利用熱處理去除氧物質的製造粘結襯底結構的方法和結構的製作方法

2023-05-23 14:12:46 2

專利名稱：利用熱處理去除氧物質的製造粘結襯底結構的方法和結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及襯底的製造。更具體地，本發明提供了一種技術， 其包括利用粘結技術為製造半導體集成電路器件而形成多層襯底 結構的方法和結構。4艮據特定的實施方式，這種粘結4支術包括使用
熱處理以形成基本無缺陷(imperfection), J艮瘋(defect )、和/或不 希望的特徵的粘結界面。在優選的實施方式中，熱處理導致氧物質 從待移動的粘結對之間的界面區域轉移至外部區域。但是應明了的 是，本發明具有更廣的適用範圍；其還可應用於集成半導體器件、 光子器件、壓電器件(piezoelectronic device )、平才反顯示器、微電 子機械系統("MEMS")、納米技術結構、傳感器、制動器、太陽 能電池、生物學和生物醫學器件等其他類型的三維封裝的襯底中。
背景技術：
從4艮久以前開始，人類多年來已經在使用4交不實用的材*+製成 實用的物品、工具、或器件。在一些情況下，製品由較小的元件或 結構單元(building block )組裝而成。可^齊^U也，3奪淨交不實用的物 品分離為較小部分，以提高其實用性。這些待分離的物品的一個常 見實例包括諸如玻璃板、金剛石、半導體襯底、平板顯示器等的襯 底結構。通常可^f吏用多種衝支術〗吏這些^H"底結構解理(cleave)或分 離。在一些情況下，可通過4吏用鋸才喿作(saw operation)將4於底分 離。通常，鋸操作依賴於轉動葉片或刀具，其能切穿襯底材料從而將襯底材料分離為兩部分。然而，這種技術通常極為"粗糙(rough )"， 且通常不能用於提供製造精密儀器(fine tool)或組件的村底的精密 分離。另外，通常鋸操作難以分離或切割極其堅硬和/或易碎的材料 (諸如金剛石或玻璃)。鋸操作也不能有效地用於微電子器件(包 括集成電路器件等)的製造。
因此，已經開發了多種用以製造微電子器件(通常稱為微電子 集成電路)的技術。這樣的集成電路通常是利用半導體製造早期開 發的稱為"平面過禾呈(planar process )"的才支術開發的。在以Robert Noyce (其被認為是集成電路的創始者之一 )的名義申請的美國專 利第2,981,877號中描述了一種早期半導體技術的一個實例。這種 集成電路已經由在一'J、片矽材料上僅有少量的電子元件發展成數 百萬甚至數十億個部件。這種集成電路已經被合併並控制著現今的 許多器件，例如計算才幾、行動電話、玩具、機動車、以及各種醫療 設備。
傳統的集成電路具有遠遠超出最初想像的性能和複雜性。為了 改善複雜性和電^各密度(circuit density )(即，能夠封裝在給定的晶 片區域上的器件的數目)，最小的器件形體(feature)尺寸，(也稱 為器件"幾何形狀(geometry)")已經隨著每一代集成電^各而變得 越來越小。增大電路密度不僅改善了集成電路的複雜性和性能，並 且為消費者提供了更低成本的部件。
使器件變小是非常具有挑戰性的，因為每一種用於形成集成電 路的方法都具有局限性。這就是說，給定的方法通常僅能減小至一 定的形體尺寸，於是就需要改變方法或器件布置。另外，由於需要 越來越快地設計器件，伴隨著某些傳統的方法和材料存在方法局限 性。這種方法的一個實例是在襯底上製造集成電路器件之後能夠使 該襯底的厚度變薄。通常用於使這些器件層變薄的傳統方法通常一皮 稱為"背面磨削"，這種方法通常較麻煩、易於導致器件損壞，並且僅能夠使器件層的厚度薄到一定厚度。儘管已經作出了重要的改 進，但是這種背面磨削方法仍然具有許多局限性。
為此，已經開發了某些技術，以使晶體材料薄膜從較大的施主
村底(donor substrate)部分解理。這些技術通常^皮稱為"層轉移" 方法。這種層轉移方法已經被用於專門的村底結構(諸如絕緣體上 ,圭糹吉才勾(silicon on insulator )或顯示器基氺反(display substrate ))的 製造中。^U乍為實例，Francois J. Henley和Nathan Chung開發了
一種解理膜材並+的開拓性:技術。在轉讓給加利福尼亞州聖何塞的
Silicon Genesis Corporation的題為受4空的解理過禾呈(Controlled Cleaving Process)的美國專利第6,013,563號中描述了這種技術， 其內容以引用方式結合於此作為參考。儘管這種技術已經獲得成 功，但是仍然需要製造多層結構的改進方法。
由上文可見，需要一種用於製造較大襯底的節省成本並且高效 的技術。

發明內容
根據本發明，提供了涉及襯底的製造的技術。更具體地，本發 明提供了一種技術，其包括利用粘結技術為製造半導體集成電路器 件而形成多層襯底結構的方法和結構。4艮據特定的實施方式，這種 粘結技術包括使用熱處理以形成基本無缺陷、瑕瘋、和/或其他的不 希望的特徵的粘結界面。在一種優選的實施方式中，熱處理導致氧 物質從粘結對(bonding pair )的界面區域轉移至外部區域。但是應 明了的是，本發明具有更廣的適用範圍；其還可應用於集成半導體 器件、光子器件、壓電器件、平板顯示器、孩t電子機械系統 ("MEMS")、納米4支術結構、傳感器、制動器、太陽能電池、生 物學和生物醫學器件等其他類型的三維封裝的襯底中。在特定的實施方式中，本發明提供了一種用於製造粘結襯底結
構(例力。，石圭上石圭(silicon on silicon ))的方法。在4爭定的實施方式 中，該方法包括提供一厚度的(一層，athicknessof)單晶矽材料， 其從與第二矽襯底連接的第 一矽襯底轉移。在特定的實施方式中， 第二矽襯底具有第二表面區域，其與來自該厚度的單晶矽材料的第 一表面區域連接，以形成具有第一特性的界面區域，該界面區域包 括在單晶矽材料厚度和第二矽襯底之間的矽氧化物材料。該方法包 括使界面區域經受熱處理，以使界面區域由第 一特性變為第二特 性。在一種特定的實施方式中，第二特性是沒有氧化矽材料，而是 一種提供在單晶矽材料厚度和第二矽襯底之間的外延形成的矽材 料。可選地，該方法包括在熱處理過程中，保持界面區域沒有多個 坑洞(void)，以形成外延矽材料，從而將該厚度的單晶矽材料電連 4妄至第二石圭坤十底和/或改善和/或完善單晶石圭材沖牛層與第二石圭襯底之 間的電連4妻。應該注意的是，術語"界面"或"界面區域"的理解 不應受限制，而是按照本領域技術人員的理解而使用。僅作為舉例， 根據特定的實施方式，術語"界面"可限定任意兩個區域之間的區 域。
在一種可替代的具體實施方式
中，本發明提供了一種矽上矽襯
