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Ge的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)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Ge的制作方法，其實(shí)現(xiàn)步驟為：對(duì)GeOI晶圓進(jìn)行清洗，并進(jìn)行He離子注入；在離子注入后的GeOI晶圓頂層Ge層上淀積?1.1GPa以上的壓應(yīng)力SiN薄膜或1.1GPa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GeOI晶圓進(jìn)行退火；腐蝕去除GeOI晶圓表面上的SiN薄膜陣列，得到晶圓級(jí)單軸應(yīng)變GeOI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，可制作用于超高速、低功耗、抗輻射半導(dǎo)體器件和芯片所需的GeOI晶圓。
【專(zhuān)利說(shuō)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(shuō)是一種SiN埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸應(yīng)變Ge材料的制作方法，可制作用于超高速、低功耗、抗輻射、高功率集成度半導(dǎo)體器件和芯片所需的GeOI晶圓。
【背景技術(shù)】
[0002]業(yè)內(nèi)周知，半導(dǎo)體Ge的電子與空穴迀移率分別是Si的2.8倍和4.2倍，其空穴迀移率是所有半導(dǎo)體中最高的。將應(yīng)變技術(shù)引入Ge器件和集成電路的應(yīng)變Ge技術(shù)對(duì)載流子迀移率提升明顯，例如埋溝應(yīng)變Ge的空穴迀移率可提高6-8倍。因此，Ge及應(yīng)變Ge將是16納米及以下工藝Si基CMOS器件與集成電路的最佳溝道材料。Ge還具有遠(yuǎn)優(yōu)于Si的光電性，在探測(cè)器、調(diào)制器、光波導(dǎo)、光發(fā)射器、太陽(yáng)能電池等有著極為廣泛的應(yīng)用。
[0003]由于禁帶寬度只有0.67eV，導(dǎo)致Ge器件與電路的襯底的漏電較大。而GeOI正是為解決襯底泄漏電流而開(kāi)發(fā)的，目前已廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體器件與集成電路的制造。GeOI晶圓一般為“Ge/絕緣層/Si”三層結(jié)構(gòu)。GeOI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GeOI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GeOI在高密度、高功率集成電路中的應(yīng)用。而用SiN取代S12的GeOI具有更好的絕緣性和散熱性，已廣泛應(yīng)用在高溫、大功耗、高功率集成電路中。
[0004]結(jié)合了應(yīng)變Ge和GeOI優(yōu)點(diǎn)的應(yīng)變絕緣層上鍺GeOI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)芯片等方面有著重要的應(yīng)用前景。
[0005]傳統(tǒng)的應(yīng)變GeOI，即在絕緣層上硅SOI晶圓上直接外延生長(zhǎng)應(yīng)變Ge，或先在SOI晶圓上外延生長(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Ge層。傳統(tǒng)應(yīng)變GeOI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(kāi)銷(xiāo)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Ge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。
[0006]相對(duì)于雙軸應(yīng)變GeOI，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。
[0007]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GeOI材料的新方法專(zhuān)利(CN201110361530.5)，用以制作SiN埋絕緣層晶圓級(jí)全局單軸應(yīng)變GeOI材料，其主要工藝如圖1所示，步驟如下:
[0008]1、將GeOI晶圓頂層Ge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。
[0009]2、彎曲臺(tái)上的兩根圓柱形水平壓桿分別放置在GeOI晶圓片兩端，用圓柱形水平壓桿使GeOI晶圓與弧形臺(tái)面完全貼合。
[0010]3、在溫度200°(:至1250°(:的退火爐中退火1.5小時(shí)至10小時(shí)，使3丨財(cái)里絕緣層在此過(guò)程中發(fā)生塑性形變。
[0011]4、卸下GeOI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Ge層。
[0012]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GeOI，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GeOI晶圓彎曲，會(huì)在頂層Ge中引入缺陷；若GeOI晶圓彎曲度過(guò)大，會(huì)造成圓片碎裂。3)由于擔(dān)心GeOI晶圓碎裂，所以機(jī)械彎曲的彎曲度不能過(guò)大，這就限制了在頂層Ge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】

[0013]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埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸應(yīng)變Ge的制作方法，以降低應(yīng)變GeOI晶圓的制作工藝復(fù)雜度和成本，提高單軸應(yīng)變GeOI的應(yīng)變量，增強(qiáng)GeOI晶圓片的電子迀移率與空穴迀移率，滿足GeOI器件與集成電路的電學(xué)和光學(xué)性能要求。
[0014]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案包括如下:
