基于非晶化与尺度效应的SiN埋绝缘层上晶圆级单轴应变Si的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于非晶化与尺度效应的SiN埋绝缘层上晶圆级单轴应变Si的制作方法。其实现步骤是：在清洗后的SiN埋绝缘层上Si晶圆顶层Si层上淀积SiO2层；对顶层Si层进行离子注入形成非晶化层，并去除非晶化层上的SiO2层；在顶层Si层上淀积张应力SiN薄膜或压应力SiN薄膜后将SiN薄膜刻蚀成条状阵列，得到单轴张应力SiN条状阵列或单轴压应力SiN条状阵列，并对该晶圆进行退火，使非晶化层再结晶，使SiN埋绝缘层发生塑性形变；刻蚀掉SiN条状阵列，得到SiN埋绝缘层上晶圆级单轴应变Si。本发明散热性好、应变量大，可用于制作SiN埋绝缘层上晶圆级单轴应变SOI材料。
【专利说明】
基于非晶化与尺度效应的SiN埋绝缘层上晶圆级单轴应变Si的制作方法
技术领域
[0001]本发明属于微电子技术领域，涉及半导体材料制作工艺技术，特别是一种基于非晶化与尺度效应的SiN埋绝缘层上晶圆级单轴应变Si的制作方法，可用于制作超高速、低功耗、抗辐照半导体器件与集成电路所需的高性能SOI晶圆。
【背景技术】
[0002]随着Si基半导体器件制造工艺的发展，特征尺寸的持续缩小正面临着巨大的挑战，即持续的特征尺寸的缩小会导致寄生电容的增加、短沟效应的恶化、热载流子的退变、漏电较严重等，导致器件性能下降。
[0003]SOI，即绝缘层上硅，是一种具有“Si/绝缘层/Si”三层结构的新型Si基半导体衬底材料，SOI晶圆的埋绝缘层通常是S12,其热导率仅为硅的百分之一，阻碍了 SOI在高温、大功率方面的应用；其介电常数仅为3.9，易导致信号传输丢失，也阻碍了SOI材料在高密度、高功率集成电路中的应用。用SiN取代S12的SOI具有更好的绝缘性和散热性，已广泛应用在高温、大功耗、高功率集成电路中。与体Si相比，SiN埋绝缘层上Si具有散热性好、速度高、功耗低、集成密度高、寄生电容小、抗辐照能力强、工艺简单的优势，在低功耗、抗辐照等器件与电路领域被广泛应用。但SOI材料载流子的迀移率较低，无法满足目前高速集成电路的需求。
[0004]利用应变Si与SOI生成的应变SOI材料既克服了体Si与SOI材料的缺点又具有较高的载流子迀移率，是高速、低功耗、抗辐照集成电路的优选工艺，已成为21世纪延续摩尔定律的关键技术。应变SOI分为单轴应变SOI和双轴应变SOI，其中:
[0005]双轴应变SOI具有两个方向的应变量，其在高电场下载流子迀移率的提升会随着电场的增加而退化。
[0006]单轴应变SOI仅具有一个方向的应变量，相较于双轴应变SOI，其载流子迀移率的提升不随电场的增加而退化，且在相同应变量下，单轴应变对载流子迀移率的提升高于双轴应变。
[0007]目前，应变SOI制造技术大多数都是利用SiGe外延生长应变Si层制造方法，即在驰豫的SiGe层上外延应变Si层，再通过键合和智能剥离转移至绝缘层上形成应变SOI。但该方法的主要缺点是仅能引入双轴应变、Ge杂质扩散、粗糙度高、制作成本高、散热性差、引入的应力较小等。
[0008]2008年国际商业机器公司提出应变SOI衬底的制造方法和在其上制造CMOS器件的方法(CN200810002269)，是利用高应力的SiN层在非晶硅层上形成牺牲应变结构，牺牲应变结构可以是拉伸或压缩应变结构，当具有牺牲应变结构的晶圆被适当退火时，它的应变特性会转移到退火过程中再结晶的顶层应变硅层中，形成全局双轴应变硅层。该发明的缺点是:仅能制作双轴应变SOI材料。