底結構，例如，直4姿粘結石圭的結構。該結構包4舌具有第一表面區i或 的第一矽襯底(例如，矽晶片)。將一厚度的單晶半導體材料層轉 移至第一表面區域的上方。在一種優選的實施方式中，該厚度的單 晶半導體材料具有約l微米或更小的厚度，且具有面向第一矽襯底 的第一表面區域的第二表面區域。該結構具有設置在第一表面區域 和第二表面區域之間的外延形成的界面區域。該結構還具有特徵是 外延形成的界面區域的 一 至五個單原子層，以便將第 一矽襯底電連 接至該厚度的單晶半導體材料。在另 一種可替代的實施方式中，本發明提供了 一種用於製造粘 結襯底結構(例如，矽上矽)的方法。該方法包括提供一厚度的單 晶石圭材津+，其乂人連4妄至第二石圭襯底的第一石圭襯底轉移。第二石圭襯底 具有第二表面區域，其連接至來自該厚度的單晶矽材料的第一表面 區域，以形成具有第一特性的界面區域，該界面區域包括在該厚度 的單晶石圭材料與第二石圭村底之間的石圭氧化物材料。在優選的實施方
式中，該厚度的單晶石圭包括具有多個捕獲位置(trapping site)(例 如，表面粗糙度)的表面區域。該方法包括使界面區域(和/或整個 襯底結構)經受熱處理，以使界面區域從第一特性變為第二特性， 從而將該厚度的單晶矽材料電連接至第二矽村底。第二特性是沒有 氧化矽材料，而是提供在單晶矽材料與第二矽襯底之間的外延形成 的矽材料。熱處理還導致氧化矽材料的一部分被轉移至設置在表面 區域上的一個或多個捕獲位置。可選地，利用選擇性蝕刻劑(例如， HF、 BOE)和/或化學機械拋光方法，選才奪性去除i殳置在一個或多 個捕獲位置上的氧化矽材料。當然，可以存在其他的變型、修改、 和可替代方式。
應用本發明，可在現有衝支術的基礎上獲得許多益處。特別地， 本發明使用受控的能量和選擇的條件，優先地解理及處理薄膜材 料，不存在由於過多的能量釋放和/或熱能對這種膜造成損害的可能 性。這種解理方法選4奪性地將薄膜材料從襯底移除，同時可防止對 膜或襯底的餘留部分造成損害。另外，本發明的方法和結構利用通 過進4於半導體加工過程(才艮據特定的實施方式，其可在4交高溫度下 進行)提供在襯底中的解理層實現了更加高效的加工。在具體實施 方式中，4吏連4妄至才喿作4於底(處J裡4於底，handle substrate)的解5裡 膜經受快速熱處理過程，以將解理膜牢固地結合至才喿作襯底，而不 會在解理膜和襯底之間的界面區域周圍形成瑕疵。在一種特定的實 施方式中，可4吏解理的組件經受平滑處理(smoothing process )(如 在2001年9月11日乂〉布的以Kang、 Sien G.和Malik, Igor J.的名義普通轉讓的美國專利第6,287,941號('941專利)或美國專利第 6,884,696號和美國專利第6,962,858號中所教導的，其內容均以引 用方式結合於此作為參考)以製備乾淨無好l瘋的表面，並隨後通過 單晶片反應器(single-wafer reactor )或熔爐退火才喿作完成氧的分解 (dissolution )。在'941專利中的夕卜延平〉骨(epi-smoothing )處J裡的 情況下，例如，通過將作為額外處理的原位退火與在先的外延平滑 過程步驟結合，可以實現額外的成本效益。實現這些優點中的一個 或多取決於具體實施方式
。這些和其他優點可通過本發明的說明 書、特別是以下內容進行描述。
本發明在已知的方法糹支術的背景下實現了這些和其他優點。例 ^口，這種石圭與石圭(silicon to silicon )的粘結結構的應用，在一個或 多個層具有不同的晶體耳又向的情況下可以4吏用。例如，基體襯底 (base substrate )可以為(100 )取向的石圭，頂部4爭移月莫可以為(110 ) 取向的矽。可替代地，基體襯底可以為(110)取向而轉移膜可以 是(100)取向。才艮據本發明的一種實施方式，包括(lll)取向與 上述4壬意耳又向的其^f也取向組合也可包4舌在內。在特定的實施方式 中，還可以在SOI(即，絕》彖體上石圭)結構上形成多層結構，其中 頂部兩層膜具有不同的耳又向，並i殳置於塗覆有氧化物的基體襯底 上。可替 ;也， 一個或多個層可包才舌整體應變(global strain )或局 部應變(localized strain )或這些中的任意組合等。然而，通過參照 說明書的後部分及附圖，可以進一步理解本發明的特4正和伊0點。


圖1示出了根據本發明的實施方式形成矽上矽襯底的全部簡化 方法；
圖2至圖8、圖8A、圖8B、以及圖9示出了才艮才居本發明的實 施方式用於製造4吏用層轉移襯底的粘結襯底結構的簡化方法；以及圖10-14是4艮據應用本發明的實施方式而實施的實驗的舉例說明。
具體實施例方式
根據本發明，提供了涉及襯底製造的技術。更具體地，本發明 提供了 一種技術，其包括使用粘結技術為製造半導體集成電路器件 而形成多層襯底結構的方法和結構。根據特定的實施方式，這種粘 結技術包括利用熱處理以形成基本無缺陷、瑕瘋、和/或其他的不希 望的特徵的粘結界面。在一種優選的實施方式中，熱處理導致氧物 質從待除去的粘結對(bonding pair )之間的界面區域轉移至外部區 i或。然而應該i人識到，本發明具有更廣的適用範圍；其還可應用於 集成半導體器件、光子器件、壓電器件、平板顯示器、糹敬電子才幾械 系統("MEMS")、納米4支術結構、傳感器、制動器、太陽能電池、 生物學和生物醫學器件等其他類型的三維封裝的襯底中。
參照圖1, 4艮據本發明的實施方式用於將襯底連4妄在一起以形 成石圭上石圭津佔結(silicon on silicon bond )的方法100,可才既述》口下
1. 開始，開始過禾呈，步驟101,;
2. 提供第一石圭襯底(步驟103),其具有第一表面區域、解理 區域、以及一厚度的在第 一表面區域和解理區域之間將被移除的材 料；
3. 提供第二矽襯底(步驟105)，其具有第二表面區域；
4. 連接(步驟107)第一矽襯底的第一表面區域至第二珪襯底 的第二表面區域。
5. 形成(步驟109)具有第一特性的界面區域，第一特性包括 第一矽襯底和第二矽村底之間的氧化物物質(根據實施方式，界面的形成可與連4妾過程(步驟107 )同時發生和/或伴隨其發生和/或在 連接過程(步驟107 )之後發生)；
6. 從第一矽襯底解理(步驟108)該厚度的材料，同時仍將第 二矽襯底連接至該厚度的材料；
7. 對界面區域(在特定的實施方式中包括第一和第二矽襯底) 進4亍熱處理，步驟111，以使溫度/人第一溫度範圍內的至少第一溫 度升高至第二溫度範圍內的至少第二溫度(步驟113), /人而在界面 區域形成第二特性；
8. 保持(步驟115)界面區域基本沒有直徑約10微米以及更 大尺寸的一個或多個糹亢洞；
9. 4吏氧化物物質從界面區域轉移至外部區域(步驟116),從 而在界面區i或形成基本為晶體(substantially crystalline )的石圭才才坤牛；
10. 使用一種或多種方法，處理(步驟117)襯底之一的至少 一部分，乂人而在所述^H"底的所述部分上形成至少一個集成電if各器 件；
11. 根據需要，進行其他步驟(步驟118);以及
12. 最後，結束方法，步駛《119;
上述連續的步驟糹是供了一種才艮據本發明的實施方式的方法。如 所示出的，根據本發明的實施方式，該方法使用包括形成矽基矽粘 結結構的方式的多個步驟的組合。在優選的實施方式中，該方法使 用熱處理來確4呆粘結，同時防止在界面區i或形成一個或多個坑洞。 在優選的實施方式中，該方法使用了熱處理，以使氧化物物質從結 合對的界面區域轉移和/或擴散，從而在界面區域形成基本上為晶體 的矽結構。還可以提供其他可替代的方式，其中在不脫離本文權利 要求範圍的前提下，加入一些步驟，減少一個或多個步驟，或者按照不同的順序^是供一個或多個步驟。在本"i兌明書全文特別是以下內 容，可發現本方法更多細節。
