN條狀陣列7，帶有SiN條狀陣列的SiN埋絕緣層上Si晶圓俯視圖如圖3所示。
[0116]步驟G:對(duì)帶有SiN條狀陣列7的SiN埋絕緣層上Si晶圓進(jìn)行退火，如圖2(g)所示。
[0117]在退火爐中，按照4°C/min的升溫速率將溫度由室溫提升至1050°C后，將帶有SiN條狀陣列7的SiN埋絕緣層上Si晶圓在惰性氣體Ar下退火2h，進(jìn)一步增強(qiáng)SiN條狀陣列應(yīng)力，并使非晶化層再結(jié)晶，同時(shí)使SiN埋絕緣層2發(fā)生塑性形變，變成塑性形變SiN埋絕緣層9，保證SiN條狀陣列去除后頂層Si層的應(yīng)力不消失；
[0118]接著，按照4°C/min的降溫速率將退火爐溫度降至室溫，退火后頂層Si層I變?yōu)閱屋S應(yīng)變頂層Si層8。如圖2(g)所示。
[0119]步驟H:去除SiN埋絕緣層上Si晶圓上的SiN條狀陣列，如圖2 (h)所示。
[0120]配置180 °C，體積分?jǐn)?shù)為88%的熱磷酸溶液，將帶有SiN條狀陣列的SiN埋絕緣層上Si晶圓在熱磷酸溶液中浸泡lOmin，去除掉SiN條狀陣列7，得到16英寸SiN埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸壓應(yīng)變Si材料，如圖2(h)所示。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于非晶化與尺度效應(yīng)的SiN埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸應(yīng)變Si的制作方法，包括如下步驟: 1)選取SiN埋絕緣層上Si晶圓進(jìn)行清洗，該SiN埋絕緣層上Si晶圓包括頂層Si層、SiN埋絕緣層和Si襯底； 2)在頂層Si層上通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積PECVD工藝淀積厚度為1nm?30nm的S12層，以消除后續(xù)離子注入工藝的溝道效應(yīng)； 3)對(duì)頂層Si層進(jìn)行離子注入，使頂層Si層形成非晶化層； 4)去除非晶化層上的S12層； 5)在頂層Si層上采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積PECVD工藝淀積-1GPa以上的高壓應(yīng)力SiN薄膜或IGPa以上的張應(yīng)力SiN薄膜； 6)使用光刻和反應(yīng)離子刻蝕RIE工藝方法將張應(yīng)力SiN薄膜或壓應(yīng)力SiN薄膜刻蝕成寬度和間距均為0.08μπι?0.18μπι的SiN條狀陣列，以消除SiN條寬度方向的應(yīng)力，得到具有單軸張應(yīng)力的SiN條狀陣列或單軸壓應(yīng)力的SiN條狀陣列； 7)對(duì)帶有SiN條狀陣列的SiN埋絕緣層上Si晶圓進(jìn)行退火，進(jìn)一步增強(qiáng)SiN條狀陣列應(yīng)力，并使非晶化層再結(jié)晶，同時(shí)使SiN埋絕緣層發(fā)生塑性形變，保證SiN條狀陣列去除后頂層Si層的應(yīng)力不消失； 8)采用濕法刻蝕去除掉SiN條狀陣列，最終得到SiN埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸應(yīng)變Si材料。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述，其特征在于SiN埋絕緣層上Si晶圓，其大小包括3英寸、4英寸、5英寸、6英寸、8英寸、12英寸和16英寸的不同規(guī)格;頂層Si層厚度為0.Ιμπι?0.4μπι。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟3)中對(duì)頂層Si層進(jìn)行離子注入的工藝條件是: 注入離子:C或Si或Ge或它們的任意組合； 注入劑量:lE14cm—2 ?lE15cm—2; 注入能量:20keV?40keV。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟4)中在去除非晶化層上的S12層，是將帶有S12層的SiN埋絕緣層上Si晶圓在BHF溶液中浸泡30s?90s，以去除非晶化層上的S12層。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟5)中在頂層Si層上淀積IGPa以上張應(yīng)力SiN薄膜的CVD工藝，采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積PECVD工藝，其中淀積張應(yīng)力SiN薄膜參數(shù)如下: 反應(yīng)室溫度400 °C; 高頻HF功率為I.IkW?1.5kW; 低頻LF功率為0.4kW?0.5kff； 高純SiH4流量0.4slm?0.5slm，高純冊(cè)3流量1.7slm?2.5slm，高純氮?dú)饬髁?.6slm?1.5slm； 反應(yīng)室壓強(qiáng)為2.0Torr?3.6Torr ； 淀積厚度為0.8μηι?1.Ομπι。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟5)中在頂層Si層上淀積-1GPa以上壓應(yīng)力SiN薄膜的CVD工藝，采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積PECVD工藝，其中淀積壓應(yīng)力SiN薄膜參數(shù)如下: 反應(yīng)室溫度400 °C; 高頻HF功率為0.15kW?0.35kW; 低頻LF功率為0.65kW?0.85kff； 高純SiH4流量0.22sIm?0.42sIm，高純冊(cè)3流量1.8sIm?2.0slm，高純氮?dú)饬髁?.7slm?2.1slm; 反應(yīng)室壓強(qiáng)為2.4Torr?2.0Torr ； 淀積厚度為0.8μηι?1.Ομπι。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟6)中使用光刻和反應(yīng)離子刻蝕RIE工藝方法將SiN薄膜刻蝕成條狀陣列，按如下步驟進(jìn)行: (7a)在SiN薄膜上涂正光刻膠，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薄膜上形成條狀光刻膠掩蔽膜陣列； (7b)采用反應(yīng)離子刻蝕RIE工藝刻蝕掉淀積在SiN埋絕緣層上Si晶圓頂層Si層上的無(wú)光刻膠掩蔽膜保護(hù)的SiN薄膜，留下條狀光刻膠掩蔽膜下的SiN薄膜，得到寬度和間距均為0.08μπι?0.18μπι的SiN條狀陣列； (7c)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，其特征在于，步驟7)中對(duì)帶有SiN條狀陣列的SiN埋絕緣層上Si晶圓進(jìn)行退火，其工藝條件如下: 溫度:650 cC ?1050 cC ; 時(shí)間:2h?3h; 環(huán)境:He、Ne、Ar或它們的混合物。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述，其特征在于，步驟8)中采用濕法刻蝕去除掉SiN條狀陣列，是配置150 °C?200 0C，體積分?jǐn)?shù)為86 %?88 %的熱磷酸溶液，將帶有SiN條狀陣列的SiN埋絕緣層上Si晶圓在熱磷酸溶液中浸泡8min?1min，去除掉SiN條狀陣列，得到晶圓級(jí)單軸應(yīng)變Si材料。
【文檔編號(hào)】H01L21/762GK105938809SQ201610445852
【公開(kāi)日】2016年9月14日
【申請(qǐng)日】2016年6月20日
【發(fā)明人】郝躍, 戴顯英, 祁林林, 苗東銘, 焦帥, 梁彬
【申請(qǐng)人】西安電子科技大學(xué)