基于非晶化與尺度效應(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(kāi)了一種基于非晶化與尺度效應(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)步驟是：在清洗后的SiN埋絕緣層上SiGe晶圓頂層SiGe層上淀積SiO2層；對(duì)頂層SiGe層進(jìn)行離子注入形成非晶化層，并去除非晶化層上的SiO2層；在頂層SiGe層上淀積壓應(yīng)力SiN薄膜或張應(yīng)力SiN薄膜后將SiN薄膜刻蝕成單軸張應(yīng)力SiN條狀陣列或單軸壓應(yīng)力SiN條狀陣列，并對(duì)該晶圓進(jìn)行退火，使非晶化層重結(jié)晶，使SiN埋絕緣層發(fā)生塑性形變；刻蝕掉SiN條狀陣列，得到SiN埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸應(yīng)變SiGe。本發(fā)明應(yīng)變量大，可用于制作SiN埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸應(yīng)變SiGe材料。
【專利說(shuō)明】
基于非晶化與尺度效應(yīng)的SIN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)體材料制作工藝技術(shù)，特別是一種SiN埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸應(yīng)變SiGe材料的制作方法，可用于制作超高速、高溫、大功耗、高功率集成電路、光電集成電路所需的高性能SGOI晶圓。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的體Si材料的載流子迀移率很難滿足未來(lái)高性能半導(dǎo)體器件和電路的需求。
[0003]應(yīng)變SiGe器件與集成電路具有工作頻率高、功耗小、與Si工藝兼容、成本低等優(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。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。
[0004]SGOI，即絕緣層上鍺硅，是具有“SiGe/埋絕緣層/Si”三層結(jié)構(gòu)的新型Si基半導(dǎo)體襯底材料。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;S12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在高密度、高功率集成電路中的應(yīng)用。SiN埋絕緣層上SiGe用SiN取代S12,具有更好的絕緣性和散熱性，可被廣泛應(yīng)用于制造高溫、大功耗、高功率集成電路。
[0005]應(yīng)變技術(shù)可較大提升SiGe的載流子迀移率，結(jié)合了應(yīng)變技術(shù)和SGOI優(yōu)點(diǎn)的應(yīng)變SGOI為研發(fā)新型的超高速、低功耗、抗輻射、高集成度器件和芯片提供了一種新的解決方案，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。
[0006]傳統(tǒng)的應(yīng)變SGOI是基于SOI晶圓的雙軸壓應(yīng)變SGOI，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，其主要缺點(diǎn)是位錯(cuò)密度高、只能是雙軸應(yīng)變、迀移率提升不高、SiGe虛襯底增加了熱開(kāi)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)下的空穴迀移率提升會(huì)退化等。
[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埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸應(yīng)變SiGe材料的新方法專利(CN201110361521)，用以制作SiN埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸應(yīng)變SiGe材料，其主要工藝如圖1所示，步驟如下:
[0008]1.SiN埋絕緣層上SiGe晶圓頂層SiGe層面向上或向下放置在弧形彎曲臺(tái)上；