[0015](I)對(duì)GeOI晶圓進(jìn)行清洗，該GeOI晶圓包括頂層Ge層、SiN埋絕緣層和Si襯底三層結(jié)構(gòu)；
[0016](2)對(duì)清洗過(guò)的GeOI晶圓進(jìn)行He離子注入，即將He離子注入到GeOI晶圓的SiN埋絕緣層與Si襯底界面處；
[0017](3)在離子注入后的GeOI晶圓頂層Ge上采用PECVD等工藝淀積-1.1GPa以上的壓應(yīng)力SiN薄膜或I.IGPa以上的張應(yīng)力SiN薄膜；
[0018](4)利用半導(dǎo)體光刻和刻蝕工藝，對(duì)SiN薄膜進(jìn)行條形圖形化，形成條寬和間距均為0.13μπι?0.19μπι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Ge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GeOI晶圓轉(zhuǎn)變?yōu)榫A級(jí)的單軸應(yīng)變GeOI;
[0019](5)對(duì)頂層Ge表面形成條形SiN薄膜陣列的GeOI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Ge層應(yīng)力不消失；
[0020](6)通過(guò)濕法腐蝕去除GeOI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GeOI或單軸壓應(yīng)變GeOI材料。
[0021]本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0022]1、與現(xiàn)有集成電路工藝完全兼容:本發(fā)明的晶圓級(jí)單軸應(yīng)變SOI的制作，可通過(guò)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。
[0023]2、可靠性高:本發(fā)明通過(guò)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)GeOI施加機(jī)械外力，從而防止了圓片發(fā)生彎曲，避免了頂層Ge中的缺陷產(chǎn)生和圓片碎裂，提高了成品率。
[0024]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SiN埋絕緣層GeOI晶圓來(lái)制作單軸全局應(yīng)變GeOI材料，而非雙軸應(yīng)變GeOI晶圓，降低了工藝成本。
[0025]4、應(yīng)變量大:本發(fā)明通過(guò)條形SiN條形陣列的單軸應(yīng)力使頂層Ge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(lái)引入應(yīng)變，可以通過(guò)調(diào)整SiN薄膜淀積工藝增大應(yīng)變量。
[0026]5、平整度高:本發(fā)明不采用機(jī)械外力使GeOI晶圓彎曲，不會(huì)導(dǎo)致GeOI晶圓彎曲，從而使GeOI晶圓表面平整。
[0027]6、抑制寄生反應(yīng):采用S12做埋絕緣層易與鍺產(chǎn)生不必要的反應(yīng)，生成GeO，采用SiN做埋絕緣層可以明顯抑制此反應(yīng)。
【附圖說(shuō)明】
[0028]圖1為現(xiàn)有晶圓級(jí)單軸應(yīng)變GeOI晶圓的工藝流程圖。
[0029]圖2為本發(fā)明的SiN埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸應(yīng)變Ge工藝流程圖。
[0030]圖3為本發(fā)明中淀積在頂層Ge層上的條形SiN薄膜陣列的俯視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031]本發(fā)明的技術(shù)原理如下:
[0032]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Ge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(guò)半導(dǎo)體工藝技術(shù)制作寬度和間距均為130nm?190nm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Ge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(guò)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Si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Si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Ge層的晶圓級(jí)單軸應(yīng)變SOI。
[0033]SiN埋絕緣層GeOI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，其頂層Ge層厚度為100?500nmo
[0034]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Ge的制作方法的三個(gè)實(shí)施例，即制備4英寸、8英寸、12英寸的SiN埋絕緣層單軸應(yīng)變GeOI晶圓材料，不同規(guī)格的SiN埋絕緣層GeOI晶圓均包括三層結(jié)構(gòu):Si襯底3、SiN埋絕緣層2和頂層Ge層I，如圖2a所示。其中:
[0035]4英寸SiN埋絕緣層GeOI晶圓，其Si襯底的厚度為600ym，SiN埋絕緣層的厚度為500nm，頂層Ge層的厚度為150nm;
[0036]8英寸SiN埋絕緣層GeOI晶圓，其Si襯底的厚度為600ym，SiN埋絕緣層的厚度為500nm，頂層Ge層的厚度為250nm;
[0037]12英寸SiN埋絕緣層GeOI晶圓，其Si襯底的厚度為600ym，SiN埋絕緣層的厚度為500nm，頂層Ge層的厚度為350nmo
[0038]實(shí)施例1，制備4英寸SiN埋絕緣層單軸張應(yīng)變GeOI晶圓材料。
[0039]步驟1:清洗SiN埋絕緣層GeOI晶圓，以去除表面污染物。
[0040](1.1)使用丙酮和異丙醇對(duì)GeOI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；
[0041 ] (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GeOI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GeOI晶圓表面無(wú)機(jī)污染物；
