使用离子喷淋制造soi结构的利记博彩app

专利名称：使用离子喷淋制造soi结构的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及制造绝缘体上半导体("sor)结构的方法。具体地，本发明涉及使
用离子喷淋注入(shower implantation)制造SOI结构的方法。本发明可用于制造 例如绝缘体上半导体结构如绝缘体上硅结构，玻璃上半导体结构如玻璃上硅结构， 以及相关的半导体器件。
背景技术：
本文中，縮写"SiOI"表示绝缘体上硅。縮写"SOI" —般表示绝缘体上半导 体，包括但不限于SiOI。縮写"Si0G"表示玻璃上硅。缩写"S0G"—般表示玻璃 上半导体，包括但不限于Si0G。 SiOG术语还意图包括陶瓷上的半导体和在玻璃-陶瓷上的半导体结构。类似地，SiOG意图包括陶瓷上硅和玻璃-陶瓷上的硅结构。
SOI技术对高性能薄膜晶体管、太阳能电池和如有源矩阵显示器的显示器越来 越重要。Si01晶片通常包括在绝缘材料上的基本为单晶硅的薄层(厚度一般为0. l--0.3微米，但有些情况，厚度可达5微米)。
获得SiOI晶片的各种方法包括在晶格匹配的基片上外延生长Si的方法； 将单晶晶片与另一个其上已生长Si02的氧化物层的硅晶片接合，然后对顶部的晶 片向下抛光或蚀刻例如0.卜0. 3微米的单晶硅层的方法；或离子注入法，该方法中， 将氢或者氧离子注入，在氧离子注入情况形成嵌埋在硅晶片中的氧化物层，其上覆 盖Si，或者在氢离子注入情况下，则分离(脱落)出与具有氧化物层的另一Si晶 片相接合的薄硅层。这三种方法中，发现基于离子注入的方法更多在商业上实施。 特别是氢离子注入方法具有好于氧注入法的优点，因为氢离子注入法需要的注入能 量小于氧离子注入的50%,并且所需剂量小两个量级。
通过氢离子注入方法进行剥最初是例如由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，并由Michel Bruel进一步证实。参见美国专利第5, 374， 564 号(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。
氢离子注入一般由以下步骤构成。在单晶硅晶片上生长热氧化物层。然后将 氢离子注入到该晶片中以生成表面下裂纹。注入能量决定生成裂纹处的深度，而剂 量决定裂纹密度。然后在室温下将该晶片放置在与另一硅晶片(支承基片)接触的 位置，以形成暂时性的接合。
然后在约60(TC对晶片进行热处理，以使表面下裂纹生长，用于将硅薄层从 Si晶片分离。将所得的组件加热到IOO(TC以上以将具有Si02下层的Si膜完全接 合到支承基片，即未注入的Si晶片上。该方法因此形成了SiOI结构，该结构具有 接合至另一硅晶片的硅薄膜，其间有氧化物绝缘体层。
成本也是SOI和SiOI结构的商业化应用的一个重要考虑因素。至今，这种结 构的成本的主要部分是顶部由Si薄膜覆盖的支承氧化层的硅晶片的成本，即成本 的主要部分是支承基片。
尽管在各专利(参见美国专利第6, 140， 209号、第6， 211， 041号、第6， 309， 950 号、第6, 323, 108号、第6，335,231号和第6，391，740号)中提到了将石英用作支 承基片，但石英本身是相对昂贵的材料。在讨论支承基片时，上述参考文献中的某 些提到了石英玻璃、玻璃和玻璃-陶瓷。这些参考文献中列出的其它支承基片材料 包括金刚石、蓝宝石、碳化硅、氮化硅、陶瓷、金属和塑料。
用低成本材料制造的基片代替SOI结构中的硅晶片并不是一个简单的事情。 特别是，很难用大规模制造的低成本的玻璃或玻璃-陶瓷或陶瓷类材料代替硅晶片， 即，很难制造成本合理的SOG和SiOG结构。
共同转让的临时美国专利申请第10/779， 582号(公开为US2004/0229444 Al) 描述制造SiOG和SOG结构以及这种结构的新颖形式的方法。许多这类发明的申请 中是在如光电子，FR电子和混合信号(模拟/数字)电子学以及显示器(如LCD和OLED) 应用的领域，与基于非晶形或多晶的器件相比，这些发明显著提高了性能。此外， 高效率的光伏器件和太阳能电池也成为可能。这些处理技术和其新颖的SOI结构显 著降低了SOI结构的成本。
另一个显著影响制造SOI、 SiOI、 SOG和SiOG结构的离子注入方法的成本的 因素是离子注入法的效率。通常使用氢离子注入或氧离子注入，但因为其高效率而 优选氢离子注入。但是，常规的离子注入方法需要窄的离子束，这将导致注入时间 长和高成本。因此，现有技术领域开发并且公开了替代的离子源。例如，美国专利第6， 027， 988号提出使用等离子体的离子浸入注入(plasma ion immersion implantation) ("PIII")，该方法中，将如硅晶片的半导体基片置 于等离子体气氛和电场中，因而能够同时进行大面积注入。但是，PIII存在表面 带电和被等离子体蚀刻的缺陷，以及在较高能量条件下缺乏灵活性、缺乏精确剂量 控制，不能精确控制离子注入区的厚度和脱落膜的厚度。
因此，仍需要一种有效而高效的分离半导体材料薄膜的方法。具体地，需要 一种制造SOG结构的方法，该方法能有效而高效率地实施离子注入法。
本发明满足了这一长期存在的需要。

发明内容
因此，本发明提供了一种用来形成SOI结构的方法，该方法包括以下步骤
(1) 施主基片包括半导体材料以及与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-陶瓷以及以下两个外表 面(i)用于与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)通过使用第一离子喷淋，将许多离子注入通过第一施主外表面，以一定 的深度进入在第一施主基片下面的离子注入区，以限定夹在离子注入区和第一施主 外表面之间的材料薄膜("脱落膜")；
(B) 步骤(Al)和(A2)之后，使第一和第二接合表面接触；
(c) 同时在以下条件下保持足够的时间，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) 任选地在施主基片和/或受主基片上施加压力使第一和第二接合表面接
触；
(2) 在施主基片和受主基片上施加电场，所述电场具有从第二受主外表面至第 二施主外表面的大体方向，使施主基片上的电势高于受主基片上的电势；和
(3) 对施主基片和受主基片加热，所述加热的特征在于第二施主外表面和第二 受主外表面分别具有平均温度t;和k，对所述温度进行选择，使冷却至常温时， 施主基片和受主基片发生差式收縮，从而使施主基片在离子注入区的强度下降；和
(D) 对接合的施主基片和受主基片冷却，使施主基片在离子注入区发生开裂；
7其中，氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷包含正离子，所述正离子在步骤(c)期
间以离开第二接合表面向着第二受主外表面的方向在受主基片中迁移。 本发明方法的一些实施方式中，脱落薄膜包含单晶半导体材料。 在本发明的方法的一些实施方式中，在步骤(A2)中，离子注入区的深度小于
约1000纳米，在一些实施方式小于约500纳米，在一些实施方式小于约300纳米， 在一些实施方式小于约150纳米，在一些实施方式小于约100纳米。在该方法的一 些实施方式中，脱落薄膜的未受损部分的厚度至少为脱落薄膜总厚度的60%，在一 些实施方式中为至少80%，在一些实施方式中为至少90%。在该方法的一些实施方 式中，脱落薄膜的未受损部分的厚度至少为50纳米，在一些实施方式中至少为100 纳米，在一些实施方式中至少为150纳米，在一些实施方式中至少为200纳米。
本发明方法的一些实施方式中，脱落薄膜包含单晶硅。
在本发明的一些实施方式中，在步骤(A2)中，离子注入区的厚度不大于约1 微米，在一些实施方式中不大于约500纳米，在一些实施方式中不大于约300纳 米，在一些实施方式中不大于约200纳米。
在本发明的一些实施方式中，在步骤(A2)中，第一离子喷淋主要包括属于第 一类物质的离子，在一些实施方式中，属于第一类物质的离子的含量至少为70摩 尔％，在一些实施方式中至少为80%，在一些实施方式中至少为90%。
在本发明第一方面的一些实施方式中，在步骤(A2)中，第一离子喷淋主要包 括属于第一类物质的离子。
在本发明的一些实施方式中，属于第一类物质的离子是选自以下的单一离子 物质H,, H+, H2+, D2+， D/， HD+, H2D+， HD2+， He+， He2+, 0+, 02+， 02+和03+。