[0009]2.兩根圓柱形不銹鋼壓桿分別水平放置在SiN埋絕緣層上SiGe晶圓兩端，距SiN埋絕緣層上SiGe晶圓邊緣Icm;
[0010]3.緩慢旋動(dòng)連接壓桿的螺帽，使SiN埋絕緣層上SiGe晶圓沿弧形臺(tái)面逐漸彎曲，直至SiN埋絕緣層上SiGe晶圓完全與弧形臺(tái)面貼合；
[0011]4.載有SiN埋絕緣層上SiGe晶圓的弧形彎曲臺(tái)放置在退火爐中進(jìn)行退火，退火溫度在250°C至1250°C范圍內(nèi)可任意選擇。
[0012]5.退火結(jié)束后緩慢降溫至室溫，取出載有SiN埋絕緣層上SiGe晶圓的弧形彎曲臺(tái)；
[0013]6.旋動(dòng)連接壓桿的螺帽，將壓桿緩慢提升，直至彎曲的SiN埋絕緣層上SiGe晶圓恢復(fù)原狀。
[0014]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SiN埋絕緣層上SiGe晶圓，其需要額外制作對(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SiN埋絕緣層上SiGe晶圓彎曲，會(huì)在頂層鍺硅中引入缺陷;若SiN埋絕緣層上SiGe晶圓彎曲度過(guò)大，會(huì)造成晶圓碎裂。3)由于擔(dān)心SiN埋絕緣層上SiGe晶圓碎裂，所以機(jī)械彎曲的彎曲度不能過(guò)大，這就限制了在頂層鍺硅中引入的應(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】

[0015]本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于非晶化與尺度效應(yīng)的SiN埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸應(yīng)變SiGe的制作方法，以降低SiN埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸應(yīng)變SiGe的制作成本，增加應(yīng)變量，提高大功率、高功耗、高集成度電路的電學(xué)性能和光學(xué)性能。
[0016]本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0017]一.技術(shù)原理:
[0018]通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積PECVD工藝，在SiN埋絕緣層上SiGe晶圓上淀積具有雙軸張應(yīng)力或雙軸壓應(yīng)力的SiN薄膜。當(dāng)雙軸應(yīng)力SiN薄膜被刻蝕成寬度為亞微米級(jí)的長(zhǎng)條時(shí)，由于“尺度效應(yīng)”的影響，SiN條寬度方向的應(yīng)力會(huì)釋放掉，而SiN條長(zhǎng)度方向?yàn)楹暧^尺度的應(yīng)力得到保留，可得到具有單軸張應(yīng)力或單軸壓應(yīng)力的SiN條狀陣列，其沿著條長(zhǎng)方向?qū)iN埋絕緣層上SiGe晶圓頂層SiGe層中的非晶化層施加單軸張應(yīng)力或單軸壓應(yīng)力。在500°C?520°C退火，可使非晶化層重結(jié)晶，由于頂層SiGe層的非晶化層在退火過(guò)程中始終受到SiN條狀陣列施加的單軸張應(yīng)力或單軸壓應(yīng)力，因而在退火過(guò)程中由應(yīng)力引起的單軸應(yīng)變被保留到頂層SiGe層中，最終在退火后得到晶圓級(jí)單軸張應(yīng)變或單軸壓應(yīng)變的頂層SiGe層。同時(shí)，退火使SiN埋絕緣層發(fā)生塑性形變。該塑性形變的SiN埋絕緣層對(duì)單軸應(yīng)變的頂層SiGe層具有拉持作用，以保障去除高應(yīng)力SiN薄膜后單軸應(yīng)變的頂層SiGe層中的應(yīng)力不消失，最終可得到SiN埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸應(yīng)變SiGe材料。
[0019]二.實(shí)現(xiàn)步驟
[0020]根據(jù)上述原理，本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)步驟如下:
[0021]I)選取SiN埋絕緣層上SiGe晶圓進(jìn)行清洗，該SiN埋絕緣層上SiGe晶圓包括頂層SiGe層、SiN埋絕緣層和Si襯底；