圖2至圖10示出了4艮據本發明的實施方式用於在層轉移襯底 上製造集成電^各的簡化方法。這些圖但J又作為示例，其不應不適當 地限制本文權利要求的範圍。本領域中的普通技術人員應當明了其 他的變型、修改、和可替代方式。如圖所示，該方法包括提供半導 體襯底200,例如矽、鍺、矽-鍺合金、砷化鎵、以及任何III/V族 材料，等等。在特定的實施方式中，具體實施方式
的半導體襯底可 由單一 的均質材料或多種層的組合製成，這取決於特定的實施方 式。當然，可以存在其他的變型、{務改、和可替代方式。
在優選的實施方式中，4於底200具有一厚度的半導體材^f" 205 和表面區域207。在特定的實施方式中，村底還具有設置在襯底中 的解理面203 (包4舌多個顆粒、沉積材衝牛、或它們的任意組合等)， 其限定半導體材料的厚度。在特定的實施方式中，該厚度的半導體 材料為晶體矽(例如，單晶矽)，其可包括疊加於其上(overlying) 的外延石圭層。在特定的實施方式中，石圭表面區域207可具有氧化物
(諸如二氧化石圭)薄層。4艮據特定的實施方式，二氧化石圭的厚度為 5nm或者更小。矽氧化物可以是二氧化矽、 一氧化矽、富矽氧化物
(富石圭氧化石圭，silicon rich oxide )、或4壬4可SiOx物質、4也們的組合 等，這取決於具體的實施方式。當然可以存在其他的變型、修改和 可替代方式。
取決於實施方式，可使用多種技術形成解理區域。即，可使用 注入並立子(implanted particles )、沉積層、擴散才才泮牛、圖案4匕區域* (patterned region )、以及其他4支術的4壬意合適的糹且合來形成解5裡區 域。在一種特定的實施方式中，該方法4吏用注入方法(implant process )引入某種高能粒子，穿過半導體襯底(其被稱為施主襯底) 的上表面到達選定的深度，該深度限定半導體材料區域的厚度，稱為材料的"薄膜"。才艮據特定的實施方式，可以使用多種技術將高
能粒子注入單晶矽晶片中。這些技術包括例如使用由諸如Applied Material, Inc.等/〉司製造的束流線(beam line )離子注入i殳備的離 子注入。可替代地，根據特定的實施方式，使用等離子體浸沒離子 注入("Pill")技術、離子簇射(ion shower),其他的非質量特異 性4支術(例如，完全質量分離、部分質量分離)而進行的注入對於 較大的表面區域特別有效。還可以使用這些技術的組合。當然，所 選用糹支術耳又決於應用。
取決於應用，根據優選實施方式，通常選擇較小質量的粒子， 以減少對材料區域造成損害的可能性。即，較小質量粒子容易穿過 襯底材料到達所選才奪的深度，而基本不會對離子穿過的材料區域造 成損害。例如，較小質量粒子(或高能粒子)幾乎可以是任何帶電 的(例如，正電或負電)和/或中性的原子或分子、或電子等。在特 定的實施方式中，耳又決於實施方式，#立子可以是中性的和/或帶電粗_ 子，包括諸如氫及其同位素離子的離子，諸如氦氣及其同位素、以 及氖氣的稀有氣體離子或其他。粒子還可來自這樣的化合物諸如 氣體，例如氫氣、水蒸汽、曱烷、和氫化合物、以及其他輕原子質 量的粒子。可替代地，粒子可以是上述粒子、和/或離子和/或分子 物質和/或原子物質的4壬意組合。該粒子通常具有足夠的動能以穿過 表面到達表面下方所選的深度。
以l吏用氫作為注入石圭晶片的物質為例，則^f吏用一組特定的條件 來實施注入方法。注入劑量的範圍為/人約1E15至約1E18原子/cm2， 且優選劑量大於約1E16原子/cm2。注入能量範圍為約1KeV至約 lMeV,且通常為約50KeV。注入溫度範圍為約-20攝氏度至約600 攝氏度，且優選小於約400攝氏度，以避免大量氫離子擴散出注入 的石圭晶片並^j"注入損壞和應力進4亍退火的可能性。可以選4奪性;也以約+/-0.03至+/-0.05微米的準確度將氫離子引入矽晶片中到達所選 的深度。當然，選用的離子類型及方法條件取決於應用。
實際上，注入的粒子在所選的深度沿著平4于于襯底上表面的平 面增加應力或降^f氐斷裂能(fracture energy )。該能量部分i也依賴於 注入物質及條件。這些粒子在所選深度降低襯底的斷裂能水平。這 實現了在所選深度沿注入平面的受控制的解理。注入可在這樣的條 件下發生，以便使襯底在所有內部位置的能態均不足以引發襯底材 料中的不可逆石皮裂(即，分離或斷裂)。然而，應該注意的是，注 入確實通常會導致村底中 一定量的瑕疵(即微缺陷(micro-defect)), 其通常可通過隨後的熱處理(例如，熱退火或快速熱退火)至少部 分地得到修復。當然，可以存在其他的變型、修改、和替代。
依賴於實施方式，還可能有用於形成解理區域和/或解理層的其 他才支術。〗又作為實例，這種解理區域^使用其他的方法形成，例如4吏 用由力口利3畐尼亞州聖克才立才立的Silicon Genesis Corporation開發的利 用矽-鍺解理面的那些方法、以及例如法國Soitec SA的 SmartCutTM方法、和日本東京Canon Inc.的EltranTM方法、4壬4可 類似的方法，等等。在一種特定的實施方式中，解理區域才艮據特定 實施方式可包括應變/應力區i或，或者基本上沒有應變/應力。解理 區域還可包括沉積區域，才艮據特定的實施方式，其中含有或不含有 注入區域。當然，可以存在其他的變型、修改、和替代。
現在參照圖3,該方法包括將半導體襯底的表面區域300連接 至第一才喿作襯底301。在一種特定的實施方式中，才喿作襯底也由基 本呈晶體的適合材料(例如，單晶矽)製成。即，4艮據特定的實施 方式，操作襯底可由矽晶片、外延矽晶片、潔淨區(去垢區，denuded zone)晶片(侈'B口，氬退火的、氬退火的、由MEMC Electronic Materials,Inc.生產的的MDZ頂產品)、或其他晶體材料(包括在絕 緣體襯底上的層轉移矽)製成。取決于于實施方式，操作襯底可以摻雜(例如，P-型、N-型)和/或不摻雜，包括氮摻雜的襯底等。當 然，可以存在其他的才喿作襯底材料。在一種優選的實施方式中，石圭 晶片具有石圭表面區i或301。在一種特定的實施方式中，石圭表面區i或 可具有卞者如二氧化石圭的氧化物薄層。才艮l居特定的實施方式，二氧化 矽具有5nm及更小的厚度。依賴於實施方式，矽氧化物可以是二氧 化^圭、氧化,圭、富^圭氧化物、或^壬意SiOx物質、它們的組合等等。 當然，可以存在其4也的變型、{奮改、和替 。
在優選實施方式中，第一操作襯底具有表面區域305，其將與 設置在襯底200上的表面區域207進行連接和/或粘結。圖中使用了 與其他圖中的相似的數字，但並不是為了限制本文權利要求的範 圍。通過本i兌明書全文並尤其是以下內容，可找到連接方法的更多 細節。
