使用離子噴淋製造soi結構的製作方法

2023-07-22 19:23:26

專利名稱：使用離子噴淋製造soi結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及製造絕緣體上半導體("sor)結構的方法。具體地，本發明涉及使
用離子噴淋注入(shower implantation)製造SOI結構的方法。本發明可用於製造 例如絕緣體上半導體結構如絕緣體上矽結構，玻璃上半導體結構如玻璃上矽結構， 以及相關的半導體器件。
背景技術：
本文中，縮寫"SiOI"表示絕緣體上矽。縮寫"SOI" —般表示絕緣體上半導 體，包括但不限於SiOI。縮寫"Si0G"表示玻璃上矽。縮寫"S0G"—般表示玻璃 上半導體，包括但不限於Si0G。 SiOG術語還意圖包括陶瓷上的半導體和在玻璃-陶瓷上的半導體結構。類似地，SiOG意圖包括陶瓷上矽和玻璃-陶瓷上的矽結構。
SOI技術對高性能薄膜電晶體、太陽能電池和如有源矩陣顯示器的顯示器越來 越重要。Si01晶片通常包括在絕緣材料上的基本為單晶矽的薄層(厚度一般為0. l--0.3微米，但有些情況，厚度可達5微米)。
獲得SiOI晶片的各種方法包括在晶格匹配的基片上外延生長Si的方法； 將單晶晶片與另一個其上已生長Si02的氧化物層的矽晶片接合，然後對頂部的晶 片向下拋光或蝕刻例如0.卜0. 3微米的單晶矽層的方法；或離子注入法，該方法中， 將氫或者氧離子注入，在氧離子注入情況形成嵌埋在矽晶片中的氧化物層，其上覆 蓋Si，或者在氫離子注入情況下，則分離(脫落)出與具有氧化物層的另一Si晶 片相接合的薄矽層。這三種方法中，發現基於離子注入的方法更多在商業上實施。 特別是氫離子注入方法具有好於氧注入法的優點，因為氫離子注入法需要的注入能 量小於氧離子注入的50%,並且所需劑量小兩個量級。
通過氫離子注入方法進行剝最初是例如由Bister等在"Ranges of the 0. 3-2 KeV H+ and 0. 2-2 KeV H2+ Ions in Si and Ge， ，， Radiation Effects, 1982, 59:199-202中披露的，並由Michel Bruel進一步證實。參見美國專利第5, 374， 564 號(Bruel); M. Bruel， Electronic Lett. ， 31， 1995， 1201-02和L. Dicioccio， Y.Letiec， F. Letertre， C. Jaussad禾口 M. Bruel， Electronic Lett. ， 32, 1996,
1144-45。
氫離子注入一般由以下步驟構成。在單晶矽晶片上生長熱氧化物層。然後將 氫離子注入到該晶片中以生成表面下裂紋。注入能量決定生成裂紋處的深度，而劑 量決定裂紋密度。然後在室溫下將該晶片放置在與另一矽晶片(支承基片)接觸的 位置，以形成暫時性的接合。
然後在約60(TC對晶片進行熱處理，以使表面下裂紋生長，用於將矽薄層從 Si晶片分離。將所得的組件加熱到IOO(TC以上以將具有Si02下層的Si膜完全接 合到支承基片，即未注入的Si晶片上。該方法因此形成了SiOI結構，該結構具有 接合至另一矽晶片的矽薄膜，其間有氧化物絕緣體層。
成本也是SOI和SiOI結構的商業化應用的一個重要考慮因素。至今，這種結 構的成本的主要部分是頂部由Si薄膜覆蓋的支承氧化層的矽晶片的成本，即成本 的主要部分是支承基片。
儘管在各專利(參見美國專利第6, 140， 209號、第6， 211， 041號、第6， 309， 950 號、第6, 323, 108號、第6，335,231號和第6，391，740號)中提到了將石英用作支 承基片，但石英本身是相對昂貴的材料。在討論支承基片時，上述參考文獻中的某 些提到了石英玻璃、玻璃和玻璃-陶瓷。這些參考文獻中列出的其它支承基片材料 包括金剛石、藍寶石、碳化矽、氮化矽、陶瓷、金屬和塑料。
用低成本材料製造的基片代替SOI結構中的矽晶片並不是一個簡單的事情。 特別是，很難用大規模製造的低成本的玻璃或玻璃-陶瓷或陶瓷類材料代替矽晶片， 即，很難製造成本合理的SOG和SiOG結構。
共同轉讓的臨時美國專利申請第10/779， 582號(公開為US2004/0229444 Al) 描述製造SiOG和SOG結構以及這種結構的新穎形式的方法。許多這類發明的申請 中是在如光電子，FR電子和混合信號(模擬/數字)電子學以及顯示器(如LCD和OLED) 應用的領域，與基於非晶形或多晶的器件相比，這些發明顯著提高了性能。此外， 高效率的光伏器件和太陽能電池也成為可能。這些處理技術和其新穎的SOI結構顯 著降低了SOI結構的成本。
另一個顯著影響製造SOI、 SiOI、 SOG和SiOG結構的離子注入方法的成本的 因素是離子注入法的效率。通常使用氫離子注入或氧離子注入，但因為其高效率而 優選氫離子注入。但是，常規的離子注入方法需要窄的離子束，這將導致注入時間 長和高成本。因此，現有技術領域開發並且公開了替代的離子源。例如，美國專利第6， 027， 988號提出使用等離子體的離子浸入注入(plasma ion immersion implantation) ("PIII")，該方法中，將如矽晶片的半導體基片置 於等離子體氣氛和電場中，因而能夠同時進行大面積注入。但是，PIII存在表面 帶電和被等離子體蝕刻的缺陷，以及在較高能量條件下缺乏靈活性、缺乏精確劑量 控制，不能精確控制離子注入區的厚度和脫落膜的厚度。
因此，仍需要一種有效而高效的分離半導體材料薄膜的方法。具體地，需要 一種製造SOG結構的方法，該方法能有效而高效率地實施離子注入法。
本發明滿足了這一長期存在的需要。

發明內容
因此，本發明提供了一種用來形成SOI結構的方法，該方法包括以下步驟
(1) 施主基片包括半導體材料以及與受主基片接合的第一施主外表面(即第一 接合表面)和第二施主外表面；
(2) 所述受主基片包括氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷以及以下兩個外表 面(i)用於與第一基片接合的第一受主外表面(第二接合表面)；和(ii)第二受主 外表面；
(A2)通過使用第一離子噴淋，將許多離子注入通過第一施主外表面，以一定 的深度進入在第一施主基片下面的離子注入區，以限定夾在離子注入區和第一施主 外表面之間的材料薄膜("脫落膜")；
(B) 步驟(Al)和(A2)之後，使第一和第二接合表面接觸；
(c) 同時在以下條件下保持足夠的時間，使施主基片和受主基片在第一和第二 接合表面相互接合
(1) 任選地在施主基片和/或受主基片上施加壓力使第一和第二接合表面接
觸；
(2) 在施主基片和受主基片上施加電場，所述電場具有從第二受主外表面至第 二施主外表面的大體方向，使施主基片上的電勢高於受主基片上的電勢；和
(3) 對施主基片和受主基片加熱，所述加熱的特徵在於第二施主外表面和第二 受主外表面分別具有平均溫度t;和k，對所述溫度進行選擇，使冷卻至常溫時， 施主基片和受主基片發生差式收縮，從而使施主基片在離子注入區的強度下降；和
(D) 對接合的施主基片和受主基片冷卻，使施主基片在離子注入區發生開裂；
7其中，氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷包含正離子，所述正離子在步驟(c)期
間以離開第二接合表面向著第二受主外表面的方向在受主基片中遷移。 本發明方法的一些實施方式中，脫落薄膜包含單晶半導體材料。 在本發明的方法的一些實施方式中，在步驟(A2)中，離子注入區的深度小於
約1000納米，在一些實施方式小於約500納米，在一些實施方式小於約300納米， 在一些實施方式小於約150納米，在一些實施方式小於約100納米。在該方法的一 些實施方式中，脫落薄膜的未受損部分的厚度至少為脫落薄膜總厚度的60%，在一 些實施方式中為至少80%，在一些實施方式中為至少90%。在該方法的一些實施方 式中，脫落薄膜的未受損部分的厚度至少為50納米，在一些實施方式中至少為100 納米，在一些實施方式中至少為150納米，在一些實施方式中至少為200納米。
本發明方法的一些實施方式中，脫落薄膜包含單晶矽。
在本發明的一些實施方式中，在步驟(A2)中，離子注入區的厚度不大於約1 微米，在一些實施方式中不大於約500納米，在一些實施方式中不大於約300納 米，在一些實施方式中不大於約200納米。
在本發明的一些實施方式中，在步驟(A2)中，第一離子噴淋主要包括屬於第 一類物質的離子，在一些實施方式中，屬於第一類物質的離子的含量至少為70摩 爾％，在一些實施方式中至少為80%，在一些實施方式中至少為90%。
在本發明第一方面的一些實施方式中，在步驟(A2)中，第一離子噴淋主要包 括屬於第一類物質的離子。
在本發明的一些實施方式中，屬於第一類物質的離子是選自以下的單一離子 物質H,, H+, H2+, D2+， D/， HD+, H2D+， HD2+， He+， He2+, 0+, 02+， 02+和03+。
在本發明的一些實施方式中，屬於第一類物質的離子基本上不含磷、硼、石申、 碳、氮、氧、氟、氯和金屬。
