專利名稱：一種采用相變方法實(shí)現(xiàn)絕緣體上應(yīng)變硅的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及應(yīng)變硅的制作技術(shù)，特別是利用不可逆相變的方法實(shí)現(xiàn)絕緣體上應(yīng)變硅的制作。
背景技術(shù)：
應(yīng)變硅具有高的載流子遷移率已經(jīng)得到證實(shí)。如將應(yīng)變硅技術(shù)引入絕緣體上的硅(Silicon on insulator，SOI)中的頂層硅能使本已優(yōu)越的SOI互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)電路獲得更加優(yōu)越的性能。因此，制備帶有絕緣埋層的應(yīng)變硅能夠結(jié)合SOI與應(yīng)變硅的優(yōu)勢(shì)于一體，成為將來理想的硅基微電子材料，由此也成為目前國際上的一個(gè)熱門研究課題。目前雖有人用氧注入隔離(separation-by-implanted-oxygen，SIMOX)技術(shù)制備了在帶有絕緣層的鍺硅層上的應(yīng)變硅(strained-silicon-on-SiGe-on-insulator，SGOI)，但由于埋層氧化物形成需要高的退火溫度，導(dǎo)致鍺(Ge)的擴(kuò)散，使作為應(yīng)變模版的鍺硅(SiGe)層的作用大大降低。利用類似SOI制備技術(shù)中的智能切割(Smart-Cut)亦即層轉(zhuǎn)移技術(shù)制備了SGOI材料，但由于應(yīng)變硅層下的鍺硅層存在，迫使對(duì)CMOS工藝做出相應(yīng)的改變，以盡可能排除鍺硅層帶來的不利影響。因此制備應(yīng)變硅直接在絕緣體上的研究成為理想硅基微電子材料的重要研究目標(biāo)。為此，通常人們采用帶氧化硅與在鍺硅上外延應(yīng)變硅層直接鍵合，再用選擇腐蝕的方法去除鍺硅層或類似智能切割技術(shù)實(shí)現(xiàn)外延應(yīng)變硅層轉(zhuǎn)移，最終實(shí)現(xiàn)絕緣體上應(yīng)變硅(SSOI/SSDOI)材料的制備。有文獻(xiàn)報(bào)道利用梯度變化的鍺硅外延到實(shí)現(xiàn)超薄應(yīng)變硅的生長，然后通過鍵合和選擇腐蝕的方式實(shí)現(xiàn)SSDOI/SSOI的制作。最近國內(nèi)研究者報(bào)道采用在SOI襯底上進(jìn)行鍺硅外延后注入氮到初始的SOI薄層硅中，退火并選擇腐蝕去除外延的鍺硅層后，實(shí)現(xiàn)了硅的0.72％應(yīng)變量，但其腐蝕后的表面明顯粗糙。又有文獻(xiàn)報(bào)道利用硼化的磷玻璃(BPSG)作為絕緣層代替氧化硅，通過改變硼化的磷玻璃中的成份比例可以實(shí)現(xiàn)粘度的調(diào)節(jié)。其制作過程如圖1所示。首先在襯底1上沉積硼化的磷玻璃，襯底2上外延鍺硅后再生長硅并注入氫(H+)(圖1a)，然后將襯底1與襯底2鍵合(圖1b)，通過層轉(zhuǎn)移和腐蝕技術(shù)留下鍺硅層和硅層，對(duì)其圖形化成方形的島(圖1c)，然后高溫退火使上層的層的膨脹帶動(dòng)下層的硅共格側(cè)向膨脹(圖1d)，由于硼化的磷玻璃的順性存在，應(yīng)變硅不會(huì)發(fā)生翹曲。最后利用選擇腐蝕去除頂層鍺硅層留下應(yīng)變硅(圖1e)。但由于該制作工藝使用的絕緣層是硼化的磷玻璃，雖然5nm厚的Si3N4沉積在硼化的磷玻璃和硅層之間以阻止硼(B)、磷(P)在CMOS高溫工藝中的擴(kuò)散，但畢竟增加了工藝難度并有潛在的風(fēng)險(xiǎn)。
至今為止，所有涉及雙軸拉伸應(yīng)變硅的制作報(bào)道幾乎都采用了Si鍺硅生長和化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)技術(shù)，這兩種工藝的使用都有較高的成本。美國因特爾(Intel)公司還報(bào)道在器件制作工藝中利用沉積的氮化硅的張應(yīng)力實(shí)現(xiàn)硅的單軸拉伸應(yīng)變，從而提高N型場(chǎng)效應(yīng)管(FET)電子遷移率的性能，在源/漏區(qū)域用選擇外延鍺硅的方法實(shí)現(xiàn)單軸壓縮應(yīng)力以提高P型場(chǎng)效應(yīng)管空穴遷移率的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服當(dāng)前制備技術(shù)成本高的缺陷，提供一種低成本的且與硅基半導(dǎo)體工藝完全兼容的絕緣體上應(yīng)變硅的制作方法。