才艮據特定的實施方式，連4妄之前，對半導體襯底和第一才喿作襯 底表面各自使用清洗液來處理襯底表面，以清潔襯底表面區域。用 於清潔襯底和操作表面的溶液的實例為過氧化氫和AlL酸的混合物， 以及其他類似的溶液。用乾燥器千燥半導體襯底和操作表面以便從 襯底表面去除任何殘留的液體和/或粒子。耳又決於4吏用的具體的層轉 移方法，可在可選的等離子體活化方法之後，通過將清潔的襯底表 面(例如，半導體襯底表面和操作襯底表面)放置在一起進行自粘 結(self-bonding )。如果需要，通過這種等離子體活化方法清潔和/ 或活化襯底的表面。例如可在20。C至40。C的溫度下，^f吏用含氧或 含氮的等離子體，進行等離子體活化方法。等離子體活化方法優選 在雙頻等離子體活化系統(由加利福尼亞州，聖何塞，Silicon Genesis Corporation製造)中進4亍。當然，可以存在已在本文中以及本發明 的說明書之外描述其他的變型、修改、和替代。
之後，根據一種特定的實施方式，將這些襯底中的每一個彼此 粘結在一起。如所示，才喿作襯底已經粘結至施主襯底的表面區域。優選4吏用由Electronic Vision Group製造的EVG850粘結工具或4十 對諸如直徑200 nm或300 nm的較小襯底尺寸的晶片的其他類似方 法來粘結襯底。還可使用其他類型的工具，例如由Karl Suss製造的 那些。當然，可以存在其他的變型、修改、和可替代方式。可優選 地，才喿作襯底和施主之間的粘結基本上是持久的，且具有良好的可 靠性。
因此，才艮據一種特定的實施方式，粘結之後，對粘結的襯底結 構進行烘烤處理。烘烤處理將粘結的襯底維持在預定溫度下並維持 預定的時間。才艮據優選的實施方式，可優選地，溫度範圍為約200 或250攝氏度至約400攝氏度，且優選為約350攝氏度下，保持約 1小時，/人而4吏石圭施主襯底和第一糹喿作^)"底;f皮此持久地連4妄。在特 定的實施方式中，可^f吏用》容爐、快速熱處理、或熱才反(hot plate) 或它們的任意組合來進行烘烤處理。取決於具體的應用，可以存在 其他的變型、修改、和替代。
在一種特定的實施方式中，4吏用<氐溫熱步艱《將襯底連4妾或熔合 在一起。通常，低溫熱處理保證了注入顆粒不會在材料區域上產生 (施加，place)過多的應力(過多的應力會產生不受控制的解理作 用)。在一種特定的實施方式中，4氐溫粘結方法通過自粘結方法而 進行。
可^#代地，將粘合劑布置在襯底的一個或兩個表面上，將一個 襯底粘結至另一個村底。在一種特定的實施方式中，粘合劑包括環 氧樹脂、聚醯亞胺型材料等。可以使用旋塗玻璃(spin-on-glass)層 將一個襯底表面粘結至另一個襯底的面上。這些旋塗玻璃("SOG") 材料尤其(among others)包括矽氧烷或矽酸鹽，其經常與醇基溶 劑等混合。SOG可以是期望的材料，因為在將SOG施加於晶片表 面後常常需要4交^[氐的溫度(例如150至250。C )來固化SOG。可^,代地，可〗吏用多種其他的低溫衝支術來將施主襯底表面區域 連接至操作襯底。例如，可使用靜電接合技術將兩個襯底連接在一 起。具體而言，使一個或兩個襯底表面帶電荷，以吸引另一襯底表 面。另外，可使用多種其他的普遍已知的技術，將施主襯底表面熔 合至操作晶片。當然，所使用的技術取決於應用。
參照圖4，該方法包括4吏用才是供在解理平面(cleave plane )的 所選部分上的能量401來來引發受控的解理作用，以將該厚度的半 導體材料與襯底分離，而保持該厚度的半導體材料與第一操作襯底
相連4妄。耳又決於特定的實施方式，可以存在某些變型。例如，對於 從連接至操作襯底的施主襯底上選擇性地釋放該厚度的材料，解理 過禾呈可以4吏用擴展的解理前沿(propagating cleave front )。還可以4吏 用用於解理的可替代的4支術。這樣的4支術包4舌，但不限於，稱為 Nanocleave TM方法(Silicon Genesis Corporation, 聖克4立4立,力口矛J 福尼亞州)、SmartCutTM方法(Soitec SA,法國)，和EltranTM方 法(Canon Inc.,東京，日本)、任何類似的方法等。然後，該方法 除去半導體施主襯底的殘留部分，4艮據特定的實施方式，其將該厚 度的材料提供到操作襯底。
參照圖5，根據優選實施方式，該方法提供了獲得的操作襯底 500，包括疊加於其上的一厚度的材料205。在特定的實施方式中， ^f吏用石圭上石圭粘結(silicon on silicon bond )(其才是供了兩個結構之間 的電耦合)在操作襯底上設置該厚度的材料。如圖所示，該厚度的 材料包括解理表面區域501。粘結襯底結構被粘結在一起，但並不 適用於集成電^各加工。即，粘結的襯底結構應至少z使用快速熱:技術 和/或熔爐退火來進4於持久的粘結，這將在本i兌明書及以下更具體內 容中進行詳細說明。當然可以有其他的變型、修改、和替代。
現在參照圖6,本方法包括使界面區域601經受熱處理，以導 致溫度從第一溫度範圍(約100攝氏度至約200攝氏度)內的至少第一溫度升高至第二溫度範圍(約800攝氏度以及更高)內的至少 第二溫度。在一種優選的實施方式中，熱處理導致溫度在約2秒以 內的時間段內從第 一溫度升高至至少第二溫度，以在界面區域形成 第二特性。在特定的實施方式中，時間段可為小於l秒。取決於實 施方式，熱處理可以是適合的快速熱處理、快速熱退火，使用雷射 輻射的快速熱處理等。在特定的實施方式中，熱處理包括 使用單色 光源對該厚度的材料和矽操作襯底進行輻射。在本說明書中、特別 是以下部分中可找到關於輻射技術的更多細節。
在一種特定的實施方式中，可在合適的加工i殳備(processing tool)中進行輻射。加工工具可包括群集設備(組合設備，cluster tool) 的一個室(chamber)或適合的獨立設備等等。取決於實施方式， 該組合設備還可以包括其他的用於注入、受控的解理、粘結、及其 他方法」技術的室。在一種特定的實施方式中，可利用升高溫度(乂人 初始溫度適當地升高至最終溫度)來進行輻射。根據一種特定的實 施方式，這種溫度的升高可以每分鐘約1000攝氏度以及更高的速 率進行，或者包括階段性升高(step increase )或其他的變型。當然， 可以存在其他的變型、々務改、和替代。
在一種優選的實施方式中，該方法使界面區域保持基本上沒有 一個或多個直徑約10樣i米以及更大的坑洞。在一種特定的實施方 式中，該方法優選保持界面區域沒有任何或所有的坑洞，坑洞會導 致可靠性和/或加工的局限性。才艮據一種特定的實施方式，這些坑洞 可以是由在前面的過程中《1入進解理區域的多種氫物質(hydrogen specie)造成的。取決於實施方式，熱處理確保了該厚度的材料之 間的粘結，同時防止了由於擴散而造成的氫物質的聚集(其特徵為 在該厚度的材料中的氫擴散特性)。根據一種特定的實施方式，通 過擴散會在界面聚集的其他雜質，包括水、氫氧化物物質、含碳物 質等等。在一種優選實施方式中，使界面區域經受在界面區域基本上不
含fU匕物物質的高溫熱處理方法。取決於實施方式，該方法可包括「
更快速的熱和/或熔爐退火4支術。即，才艮據一種特定的實施方式，該 厚度的石圭材料和石圭襯底之間的粘結不含有二氧化石圭或其他氧化物。 才艮據一種特定的實施方式，界面優選將該厚度的材衝牛電耦合至石圭襯 底。取決於實施方式，界面還可具有非常薄的氧化物層，其為約
10nm以及更小。4艮據一種特定的實施方式，這種薄氧化物層在該 厚度的矽材料和矽襯底之間形成一定的電阻。根據一種特定的實施 方式，電阻率小於周圍的塊狀襯底(bulksubstrate)(例如，晶體矽) 的電阻率大約10倍。當然，可以存在其他的變型、^修改、和替代。