本發明的一些實施方式包括分開的獨立於步驟(A2)的以下步驟(A3):
(A3)通過使用第二離子噴淋，將許多屬於第二類物質的離子注入通過第一施 主外表面，以一定的深度進入在第一施主外表面下面的離子注入區，所述屬於第二 類物質的離子不同於屬於第一類物質的離子。
本發明的一些實施方式包括分開的獨立於步驟(A2)的以下步驟(A3. 1): (A3. 1)使用束-線注入器將許多屬於第二類物質的離子注入通過第一施主外 表面，以一定的深度進入在第一施主外表面下面的離子注入區。
8根據本發明的一些實施方式，離子注入區包括注入了屬於第一類離子物質的 離子的第一離子注入區和注入了屬於第二類離子物質的離子的第二離子注入區，第 一離子注入區和第二離子注入區基本上重疊。
在一些實施方式中，屬於第一類物質的離子是H二屬於第二類物質的離子是 He+。選擇H/和He+的能量，使注入後它們基本分布在離子注入區中。在一些實施方 式中，H/的能量與He+的能量的比約為2:1。例如，H/的平均能量可以約為60 KeV， He+的平均能量可以約為30KeV。在一些實施方式中，將113+離子注入到H/離子注入 區，He+離子注入到He+離子注入區，H/和He+的離子注入區都在施主基片的離子注 入區內，它們基本重疊。
根據本發明的一些實施方式，在步驟(A2)中，通過磁裝置實施第一離子噴淋 的電磁分離。
在本發明的一些實施方式，對第一接合表面(第一施主外表面)進行處理，以 在離子注入後但在與第一受主外表面(第二接合表面)接觸進行接合之前降低氫的 濃度。這種降低氫濃度的方式可選自氧等離子體處理，臭氧處理，HA處理，H202 和氨處理，HA和酸處理，以及它們的組合。
在本發明方法的一些實施方式中，在該方法的終點，受主基片和脫落薄膜之 間的結合強度至少為8焦耳/釐米2，在一些實施方式中至少為10焦耳/釐米2，在 一些實施方式中至少為15焦耳/釐米2。
根據本發明方法的一些實施方式中，在步驟(A2)中，通過磁裝置實施第一離 子噴淋的電磁分離。
本發明的優點是能夠大面積同時離子注入，沒有表面蝕刻或只有很少量的表 面蝕刻，高效率和低成本。與束線離子注入(beam line ion implantation)相比， 本發明產生具有更平滑表面的脫落薄膜，這樣可以減少下遊的薄化和拋光的需求。 因此，本發明能夠進行適合於製造各種SOI結構的有利的、高效的離子注入，所述 SOI結構包括但不限於SiOI結構，特別是S0G結構，包括但不限於SiOG結構。
在以下的詳細描述中提出了本發明的附加特徵和優點，其中的部分特性和優 點對本領域的技術人員而言由所述內容而容易理解，並通過示出的描述和其權利要 求書以及附圖中所述實施本發明而被認可。
應理解前面的一般性描述和以下的詳細描述都只是對本發明的示例，用來提 供理解本發明的性質和特性的總體評述或結構。包括的附圖提供了對本發明的進一步的理解，附圖被結合在本說明書中並構 成說明書的一部分。


附圖中
圖1是採用本發明的方法離子注入的施主基片的一個實施方式的示意圖。 圖2是採用本發明的方法離子注入的施主基片的另一個實施方式的示意圖。 圖3是用於離子注入基片的離子噴淋設備的示意圖。
圖4是在電場、溫度梯度和壓力條件下與受主基片接合的離子注入施主基片 的示意圖。
圖5是圖4的結構冷卻至K溫度後該結構開裂形成SOI結構的示意圖。 圖6是按照本發明用離子噴淋注入氫離子的矽晶片的氫離子分布圖。
具體實施例方式
如本文所用，術語"半導體材料"表示一種進行或未進行額外的改性如摻 雜，而顯示半導體性質的材料。因此，例如，在本發明的含義中半導體材料可 以是純的單晶矽，或者是摻雜有磷、硼、砷或其他元素的矽。半導體材料通常 是基本為單晶材料的形式。在描述材料時所用的術語"基本上"是考慮到半導
體材料通常含有一些固有或有目的加入的至少一些內部缺陷或表面缺陷的事 實，如晶格缺陷或很少的晶粒邊界。術語"基本上"還反映了以下事實，特定 的摻雜劑可以扭曲或者影響主體半導體的晶體結構。
如本文所用，術語"第一離子注入區"表示施主基片中的區域，該區域在離 子注入後，按照在其中部的單位體積中的離子數量，具有屬於第一類物質的注入離
子的局部峰值密度，並包含至少50%的屬於第一類物質的注入離子。如本文所用， 術語"第二離子注入區"表示施主基片中的區域，該區域在離子注入後，按照在其
中部的單位體積中的離子數量，具有屬於第二類物質的注入離子的局部峰值密度， 並包含至少50%的屬於第二類物質的注入離子。"基本上重疊"表示第一離子注入 區和第二離子注入區有至少50%重疊。對離子注入單一物質的離子的施主基片，整 個基片的離子注入區是第一離子注入區。對離子注入第一類物質和第二類物質，甚 至更多種物質的離子的施主基片，整個基片的離子注入區是第一離子注入區、第二 離子注入區和存在的其他離子注入區的組合。本領域的技術人員根據本申請揭示的內容可以預定出整個離子注入區。對於離子噴淋的純度，術語"主要包含"表示 包含至少50摩爾％。
本申請中，離子物質具有特定的質量和電荷，因此，具有不同質量或者不同
電荷的任何離子是不同的物質。例如，H十,H2+， H/, D+, D/， D,, HD+， H2D+, HD2+, He+， He2+在本申請中是完全不同的離子物質。
本申請中的電磁分離表示通過對離子施加電場和/或磁場而對不同的離子物 質進行分離。
本發明可應用於製造任何SOI結構。下面針對製造SiOI結構，詳細描述本發 明，該描述用於說明目的。應理解，本發明不限於製造SiOI結構。
本發明可應用於製造各種SOG結構。下面針對製造SiOG結構，詳細描述本發 明，該描述用於說明目的。但是，應理解，本發明不限於製造SiOG結構。採用本 發明方法製造SiOG構成了本發明的一個方面。共同轉讓的臨時美國專利申請第 10/779,582，目前公開為US 2004/0229444 Al，描述了製造SOG結構，特別是SiOG 結構以及這些結構的新穎形式的方式，該材料申請的內容全文參考結合於本文。
離子注入是製造SOI結構中最昂貴的步驟之一。在S0G結構中，使用價廉的 基片材料如玻璃和玻璃-陶瓷材料可以顯著降低S0G的總成本。在製造SOG結構時， 如US 2004/0229444 Al揭示的，可以採用氫離子注入將如單晶矽的薄膜半導體材 料與施主基片分離。傳統的束-線離子注入方法和設備可用於這一目的。但是，使 用傳統的束-線離子注入設備的費用很高。實際上，這種薄膜分離方法一般需要大 劑量的氫離子。對束-線注入，常需要耗費長時間來達到要求的注入水平。這明顯 增加了 SOG結構的製造成本。此外，使用束離子氫注入通常導致從施主基片分離並 與受主基片接合的薄膜，所述受主基片的厚度大於要求的厚度。對許多指定的應用 需要進一步的後處理，包括對厚膜薄化和拋光，後處理增加了總體過程的複雜性， 降低生產率和產量，因此增加最終產品的成本。
如上面所述，現有技術領域提出供選擇的離子注入方法和設備來替代束-線離 子注入。美國專利6， 027，988(其相關部分參考結合於本文)公開使用等離子體浸入 的離子注入(PIII)用於該目的。在PIII方法中，產生等離子體，將受主晶片置於 等離子體和電場內部，使許多離子被該電場加速並注入到施主基片。該方法還存在 施主基片發生表面蝕刻以及劑量控制中的困難。此外，因為產生多種離子物質並存 在於等離子體中，在注入時離子會具有寬的能級分布，難以控制注入深度，因此難以控制進行分離的薄膜厚度。此外，等離子體中有害的汙染離子可能被注入施主基 片，導致不希望的摻雜甚至對進行分離的薄膜的損害。
在美國專利6， 027， 988也提到作為非質量分離的離子注入方法的離子噴淋， 該專利中的相關部分被參考結合於本文。但是，該文獻沒有詳細描述離子噴淋，也 沒有提供使用離子噴淋進行離子注入的任何具體實例。而且，該文獻沒有解釋或建 議將離子噴淋注入用於製造SOG結構。
離子噴淋注入(ISI)使用來自等離子體源的大面積離子束，該等離子體源使用 例如提取電極。離子在注入之前可以被加速。例如F. Kr加er等在Phosphorus Ion Shower Implantation for Special Power IC Applications, Ion Implantation Technology (2000)， 476-79中描述了離子噴淋用於離子注入的典型用途，該文獻 的相關部分通過參考結合於本文。圖3圖示說明使用離子噴淋用於離子注入。在設 備301中，有以下兩個單獨的室等離子體室307，包含在電極303和電極柵格305 之間的等離子體；和注入室313，其中放置有晶片315。離子311任選被進一步加 速，遷移並部分地進入晶片315。因此，很清楚，離子噴淋具有以下特徵(i)使 用在單獨的等離子體室中產生的遠程等離子體；(ii)用於注入的晶片不放置在電場 中；禾Q(iii)與PIII不同，離子源是連續的，而不是脈衝式。
為了諸如摻雜的目的，採用離子噴淋向半導體材料注入大離子如磷等。但是， 由於在如美國專利第6， 027, 988號的文獻中不完整的內容，本發明人由現有技術還 不能明確離子噴淋是否能夠成功用於使薄膜從施主半導體晶片開裂。而且，本發明 人發現用離子噴淋代替在製造半導體器件的現有技術領域採用的束線離子注入設 備和方法並不象是那麼簡單和容易的事項。遇到大量技術上的挑戰。