在本发明的一些实施方式中，属于第一类物质的离子基本上不含磷、硼、石申、 碳、氮、氧、氟、氯和金属。
本发明的一些实施方式包括分开的独立于步骤(A2)的以下步骤(A3):
(A3)通过使用第二离子喷淋，将许多属于第二类物质的离子注入通过第一施 主外表面，以一定的深度进入在第一施主外表面下面的离子注入区，所述属于第二 类物质的离子不同于属于第一类物质的离子。
本发明的一些实施方式包括分开的独立于步骤(A2)的以下步骤(A3. 1): (A3. 1)使用束-线注入器将许多属于第二类物质的离子注入通过第一施主外 表面，以一定的深度进入在第一施主外表面下面的离子注入区。
8根据本发明的一些实施方式，离子注入区包括注入了属于第一类离子物质的 离子的第一离子注入区和注入了属于第二类离子物质的离子的第二离子注入区，第 一离子注入区和第二离子注入区基本上重叠。
在一些实施方式中，属于第一类物质的离子是H二属于第二类物质的离子是 He+。选择H/和He+的能量，使注入后它们基本分布在离子注入区中。在一些实施方 式中，H/的能量与He+的能量的比约为2:1。例如，H/的平均能量可以约为60 KeV， He+的平均能量可以约为30KeV。在一些实施方式中，将113+离子注入到H/离子注入 区，He+离子注入到He+离子注入区，H/和He+的离子注入区都在施主基片的离子注 入区内，它们基本重叠。
根据本发明的一些实施方式，在步骤(A2)中，通过磁装置实施第一离子喷淋 的电磁分离。
在本发明的一些实施方式，对第一接合表面(第一施主外表面)进行处理，以 在离子注入后但在与第一受主外表面(第二接合表面)接触进行接合之前降低氢的 浓度。这种降低氢浓度的方式可选自氧等离子体处理，臭氧处理，HA处理，H202 和氨处理，HA和酸处理，以及它们的组合。
在本发明方法的一些实施方式中，在该方法的终点，受主基片和脱落薄膜之 间的结合强度至少为8焦耳/厘米2，在一些实施方式中至少为10焦耳/厘米2，在 一些实施方式中至少为15焦耳/厘米2。
根据本发明方法的一些实施方式中，在步骤(A2)中，通过磁装置实施第一离 子喷淋的电磁分离。
本发明的优点是能够大面积同时离子注入，没有表面蚀刻或只有很少量的表 面蚀刻，高效率和低成本。与束线离子注入(beam line ion implantation)相比， 本发明产生具有更平滑表面的脱落薄膜，这样可以减少下游的薄化和抛光的需求。 因此，本发明能够进行适合于制造各种SOI结构的有利的、高效的离子注入，所述 SOI结构包括但不限于SiOI结构，特别是S0G结构，包括但不限于SiOG结构。
在以下的详细描述中提出了本发明的附加特征和优点，其中的部分特性和优 点对本领域的技术人员而言由所述内容而容易理解，并通过示出的描述和其权利要 求书以及附图中所述实施本发明而被认可。
应理解前面的一般性描述和以下的详细描述都只是对本发明的示例，用来提 供理解本发明的性质和特性的总体评述或结构。包括的附图提供了对本发明的进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构 成说明书的一部分。


附图中
图1是采用本发明的方法离子注入的施主基片的一个实施方式的示意图。 图2是采用本发明的方法离子注入的施主基片的另一个实施方式的示意图。 图3是用于离子注入基片的离子喷淋设备的示意图。
图4是在电场、温度梯度和压力条件下与受主基片接合的离子注入施主基片 的示意图。
图5是图4的结构冷却至K温度后该结构开裂形成SOI结构的示意图。 图6是按照本发明用离子喷淋注入氢离子的硅晶片的氢离子分布图。
具体实施例方式
如本文所用，术语"半导体材料"表示一种进行或未进行额外的改性如掺 杂，而显示半导体性质的材料。因此，例如，在本发明的含义中半导体材料可 以是纯的单晶硅，或者是掺杂有磷、硼、砷或其他元素的硅。半导体材料通常 是基本为单晶材料的形式。在描述材料时所用的术语"基本上"是考虑到半导
体材料通常含有一些固有或有目的加入的至少一些内部缺陷或表面缺陷的事 实，如晶格缺陷或很少的晶粒边界。术语"基本上"还反映了以下事实，特定 的掺杂剂可以扭曲或者影响主体半导体的晶体结构。
如本文所用，术语"第一离子注入区"表示施主基片中的区域，该区域在离 子注入后，按照在其中部的单位体积中的离子数量，具有属于第一类物质的注入离
子的局部峰值密度，并包含至少50%的属于第一类物质的注入离子。如本文所用， 术语"第二离子注入区"表示施主基片中的区域，该区域在离子注入后，按照在其
中部的单位体积中的离子数量，具有属于第二类物质的注入离子的局部峰值密度， 并包含至少50%的属于第二类物质的注入离子。"基本上重叠"表示第一离子注入 区和第二离子注入区有至少50%重叠。对离子注入单一物质的离子的施主基片，整 个基片的离子注入区是第一离子注入区。对离子注入第一类物质和第二类物质，甚 至更多种物质的离子的施主基片，整个基片的离子注入区是第一离子注入区、第二 离子注入区和存在的其他离子注入区的组合。本领域的技术人员根据本申请揭示的内容可以预定出整个离子注入区。对于离子喷淋的纯度，术语"主要包含"表示 包含至少50摩尔％。
本申请中，离子物质具有特定的质量和电荷，因此，具有不同质量或者不同
电荷的任何离子是不同的物质。例如，H十,H2+， H/, D+, D/， D,, HD+， H2D+, HD2+, He+， He2+在本申请中是完全不同的离子物质。
本申请中的电磁分离表示通过对离子施加电场和/或磁场而对不同的离子物 质进行分离。
本发明可应用于制造任何SOI结构。下面针对制造SiOI结构，详细描述本发 明，该描述用于说明目的。应理解，本发明不限于制造SiOI结构。
本发明可应用于制造各种SOG结构。下面针对制造SiOG结构，详细描述本发 明，该描述用于说明目的。但是，应理解，本发明不限于制造SiOG结构。采用本 发明方法制造SiOG构成了本发明的一个方面。共同转让的临时美国专利申请第 10/779,582，目前公开为US 2004/0229444 Al，描述了制造SOG结构，特别是SiOG 结构以及这些结构的新颖形式的方式，该材料申请的内容全文参考结合于本文。
离子注入是制造SOI结构中最昂贵的步骤之一。在S0G结构中，使用价廉的 基片材料如玻璃和玻璃-陶瓷材料可以显著降低S0G的总成本。在制造SOG结构时， 如US 2004/0229444 Al揭示的，可以采用氢离子注入将如单晶硅的薄膜半导体材 料与施主基片分离。传统的束-线离子注入方法和设备可用于这一目的。但是，使 用传统的束-线离子注入设备的费用很高。实际上，这种薄膜分离方法一般需要大 剂量的氢离子。对束-线注入，常需要耗费长时间来达到要求的注入水平。这明显 增加了 SOG结构的制造成本。此外，使用束离子氢注入通常导致从施主基片分离并 与受主基片接合的薄膜，所述受主基片的厚度大于要求的厚度。对许多指定的应用 需要进一步的后处理，包括对厚膜薄化和抛光，后处理增加了总体过程的复杂性， 降低生产率和产量，因此增加最终产品的成本。
如上面所述，现有技术领域提出供选择的离子注入方法和设备来替代束-线离 子注入。美国专利6， 027，988(其相关部分参考结合于本文)公开使用等离子体浸入 的离子注入(PIII)用于该目的。在PIII方法中，产生等离子体，将受主晶片置于 等离子体和电场内部，使许多离子被该电场加速并注入到施主基片。该方法还存在 施主基片发生表面蚀刻以及剂量控制中的困难。此外，因为产生多种离子物质并存 在于等离子体中，在注入时离子会具有宽的能级分布，难以控制注入深度，因此难以控制进行分离的薄膜厚度。此外，等离子体中有害的污染离子可能被注入施主基 片，导致不希望的掺杂甚至对进行分离的薄膜的损害。
在美国专利6， 027， 988也提到作为非质量分离的离子注入方法的离子喷淋， 该专利中的相关部分被参考结合于本文。但是，该文献没有详细描述离子喷淋，也 没有提供使用离子喷淋进行离子注入的任何具体实例。而且，该文献没有解释或建 议将离子喷淋注入用于制造SOG结构。
离子喷淋注入(ISI)使用来自等离子体源的大面积离子束，该等离子体源使用 例如提取电极。离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中描述了离子喷淋用于离子注入的典型用途，该文献 的相关部分通过参考结合于本文。图3图示说明使用离子喷淋用于离子注入。在设 备301中，有以下两个单独的室等离子体室307，包含在电极303和电极栅格305 之间的等离子体；和注入室313，其中放置有晶片315。离子311任选被进一步加 速，迁移并部分地进入晶片315。因此，很清楚，离子喷淋具有以下特征(i)使 用在单独的等离子体室中产生的远程等离子体；(ii)用于注入的晶片不放置在电场 中；禾Q(iii)与PIII不同，离子源是连续的，而不是脉冲式。
