本发明专利技术公开了一种采用相变方法实现绝缘体上应变硅的制作方法，它通过致密光滑的非晶硅沉积技术、低温键合技术、非晶硅到微晶硅的不可逆相变控制以及微晶硅的内氧化技术的巧妙组合，避免了现有ＳＳＯＩ材料制备中昂贵的锗硅外延和化学机械抛光工艺，而且完全不需要像ＳＧＯＩ材料制作后要求后续的ＣＭＯＳ工艺修改等考虑，实现一种全新的ＳＳＯＩ材料的制作，同时达到降低ＳＳＯＩ的制作成本目标。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及应变硅的制作技术，特别是利用不可逆相变的方法实现绝缘体上应变硅的制作。
技术介绍
应变硅具有高的载流子迁移率已经得到证实。如将应变硅技术引入绝缘体上的硅(Silicon on insulator，SOI)中的顶层硅能使本已优越的SOI互补金属氧化物半导体(CMOS)电路获得更加优越的性能。因此，制备带有绝缘埋层的应变硅能够结合SOI与应变硅的优势于一体，成为将来理想的硅基微电子材料，由此也成为目前国际上的一个热门研究课题。目前虽有人用氧注入隔离(separation-by-implanted-oxygen，SIMOX)技术制备了在带有绝缘层的锗硅层上的应变硅(strained-silicon-on-SiGe-on-insulator，SGOI)，但由于埋层氧化物形成需要高的退火温度，导致锗(Ge)的扩散，使作为应变模版的锗硅(SiGe)层的作用大大降低。利用类似SOI制备技术中的智能切割(Smart-Cut)亦即层转移技术制备了SGOI材料，但由于应变硅层下的锗硅层存在，迫使对CMOS工艺做出相应的改变，以尽可能排除锗硅层带来的不利影响。因此制备应变硅直接在绝缘体上的研究成为理想硅基微电子材料的重要研究目标。为此，通常人们采用带氧化硅与在锗硅上外延应变硅层直接键合，再用选择腐蚀的方法去除锗硅层或类似智能切割技术实现外延应变硅层转移，最终实现绝缘体上应变硅(SSOI/SSDOI)材料的制备。有文献报道利用梯度变化的锗硅外延到实现超薄应变硅的生长，然后通过键合和选择腐蚀的方式实现SSDOI/SSOI的制作。最近国内研究者报道采用在SOI衬底上进行锗硅外延后注入氮到初始的SOI薄层硅中，退火并选择腐蚀去除外延的锗硅层后，实现了硅的0.72％应变量，但其腐蚀后的表面明显粗糙。又有文献报道利用硼化的磷玻璃(BPSG)作为绝缘层代替氧化硅，通过改变硼化的磷玻璃中的成份比例可以实现粘度的调节。其制作过程如图1所示。首先在衬底1上沉积硼化的磷玻璃，衬底2上外延锗硅后再生长硅并注入氢(H+)(图1a)，然后将衬底1与衬底2键合(图1b)，通过层转移和腐蚀技术留下锗硅层和硅层，对其图形化成方形的岛(图1c)，然后高温退火使上层的层的膨胀带动下层的硅共格侧向膨胀(图1d)，由于硼化的磷玻璃的顺性存在，应变硅不会发生翘曲。最后利用选择腐蚀去除顶层锗硅层留下应变硅(图1e)。但由于该制作工艺使用的绝缘层是硼化的磷玻璃，虽然5nm厚的Si3N4沉积在硼化的磷玻璃和硅层之间以阻止硼(B)、磷(P)在CMOS高温工艺中的扩散，但毕竟增加了工艺难度并有潜在的风险。至今为止，所有涉及双轴拉伸应变硅的制作报道几乎都采用了Si锗硅生长和化学机械抛光(CMP)技术，这两种工艺的使用都有较高的成本。美国因特尔(Intel)公司还报道在器件制作工艺中利用沉积的氮化硅的张应力实现硅的单轴拉伸应变，从而提高N型场效应管(FET)电子迁移率的性能，在源/漏区域用选择外延锗硅的方法实现单轴压缩应力以提高P型场效应管空穴迁移率的性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服当前制备技术成本高的缺陷，提供一种低成本的且与硅基半导体工艺完全兼容的绝缘体上应变硅的制作方法。为了实现本专利技术的目的，本专利技术的技术方案是，特点是，它包括以下步骤1.在顶层硅厚度为10-20纳米(nm)，埋层氧化物的厚度3000～4000埃()的超薄SOI硅片的顶层硅上用低压化学气相沉积(LPCVD)生长一层厚度为40～80纳米的致密光滑的非晶硅(α-Si)；2.再将另一衬底硅片热氧化生长一层200纳米的氧化硅；3.用步骤1所得沉积有非晶硅的超薄SOI硅片与用步骤2所得热生长氧化硅的硅片在400℃下低温键合；4.将键合后的硅片再减薄至SOI硅片的埋层氧化硅终止；5.再将腐蚀后的键合硅片对在600℃以上的高温下保温，使非晶硅相变为微晶硅；6.再升高温度至800℃～1150℃保温，使在低温下键合没有完成的键合反应继续，此时放出的反应产物水与部分相变得到的微晶硅反应生成氧化硅，微晶硅完全氧化后成为制作的SSOI材料的氧化物埋层一部分；7.经冷却后将上层氧化物腐蚀去除，完成了绝缘体上应变硅的制作。