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(jí)單軸應(yīng)變SiGe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埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸應(yīng)變SiGe的制作方法，其實(shí)現(xiàn)步驟為：對(duì)絕緣層上硅鍺SGOI晶圓進(jìn)行清洗，并進(jìn)行He離子注入；在離子注入后的SGOI晶圓頂層SiGe層上淀積淀積?1.2GPa以上的壓應(yīng)力SiN薄膜或1.2GPa以上的張應(yīng)力SiN薄膜，并刻蝕SiN薄膜成條形陣列；對(duì)帶有SiN薄膜陣列的SGOI晶圓進(jìn)行退火；腐蝕去除SGOI晶圓表面上的SiN薄膜陣列，得到晶圓級(jí)單軸應(yīng)變SGOI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?cè)陧攲覩e層引入應(yīng)變，可制作用于高溫、高功率、抗輻射集成電路所需的SGOI晶圓。
【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(jí)單軸應(yīng)變Si Ge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SiN埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸應(yīng)變SiGe材料的制作方法，可制作用于高溫、大功耗、高功率、抗輻射集成電路所需的SGOI晶圓。
【背景技術(shù)】
[0002]業(yè)內(nèi)所知，SiGe兼具Si和Ge的優(yōu)點(diǎn)，以其器件與電路的工作頻率高、功耗小、比GaAs價(jià)廉、與Si CMOS工藝兼容、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，在微波器件、移動(dòng)通信、高頻電路等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景和競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。SiGe還是極優(yōu)異的光電材料，在探測(cè)器、調(diào)制器、光波導(dǎo)、光發(fā)射器、太陽(yáng)電池、光電集成等方面有著廣泛的應(yīng)用。與應(yīng)變Si相似，應(yīng)變SiGe也具有載流子迀移率高的特性。
[0003]與體Si相比，SOI器件與電路具有功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、集成密度高、速度高、寄生電容小、工藝簡(jiǎn)單、抗輻照能力強(qiáng)、并可徹底消除體硅CMOS的閂鎖效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，在高速、低功耗、抗輻照等器件與電路領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，是21世紀(jì)Si集成電路技術(shù)的發(fā)展方向。
[0004]絕緣層上應(yīng)變鍺硅SSGOI結(jié)合了應(yīng)變SiGe和SOI的優(yōu)點(diǎn)，為研發(fā)新型的超高速、低功耗、抗輻射、高集成度硅基器件和芯片提供一種新的解決方案，在光電集成、系統(tǒng)級(jí)芯片等方面也有著重要的應(yīng)用前景。SGOI晶圓一般為“SiGe/絕緣層/Si”三層結(jié)構(gòu)。SGOI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SGOI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(hào)傳輸丟失，也阻礙了 SGOI材料在高密度、高功率集成電路中的應(yīng)用。而用SiN取代S12的SGOI具有更好的絕緣性和散熱性，已廣泛應(yīng)用在高溫、大功耗集成電路中。
[0005]傳統(tǒng)的應(yīng)變SGOI是基于SOI晶圓的雙軸壓應(yīng)變，即在SOI晶圓上直接生長(zhǎng)應(yīng)變SiGe，或先在SOI晶圓上生長(zhǎng)Ge組分漸變的SiGe層作虛襯底，再在該SiGe層上外延生長(zhǎng)所需的應(yīng)變SiGe層。傳統(tǒng)應(yīng)變SGOI的主要缺點(diǎn)是位錯(cuò)密度高、只能是雙軸壓應(yīng)變、迀移率提升不高、SiGe虛襯底增加了熱開銷和制作成本、SiGe虛襯底嚴(yán)重影響了器件與電路的散熱、應(yīng)變SiGe層臨界厚度受Ge組分限制、高場(chǎng)下空穴迀移率的提升會(huì)退化等。相對(duì)于雙軸應(yīng)變SGOI，單軸應(yīng)變對(duì)載流子迀移率的提升不隨電場(chǎng)的升高而退化，而且在相同的應(yīng)變量下，單軸應(yīng)變對(duì)載流子迀移率的提升高于雙軸應(yīng)變對(duì)載流子迀移率的提升。
[0006]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(jí)單軸應(yīng)變SGOI材料的新方法專利(CN201110361514.6)，用以制作SiN埋絕緣層晶圓級(jí)全局單軸應(yīng)變SGOI材料，其主要工藝如圖1所示，步驟如下:
[0007]1、將SiN埋絕緣層SGOI晶圓頂層SiGe層向上放置在弧形彎曲臺(tái)上，其彎曲方向與〈110〉或〈100〉方向平行。
[0008]2、彎曲臺(tái)上的兩根圓柱形水平壓桿分別放置在SGOI晶圓片兩端，用圓柱形水平壓桿使SGOI晶圓與弧形臺(tái)面完全貼合。