[0022]2)在頂層SiGe層上通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積PECVD工藝淀積厚度為18nm?20nm的S12層，以消除后續(xù)離子注入工藝的溝道效應(yīng)；
[0023]3)對(duì)頂層SiGe層進(jìn)行離子注入，使頂層SiGe層形成非晶化層；
[0024]4)去除非晶化層上的S12層；
[0025]5)在頂層SiGe層上采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積PECVD工藝淀積-1GPa以上的壓應(yīng)力SiN薄膜或IGPa以上的張應(yīng)力SiN薄膜；
[0026]6)使用光刻和反應(yīng)離子刻蝕RIE工藝方法將張應(yīng)力SiN薄膜或壓應(yīng)力SiN薄膜刻蝕成寬度和間距均為0.15μπι?0.17μπι的SiN條狀陣列，以消除SiN條寬度方向的應(yīng)力，得到具有單軸張應(yīng)力的SiN條狀陣列或單軸壓應(yīng)力的SiN條狀陣列；
[0027]7)對(duì)帶有SiN條狀陣列的SiN埋絕緣層上SiGe晶圓進(jìn)行退火，進(jìn)一步增強(qiáng)SiN條狀陣列應(yīng)力，并使非晶化層再結(jié)晶，同時(shí)使SiN埋絕緣層發(fā)生塑性形變，保證SiN條狀陣列去除后頂層SiGe層的應(yīng)力不消失；
[0028]8)采用濕法刻蝕去除掉SiN條狀陣列，最終得到SiN埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸應(yīng)變 SiGe材料。
[0029]本發(fā)明與現(xiàn)有的SiN埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸應(yīng)變SiGe制造技術(shù)相比，具有如下優(yōu)占.[0030 ]1.本發(fā)明與現(xiàn)有的半導(dǎo)體制造工藝兼容，無(wú)需定制其他儀器，成本低。
[0031]2.本發(fā)明使用單軸張應(yīng)力SiN條狀陣列或單軸壓應(yīng)力SiN條狀陣列引入應(yīng)變，避免了機(jī)械致SiN埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸應(yīng)變SiGe方法中對(duì)SiN埋絕緣層上SiGe晶圓彎曲退火后SiN埋絕緣層上SiGe晶圓平整度較低的問(wèn)題。[〇〇32]3.本發(fā)明采用單軸張應(yīng)力SiN條狀陣列或單軸壓應(yīng)力SiN條狀陣列引入單軸應(yīng)變，且SiN埋絕緣層退火后發(fā)生塑性形變對(duì)頂層SiGe層具有拉持作用，增大了頂層SiGe層應(yīng)變量，使得載流子迀移率有了明顯的提升。【附圖說(shuō)明】
[0033]圖1為現(xiàn)有SiN埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸應(yīng)變SiGe的工藝流程圖；
[0034]圖2為本發(fā)明SiN埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸應(yīng)變SiGe的工藝流程圖；[〇〇35]圖3為本發(fā)明中淀積在頂層SiGe層上的SiN條狀陣列的俯視圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0036]SiN埋絕緣層上SiGe晶圓，其大小包括3英寸、4英寸、5英寸、6英寸、8英寸、12英寸和16英寸的不同規(guī)格，且頂層SiGe層厚度為0.4wii?0.42wii。
[0037]參照?qǐng)D2,本發(fā)明給出基于非晶化與尺度效應(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，即制作8英寸SiN埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸張應(yīng)變SiGe材料； 制作12英寸SiN埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸張應(yīng)變SiGe材料;制作16英寸SiN埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸壓應(yīng)變SiGe材料。上述SiN埋絕緣層上SiGe晶圓均具有三層結(jié)構(gòu)，即頂層SiGe層1，SiN 埋絕緣層2，Si襯底3，如圖2(a)所示。其中:[〇〇38]8英寸SiN埋絕緣層上SiGe晶圓，頂層SiGe層1的厚度為0.4wn，SiN埋絕緣層2的厚度為0.5wn，Si襯底3的厚度為525mi。[〇〇39]12英寸SiN埋絕緣層上SiGe晶圓，頂層SiGe層1的厚度為0.41_，SiN埋絕緣層2的厚度為〇.5wn，Si襯底3的厚度為675mi。