为了诸如掺杂的目的，采用离子喷淋向半导体材料注入大离子如磷等。但是， 由于在如美国专利第6， 027, 988号的文献中不完整的内容，本发明人由现有技术还 不能明确离子喷淋是否能够成功用于使薄膜从施主半导体晶片开裂。而且，本发明 人发现用离子喷淋代替在制造半导体器件的现有技术领域采用的束线离子注入设 备和方法并不象是那么简单和容易的事项。遇到大量技术上的挑战。
要求用于本发明的离子注入的离子喷淋是高纯度的。要求用于本发明的氢离 子喷淋或氦离子喷淋基本上不含大的污染离子，如氧、碳、氟、氯、磷、硼、砷和 金属。在等离子体室中，在离子喷淋的离子束中，同时产生许多具有不同质量和电 荷的离子，并使它们撞击在施主基片上并注入其中。例如，在使用氢离子喷淋时， 在氢等离子体中产生不同比例的属于不同物质的离子，如H+, H/和H二因为不同 的尺寸和质量，这些离子在施主基片中迁移不同的距离。其中的一些无法到达离 子注入区，而是会注入脱落膜中，造成不希望出现的改变。而且，因为等离子体室 的污染，等离子体还包括如P+， B+，氧离子，碳离子，氟离子和氯离子以及金属 离子的离子。不希望受到任何特定理论的限制，本发明人相信对脱落膜的晶体结构 的损害是由过量的所述重质和大的离子物质如离子喷淋中的杂质造成的。因此，离
12子喷淋中少数离子如H+， H/等在主要包含H/的离子喷淋中的允许量对脱落膜的完 整性的不利的影响的程度不能使脱落膜不能用于预定的应用。但是，在一些实施方
式中，优选离子喷淋主要包含第一类离子物质，在一些实施方式中包含至少60摩 尔％，在一些实施方式中至少为70%，在一些实施方式中至少为80%，在一些实施方 式中至少为90%。
因此，本发明人完成了本发明，解决与现有技术方法如PIII和束线离子注入 方法有关的问题。
因此，本发明提供一种形成SOI结构的方法，该方法具体包括以下步骤
(Al)提供施主基片和受主基片，其中
(1) 施主基片包括半导体材料以及与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-陶瓷以及以下两个外表 面(i)用于与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)通过使用第一离子喷淋，将许多离子注入通过第一施主外表面，以一定 的深度进入在第一施主基片下面的离子注入区，以限定夹在离子注入区和第一施主 外表面之间的材料薄膜("脱落膜")；
(B) 步骤(Al)和(A2)之后，使第一和第二接合表面接触；
(C) 同时在以下条件下保持足够的时间，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) 任选地在施主基片和/或受主基片上施加压力使第一和第二接合表面接
触；
(2) 在施主基片和受主基片上施加电场，所述电场具有从第二受主外表面至第 二施主外表面的大体方向，使施主基片上的电势高于受主基片上的电势；和
(3) 对施主基片和受主基片加热，所述加热的特征在于第二施主外表面和第二 受主外表面分别具有平均温度7;和X，对所述温度进行选择，使冷却至常温时， 施主基片和受主基片发生差式收縮，从而使施主基片在离子注入区的强度下降；和
(D) 对接合的施主基片和受主基片冷却，使施主基片在离子注入区发生幵裂； 其中，氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷包含正离子，所述正离子在步骤(C)期
间以离开第二接合表面向着第二受主外表面的方向在受主基片中迁移。
13如上所述，在步骤(A1)中，施主基片可以包含任何半导体材料，如硅基半导 体材料和非硅基的半导体材料。半导体材料可以是基本上纯的和单晶的，或者预先
掺杂有所需的掺杂剂，以改进结构和其电导率。在目前的半导体工业中，最广泛使 用的施主基片是基于单晶硅的基片，最普遍制造的结构是SiOI结构，如在氧化的 硅晶片上的硅。本发明可以优选用于这类工艺以降低其成本。
在典型的半导体工艺中，所用的施主基片具有精确抛光的高度平坦和光滑的 表面。在许多情况中，施主基片是具有基本上平行的主表面的晶片。本发明可应用 于这类情况。但是，还应理解，根据接受脱落膜的受主基片的表面形貌或者制造的
SOI结构的预定用途，施主基片可具有一个成形的表面，甚至一个以上的成形的表
面。施主基片还可能具有凹槽和其他特征来表征的外表面。根据本发明方法的离子 喷淋的用途可以应用于这些施主基片。
本领域的技术人员根据SOI结构的预定用途以及本申请揭示的内容可以知道
在施主基片中的离子注入区的所需深度。离子注入区在第一施主外表面下面的深度 决定了脱落膜的厚度。通常，为了从施主基片产生脱落膜的目的，离子注入区的深
度小于约1000纳米，在一些实施方式中小于约500纳米，在一些实施方式中小于 约300纳米，在一些实施方式中小于约150纳米，在一些实施方式中小于约100 纳米。通常，相对于使用束线离子注入的现有技术，使用离子源会造成离子注入区 具有较浅的深度，因此得到较薄的脱落膜，从而可以减少下游对脱落膜进行的薄化 操作。通过改变注入离子的动能，可以改变离子注入区的深度。例如，在单晶硅施 主基片上注入H:,+离子时，选择该离子的能量在约10-100KeV范围，以获得所需厚 度的脱落膜。
如上面所述，为了将离子注入离子注入区，要求包含在离子喷淋中的离子为 纯的。因此，要求离子喷淋主要包含单一的第一离子物质，如H+, H/， H3+， He+， He2+ 等，希望纯度达到至少60摩尔％，在一些实施方式中至少为70%，在一些实施方式 中至少为80%，在一些实施方式中至少为90%。
一般而言，当使用离子喷淋作为离子源时，进行离子注入的施主基片不放置 在电场中。但是，在一些情况，在离开栅极时，可能需要对离子加速或减速，使离 子具有注入一定深度所需的能级。这可以通过对离子施加额外的加速/减速电场来 实现。可以将施主基片设置在加速/减速电场内部或外部。
图1图示说明采用本发明的方法注入的施主基片101的一个实施方式。103 是第一施主外表面，105是第二施主外表面，113是离子注入区，其中注入了许多离子，如H/或He+。夹在离子注入区113和第一施主外表面103之间的材料膜115 是脱落膜。该图中的109表示紧靠离子注入区113下面的区域。离子注入区113 具有厚度"在第一施主外表面下面的深度"G也是预定脱落膜115的厚度。
如上面所述，在单一离子注入操作中，不希望离子束中存在多种离子物质。 但是，在制造一些SOI结构时可能需要使用多种离子的离子注入。本发明人发现， 在制造一些SOG结构时，使用多种离子物质的离子注入实际可能降低了实现要求的 脱落所需的注入离子的总量并提高注入过程的总效率。根据本发明，这种注入多种 离子物质可以通过例如在完成将第一离子物质注入离子注入区后，实施如下的第二 离子注入步骤来实现-
(A3)通过使用第二离子喷淋，将许多属于第二类物质的离子注入通过第一施 主外表面，以一定的深度进入在第一施主外表面下面的离子注入区，所述属于第二 类物质的离子不同于属于第一类物质的离子。
根据本发明的方法的一些实施方式，还包括分开的独立于步骤(A2)的步骤 (A3. 1):
(A3. 1)使用束-线注入器将许多属于第二类物质的离子注入通过第一施主外 表面，以一定的深度进入在第一施主外表面下面的离子注入区。
施主基片内第一离子注入区可略不同于第二离子注入区。但是，因为上面所 述的本发明方法的可控制性，在本申请揭示的内容的领域的技术人员可能选择适当 的工艺参数，使它们都位于离子注入区内。确实，可以控制这两个区域使它们基本 上重叠。 一般而言，要求Dp^ 300，所述Dp是在施主基片中，第一离子注入区中 属于第一类物质的离子的峰与在第二离子注入区内属于第二类物质的离子的峰之 间的距离。 一些实施方式中，优选Dp^200纳米，在其他一些实施方式中优选Dp^ 100纳米。在一些实施方式中，Dp $ 50纳米。