[0009]3、在溫度200 °C至1250 °C的退火爐中退火1.5小時(shí)至10小時(shí)，使SiN埋絕緣層在此過程中發(fā)生塑性形變。
[0010]4、卸下SGOI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SiGe層。
[0011]但是該方法存在以下幾個(gè)缺點(diǎn):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SGOI，該方法需要額外制作對(duì)應(yīng)的不同曲率半徑的彎曲臺(tái)，且所制作的彎曲臺(tái)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SGOI晶圓彎曲，會(huì)在頂層SiGe中引入缺陷；若SGOI晶圓彎曲度過大，會(huì)造成圓片碎裂。3)由于擔(dān)心SGOI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SiGe中引入的應(yīng)變量的大小，所能實(shí)現(xiàn)的應(yīng)變量較小。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的目的在于針對(duì)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埋絕緣上層晶圓級(jí)單軸應(yīng)變SiGe的制作方法，以降低應(yīng)變SGOI晶圓的制作工藝復(fù)雜度和成本，提高單軸應(yīng)變SGOI的應(yīng)變量，增強(qiáng)SGOI晶圓片的電子迀移率與空穴迀移率，滿足SGOI器件與集成電路的電學(xué)和光學(xué)性能要求。
[0013]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案包括如下:
[0014](I)對(duì)絕緣層上硅鍺SGOI晶圓進(jìn)行清洗，該SGOI晶圓包括頂層SiGe層、SiN埋絕緣層和Si襯底三層結(jié)構(gòu)；
[0015](2)對(duì)清洗過的SGOI晶圓進(jìn)行He離子注入，即將He離子注入到SGOI晶圓的SiN埋絕緣層與Si襯底界面處；
[0016](3)在離子注入后的SGOI晶圓頂層SiGe上采用PECVD等工藝淀積-1.2GPa以上的壓應(yīng)力SiN薄膜或1.2GPa以上的張應(yīng)力SiN薄膜；
[0017](4)利用半導(dǎo)體光刻和干法刻蝕工藝，對(duì)SiN薄膜進(jìn)行條形圖形化，形成條寬和間距均為0.12μπι?0.14μπι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(zhǎng)度方向應(yīng)力的氮化硅壓應(yīng)力條或張應(yīng)力條，使頂層SiGe層和SiN埋絕緣層發(fā)生整體的單軸拉伸形變或單軸壓縮形變，進(jìn)而導(dǎo)致SGOI晶圓轉(zhuǎn)變?yōu)榫A級(jí)的單軸張應(yīng)變SGOI或單軸壓應(yīng)變SGOI ；
[0018](5)對(duì)頂層SiGe表面形成條形SiN薄膜陣列的SGOI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SiGe層應(yīng)力不消失;
[0019](6)通過濕法腐蝕去除SGOI晶圓表面上的條形SiN薄膜陣列，最終得到晶圓級(jí)單軸張應(yīng)變SGOI或單軸壓應(yīng)變SGOI材料。
[0020]本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0021]1、與現(xiàn)有集成電路工藝完全兼容:本發(fā)明晶圓級(jí)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(shí)現(xiàn)，工藝簡(jiǎn)單，不需要額外定制工藝所需設(shè)備。
[0022]2、可靠性高:本發(fā)明通過將高應(yīng)力SiN條形陣列引入晶圓級(jí)單軸應(yīng)變，不需要對(duì)SGOI施加機(jī)械外力，從而防止了圓片發(fā)生彎曲，避免了頂層SiGe中的缺陷產(chǎn)生和圓片碎裂，提尚了成品率。
[0023]3、成本低: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(jí)的單軸應(yīng)變，故可采用普通SGOI晶圓來制作單軸全局應(yīng)變SGOI材料，而非雙軸應(yīng)變SGOI晶圓，降低了工藝成本。
[0024]4、應(yīng)變量大:本發(fā)明通過條形SiN條形陣列的單軸應(yīng)力使頂層SiGe層和SiN埋絕緣層發(fā)生整體的單軸拉伸形變或單軸壓縮形變來引入應(yīng)變，可以通過調(diào)整SiN薄膜淀積工藝增大應(yīng)變量。
[0025]5、抑制寄生反應(yīng):傳統(tǒng)的S12埋絕緣層易與Ge組分反應(yīng)，使用SiN埋絕緣層能很好的抑制寄生反應(yīng)的產(chǎn)生。
【附圖說明】
[0026]圖1為現(xiàn)有晶圓級(jí)單軸應(yīng)變SGOI晶圓的工藝流程圖。
[0027]圖2為本發(fā)明的SiN埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸應(yīng)變SiGe工藝流程圖。
[0028]圖3為本發(fā)明中淀積在頂層SiGe層上的條形SiN薄膜陣列的俯視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]本發(fā)明的技術(shù)原理如下:
