本發明專利技術公開了一種基于AlN埋絕緣層的單軸應變SOI晶圓的制作方法，包括以下步驟：1)SOI晶圓頂層Si層面向上或向下放置在弧形彎曲臺上；2)兩根圓柱形不銹鋼壓桿分別水平放置在SOI晶圓兩端，距SOI晶圓邊緣1cm；3)緩慢旋動連接壓桿的螺帽，使SOI晶圓沿弧形臺面逐漸彎曲，直至SOI晶圓完全與弧形臺面貼合；4)載有SOI晶圓的弧形彎曲臺放置在退火爐中進行退火；5)退火結束后緩慢降溫至室溫，取出載有SOI晶圓片的弧形彎曲臺；6)旋動連接壓桿的螺帽，將壓桿緩慢提升，直至彎曲的SOI晶圓回復原狀。本發明專利技術具有如下優點：1)退火溫度范圍大；2)應變效果高；3)絕緣性和熱性能優良；4)電學性能優良；5)成品率高；6)制作工藝簡單；7)制作設備少且可自制；8)制作成本低。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于微電子
，涉及半導體材料制作工藝技術。具體的說是一種基于AlN(氮化鋁)埋絕緣層的晶圓級單軸應變SOI (Silicon On hsulater，絕緣層上硅)晶圓制作的新方法，可用于制作超高速、低功耗、抗輻照半導體器件與集成電路所需的SOI晶圓，能顯著提高傳統SOI晶圓的電子遷移率與空穴遷移率，克服傳統雙軸應變SOI的高場遷移率退化，提高SOI技術在高溫、大功耗集成電路方面的應用。與現有單軸應變SOI技術相比，本專利技術具有應變度高、工藝簡單、成品率高、成本低等優點。
技術介紹
與體Si技術相比，SOI技術具有速度高、功耗低、集成密度高、寄生電容小、抗輻照能力強、工藝簡單等優勢，在高速、低功耗、抗輻照等器件與電路領域被廣泛應用。隨著器件特征尺寸進入亞微米及深亞微米，Si載流子的遷移率限制了器件與電路的速度，無法滿足高速高頻和低壓低功耗的需求。而應變Si的電子和空穴遷移率，理論上將分別是體Si的2倍和5倍，可大大提升器件與電路的頻率與速度。目前，應變Si技術被廣泛應用于65納米及以下的Si集成電路工藝中。而結合了應變Si與SOI的應變SOI技術很好地兼顧了應變Si和SOI的特點與技術優勢，并且與傳統的Si工藝完全兼容，是高速、低功耗集成電路的優選工藝，已成為21世紀延續摩爾定律的關鍵技術。SOI晶圓的埋絕緣層通常是SiO2 (二氧化硅)，其熱導率僅為硅的百分之一，阻礙了 SOI在高溫、大功率方面的應用；其介電常數僅為3. 9，易導致信號傳輸丟失，也阻礙了SOI材料在高密度、高功率集成電路中的應用。而AlN具有熱導率高(是SiO2W 200倍)、電阻率大(320W/m · K)、擊穿場強高、化學和熱穩定性能好、熱膨脹系數與Si相近等優異性能，是一種更加優異的介電和絕緣材料。用AlN取代SiO2，其SOI具有更好的絕緣性和散熱性，已廣泛應用在高溫、大功耗、高功率集成電路中。傳統的應變SOI是基于SGOI (絕緣層上鍺硅)晶圓的雙軸應變，即先在SOI晶圓上外延生長一厚弛豫SiGe層作為虛襯底，再在弛豫SiGe層上外延生長所需的應變Si層。傳統應變SOI的主要缺點是粗糙度高、厚SiGe虛襯底增加了熱開銷和制作成本、SiGe虛襯底嚴重影響了器件與電路的散熱、雙軸應變Si的遷移率提升在高電場下退化等。為了克服傳統應變SOI的缺點，C. Himcinschi于2007年提出了單軸應變SOI 晶圓的制作技術，參見C. Himcinschi.，I. Radu, F. Muster, R. AlNgh, Μ. Reiche，Μ. Petzold, U. Go “ sele, S. H. Christiansen, Uniaxially strained silicon by waferbonding and layer transfer, Sol id-State Electronics,51 (2007) 226-230 ; C. Himcinschi, M. Reiche, R. Scholz, S. H. Christiansen, and U. Gosele , Compressiveuniaxially strained silicon on insulator by prestrained wafer bonding and layertransferAPPLIED, PHYSICS LETTERS 90，231909 Q007)。