[0042](1.3)將GeOI晶圓用HF酸緩沖液浸泡2分鐘，去除表面的氧化層。
[0043]步驟2:離子注入。
[0044]對(duì)已清洗的GeOI晶圓進(jìn)行離子注入，以使Si襯底3和SiN埋絕緣層2界面4疏松，如圖2b所示。
[0045]離子注入的工藝條件是:注入的離子為He離子，注入劑量為1.lE14cm—2，注入能量70KeVo
[0046]步驟3:淀積SiN薄膜。
[0047]采用PECVD等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積工藝，在已完成離子注入的GeOI晶圓的頂層Ge層I的表面淀積厚度為I.Ομπι，應(yīng)力為-1.1GPa的壓應(yīng)力SiN薄膜5，如圖2c所示。
[0048]淀積的工藝條件是:高頻HF功率為0.22KW，低頻LF功率為0.82KW，高純SiH4流量為0.41 slm，高純NH3流量為2.2slm，高純氮?dú)饬髁繛?.2slm，反應(yīng)室壓強(qiáng)2.8Torr，反應(yīng)室溫度為400°C。
[0049]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。
[0050](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0.19μηι的光刻板進(jìn)行曝光，曝光的區(qū)域?yàn)閷挾群烷g隔均為0.19μηι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；
[0051](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GeOI晶圓頂層Ge層上的壓應(yīng)力SiN薄膜5進(jìn)行刻蝕，形成寬度為0.19μπι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GeOI晶圓俯視圖如圖3所示；
[0052](4.3)去除條形SiN薄膜陣列上的光刻膠。
[0053]步驟5:退火。
[0054]對(duì)頂層Ge層I表面形成條形SiN薄膜陣列6的GeOI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310°C的條件下在惰性氣體He中退火3.2小時(shí)，再以4°C/min的速率降溫。在退火過(guò)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。
[0055 ] 步驟6:去除GeO I晶圓頂層Ge層I表面的條形S iN薄膜陣列6，如圖2f所示。
[0056]把淀積了條形SiN薄膜陣列6的GeOI晶圓放入體積分?jǐn)?shù)為85%的磷酸溶液中在150°C進(jìn)行6分鐘的濕法刻蝕，最終得到具有應(yīng)變頂層Ge層7的單軸張應(yīng)變GeOI晶圓材料。
[0057]實(shí)施例2，制備8英寸SiN埋絕緣層單軸壓應(yīng)變GeOI晶圓材料。
[0058]步驟一:清洗SiN埋絕緣層GeOI晶圓，以去除表面污染物。
[0059]本步驟的實(shí)現(xiàn)與實(shí)施例1的步驟I相同。
[0060]步驟二:對(duì)已清洗的GeOI晶圓注入劑量為1.lE15cm—2，能量IlOKev的He離子，以使Si襯底3和SiN埋絕緣層2界面4疏松，如圖2b所示。
[0061]步驟三:采用PECVD等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積工藝，在已完成離子注入的GeOI晶圓的頂層Ge層I表面淀積厚度為1.Ιμπι，應(yīng)力為1.2GPa的張應(yīng)力SiN薄膜5，如圖2c所示。
[0062]淀積的工藝條件是:高頻HF功率為1.3KW，低頻LF功率為0.31KW，高純SiH4流量為0.31slm，高純NH3流量為1.9slm，高純氮?dú)饬髁繛?.181111，反應(yīng)室壓強(qiáng)為3.11'0^，反應(yīng)室溫度為400°C。
[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0.17μηι的光刻板進(jìn)行曝光，曝光的區(qū)域?yàn)閷挾群烷g隔均為0.17μηι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GeOI晶圓頂層Ge層上的張應(yīng)力SiN薄膜5進(jìn)行刻蝕形成寬度為0.17μπι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GeOI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Ge層I表面形成條形SiN薄膜陣列6的GeOI晶圓進(jìn)行退火，如圖2e所示，即在升溫速率為4°(:/1^11，溫度為360°(:的條件下在惰性氣體也中退火2.7小時(shí)，再以4°C/min的速率降溫。在退火過(guò)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GeOI晶圓頂層Ge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GeOI晶圓放入體積分?jǐn)?shù)為85 %的磷酸溶液中在170°C進(jìn)行9分鐘的濕法刻蝕，最終得到具有應(yīng)變頂層Ge層7的單軸壓應(yīng)變GeOI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GeOI晶圓材料。
[0071 ] 步驟A:清洗SiN埋絕緣層GeOI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GeOI晶圓進(jìn)行離子注入，以使Si襯底3和SiN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1.lE16cm—2，注入能量150KeVo
[0075]步驟C:淀積高壓應(yīng)力SiN薄膜。
[0076]采用PECVD等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積工藝，在高頻HF功率為0.41KW，低頻LF功率為0.61KW，高純SiH4流量為0.21slm，高純NH3流量為2.4slm，高純氮?dú)饬髁繛?.6slm，反應(yīng)室壓強(qiáng)為3.0Torr，反應(yīng)室溫度為400°C的條件下，在完成離子注入后的GeOI晶圓的頂層Ge層I表面淀積厚度為I.2μπι，應(yīng)力大小為-1.3GPa的壓應(yīng)力SiN薄膜5，如圖2c所示。
[0077]步驟D:刻蝕壓應(yīng)力SiN薄膜。
