基于氮化硅應(yīng)力薄膜與尺度效應(yīng)的SiN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SiN埋絕緣上層晶圓級單軸應(yīng)變Si的制作方法，其實現(xiàn)步驟為：清洗SOI晶圓，并注入He離子；在離子注入后的SOI晶圓頂層上淀積?1GPa以上的壓應(yīng)力SiN薄膜或1GPa以上的張應(yīng)力SiN薄膜，并刻蝕SiN薄膜成條形陣列；對帶有SiN薄膜陣列的SOI晶圓進(jìn)行退火；腐蝕去除SOI晶圓表面上的SiN薄膜陣列，得到氮化硅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，與現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝兼容，可用于制作高溫、超高速、抗輻照及大功率半導(dǎo)體器件和集成電路。
【專利說明】
基于氮化硅應(yīng)力薄膜與尺度效應(yīng)的S i N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)，具體的說是一種基于SiN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、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]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。用SiN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，SiN埋絕緣層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，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SiN埋絕緣層圓片級單軸應(yīng)變SOI材料的新方法專利(CN201110361527.3)，用以制作SiN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小時至10小時，使SiN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SiN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缺點: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SiN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、超高速、低功耗、抗輻照器件與集成電路對應(yīng)變SOI晶圓的要求。
[0016]為實現(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、SiN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He將離子注入到SOI晶圓的SiN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-1GPa以上的壓應(yīng)力SiN薄膜或IGPa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.Um?0.2μπι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SiN埋絕緣層發(fā)生整體的拉伸形變，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SiN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SiN埋絕緣層晶圓級單軸張應(yīng)變SOI或單軸壓應(yīng)變材料。
[0023]本發(fā)明具有如下優(yōu)點:
[0024]1、本發(fā)明的晶圓級單軸應(yīng)變SOI的制作，可通過PECVD工藝淀積、圖形光刻、刻蝕等現(xiàn)有的常規(guī)Si工藝實現(xiàn)，工藝簡單，不需要額外定制工藝所需設(shè)備。
[0025]2、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、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、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SiN埋絕緣層發(fā)生整體的單軸拉伸形變或單軸壓縮來引入應(yīng)變，因此應(yīng)變量大小可隨SiN薄膜淀積工藝變化而變化。
[0028]5、本發(fā)明采用氮化硅埋層，相對于二氧化硅埋層，散熱性好，適用于制造高溫、大功率半導(dǎo)體器件與集成電路。
【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SiN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SiN埋絕緣層與襯底Si層的界面處，會導(dǎo)致SiN埋絕緣層和襯底Si層的界面結(jié)合變得疏松，以使SiN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120nm?220nm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SiN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)，并同時導(dǎo)致SiN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SiN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]SiN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100?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SiN埋絕緣層上晶圓級單軸應(yīng)變Si的制作方法的三個實施例，即制備3英寸、4英寸、5英寸的SiN埋絕緣層單軸應(yīng)變SOI晶圓材料，不同規(guī)格的SiN埋絕緣層SOI晶圓均包括三層結(jié)構(gòu):Si襯底3、SiN埋絕緣層2和頂層Si層I，如圖2a所示。其中:
[0036]3英寸SiN埋絕緣層SOI晶圓，其Si襯底的厚度為675ym，SiN埋絕緣層的厚度為500nm，頂層Si層的厚度為120nm;
[0037]4英寸SiN埋絕緣層SOI晶圓，其Si襯底的厚度為675ym，SiN埋絕緣層的厚度為500nm，頂層Si層的厚度為250nm;
[0038]5英寸SiN埋絕緣層SOI晶圓，其Si襯底的厚度為675ym，SiN埋絕緣層的厚度為500nm，頂層Si層的厚度為500nmo
[0039]實施例1，制備3英寸SiN埋絕緣層單軸張應(yīng)變SOI晶圓材料。
[0040]步驟1:選用3英寸SiN埋絕緣層SOI晶圓并對其進(jìn)行清洗。
[0041](1.1)使用丙酮和異丙醇對所選的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；
[0042](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；
[0043](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。
[0044]步驟2:對Si襯底3和SiN埋絕緣層2界面4進(jìn)行離子注入。
[0045]對已清洗的SOI晶圓進(jìn)行離子注入，以使Si襯底3和SiN埋絕緣層2界面4疏松，如圖213所示。
[0046]離子注入的工藝條件是:注入的離子為He離子，注入劑量為1.2E14cm—2，注入能量60Kevo
[0047]步驟3:在頂層Si層I上淀積壓應(yīng)力SiN薄膜5。
[0048]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0.7μπι，應(yīng)力為-1GPa的壓應(yīng)力SiN薄膜5，如圖2c所示。
[0049]淀積的工藝條件是: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1.6slm，高純氮氣流量為1.7slm，反應(yīng)室壓強(qiáng)為2.3Torr，反應(yīng)室溫度為400°C。
[0050]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。
[0051](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0.22μηι的光刻板進(jìn)行曝光，曝光的區(qū)域為寬度和間隔均為0.22μηι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；
[0052](4.2)采用反應(yīng)離子刻蝕RIE工藝，在反應(yīng)腔壓強(qiáng)為4Pa，反應(yīng)室溫度為40°C，基片溫度為5°C，13.56MHz高頻射頻功率為400W，刻蝕氣體CHF4流量為30sccm，02氣體流量為3sccm的條件下，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
0.22μπι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；
[0053](4.3)去除條形SiN薄膜陣列6上的光刻膠。
[0054]步驟5:對帶有條形SiN薄膜陣列6的SOI晶圓進(jìn)行退火，如圖2e所示。
[0055]為了進(jìn)一步增強(qiáng)條形SiN薄膜陣列6的應(yīng)力，致使SiN埋絕緣層2產(chǎn)生拉伸的塑性形變，需對頂層Si層I表面形成條形SiN薄膜陣列6的SOI晶圓進(jìn)行退火，退火的工藝條件如下:
[0056]升溫速率為4°C/min，溫度為360°C，在惰性氣體Ne下退火3.5小時，降溫速率4°(:/min0
