專利名稱：基于AlN埋絕緣層的機械致單軸應變GeOI晶圓的制作方法
技術領域：
本發明屬于微電子技術領域，涉及半導體材料制作工藝技術。具體的說是一種制造AlN (氮化招)埋絕緣層上單軸應變GeOI (Germanium On Insulater,絕緣層上鍺)晶圓的新方法，能顯著增強GeOI晶圓片的電子遷移率與空穴遷移率，提高GeOI MOS器件與GeOI CMOS電路的電學性能。
背景技術：
半導體Ge的電子與空穴遷移率分別是Si的2. 8倍和4. 2倍，其空穴遷移率是所有半導體中最高的。與應變Si相似，應變Ge的載流子遷移率也有較大的提升，埋溝應變Ge 的空穴遷移率可提高6-8倍。因此，Ge及應變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還是極優異的光電材料，在探測器(可見光到近紅外)、調制器、光波導、光發射器、太陽電池等有著極為廣泛的應用。由于禁帶寬度只有O. 67eV，Ge器件與電路的最大弱點是襯底的漏電較大。而GeOI 正是為解決襯底泄漏電流而開發的，目前已廣泛應用于半導體器件與集成電路的制造。結合了應變Ge和GeOI優點的應變GeOI為研發新型的超高速、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、系統級芯片等方面有著重要的應用前景。GeOI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 GeOI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 GeOI在高密度、高功率集成電路中的應用。而AlN具有熱導率高(是SiO2的200倍)、電阻率大(320W/m ·Κ)、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的GeOI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GeOI是基于SOI晶圓的雙軸壓應變，即在SOI (Silicon On Insulater，絕緣層上硅)晶圓上直接生長應變Ge，或先在SOI晶圓上生長Ge組分漸變的 SiGe層作虛襯底，再在該SiGe層上外延生長所需的應變Ge層。傳統應變GeOI的主要缺點是位錯密度高、只能是雙軸壓應變、遷移率提升不高、SiGe虛襯底增加了熱開銷和制作成本、SiGe虛襯底嚴重影響了器件與電路的散熱、應變Ge層臨界厚度受Ge組分限制、高場下的空穴遷移率提升會退化等。C. Himcinschi于2007年提出了單軸應變SOI晶圓的制作技術，參見[I] C. Himcinschi.，I. Radu, F. Muster，R. AlNgh, M. Reiche，M. Petzold，U. Go .. sele， S. H.Christiansen, Uniaxially strained silicon by wafer bonding and layer transfer, Solid-State electronics,51 (2007) 226-230 ； [2]C. Himcinschi, M. Reiche, R. Scholz,S. H. Christiansen,and U. Gosele,Compressive uniaxially strained silicon on insulator by prestrained wafer bonding and layer transferAPPLIeD, PHYSICS LeTTeRS 90,231909(2007)。該技術的工藝原理與步驟如圖I和圖2所示，其單軸張應變GeOI的制作工藝步驟描述如下I.先將4英寸Si片I熱氧化，再將該氧化片I注入H+ (氫離子)。2.將注H+的氧化片I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4英寸注H+氧化片I上，通過內壓桿將其彎曲，與注H+氧化片I緊密貼合；3.將彎曲臺放置在退火爐中，在200°C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I小時，完成智能剝離，并最終形成單軸應變GeOI晶圓。該技術的主要缺點是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。