該技術的工藝原理與步驟如圖 1和圖2所示，其單軸張應變SOI的制作工藝步驟描述如下1、先將4英寸Si片1熱氧化，再將該氧化片注入H+(氫離子)。2、將注H+的氧化片1放在弧形彎曲臺上，通過外壓桿將其彎曲，與弧形臺面緊密貼合；隨后將3英寸Si片2沿相同彎曲方向放置在彎曲的注H+氧化片1上，通過內壓桿將其彎曲，與氧化片1緊密貼合；3、將彎曲臺放置在退火爐中，在200oC下退火15小時。4、從彎曲臺上取下彎曲的并已鍵合的兩個Si晶圓片，重新放入退火爐中，在500°C下退火1小時，完成智能剝離，并最終形成單軸應變SOI晶圓。與本專利技術相比，該方法有以下幾點主要缺點1)工藝步驟復雜該方法必須經歷熱氧化、H+離子注入、剝離退火等必不可少的主要工藝及其相關步驟。2)彎曲溫度受限由于是在智能剝離前進行鍵合與彎曲退火，受注H+剝離溫度的限制，其彎曲退火溫度不能高于300°C，否則將在彎曲退火過程中發生剝離，使Si片破碎。3)制作周期長額外的熱氧化、H+離子注入、剝離退火等工藝步驟增加了其制作的時間。4)成品率低該方法是用兩片重疊的硅晶圓片進行機械彎曲與鍵合，且又在彎曲狀態下進行高溫剝離，硅晶圓片很容易破碎。
技術實現思路
本專利技術的目的在于克服上述已有技術的不足，提出，以降低應變SOI晶圓的制作成本、提高應變SOI器件與集成電路的散熱性能、絕緣性能和集成度，滿足微電子
、特別是超高速、低功耗、抗輻照及大功率器件與集成電路對應變SOI晶圓的需求。采用如下技術方案，包括以下步驟1)SOI晶圓頂層Si層面向上或向下放置在弧形彎曲臺上；幻兩根圓柱形壓桿分別水平放置在SOI晶圓兩端，距SOI邊緣Icm ；3)緩慢旋動連接壓桿的螺帽，使SOI晶圓沿弧形臺面逐漸彎曲，直至SOI晶圓完全與弧形臺面貼合；4)載有SOI晶圓的弧形彎曲臺放置在退火爐中進行退火，退火溫度在300°C至1250°C范圍內可任意選擇。例如，可在300°C下退火10小時，也可在800°〇下退火3.5小時；5)退火結束后緩慢降溫至室溫，取出載有SOI片的弧形彎曲臺；6)旋動連接壓桿的螺帽，將壓桿緩慢提升，直至彎曲的SOI晶圓回復原狀。載有SOI晶圓的彎曲臺在退火爐中進行退火的溫度最低為300°C，以保證SOI晶圓中的AlN埋絕緣層在此過程中的形變能夠超過其屈服強度，發生塑性形變；根據SiGe層中Ge組分的不同，最高退火溫度上限為1250°C，接近Si的熔點；最高退火溫度下限為900°C，接近Ge的熔點。但最高退火溫度不得高于機械彎曲臺的形變溫度所述的的制作方法，所述的弧形彎曲臺的曲率半徑可從1. 2m到0. 4m連續變化，其對應制作不同應變量的單軸應變SOI晶圓。所述的的制作方法，所述步驟4)的退火工藝為在300°C下退火10小時；或者在800°C下退火3. 5小時；或者在1250°C下退火2. 2小時。所述的的制作方法，所述SOI晶圓為3英寸、4英寸、5英寸、6英寸、8英寸、12英寸、16英寸的SOI晶圓(3英寸為75mm，4英寸為100mm，5英寸為125mm，6英寸為150mm，8英寸為200_，12英寸為300_，16英寸為400mm)。本專利技術的技術原理成品的SOI片頂層Si層面向上放置在圓弧形臺面上進行機械彎曲，然后熱退火。根據材料彈塑性力學原理，受長時間彎曲形變熱處理的作用，處于SOI晶圓中性面上部的AlN層和頂層Si層將沿彎曲方向發生單軸拉伸形變，其晶格常數將變大，即發生所謂的單軸張應變。同時，在SOI晶圓內部儲存了一定的彈性勢能。當退火結束去除機械外力后，在此彈性勢能作用下，SOI晶圓會發生回彈，即由彎曲狀態回復到原態，如圖3所示。但復原的SOI晶圓中頂層Si層卻保留了一定量的張應變。這是因為在彎曲熱退火處本文檔來自技高網...
【技術保護點】
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：寧靜，戴顯英，吉瑤，鄧文洪，劉穎，鄭若川，張鶴鳴，郝躍，
申請(專利權)人：西安電子科技大學，
類型：發明
國別省市：
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