在一種更優選的實施方式中，使用保持在矽上矽襯底構件上的 惰性氣體或還原性氣體4是供熱處理。在一種特定的實施方式中，該 氣體基本不含有任何氧化物物質。熱處理包括〗吏界面區經受熱處 理，導致界面區域從第一特性變為第二特性，第二特性是不含有矽 氧化物材料，且外延矽材料是通過在該厚度的單晶矽材料和操作矽 襯底之間提供的外延再生長形成的。在一種優選實施方式中，該方 法還保持界面區域在熱處理過程中沒有多個坑洞以形成外延矽材 料，從而將該厚度的單晶矽材料電耦合至操作矽襯底。在一種特定 的實施方式中，外延生長是主要的或基本上為單晶特性的。當然， 可以存在其他的變型、^修改、和## 。
在一種特定實施方式中，熱處理包括在高於約IOOO攝氏度(取 決於實施方式可稍微降低)的溫度下將結合的該厚度的單晶矽材料 和操作村底置於含氬、氫、或氬-氫的環境中。根據本發明的具體實 施方式，也可使用包括氬氣、氫氣、氮氣等的其他類型的組合。根 據一種特定的實施方式，熱處理導致界面區域中的氧物質穿過襯底 構件的一個或多個部分乂人界面區域擴散出。在一種優選的實施方式 中，氧擴散出粘結的襯底構件。在特性上，界面區域從氧化物材料轉變為晶體矽材料，這對於將該厚度的矽材料電耦合至操作襯底是 更加有效的。當然，可以存在其他的變型、 <奮改、和替代。
參照圖7,示出了石圭襯底301和疊加於其上的該厚度的石圭材料 205的示例。該圖僅為一個實例，不應該不適當地限制本文權利要 求的範圍。本領域中的普通技術人員應明了多種變型、修改、和替 代。在該厚度的矽材料和矽襯底之間的是薄氧化物層701 (前面已 經進行描述)。在一種特定的實施方式中，薄氧化物層具有由圖示 750表示的濃度。如圖所示，縱軸示出了氧物質的濃度量，其與表 示空間位置的橫軸相對應。如圖所示，沿著該厚度的材料的表面區 域至矽襯底背面的厚度來提供空間位置。如圖所示，在該厚度的矽 材料和矽襯底之間的界面區域示出了高濃度的氧化物材料。因為富 氧界面層通過熱處理而溶解，發生了矽的外延增長，這使界面具有 高晶體質量並且具有高電導率。
先前的工作(Goesele等"直接粘結的矽晶片之間的界面氧化 物層的生長、收縮、以及穩、定性(Growth, Shrinkage, and Stability of Interfacial Oxide Layers Between Directly Bonded Silicon Wafers )，，, 應用物理期刊(Jow謂/q/^—W屍 由)，A50 ( 1990)， pp.85-94;
"矽晶片粘結過程中的界面氧化物層的穩定性(Stability of Interfacial Oxide Layers During Silicon Wafer Bonding )，，，《應用物理 期刊》(Jowr"a/o/^ / //^/P/^W")， 65 (2), 1989年1月15日， pp.561-563;以及Ling等"在直接粘結的矽晶片中界面純氧化物厚 度之間的關係以及灃佔結^顯度(Relationship Between Interfacial Native Oxide Thickness and Bonding Temperature in Directly bonded Silicon Wafer Pairs )，，，《應用4勿J裡期刊》(Jow"a/ 戶/yw'c^ )，71(3)，
1992年2月1日，pp.1237-1241 ) —^:性示出粘結的石圭晶片的熱 退火表現出溶解至區熔石圭(float-zone silicon)的溶解4亍為，而CZ 矽表現純淨的(net)界面氧化物生長。為避免產生瑕瘋以及氧化物溶解球化作用(不均勻的氧化物稀釋)，旋轉的相同取向的膜或者 使用不同的結晶取向是必要的。該工作發展了氧溶解的概念，但未 提出其在解理薄膜界面移除中的應用。
在一種特定的實施方式中，該方法佳^圭材衝+和石圭^"底(包括界
面區i或)經受熱處^E， ^口圖8所示。該圖表^f又為一個實例，不應不 前擋地限制本文權利要求的範圍。本領域中的普通技術人員應明了 多種變型、修改、和替代。如圖所示，根據一種特定的實施方式， 典型地包括氬氣和/或氫氣環境的高溫退火，將氧化物材料從襯底中 驅出(如圖示850所示)。如圖所示，界面區域801現在為晶體石圭 材料，根據一種特定的實施方式，其將該厚度的材料與矽村底連接。 當然，可以存在其4也的變型、 <奮改、和替4戈。
作為實例，對與該實例相關的某些方法的細節已經進^f亍了計算 並通過圖8A示出。在該實例中， -使用氬氣熱處理，其中位於粘結 界面處的氧通過擴散而穿過表面。通過菲克(Fick)擴散定律，使 用在1200。C下的晶體矽氧擴散率和固溶度來計算擴散速率。為方 便閱讀，將菲克定律複製如下。
通量(原子/c附2秒)-何，cy勿
其中，C為氧濃度；
為氧在矽中的擴散係數。
應該注意的是，為了計算斜率(sl叩e)的目的，用於擴散目的 的氧濃度變化應為界面邊界處的固溶度才及限值Cy(TJ且在晶體表 面為零。因此，可將導數化簡為C^7y^"/^度。如所說明的，計算 得到的7.24 E+12每平方釐米每秒的氧原子的通量〗吏200納米石圭月莫 在大約13分鐘內釋方文5.5 E+15的氧原子每平方釐米的5納米SiOx 層(x:0.5)。當然，可以存在其他的變型、修改、和替代。現在參照圖8B,進一步說明外延形成的界面區域，具有單晶 特性的襯底301為操作襯底。在一種特定的實施方式中，該操作襯 底是潔淨(denuded)的矽襯底，其基本不含有諸如氧沉澱、坑洞、 紗絲(cop)的雜質、以及其4也好丈;&。在一種特定的實施方式中， 潔淨村底中的氧濃度為約0.5至3 E18原子/cm3以及更少。疊加於 操作襯底之上的是已經被層轉移至該操作襯底上的 一厚度的單晶 材料205。根據一種特定的實施方式，在可能是矽的該厚度的單晶 材料與操作襯底之間是含有氧化物的第一界面區域853。在一種特
定的實施方式中，該含有第 一氧化物的界面由在操作襯底或材料厚 度之一或這二者之上的氧化物材料獲得，以促進粘結。在一種特定 的實施方式中，第一界面區域具有第一厚度，其在一種特定的實施 方式中可以是約5 nm以及更小。當然，可以存在其〗也的變型、修* 改、和替代。
衝艮據一種特定實施方式，在應用本發明的熱處理過程中，將氧 化物材升牛轉化為單晶矽。4艮據一種特定實施方式，從兩個界面區域 中的每一個直至中心區域(見箭頭)發生轉化。隨著這兩個區域的 會聚，形成了獲得的界面851,其為可具有不同晶體取向的晶體矽。 在一種特定的實施方式中，所得的界面具有約 一至五個矽材料單 層，其將該厚度的材料電耦合至，乘作襯底。耳又決於特定的實施方式，
上面的界面區域855比下面的界面區域857移動更快，因為根據具 體實施方式，上面的界面區域具有較薄的固體區域255，其促進氧 物質從界面區域853穿過該厚度的材料而擴散至外部區域(固體之 外)。當然，可以存在其他的變型、修改、和替代。
在一種特定的實施方式中，所得的操作襯底具有用於進行一個 或多個加工步驟的合適的特性。即，可對該操作襯底實施常規的半 導體加工4支術，包括vf旦不限於，本領i或普通4支術人員已知的光刻、 蝕刻、注入、熱退火、化學機械拋光、擴散、沉積等等。根據一種具體實施方式