要求用於本發明的離子注入的離子噴淋是高純度的。要求用於本發明的氫離 子噴淋或氦離子噴淋基本上不含大的汙染離子，如氧、碳、氟、氯、磷、硼、砷和 金屬。在等離子體室中，在離子噴淋的離子束中，同時產生許多具有不同質量和電 荷的離子，並使它們撞擊在施主基片上並注入其中。例如，在使用氫離子噴淋時， 在氫等離子體中產生不同比例的屬於不同物質的離子，如H+, H/和H二因為不同 的尺寸和質量，這些離子在施主基片中遷移不同的距離。其中的一些無法到達離 子注入區，而是會注入脫落膜中，造成不希望出現的改變。而且，因為等離子體室 的汙染，等離子體還包括如P+， B+，氧離子，碳離子，氟離子和氯離子以及金屬 離子的離子。不希望受到任何特定理論的限制，本發明人相信對脫落膜的晶體結構 的損害是由過量的所述重質和大的離子物質如離子噴淋中的雜質造成的。因此，離
12子噴淋中少數離子如H+， H/等在主要包含H/的離子噴淋中的允許量對脫落膜的完 整性的不利的影響的程度不能使脫落膜不能用於預定的應用。但是，在一些實施方
式中，優選離子噴淋主要包含第一類離子物質，在一些實施方式中包含至少60摩 爾％，在一些實施方式中至少為70%，在一些實施方式中至少為80%，在一些實施方 式中至少為90%。
因此，本發明人完成了本發明，解決與現有技術方法如PIII和束線離子注入 方法有關的問題。
因此，本發明提供一種形成SOI結構的方法，該方法具體包括以下步驟
(Al)提供施主基片和受主基片，其中
(1) 施主基片包括半導體材料以及與受主基片接合的第一施主外表面(即第一
接合表面)和第二施主外表面；
(2) 所述受主基片包括氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷以及以下兩個外表 面(i)用於與第一基片接合的第一受主外表面(第二接合表面)；和(ii)第二受主 外表面；
(A2)通過使用第一離子噴淋，將許多離子注入通過第一施主外表面，以一定 的深度進入在第一施主基片下面的離子注入區，以限定夾在離子注入區和第一施主 外表面之間的材料薄膜("脫落膜")；
(B) 步驟(Al)和(A2)之後，使第一和第二接合表面接觸；
(C) 同時在以下條件下保持足夠的時間，使施主基片和受主基片在第一和第二 接合表面相互接合
(1) 任選地在施主基片和/或受主基片上施加壓力使第一和第二接合表面接
觸；
(2) 在施主基片和受主基片上施加電場，所述電場具有從第二受主外表面至第 二施主外表面的大體方向，使施主基片上的電勢高於受主基片上的電勢；和
(3) 對施主基片和受主基片加熱，所述加熱的特徵在於第二施主外表面和第二 受主外表面分別具有平均溫度7;和X，對所述溫度進行選擇，使冷卻至常溫時， 施主基片和受主基片發生差式收縮，從而使施主基片在離子注入區的強度下降；和
(D) 對接合的施主基片和受主基片冷卻，使施主基片在離子注入區發生幵裂； 其中，氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷包含正離子，所述正離子在步驟(C)期
間以離開第二接合表面向著第二受主外表面的方向在受主基片中遷移。
13如上所述，在步驟(A1)中，施主基片可以包含任何半導體材料，如矽基半導 體材料和非矽基的半導體材料。半導體材料可以是基本上純的和單晶的，或者預先
摻雜有所需的摻雜劑，以改進結構和其電導率。在目前的半導體工業中，最廣泛使 用的施主基片是基於單晶矽的基片，最普遍製造的結構是SiOI結構，如在氧化的 矽晶片上的矽。本發明可以優選用於這類工藝以降低其成本。
在典型的半導體工藝中，所用的施主基片具有精確拋光的高度平坦和光滑的 表面。在許多情況中，施主基片是具有基本上平行的主表面的晶片。本發明可應用 於這類情況。但是，還應理解，根據接受脫落膜的受主基片的表面形貌或者製造的
SOI結構的預定用途，施主基片可具有一個成形的表面，甚至一個以上的成形的表
面。施主基片還可能具有凹槽和其他特徵來表徵的外表面。根據本發明方法的離子 噴淋的用途可以應用於這些施主基片。
本領域的技術人員根據SOI結構的預定用途以及本申請揭示的內容可以知道
在施主基片中的離子注入區的所需深度。離子注入區在第一施主外表面下面的深度 決定了脫落膜的厚度。通常，為了從施主基片產生脫落膜的目的，離子注入區的深
度小於約1000納米，在一些實施方式中小於約500納米，在一些實施方式中小於 約300納米，在一些實施方式中小於約150納米，在一些實施方式中小於約100 納米。通常，相對於使用束線離子注入的現有技術，使用離子源會造成離子注入區 具有較淺的深度，因此得到較薄的脫落膜，從而可以減少下遊對脫落膜進行的薄化 操作。通過改變注入離子的動能，可以改變離子注入區的深度。例如，在單晶矽施 主基片上注入H:,+離子時，選擇該離子的能量在約10-100KeV範圍，以獲得所需厚 度的脫落膜。
如上面所述，為了將離子注入離子注入區，要求包含在離子噴淋中的離子為 純的。因此，要求離子噴淋主要包含單一的第一離子物質，如H+, H/， H3+， He+， He2+ 等，希望純度達到至少60摩爾％，在一些實施方式中至少為70%，在一些實施方式 中至少為80%，在一些實施方式中至少為90%。
一般而言，當使用離子噴淋作為離子源時，進行離子注入的施主基片不放置 在電場中。但是，在一些情況，在離開柵極時，可能需要對離子加速或減速，使離 子具有注入一定深度所需的能級。這可以通過對離子施加額外的加速/減速電場來 實現。可以將施主基片設置在加速/減速電場內部或外部。
圖1圖示說明採用本發明的方法注入的施主基片101的一個實施方式。103 是第一施主外表面，105是第二施主外表面，113是離子注入區，其中注入了許多離子，如H/或He+。夾在離子注入區113和第一施主外表面103之間的材料膜115 是脫落膜。該圖中的109表示緊靠離子注入區113下面的區域。離子注入區113 具有厚度"在第一施主外表面下面的深度"G也是預定脫落膜115的厚度。
如上面所述，在單一離子注入操作中，不希望離子束中存在多種離子物質。 但是，在製造一些SOI結構時可能需要使用多種離子的離子注入。本發明人發現， 在製造一些SOG結構時，使用多種離子物質的離子注入實際可能降低了實現要求的 脫落所需的注入離子的總量並提高注入過程的總效率。根據本發明，這種注入多種 離子物質可以通過例如在完成將第一離子物質注入離子注入區後，實施如下的第二 離子注入步驟來實現-
(A3)通過使用第二離子噴淋，將許多屬於第二類物質的離子注入通過第一施 主外表面，以一定的深度進入在第一施主外表面下面的離子注入區，所述屬於第二 類物質的離子不同於屬於第一類物質的離子。
根據本發明的方法的一些實施方式，還包括分開的獨立於步驟(A2)的步驟 (A3. 1):
(A3. 1)使用束-線注入器將許多屬於第二類物質的離子注入通過第一施主外 表面，以一定的深度進入在第一施主外表面下面的離子注入區。
施主基片內第一離子注入區可略不同於第二離子注入區。但是，因為上面所 述的本發明方法的可控制性，在本申請揭示的內容的領域的技術人員可能選擇適當 的工藝參數，使它們都位於離子注入區內。確實，可以控制這兩個區域使它們基本 上重疊。 一般而言，要求Dp^ 300，所述Dp是在施主基片中，第一離子注入區中 屬於第一類物質的離子的峰與在第二離子注入區內屬於第二類物質的離子的峰之 間的距離。 一些實施方式中，優選Dp^200納米，在其他一些實施方式中優選Dp^ 100納米。在一些實施方式中，Dp $ 50納米。
圖2圖示說明離子注入兩種離子物質後的施主基片201。在整個離子注入區 113中，有以下兩個基本重疊的區域第一離子注入區111和第二離子注入區115。 在根據本發明的方法的特定實施方式中，使用H/和He+作為進行注入的第一離子物 質和第二離子物質，反之亦然。注入H3+或He+的順序並不重要，但是在一些實施方 式中要求首先注入H3+離子。本發明的H/和He+的這種組合特別適合用於注入和脫落 矽施主基片。對單晶矽基片進行注入時，為到達同時用於H:r和He+的同一離子注入 區，He+所需的能量較低。本發明人發現，通過使用以下方式可能成功地實現矽薄 膜的脫落(i)只離子注入H3+離子，或(ii)H/和He+離子注入的組合。但是，因為
15(ii)的較低總能量和較高的效率,因此相對於(i)更優選(ii)。在(ii)的一個特定 實施方式中，H2+離子的能量約為70 KeV， He+的能量約為40 KeV，導致矽薄膜的良 好脫落。
如上面討論的，按照本發明方法製備的脫落膜至少大部分都沒有受到離子注 入方法的損害。"大部分"表示脫落膜的至少一半厚度沒有受到損害。"沒有受到 損害"表示在離子注入期間膜的內部結構或其未損害部分沒有發生顯著的變化，使 得脫落膜或其相關部分可能不適合用於預定的應用。在本發明的方法的一些實施方 式中，脫落薄膜的未受損部分的厚度至少為50納米，在一些實施方式中至少為100 納米，在一些實施方式中至少為150納米，在一些實施方式中至少為200納米。