[0057]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。
[0058]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150°C下進(jìn)行4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。
[0059]實施例2，制備4英寸SiN埋絕緣層單軸壓應(yīng)變SOI晶圓材料。
[0060]步驟一:選用4英寸SiN埋絕緣層SOI晶圓并對其進(jìn)行清洗。
[0061 ]本步驟的實現(xiàn)與實施例1的步驟I相同。
[0062]步驟二:對已清洗的SOI晶圓注入劑量為1.2E15cm—2，能量120Kev的He離子，以使Si襯底3和SiN埋絕緣層2界面4疏松，如圖2b所示。
[0063]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1.0ym，應(yīng)力為1.1GPa的張應(yīng)力SiN薄膜5，如圖2c所示。
[0064]淀積的工藝條件是:高頻HF功率為1.1KW，低頻LF功率為0.29KW，高純SiH4流量為
0.29slm，高純NH3流量為1.7slm，高純氮氣流量為0.9slm，反應(yīng)室壓強(qiáng)為3.1Torr，反應(yīng)室溫度為400°C。
[0065]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。
[0066](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0.16μηι的光刻板進(jìn)行曝光，曝光的區(qū)域為寬度和間隔均為0.16μηι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；
[0067](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0.16μπι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工藝條件與實施例1中的步驟(4.1)相同；
[0068](4c)去除條形SiN薄膜陣列6上的光刻膠。
[0069]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410 °C的條件下在惰性氣體Ar中退火3小時，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SiN埋絕緣層2產(chǎn)生壓縮的塑性形變。
[0070]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。
[0071 ]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。
[0072]實施例3，制備5英寸SiN埋絕緣層單軸張應(yīng)變SOI晶圓材料。
[0073]步驟A:選用5英寸SiN埋絕緣層SOI晶圓并對其進(jìn)行清洗。
[0074]本步驟的實現(xiàn)與實施例1的步驟I相同。
[0075]步驟B:離子注入。
[0076]對已清洗的SOI晶圓進(jìn)行劑量為1.2E16cm—2、能量為180Ke的He離子注入，以使Si襯底3和SiN埋絕緣層2界面4疏松，如圖2b所示。
[0077]步驟C:淀積高壓應(yīng)力SiN薄膜5。
[0078]采用PECVD等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積工藝，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I.3μπι，應(yīng)力為I.3GPa的壓應(yīng)力SiN薄膜5，如圖2c所示。
[0079]淀積工藝條件如下:
[0080]高頻HF功率為0.45KW，
[0081 ] 低頻LF功率為0.55KW，
[0082]高純SiH4 流量為 0.18slm，
[0083]高純NH3 流量為 2.0slm，
[0084]高純氮氣流量為2.3s Im，
[0085]反應(yīng)室壓強(qiáng)為3.3Torr，
[0086]反應(yīng)室溫度為400 °C。
[0087]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。
[0088](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0.12μηι的光刻板進(jìn)行曝光，曝光的區(qū)域為寬度和間隔均為0.12μηι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；
[0089](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0.12μπι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工藝條件與實施例1的步驟(4.1)相同；
[0090](D3)去除條形SiN薄膜陣列6上的光刻膠。
[0091]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所不O
[0092]先在升溫速率為4°(:/1^11，溫度為460°(:的條件下在惰性氣體他中退火2.5小時;再以4°C/min的速率降溫至室溫。
[0093]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SiN埋絕緣層2產(chǎn)生拉伸的塑性形變。
[0094]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。
[0095]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9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】
1.基于氮化硅應(yīng)力薄膜與尺度效應(yīng)的SiN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、SiN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，S卩He將離子注入到SOI晶圓的SiN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-1GPa以上的壓應(yīng)力SiN薄膜或-1GPa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.Ιμπι?0.2μπι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SiN埋絕緣層發(fā)生整體的拉伸形變，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SiN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SiN埋絕緣層晶圓級單軸張應(yīng)變SOI或單軸壓應(yīng)SOI變材料。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟(I)中的SiN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100?500nm。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟(I)中對SiN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； (Ic)將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1.2E14cm—2?1.2E16cm—2變化，注入能量根據(jù)頂層Si層厚度的不同從60Kev?180Kev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0.15KW?0.45KW; 低頻功率LF從0.55KW?0.85KW； 高純SiH4流量0.18sIm?0.42sIm，高純冊3流量1.6sIm?2.0slm，高純氮氣流量1.7slm?2.3slm； 反應(yīng)室壓強(qiáng)2.3Torr?3.3Torr ； 反應(yīng)室溫度400 °C; 淀積厚度0.7μηι?1.3μηι。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1.0KW?1.2KW; 低頻功率LF從0.19KW?0.39KW； 高純SiH4流量0.19slm?0.39slm，高純NH3流量1.6slm?1.8slm，高純氮氣流量0.7slm?I.Islm; 反應(yīng)室壓強(qiáng)2.8Torr?3.2Torr ； 反應(yīng)室溫度400 °C; 淀積厚度0.7μηι?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0.12μπι?0.22μηι的光刻板進(jìn)行曝光，曝光的區(qū)域為寬度和間隔均為0.12μηι?0.22μηι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SOI晶圓頂層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0.12μπι?0.22μπι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:360°C?460 °C，時間:2.5?3.5小時，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】H01L21/762GK105938812SQ201610446075
【公開日】2016年9月14日
【申請日】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
【申請人】西安電子科技大學(xué)