[0009]2011年西安电子科技大学获得的一种采用机械弯曲并在弯曲状态下退火制作晶圆级单轴应变SOI材料的新方法专利(CN201110361512)。是将SOI顶层硅层向上放置在弧形弯曲台上，用圆柱形机械压杆使SOI晶圆与弧形台面完全贴合，在温度200°C至1250°C的退火炉中进行退火，使S12埋绝缘层发生塑性形变，顶层Si层和衬底发生弹性形变。机械压杆卸下后，SOI晶圆恢复原状，由于S12埋绝缘层的塑性形变对顶层Si层有拉持作用，使得顶层Si层薄膜保持相应的应变，从而形成晶圆级单轴应变SOI。该发明的缺点:需要将SOI晶圆弯曲，易破碎、SOI片弹回后平整度低、成品率低。
[0010]2010年，中国科学院上海微系统与信息技术研究所、上海新傲科技股份有限公司获得的一种制备双轴应变SOI的方法专利(CN201010223281)。是将SOI的顶层硅热氧化减薄至10-30nm形成超薄的顶层娃层，然后在超薄的顶层Si层上外延Si1-xGex应变层，Si1-xGex应变层的厚度不超过其临界厚度;进行离子注入，选择合适的能量，使离子注入到埋氧层和衬底硅层的界面;进行退火工艺，形成弛豫的Si1-Aex层，同时，顶层硅层受到拉伸的应力，离子注入使得埋氧层和衬底硅层的界面疏松，最终形成应变硅层;将剩余弛豫的SinGex应变层移除，得到全局双轴应变SOI材料。该发明缺点:仅能形成双轴应变SOI晶圆、在制作过程中有Ge扩散问题、应变量小。
[0011]2007年飞思卡尔半导体公司提出的厚应变SOI衬底中的工程致应变专利(CN200780019691)中将SOI分成四个区，在第四区域沿着晶体管宽度方向上进行条状非晶化以消除晶体管长度方向的应变，保留宽度方向上的应变，从而得到单轴应变。如图1所示其工艺步骤如下:
[0012]I)选取顶层Si层为双轴张应变的SOI晶圆；2)将SOI片的顶层Si层分为四个区域；
3)在第一区域上淀积掩蔽层，在第四区域上进行条状掩膜;4)对顶层Si层进行离子注入非晶化;5)去除掩蔽层;6)淀积S12层;7)在顶层Si层上淀积张应变SiN层;8)刻蚀掉第三区域以外的SiN层;9)退火使非晶半导体再结晶；10)去除掉第三区域的SiN层；11)去除掉S12层。
[0013]该发明的缺点:1.必须使用具有双轴应变的SOI晶圆，成本较高。2.顶层Si层中的应变大小固定，在后续的工艺步骤中不可调整。3.该方法得到的单轴应力是消除一个应力分量得到，应力较小。4.SOI应变的性质为张应变仅能提高电子的迀移率，不能提高空穴的迀移率。
【发明内容】
[0014]本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种基于非晶化与尺度效应的SiN埋绝缘层上晶圆级单轴应变Si的制作方法，以降低晶圆级单轴应变SOI制作成本，增加应变量，消除Ge杂质扩散，提高载流子迀移率及电路的散热性能。
[0015]本发明的技术方案是这样实现的:
[0016]一.技术原理:
[0017]通过等离子体增强化学气相淀积PECVD工艺，在SiN埋绝缘层上Si晶圆上淀积具有双轴张应力或双轴压应力的SiN薄膜。当双轴应力SiN薄膜被刻蚀成宽度为亚微米级的长条时，由于“尺度效应”的影响，SiN条宽度方向的应力会释放掉，而SiN条长度方向为宏观尺度应力得到保留，可得到具有单轴张应力或单轴压应力的SiN条状阵列，其沿着条长方向对顶层Si层中的非晶化层施加单轴张应力或单轴压应力。在650 °C?1050 °C退火，可使非晶化层重结晶，由于顶层Si层的非晶化层在退火过程中始终受到SiN条状阵列施加的单轴张应力或单轴压应力，因而在退火过程中由应力引起的单轴应变被保留到顶层Si层中，最终在退火后得到晶圆级单轴应变的顶层Si层。同时，退火使SiN埋绝缘层发生塑性形变，在退火后SiN埋绝缘层对顶层Si层具有拉持作用，以保障去除高应力SiN薄膜后单轴应变的顶层Si层中的应力不消失，最终可得到SiN埋绝缘层上晶圆级单轴应变Si材料。