[0040]16英寸SiN埋絕緣層上SiGe晶圓，頂層SiGe層1的厚度為0.42wn，SiN埋絕緣層2的厚度為〇.5wn，Si襯底3的厚度為725mi。[0041 ]實(shí)施例1，制作8英寸SiN埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸張應(yīng)變SiGe材料。
[0042]步驟1:選用8英寸SiN埋絕緣層上SiGe晶圓，并對(duì)其進(jìn)行清洗。
[0043](la)使用丙酮和異丙醇對(duì)所選SiN埋絕緣層上SiGe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；
[0044](lb)將氨水、雙氧水、去離子水按照1:1:3的比例配成混合溶液，加熱至120°C，將SiN埋絕緣層上SiGe晶圓置于此混合溶液中浸泡12min，取出后用大量去離子水沖洗，以去除SiN埋絕緣層上SiGe晶圓表面無(wú)機(jī)污染物；[〇〇45](lc)將SiN埋絕緣層上SiGe晶圓用HF酸緩沖液浸泡2min，去除表面的氧化層。[〇〇46] 步驟2:淀積Si02層4，如圖2 (b)所示。
[0047](2a)將清洗后的SiN埋絕緣層上SiGe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，啟動(dòng)真空栗，將反應(yīng)室抽真空至600mTorr，再啟動(dòng)加熱器將反應(yīng)室的溫度升至30(TC并保持恒溫；
[0048](2b)向反應(yīng)室內(nèi)依次通入 45sccm 的 SiH4，164sccm 的 N2〇,800sccm 的 N2;
[0049](2c)設(shè)定低頻LF功率為60W，在SiN埋絕緣層上SiGe晶圓頂層SiGe層1上淀積厚度為 18nm 的 Si02 層4;
[0050](2d)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 Si02層4的SiN埋絕緣層上SiGe晶圓。
[0051]步驟3:形成非晶化層5,如圖2(c)所示。
[0052]將淀積Si02層4后的SiN埋絕緣層上SiGe晶圓放入離子注入機(jī)，選用Si離子，設(shè)定注入劑量為5E16cnf2,注入能量為90keV，對(duì)頂層SiGe層1進(jìn)行離子注入，以在頂層SiGe層1內(nèi)部形成非晶化層5;[〇〇53] 步驟4:去除S i 02層4，如圖2 (d)所示。[〇〇54] 在室溫下，將帶有Si02層4的SiN埋絕緣層上SiGe晶圓在BHF溶液中浸泡70s，去除非晶化層5上的Si02層4。
[0055]步驟5:在非晶化層上淀積壓應(yīng)力SiN薄膜6,如圖2(e)所示。
[0056](5a)將去除Si02層4后的SiN埋絕緣層上SiGe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，再啟動(dòng)加熱器將反應(yīng)室的溫度升至400°C并保持恒溫；[〇〇57](5b)向反應(yīng)室內(nèi)依次通入0.35slm的高純SiH4,2.0slm的高純NH3,2.1slm的高純N2,反應(yīng)室壓強(qiáng)為3.0Torr;[〇〇58](5c)設(shè)高頻HF功率為0.3kW，低頻LF功率為0.7kW，在SiN埋絕緣層上SiGe晶圓非晶化層5上淀積應(yīng)力大小為-1 ? 7GPa，厚度為0 ? 6mi的壓應(yīng)力SiN薄膜6;
[0059](5d)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，取出淀積了壓應(yīng)力SiN薄膜6的SiN埋絕緣層上SiGe晶圓。
[0060]步驟6:將壓應(yīng)力SiN薄膜6刻蝕成SiN條狀陣列7,如圖2(f)所示。