根據本發明的方法，可以將包含注入的單一離子物質或多種離子物質的離子 注入區的厚度控制為小於約IOOO納米，在一些實施方式中小於約500納米，在一 些實施方式中小於約300納米，在一些實施方式中小於約200納米。
進行離子注入後，可以採用US 2004/0229444中所述的方法，使脫落膜與施 主晶片的其餘部分分離。不希望受任何特定理論的束縛，相信在進一步處理如加熱 時注入的離子通過如形成微氣泡而在離子注入區產生缺陷。在該區域中高密度的缺 陷導致在在離子注入區內的某一位置發生開裂以及脫落膜和離子注入區的一部分 從施主基片的剩餘部分脫落。
在以下步驟(V)中，在離子注入後，通過使脫落膜從施主基片開裂產生基本分 離的脫落膜
(V)在注入區的一定位置，使脫落膜和離子注入區中材料的至少一部分與施主 基片分離。
然後，如通過與絕緣體受主基片接合，該薄膜可用於製造SOI結構的下遊處 理。但是，因為脫落膜很薄，在沒有預接合的支承體的情況下通常很難進行處理。 因此，在按照本發明製造SOI結構的方法中，通常在步驟(E)分離脫落膜之前，進 行步驟(B)和(C)，以將脫落膜與受主基片接合。
用於與施主基片接合的受主基片可以是具有或沒有氧化物表面層的半導體晶 片；玻璃片，晶體材料片和玻璃-陶瓷片。在一些實施方式中，受主晶片是單晶矽 晶片，該晶片具有通過例如熱生長Si02層等形成的表面氧化層。在一些實施方式 中，受主基片包含Si02。 一些實施方式中，受主基片是高純度的Si02片。在一些 實施方式中，受主基片包括晶體材料如藍寶石。在一些實施方式中，受主基片包括 氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷材料。如US 2004/0229444 Al中所述，在一些實施方式中，受主基片包括具有金屬離子的氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷材料。因此， 根據本發明的方法可優選用於製造以下結構(i)常規的SOI和SiOI結構，其中使
用後束線離子注入，和(ii)如US 2004/0229444 Al中所述的非常規SOI結構，如 S0G和SiOG結構。
可以採用用於半導體工業的常規接合方法例如晶片接合，熔融接合和陽極接
合
在對施主基片進行離子注入後但在施主基片與受主基片接合之前，通常需要 對兩個基片都進行表面清潔，以獲得足夠強度的接合。例如，氫離子注入矽基片後， 在脫落膜的表面將產生許多氫基團。由於表面氫基團產生的排斥，在沒有減少或消 除表面氫基團條件下將脫落膜表面與受主基片的表面直接接合通常需要明顯更大 的外部力。因此，在離子注入之後、接合之前需要一個步驟從表面減少氫基團。如 US 2004/0229444 Al中揭示的，這種氫基團減少尤其可通過以下處理進行氧等 離子體處理，臭氧處理，HA處理，&02和氨處理，&02和酸處理。
圖5和圖5圖示說明根據本發明的方法的實施方式。圖4中，使圖l所示的 半導體施主基片101與玻璃或玻璃-陶瓷受主基片501接合，該受主基片具有第一 受主外表面503(第二接合表面)和第二受主外表面505。施加壓力P，使第一施主 外表面103(第一接合表面)與第一受主外表面503 (第二接合表面)緊密接觸。加熱 施主基片101至溫度7i並施加電壓Vt。加熱受主基片501至不同的溫度K並施加 較低的電壓V2。因此，通過施加外部壓力、溫度梯度和電場來實施施主基片101 和受主基片501的接合。接合足夠的時間後，停止在基片上施加的電壓和壓力，使 基片冷卻至常溫K (如室溫)。如圖5所示，由於兩個基片的差式收縮(下面詳細說 明)，離子注入區113的強度下降並分成以下兩個部分與脫落膜115接合的113a， 脫落膜115與受主基片接合；以及與施主基片的其餘部分接合的113b。
根據本發明的方法的一些具體實施方式
，可包括以下步驟
(A')提供第一基片和第二基片，其中
(l)第一基片包含用於與第二基片接合的第一外表面(第一接合表面)，用 於向第一基片施加力的第二外表面(第一施加力的表面)，用於將第一基片分成 第一部分和第二部分的中間區(以下稱作"分離區"，即採用按照上面所述的
本發明的離子噴淋注入形成的離子注入區)，其中
(a，)第一接合表面、第一施加力的表面和分離區基本上相互平行； (b')第二部分在分離區和第一接合表面之間；和(C，)第一基片包含基本為單晶的半導體材料；和
(2)第二基片包括兩個外表面，其中一個外表面用於和第一基片接合(第二 接合表面)，另一個用於在第二基片上施加力(第二施加力的表面)，其中
(a')第二接合表面和第二施加力的表面基本上相互平行，相互間隔距離D2;
和
(b')第二基片包含氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷；和
(B，)使第一接合表面和第二接合表面接觸(一旦接觸，第一接合表面和第二 接合表面形成第一基片和第二基片之間的"界面"(本文中的稱呼))；
(C')同時在以下條件下保持足夠的時間，使第一基片和第二基片在第一接 合表面和第二接合表面(即界面)上相互接合
(1) 在第一施加力的表面和第二施加力的表面上施加力，將第一接合表面 和第二接合表面壓在一起；
(2) 在第一基片和第二基片上施加電場，其特徵是，在第一施加力的表面 和第二施加力的表面上分別施加第一電壓和第二電壓Vi和V2，這些表面上的電 壓均勻，V,高於V2，使電場從第一基片導向第二基片；和
(3) 對第一基片和第二基片加熱，所述加熱的特徵是，在第一施加力的表
面和第二施加力的表面上分別有第一和第二溫度T,和T2，這些表面上的溫度均
勻，並選擇溫度，使冷卻至常溫後，第一基片和第二基片發生差式收縮，因而
使分離區中的第一基片的強度下降；和
(D')將接合的第一基片和第二基片冷卻(如，至常溫如室溫)並在分離區 分成第一部分和第二部分；
其中，氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷具有以下組中的一個或兩個特徵
(i) 氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷的應變點低於l,OO(TC，並包含正離子 (如，鹼金屬或鹼土金屬離子)，所述正離子在步驟(C')期間，以離開第二接合 表面向著第二施加力的表面的方向在第二基片中遷移；禾口/或？
(ii) 氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷包含(a')非橋連氧和(b，)正離子(如， 鹼金屬或鹼土金屬離子)，所述正離子在步驟(C')期間，以離開第二接合表面向 著第二施加力的表面的方向在第二基片中遷移。
如本領域已知的，氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷的玻璃相中的非橋連氧 是通過玻璃的非成網組分供給該玻璃的那些氧。例如，在可商購的LCD顯示器 玻璃，如康寧公司玻璃(Corning Incorporated Glass)No. 1737和No. EAGLE2000tm的情況，非橋連氧包括通過在玻璃組合物中加入鹼土金屬氧化物(如，MgO， CaO， SrO和/或BaO)成為玻璃的一部分的那些氧。
雖然不希望受任何特定理論的束縛，但是相信在步驟(C')中發生電解類的 反應。具體地，相信半導體基片(第一基片)用作為電解型反應的正電極，在第 一基片和第二基片的界面區域產生反應性氧。相信這種氧與半導體材料(如矽) 反應，原位形成氧化的半導體的雜化區域(如，用於矽基半導體的氧化矽區域)。 這種雜化區開始於界面並延伸至第一基片。相信在第二基片的氧化物玻璃或氧 化物玻璃-陶瓷中存在的非橋連氧在產生與第一基片的半導體材料反應的氧時 發揮了作用。
相信這樣產生的反應性氧和其與半導體材料的結合是第一基片的半導體 材料與第二基片的氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷之間的強結合的來源，艮卩，
第一基片和第二基片之間的接合的至少一部分(很可能全部)是通過半導體材 料與來自第二基片的反應性氧的反應形成的。與現有技術明顯不同，不需要高 溫處理(即高於IOO(TC條件下的處理)就可以實現這種強結合。
這種避免高溫處理的能力使第二基片材料可以是大量低成本製造的材料。 即，通過取消高溫處理，本發明不需要由高價的高溫材料如矽、石英、金剛石、 藍寶石等構成的支承基材。
具體地，不需要高溫處理即能實現強結合的能力使第二基片可以由氧化物 玻璃或氧化物玻璃-陶瓷構成， 一個實施方式中，所述玻璃或玻璃-陶瓷的應變
點低於1，000。C。更具體地，對顯示器應用，氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷的
應變點通常低於800。C，在另一些實施方式中低於700。C。 對於電子領域和 其他的應用，應變點優選低於1000°C。如玻璃製造領域皆知的，具有低應變點 的玻璃和玻璃-陶瓷比高應變點的玻璃和玻璃-陶瓷更容易製造。