發明內容
本發明的目的在于克服上述已有技術的不足，提出一種基于AlN埋絕緣層的機械致單軸應變GeOI晶圓的制作方法，以降低應變GeOI晶圓的制作成本、提高應變GeOI器件與集成電路的散熱性能、絕緣性能和集成度，滿足微電子技術領域、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GeOI晶圓的需求。采用如下技術方案一種基于AlN埋絕緣層的機械致單軸應變GeOI晶圓的制作方法，包括以下步驟 DGeOI晶圓頂層Ge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GeOI晶圓兩端，距GeOI晶圓邊緣Icm ；3)緩慢旋動連接壓桿的螺帽，使GeOI晶圓沿弧形臺面逐漸彎曲，直至GeOI晶圓完全與弧形臺面貼合；4)載有GeOI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900°C范圍內可任意選擇。例如，可在 300°C下退火10小時，也可在600°C下退火5小時；5)退火結束后緩慢降溫至室溫，取出載有GeOI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GeOI 晶圓回復原狀。載有GeOI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 GeOI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；最高退火溫度為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I. 2m到O. 35m連續變化， 其對應制作不同應變量的單軸應變GeOI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 600°C下退火6小時；或者在900°C下退火3小時。所述的的制作方法,所述GeOI晶圓為3英寸、4英寸、5英寸、6英寸、8英寸的GeOI晶圓。本發明的技術原理成品的GeOI片頂層Ge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GeOI晶圓中性面上部的AlN層和頂層Ge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GeOI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，GeOI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GeOI晶圓中頂層Ge層卻保留了一定量的張應變。這是因為在彎曲熱退火處理時，設定了合適的退火溫度與時間，保證所施加的機械外力能超過AlN的屈服強度但小于Si襯底的屈服強度，使AlN發生塑性形變，而Si襯底始終是彈性形變。塑性形變的 AlN埋絕緣層在GeOI晶圓回彈復原時不可能完全回彈，仍保持一定量的張應變。而頂層Ge 層受塑性形變AlN埋絕緣層的拉持作用，也不能完全回彈，最終形成單軸張應變GeOI晶圓。同理，若將GeOI晶圓頂層Ge層面向下放置在圓弧形臺面上進行機械彎曲與熱退火，由于頂層SiGe層處于GeOI晶圓中性面的下部，在彎曲退火時其晶格將被壓縮，晶格常數變小，最終可得到單軸壓應變GeOI晶圓。相對于現有單軸應變GeOI技術，本發明具有以下優點I)應變度高與現有相似的技術相比，同樣彎曲度下，本發明的應變量高，因而可獲得更高的遷移率。