[发明专利]基于机械弯曲台的单轴应变GeOI晶圆的制作方法

说明书

技术领域

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。具体的说是一种制造单轴应变GeOI(Germanium On Insulater，埋绝缘层上锗)晶圆的新方法，能显著增强GeOI晶圆片的电子迁移率与空穴迁移率，提高GeOI器件与集成电路的电学性能和光学性能。

背景技术

半导体Ge的电子与空穴迁移率分别是Si的2.8倍和4.2倍，其空穴迁移率是所有半导体中最高的。与应变Si相似，应变Ge的载流子迁移率也有较大的提升，埋沟应变Ge的空穴迁移率可提高6-8倍。因此，Ge及应变Ge将是16纳米及以下工艺Si基CMOS器件与集成电路的最佳沟道材料。Ge还是极优异的光电材料，在探测器(可见光到近红外)、调制器、光波导、光发射器、太阳电池等有着极为广泛的应用。

由于禁带宽度只有0.67eV，Ge器件与电路的最大弱点是衬底的漏电较大。而GeOI正是为解决衬底泄漏电流而开发的，目前已广泛应用于半导体器件与集成电路的制造。

结合了应变Ge和GeOI优点的应变GeOI为研发新型的超高速、低功耗、抗辐射、高集成度硅基器件和芯片提供一种新的解决方案，在光电集成、系统级芯片等方面有着重要的应用前景。

传统的应变GeOI是基于SOI晶圆的双轴压应变，即在SOI(SilicOn On Insulater，绝缘层上硅)晶圆上直接生长应变Ge，或先在SOI晶圆上生长Ge组分渐变的SiGe层作虚衬底，再在该SiGe层上外延生长所需的应变Ge层。传统应变GeOI的主要缺点是位错密度高、只能是双轴压应变、迁移率提升不高、SiGe虚衬底增加了热开销和制作成本、SiGe虚衬底严重影响了器件与电路的散热、应变Ge层临界厚度受Ge组分限制、高场下的空穴迁移率提升会退化等。

C.Himcinschi于2007年提出了单轴应变SOI晶圆的制作技术，参见[1]C.Himcinschi.，I.Radu，F.Muster，R.SiO2gh，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.Compressive uniaxially strained silicon on insulator by prestrained wafer bonding and layer transferAPPLIeD，PHYSICS LeTTeRS 90，231909(2007)。该技术的工艺原理与步骤如图1和图2所示，其单轴张应变GeOI的制作工艺步骤描述如下：

1.先将4英寸Si片1热氧化，再将该氧化片1注入H⁺(氢离子)。

2.将注H⁺的氧化片1放在弧形弯曲台上，通过外压杆将其弯曲，与弧形台面紧密贴合；随后将3英寸Si片2沿相同弯曲方向放置在弯曲的4英寸注H⁺氧化片1上，通过内压杆将其弯曲，与注H⁺氧化片1紧密贴合；

3.将弯曲台放置在退火炉中，在200℃下退火15小时。

4.从弯曲台上取下弯曲的并已键合的两个Si晶圆片，重新放入退火炉中，在500℃下退火1小时，完成智能剥离，并最终形成单轴应变GeOI晶圆。

该技术的主要缺点是：1)工艺步骤复杂：该方法必须经历热氧化、H⁺离子注入、剥离退火等必不可少的主要工艺及其相关步骤。2)弯曲温度受限：由于是在智能剥离前进行键合与弯曲退火，受注H⁺剥离温度的限制，其弯曲退火温度不能高于300℃，否则将在弯曲退火过程中发生剥离，使Si片破碎。3)制作周期长：额外的热氧化、H⁺离子注入、剥离退火等工艺步骤增加了其制作的时间。4)成品率低：该方法是用两片重叠的硅晶圆片进行机械弯曲与键合，且又在弯曲状态下进行高温剥离，硅晶圆片很容易破碎。

发明内容