[0018]二.实现步骤
[0019]根据上述原理，本发明的实现步骤如下:
[0020]I)选取SiN埋绝缘层上Si晶圆进行清洗，该SiN埋绝缘层上Si晶圆包括顶层Si层、SiN埋绝缘层和Si衬底；
[0021]2)在顶层Si层上通过等离子体增强化学气相淀积PECVD工艺淀积厚度为1nm?30nm的S12层，以消除后续离子注入工艺的沟道效应；
[0022]3)对顶层Si层进行离子注入，使顶层Si层形成非晶化层；
[0023]4)去除非晶化层上的S12层；
[0024]5)在顶层Si层上采用等离子体增强化学气相淀积PECVD工艺淀积-1GPa以上的高压应力SiN薄膜或IGPa以上的张应力SiN薄膜；
[0025]6)使用光刻和反应离子刻蚀RIE工艺方法将张应力SiN薄膜或压应力SiN薄膜刻蚀成宽度和间距均为0.08μπι?0.18μπι的SiN条状阵列，以消除SiN条宽度方向的应力，得到具有单轴张应力的SiN条状阵列或单轴压应力的SiN条状阵列；
[0026]7)对带有SiN条状阵列的SiN埋绝缘层上Si晶圆进行退火，进一步增强SiN条状阵列应力，并使非晶化层再结晶，同时使SiN埋绝缘层发生塑性形变，保证SiN条状阵列去除后顶层Si层的应力不消失；
[0027]8)采用湿法刻蚀去除掉SiN条状阵列，最终得到SiN埋绝缘层上晶圆级单轴应变Si材料。
[0028]本发明与现有的晶圆级单轴应变SOI制造技术相比，具有如下优点:
[0029]1.散热性好
[0030]本发明采用SiN取代S12作为埋绝缘层，具有更好的绝缘性和散热性。
[0031]2.成本低
[0032]现有的晶圆级单轴应变SOI制造技术通过消除双轴应变SOI的一个应变分量得到单轴应变，而双轴应变SOI需额外的工艺由无应变的SOI晶圆制造，因而成本高，本发明采用高压应力S iN条状阵列对无应变的SOI片直接引入单轴应变，成本低。
[0033]3.单轴应变大小可控
[0034]本发明通过改变SiN淀积工艺调整SiN的应力，能控制最终得到的单轴应变的大小。
[0035]4.无Ge杂质扩散
[0036]本发明使用单轴张应力SiN条状阵列或单轴压应力SiN条状阵列引入应力，无Ge杂质，避免了传统应变制造技术中利用驰豫GenSix层引入应变产生的Ge杂质扩散问题，提高了材料性能。
[0037]5.成品率高
[0038]本发明使用单轴张应力SiN条状阵列或单轴压应力SiN条状阵列引入应变，避免了机械致晶圆级单轴应变SOI方法对SOI进行弯曲引起的破损和缺陷问题，成品率高。
[0039]6.平整度高
[0040]本发明使用单轴张应力SiN条状阵列或单轴压应力SiN条状阵列引入应变，避免了机械致晶圆级单轴应变SOI方法中对SOI晶圆弯曲退火后SOI晶圆平整度较低的问题。
[0041 ] 7.应变量大
[0042]本发明采用单轴张应力SiN条状阵列或单轴压应力SiN条状阵列引入单轴应变，且SiN埋绝缘层退火后发生塑性形变对顶层Si层具有拉持作用，增大了顶层Si层应变量，使得载流子迀移率有了明显的提升。
【附图说明】
[0043]图1为现有单轴应变SOI晶圆的工艺流程图；
[0044]图2为本发明SiN埋绝缘层上晶圆级单轴应变Si的工艺流程图；
[0045]图3为本发明中淀积在顶层Si层上的SiN条状阵列的俯视图。
【具体实施方式】