[0030]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(huì)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?140nm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(zhǎng)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SiGe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(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)，并同時(shí)導(dǎo)致SiN埋絕緣層產(chǎn)生拉伸或壓縮的塑性形變，而頂層SiGe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SiGe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SiGe層的晶圓級(jí)單軸應(yīng)變SOI。
[0031]SiN埋絕緣層SGOI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，頂層SiGe層厚度為100?500nmo
[0032]參照?qǐng)D2，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(jí)單軸應(yīng)變SiGe的制作方法的三個(gè)實(shí)施例，即制備5英寸、8英寸、12英寸的SiN埋絕緣層單軸應(yīng)變SGOI晶圓材料，不同規(guī)格的SiN埋絕緣層SGOI晶圓均包括三層結(jié)構(gòu):Si襯底3、SiN埋絕緣層2和頂層SiGe層I，如圖2a所示。其中:
[0033]5英寸SiN埋絕緣層SGOI晶圓，其Si襯底的厚度為550ym，SiN埋絕緣層的厚度為500nm，頂層SiGe層的厚度為10nm;
[0034]8英寸SiN埋絕緣層SGOI晶圓，其Si襯底的厚度為550ym，SiN埋絕緣層的厚度為500nm，頂層SiGe層的厚度為300nm ；
[0035]12英寸SiN埋絕緣層SGOI晶圓，其Si襯底的厚度為550ym，SiN埋絕緣層的厚度為500nm，頂層SiGe層的厚度為500nm。
[0036]實(shí)施例1，制備5英寸SiN埋絕緣層單軸張應(yīng)變SGOI晶圓材料。
[0037]步驟1:清洗SiN埋絕緣層SGOI晶圓，以去除表面污染物。
[0038](1.1)使用丙酮和異丙醇對(duì)SGOI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；
[0039](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SGOI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SGOI晶圓表面無機(jī)污染物；
[0040](1.3)將SGOI晶圓用HF酸緩沖液浸泡2分鐘，去除表面的氧化層。
[0041 ] 步驟2:離子注入。
[0042]對(duì)已清洗的SGOI晶圓注入劑量為lE14cm—2，能量50Kev的He離子，以疏松Si襯底3與SiN埋絕緣層2之間的界面4，如圖2b所示。
[0043]步驟3:淀積SiN薄膜。
[0044](3.1)將離子注入后的SGOI晶圓取出，置于等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積PECVD反應(yīng)室中，先啟動(dòng)真空栗，將反應(yīng)室抽真空至2.7Torr，再啟動(dòng)加熱器將反應(yīng)室的溫度升至400°C并保持恒溫；
[0045](3.2)向反應(yīng)室內(nèi)依次通入0.36slm的高純SiH4，2.0slm的高純NH3，2.0slm的高純
N2;
[0046](3.3)設(shè)高頻HF功率為0.32KW，低頻LF功率為0.76KW，在SGOI晶圓上淀積厚度為
0.7口!11，應(yīng)力為-1.26?&的3丨~壓應(yīng)力膜5，如圖2(3所示；
[0047](3.4)淀積完成后將反應(yīng)室抽真空，再將反應(yīng)室溫度降溫至室溫后，取出淀積了SiN壓應(yīng)力膜的SGOI晶圓。
[0048]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。
[0049](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0.14μηι的光刻板進(jìn)行曝光，曝光的區(qū)域?yàn)閷挾群烷g隔均為0.14μηι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；
[0050](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(duì)淀積在SGOI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
0.14μπι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(zhǎng)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SGOI晶圓俯視圖如圖3所示；
[0051](4.3)去除條形SiN薄膜陣列上的光刻膠。
[0052]步驟5:退火。
[0053]對(duì)頂層SiGe層I表面形成條形SiN薄膜陣列6的SGOI晶圓進(jìn)行退火，如圖2e所示，SP在升溫速率為4°C/min，溫度為310°C的條件下在惰性氣體He中退火3.5小時(shí)，再以4°(:/11^11的速率降溫至室溫。在退火過程中，條形SiN薄膜陣列6的應(yīng)力會(huì)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。