2)熱性能優良與傳統CVD (化學氣相淀積)外延法制作的基于SiGe虛襯底的應變SOI晶圓片相比，本發明制作的應變GeOI晶圓片無厚厚的SiGe緩沖層，可大大降低其器件與電路的熱開銷，其AlN埋絕緣層又使得其器件與電路具有優良的散熱性能。3)成品率高現有技術采用兩片Si晶圓進行鍵合彎曲退火，并在彎曲狀態下通過高溫剝離來獲取單軸應變SOI，因而Si片非常容易破碎。而本發明僅用一片成品的GeOI晶圓進行彎曲退火來獲得單軸應變GeOI，不易破碎，因而成品率高。4)退火溫度范圍大相對現有單軸應變SOI技術的200°C到300°C退火溫度范圍， 本發明的退火溫度從最低的300°C到最高的900°C，可任意選擇。5)制作工藝簡單與現有相似的技術相比，沒有熱氧化、離子注入、高溫剝離等額外的工藝，僅有機械彎曲與高溫退火兩道工藝步驟。6)設備少且可自制只需彎曲臺和退火爐兩臺設備即可實現本發明，而且彎曲臺可自制。


圖I為現有單軸張應變GeOI原理與工藝步驟； 圖2為現有單軸壓應變GeOI原理與工藝步驟；圖3為本發明單軸張應變GeOI晶圓制作原理及工藝步驟；圖4為本發明單軸壓應變GeOI晶圓制作原理及工藝步驟；I-Si襯底，2-A1N埋絕緣層，3_頂層Ge層。
具體實施例方式以下結合具體實施例，對本發明進行詳細說明。實施例I :3英寸單軸應變GeOI晶圓的制備I、GeOI晶圓片選擇3英寸(100)或(110)晶圓片((100)或(110)指的是GeOI 晶圓晶體表面的某個晶面)，Si襯底厚O. 4mm, AlN埋絕緣層厚500nm，頂層Ge層厚500nm。
GeOI晶圓直徑選擇=GeOI晶圓的直徑越大，其彎曲的最小彎曲半徑就越小，得到的單軸應變GeOI晶圓的應變量也就越大，最終單軸應變GeOI晶圓的電子遷移率和空穴遷移率的增強也就越高。對于本發明所制作的基于AlN埋絕緣層的單軸應變GeOI晶圓而言， 根據其GeOI器件與電路的不同工藝，可選擇從3英寸到8英寸的不同直徑GeOI晶圓片。GeOI晶圓晶面與晶向選擇對于本發明所制作的張應變GeOI晶圓而言，應選擇 (100)晶面，彎曲方向應選擇〈110〉晶向(〈110〉指的是晶圓片表面的某個晶向，通常也是器件的溝道方向)，可獲得最大的電子遷移率提升。對于本發明所制作的壓應變GeOI晶圓而言，應選擇(110)晶面，彎曲方向應選擇〈100〉晶向，可獲得最大的空穴遷移率提升。GeOI晶圓Si襯底厚度選擇Si襯底的厚度越薄，其GeOI晶圓的最小彎曲半徑就小，得到的單軸張應變GeOI晶圓的應變量也就越大。對于本發明所制作的基于AlN埋絕緣層的單軸應變GeOI晶圓而言，根據其GeOI器件與電路的不同結構及其工藝，可選擇不同Si 襯底厚度的GeOI晶圓。GeOI晶圓頂層Ge層厚度選擇根據其GeOI器件與電路的不同結構，可選擇不同頂層Ge層厚度的GeOI晶圓片。若本發明所制作的基于SiO2埋絕緣層的壓應變GeOI晶圓應用于CMOS器件與電路，則要求頂層Ge厚度不能超過30nm ;若應用于光探測器，則要求頂層Ge厚度不能低于700nm ；GeOI晶圓AlN埋絕緣層厚度選擇根據GeOI器件與電路的不同結構，可選擇不同 AlN絕緣層厚度的GeOI晶圓片。若本發明所制作的基于AlN埋絕緣層的張應變GeOI晶圓應用于CMOS器件與電路，則要求AlN絕緣層厚度不低于250nm ;若應用于光探測器，則要求 AlN絕緣層厚度不超過200nm ；彎曲臺材料選擇彎曲臺材料主要是根據退火溫度來選擇，要保證彎曲臺在最高退火溫度下不變形。對于本發明所采用的基于AlN埋絕緣層的GeOI晶圓而言，其最高退火溫度為900°C，則彎曲臺材料可采用耐高溫的ZG35Cr26Nil2耐熱鋼材料。2、彎曲臺曲率半徑選擇根據選擇的GeOI晶圓片，選擇彎曲臺曲率半徑為lm。彎曲臺的曲率半徑是根據GeOI晶圓片的直徑和厚度來選擇。相同GeOI晶圓片尺寸下，薄GeOI 晶圓片的最小彎曲半徑比厚GeOI晶圓片的要小。相同厚度下，大尺寸GeOI晶圓的最小彎曲半徑比小尺寸GeOI晶圓片的要小。對于本發明所制作的基于AlN埋絕緣層的張應變GeOI 晶圓而言，其4英寸GeOI晶圓的彎曲半徑范圍為O. 