[0046]SiN埋绝缘层上Si晶圆，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英寸的不同规格，且顶层Si层厚度为0.Ιμπι?0.4μηι。
[0047]参照图2，本发明给出基于非晶化与尺度效应的SiN埋绝缘层上晶圆级单轴应变Si的制作方法的三个实施例，即制作4英寸SiN埋绝缘层上晶圆级单轴张应变Si材料;制作12英寸SiN埋绝缘层上晶圆级单轴张应变Si材料;制作16英寸SiN埋绝缘层上晶圆级单轴压应变Si材料。上述SiN埋绝缘层上Si晶圆均具有三层结构，即顶层Si层I，SiN埋绝缘层2，Si衬底3，如图2(a)所示。其中:
[0048]4英寸SiN埋绝缘层上Si晶圆，顶层Si层I的厚度为0.Ιμπι，SiN埋绝缘层2的厚度为
0.5口!11，31衬底3的厚度为6754111。
[0049]12英寸SiN埋绝缘层上Si晶圆，顶层Si层I的厚度为0.2ym，SiN埋绝缘层2的厚度为0.5口!11，31衬底3的厚度为6754111。
[0050]16英寸SiN埋绝缘层上Si晶圆，顶层Si层I的厚度为0.4ym，SiN埋绝缘层2的厚度为0.5口!11，31衬底3的厚度为6754111。
[0051 ]实施例1，制作4英寸SiN埋绝缘层上晶圆级单轴应变Si材料。
[0052]步骤1:选用4英寸SiN埋绝缘层上Si晶圆，并对其进行清洗。
[0053](Ia)使用丙酮和异丙醇对所选SiN埋绝缘层上Si晶圆交替进行超声波清洗，以去除衬底表面有机物污染；
[0054](Ib)将氨水、双氧水、去离子水按照1: 1:3的比例配置成混合溶液，并加热至120°C，将SiN埋绝缘层上Si晶圆置于此混合溶液中浸泡12min，取出后用大量去离子水冲洗，以去除SiN埋绝缘层上Si晶圆表面无机污染物；
[0055](Ic)将SiN埋绝缘层上Si晶圆用HF酸缓冲液浸泡2min，去除表面的氧化层。
[0056]步骤2:淀积S12层4，如图2 (b)所示。
[0057]将清洗后的SiN埋绝缘层上Si晶圆取出，在其顶层Si层I上利用等离子体增强化学淀积PECVD淀积厚度为1nm的S12层4，淀积的工艺条件如下:
[0058]SiH4 流量为 45sccm;
[0059]N2O 流量为 164sccm;
[0060]N2 流量为 800sccm;
[0061]气压为600mTorr;
[0062]功率为60W;
[0063]淀积温度为为30(TC;
[0064]淀积厚度为1nm0
[0065]步骤3:形成非晶化层5，如图2(c)所示。
[0066]通过离子注入机对顶层Si层I进行离子注入，以在顶层Si层I内部形成非晶化层5;注入的工艺条件如下:
[0067]注入离子为C，注入剂量为lE14cm—2，注入能量为20keV。
[0068 ] 步骤4:去除S i O2层4，如图2 (d)所示。
[0069]在室温下，将带有S12层4的SiN埋绝缘层上Si晶圆在BHF溶液中浸泡30s，去除非晶化层5上的S12层4。
[0070]步骤5:在非晶化层上淀积压应力SiN薄膜6，如图2(e)所示。
[0071]采用等离子体增强化学气相淀积PECVD工艺，在非晶化层5上淀积应力大小为_1.5GPa，厚度为0.8μπι的压应力SiN薄膜6，淀积工艺条件如下:
[0072]高频HF功率为0.15kW，低频LF功率为0.85kW，高纯SiH4流量为0.42slm，高纯NH3流量为1.8s Im，高纯氮气流量为1.7s Im，反应室压强为2.4Torr，反应室温度为400 °C。
[0073]步骤6:将压应力SiN薄膜6刻蚀成SiN条状阵列7，如图2(f)所示。