图2图示说明离子注入两种离子物质后的施主基片201。在整个离子注入区 113中，有以下两个基本重叠的区域第一离子注入区111和第二离子注入区115。 在根据本发明的方法的特定实施方式中，使用H/和He+作为进行注入的第一离子物 质和第二离子物质，反之亦然。注入H3+或He+的顺序并不重要，但是在一些实施方 式中要求首先注入H3+离子。本发明的H/和He+的这种组合特别适合用于注入和脱落 硅施主基片。对单晶硅基片进行注入时，为到达同时用于H:r和He+的同一离子注入 区，He+所需的能量较低。本发明人发现，通过使用以下方式可能成功地实现硅薄 膜的脱落(i)只离子注入H3+离子，或(ii)H/和He+离子注入的组合。但是，因为
15(ii)的较低总能量和较高的效率,因此相对于(i)更优选(ii)。在(ii)的一个特定 实施方式中，H2+离子的能量约为70 KeV， He+的能量约为40 KeV，导致硅薄膜的良 好脱落。
如上面讨论的，按照本发明方法制备的脱落膜至少大部分都没有受到离子注 入方法的损害。"大部分"表示脱落膜的至少一半厚度没有受到损害。"没有受到 损害"表示在离子注入期间膜的内部结构或其未损害部分没有发生显著的变化，使 得脱落膜或其相关部分可能不适合用于预定的应用。在本发明的方法的一些实施方 式中，脱落薄膜的未受损部分的厚度至少为50纳米，在一些实施方式中至少为100 纳米，在一些实施方式中至少为150纳米，在一些实施方式中至少为200纳米。
根据本发明的方法，可以将包含注入的单一离子物质或多种离子物质的离子 注入区的厚度控制为小于约IOOO纳米，在一些实施方式中小于约500纳米，在一 些实施方式中小于约300纳米，在一些实施方式中小于约200纳米。
进行离子注入后，可以采用US 2004/0229444中所述的方法，使脱落膜与施 主晶片的其余部分分离。不希望受任何特定理论的束缚，相信在进一步处理如加热 时注入的离子通过如形成微气泡而在离子注入区产生缺陷。在该区域中高密度的缺 陷导致在在离子注入区内的某一位置发生开裂以及脱落膜和离子注入区的一部分 从施主基片的剩余部分脱落。
在以下步骤(V)中，在离子注入后，通过使脱落膜从施主基片开裂产生基本分 离的脱落膜
(V)在注入区的一定位置，使脱落膜和离子注入区中材料的至少一部分与施主 基片分离。
然后，如通过与绝缘体受主基片接合，该薄膜可用于制造SOI结构的下游处 理。但是，因为脱落膜很薄，在没有预接合的支承体的情况下通常很难进行处理。 因此，在按照本发明制造SOI结构的方法中，通常在步骤(E)分离脱落膜之前，进 行步骤(B)和(C)，以将脱落膜与受主基片接合。
用于与施主基片接合的受主基片可以是具有或没有氧化物表面层的半导体晶 片；玻璃片，晶体材料片和玻璃-陶瓷片。在一些实施方式中，受主晶片是单晶硅 晶片，该晶片具有通过例如热生长Si02层等形成的表面氧化层。在一些实施方式 中，受主基片包含Si02。 一些实施方式中，受主基片是高纯度的Si02片。在一些 实施方式中，受主基片包括晶体材料如蓝宝石。在一些实施方式中，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，在一些实施方式中，受主基片包括具有金属离子的氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷材料。因此， 根据本发明的方法可优选用于制造以下结构(i)常规的SOI和SiOI结构，其中使
用后束线离子注入，和(ii)如US 2004/0229444 Al中所述的非常规SOI结构，如 S0G和SiOG结构。
可以采用用于半导体工业的常规接合方法例如晶片接合，熔融接合和阳极接
合
在对施主基片进行离子注入后但在施主基片与受主基片接合之前，通常需要 对两个基片都进行表面清洁，以获得足够强度的接合。例如，氢离子注入硅基片后， 在脱落膜的表面将产生许多氢基团。由于表面氢基团产生的排斥，在没有减少或消 除表面氢基团条件下将脱落膜表面与受主基片的表面直接接合通常需要明显更大 的外部力。因此，在离子注入之后、接合之前需要一个步骤从表面减少氢基团。如 US 2004/0229444 Al中揭示的，这种氢基团减少尤其可通过以下处理进行氧等 离子体处理，臭氧处理，HA处理，&02和氨处理，&02和酸处理。
图5和图5图示说明根据本发明的方法的实施方式。图4中，使图l所示的 半导体施主基片101与玻璃或玻璃-陶瓷受主基片501接合，该受主基片具有第一 受主外表面503(第二接合表面)和第二受主外表面505。施加压力P，使第一施主 外表面103(第一接合表面)与第一受主外表面503 (第二接合表面)紧密接触。加热 施主基片101至温度7i并施加电压Vt。加热受主基片501至不同的温度K并施加 较低的电压V2。因此，通过施加外部压力、温度梯度和电场来实施施主基片101 和受主基片501的接合。接合足够的时间后，停止在基片上施加的电压和压力，使 基片冷却至常温K (如室温)。如图5所示，由于两个基片的差式收縮(下面详细说 明)，离子注入区113的强度下降并分成以下两个部分与脱落膜115接合的113a， 脱落膜115与受主基片接合；以及与施主基片的其余部分接合的113b。
根据本发明的方法的一些具体实施方式
，可包括以下步骤
(A')提供第一基片和第二基片，其中
(l)第一基片包含用于与第二基片接合的第一外表面(第一接合表面)，用 于向第一基片施加力的第二外表面(第一施加力的表面)，用于将第一基片分成 第一部分和第二部分的中间区(以下称作"分离区"，即采用按照上面所述的
本发明的离子喷淋注入形成的离子注入区)，其中
(a，)第一接合表面、第一施加力的表面和分离区基本上相互平行； (b')第二部分在分离区和第一接合表面之间；和(C，)第一基片包含基本为单晶的半导体材料；和
(2)第二基片包括两个外表面，其中一个外表面用于和第一基片接合(第二 接合表面)，另一个用于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，相互间隔距离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触(一旦接触，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间的"界面"(本文中的称呼))；
(C')同时在以下条件下保持足够的时间，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，将第一接合表面 和第二接合表面压在一起；
(2) 在第一基片和第二基片上施加电场，其特征是，在第一施加力的表面 和第二施加力的表面上分别施加第一电压和第二电压Vi和V2，这些表面上的电 压均匀，V,高于V2，使电场从第一基片导向第二基片；和
(3) 对第一基片和第二基片加热，所述加热的特征是，在第一施加力的表
面和第二施加力的表面上分别有第一和第二温度T,和T2，这些表面上的温度均
匀，并选择温度，使冷却至常温后，第一基片和第二基片发生差式收縮，因而
使分离区中的第一基片的强度下降；和
(D')将接合的第一基片和第二基片冷却(如，至常温如室温)并在分离区 分成第一部分和第二部分；
其中，氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷具有以下组中的一个或两个特征
(i) 氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷的应变点低于l,OO(TC，并包含正离子 (如，碱金属或碱土金属离子)，所述正离子在步骤(C')期间，以离开第二接合 表面向着第二施加力的表面的方向在第二基片中迁移；禾口/或？
(ii) 氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷包含(a')非桥连氧和(b，)正离子(如， 碱金属或碱土金属离子)，所述正离子在步骤(C')期间，以离开第二接合表面向 着第二施加力的表面的方向在第二基片中迁移。
如本领域已知的，氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷的玻璃相中的非桥连氧 是通过玻璃的非成网组分供给该玻璃的那些氧。例如，在可商购的LCD显示器 玻璃，如康宁公司玻璃(Corning Incorporated Glass)No. 1737和No. EAGLE2000tm的情况，非桥连氧包括通过在玻璃组合物中加入碱土金属氧化物(如，MgO， CaO， SrO和/或BaO)成为玻璃的一部分的那些氧。