50m-l. 2m,其6英寸GeOI晶圓的彎曲半徑范圍為O. 45m-1. 2m，，其8英寸GeOI晶圓彎曲半徑范圍為O. 4m-1. 2m。3、GeOI晶圓片彎曲工藝步驟1)將GeOI晶圓片頂層Ge層面向上(或向下，向上為張應變，如圖3，向下為壓應變，如圖4，下同)放置在弧形彎曲臺上，其彎曲方向與〈110〉或〈100〉方向平行；2)彎曲臺上的兩根圓柱形水平壓桿分別水平放置在GeOI晶圓片兩端，距離其邊緣I厘米；3)旋動彎曲臺上其中一個壓桿的頂桿螺帽，使GeOI晶圓片一端先固定；4)再緩慢旋動另一個壓桿的頂桿螺帽，使GeOI晶圓片沿弧形彎曲臺臺面逐漸彎曲，直至GeOI晶圓片完全與弧形彎曲臺臺面完全貼合。4、退火工藝步驟1)退火溫度3000C ；
2)升溫速率5°C /分鐘；3)退火時間10小時；4)降溫速率5°C /分鐘；5、卸架待爐溫降至室溫，取出彎曲臺。同時緩慢旋動彎曲臺兩端兩個壓桿的頂桿螺帽，使水平壓桿同時緩慢提升，直至壓桿完全脫離GeOI晶圓片。通過上述工藝步驟，可得到基于AlN埋絕緣層的3英寸單軸應變GeOI晶圓片。實施例2 4英寸單軸應變GeOI晶圓的制備UGeOI晶圓片選擇4英寸(100)或(110)晶面，Si襯底厚O. 55mm，AlN埋絕緣層厚300nm，頂層Ge層厚50nm。2、彎曲曲率半徑選擇根據選擇的GeOI晶圓片，選擇彎曲臺曲率半徑為O. 75m。3、GeOI晶圓片彎曲工藝步驟I)將GeOI晶圓片頂層Ge層面向上(或向下)放置在清潔的不銹鋼弧形彎曲臺上，其〈110〉或〈100〉方向與彎曲方向平行，如圖3或圖4所示；2)彎曲臺上的兩根圓柱形水平壓桿分別水平放置在GeOI晶圓片兩端，距離其邊緣I厘米；3)旋動彎曲臺上其中一個壓桿的頂桿螺帽，使GeOI晶圓片一端先固定；4)再緩慢旋動另一個壓桿的頂桿螺帽，使GeOI晶圓片沿弧形彎曲臺臺面逐漸彎曲，直至GeOI晶圓片完全與弧形彎曲臺臺面完全貼合。4、退火工藝步驟I)退火溫度600°C ；2)升溫速率4°C /分鐘；3)退火時間:5小時;4)降溫速率4°C /分鐘；5、卸架待爐溫降至室溫，取出彎曲臺。同時緩慢旋動彎曲臺兩端兩個壓桿的頂桿螺帽，使水平壓桿同時緩慢提升，直至壓桿完全脫離GeOI晶圓片。通過上述工藝步驟，可得到基于AlN埋絕緣層的4英寸單軸應變GeOI晶圓片。實施例3 6英寸單軸應變GeOI晶圓的制備UGeOI晶圓片選擇6英寸(100)或(110)晶面，Si襯底厚O. 68mm，AlN埋絕緣層厚 lOOOnm，頂層 Ge 層厚 lOOOnm。2、彎曲曲率半徑選擇根據選擇的GeOI晶圓片，選擇彎曲臺曲率半徑為O. 5m。3、GeOI晶圓片彎曲工藝步驟I)將GeOI晶圓片頂層Ge層面向上(或向下)放置在弧形彎曲臺上，其彎曲方向與〈110〉或〈100〉方向平行，如圖3或圖4所示；2)彎曲臺上的兩根圓柱形水平壓桿分別水平放置在GeOI晶圓片兩端，距離其邊緣I厘米；3)旋動彎曲臺上其中一個壓桿的頂桿螺帽，使GeOI晶圓片一端先固定；4)再緩慢旋動另一個壓桿的頂桿螺帽，使GeOI晶圓片沿弧形彎曲臺臺面逐漸彎曲，直至GeOI晶圓片完全與弧形彎曲臺臺面完全貼合。4、退火工藝步驟
I)退火溫度900°C ；2)升溫速率3°C /分鐘；3)退火時間3小時；4)降溫速率3°C /分鐘；5、卸架待爐溫降至室溫，取出彎曲臺。同時緩慢旋動彎曲臺兩端兩個壓桿的頂桿螺帽，使水平壓桿同時緩慢提升，直至壓桿完全脫離GeOI晶圓片。通過上述工藝步驟，可得到基于AlN埋絕緣層的6英寸單軸應變GeOI晶圓片。為了使本發明的敘述更清晰，以下將對諸多細節作出具體說明。例如具體結構、成分、材料、尺寸、工藝過程和技術。本發明所用弧形彎曲臺采用ZG35Cr26Nil2耐熱鋼材料，這是為了保證彎曲臺在最高退火溫度下不變形。除此之外，本發明所用彎曲臺也可采用其他易于機械加工、光潔度較高和耐高溫的一切材質來制作。本發明應變GeOI晶圓底部半導體襯底I也可以是其他半導體材料，如Ge、GaAs等所有可能的半導體材料。