為促進接合，氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷應至少能一定程度導電。氧 化物玻璃和氧化物玻璃-陶瓷的電導率取決於它們的溫度，因此要實現半導體 材料和氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷之間的強結合，需要在以下方面達到均 衡1)玻璃或玻璃-陶瓷的電導率，2)步驟(C')中使用的溫度(L和T2)， 3)步 驟(C，)中在第一基片和第二基片上施加的電場強度，和4)步驟(C')進行的時間
作為總體方針，氧化物玻璃和氧化物玻璃-陶瓷的250。C的電阻率p優選小 於或等於1016 Q.cm(g卩，250。C的電導率大於或等於10—16西門子/釐米)。更優
19選，25(TC時的p小於或等於1013^Cm，最優選小於或等於10115Q，cm。應注意， 儘管石英具有要求的25(TC的電阻率(10"'8^釐米)，但是石英缺乏在步驟(C') 中可以遷移的正離子，因此，在根據上述過程製造SOI結構時，石英不適合用 作第二基片。
對任何特定組的第一基片和第二基片，本領域的技術人員由本揭示內容能 容易地確定步驟(C')的時間、溫度和場強度的適當組合。具體地，本領域的技 術人員能夠選擇這些參數的組合，形成在半導體與氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷之間的強結合，該結合足以使SOI結構能夠承受在進一步處理和/或使用 期間所遇到的各種力和環境條件。
除了上述在接合中的作用外，在步驟(C')中施加的電場也能使正離子(陽離 子)在第二基片內以自第二基片的接合表面(第二接合表面)向著其施加力的表 面(第二施加力的表面)的方向遷移。這種遷移優選形成損耗區(23)，該區域始 於第一基片和第二基片之間的界面，並延伸至第二基片，即，該損耗區始於第 二接合表面並向著第二施加力的表面延伸至第二基片。
當氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷含有鹼金屬離子如Li+1, Na"和/或K+'離 子時，特別需要形成這樣的損耗區，因為已知這些鹼金屬離子會干擾半導體器 件的運行。鹼土金屬離子如Mg+2, Ca+2, Sr+2和/或Ba+2也可能干擾半導體器件的 運行，因此損耗區也優選降低這些離子的濃度。
顯然已經發現，損耗區一旦形成便隨時間穩定，即使SOI結構加熱至高於 或者一定程度高於步驟(C，)中使用的溫度時也是如此。在升高的溫度形成的損 耗區在SOI結構的常規操作溫度和形成溫度下特別穩定。這些因素確保鹼金屬 和鹼土金屬的離子不會在器件使用或進一步處理期間從氧化物玻璃或氧化物 玻璃-陶瓷擴散返回到SOI結構的半導體中，這是源自使用電場作為步驟(C') 的接合過程的組成部分的一個重要的益處。
因為通過選擇操作參數來實現強接合，因此本領域的技術人員由本揭示內 容內容易地地確定為實現具有所要求的寬度和對所有關注的正離子要求的降 低的正離子濃度的損耗區所需的操作參數。存在損耗區時，所述損耗區是根據 本發明的方法製造的SOI結構的特性特徵。
除了損耗區外，施加電場也可以形成氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷中包 含的一種或多種可遷移性正離子產生的"堆積(pile-叩)"區。這種區域存在 時位於遠離第一基片和第二基片之間的界面的損耗區的側(邊)或靠近該側(邊)。在堆積區內，正離子的濃度大於其體相濃度(bulk concentration)。例 如，按照原子％測定時，正離子在堆積區的峰值濃度可以例如最高比體相濃度 高5倍。和損耗區類似，當存在這種堆積區時，該堆積區是根據本發明製造的 SOI結構的特性特徵。
可以選擇步驟(C')期間第一基片和第二基片的溫度即T,和T2，以實施對在 分離區的半導體基片(第一基片)的重要的弱化功能(如碎裂)，使第一基片分成 第一部分和第二部分，所述第二部分與第二基片接合。這樣，可以實現具有所 需厚度的半導體部分的SOI結構，所述厚度如厚度Ds例如為10-500納米，一 些情況下最大為5微米。
雖然不希望受任何具體操作理論的限制，但是相信半導體基片在分離區的 弱化主要在步驟(C，)之後接合的第一和第二基片冷卻至如室溫時發生。通過適 當選擇T,和T2(參見下文)，冷卻可以使第一基片和第二基片發生差式收縮。這 種差式收縮向第一基片施加應力，該應力本身表現為第一基片在分離區的弱化 /碎裂。如下面所述，較好地，差式收縮應使第二基片企圖收縮的程度大於第 -一基片。
如本文所用，詞語"冷卻至常溫時的差式收縮"以及類似的詞語表示如果 第一基片和第二基片沒有接合，則它們在冷卻時收縮的程度不同。但是，因為 第一基片和第二基片在步驟(C')期間接合，並且都是剛性材料，各基片實際發 生的收縮量將不同於沒有接合時發生的收縮量。這種差別導致其中一個基片經 受張力和因冷卻產生的其他壓縮。本文使用詞語"企圖收縮"和類似的詞語來 反映以下事實，即，基片接合時的收縮一般不同於其未接合時的收縮，如，所 討論的基片可能因為冷卻的原因而企圖發生一定程度的收縮，但是因為與其它 基片接合，所以一般不可能，而且實際上也不會產生該種程度的收縮。
在步驟(C，)中採用的T,和T2值取決於第一基片和第二基片的相對熱膨脹系 數，選擇這些值的目的是確保其中一個基片，優選第二基片企圖發生的收縮程 度大於其他基片，優選第一基片，以在冷卻期間向分離區施加應力因此使該區 域弱化。
概括地，為使第二基片企圖發生的收縮的程度大於第一基片在冷卻時的收 縮程度，T,， T2以及第一基片和第二基片的CTE(分別為CTE,和CTE2)應滿足以
下關係式-
CTE2-T2 〉 CTErL，
21其中，CTE,是基本為單晶半導體材料的0'C時熱膨脹係數，CTE2是氧化物 玻璃或氧化物玻璃-陶瓷的0-30(TC的熱膨脹係數。該關係式假設第一基片和第 二基片冷卻至共同的參比溫度O'C， L和T2的單位為"C。
應用該關係式時，應考慮氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷的0-30(TC熱膨脹 係數優選滿足以下關係式
5xlO—7。C S CTE 2 75xlO—7。C。
為進行比較，基本為單晶矽的Or的熱膨脹係數約為24X10—7r，而0-300 °。的平均CTE約為32. 3X10—7/°C。雖然一般優選第二基片的CTE小於或等於 75X10—7°C，但是在有些情況，第二基片的CTE可能高於75X10—7°C，如在用 於諸如太陽能電池的應用中的鈉鈣玻璃的情況。
由關係式CTE2.T2〉 CTErT,可以知道，當氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷的 CTE(CTE》小於半導體材料的(CTE》時，為使冷卻期間第二基片企圖發生的收縮 大於第一基片，要求較大的T2-T,差值。相反，如果氧化物玻璃或氧化物玻璃 -陶瓷的CTE大於半導體材料的CTE，可以使用較小的T2 - T,差值。誠然，如 果氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷的CTE足夠大於半導體材料的CTE， T2 - T, 差值可以為零，甚至負值。但是， 一般而言，選擇氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷的CTE相對接近半導體材料的CTE，因此需要正的T2-L差值來保證冷卻 期間第二基片企圖發生的收縮大於第一基片。T2 〉 L也是所希望的，因為L > T,有助於氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷與半導體材料接合，這是由於會使氧化 物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷具有較高反應性。也希望T2 〉 T,,因為可以促進正 離子從第一基片和第二基片的界面遷移出來。
採用除使第二基片在冷卻期間企圖發生大於第一基片的收縮外的其他方 法，可以實現冷卻期間第一基片和第二基片之間的差式收縮以及第一基片在分
離區產生弱化/碎裂。具體地，可以是第一基片企圖發生大於第二基片的收縮。 這種差式收縮也可以通過選擇第一基片和第二基片的CTE和溫度來實現。概括 地，對這種情況，要求CTErT,大於CTE2'T2。
當第一基片發生的收縮大於第二基片時，第一基片，特別是第一基片的第 二部分在冷卻結束時會在張力下完全破壞(end叩)，而不是壓縮下被破壞。一
般而言，優選完成的SOI結構中的半導體薄膜(第一基片的第二部分)處於壓縮 ,狀況，這種情況優選以下方式，即，差式收縮使冷卻期間第二基片企圖發生的 收縮大於第一基片。但是，對某些應用，優選半導體薄膜處於一定程度的張力條件下。
因此，雖然在實施本發明時可以採用其他的條件組，但是在本發明的優選 實施方式中，在步驟(C')中T2高於L，並且從步驟(C')採用的升高的溫度冷卻 期間第二基片企圖發生的收縮大於第一基片。
此外，對本發明的任何特定應用(如，任何特定半導體材料和任何特定的
氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷)，本領域的技術人員根據本揭示內容以及us