虽然不希望受任何特定理论的束缚，但是相信在步骤(C')中发生电解类的 反应。具体地，相信半导体基片(第一基片)用作为电解型反应的正电极，在第 一基片和第二基片的界面区域产生反应性氧。相信这种氧与半导体材料(如硅) 反应，原位形成氧化的半导体的杂化区域(如，用于硅基半导体的氧化硅区域)。 这种杂化区开始于界面并延伸至第一基片。相信在第二基片的氧化物玻璃或氧 化物玻璃-陶瓷中存在的非桥连氧在产生与第一基片的半导体材料反应的氧时 发挥了作用。
相信这样产生的反应性氧和其与半导体材料的结合是第一基片的半导体 材料与第二基片的氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷之间的强结合的来源，艮卩，
第一基片和第二基片之间的接合的至少一部分(很可能全部)是通过半导体材 料与来自第二基片的反应性氧的反应形成的。与现有技术明显不同，不需要高 温处理(即高于IOO(TC条件下的处理)就可以实现这种强结合。
这种避免高温处理的能力使第二基片材料可以是大量低成本制造的材料。 即，通过取消高温处理，本发明不需要由高价的高温材料如硅、石英、金刚石、 蓝宝石等构成的支承基材。
具体地，不需要高温处理即能实现强结合的能力使第二基片可以由氧化物 玻璃或氧化物玻璃-陶瓷构成， 一个实施方式中，所述玻璃或玻璃-陶瓷的应变
点低于1，000。C。更具体地，对显示器应用，氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷的
应变点通常低于800。C，在另一些实施方式中低于700。C。 对于电子领域和 其他的应用，应变点优选低于1000°C。如玻璃制造领域皆知的，具有低应变点 的玻璃和玻璃-陶瓷比高应变点的玻璃和玻璃-陶瓷更容易制造。
为促进接合，氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷应至少能一定程度导电。氧 化物玻璃和氧化物玻璃-陶瓷的电导率取决于它们的温度，因此要实现半导体 材料和氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷之间的强结合，需要在以下方面达到均 衡1)玻璃或玻璃-陶瓷的电导率，2)步骤(C')中使用的温度(L和T2)， 3)步 骤(C，)中在第一基片和第二基片上施加的电场强度，和4)步骤(C')进行的时间
作为总体方针，氧化物玻璃和氧化物玻璃-陶瓷的250。C的电阻率p优选小 于或等于1016 Q.cm(g卩，250。C的电导率大于或等于10—16西门子/厘米)。更优
19选，25(TC时的p小于或等于1013^Cm，最优选小于或等于10115Q，cm。应注意， 尽管石英具有要求的25(TC的电阻率(10"'8^厘米)，但是石英缺乏在步骤(C') 中可以迁移的正离子，因此，在根据上述过程制造SOI结构时，石英不适合用 作第二基片。
对任何特定组的第一基片和第二基片，本领域的技术人员由本揭示内容能 容易地确定步骤(C')的时间、温度和场强度的适当组合。具体地，本领域的技 术人员能够选择这些参数的组合，形成在半导体与氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷之间的强结合，该结合足以使SOI结构能够承受在进一步处理和/或使用 期间所遇到的各种力和环境条件。
除了上述在接合中的作用外，在步骤(C')中施加的电场也能使正离子(阳离 子)在第二基片内以自第二基片的接合表面(第二接合表面)向着其施加力的表 面(第二施加力的表面)的方向迁移。这种迁移优选形成损耗区(23)，该区域始 于第一基片和第二基片之间的界面，并延伸至第二基片，即，该损耗区始于第 二接合表面并向着第二施加力的表面延伸至第二基片。
当氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷含有碱金属离子如Li+1, Na"和/或K+'离 子时，特别需要形成这样的损耗区，因为已知这些碱金属离子会干扰半导体器 件的运行。碱土金属离子如Mg+2, Ca+2, Sr+2和/或Ba+2也可能干扰半导体器件的 运行，因此损耗区也优选降低这些离子的浓度。
显然已经发现，损耗区一旦形成便随时间稳定，即使SOI结构加热至高于 或者一定程度高于步骤(C，)中使用的温度时也是如此。在升高的温度形成的损 耗区在SOI结构的常规操作温度和形成温度下特别稳定。这些因素确保碱金属 和碱土金属的离子不会在器件使用或进一步处理期间从氧化物玻璃或氧化物 玻璃-陶瓷扩散返回到SOI结构的半导体中，这是源自使用电场作为步骤(C') 的接合过程的组成部分的一个重要的益处。
因为通过选择操作参数来实现强接合，因此本领域的技术人员由本揭示内 容内容易地地确定为实现具有所要求的宽度和对所有关注的正离子要求的降 低的正离子浓度的损耗区所需的操作参数。存在损耗区时，所述损耗区是根据 本发明的方法制造的SOI结构的特性特征。
除了损耗区外，施加电场也可以形成氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷中包 含的一种或多种可迁移性正离子产生的"堆积(pile-叩)"区。这种区域存在 时位于远离第一基片和第二基片之间的界面的损耗区的侧(边)或靠近该侧(边)。在堆积区内，正离子的浓度大于其体相浓度(bulk concentration)。例 如，按照原子％测定时，正离子在堆积区的峰值浓度可以例如最高比体相浓度 高5倍。和损耗区类似，当存在这种堆积区时，该堆积区是根据本发明制造的 SOI结构的特性特征。
可以选择步骤(C')期间第一基片和第二基片的温度即T,和T2，以实施对在 分离区的半导体基片(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，所述第二部分与第二基片接合。这样，可以实现具有所 需厚度的半导体部分的SOI结构，所述厚度如厚度Ds例如为10-500纳米，一 些情况下最大为5微米。
虽然不希望受任何具体操作理论的限制，但是相信半导体基片在分离区的 弱化主要在步骤(C，)之后接合的第一和第二基片冷却至如室温时发生。通过适 当选择T,和T2(参见下文)，冷却可以使第一基片和第二基片发生差式收縮。这 种差式收縮向第一基片施加应力，该应力本身表现为第一基片在分离区的弱化 /碎裂。如下面所述，较好地，差式收缩应使第二基片企图收縮的程度大于第 -一基片。
如本文所用，词语"冷却至常温时的差式收縮"以及类似的词语表示如果 第一基片和第二基片没有接合，则它们在冷却时收縮的程度不同。但是，因为 第一基片和第二基片在步骤(C')期间接合，并且都是刚性材料，各基片实际发 生的收縮量将不同于没有接合时发生的收縮量。这种差别导致其中一个基片经 受张力和因冷却产生的其他压縮。本文使用词语"企图收縮"和类似的词语来 反映以下事实，即，基片接合时的收縮一般不同于其未接合时的收縮，如，所 讨论的基片可能因为冷却的原因而企图发生一定程度的收縮，但是因为与其它 基片接合，所以一般不可能，而且实际上也不会产生该种程度的收縮。
在步骤(C，)中采用的T,和T2值取决于第一基片和第二基片的相对热膨胀系 数，选择这些值的目的是确保其中一个基片，优选第二基片企图发生的收缩程 度大于其他基片，优选第一基片，以在冷却期间向分离区施加应力因此使该区 域弱化。
概括地，为使第二基片企图发生的收縮的程度大于第一基片在冷却时的收 縮程度，T,， T2以及第一基片和第二基片的CTE(分别为CTE,和CTE2)应满足以
下关系式-
CTE2-T2 〉 CTErL，
21其中，CTE,是基本为单晶半导体材料的0'C时热膨胀系数，CTE2是氧化物 玻璃或氧化物玻璃-陶瓷的0-30(TC的热膨胀系数。该关系式假设第一基片和第 二基片冷却至共同的参比温度O'C， L和T2的单位为"C。
应用该关系式时，应考虑氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷的0-30(TC热膨胀 系数优选满足以下关系式
5xlO—7。C S CTE 2 75xlO—7。C。
为进行比较，基本为单晶硅的Or的热膨胀系数约为24X10—7r，而0-300 °。的平均CTE约为32. 3X10—7/°C。虽然一般优选第二基片的CTE小于或等于 75X10—7°C，但是在有些情况，第二基片的CTE可能高于75X10—7°C，如在用 于诸如太阳能电池的应用中的钠钙玻璃的情况。
