[发明专利]一种基于SiN埋绝缘层的晶圆级单轴应变SOI的制作方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及半导体衬底材料制作工艺技术，具体的说是一种基于SiN(氮化硅)埋绝缘层的单轴应变SOI(Silicon On Insulater，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，克服传统双轴应变SOI的高场迁移率退化。与现有单轴应变SOI技术相比，本发明具有应变度高、工艺简单、成品率高、成本低等优点。

背景技术

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。

而结合了应变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。

SOI晶圆的埋绝缘层通常是SiO₂(二氧化硅)，其热导率仅为硅的百分之一，阻碍了SOI在高温、大功率方面的应用；其介电常数仅为3.9，易导致信号传输丢失，也阻碍了SOI材料在高密度、高功率集成电路中的应用。用SiN取代SiO₂，其SOI具有更好的绝缘性和散热性，已广泛应用在高温、大功耗、高功率集成电路中。

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[1]C.Himcinschi.，I.Radu，F.Muster，R.SiNgh，M.Reiche，M.Petzold，U.Go¨ sele，S.H.Christiansen，Uniaxially strained silicon by wafer bonding and layer transfer，Solid-State Electronics，51(2007)226-230；[2]C.Himcinschi，M.Reiche，R.Scholz，S.H.Christiansen，and U.Compressive uniaxially strained silicon on insulator by prestrained wafer bonding and layer transferAPPLIED，PHYSICS LETTERS 90，231909(2007)。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200℃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℃下退火1小时，完成智能剥离，并最终形成单轴应变SOI晶圆。

与本发明相比，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℃，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。

发明内容