，在將材料的薄膜轉移至另 一襯底結構上的過程中還 可選糹奪性;也移除#:作4於底。
參照圖9,才艮據本發明的一種具體實施方式
，本發明的方法在 連接至操作襯底的材料區域厚度的部分上進行其他過程。該方法在 疊加於在操作襯底表面上的材料薄膜的一個或多個部分上形成了
一個或多個器件900。這些器件可包括集成半導體器件、光子和/或 光電器件(例如，光閥)、壓電器件、樣i電子衝幾械繫統("MEMS")、 納米技術結構、傳感器、制動器、太陽能電池、平板顯示器器件(例 如，LCD、 AMLCD)、生物學及生物醫學器件等。這些器件可以通 過4吏用沉積、蝕刻、注入、光刻掩蔽方法、它們中的4壬意組合等而 形成。當然，可以存在其他的變型、修改、和替代。另外，根據需 要，還可形成其j也的步l^。
在一種優選的實施方式中，加工包4舌在半導體上形成傳統集成 電路的高溫半導體加工技術。該方法形成了疊加在該厚度的半導體 材泮+上的平坦化表面(planarized surface )區i或。在一種特定的實施 方式中，可使用一種或多種合適的技術來形成平坦化表面區域。這 樣的技術包括介電層的沉積，然後利用熱處理進行回流。根據一種 特定的實施方式，平坦化表面區域還可利用化學^M成拋光過程形 成，該過禾呈包才舌適合的漿並牛、拋光墊(pad)、和方法(process )。 根據一種特定的實施方式，還可利用這些技術以及其他技術的任意 組合來形成。平坦化表面區域優選全部(end to end)具有約0.1% 至約5%的均勻度，且通過2孩i米原子力顯樣i掃描在2樣i米上測量 的粗升造度為約15埃RMS以內。當然，可以存在其他的變型、{,改、 和替代。
可選地，在一種特定的實施方式中，該方法還將加工獲得的操 作村底的平坦化表面區域連接至第二操作襯底的表面。根據 一種特 定的實施方式，在連接之前，對加工的該厚度的材料和第二才喿作襯底表面均施用清洗溶液才乘作襯底表面，從而清潔襯底表面區域。用 於清潔襯底和糹乘作表面的溶液的實例為過氧化氫和石克酸的混合物， 以及其他類似的溶液。用乾燥器乾燥半導體村底和操作表面，以從 村底表面除去任何殘留的液體和/或粒子。取決於所採用的特定層轉 移過程，在可選的等離子體活化過程之後，通過將清潔的襯底的表 面(例如，平坦化區域和才喿作村底的表面)方文置在一起，產生自粘 結。如果需要，這種等離子體活化過程可清潔和/或活化加工的襯底
的表面。例如，在20。C至40。C溫度下使用含氧或氮的等離子體來 進行等離子體活化過程。優選在由加利福尼亞州，聖何塞，Silicon Genesis Corporation製造的只又頻等離子體活4b系統中進4亍該等離子 體活化過程。當然，可以存在其他的變型、修改、和替代，其已在 本文中以及本說明書之外進行了描述。
之後，根據一種特定的實施方式，將這些襯底(和加工的器件) 中的每一個粘結在一起。如圖所示，才喿作襯底已經-故粘結至平坦化 表面區i或。優選4吏用由Electronic Vision Group製造的EVG850粘 結設備或者針對諸如直徑200 nm或300 nm的較小襯底尺寸的晶片 的其他類似過程對襯底進行粘結。還可使用其他類型的設備，諸如 由Karl Suss製造的那些。當然，可以存在其他的變型、修改、和替 代。優選地，操作襯底和平坦化表面之間的粘結基本上是持久的， 且具有良好的可靠性。
因此，4艮據一種特定的實施方式，在粘結之後，對粘結的襯底 結構實施烘烤處理。烘烤處理將粘結的襯底維持在預定的溫度下並 維持預定的時間。根據優選實施方式，溫度範圍優選為約200或250 攝氏度至約400攝氏度，且優選為約350攝氏度，保持約l小時， 從而使平坦化村底區域和第二操作襯底彼此持久地連接。取決於具 體應用，可以存在其他的變型、修改、和替代。在一種特定的實施方式中，可4吏用低溫熱步驟將襯底連4妄或熔 合在一起。通常，《氐溫熱處理可確4呆注入粒子不會在材衝牛區域上產 生過多的應力(其可產生不受控制的解理作用)。在一種特定的實 施方式中，通過自粘結過程而發生^f氐溫粘結過程。
可替代地，在村底的一個或兩個表面上布置粘合劑，其可將一 個襯底粘結至另一個襯底。在具體實施方式
中，該粘合劑包括環氧 樹脂、聚醯亞胺型材料等。可以使用旋塗玻璃層將一個襯底表面粘
結至另一個襯底的表面上。這些旋塗玻璃("SOG")材料尤其包括 通常與醇基溶劑等混合的矽氧烷或矽酸鹽。SOG可以是一種所希望 的材料，因為在將其施加至晶片表面之後常常需要較低的溫度(例 如150至250°C )來固化SOG。
可替代地，可使用多種其他低溫技術來將襯底表面區域結合至 才喿作襯底。例如，可使用靜電結合才支術將兩個襯底結合在一起。具 體而言，使一個或兩個襯底表面帶電荷，以吸引另一襯底表面。另 外，可使用多種其他普遍已知的技術，將施主襯底表面與操作晶片 進行熔合。當然，所使用的技術取決於應用。
儘管上文已經對具體實施方式
進行了全面描述，然而可以-使用 多種修改、可替換的構造和等同替代。因此，不應將上述描述和舉 例說明看作是對本發明的保護範圍進行限制，本發明的保護範圍由 所附4又利要求來限定。通過本it明書特別是以下內容，可找到關於 利用本發明而實施的實-驗的更多細節。
實驗
為證明本發明的原理和操作，我們進行了一些實驗。這些實驗 ^又為舉例，而不應對本文的4又利要求構成不適當的限制。本領i或中 的普通技術人員應明了多種變型、修改和替代。這些實施例已經進行並且證明了本發明的操作和方法。在本說明書全文尤其是以下內 容中，可找到這些實-瞼的細節。
我們利用潔淨區氬氣退火的(100)取向的晶片來製備操作晶
片試樣。使用受控的解理過程將一薄層矽材料層轉移至操作襯底。
該薄層矽的是(100)取向單晶矽且進行潔淨區氬氣退火併以45度 i走轉粘結，以在隨後的熱處理中消除J求化作用(spheroidization )。 使用等離子體活化結合將兩種材料連接在一起。氧化物的薄層在粘 結襯底的各個表面區域上。使用注入氫的矽襯底提供材料的薄層。 解理後，對解理表面進行平滑處理，其可消除吸除位置(gettering site)、以及其他會捕獲氧物質的缺陷。在約1200攝氏度下，在約1 小時的時間內， <吏用氫物質4吏粘結的和解理的襯底退火。才艮據本發 明的實施方式，如將要示出的，界面區域的氧物質淨皮除去以形成石圭 上石圭的粘結結構。當然，可以存在其4也的變型、^修改、和一K戈。
圖10示出了等離子體-粘結至如此解理(as-cleaved) ( 100)膜 並且以45度粘結的(100 )矽襯底的界面層的TEM (透射電子顯微 鏡照片)。如此解理的膜厚度為約200納米。作為越過兩個矽內表 面並具有約5.6nm厚度的連續層，SiOx層清晰可見。在這個實-驗中， 我們將解理襯底進行退火以減少和/或消除在粘結襯底區域之間的 界面的氧物質。通過本實施例特別是以下內容可找到關於此的更多 細節。
圖11示出了根據本發明的實施方式進行高溫退火過程的相似 的解理力莫。如圖所示，在去除約90nm石圭膜的平滑過禾呈之後，大約 5.5納米的界面氧化物已被溶解，隨後在1200°C進行原位氫退火1 小時。平滑過程使得表面不具有可能阻礙氧向表面或穿過表面擴散 的吸除位置或捕獲位置。通過2^imx2(imAFM測量，解理或平滑的 膜具有約1.5埃以及更小的表面粗糙度。圖11中的TEM表明，界面氧化物已經被完全清除，且晶體結構表現為發生界面矽的固相外 延再生長。