[0054]步驟6:去除條形SiN薄膜。
[0055]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5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，如圖2f所示。
[0056]實(shí)施例2，制備8英寸SiN埋絕緣層單軸壓應(yīng)變SGOI晶圓材料。
[0057]步驟一:清洗SiN埋絕緣層SGOI晶圓，以去除表面污染物。
[0058]本步驟的實(shí)現(xiàn)與實(shí)施例1的步驟I相同。
[0059]步驟二:對(duì)已清洗的SGOI晶圓注入劑量為lE15cm—2，能量85Kev的He離子，以使Si襯底3和SiN埋絕緣層2之間的界面4得到疏松，如圖2b所示。
[0060]步驟三:在已完成離子注入的SGOI晶圓的頂層SiGe層I的表面淀積厚度為0.7μπι，應(yīng)力為1.2GPa的張應(yīng)力SiN薄膜5，如圖2c所示。
[0061]本步驟的實(shí)現(xiàn)過程與實(shí)施例1的步驟3相同，其工藝參數(shù)如下:
[0062]反應(yīng)室溫度為400°C，反應(yīng)室壓強(qiáng)為3.11'0^高頻冊(cè)功率為1.31(￥，低頻1^功率為
0.31KW，SiH4流量為0.31slm，NH3流量為1.9slm，高純氮?dú)饬髁繛閘.lslm。
[0063]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。
[0064](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0.13μηι的光刻板進(jìn)行曝光，曝光的區(qū)域?yàn)閷挾群烷g隔均為0.13μηι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；
[0065](4b)采用反應(yīng)離子刻蝕RIE工藝，對(duì)淀積在SGOI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0.13μπι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(zhǎng)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SGOI晶圓俯視圖如圖3所示，反應(yīng)離子刻蝕RIE工藝條件與實(shí)施例1中的步驟(4.1)相同；
[0066](4c)去除條形SiN薄膜陣列6上的光刻膠。
[0067]步驟五:對(duì)頂層SiGe層I表面形成條形SiN薄膜陣列6的SGOI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360°C的條件下在惰性氣體Ne中退火3小時(shí)，再以4°C/min的速率降溫至室溫。在退火過程中，條形SiN薄膜陣列6的應(yīng)力會(huì)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。
[0068]步驟六:去除SGOI晶圓頂層SiGe層I表面的條形SiN薄膜陣列6，如圖2f所示。
[0069]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160°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的單軸壓應(yīng)變SOI晶圓材料。
[0070]實(shí)施例3，制備12英寸SiN埋絕緣層單軸張應(yīng)變SGOI晶圓材料。
[0071 ] 步驟A:清洗SiN埋絕緣層SGOI晶圓，以去除表面污染物。
[0072]本步驟的實(shí)現(xiàn)與實(shí)施例1的步驟I相同。
[0073 ] 步驟B:對(duì)已清洗的SGOI晶圓進(jìn)行離子注入，以使S i襯底3和S iN埋絕緣層2界面4疏松，如圖2b所示。
[0074]離子注入的工藝是:注入的離子為He離子，注入劑量為lE16cm—2，注入能量120Kev。
[0075]步驟C:淀積SiN薄膜。
[0076]在已完成離子注入的SGOI晶圓的頂層SiGe層I的表面淀積厚度為0.9μπι，應(yīng)力為-1.3GPa的壓應(yīng)力SiN薄膜5，如圖2c所示；
[0077]本步驟的實(shí)現(xiàn)過程與實(shí)施例1的步驟3相同，其工藝參數(shù)如下:
[0078]反應(yīng)室溫度為400°C，反應(yīng)室壓強(qiáng)為2.0Torr，高頻HF功率為0.40KW，低頻LF功率為
0.65KW，SiH4流量為0.26slm，NH3流量為2.2slm，高純氮?dú)饬髁繛?.4slm。
[0079]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。
[0080](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?yàn)閷挾群烷g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；
[0081 ] (D2)采用反應(yīng)離子刻蝕RIE工藝，對(duì)淀積在SGOI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(zhǎng)度方向應(yīng)力的氮化硅應(yīng)力條，得到帶有SiN薄膜陣列6的SGOI晶圓，其俯視圖如圖3所示，反應(yīng)離子刻蝕RIE工藝條件與實(shí)施例1的步驟(4.1)相同；
[0082](D3)去除條形SiN薄膜陣列6上的光刻膠。
[0083]步驟E:退火。