[0061](6a)利用半導(dǎo)體光刻工藝在壓應(yīng)力SiN薄膜6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〇.15WI1的光刻板進(jìn)行曝光，曝光的區(qū)域?yàn)閷挾群烷g隔均為0.15WI1 的條狀陣列，再用顯影液去除掉曝光區(qū)域易溶于顯影液的正光刻膠，在壓應(yīng)力SiN薄膜6上形成條狀光刻膠掩蔽膜陣列；[〇〇62](6b)采用反應(yīng)離子刻蝕RIE工藝刻蝕掉淀積在SiN埋絕緣層上SiGe晶圓頂層SiGe層1上的無(wú)光刻膠掩蔽膜保護(hù)的SiN薄膜6,留下條狀光刻膠掩蔽膜下的SiN薄膜6,得到寬度和間距均為0.15mi的SiN條狀陣列7，以消除SiN條寬度方向的應(yīng)變，保留SiN條長(zhǎng)度方向的應(yīng)變，得到具有單軸壓應(yīng)變SiN條狀陣列7，如圖2 (f)所示；
[0063](6c)去除條狀光刻膠掩蔽膜，僅留下SiN條狀陣列7,該帶有SiN條狀陣列的SiN埋絕緣層上s iGe晶圓的俯視圖如圖3所示。
[0064]步驟7:對(duì)帶有SiN條狀陣列7的SiN埋絕緣層上SiGe晶圓進(jìn)行退火，如圖2(g)所示。
[0065](7a)在退火爐中，先按照4°C/min的升溫速率將溫度由室溫提升至500°C后，將帶有SiN條狀陣列7的SiN埋絕緣層上SiGe晶圓在惰性氣體Ar下退火5.5h;
[0066](7b)按照4°C/min的降溫速率將退火爐溫度降至室溫，退火后SiN埋絕緣層上SiGe 晶圓頂層SiGe層1變?yōu)閱屋S應(yīng)變頂層SiGe層8;
[0067](7c)在退火過(guò)程中SiN條狀陣列應(yīng)力進(jìn)一步增強(qiáng)，使非晶化層5重結(jié)晶，同時(shí)使SiN 埋絕緣層2發(fā)生塑性形變，變成塑性形變SiN埋絕緣層9,以保證SiN條狀陣列去除后其上的應(yīng)變頂層SiGe層8的應(yīng)力不消失。
[0068]步驟8:去除SiN埋絕緣層上SiGe晶圓上的SiN條狀陣列，如圖2 (h)所示。[〇〇69]配置170°C，體積分?jǐn)?shù)為85%的熱磷酸溶液，將帶有SiN條狀陣列7的SiN埋絕緣層上SiGe晶圓在熱磷酸溶液中浸泡6min，去除掉SiN條狀陣列7,得到8英寸SiN埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸張應(yīng)變SiGe材料。
[0070]實(shí)施例2,制作12英寸SiN埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸張應(yīng)變SiGe材料。
[0071]步驟一:選用12英寸SiN埋絕緣層上SiGe晶圓，并對(duì)其進(jìn)行清洗。
[0072]本步驟的實(shí)現(xiàn)與實(shí)施例1的步驟1相同。
[0073]步驟二:將清洗后的SiN埋絕緣層上SiGe晶圓取出，在其頂層SiGe層1上通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積PECVD工藝淀積Si02層4，如圖2 (b)所示。[〇〇74]淀積步驟與實(shí)施例1的步驟2相同，
[0075] 采用的工藝參數(shù):SiH4流量為45sccm，N2〇流量為164sccm，N2流量為800sccm，氣壓為600mTorr，功率為60W，淀積溫度為300°C，淀積厚度為19nm。[〇〇76] 步驟三:通過(guò)離子注入機(jī)對(duì)頂層SiGe層1內(nèi)注入劑量為6E16cm—2,能量為95keV，的 Ge離子，以在頂層SiGe層1內(nèi)部形成非晶化層5,如圖2(c)所示。[〇〇77] 步驟四:將帶有Si02層4的SiN埋絕緣層上SiGe在BHF溶液中浸泡50s，去除非晶化層5上的Si02層4,如圖2(d)所示。[〇〇78]步驟五:采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積PECVD工藝，在非晶化層5上淀積應(yīng)力大小為-1.9GPa，厚度為0.7mi的壓應(yīng)力SiN薄膜6,如圖2(e)所示。[〇〇79]淀積步驟與實(shí)施例1的步驟5相同；[〇〇8〇] 淀積工藝參數(shù):高頻HF功率為0.31kW，低頻LF功率為0.69kW，高純SiH4流量為 0.36slm，高純NH3流量為2.lslm，高純氮?dú)饬髁繛?.2slm，反應(yīng)室壓強(qiáng)為3.3Torr，反應(yīng)室溫度為400°C。