為進一步支持(support)從界面除去氧物質，我們製備了用於 二次離子質譜分析(通常稱為SIMS)試樣。如圖12和13中所示 (分別對應於圖10和11)，我們利用二次離子質i普(SIMS)來測 量氧濃度，其中氧濃度(原子/cm3)(縱軸)作為深度的函數已經 沿4黃軸估文圖。圖12中的解理試樣示出了 2.1 E15cm-2的氧濃度，符 合乂=0.17的SiOx的化學計量，且圖13示出界面氧被完全消除。根 據一種特定的實施方式，這些實驗結果證實了本方法的操作。
在另一種可替代的實-驗中，才艮據一種特定的實施方式，還i正實 了 ，保持粗糙解理表面(其進行"如此解理(as cleaved )"或者進 4亍Soitec， SA的稱為SmartCut方法的層專爭移方法而不進4亍平滑或 者進行Canon Inc.的稱為Eltran的方法)將氧物質維持在襯底內及 界面區域處。可替代地，界面區域可以完全不含氧物質，^f旦是這種 氧物質聚集在如此解理表面和/或粗糙化的表面上，其作為吸除位置 (gettering site )而起作用。圖14示出了在如此解理的4十底(200nm 潔淨區(100 )4於底上的200nm( 100 )45度旋轉CZ膜)上在1200°C 進行1小時的氬氣退火過程，並示出了5.3 nm的界面層。TEM表 明，界面氧化物溶解過程由接近表面的缺陷層(defective layer )的 吸除作用(吸gettering action )終止。通過SIMS測量，該試才羊的近 表面氧濃度為7.1E15cm-2,相比而言，如此解理(未退火)試樣為 2.3E13cm—2,因此這支持了氧擴散發生的情況，但是由於接近如此 解理表面的氧的吸除和堆積，使任何可測量的溶解停止。在一種特 定的實施方式中，可以〗吏用本方法在表面聚集氧物質，隨後利用枳』 械移除或〗吏用氧化物蝕刻劑的選才奪性蝕刻過程來處理並除去氧物 質。這種氧化物蝕刻劑選擇性地將聚集的氧物質、其中的矽移除至清潔的單晶矽表面區域。當然，可以存在其他的變型、修改、和替 代。
另外，根據一種特定的實施方式，該過程可包括重複層轉移過 程以形成所得的多層襯底結構。該結構包括大塊襯底。大塊村底包
:括可以是層轉移層的疊加層。疊加層(overlying layer )包4舌其上具 有加工的以及完成的器件結構的層轉移的層。根據一種具體實施方
式，疊加層包括一個或多個層，其還可以是層轉移的、沉積的層、 或它們的任意組合。另外，才艮據一種特定的實施方式，熱處理可包 4舌單個和/或多重熱處j裡，多重熱處J裡可以是相同或不同的。當然， 可以存在其他的變型、修改、和替代。
儘管上文已經對具體實施方式
進行了詳盡描述，然而可以4吏用 多種1奮改、可替換的構造和等同方式。因此，不應將上述描述和i兌 明看作是對本發明的保護範圍進行限制，本發明的保護範圍由所附 權利要求限定。
權利要求
1.一種用於製造粘結襯底結構的方法，所述方法包括提供轉移自與第二矽襯底連接的第一矽襯底的一厚度的單晶矽材料，所述第二矽襯底具有連接至來自所述厚度的單晶矽材料的第一表面區域的第二表面區域，以形成具有第一特性的界面區域，所述第一特性為在所述厚度的單晶矽材料和所述第二矽襯底之間包括矽氧化物材料；使所述界面區域經受熱處理，從而導致所述界面區域從所述第一特性變為第二特性，所述第二特性是不含有所述矽氧化物材料，而是在所述厚度的單晶矽材料與所述第二矽襯底之間設置有外延形成的矽材料；以及在熱處理過程中，保持所述界面區域不含有多個坑洞，以形成所述外延形成的矽材料，從而將所述厚度的單晶矽材料電耦合至所述第二矽襯底。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述第一矽襯底為第一矽 晶片而所述第二石圭4於底為第二石圭4於底。
3. 才艮據4又利要求1所述的方法，其中，所述一個或多個坑洞包括 多種氫物質。
4. ^f艮據權利要求1所述的方法，其中，可通過具有第一速率特性 的擴散過程來^是供所述一個或多個坑洞。
5. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述一個或多個坑洞包括 多種水物質。
6. 4艮據權利要求1所述的方法，其中，所述一個或多個Jt亢洞包括-多種氫氧化物物質。
7. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述第二特性為基本上不 含有氧的特性。
8. 才艮據4又利要求1所述的方法，其中，所述第二特性包括外延形 成的基本上為單晶矽的材料。
9. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述熱處理包括在高於約 1000 氏度的溫度下將所述連4妾的厚度的單晶矽材^f"和所述 第二村底置於含氬氣的環境中。
10. 才艮據權利要求1所述的方法，其中，所述熱處理包括在高於約 1000攝氏度的溫度下將所述連接的厚度的單晶矽材料和所述 第二襯底置於惰性氣體環境中。
11. 根據權利要求1所述的方法，其中，具有所述第一特性的所述 界面區域包括小於IO納米的氧化物層。
12. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述熱處理導致來自所述 矽氧化物的一種或多種氧化物物質/人所述界面區域擴散。
13. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述熱處理導致來自所述 石圭氧化物的一種或多種所述氧化物物質/人所述界面區i或擴散 至所述厚度的單晶矽材料和所述第二石圭襯底外部的區域。
14. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述熱處理導致來自所述 矽氧化物的基本上所有的所述氧化物物質從所述界面區域擴 散以形成所述外延石圭材衝+。
15. 衝艮據4又利要求1所述的方法，其中，所述熱處理包括在高於約 1000攝氏度的溫度下將所述連接的厚度的單晶矽和所述第二 襯底置於氫氣環境中。
16. 根據權利要求1所述的方法，進一步包括在所述厚度的單晶矽 的解理表面上實施非接觸平滑過程。
17. 根據權利要求16所述的方法，其中，所述非接觸平滑過程包 ^括在熱處理之前進^f於的氬氣退火過程和/或化學一A4成拋光過 程。
18. 根據權利要求16所述的方法，其中，所述非接觸平滑過程包 括外延平滑過程，所述外延平滑過程4吏用HC1氣體和H2氣體 物質。
19. 根據權利要求16所述的方法，其中，所述平滑過程在群集設 備的室中進行。
20. 根據權利要求16所述的方法，其中，所述平滑過程包括在群 集設備的室中進行的原位退火過程。
21. 根據權利要求16所述的方法，進一步包括形成疊加於所述厚 度的矽材料的解理表面的第二層，所述第二層包括外延形成的 含矽材料。
22. 根據權利要求21所述的方法，其中，所述第二層的形成是在 群集設備的室中進行的。
23. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述厚度的矽材料包括矽 鍺材料。
24. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述厚度的矽材料是第一 取向的，而所述第二,圭^H"底是第二取向的。
25. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述厚度的矽材料是第一 取向的，而所述第二矽襯底是第二取向的，所述厚度的矽材料 的特4正為 一個或多個應變區i^戈。
26. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述第二矽襯底為絕緣體 上矽襯底。
27. —種》圭上石圭^H"底結構，所述^圭上石圭襯底結構包括具有第 一表面區域的第 一石圭襯底；轉移疊加於所述第 一表面區域的 一厚度的單晶半導體材料層，所述厚度的單晶半導體材料具有確定的厚度，並且具有 面向所述第 一石圭襯底的所述第 一表面區域的第二表面區域；設置在所述第一表面區i或和所述第二表面區域之間的外 延形成的界面區i或；以及一至五個單原子層，表徵所述外延形成的界面區域，從 而將所述第一矽村底電耦合至所述厚度的單晶半導體材料。
28. 根據權利要求27所述的結構，其中，所述外延形成的界面區 域基本上由單晶矽材料組成。
29. 根據權利要求27所述的結構，其中，所述單晶半導體材料基 本上包括單晶石圭。
30. 根據權利要求27所述的結構，其中，所述單晶半導體材料基 本上包括第 一取向的單晶石圭。
31. 根據權利要求27所述的結構，其中，所述單晶半導體材料基 本上包4舌第一取向的單晶石圭，所述第一取向選自(100)、(110)、或(111 )。
32. —種用於製造粘結襯底結構的方法，所述方法包括提供轉移自與第二矽村底連接的第 一矽襯底的 一厚度的 單晶矽材料，所述第二矽襯底具有連接至來自所述厚度的單晶 矽材料的第 一表面區域的第二表面區域，以形成具有第 一特性 的界面區域，所述第 一特性為在所述厚度的單晶矽材料和所述 第二矽襯底之間包括矽氧化物材料；以及對所述界面區域進4亍熱處理，導致所述界面區i或/人所述 第 一特性變為第二特性，從而將所述厚度的單晶矽材料電耦合 至所述第二矽襯底，所述第二特性是不含有所述矽氧化物材 料，而是在所述厚度的單晶矽材料與所述第二矽村底之間設置 有外延形成的矽材料。
33. 才艮據權利要求32所述的方法，其中，所述第一矽襯底為第一 娃晶片而所述第二娃襯底為第二矽襯底。
34. 根據權利要求32所述的方法，其中，所述第二特性為基本上 不含有氧的特性。
35. 根據權利要求32所述的方法，其中，所述第二特性包括外延 形成的基本上為單晶矽的材料。
36. 根據權利要求32所述的方法，其中，所述熱處理包括在高於約1000攝氏度的溫度下將所述連接的厚度的單晶矽材料和所 述第二襯底置於含氬氣的環境中。
37. 根據權利要求32所述的方法，其中，所述熱處理包括在高於 約1000攝氏度的溫度下將所述連接的厚度的單晶矽材料和所 述第二襯底置於惰性氣體環境中。
38. 根據權利要求32所述的方法，其中，具有所述第一特性的所 述界面區i或包4舌小於IO納米的氧化物層。
39. 根據4又利要求32所述的方法，其中，所述熱處理導致來自所 述石圭氧化物的一種或多種氧化物物質/人所述界面區i或擴散。
40. 根據權利要求32所述的方法，其中，所述熱處理導致來自所 述石圭氧化物的一種或多種所述氧化物物質乂人所述界面區i或擴 散至所述厚度的單晶^圭材和所述第二石圭襯底外部的區域。
41. 才艮據權利要求32所述的方法，其中，所述熱處理導致來自所 述石圭氧化物的基本上所有的所述氧化物物質從所述界面區域 擴散，從而形成所述外延矽材料。
42. 根據權利要求32所述的方法，其中，所述熱處理包括在高於 約1000攝氏度的溫度下將所述連接的厚度的單晶矽材料和所 述第二襯底置於氫氣環境中。
43. 根據權利要求32所述的方法，進一步包括在所述厚度的單晶 矽的解理表面上實施非接觸平滑過程。
44. 根據權利要求43所述的方法，其中，所述非接觸平滑過程包 :括在熱處理之前進4於的氬氣退火過程和/或化學枳4成4地光過 程。
45. 根據權利要求43所述的方法，其中，所述非接觸平滑過程包 括外延平滑過程，所述外延平滑過程利用HC1氣體和H2氣體 物質。
46. 根據權利要求43所述的方法，其中，所述平滑過程在群集設 備的室中進行。
47. 根據權利要求43所述的方法，其中，所述平滑過程包括在群 集設備的室中進行的原位退火過程。
48. 根據權利要求43所述的方法，進一步包括形成疊加於所述厚 度的矽材料的解理表面的第二層，所述第二層包括外延形成的 含矽材料。
49. 根據權利要求48所述的方法，其中，所述第二層的形成在群 集設備的室中進行。
50. 根據權利要求32所述的方法，其中，所述厚度的矽材料包括 矽鍺材料。
51. 根據權利要求32所述的方法，其中，所述厚度的矽材料是第 一耳又向的，而所述第二石圭^)"底是第二取向的。
52. 根據權利要求32所述的方法，其中，所述厚度的矽材料是第 一取向的，而所述第二石圭襯底是第二耳又向的，所述厚度的石圭材 泮牛的特;f正為 一個或多個應變區域。
53. 根據權利要求32所述的方法，其中，所述第二矽襯底為絕緣 體上矽襯底。
54. —種用於製造粘結襯底結構的方法，所述方法包括耦合至第二矽襯底的矽襯底，所述第二矽襯底具有連接 至來自所述厚度的單晶石圭材料的第一表面區域的第二表面區 域，以形成具有第一特性的界面區域，所述界面區域包括在所 述厚度的單晶矽材料和所述第二矽襯底之間的矽氧化物材料，所述厚度的單晶矽包括具有多個捕獲位置的表面區域；對所述界面區域進4亍熱處理，導致所述界面區域/人所述第 一特性變為第二特性，從而將所述厚度的單晶矽材料電連接至 所述第二矽襯底，所述第二特性是不含有所述矽氧化物材料， 而是在所述厚度的單晶矽材料與所述第二矽襯底之間設置有 外延形成的矽材料，並導致所述矽氧化物材料的一部分轉移至 設置在所述表面區域上的一個或多個捕獲位置。
55. 根據權利要求54所述的方法，進一步包括至少通過選擇性蝕 刻過程和/或化學拋光過程來除去設置在所述表面區域上的所 述石圭氧化物材料的所述部分。
全文摘要
一種用於製備粘結的襯底結構的方法，包括將第一矽襯底結合至第二矽襯底。形成具有第一特性的界面區域，其包括在單晶矽材料厚度和第二矽襯底之間的矽氧化物材料。該方法包括使界面區域進行熱處理，以使界面區域由第一特性轉變為第二特性。在特定的實施方式中，第二特性是不含有矽氧化物材料，而是提供在單晶矽材料厚度和第二矽襯底之間的外延形成的矽材料。該方法包括在熱處理過程中保持界面區域不含有多個坑洞，以形成外延形成的矽材料，從而單晶矽材料厚度電連接至第二矽襯底。
文檔編號H01L21/00GK101410940SQ200780011045
公開日2009年4月15日 申請日期2007年1月19日 優先權日2006年3月31日
發明者哈裡·羅伯特·柯克, 弗蘭喬斯·J·亨利, 戴維·雅西, 菲利普·詹姆斯·翁, 西恩·焦克·康, 詹姆斯·安德魯·沙利文 申請人:矽源公司