本方法的机理是由于非晶硅的密度能达到2.3～2.6g/cm3，而晶态硅的密度是2.3g/cm3，虽然在570℃以下用低压化学气相沉积(LPCVD)生长镜面光滑(粗糙度小于1nm)的非晶硅所产生的应力是压应力，但在600℃退火后可将压应力转变为张应力，显然是由于在600℃发生了非晶硅到微晶硅的不可逆相变，温度进一步升高在850℃以上时张应力降低，薄膜的应力是可以通过退火等工艺参数调节。同时，由于键合反应的主要产物是水，通过标准清洗或硝酸清洗预处理的键合所得到的键合反应产物的水有限，但利用氧等离子体键合技术，可以根据需要而适当增加键合反应产物水，使短时间内部分完成低温键合(此时仅牢固键合而键合反应不完全)，但在后续的高温工艺中键合反应继续，此时持续缓慢放出过剩的键合反应产物水与在600℃仅需30分钟转变为张应力的微晶硅发生反应，形成氧化硅，完成微晶硅的完全内氧化。所以，致密的非晶硅相变为微晶硅后体积发生不可逆的膨胀，带动其上层硅产生张应变，因此，本方法是可行的。本专利技术的有益效果是本方法通过致密光滑的非晶硅沉积技术、低温键合技术、非晶硅到微晶硅的不可逆相变控制以及微晶硅的内氧化技术的巧妙组合，避免了现有SSOI材料制备中昂贵的锗硅外延和化学机械抛光工艺，而且完全不需要像SGOI材料制作后要求后续的CMOS工艺修改等考虑，实现一种全新的SSOI材料的制作，同时达到降低SSOI的制作成本目标。附图说明下面结合附图对本专利技术作进一步说明。图1现有绝缘体上应变硅的制作方法之一；图2是起始超薄SOI硅片的材料剖视图；图3是在超薄SOI材料上生长一薄层致密光滑非晶硅(α-Si)(或辅以硅离子注入以增加非晶硅的密度)后的示意图；图4是另一硅片氧化后的示意图；图5是图3与图4所示硅片低温键合并减薄后的示意图；图6是图5所示减薄键合硅片对在经历600℃的非晶硅到微晶硅相变后，再经历800℃～1150℃的内氧化，并去除起始超薄SOI材料的氧化物后的SSOI材料示意图；图7是图例。具体实施例方式本专利技术的绝缘体上应变硅(SSOI)材料的制备工艺过程举例如下1.所用超薄SOI硅片如图2所示，顶层硅的厚度在15纳米厚，埋层氧化物的厚度在3500，在顶层硅上用低压化学气相沉积生长一层厚度在40纳米的致密光滑的非晶硅(α-Si)，如图3所示；2.再将另一衬底硅片热氧化生长一层200纳米的氧化硅，如图4所示；3.用步骤1所得到的硅片与步骤2所得硅片低温400℃键合(SiO2/α-Si)；4.将键合后的硅片再减薄腐蚀至SOI硅片的埋层氧化物终止，如图5所示，减薄腐蚀用机械和化学腐蚀；5.将步骤3所得的键合硅片在600℃保温30分钟使非晶硅相变为微晶硅；6.将按第4、第5步骤经减薄腐蚀后的键合硅片在1000℃保温，使低温键合未完全反应的键合反应继续反应，同时释放出键合反应产物水，由于水与相变得到的微晶硅反应生成氧化硅(SiO2)，使微晶硅完全氧化后成为所制备SSOI材料的氧化物埋层一部分；7.冷却后将上层氧化物腐蚀去除，便完本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种采用相变方法实现绝缘体上应变硅的制作方法，其特征在于，它包括以下步骤：１）在顶层硅厚度为１０－２０纳米，埋层氧化物的厚度３０００～４０００＊的超薄ＳＯＩ硅片的顶层硅上用低压化学气相沉积生长一层厚度为９０－１１０纳米的致密光滑的非 晶硅（α－Ｓｉ）；２）再将另一硅片热氧化生长一层１９０－２１０纳米的氧化硅；３）用步骤１所得沉积有非晶硅的超薄ＳＯＩ硅片与用步骤２所得热生长氧化硅的硅片在４００℃下低温键合；４）将键合后的硅片再用机械和化学腐蚀减薄至 ＳＯＩ硅片的埋层氧化硅终止；５）再将腐蚀后的键合硅片在６００℃以上的高温下保温，使非晶硅相变为微晶硅；６）再升高温度至８００℃～１１５０℃保温，使在低温下键合没有完成的键合反应继续，此时放出的反应产物水与步骤相变得到的微晶硅 反应生成氧化硅，使微晶硅完全氧化后成为制作的ＳＳＯＩ材料的氧化物埋层一部分；７）经冷却后将上层氧化物腐蚀去除，完成了绝缘体上应变硅的制作。
【技术特征摘要】
1.一种采用相变方法实现绝缘体上应变硅的制作方法，其特征在于，它包括以下步骤1)在顶层硅厚度为10-20纳米，埋层氧化物的厚度3000～4000的超薄SOI硅片的顶层硅上用低压化学气相沉积生长一层厚度为90-110纳米的致密光滑的非晶硅(α-Si)；2)再将另一硅片热氧化生长一层190-210纳米的氧化硅；3)用步骤1所得沉积有非晶硅的超薄SOI硅片与用步骤2所得热生长氧化硅的硅片在400℃下低温键合...
【专利技术属性】
技术研发人员：张轩雄，茹国平，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。