[0081]步驟六:利用半導(dǎo)體光刻和刻蝕技術(shù)，將壓應(yīng)力SiN薄膜6刻蝕成條狀陣列，以消除 SiN條寬度方向的應(yīng)力，保留SiN條長(zhǎng)度方向的應(yīng)力，得到單軸壓應(yīng)力SiN條狀陣列7。[〇〇82](6.1)在壓應(yīng)力SiN薄膜6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0.16wii的光刻板進(jìn)行曝光，曝光的區(qū)域?yàn)閷挾群烷g隔均為0.16wii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，在壓應(yīng)力SiN薄膜6上形成條狀光刻膠掩蔽膜陣列；[〇〇83](6.2)采用反應(yīng)離子刻蝕RIE工藝刻蝕掉淀積在SiN埋絕緣層上SiGe晶圓頂層SiGe層1上的無(wú)光刻膠掩蔽膜保護(hù)的SiN薄膜6,留下條狀光刻膠掩蔽膜下的SiN薄膜6,得到寬度和間距均為〇.16mi的單軸壓應(yīng)力SiN條狀陣列7,如圖2(f)所示；
[0084] (6.3)去除條狀光刻膠掩蔽膜，僅留下SiN條狀陣列7,該帶有SiN條狀陣列的SiN埋絕緣層上SiGe俯視圖如圖3所示。
[0085]步驟七:在退火爐中，先按照4°C/min的升溫速率將溫度由室溫提升至510°C后，將帶有SiN條狀陣列7的SiN埋絕緣層上SiGe晶圓在惰性氣體Ne下退火5.6h，以進(jìn)一步增強(qiáng)SiN 條狀陣列應(yīng)力，并使非晶化層再結(jié)晶，同時(shí)使SiN埋絕緣層2發(fā)生塑性形變，變成塑性形變 SiN埋絕緣層9,以保證SiN條狀陣列去除后頂層SiGe層的應(yīng)力不消失;再按照4°C/min的降溫速率將退火爐溫度降至室溫。退火后頂層SiGe層1變?yōu)閱屋S應(yīng)變頂層SiGe層8,如圖2(g) 所示。[〇〇86]步驟八:配置165°C，體積分?jǐn)?shù)為86%的熱磷酸溶液，將帶有SiN條狀陣列7的SiN埋絕緣層上SiGe晶圓在熱磷酸溶液中浸泡7min，去除掉SiN條狀陣列7,得到12英寸SiN埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸張應(yīng)變S iGe材料，如圖2 (h)所示。
[0087]實(shí)施例3,制作16英寸SiN埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸壓應(yīng)變SiGe材料。
[0088]步驟A:選用16英寸SiN埋絕緣層上SiGe晶圓，并對(duì)其進(jìn)行清洗。
[0089]本步驟的實(shí)現(xiàn)與實(shí)施例1的步驟1相同。
[0090]步驟B:淀積S i〇2層4，如圖2 (b)所示。
[0091]將清洗后的SiN埋絕緣層上SiGe晶圓取出，在其頂層SiGe層1上通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積PECVD工藝淀積厚度為20nm的Si02層4,如圖2(b)所示。[〇〇92]淀積步驟與實(shí)施例1的步驟2相同；[〇〇93] 淀積參數(shù)設(shè)置:SiH4流量為45sccm，N20流量為164sccm，N2流量為800sccm，氣壓為 600mTorr，功率為60W，淀積溫度為300 °C。
[0094]步驟C:形成非晶化層5,如圖2(c)所示。
[0095]形成Si02層4后，通過(guò)離子注入機(jī)對(duì)頂層SiGe層1進(jìn)行劑量為7E16cnf2,能量為 lOOkeV的Ge離子注入，以在頂層SiGe層1內(nèi)部形成非晶化層5。[〇〇96] 步驟D:去除S i 02層4，如圖2 (d)所示。[〇〇97] 將帶有Si02層4的SiN埋絕緣層上SiGe晶圓在BHF溶液中浸泡80s，去除非晶化層5 上的Si02層4,以免在淀積張應(yīng)力SiN薄膜6后阻礙其應(yīng)力傳遞給非晶化層5,如圖2(d)所示。 [〇〇98]步驟E:在非晶化層上淀積張應(yīng)力SiN薄膜6,如圖2(e)所示。[〇〇99]采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積PECVD工藝，在非晶化層5上淀積應(yīng)力大小為 1.7GPa，厚度為0.8mi的SiN薄膜6,如圖2(e)所示。
[0100]按照與實(shí)施例1步驟5相同的步驟進(jìn)行淀積。
[0101]設(shè)置淀積參數(shù)如下:[〇1〇2] 高頻HF功率為1.3kW，低頻LF功率為0.2kW，高純SiH4流量為0.37slm，高純NH3流量為2.lslm，高純氮?dú)饬髁繛?.lslm，反應(yīng)室壓強(qiáng)為3.3Torr，反應(yīng)室溫度為400°C ;[〇1〇3]步驟F:張應(yīng)力將SiN薄膜6刻蝕成SiN條狀陣列7,如圖2(f)所示。