由关系式CTE2.T2〉 CTErT,可以知道，当氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷的 CTE(CTE》小于半导体材料的(CTE》时，为使冷却期间第二基片企图发生的收縮 大于第一基片，要求较大的T2-T,差值。相反，如果氧化物玻璃或氧化物玻璃 -陶瓷的CTE大于半导体材料的CTE，可以使用较小的T2 - T,差值。诚然，如 果氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷的CTE足够大于半导体材料的CTE， T2 - T, 差值可以为零，甚至负值。但是， 一般而言，选择氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷的CTE相对接近半导体材料的CTE，因此需要正的T2-L差值来保证冷却 期间第二基片企图发生的收縮大于第一基片。T2 〉 L也是所希望的，因为L > T,有助于氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷与半导体材料接合，这是由于会使氧化 物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷具有较高反应性。也希望T2 〉 T,,因为可以促进正 离子从第一基片和第二基片的界面迁移出来。
采用除使第二基片在冷却期间企图发生大于第一基片的收縮外的其他方 法，可以实现冷却期间第一基片和第二基片之间的差式收縮以及第一基片在分
离区产生弱化/碎裂。具体地，可以是第一基片企图发生大于第二基片的收縮。 这种差式收縮也可以通过选择第一基片和第二基片的CTE和温度来实现。概括 地，对这种情况，要求CTErT,大于CTE2'T2。
当第一基片发生的收縮大于第二基片时，第一基片，特别是第一基片的第 二部分在冷却结束时会在张力下完全破坏(end叩)，而不是压縮下被破坏。一
般而言，优选完成的SOI结构中的半导体薄膜(第一基片的第二部分)处于压縮 ,状况，这种情况优选以下方式，即，差式收缩使冷却期间第二基片企图发生的 收縮大于第一基片。但是，对某些应用，优选半导体薄膜处于一定程度的张力条件下。
因此，虽然在实施本发明时可以采用其他的条件组，但是在本发明的优选 实施方式中，在步骤(C')中T2高于L，并且从步骤(C')采用的升高的温度冷却 期间第二基片企图发生的收縮大于第一基片。
此外，对本发明的任何特定应用(如，任何特定半导体材料和任何特定的
氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷)，本领域的技术人员根据本揭示内容以及us
2004/0229444A揭示的内容能容易地选择L和Tj直，应提供足以使分离区弱化 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离，产生所需的SOI 结构。
第一部分和第二部分在分离区分离导致各部分在发生分离时具有"脱落" 表面。如本领域已知的，在最初形成后，即在进行任何后续表面处理之前，这 种脱落表面的特征是表面粗糙度， 一般至少在约小于1纳米RMS的量级，如在 1-100纳米范围，依据采用的处理条件，用于形成分离区的注入离子如氢、氦 等的浓度通常高于存在于第一部分或第二部分内的浓度。在常规应用中，在使 用前对脱落表面抛光，使其RMS表面粗糙度降低至小于或等于1纳米，如对电 子应用，RMS表面粗糙度在O. l纳米量级。如本文所用，词语"脱落表面"包 括最初形成的表面以及任何后续处理后的表面。
步骤(C，)期间施加在第一基片和第二基片上的压力确保这些基片密切接 触，同时进行该步骤的加热和电场处理。这样，可以实现在基片之间的强接合。
一般而言，半导体基片(第一基片，也是施主基片)承受施加的压力水平大 于玻璃或玻璃-陶瓷基片(第二基片)。因此，选择压力，提供基片之间的密切 接触，而不会损害第二基片。
可以采用宽范围的压力。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别施加的单位面积上的力P，优选满足以下关系式
1 psi W < 100 psi;
最优选满足以下关系式
1 psi S P' < 50 psi; 本领域的技术人员由本揭示内容能容易地确定用于本发明的特定应用的 比压值。
本发明可以使用单一的第一基片和单一的第二基片实施。或者，本发明的 方法可用于在单一的第二基片上形成一个以上的SOI结构例如，可采用步骤(A，)至(D')形成第一SOI结构，该结构没有覆盖第二基
片的整个面积。然后，重复步骤(A')至(D')，形成第二SOI结构，该结构覆盖 未被第一 SOI结构覆盖的区域的一部分或全部。第二 SOI结构可以与第一 SOI 结构相同或不同，例如，第二SOI结构可以使用基本为单晶的半导体材料组成 的第一基片构成，所述半导体材料与制造第一 SOI结构时使用的第一基片的半 导体材料相同或不同。
更优选，通过以下方式在单一的第二基片上形成多个SO工结构，在步骤(A') 提供多个(即两个或更多个)第一基片，在步骤(B')使所有这些第一基片与单一 的第二基片接触，然后在制成的多个第一基片/单一第二基片的组件上进行步 骤(C，)和(D')。步骤(A')中提供的多个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。
无论采用何种方式，对本发明的特定应用，在单一的氧化物玻璃或氧化物 玻璃-陶瓷基片上产生的多个SOI结构可以是相邻的或者可适当隔开。需要时， 在部分或全部相邻的结构之间的间隙中可以填充例如半导体材料，以获得在任 意所需尺寸的氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷基片上的一个或多个连续的半导 体层。
按照本发明制造的SOI结构优选是绝缘体上的半导体结构，该结构包括直 接相连或通过一个或多个中间层相连的第一层和第二层，其中-(a，) 第一层包含基本为单晶的半导体材料； (b，)第二层包含氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷；和 (c')第一层和第二层的结合强度至少为8焦耳/米2，优选至少为10 焦耳/米2，最优选至少15焦耳/米2。
如本说明书和权利要求书中使用的，可以采用压痕方法(indentation procedure)确定SOI结构中半导体层与玻璃或玻璃-陶瓷层的结合强度。这种 方法广泛用于评价薄膜和涂层与各种材料，包括聚合物、金属和脆性材料的粘 结特性。该技术以界面应变能量释出速率形式定量测定粘合性。
如在美国专利申请公报No. 2004/0229444 Al的实施例中揭示的，对玻璃 上硅涂层的压痕测试可以采用NaNo压痕计II(Nano Indenter II) (MTS系统公 司(MTS Systems Corporation, Eden Prairie, MN)进行，该压痕计装备有 Berkovich金刚石压痕头(indenter)。当然，可以使用其他设备测定结合强度 值。如美国专利申请公报No. 2004/0229444 Al的实施例12中揭示的，使压痕包括一定范围的载荷，检测直接包围压痕的区域的分层迹象。按照以下文献计 算结合能，文献中的相关部分通过参考结合于本文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)。可以采用该文献中的方法计算在下面的权利要求书 中所称的结合能。
采用本发明的方法制造SOI结构时，第一层理想地具有距第二层最远的表 面，该表面是脱落表面。这种情况下，第二层的氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶 瓷也优选具有以下性质
(a') 0-30(TC的热膨胀系数CTE和25(TC时电阻率p满足以下关系式 5xlO_7〃C 2 CTE《75xlO-7。C，禾口 p 2 1016 Q'cm， (b，)应变点Ts低于l，OO(TC。
氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷还可以包含正离子，当该氧化物玻璃或氧 化物玻璃-陶瓷的温度T满足以下关系式时，通过电场可以改变正离子在氧化 物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷内的分布 Ts - 350 S T 2 Ts + 350，
式中，T,和T都按'C计。