[0078](Dl)利用半導(dǎo)體光刻和刻蝕技術(shù)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0.13μπι的光刻板進(jìn)行曝光，曝光的區(qū)域?yàn)閷挾群烷g隔均為
0.13μπι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；
[0079](D2)采用反應(yīng)離子刻蝕RIE工藝，對(duì)淀積在GeOI晶圓頂層Ge層上的壓應(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，如圖2d所示。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GeOI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的步驟(4.1)相同；
[0080](D3)去除條形SiN薄膜陣列6上的光刻膠。
[0081 ] 步驟E:離子注入。
[0082]對(duì)頂層Ge層I表面形成條形SiN薄膜陣列6的GeOI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410 °C的條件下在惰性氣體He中退火2.2小時(shí)，再以4°C /min的速率降溫。在退火過(guò)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。
[0083 ]步驟F:去除GeO I晶圓頂層Ge層I表面的條形S iN薄膜陣列6，如圖2f所示。
[0084]把淀積了條形SiN薄膜陣列6的GeOI晶圓放入體積分?jǐn)?shù)為85 %的磷酸溶液中在190°C進(jìn)行12分鐘的濕法刻蝕，最終得到具有應(yīng)變頂層Ge層7的單軸張應(yīng)變GeOI晶圓材料。
【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Ge的制作方法，包括如下步驟: (1)對(duì)GeOI晶圓進(jìn)行清洗，該GeOI晶圓包括頂層Ge層、S12埋絕緣層和Si襯底三層結(jié)構(gòu)； (2)對(duì)清洗過(guò)的GeOI晶圓進(jìn)行He離子注入，即將He離子注入到GeOI晶圓的S12埋絕緣層與Si襯底界面處； (3)在離子注入后的GeOI晶圓頂層Ge上采用PECVD等工藝淀積-1.1GPa以上的壓應(yīng)力SiN薄膜或I.IGPa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0.13μπι?0.19μπι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Ge層和S12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GeOI晶圓轉(zhuǎn)變?yōu)榫A級(jí)的單軸應(yīng)變GeOI; (5)對(duì)頂層Ge表面形成條形SiN薄膜陣列的GeOI晶圓進(jìn)行退火，使SiN薄膜的應(yīng)力進(jìn)一步增強(qiáng)，并使S12埋絕緣層發(fā)生塑性形變，保證SiN薄膜去除后頂層Ge層應(yīng)力不消失； (6)通過(guò)濕法腐蝕去除GeOI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GeOI或單軸壓應(yīng)變GeOI材料。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟(I)中的GeOI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，其頂層Ge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)GeOI晶圓進(jìn)行清洗，其步驟如下: (Ia)使用丙酮和異丙醇對(duì)GeOI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GeOI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GeOI晶圓表面無(wú)機(jī)污染物； (Ic)將GeOI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1.lE14cm—2?1.lE16cm—2變化，注入能量根據(jù)頂層Ge層厚度的不同從70Kev?150Kev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Ge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0.2IKW?0.4IKW; 低頻功率LF從0.6IKW?0.81KW； 高純SiH4流量0.2181!11?0.4181111，高純冊(cè)3流量2.2811]1?2.481111，高純氮?dú)饬髁?.281111?2.6slm； 反應(yīng)室壓強(qiáng)2.8Torr?3.0Torr ； 反應(yīng)室溫度400 °C; 淀積厚度1.Ομπι?1.2μηι。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟(3)在頂層Ge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.Ιμπι。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0.13μπι?0.19μηι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?0.19μηι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GeOI晶圓頂層Ge上的無(wú)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0.13μπι?0.19μπι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:2.2?3.2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)】H01L21/265GK106098612SQ201610446184
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月20日
【發(fā)明人】戴顯英, 祁林林, 郝躍, 底琳佳, 苗東銘, 梁彬, 焦帥
【申請(qǐng)人】西安電子科技大學(xué)