[0074](6a)利用半导体光刻工艺在压应力SiN薄膜6上涂正光刻胶，将光刻胶烘干，利用具有条形宽度和间隔均为0.08μηι的光刻板进行曝光，曝光的区域为宽度和间隔均为0.08μηι的条状阵列，再用显影液去除掉曝光区域易溶于显影液的正光刻胶，在压应力SiN薄膜6上形成条状光刻胶掩蔽膜阵列；
[0075](6b)采用反应离子刻蚀RIE工艺刻蚀掉淀积在SiN埋绝缘层上Si晶圆顶层Si层I上的无光刻胶掩蔽膜保护的压应力SiN薄膜6，留下条状光刻胶掩蔽膜下的压应力SiN薄膜6，得到宽度和间距均为0.08μπι的SiN条状阵列7，以消除SiN条宽度方向的应力，保留SiN条长度方向的应力，得到单轴应力SiN条状阵列7。如图2(f)所示；
[0076](6c)去除条状光刻胶掩蔽膜，仅留下SiN条状阵列7，带有SiN条状阵列的SiN埋绝缘层上Si晶圆俯视图如图3所示。
[0077]步骤7:对带有SiN条状阵列7的SiN埋绝缘层上Si晶圆进行退火，如图2(g)所示。
[0078]在退火炉中，先按照4°C/min的升温速率将温度由室温提升至650°C后，将带有SiN条状阵列7的SiN埋绝缘层上Si晶圆在惰性气体He下退火3h ；再按照4°C/min的降温速率将退火炉温度降至室温，退火后顶层Si层I变为单轴应变顶层Si层8;
[0079]在退火过程中SiN条状阵列应力进一步增强，非晶化层5再结晶，同时使SiN埋绝缘层2发生塑性形变，变成塑性形变SiN埋绝缘层9，以保证SiN条状阵列去除后其上的应变顶层Si层8的应力不消失。
[0080]步骤8:去除SiN埋绝缘层上Si晶圆上的SiN条状阵列，如图2 (h)所示。
[0081]配置152°C，体积分数为86%的热磷酸溶液，将带有SiN条状阵列7的SiN埋绝缘层上Si晶圆在热磷酸溶液中浸泡8min，去除掉SiN条状阵列7，得到4英寸SiN埋绝缘层上晶圆级单轴张应变Si材料。
[0082]实施例2，制作12英寸SiN埋绝缘层上晶圆级单轴张应变Si材料。
[0083]步骤一:选用12英寸SiN埋绝缘层上Si晶圆，并对其进行清洗。
[0084]本步骤的实现与实施例1的步骤I相同。
[0085]步骤二:将清洗后的SiN埋绝缘层上Si晶圆取出，在其顶层Si层I上通过等离子体增强化学气相淀积PECVD工艺淀积S12层，即在SiH4流量为45sccm，N20流量为164sccm，N2流量为800SCCm，气压为600mTorr，功率为60W，淀积温度为300°C的工艺条件下，淀积厚度为20nm的S12层4，如图2(b)所示。
[0086]步骤三:通过离子注入机对顶层Si层I内注入剂量为1.5E15cm—2，能量为30keV，的Si离子，以在顶层Si层I内部形成非晶化层5，如图2(c)所示。
[0087]步骤四:将带有S12层4的SiN埋绝缘层上Si晶圆在BHF溶液中浸泡40s，去除非晶化层5上的S12层4，如图2(d)所示。
[0088]步骤五:采用等离子体增强化学气相淀积PECVD工艺，在非晶化层5上淀积应力大小为-1.9GPa，厚度为0.9μπι的压应力SiN薄膜6，如图2(e)所示。
[0089]本步骤的淀积工艺条件如下:
[0090]高频HF功率为0.2kW，低频LF功率为0.8kW，高纯SiH4流量为0.3s Im，高纯NH3流量为1.9sIm，高纯氮气流量为2.0slm,反应室压强为2.6Torr，反应室温度为400°C。
[0091]步骤六:利用半导体光刻和刻蚀技术，将压应力SiN薄膜6刻蚀成条状阵列，以消除SiN条宽度方向的应力，保留SiN条长度方向的应力，得到单轴应力SiN条状阵列7。