本發明應變GeOI晶圓頂層半導體材料3不限于Ge半導體材料，也可是Si、SiGe、 GaAs等所有適合制作GeOI晶圓頂層半導體薄膜的半導體材料。任何工藝方法制作的GeOI晶圓片均適于本發明制作單軸應變GeOI晶圓，這些工藝方法包括智能剝離(Smart-cut)、注氧隔離(SMOX)、鍵合與背腐蝕(BeGeOI)、層轉移 (eLRANT)、基于GeOI晶圓的外延生長等。本發明彎曲退火溫度和退火時間的選取原則是，保證GeOI晶圓結構中AlN薄膜在退火過程中發生塑性形變，但GeOI晶圓中的Si襯底在退火中只能發生彈性形變。因此，根據AlN薄膜的材料熱力學特性，其最低退火溫度不得低于300°C。根據GeOI晶圓頂層Ge層的特性，最高退火溫度可達900°C，接近Ge的熔點。但最高退火溫度必須考慮彎曲臺材料的熱力學性能，不能高于其形變溫度。本發明的詳細說明和描述均基于優選試驗方案，但本領域的技術人員會理解，上述和其他形式和細節的變化并不會偏離本發明的本質和范圍。對于本領域的專業人員來說，在了解了本發明內容和原理后，能夠在不背離本發明的原理和范圍的情況下，根據本發明的方法進行形式和細節上的各種修正和改變，但是這些基于本發明的修正和改變仍在本發明的權利要求保護范圍之內。應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換， 而所有這些改進和變換都應屬于本發明所附權利要求的保護范圍。
權利要求
1.一種基于AlN埋絕緣層的機械致單軸應變GeOI晶圓的制作方法，其特征在于，包括以下步驟l)GeOI晶圓頂層Ge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GeOI晶圓兩端，距GeOI晶圓邊緣Icm ;3)緩慢旋動連接壓桿的螺帽，使GeOI晶圓沿弧形臺面逐漸彎曲，直至GeOI晶圓完全與弧形臺面貼合；4)載有GeOI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900°C范圍內可任意選擇；5)退火結束后緩慢降溫至室溫，取出載有GeOI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GeOI晶圓回復原狀。
2.根據權利要求I所述的的制作方法，其特征在于，所述的彎曲臺的曲率半徑可從I.2m到O. 35m連續變化，其對應制作不同應變量的單軸應變GeOI晶圓；彎曲臺材料采用 ZG35Cr26Ni耐熱鋼12材料。
3.根據權利要求I所述的的制作方法，其特征在于，所述步驟4)的退火工藝為在 300°C下退火10小時；或者在600°C下退火5小時；或者在900°C下退火3小時。
4.根據權利要求I所述的的制作方法，其特征在于，所述GeOI晶圓為3英寸、4英寸、5 英寸、6英寸、8英寸的GeOI晶圓。
全文摘要
本發明公開了一種基于AlN埋絕緣層的機械致單軸應變GeOI晶圓的制作方法，包括以下步驟1)GeOI晶圓頂層Ge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GeOI晶圓兩端，距GeOI晶圓邊緣1cm；3)緩慢旋動連接壓桿的螺帽，使GeOI晶圓沿弧形臺面逐漸彎曲，直至GeOI晶圓完全與弧形臺面貼合；4)載有GeOI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GeOI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GeOI晶圓回復原狀。本發明具有如下優點1)應變度高；2)熱性能優良；3)成品率高；4)退火溫度范圍大；5)制作工藝簡單；6)制作設備少且可自制。
文檔編號H01L21/762GK102593039SQ20111036152
公開日2012年7月18日 申請日期2011年11月16日 優先權日2011年11月16日
發明者張鶴鳴, 戴顯英, 朱正國, 李金龍, 王宗偉, 田茂源, 鄭若川, 郝躍, 郭靜靜 申請人:西安電子科技大學