2004/0229444A揭示的內容能容易地選擇L和Tj直，應提供足以使分離區弱化 的差式收縮水平，使第一基片的第一部分和第二部分相互分離，產生所需的SOI 結構。
第一部分和第二部分在分離區分離導致各部分在發生分離時具有"脫落" 表面。如本領域已知的，在最初形成後，即在進行任何後續表面處理之前，這 種脫落表面的特徵是表面粗糙度， 一般至少在約小於1納米RMS的量級，如在 1-100納米範圍，依據採用的處理條件，用於形成分離區的注入離子如氫、氦 等的濃度通常高於存在於第一部分或第二部分內的濃度。在常規應用中，在使 用前對脫落表面拋光，使其RMS表面粗糙度降低至小於或等於1納米，如對電 子應用，RMS表面粗糙度在O. l納米量級。如本文所用，詞語"脫落表面"包 括最初形成的表面以及任何後續處理後的表面。
步驟(C，)期間施加在第一基片和第二基片上的壓力確保這些基片密切接 觸，同時進行該步驟的加熱和電場處理。這樣，可以實現在基片之間的強接合。
一般而言，半導體基片(第一基片，也是施主基片)承受施加的壓力水平大 於玻璃或玻璃-陶瓷基片(第二基片)。因此，選擇壓力，提供基片之間的密切 接觸，而不會損害第二基片。
可以採用寬範圍的壓力。例如，在第一基片和第二基片的第一施加力的表 面和第二施加力的表面上分別施加的單位面積上的力P，優選滿足以下關係式
1 psi W < 100 psi;
最優選滿足以下關係式
1 psi S P' < 50 psi; 本領域的技術人員由本揭示內容能容易地確定用於本發明的特定應用的 比壓值。
本發明可以使用單一的第一基片和單一的第二基片實施。或者，本發明的 方法可用於在單一的第二基片上形成一個以上的SOI結構例如，可採用步驟(A，)至(D')形成第一SOI結構，該結構沒有覆蓋第二基
片的整個面積。然後，重複步驟(A')至(D')，形成第二SOI結構，該結構覆蓋 未被第一 SOI結構覆蓋的區域的一部分或全部。第二 SOI結構可以與第一 SOI 結構相同或不同，例如，第二SOI結構可以使用基本為單晶的半導體材料組成 的第一基片構成，所述半導體材料與製造第一 SOI結構時使用的第一基片的半 導體材料相同或不同。
更優選，通過以下方式在單一的第二基片上形成多個SO工結構，在步驟(A') 提供多個(即兩個或更多個)第一基片，在步驟(B')使所有這些第一基片與單一 的第二基片接觸，然後在製成的多個第一基片/單一第二基片的組件上進行步 驟(C，)和(D')。步驟(A')中提供的多個第一基片可以全部相同、全部不同、或 者部分相同而部分不同。
無論採用何種方式，對本發明的特定應用，在單一的氧化物玻璃或氧化物 玻璃-陶瓷基片上產生的多個SOI結構可以是相鄰的或者可適當隔開。需要時， 在部分或全部相鄰的結構之間的間隙中可以填充例如半導體材料，以獲得在任 意所需尺寸的氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷基片上的一個或多個連續的半導 體層。
按照本發明製造的SOI結構優選是絕緣體上的半導體結構，該結構包括直 接相連或通過一個或多個中間層相連的第一層和第二層，其中-(a，) 第一層包含基本為單晶的半導體材料； (b，)第二層包含氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷；和 (c')第一層和第二層的結合強度至少為8焦耳/米2，優選至少為10 焦耳/米2，最優選至少15焦耳/米2。
如本說明書和權利要求書中使用的，可以採用壓痕方法(indentation procedure)確定SOI結構中半導體層與玻璃或玻璃-陶瓷層的結合強度。這種 方法廣泛用於評價薄膜和塗層與各種材料，包括聚合物、金屬和脆性材料的粘 結特性。該技術以界面應變能量釋出速率形式定量測定粘合性。
如在美國專利申請公報No. 2004/0229444 Al的實施例中揭示的，對玻璃 上矽塗層的壓痕測試可以採用NaNo壓痕計II(Nano Indenter II) (MTS系統公 司(MTS Systems Corporation, Eden Prairie, MN)進行，該壓痕計裝備有 Berkovich金剛石壓痕頭(indenter)。當然，可以使用其他設備測定結合強度 值。如美國專利申請公報No. 2004/0229444 Al的實施例12中揭示的，使壓痕包括一定範圍的載荷，檢測直接包圍壓痕的區域的分層跡象。按照以下文獻計 算結合能，文獻中的相關部分通過參考結合於本文D. B.Marshall和A. G. Evans, Measurement of Adherence of Residually Stressed Thin Films by Indentation, I. Mechanics of Interface Delaraination， J". Appl. Phys.， 56[10] 2632-2638(1984)。可以採用該文獻中的方法計算在下面的權利要求書 中所稱的結合能。
採用本發明的方法製造SOI結構時，第一層理想地具有距第二層最遠的表 面，該表面是脫落表面。這種情況下，第二層的氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶 瓷也優選具有以下性質
(a') 0-30(TC的熱膨脹係數CTE和25(TC時電阻率p滿足以下關係式 5xlO_7〃C 2 CTE《75xlO-7。C，禾口 p 2 1016 Q'cm， (b，)應變點Ts低於l，OO(TC。
氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷還可以包含正離子，當該氧化物玻璃或氧 化物玻璃-陶瓷的溫度T滿足以下關係式時，通過電場可以改變正離子在氧化 物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷內的分布 Ts - 350 S T 2 Ts + 350，
式中，T,和T都按'C計。
應理解，玻璃或玻璃-陶瓷層與半導體層如矽層之間的結合強度是SOI結 構的重要性質。高結合強度和耐久性對保證SOI結構能夠承受與在該結構上或 之內製造薄膜電晶體和其他器件相關的處理是很重要的。例如，高的結合強度 對在切割、拋光和類似加工步驟中保持器件完整性很重要。高的結合強度還能 夠對各種厚度的半導體薄膜進行處理，同時與玻璃或玻璃-陶瓷基片(包括半導
體薄膜)相連。
已知在製造S0I加工的標準熱處理的Si-Si02鍵的結合能取決於退火溫度， 在IIO(TC退火後為1-4焦耳/米2範圍。參見Semiconductor Wafer Bonding(半 導體晶片的結合)，Q. Y.Tong， U. Gosele， John Wiley & Sons Inc. ， New York, New York,第108頁(1994)。如在US 2004/0229444 Al中的實施例證實的， 按照本發明，提供的SOI結構的結合能顯著大於以前能達到的，即結合能至少 為8焦耳/米2。
根據本發明的方法，製造具有以下特性的SOI結構
25I:絕緣體上半導體的結構，該結構包括直接相連或通過一個或多個中間 層相連的第一層和第二層，其中 (a，〉第一層
(i) 包含基本為單晶的半導體材料；
(ii) 具有基本平行的第一面和第二面，這些面相互間隔距離Ds，第
一面比第二面更靠近第二層；
(iii) 具有參比表面，該表面具有以下特性l)在第一層內，2)與第 一面基本平行，和3)與第一面間隔距離Ds/2;和
(iv) 具有提高氧濃度的區域，該區域始於第一面並向第二面延伸， 其厚度5 滿足以下關係式
SH S 200納米，
式中，5H是第一面與具有以下特性的表面之間的距離，該表面l)位於第一 層內，2)與第一面基本平行，和3)是滿足以下關係式的離第一面最遠的表面.-G)OO — Go/參比》50%， 0 S x S Sh，
式中
C。(x)是氧的濃度，隨距第一面的距離x變化，
Co/雑是參比表面上的氧濃度，和 C(X)和C。/參比按原子X計；禾口
(b')第二層包含氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷；和 應注意，按照本發明的該方面提高氧濃度的區域應區別於結合前在半導體 基片外部形成的氧化物層(例如參見美國專利第5， 909, 627號)，因為本發明的 該區域是在半導體材料內。具體地，當採用本發明的方法製造SOI結構時，當 形成半導體層和氧化物玻璃或氧化物玻璃層的複合體時原位形成提高了氧濃 度的區域。
II:絕緣體上半導體的結構，該結構包括直接相連或通過一個或多個中間
層相連的第一層和第二層，其中
(a')第一層包括基本為單晶的半導體材料，所述層具有距第二層最遠的 表面，該表面為脫落表面；和 (b')第二層:
(i)具有基本平行的第一面和第二面，這些面相互間隔距離D2，第一 面比第二面更靠近第一層；(ii) 具有參比表面，該表面具有以下特性l)在第二層內，2)與第 一面基本平行，和3)與第一面間隔距離D2/2;