[0092](6.1)在压应力SiN薄膜6上涂正光刻胶，将光刻胶烘干，利用具有条形宽度和间隔均为0.14μηι的光刻板进行曝光，曝光的区域为宽度和间隔均为0.14μηι的条状阵列，用显影液去除掉曝光区域易溶于显影液的正光刻胶，在压应力SiN薄膜6上形成条状光刻胶掩蔽膜阵列；
[0093](6.2)采用反应离子刻蚀RIE工艺刻蚀掉淀积在SiN埋绝缘层上Si晶圆顶层Si层I上的无光刻胶掩蔽膜保护的压应力SiN薄膜，留下条状光刻胶掩蔽膜下的SiN，得到宽度和间距均为0.14μπι的SiN条状阵列7，如图2(f)所示；
[0094](6.3)去除条状光刻胶掩蔽膜，仅留下SiN条状阵列7，带有SiN条状阵列的SiN埋绝缘层上Si晶圆俯视图如图3所示。
[0095]步骤七:在退火炉中，按照4°C/min的升温速率将温度由室温提升至850°C后，将带有SiN条状阵列7的SiN埋绝缘层上Si晶圆在惰性气体Ne下退火2.5h，以进一步增强SiN条状阵列应力，并使非晶化层再结晶，同时使SiN埋绝缘层2发生塑性形变，变成塑性形变SiN埋绝缘层9，以保证SiN条状阵列去除后顶层Si层的应力不消失;再按照4°C/min的降温速率将退火炉温度降至室温。退火后顶层Si层I变为单轴应变顶层Si层8。如图2(g)所示。
[0096]步骤八:配置160°C，体积分数为87%的热磷酸溶液，将带有SiN条状阵列7的SiN埋绝缘层上Si晶圆在热磷酸溶液中浸泡9min，去除掉SiN条状阵列7，得到12英寸SiN埋绝缘层上晶圆级单轴张应变S i材料，如图2 (h)所示。
[0097]实施例3，制作16英寸SiN埋绝缘层上晶圆级单轴压应变Si材料。
[0098]步骤A:选用16英寸SiN埋绝缘层上Si晶圆，并对其进行清洗。
[0099]本步骤的实现与实施例1的步骤I相同。
[0100]步骤B:淀积S i02层4，如图2 (b)所示。
[0101]将清洗后的SiN埋绝缘层上Si晶圆取出，在其顶层Si层I上通过等离子体增强化学气相淀积PECVD工艺淀积厚度为20nm的S12层4，使其在离子注入过程中保护顶层Si层1，如图2(b)所示。
[0102]淀积的工艺如下:SiH4流量为45sccm，N20流量为164sccm，N2流量为800sccm，气压为600mTorr，功率为60W，淀积温度为300°C。
[0103]步骤C:形成非晶化层5，如图2(c)所示。
[0104]形成具有保护作用的S12层4后，通过离子注入机对顶层Si层I进行Ge离子注入，以在顶层Si层I内部形成非晶化层5;
[0105]注入剂量为IEl 5cm—2，注入能量为40keV，如图2 (c)所示。
[0106]步骤D:去除S12层4，如图2(d)所示。
[0107]将带有S12层4的SiN埋绝缘层上Si晶圆在BHF溶液中浸泡90s，去除非晶化层5上的S12层4，以免在淀积SiN薄膜6后阻碍其应力传递给非晶化层5，如图2(d)所示。
[0108]步骤E:在非晶化层上淀积张应力SiN薄膜6，如图2(e)所示。
[0109]采用等离子体增强化学气相淀积PECVD工艺，在非晶化层5上淀积应力大小为1.8GPa，厚度为1.Ομπι的SiN薄膜6 ；
[0110]淀积工艺条件如下:
[0111]高频HF功率为1.5kW，低频LF功率为0.5kW，高纯SiH4流量为0.4sIm，高纯NH3流量为1.7s Im，高纯氮气流量为1.2s Im，反应室压强为3.3Torr，反应室温度为400 °C。
[0112]步骤F:将张应力SiN薄膜6刻蚀成SiN条状阵列7，如图2(f)所示。