[0104] (F1)利用半導(dǎo)體光刻工藝在張應(yīng)力SiN薄膜6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〇.17wii的光刻板進(jìn)行曝光，曝光的區(qū)域?yàn)閷挾群烷g隔均為0.17mi 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薄膜6上形成條狀光刻膠掩蔽膜陣列；
[0105](F2)采用反應(yīng)離子刻蝕RIE工藝刻蝕掉淀積在SiN埋絕緣層上SiGe晶圓頂層SiGe 層上的無(wú)光刻膠掩蔽膜保護(hù)的SiN薄膜6,留下條狀光刻膠掩蔽膜下的SiN薄膜6,得到寬度和間距均為〇.17wii的單軸壓應(yīng)力SiN條狀陣列7,以消除SiN條寬度方向的應(yīng)力，保留SiN條長(zhǎng)度方向的應(yīng)力，如圖2(f)所示；
[0106](F3)去除條狀光刻膠掩蔽膜，僅留下SiN條狀陣列7,該帶有SiN條狀陣列的SiN埋絕緣層上S iGe晶圓的俯視圖如圖3所示。
[0107]步驟G:對(duì)帶有SiN條狀陣列7的SiN埋絕緣層上SiGe晶圓進(jìn)行退火。
[0108]G1)按照4°C/min的升溫速率將退火爐溫度由室溫提升至520 °C后，將帶有SiN條狀陣列7的SiN埋絕緣層上SiGe晶圓在惰性氣體He下退火5.7h，進(jìn)一步增強(qiáng)SiN條狀陣列應(yīng)力， 并使非晶化層再結(jié)晶，同時(shí)使SiN埋絕緣層2發(fā)生塑性形變，變成塑性形變SiN埋絕緣層9,保證SiN條狀陣列去除后頂層SiGe層8的應(yīng)力不消失；
[0109]G2)按照4°C/min的降溫速率將退火爐溫度降至室溫，退火后頂層SiGe層變?yōu)閱屋S應(yīng)變頂層SiGe層8。如圖2 (g)所示。[〇11〇]步驟H:去除S iN埋絕緣層上S iGe晶圓上的S iN條狀陣列。
[0111]配置158°C，體積分?jǐn)?shù)為87%的熱磷酸溶液，將帶有SiN條狀陣列的SiN埋絕緣層上 SiGe晶圓在熱磷酸溶液中浸泡8min，去除掉SiN條狀陣列7,得到16英寸SiN埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸壓應(yīng)變SiGe材料，如圖2 (h)所示。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于非晶化與尺度效應(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)選取SiN埋絕緣層上SiGe晶圓進(jìn)行清洗，該SiN埋絕緣層上SiGe晶圓包括頂層SiGe層、SiN埋絕緣層和Si襯底； 2)在頂層SiGe層上通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積PECVD工藝淀積厚度為18nm?20nm的S12層，以消除后續(xù)離子注入工藝的溝道效應(yīng)； 3)對(duì)頂層SiGe層進(jìn)行離子注入，使頂層SiGe層形成非晶化層； 4)去除非晶化層上的S12層； 5)在頂層SiGe層上采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積PECVD工藝淀積-1GPa以上的壓應(yīng)力SiN薄膜或IGPa以上的張應(yīng)力SiN薄膜； 6)使用光刻和反應(yīng)離子刻蝕RIE工藝方法將張應(yīng)力SiN薄膜或壓應(yīng)力SiN薄膜刻蝕成寬度和間距均為0.15μπι?0.17μπι的SiN條狀陣列，以消除SiN條寬度方向的應(yīng)力，得到具有單軸張應(yīng)力的SiN條狀陣列或單軸壓應(yīng)力的SiN條狀陣列； 7)對(duì)帶有SiN條狀陣列的SiN埋絕緣層上SiGe晶圓進(jìn)行退火，進(jìn)一步增強(qiáng)SiN條狀陣列應(yīng)力，并使非晶化層再結(jié)晶，同時(shí)使SiN埋絕緣層發(fā)生塑性形變，保證SiN條狀陣列去除后頂層SiGe層的應(yīng)力不消失； 8)采用濕法刻蝕去除掉SiN條狀陣列，最終得到SiN埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸應(yīng)變SiGe材料。