机械致单轴应变SOI晶圆的制作方法技术

本发明专利技术公开了一种机械致单轴应变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。本发明专利技术具有如下优点：1)应变效果好；2)表面粗糙度小；3)表面缺陷少；4)热性能良好；5)电学性能高；6)成品率高；7)退火温度范围大；8)制作工艺简单；9)制作设备少且可自制；10)制作成本低；11)原料易得。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微电子
，涉及半导体衬底材料制作工艺技术，具体的说是一种单轴应变SOI (Silicon On hsulater，绝缘层上硅)晶圆的制作方法，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迁移率提升的高场退化。与现有单轴应变 SOI技术相比，本专利技术具有应变度高、工艺简单、成品率高、成本低等优点。
技术介绍
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。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。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c. Himcinschi.，I. Radu，F. Muster, R. Si02gh, Μ. Reiche, Μ. Petzold, U. Go “ sele, S. H. Christiansen, Uniaxially strained sil icon by wafer bonding and layer transfer, Sol id-State Electronics,51 (2007) 226-230 ; C. Himcinschi, M. Reiche, R. Scholz, S. H. Christiansen, and U. Gosele , Compressive uniaxially strained silicon on insulator by prestrained wafer bonding and layer transferAPPLIED, PHYSICS LETTERS 90，231909 Q007)。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°C下退火1小时，完成智能剥离，并最终形成单轴应变SOI晶圆。与本专利技术相比，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°C，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。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种机械致单轴应变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
、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机械致单轴应变SOI晶圆的制作方法，包括以下步骤1)S0I晶圆顶层Si层面向上或向下放置在弧形弯曲台上；幻两根圆柱形压杆分别水平放置在SOI晶圆两端，距 SOI边缘lcm;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200°C至1250°C范围内可任意选择。例如，可在200V下退火10小时，也可在800V下退火2. 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200°C，以保证SOI晶圆中的SW2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；最高退火温度为1250°C，接近Si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. ail到0. !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200°C下退火10小时；或者在 800°C下退火2. 5小时；或者在1250°C下退火1. 5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。本专利技术的技术原理成品的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 SiO2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SiO2层的屈服强度但小于Si衬底的屈服强度，使SW2层发生塑性形变，而Si衬底始终是弹性形变。塑性形变的SiO2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SW2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，本专利技术具有以下优点1.应变效果好与现有相似的技术相比，同样弯曲度下，本专利技术的应变量高，因而可获得更高的电子迁移率和空穴迁移率。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：戴显英，张鹤鸣，郝跃，王琳，宁静，李志，王晓晨，查冬，付毅初，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：