[0113](Fl)利用半导体光刻工艺在张应力SiN薄膜6上涂正光刻胶，将光刻胶烘干，利用具有条形宽度和间隔均为0.18μηι的光刻板进行曝光，曝光的区域为宽度和间隔均为0.18μηι的条状阵列，用显影液去除掉曝光区域易溶于显影液的正光刻胶，在张应力SiN薄膜6上形成条状光刻胶掩蔽膜阵列；
[0114](F2)采用反应离子刻蚀RIE工艺刻蚀掉淀积在SiN埋绝缘层上Si晶圆顶层Si层上的无光刻胶掩蔽膜保护的张应力SiN薄膜6，留下条状光刻胶掩蔽膜下的张应力SiN薄膜6，得到宽度和间距均为0.18μπι的单轴张应力SiN条状阵列7，以消除SiN条宽度方向的应力，保留SiN条长度方向的应力，如图2(f)所示；
[0115](F3)去除条状光刻胶掩蔽膜，仅留下SiN条状阵列7，带有SiN条状阵列的SiN埋绝缘层上Si晶圆俯视图如图3所示。
[0116]步骤G:对带有SiN条状阵列7的SiN埋绝缘层上Si晶圆进行退火，如图2(g)所示。
[0117]在退火炉中，按照4°C/min的升温速率将温度由室温提升至1050°C后，将带有SiN条状阵列7的SiN埋绝缘层上Si晶圆在惰性气体Ar下退火2h，进一步增强SiN条状阵列应力，并使非晶化层再结晶，同时使SiN埋绝缘层2发生塑性形变，变成塑性形变SiN埋绝缘层9，保证SiN条状阵列去除后顶层Si层的应力不消失；
[0118]接着，按照4°C/min的降温速率将退火炉温度降至室温，退火后顶层Si层I变为单轴应变顶层Si层8。如图2(g)所示。
[0119]步骤H:去除SiN埋绝缘层上Si晶圆上的SiN条状阵列，如图2 (h)所示。
[0120]配置180 °C，体积分数为88%的热磷酸溶液，将带有SiN条状阵列的SiN埋绝缘层上Si晶圆在热磷酸溶液中浸泡lOmin，去除掉SiN条状阵列7，得到16英寸SiN埋绝缘层上晶圆级单轴压应变Si材料，如图2(h)所示。
【主权项】
1.基于非晶化与尺度效应的SiN埋绝缘层上晶圆级单轴应变Si的制作方法，包括如下步骤: 1)选取SiN埋绝缘层上Si晶圆进行清洗，该SiN埋绝缘层上Si晶圆包括顶层Si层、SiN埋绝缘层和Si衬底； 2)在顶层Si层上通过等离子体增强化学气相淀积PECVD工艺淀积厚度为1nm?30nm的S12层，以消除后续离子注入工艺的沟道效应； 3)对顶层Si层进行离子注入，使顶层Si层形成非晶化层； 4)去除非晶化层上的S12层； 5)在顶层Si层上采用等离子体增强化学气相淀积PECVD工艺淀积-1GPa以上的高压应力SiN薄膜或IGPa以上的张应力SiN薄膜； 6)使用光刻和反应离子刻蚀RIE工艺方法将张应力SiN薄膜或压应力SiN薄膜刻蚀成宽度和间距均为0.08μπι?0.18μπι的SiN条状阵列，以消除SiN条宽度方向的应力，得到具有单轴张应力的SiN条状阵列或单轴压应力的SiN条状阵列； 7)对带有SiN条状阵列的SiN埋绝缘层上Si晶圆进行退火，进一步增强SiN条状阵列应力，并使非晶化层再结晶，同时使SiN埋绝缘层发生塑性形变，保证SiN条状阵列去除后顶层Si层的应力不消失； 8)采用湿法刻蚀去除掉SiN条状阵列，最终得到SiN埋绝缘层上晶圆级单轴应变Si材料。2.根据权利要求1所述，其特征在于SiN埋绝缘层上Si晶圆，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英寸的不同规格;顶层Si层厚度为0.Ιμπι?0.4μπι。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤3)中对顶层Si层进行离子注入的工艺条件是: 注入离子:C或Si或Ge或它们的任意组合； 注入剂量:lE14cm—2 ?lE15cm—2; 注入能量:20keV?40keV。