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是一種采用相變方法實(shí)現(xiàn)絕緣體上應(yīng)變硅的制作方法，特點(diǎn)是，它包括以下步驟1.在頂層硅厚度為10-20納米(nm)，埋層氧化物的厚度3000～4000埃()的超薄SOI硅片的頂層硅上用低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)生長一層厚度為40～80納米的致密光滑的非晶硅(α-Si)；2.再將另一襯底硅片熱氧化生長一層200納米的氧化硅；3.用步驟1所得沉積有非晶硅的超薄SOI硅片與用步驟2所得熱生長氧化硅的硅片在400℃下低溫鍵合；4.將鍵合后的硅片再減薄至SOI硅片的埋層氧化硅終止；5.再將腐蝕后的鍵合硅片對(duì)在600℃以上的高溫下保溫，使非晶硅相變?yōu)槲⒕Ч瑁?.再升高溫度至800℃～1150℃保溫，使在低溫下鍵合沒有完成的鍵合反應(yīng)繼續(xù)，此時(shí)放出的反應(yīng)產(chǎn)物水與部分相變得到的微晶硅反應(yīng)生成氧化硅，微晶硅完全氧化后成為制作的SSOI材料的氧化物埋層一部分；7.經(jīng)冷卻后將上層氧化物腐蝕去除，完成了絕緣體上應(yīng)變硅的制作。
本方法的機(jī)理是由于非晶硅的密度能達(dá)到2.3～2.6g/cm3，而晶態(tài)硅的密度是2.3g/cm3，雖然在570℃以下用低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)生長鏡面光滑(粗糙度小于1nm)的非晶硅所產(chǎn)生的應(yīng)力是壓應(yīng)力，但在600℃退火后可將壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閺垜?yīng)力，顯然是由于在600℃發(fā)生了非晶硅到微晶硅的不可逆相變，溫度進(jìn)一步升高在850℃以上時(shí)張應(yīng)力降低，薄膜的應(yīng)力是可以通過退火等工藝參數(shù)調(diào)節(jié)。同時(shí)，由于鍵合反應(yīng)的主要產(chǎn)物是水，通過標(biāo)準(zhǔn)清洗或硝酸清洗預(yù)處理的鍵合所得到的鍵合反應(yīng)產(chǎn)物的水有限，但利用氧等離子體鍵合技術(shù)，可以根據(jù)需要而適當(dāng)增加鍵合反應(yīng)產(chǎn)物水，使短時(shí)間內(nèi)部分完成低溫鍵合(此時(shí)僅牢固鍵合而鍵合反應(yīng)不完全)，但在后續(xù)的高溫工藝中鍵合反應(yīng)繼續(xù)，此時(shí)持續(xù)緩慢放出過剩的鍵合反應(yīng)產(chǎn)物水與在600℃僅需30分鐘轉(zhuǎn)變?yōu)閺垜?yīng)力的微晶硅發(fā)生反應(yīng)，形成氧化硅，完成微晶硅的完全內(nèi)氧化。所以，致密的非晶硅相變?yōu)槲⒕Ч韬篌w積發(fā)生不可逆的膨脹，帶動(dòng)其上層硅產(chǎn)生張應(yīng)變，因此，本方法是可行的。
本發(fā)明的有益效果是本方法通過致密光滑的非晶硅沉積技術(shù)、低溫鍵合技術(shù)、非晶硅到微晶硅的不可逆相變控制以及微晶硅的內(nèi)氧化技術(shù)的巧妙組合，避免了現(xiàn)有SSOI材料制備中昂貴的鍺硅外延和化學(xué)機(jī)械拋光工藝，而且完全不需要像SGOI材料制作后要求后續(xù)的CMOS工藝修改等考慮，實(shí)現(xiàn)一種全新的SSOI材料的制作，同時(shí)達(dá)到降低SSOI的制作成本目標(biāo)。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