应理解，玻璃或玻璃-陶瓷层与半导体层如硅层之间的结合强度是SOI结 构的重要性质。高结合强度和耐久性对保证SOI结构能够承受与在该结构上或 之内制造薄膜晶体管和其他器件相关的处理是很重要的。例如，高的结合强度 对在切割、抛光和类似加工步骤中保持器件完整性很重要。高的结合强度还能 够对各种厚度的半导体薄膜进行处理，同时与玻璃或玻璃-陶瓷基片(包括半导
体薄膜)相连。
已知在制造S0I加工的标准热处理的Si-Si02键的结合能取决于退火温度， 在IIO(TC退火后为1-4焦耳/米2范围。参见Semiconductor Wafer Bonding(半 导体晶片的结合)，Q. Y.Tong， U. Gosele， John Wiley & Sons Inc. ， New York, New York,第108页(1994)。如在US 2004/0229444 Al中的实施例证实的， 按照本发明，提供的SOI结构的结合能显著大于以前能达到的，即结合能至少 为8焦耳/米2。
根据本发明的方法，制造具有以下特性的SOI结构
25I:绝缘体上半导体的结构，该结构包括直接相连或通过一个或多个中间 层相连的第一层和第二层，其中 (a，〉第一层
(i) 包含基本为单晶的半导体材料；
(ii) 具有基本平行的第一面和第二面，这些面相互间隔距离Ds，第
一面比第二面更靠近第二层；
(iii) 具有参比表面，该表面具有以下特性l)在第一层内，2)与第 一面基本平行，和3)与第一面间隔距离Ds/2;和
(iv) 具有提高氧浓度的区域，该区域始于第一面并向第二面延伸， 其厚度5 满足以下关系式
SH S 200纳米，
式中，5H是第一面与具有以下特性的表面之间的距离，该表面l)位于第一 层内，2)与第一面基本平行，和3)是满足以下关系式的离第一面最远的表面.-G)OO — Go/参比》50%， 0 S x S Sh，
式中
C。(x)是氧的浓度，随距第一面的距离x变化，
Co/雑是参比表面上的氧浓度，和 C()(X)和C。/参比按原子X计；禾口
(b')第二层包含氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷；和 应注意，按照本发明的该方面提高氧浓度的区域应区别于结合前在半导体 基片外部形成的氧化物层(例如参见美国专利第5， 909, 627号)，因为本发明的 该区域是在半导体材料内。具体地，当采用本发明的方法制造SOI结构时，当 形成半导体层和氧化物玻璃或氧化物玻璃层的复合体时原位形成提高了氧浓 度的区域。
II:绝缘体上半导体的结构，该结构包括直接相连或通过一个或多个中间
层相连的第一层和第二层，其中
(a')第一层包括基本为单晶的半导体材料，所述层具有距第二层最远的 表面，该表面为脱落表面；和 (b')第二层:
(i)具有基本平行的第一面和第二面，这些面相互间隔距离D2，第一 面比第二面更靠近第一层；(ii) 具有参比表面，该表面具有以下特性l)在第二层内，2)与第 一面基本平行，和3)与第一面间隔距离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-陶瓷包含一种或多种类型的正离子，每种类型的正离子在参比表面具
有参比浓度C^参比；和
(iv) 具有始于第一面并向参比表面延伸的区域，其中的至少一种正 离子的浓度相对该离子的参比浓度Ci,，被消耗(正离子损耗区)。
III:绝缘体上半导体的结构，该结构包括直接相连或通过一个或多个中 间层相连的第一层和第二层，其中
(a')第一层包括基本为单晶的半导体材料，所述层的厚度小于10微米 (在一些实施方式中，小于5微米，在一些其他实施方式中小于l微米)；和 (b')第二层:
(i) 具有基本平行的第一面和第二面，这些面相互间隔距离D2，第一 面比第二面更靠近第一层；
(ii) 具有参比表面，该表面具有以下特性l)在第二层内，2)与第
一面基本平行，和3)与第一面间隔距离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-陶瓷包含一种或多种类型的正离子，每种类型的正离子在参比表面具
有参比浓度Ci^tt;和
(iv) 具有始于第一面并向参比表面延伸的区域，其中的至少一种正
离子的浓度相对该离子的参比浓度(:,,城被消耗(正离子损耗区)。
与这种SOI间隔相关，因注意子段落(a')中IO微米的限制明显小于半导体 晶片的厚度。例如，可商购的硅晶片的厚度一般大于ioo微米。
IV:绝缘体上半导体的结构，该结构包括直接相连或通过一个或多个中 间层相连的第一层和第二层，其中
(a')第一层包含基本为单晶的半导体材料；和
(b，)第二层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-陶瓷包含一种或多种类型的正离子，以氧化物为基准，氧化物玻 璃或氧化物玻璃-陶瓷中的锂、钠和钾离子的浓度总和小于1.0重量％，优选 小于0. 1重量％ (即，重量％ Li20十重量％ K20 +重量％ Na20 < 1. 0重量％，优 选< 0. 1重量％)，其中，第一层具有大于io厘米的最大尺寸(如，在圆形层情况下为直径，
矩形层情况下为对角线等)。
V: 绝缘体上半导体的结构，该结构包括直接相连或通过一个或多个中 间层相连的第一层和第二层，其中-
(a')第一层包含基本为单晶的半导体材料；和
(b')第二层:
(i) 具有基本平行的第一面和第二面，相互间隔距离D2，第一面比第 二面更靠近第一层；
(ii) 具有参比表面，该表面具有以下特性l)在第二层内，2)与第 一面基本平行，和3)与第一面间隔距离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-陶瓷包含一种或多种类型的正离子，每种类型的正离子在参比表面具
有参比浓度C',参比；
(iv) 具有始于第一面并向参比表面延伸的区域，其中的至少一种类 型正离子的浓度相对该离子的参比浓度C,，t被消耗(正离子损耗区)，所述区域 具有远边(即最靠近参比表面的边缘)；和
(v) 具有邻近正离子损耗区的所述远边的区域，其中的至少一种类型 的正离子的浓度相对与该离子的d,餘提高(堆积区)。
VI:绝缘体上的半导体结构，该结构包括相互直接相连或通过一个或多
个中间层相连的第一层和第二层，其结合强度至少为8焦耳/米2，在一些实施 方式中至少为10焦耳/米2，在一些实施方式中至少为15焦耳/米2，所述第一 层包含基本为单晶的半导体材料，所述第二层包含氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷，其中，第一层中靠近第二层的至少一部分包含凹进，所述凹进将所述部 分分成基本上隔开的多个区域，这些区域可以相互相对独立地膨胀和收縮。 这种SOI结构的一些实施方式中，凹进延伸在第一层的整个厚度(Ds)上。
VII:绝缘体上的硅结构，该结构包括相互直接相连的第一层和第二层，
所述第一层包含基本为单晶的硅材料，所述第二层(20)包含玻璃或玻璃-陶瓷， 所述玻璃或玻璃-陶瓷包含氧化硅和一种或多种其他氧化物作为网络形成剂 (如，B203， Al203和/或P20丄所述第一层包含与第二层接触的区域，该区域包 含硅氧化物(即，SiOx，其中1 S x S 2)，但是不含一种或多种其他氧化物， 所述区域的厚度小于或等于200纳米。nn:绝缘体上的半导体结构，该结构包含基本为单晶的半导体材料(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-陶瓷包含正离子，其中该结构的至少一部分顺序包括以下材料 材料S;
具有提高的氧含量的材料S;
材料G，其中至少一种类型的正离子浓度降低； 材料G，其中至少一种类型的正离子浓度提高； 材料G。
关于前述SOI结构I-VIII的各结构，以及下面将描述的可以按照本发明 的方法制造的其他SOI结构，应注意绝缘体上半导体结构的"绝缘体"组分 是由本发明通过使用氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷作为第二基片自动提供 的。当第一基片和第二基片之间的界面(30)包含正离子损耗区时，玻璃或玻璃
-陶瓷的绝缘功能进一步增强。作为特定的实例，在soi结构vin中，所有材
料G都是绝缘体。此外，具有提高的氧浓度的材料S依据达到的氧浓度，可以 至少一定程度用作绝缘体。这种情况下，材料S以后的每种材料构成SOI结构
的绝缘体。还应注意，例如为了提供半导体性质的目的，单晶半导体材料也可 以掺杂不同量的掺杂剂。