(iii) 包含氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷，所述氧化物玻璃或氧化
物玻璃-陶瓷包含一種或多種類型的正離子，每種類型的正離子在參比表面具
有參比濃度C^參比；和
(iv) 具有始於第一面並向參比表面延伸的區域，其中的至少一種正 離子的濃度相對該離子的參比濃度Ci,，被消耗(正離子損耗區)。
III:絕緣體上半導體的結構，該結構包括直接相連或通過一個或多個中 間層相連的第一層和第二層，其中
(a')第一層包括基本為單晶的半導體材料，所述層的厚度小於10微米 (在一些實施方式中，小於5微米，在一些其他實施方式中小於l微米)；和 (b')第二層:
(i) 具有基本平行的第一面和第二面，這些面相互間隔距離D2，第一 面比第二面更靠近第一層；
(ii) 具有參比表面，該表面具有以下特性l)在第二層內，2)與第
一面基本平行，和3)與第一面間隔距離D2/2;
(iii) 包含氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷，所述氧化物玻璃或氧化
物玻璃-陶瓷包含一種或多種類型的正離子，每種類型的正離子在參比表面具
有參比濃度Ci^tt;和
(iv) 具有始於第一面並向參比表面延伸的區域，其中的至少一種正
離子的濃度相對該離子的參比濃度(:,,城被消耗(正離子損耗區)。
與這種SOI間隔相關，因注意子段落(a')中IO微米的限制明顯小於半導體 晶片的厚度。例如，可商購的矽晶片的厚度一般大於ioo微米。
IV:絕緣體上半導體的結構，該結構包括直接相連或通過一個或多個中 間層相連的第一層和第二層，其中
(a')第一層包含基本為單晶的半導體材料；和
(b，)第二層包含包含氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷，所述氧化物玻璃或 氧化物玻璃-陶瓷包含一種或多種類型的正離子，以氧化物為基準，氧化物玻 璃或氧化物玻璃-陶瓷中的鋰、鈉和鉀離子的濃度總和小於1.0重量％，優選 小於0. 1重量％ (即，重量％ Li20十重量％ K20 +重量％ Na20 < 1. 0重量％，優 選< 0. 1重量％)，其中，第一層具有大於io釐米的最大尺寸(如，在圓形層情況下為直徑，
矩形層情況下為對角線等)。
V: 絕緣體上半導體的結構，該結構包括直接相連或通過一個或多個中 間層相連的第一層和第二層，其中-
(a')第一層包含基本為單晶的半導體材料；和
(b')第二層:
(i) 具有基本平行的第一面和第二面，相互間隔距離D2，第一面比第 二面更靠近第一層；
(ii) 具有參比表面，該表面具有以下特性l)在第二層內，2)與第 一面基本平行，和3)與第一面間隔距離D2/2;
(iii) 包含氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷，所述氧化物玻璃或氧化 物玻璃-陶瓷包含一種或多種類型的正離子，每種類型的正離子在參比表面具
有參比濃度C',參比；
(iv) 具有始於第一面並向參比表面延伸的區域，其中的至少一種類 型正離子的濃度相對該離子的參比濃度C,，t被消耗(正離子損耗區)，所述區域 具有遠邊(即最靠近參比表面的邊緣)；和
(v) 具有鄰近正離子損耗區的所述遠邊的區域，其中的至少一種類型 的正離子的濃度相對與該離子的d,餘提高(堆積區)。
VI:絕緣體上的半導體結構，該結構包括相互直接相連或通過一個或多
個中間層相連的第一層和第二層，其結合強度至少為8焦耳/米2，在一些實施 方式中至少為10焦耳/米2，在一些實施方式中至少為15焦耳/米2，所述第一 層包含基本為單晶的半導體材料，所述第二層包含氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷，其中，第一層中靠近第二層的至少一部分包含凹進，所述凹進將所述部 分分成基本上隔開的多個區域，這些區域可以相互相對獨立地膨脹和收縮。 這種SOI結構的一些實施方式中，凹進延伸在第一層的整個厚度(Ds)上。
VII:絕緣體上的矽結構，該結構包括相互直接相連的第一層和第二層，
所述第一層包含基本為單晶的矽材料，所述第二層(20)包含玻璃或玻璃-陶瓷， 所述玻璃或玻璃-陶瓷包含氧化矽和一種或多種其他氧化物作為網絡形成劑 (如，B203， Al203和/或P20丄所述第一層包含與第二層接觸的區域，該區域包 含矽氧化物(即，SiOx，其中1 S x S 2)，但是不含一種或多種其他氧化物， 所述區域的厚度小於或等於200納米。nn:絕緣體上的半導體結構，該結構包含基本為單晶的半導體材料(材 料S)和氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷(材料G)，所述氧化物玻璃或氧化物玻 璃-陶瓷包含正離子，其中該結構的至少一部分順序包括以下材料 材料S;
具有提高的氧含量的材料S;
材料G，其中至少一種類型的正離子濃度降低； 材料G，其中至少一種類型的正離子濃度提高； 材料G。
關於前述SOI結構I-VIII的各結構，以及下面將描述的可以按照本發明 的方法製造的其他SOI結構，應注意絕緣體上半導體結構的"絕緣體"組分 是由本發明通過使用氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷作為第二基片自動提供 的。當第一基片和第二基片之間的界面(30)包含正離子損耗區時，玻璃或玻璃
-陶瓷的絕緣功能進一步增強。作為特定的實例，在soi結構vin中，所有材
料G都是絕緣體。此外，具有提高的氧濃度的材料S依據達到的氧濃度，可以 至少一定程度用作絕緣體。這種情況下，材料S以後的每種材料構成SOI結構
的絕緣體。還應注意，例如為了提供半導體性質的目的，單晶半導體材料也可 以摻雜不同量的摻雜劑。
根據本發明的自動提供絕緣體功能的特點與常規SOI結構形成對比，常規 SOI結構中半導體薄膜與半導體晶片相連。為達到絕緣功能，需要將絕緣體層 如Si02層夾(嵌埋)在半導體薄膜和半導體晶片之間。
根據本發明，可以採用本發明方法製造在單一氧化物玻璃或氧化物玻璃-
陶瓷上的多個SOI結構，所述的多個SOI結構可以全部相同，全部不同，或者
部分相同而部分不同。類似地，由本發明製成的產品可以具有在單一的第二層 上的多個第一層，而且多個第一層可以全部相同，全部不同，或者部分相同而 部分不同。
無論是使用單一第一層還是多個第一層，產生的soi結構中第二層的所有
或基本上所有(即〉95%)第一面與一種或多種基本上單晶的半導體材料相連 (或直接相連或者通過一個或多個中間層相連)，或者產生的SOI結構中的第一
面的大多數區域與基本上不是單晶半導體材料的材料結合(下面，稱為"非單 晶半導體區域")。
在非單晶半導體區域中，第一面可以與例如非晶形和/或多晶半導體材料
29如非晶形和/或多晶矽直接相連，或者通過一個或多個中間層與之相連。使用 這類價格低廉的材料對顯示器應用特別有益，顯示器應用中，顯示器電子器件 中通常只有特定的一些部件需要基本上單晶的半導體材料，例如外圍驅動器， 圖像處理器，計時控制器等，這些部件要求高性能的半導體材料。如本領域皆 知的，多晶半導體材料特別是多晶矽可以通過以下方式獲得，即將非晶形材料
應用於基片如LCD玻璃基片後對該材料進行熱結晶(例如基於雷射的熱結晶)獲得。
當然，第二層的整個第一面不必與基本上單晶的半導體材料或者非單晶的 半導體材料結合。而是特定區域可具有半導體材料，這些區域之間存在間隔， 其中可以是裸露的第二層或者是與一種或多種非半導體的材料相連的第二層。 這些間隔是尺寸按照適合於本發明的特定應用可大或可小。例如，在顯示器，
例如液晶顯示器應用的情況，大多數(熱大於約75-80%)的玻璃層通常既不與基 本上單晶的半導體材料結合也不與非單晶的半導體材料結合。
通過使用與單一第二層相連的多個第一層，可以獲得具有基本上單晶的半 導體材料組成的大區域的SOI結構。因此，根據本發明的方法，可以製造以下 的其他S0I結構
IX.絕緣體上半導體的結構，該結構包括直接相連或通過一個或多個中
間層相連的第一層和第二層，其中
(a，)第一層包含多個區域，各區域包含基本上單晶的半導體材料； (b，)第二層包含氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷；和 (C，)所述區域具有表面積A,，滿足以下關係式
formula see original document page 30
式中，如果所有區域都是圓形周邊，則^ = 750釐米2，如果沒有一個區 域具有圓形周邊，則At = 500釐米2。
如上所述，不同區域中的基本上單晶的半導體材料可以全部相同，全部不 同，或者部分相同而部分不同。類似地，如果使用一個或多個中間層，對不同 的區域，中間層可以全部相同，全部不同，或者部分相同而部分不同。具體地， 一個或多個區域可具有通過一個或多個中間層與第二層相連的基本上單晶的 半導體材料，而一個或多個其他區域可包含與第二層直接相連的半導體材料。
關於按照本發明製造的前述SOI結構I-IX，如果第一基片和第二基片之間存在一個或多個中間層時，所述一個或多個中間層的合併厚度優選小於100納