圖1現(xiàn)有絕緣體上應(yīng)變硅的制作方法之一；圖2是起始超薄SOI硅片的材料剖視圖；圖3是在超薄SOI材料上生長一薄層致密光滑非晶硅(α-Si)(或輔以硅離子注入以增加非晶硅的密度)后的示意圖；圖4是另一硅片氧化后的示意圖；圖5是圖3與圖4所示硅片低溫鍵合并減薄后的示意圖；圖6是圖5所示減薄鍵合硅片對(duì)在經(jīng)歷600℃的非晶硅到微晶硅相變后，再經(jīng)歷800℃～1150℃的內(nèi)氧化，并去除起始超薄SOI材料的氧化物后的SSOI材料示意圖；圖7是圖例。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的絕緣體上應(yīng)變硅(SSOI)材料的制備工藝過程舉例如下1.所用超薄SOI硅片如圖2所示，頂層硅的厚度在15納米厚，埋層氧化物的厚度在3500，在頂層硅上用低壓化學(xué)氣相沉積生長一層厚度在40納米的致密光滑的非晶硅(α-Si)，如圖3所示；2.再將另一襯底硅片熱氧化生長一層200納米的氧化硅，如圖4所示；3.用步驟1所得到的硅片與步驟2所得硅片低溫400℃鍵合(SiO2/α-Si)；4.將鍵合后的硅片再減薄腐蝕至SOI硅片的埋層氧化物終止，如圖5所示，減薄腐蝕用機(jī)械和化學(xué)腐蝕；5.將步驟3所得的鍵合硅片在600℃保溫30分鐘使非晶硅相變?yōu)槲⒕Ч瑁?.將按第4、第5步驟經(jīng)減薄腐蝕后的鍵合硅片在1000℃保溫，使低溫鍵合未完全反應(yīng)的鍵合反應(yīng)繼續(xù)反應(yīng)，同時(shí)釋放出鍵合反應(yīng)產(chǎn)物水，由于水與相變得到的微晶硅反應(yīng)生成氧化硅(SiO2)，使微晶硅完全氧化后成為所制備SSOI材料的氧化物埋層一部分；7.冷卻后將上層氧化物腐蝕去除，便完成了絕緣體上應(yīng)變硅的制作，如圖6所示。
本方法的第一步也可以用硅離子注入的方法增加非晶硅的密度方法。
以上所述內(nèi)容僅為本發(fā)明構(gòu)思下的基本說明，而依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案所作的任何等效變換，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種采用相變方法實(shí)現(xiàn)絕緣體上應(yīng)變硅的制作方法，其特征在于，它包括以下步驟1)在頂層硅厚度為10-20納米，埋層氧化物的厚度3000～4000的超薄SOI硅片的頂層硅上用低壓化學(xué)氣相沉積生長一層厚度為90-110納米的致密光滑的非晶硅(α-Si)；2)再將另一硅片熱氧化生長一層190-210納米的氧化硅；3)用步驟1所得沉積有非晶硅的超薄SOI硅片與用步驟2所得熱生長氧化硅的硅片在400℃下低溫鍵合；4)將鍵合后的硅片再用機(jī)械和化學(xué)腐蝕減薄至SOI硅片的埋層氧化硅終止；5)再將腐蝕后的鍵合硅片在600℃以上的高溫下保溫，使非晶硅相變?yōu)槲⒕Ч瑁?)再升高溫度至800℃～1150℃保溫，使在低溫下鍵合沒有完成的鍵合反應(yīng)繼續(xù)，此時(shí)放出的反應(yīng)產(chǎn)物水與步驟相變得到的微晶硅反應(yīng)生成氧化硅，使微晶硅完全氧化后成為制作的SSOI材料的氧化物埋層一部分；7)經(jīng)冷卻后將上層氧化物腐蝕去除，完成了絕緣體上應(yīng)變硅的制作。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種采用相變方法實(shí)現(xiàn)絕緣體上應(yīng)變硅的制作方法，它通過致密光滑的非晶硅沉積技術(shù)、低溫鍵合技術(shù)、非晶硅到微晶硅的不可逆相變控制以及微晶硅的內(nèi)氧化技術(shù)的巧妙組合，避免了現(xiàn)有SSOI材料制備中昂貴的鍺硅外延和化學(xué)機(jī)械拋光工藝，而且完全不需要像SGOI材料制作后要求后續(xù)的CMOS工藝修改等考慮，實(shí)現(xiàn)一種全新的SSOI材料的制作，同時(shí)達(dá)到降低SSOI的制作成本目標(biāo)。
文檔編號(hào)H01L21/20GK1851900SQ20061002528
公開日2006年10月25日 申請(qǐng)日期2006年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月30日
發(fā)明者張軒雄, 茹國平 申請(qǐng)人:上海理工大學(xué)