PDF《机械致单轴应变SOI品圆的制备》

2012年6月第39卷第3期 西安电子科技大学学报(自然科学版) JoURNAL OF XIDIAN UNIVERSITY jun.

2012 VoI.39 No.3 doi:lO.3969/j.issn.1001―2400.2012.03.034 机械致单轴应变SOI品圆的制备 戴显英,王琳,杨程,郑若川,张鹤鸣,郝跃(西安电子科技大学宽禁带半导体材料与器件教育部重点实验室,陕西西安 7l0071) 摘要:提出了一种晶圆级单轴应变绝缘层上硅(SOI)的新方法,并阐述了其工艺原理.将直径为100mm(4 英寸)的sOI晶圆片在曲率半径为o.75m的弧形弯曲台上进行机械弯曲.弯曲状态下的sOI晶圆片在 250℃下进行了zo h的热退火处理.对弯曲退火后s0I晶圆片进行了拉曼光谱表征,其拉曼频移为 520.3cm~,小于体硅的典型值,拉曼频移差达到一0.3 cm一,说明弯曲退火后的sOI晶回片发生了单轴 张应变.相应的应变量计算为o.077%,高于文献报道的o.059%. 关键词:绝缘层上硅;

单轴应变;

机械弯凿;

弹塑性力学 中图分类号:TN304 文献标识码:A 文章编号:1001―2400(2012)03一0209一04 Fabrication of the uniaxiaI stained S01 wafer by mechanical bending DAJ X施行了i玎g,WANG Li挖,yANG C^P咒g, ZHENG R"o如"口咒,ZHANG HPmiHg,HAo YkP (Mlnistry of Education Key Lab.of Wide Band―Gap Semiconductor Materials and Device3,Xidian Univ.,Xi'an 710071.China) Abstract: Based on the theory of elasticity and the mechanical properties of SoI.this paper puts forward a new method to produce the uniaxially strained S01 wafer.and desc"bes the p"ncipIe of the process.The 4一in.SiIicon-On―Insulater wafer under goes the mechanicaLbended test on the pedestal whose curvature radius is 0.75m.and then it is annealed at Z50℃for

20 hours to achieve the uniaxial strain.The IR―transmission― unaffected―diffraction instrument and Raman spectrum instrument are used for study of the pr}bondi矗g quality and strain degree.The frequency shift of the Raman spectrum is 520.3 cm-..The Si peak of the strained Si layer is shifted by―O.3cm一1 compared to the typical value.1t is indicated that a∞mpressive unia xjal strain can be obtained after bending and anneaIing.The comparative 5t阳in is O.077%,higher than the vaIue of 0.059%in the literature. Key Words: SOI;

uniaxiaI strain;

mechanically bending;

elastic plastic mechanics 兼有绝缘层上硅(s0I)和应变硅优点的绝缘层上应变硅(ss0I)技术是一种很具创新和竞争力的新技 术,将成为制造高速、低功耗集成电路的优选工艺[】川.研究表明[5],基于siGe虚衬底的双轴应变SOI不仅 因SiGe虚衬底导致其散热性能差,而且其空穴迁移率的增强在高场下会严重退化.单轴应变sOI不仅迁移 率提升较双轴高,而且高场下空穴迁移率的增强不会退化[6].研究表明,应变量即使低于o.05%的单轴应变 硅都可以实现载流子迁移率15%的提升. 文献[7]报道了一种晶圆级制备单轴应变s0I的方法,该方法采用两片不同直径的si,先分别进行氧化 和注氢,再进行机械弯曲及热退火键合,最后通过智能剥离获得单轴应变SOI.该方法在制作过程中Si片易 破碎,工艺较复杂,必须进行氧化、注氢、高温剥离等工艺,而且必须足两片不同直径的si弯曲键合.若是两 个相同直径的Si片,则不能获得单轴应变SOI. 收稿日期:201l-12-08 基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(613980l 1) 作者简介:戴显英(1961一),男.教授.E mail:xydai@xidian.edu.cn. 万方数据

210 西安电子科技大学学报(自然科学版) 第39卷 基于弹性力学理论和SOI各层材料的力学特性,笔者提出了一种新的晶圆级单轴应变SOI制作方法, 即采用一片成品SOI晶圆,通过机械弯曲与退火两步工艺就可获得晶圆级单轴应变SOI.该方法具有设备 与工艺简单(只需一片SOI)、不易破碎、成本低、应变量大等特点. 1工艺原理 1.1 无机材料的弹塑性屈服强度极限 根据材料力学理论'81,在一定条件下无机材料的应力和应变有着确定的关系,如图l所示.图1中的 0A段为比例变形阶段,其形变是弹性形变,其应力应变之问的关系是线性的,可用胡克定律表示为'" . 盯=&, . 式中,E为杨氏模量,在弹性变形过程中,通常E为常数. 由图1可见,AB段已经不能用线性关系来表示,但变形仍 然是弹性的,因其距离很小,通常并不加以区分.那么0到B段 如果逐渐卸去载荷,随着应力的减小,应变也渐渐消失,最终物 体的变形得以弯曲恢复.称0到B段为弹性形变区. 当材料处于B点时,继续施加载荷,应力分布经过C点和D 点到达E点,C点和D点称为材料的屈服强度上极限和屈服强 度下极限.应力达到D点时,材料开始屈服.此段材料的应变曲 线很明显是非线性的,如果逐渐卸去载荷,最终物体将不能恢复 到最初的0状态,也即物体发生了不可恢复的形变,称皿段为 塑性形变区.一般来说,屈服强度上极限受外界因素的影响较 图l无机材料的应力与应变关系示意困 大.因此,在实际应用中一般都采用屈服强度下极限作为材料的屈服极限. 材料的屈服极限一般与其杨氏模量呈正相关的关系,而S.和Si0.的杨氏模量分别为169GPa和72GPa[8],所以Si的屈服极限要比Si02的高. 材料的屈服极限受各种因素制约,如施加载荷的时问、温度等n…. ①时间效应.根据材料变形的时间效应理论[1…,无机材料在塑性阶段某一时刻的力学行为不仅与当时 的应力状态有关,而且与它达到这一状态的时间长短有关.在一定的温度条件下,保持应力不变,塑性材料的 应变会随着时间的推进而逐渐变大,这种现象称为蠕变;