米，在一些實施方式中小於50納米，在一些實施方式中小於30納米。
除了上面列出的各SOI結構I-IX外，本發明的方法還可以用於製造包括 所述SOI結構I-IX的特徵的任意組合和全部組合的SOI結構。例如，SOI結構 的一些實施方式中的結合強度優選至少為8焦耳/米2，在一些實施方式中優選 至少為10焦耳/米2，在一些實施方式中優選至少為15焦耳/米2。類似地，SOI 結構優選包含至少一個脫落表面，至少一個正離子損耗區，至少一個堆積區， 和/或其厚度小於IO微米的半導體層。
由下面的非限制性實施例進一步說明本發明。
實施例 實施例1
在標準的離子噴淋設備中，對直徑為150毫米，厚度為500微米的矽晶片 進行H/離子注入，離子注入的劑量為2E16(即2xl0'6) R/離子/釐米2，注入能 量為50KeV。然後，晶片在氧等離子體中處理，以氧化表面基團。然後，將康 寧公司的Eagle 2000 (Corning Incorporated Eagle 2000 ))玻璃晶片(直徑 100毫米)在超聲浴中用費舍爾科學公司的Contrad 70(Fischer scientific Contrad70)洗滌劑清洗15分鐘，再用蒸餾水超聲清洗15分鐘，然後，用10% 硝酸清洗，再用蒸餾水清洗。這兩種晶片都在無塵室中，在旋轉清洗機乾燥器 (spin washer dryer)中用蒸餾水進行最後的清潔。
然後，使兩個晶片接觸，保證晶片之間沒有夾有空氣，然後將晶片引入接 合器，按照US 2004/0229444 Al中所述進行接合。將玻璃晶片放置在負電極 上，矽晶片放置在正電極上。將兩個晶片加熱至525。C(矽晶片)和575。C(玻璃 晶片)。在晶片表面上施加1750 V的電勢。施加電壓20分鐘，結束時使電壓 為零，將晶片冷卻至室溫。很容易將晶片分開。採用這種方法獲得在玻璃表面 上牢固粘合有矽薄膜(500納米)的高質量樣品。圖6示出晶片的注入分布，顯 示主要物質是仏+，斷裂發生在靠近H/分布的峰處。轉移的膜厚度為235納米。實施例2
重複實施例l的試驗，但有以下變動。以同樣劑量，在60 KeV能量下在 矽晶片中注入H"發現，結合在玻璃上的矽膜厚度為262納米。
對本領域的技術人員而言，顯而易見可以在不偏離本發明的範圍和精神下對 本發明進行各種修改和變動。因此，本發明意圖覆蓋本發明的修改和變動，只要這 些修改和變動在權利要求書和其等同項的範圍之內。
權利要求
1. 一種形成SOI結構的方法，該方法包括以下步驟(A1)提供施主基片和受主基片，其中(1)所述施主基片包括半導體材料以及與所述受主基片接合的第一施主外表面，即第一接合表面，以及第二施主外表面；(2)所述受主基片包括氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷以及以下兩個外表面(i)用於與所述第一基片接合的第一受主外表面，即第二接合表面；和(ii)第二受主外表面；(A2)通過使用第一離子噴淋，將許多離子通過所述第一施主外表面注入在所述第一施主基片下方一定深度的離子注入區中，以限定夾在所述離子注入區和第一施主外表面之間的材料薄膜，即「脫落膜」；(B)在步驟(A1)和(A2)之後，使所述第一和第二接合表面接觸；(C)同時在以下條件下保持足以使所述施主基片和受主基片在所述第一和第二接合表面上相互接合的時間(1)在所述施主基片和/或受主基片上施加壓力使所述第一和第二接合表面接觸；(2)在所述施主基片和受主基片上施加電場，使施主基片的電勢高於受主基片的電勢；和(3)對所述施主基片和受主基片加熱，所述加熱的特徵在於，所述第二施主外表面和第二受主外表面分別具有平均溫度T1和T2；對所述溫度進行選擇，使冷卻至常溫時，所述施主基片和受主基片發生差式收縮，從而使施主基片在離子注入區的強度下降；和(D)對所述接合的施主基片和受主基片冷卻，使施主基片在離子注入區發生開裂；其中，所述氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷包含正離子，所述正離子在步驟(C)期間以離開第二接合表面向著第二受主外表面的方向在受主基片中遷移。
2. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述脫落膜包含單晶半導體材料。
3. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述脫落膜包含單晶矽。
4. 如權利要求1-3中任一項所述的方法，其特徵在於，在步驟(A2)中，所述 離子注入區的深度小於約1000納米，在一些實施方式中小於約500納米，在其它一些實施方式中小於約300納米，在其它一些實施方式中小於約150納米，在其它 一些實施方式中小於約100納米。
5. 如前述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，在步驟(A2)結束時， 所述脫落膜中厚度至少為50納米，在一些實施方式中至少為IOO納米，在一些實 施方式中至少為150納米，在一些實施方式中至少為200納米的部分沒有受到損害。
6. 如前述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，在步驟(A2)結束時， 所述脫落膜的至少大部分厚度沒有受到損害。
7. 如權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述脫落膜的未受損部分的厚度 至少為所述脫落膜總厚度的60%，在一些實施方式中為至少80%，在一些實施方式 中為至少90%。
8. 如前述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，在步驟(A2)中，所述 離子注入區的厚度不大於約1微米，在一些實施方式中不大於約500納米，在其它 一些實施方式中不大於約300納米，在其它一些實施方式中不大於約200納米。
9. 如前述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，在步驟(A2)中，所述 第一離子噴淋主要包含屬於第一類物質的離子，在一些實施方式中，其含量至少為 60摩爾％，在一些實施方式中至少為80%，在一些實施方式中至少為90%。
10. 如權利要求9所述的方法，其特徵在於，所述屬於第一類物質的離子是選 自下組的離子物質H,， H+, H2+， D2+， D/， HD+， H2D+， HD/， He+, He2+, 0+， 02+和02+。
11. 如權利要求9所述的方法，其特徵在於，所述屬於第一類物質的離子基本 上不含磷、硼、砷、碳、氧、氮、氟、氯和金屬。
12. 如前述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，該方法還包括分開的 獨立於步驟(A2)的以下步驟(A3):(A3)通過使用第二離子噴淋，將許多屬於第二類物質的離子通過所述第一施 主外表面注入在所述第一施主外表面下方一定深度的離子注入區中，所述屬於第二 類物質的離子不同於屬於第一類物質的離子。
13. 如前述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，該方法還包括分開的 獨立於步驟(A2)的以下步驟(A3. 1):(A3. 1)使用束-線注入器將許多屬於第二類物質的離子通過所述第一施主外 表面注入在所述第一施主外表面下方一定深度的離子注入區中。
14. 如權利要求12所述的方法，其特徵在於，所述離子注入區包括注入了屬 於第一類物質的離子的第一離子注入區和注入了屬於第二類物質的離子的第二離 子注入區，所述第一離子注入區和第二離子注入區基本上交疊。
15. 如權利要求12所述的方法，其特徵在於，所述屬於第一類物質的離子是 H/，屬於第二類物質的離子是He+。
16. 如權利要求15所述的方法，其特徵在於，H/的能量與He+的能量比約為2:1。
17. 如權利要求15所述的方法，其特徵在於，H/的能量約為60KeV， He+的能 量約為30 KeV。
18. 如前述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，在步驟(A2)之後但在 步驟(B)之前，對所述施主基片的第一接合表面進行處理，以降低表面的氫濃度。
19. 如權利要求19所述的方法，其特徵在於，所述降低氫濃度的處理使所述 第-一接合表面為親水性。
20. 如權利要求19所述的方法，其特徵在於，所述降低氫濃度的處理選自 氧等離子體處理、臭氧處理，用HA進行處理，用&02和氨進行處理，用HA和酸 進行處理，以及它們的組合。
全文摘要
公開使用離子噴淋用於將離子注入施主基片，製造SOI和SOG結構的方法。離子噴淋提供了有利的，有效的低成本的離子注入，同時使對脫落膜的損害最小。
文檔編號H01L21/762GK101454890SQ200780019707
公開日2009年6月10日 申請日期2007年5月24日 優先權日2006年5月31日
發明者J·S·希特斯, K·P·加德卡裡, R·O·馬斯克梅耶 申請人:康寧股份有限公司