[0084]對(duì)頂層SiGe層I表面形成條形SiN薄膜陣列6的SGOI晶圓進(jìn)行退火，如圖2e所示，SP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2.5小時(shí)，再以4°(:/1^11的速率降溫至室溫。在退火過程中，條形SiN薄膜陣列6的應(yīng)力會(huì)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。
[0085]步驟F:去除條形SiN薄膜陣列。
[0086]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的單軸張應(yīng)變SOI晶圓材料，如圖2f所示。
【主權(quán)項(xiàng)】
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(jí)單軸應(yīng)變SiGe的制作方法，包括如下步驟: (1)對(duì)絕緣層上硅鍺SGOI晶圓進(jìn)行清洗，該SGOI晶圓包括頂層SiGe層、SiN埋絕緣層和Si襯底三層結(jié)構(gòu)； (2)對(duì)清洗過的SGOI晶圓進(jìn)行He離子注入，即將He離子注入到SGOI晶圓的SiN埋絕緣層與Si襯底界面處； (3)在離子注入后的SGOI晶圓頂層SiGe上采用PECVD等工藝淀積采用PECVD等工藝淀積-1.2GPa以上的壓應(yīng)力SiN薄膜或I.2GPa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(duì)SiN薄膜進(jìn)行條形圖形化，形成條寬和間距均為0.12μπι?0.14μπι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(zhǎng)度方向應(yīng)力的氮化硅壓應(yīng)力條或張應(yīng)力條，使頂層SiGe層和SiN埋絕緣層發(fā)生整體的單軸拉伸形變或單軸壓縮形變，進(jìn)而導(dǎo)致SGOI晶圓轉(zhuǎn)變?yōu)榫A級(jí)的單軸張應(yīng)變SGOI或單軸壓應(yīng)變SGOI; (5)對(duì)頂層SiGe表面形成條形SiN薄膜陣列的SGOI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SiGe層應(yīng)力不消失； (6)通過濕法腐蝕去除SGOI晶圓表面上的條形SiN薄膜陣列，最終得到晶圓級(jí)單軸張應(yīng)變SGOI或單軸壓應(yīng)變SGOI材料。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟(I)中的SGOI晶圓，其包括3英寸、4英寸、5英寸、6英寸、8英寸、12英寸的不同規(guī)格，頂層SiGe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(duì)SGOI晶圓進(jìn)行清洗，其步驟如下: (Ia)使用丙酮和異丙醇對(duì)SGOI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I: 1:3的氨水、雙氧水、去離子水的混合溶液，并加熱至1200C，將SGOI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SGOI晶圓表面無機(jī)污染物； (I c)將SGOI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lE14cm—2?lE16cm—2變化，注入能量根據(jù)頂層SiGe層厚度的不同從50Kev?120Kev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SiGe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0.32KW?0.40KW； 低頻功率LF從0.66KW?0.76KW； 高純SiH4流量0.26slm?0.36slm，高純冊(cè)3流量2.0slm?2.2slm，高純氮?dú)饬髁?.0slm?2.4slm； 反應(yīng)室壓強(qiáng)2.7Torr?2.0Torr ； 反應(yīng)室溫度400 °C; 淀積厚度0.7μηι?0.9μηι。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1.2KW?I.4KW; 低頻功率LF從0.2IKW?0.4IKW; 高純SiH4流量0.21slm?0.41slm，高純冊(cè)3流量1.8slm?2.0slm，高純氮?dú)饬髁?.9slm?I.3slm; 反應(yīng)室壓強(qiáng)3.0Torr?3.2Torr ； 反應(yīng)室溫度400 °C; 淀積厚度0.9μηι?1.3μηι。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?0.14μηι的光刻板進(jìn)行曝光，曝光的區(qū)域?yàn)閷挾群烷g隔均為0.12μηι?0.14μηι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SGOI晶圓頂層SiGe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?0.14μπι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:310°C?410 °C，時(shí)間:2.5?3.5小時(shí)，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(hào)】H01L21/762GK106098608SQ201610445758
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月20日
【發(fā)明人】苗東銘, 戴顯英, 郝躍, 焦帥, 祁林林, 梁彬
【申請(qǐng)人】西安電子科技大學(xué)