新型硅基高速混合晶向衬底材料研究

混合晶向技术是结合(100)和(110)单晶硅衬底优势用于制备高速MOS器件的新技术，因其在22 nm及以下结点体现出巨大的技术优势，被认为是推动集成电路沿摩尔定律继续发展的核心技术之一。本申请将采用具有自主知识产权的注氧键合技术探索研究混合晶向材料。第一，利用注氧隔离技术，制备(110) SIMOX衬底，深入研究(110) Si注氧形成绝缘埋氧层的特殊机理，突破制备(110) SIMOX衬底的关键技术；第二，采用注氧键合技术实现顶层硅的转移制备出全局混合晶向SOI衬底和"准"全局混合晶向硅衬底；第三，采用特殊的退火工艺消除"准"全局混合晶向硅衬底表面硅层/支撑衬底界面自然氧化层，形成直接Si-Si键合结构，得到全局混合晶向硅衬底。本项目将深入研究制备全局混合晶向SOI衬底和硅衬底相关的技术基础，并成功制备混合晶向材料样品，为特征线宽22 nm以下微纳电子时代提供高端硅基衬底材料。

目前的半导体技术中，CMOS电路主要是制作在(100)晶面的单晶硅片上，这是因为(100)晶面具有最小的氧化物-硅界面电荷密度以及最高的电子迁移率。然而，空穴迁移率在(110)晶面的<110>晶向上具有最大值，其空穴迁移率是(100) 单晶硅片的两倍以上。因此，为了充分利用载流子迁移率对晶面方向的依赖关系，nMOSFET应当制作在(100)晶面单晶硅片上，pMOSFET应当制作在(110)晶面单晶硅片上。混合晶向技术，通过衬底和沟道晶向的优化来提升载流子的迁移率，从而达到提升器件性能的目的。该技术实现了(100)和(110)晶向的单片集成，结合(100)和(110)单晶硅衬底优势用于制备高速MOS器件，因其在22 nm及以下结点体现出巨大的技术优势，被认为是推动集成电路沿摩尔定律继续发展的核心技术之一。因此，制备出全局混合晶向硅衬底，成为整个混合晶向技术的基础和关键。.首先基于SIMOX技术制备出(110) SIMOX SOI 器件衬底；随后利用注氧键合技术实现顶层硅的转移，制备出“准”全局混合晶向硅衬底，结合高温退火工艺消除界面氧化层，最终获得全局混合晶向硅衬底，主要研究内容包括：.(1) 深入研究(110) Si注氧形成绝缘埋氧层的特殊机理，发现不同晶向硅晶片SIMOX工艺中二氧化硅岛的“各向异性”生长，是造成(100)和(110)单晶硅片SIMOX氧离子注入剂量窗口不同的原因，在此基础上，成功制备(110) SIMOX SOI衬底；.(2) 采用注氧键合技术实现顶层硅的转移制备出含有界面氧化层的"准"全局混合晶向硅衬底，在含氧或者无氧气氛中退火，消除"准"全局混合晶向硅衬底表面硅层/支撑衬底界面自然氧化层，键合界面无氧化物残余存在，形成直接Si-Si键合结构，得到全局混合晶向硅衬底；通过对界面氧化层退火行为的分析，发现在界面能减小作用驱动下，界面氧化层经历了局部孔洞化—球形化—消失的演变过程；.(3) 在(100)和(110) Si键合界面观察到晶格畸变所引起的局域位错结构以及呈现出各向异性的键合界面形貌，研究表明不同晶向上(100)和(110)晶片晶格匹配程度不同，是造成这一现象的主要原因。.本项目深入研究了制备全局混合晶向硅衬底相关的基础问题，并利用注氧键合技术结合高温退火成功制备混合晶向材料样品，为特征线宽22 nm以下微纳电子时代提供高端硅基衬底材