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)中在去除非晶化层上的S12层，是将带有S12层的SiN埋绝缘层上Si晶圆在BHF溶液中浸泡30s?90s，以去除非晶化层上的S12层。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5)中在顶层Si层上淀积IGPa以上张应力SiN薄膜的CVD工艺，采用等离子体增强化学气相淀积PECVD工艺，其中淀积张应力SiN薄膜参数如下: 反应室温度400 °C; 高频HF功率为I.IkW?1.5kW; 低频LF功率为0.4kW?0.5kff； 高纯SiH4流量0.4slm?0.5slm，高纯冊3流量1.7slm?2.5slm，高纯氮气流量0.6slm?1.5slm； 反应室压强为2.0Torr?3.6Torr ； 淀积厚度为0.8μηι?1.Ομπι。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5)中在顶层Si层上淀积-1GPa以上压应力SiN薄膜的CVD工艺，采用等离子体增强化学气相淀积PECVD工艺，其中淀积压应力SiN薄膜参数如下: 反应室温度400 °C; 高频HF功率为0.15kW?0.35kW; 低频LF功率为0.65kW?0.85kff； 高纯SiH4流量0.22sIm?0.42sIm，高纯冊3流量1.8sIm?2.0slm，高纯氮气流量1.7slm?2.1slm; 反应室压强为2.4Torr?2.0Torr ； 淀积厚度为0.8μηι?1.Ομπι。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤6)中使用光刻和反应离子刻蚀RIE工艺方法将SiN薄膜刻蚀成条状阵列，按如下步骤进行: (7a)在SiN薄膜上涂正光刻胶，将光刻胶烘干，利用具有条形宽度和间隔均为0.08μπι?0.18μηι的光刻板进行曝光，曝光的区域为宽度和间隔均为0.08μηι?0.18μηι的条状阵列，用显影液去除掉曝光区域易溶于显影液的正光刻胶，在SiN薄膜上形成条状光刻胶掩蔽膜阵列； (7b)采用反应离子刻蚀RIE工艺刻蚀掉淀积在SiN埋绝缘层上Si晶圆顶层Si层上的无光刻胶掩蔽膜保护的SiN薄膜，留下条状光刻胶掩蔽膜下的SiN薄膜，得到宽度和间距均为0.08μπι?0.18μπι的SiN条状阵列； (7c)去除条状光刻胶掩蔽膜，仅留下SiN条状阵列。8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤7)中对带有SiN条状阵列的SiN埋绝缘层上Si晶圆进行退火，其工艺条件如下: 温度:650 cC ?1050 cC ; 时间:2h?3h; 环境:He、Ne、Ar或它们的混合物。9.根据权利要求1所述，其特征在于，步骤8)中采用湿法刻蚀去除掉SiN条状阵列，是配置150 °C?200 0C，体积分数为86 %?88 %的热磷酸溶液，将带有SiN条状阵列的SiN埋绝缘层上Si晶圆在热磷酸溶液中浸泡8min?1min，去除掉SiN条状阵列，得到晶圆级单轴应变Si材料。
【文档编号】H01L21/762GK105938809SQ201610445852
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年6月20日
【发明人】郝跃, 戴显英, 祁林林, 苗东铭, 焦帅, 梁彬
【申请人】西安电子科技大学