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述，其特征在于SiN埋絕緣層上SiGe晶圓，其大小包括3英寸、4英寸、5英寸、6英寸、8英寸、12英寸和16英寸的不同規(guī)格;頂層SiGe層厚度為0.4μπι?0.42μπι。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟3)中對(duì)頂層SiGe層進(jìn)行離子注入的工藝條件是: 注入離子:C或Si或Ge或它們的任意組合； 注入劑量:5E16cm—2 ?7E16cnf2 ； 注入能量:90keV?10keV。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟4)中在去除非晶化層上的S12層，是將帶有S12層的SiN埋絕緣層上SiGe晶圓在BHF溶液中浸泡70s?80s，以去除非晶化層上的S12 層。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟5)中在頂層SiGe層上淀積IGPa以上張應(yīng)力SiN薄膜的CVD工藝，采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積PECVD工藝，其中淀積張應(yīng)力SiN薄膜參數(shù)如下: 反應(yīng)室溫度400 °C; 高頻HF功率為I.0kW?1.5kW; 低頻LF功率為0.2kW?0.5kff； 高純SiH4流量0.2slm?0.5slm，高純NH3流量1.7slm?2.5slm，高純氮?dú)饬髁?.5slm?1.5slm； 反應(yīng)室壓強(qiáng)為2.8Torr?3.6Torr ； 淀積厚度為0.6μηι?0.8μηι。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟5)中在頂層SiGe層上淀積-1GPa以上壓應(yīng)力SiN薄膜的CVD工藝，采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積PECVD工藝，其中淀積壓應(yīng)力SiN薄膜參數(shù)如下: 反應(yīng)室溫度400 °C; 高頻HF功率為0.3kW?0.32kff； 低頻LF功率為0.68kW?0.7kff； 高純SiH4流量0.35slm?0.37slm，高純NH3流量2.0slm?2.2slm，高純氮?dú)饬髁?.1slm?2.3slm； 反應(yīng)室壓強(qiáng)為3.0Torr?3.5Torr ； 淀積厚度為0.6μηι?0.8μηι。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟6)中使用光刻和反應(yīng)離子刻蝕RIE工藝方法將SiN薄膜刻蝕成條狀陣列，按如下步驟進(jìn)行: (7a)在SiN薄膜上涂正光刻膠，將光刻膠烘干，利用具有條形寬度和間隔均為0.15μπι?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0.15μηι?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薄膜上形成條狀光刻膠掩蔽膜陣列； (7b)采用反應(yīng)離子刻蝕RIE工藝刻蝕掉淀積在SiN埋絕緣層上SiGe晶圓頂層SiGe層上的無(wú)光刻膠掩蔽膜保護(hù)的SiN薄膜，留下條狀光刻膠掩蔽膜下的SiN薄膜，得到寬度和間距均為0.15μπι?0.17μπι的單軸應(yīng)力SiN條狀陣列； (7c)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，其特征在于，步驟7)中對(duì)帶有SiN條狀陣列的SiN埋絕緣層上SiGe晶圓進(jìn)行退火，其工藝條件如下: 溫度:500°C ?520°C; 時(shí)間:5.5h?5.7h; 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，其特征在于，步驟8)中采用濕法刻蝕去除掉SiN條狀陣列，是配置溫度為150°C?200°C，體積分?jǐn)?shù)為85 %?88 %的熱磷酸溶液，將帶有SiN條狀陣列的SiN埋絕緣層上SiGe晶圓在熱磷酸溶液中浸泡6min?8min，去除掉SiN條狀陣列，得到SiN埋絕緣層上晶圓級(jí)單軸應(yīng)變SiGe材料。
【文檔編號(hào)】H01L21/324GK105977197SQ201610445851
【公開(kāi)日】2016年9月28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)