根据本发明的自动提供绝缘体功能的特点与常规SOI结构形成对比，常规 SOI结构中半导体薄膜与半导体晶片相连。为达到绝缘功能，需要将绝缘体层 如Si02层夹(嵌埋)在半导体薄膜和半导体晶片之间。
根据本发明，可以采用本发明方法制造在单一氧化物玻璃或氧化物玻璃-
陶瓷上的多个SOI结构，所述的多个SOI结构可以全部相同，全部不同，或者
部分相同而部分不同。类似地，由本发明制成的产品可以具有在单一的第二层 上的多个第一层，而且多个第一层可以全部相同，全部不同，或者部分相同而 部分不同。
无论是使用单一第一层还是多个第一层，产生的soi结构中第二层的所有
或基本上所有(即〉95%)第一面与一种或多种基本上单晶的半导体材料相连 (或直接相连或者通过一个或多个中间层相连)，或者产生的SOI结构中的第一
面的大多数区域与基本上不是单晶半导体材料的材料结合(下面，称为"非单 晶半导体区域")。
在非单晶半导体区域中，第一面可以与例如非晶形和/或多晶半导体材料
29如非晶形和/或多晶硅直接相连，或者通过一个或多个中间层与之相连。使用 这类价格低廉的材料对显示器应用特别有益，显示器应用中，显示器电子器件 中通常只有特定的一些部件需要基本上单晶的半导体材料，例如外围驱动器， 图像处理器，计时控制器等，这些部件要求高性能的半导体材料。如本领域皆 知的，多晶半导体材料特别是多晶硅可以通过以下方式获得，即将非晶形材料
应用于基片如LCD玻璃基片后对该材料进行热结晶(例如基于激光的热结晶)获得。
当然，第二层的整个第一面不必与基本上单晶的半导体材料或者非单晶的 半导体材料结合。而是特定区域可具有半导体材料，这些区域之间存在间隔， 其中可以是裸露的第二层或者是与一种或多种非半导体的材料相连的第二层。 这些间隔是尺寸按照适合于本发明的特定应用可大或可小。例如，在显示器，
例如液晶显示器应用的情况，大多数(热大于约75-80%)的玻璃层通常既不与基 本上单晶的半导体材料结合也不与非单晶的半导体材料结合。
通过使用与单一第二层相连的多个第一层，可以获得具有基本上单晶的半 导体材料组成的大区域的SOI结构。因此，根据本发明的方法，可以制造以下 的其他S0I结构
IX.绝缘体上半导体的结构，该结构包括直接相连或通过一个或多个中
间层相连的第一层和第二层，其中
(a，)第一层包含多个区域，各区域包含基本上单晶的半导体材料； (b，)第二层包含氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷；和 (C，)所述区域具有表面积A,，满足以下关系式
<formula>formula see original document page 30</formula>
式中，如果所有区域都是圆形周边，则^ = 750厘米2，如果没有一个区 域具有圆形周边，則At = 500厘米2。
如上所述，不同区域中的基本上单晶的半导体材料可以全部相同，全部不 同，或者部分相同而部分不同。类似地，如果使用一个或多个中间层，对不同 的区域，中间层可以全部相同，全部不同，或者部分相同而部分不同。具体地， 一个或多个区域可具有通过一个或多个中间层与第二层相连的基本上单晶的 半导体材料，而一个或多个其他区域可包含与第二层直接相连的半导体材料。
关于按照本发明制造的前述SOI结构I-IX，如果第一基片和第二基片之间存在一个或多个中间层时，所述一个或多个中间层的合并厚度优选小于100纳
米，在一些实施方式中小于50纳米，在一些实施方式中小于30纳米。
除了上面列出的各SOI结构I-IX外，本发明的方法还可以用于制造包括 所述SOI结构I-IX的特征的任意组合和全部组合的SOI结构。例如，SOI结构 的一些实施方式中的结合强度优选至少为8焦耳/米2，在一些实施方式中优选 至少为10焦耳/米2，在一些实施方式中优选至少为15焦耳/米2。类似地，SOI 结构优选包含至少一个脱落表面，至少一个正离子损耗区，至少一个堆积区， 和/或其厚度小于IO微米的半导体层。
由下面的非限制性实施例进一步说明本发明。
实施例 实施例1
在标准的离子喷淋设备中，对直径为150毫米，厚度为500微米的硅晶片 进行H/离子注入，离子注入的剂量为2E16(即2xl0'6) R/离子/厘米2，注入能 量为50KeV。然后，晶片在氧等离子体中处理，以氧化表面基团。然后，将康 宁公司的Eagle 2000 (Corning Incorporated Eagle 2000 ))玻璃晶片(直径 100毫米)在超声浴中用费舍尔科学公司的Contrad 70(Fischer scientific Contrad70)洗涤剂清洗15分钟，再用蒸馏水超声清洗15分钟，然后，用10% 硝酸清洗，再用蒸馏水清洗。这两种晶片都在无尘室中，在旋转清洗机干燥器 (spin washer dryer)中用蒸馏水进行最后的清洁。
然后，使两个晶片接触，保证晶片之间没有夹有空气，然后将晶片引入接 合器，按照US 2004/0229444 Al中所述进行接合。将玻璃晶片放置在负电极 上，硅晶片放置在正电极上。将两个晶片加热至525。C(硅晶片)和575。C(玻璃 晶片)。在晶片表面上施加1750 V的电势。施加电压20分钟，结束时使电压 为零，将晶片冷却至室温。很容易将晶片分开。采用这种方法获得在玻璃表面 上牢固粘合有硅薄膜(500纳米)的高质量样品。图6示出晶片的注入分布，显 示主要物质是仏+，断裂发生在靠近H/分布的峰处。转移的膜厚度为235纳米。实施例2
重复实施例l的试验，但有以下变动。以同样剂量，在60 KeV能量下在 硅晶片中注入H"发现，结合在玻璃上的硅膜厚度为262纳米。
对本领域的技术人员而言，显而易见可以在不偏离本发明的范围和精神下对 本发明进行各种修改和变动。因此，本发明意图覆盖本发明的修改和变动，只要这 些修改和变动在权利要求书和其等同项的范围之内。
权利要求
1. 一种形成SOI结构的方法，该方法包括以下步骤(A1)提供施主基片和受主基片，其中(1)所述施主基片包括半导体材料以及与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-陶瓷以及以下两个外表面(i)用于与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)通过使用第一离子喷淋，将许多离子通过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离子注入区中，以限定夹在所述离子注入区和第一施主外表面之间的材料薄膜，即“脱落膜”；(B)在步骤(A1)和(A2)之后，使所述第一和第二接合表面接触；(C)同时在以下条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时间(1)在所述施主基片和/或受主基片上施加压力使所述第一和第二接合表面接触；(2)在所述施主基片和受主基片上施加电场，使施主基片的电势高于受主基片的电势；和(3)对所述施主基片和受主基片加热，所述加热的特征在于，所述第二施主外表面和第二受主外表面分别具有平均温度T1和T2；对所述温度进行选择，使冷却至常温时，所述施主基片和受主基片发生差式收缩，从而使施主基片在离子注入区的强度下降；和(D)对所述接合的施主基片和受主基片冷却，使施主基片在离子注入区发生开裂；其中，所述氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷包含正离子，所述正离子在步骤(C)期间以离开第二接合表面向着第二受主外表面的方向在受主基片中迁移。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脱落膜包含单晶半导体材料。
3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脱落膜包含单晶硅。
4. 如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤(A2)中，所述 离子注入区的深度小于约1000纳米，在一些实施方式中小于约500纳米，在其它一些实施方式中小于约300纳米，在其它一些实施方式中小于约150纳米，在其它 一些实施方式中小于约100纳米。
5. 如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤(A2)结束时， 所述脱落膜中厚度至少为50纳米，在一些实施方式中至少为IOO纳米，在一些实 施方式中至少为150纳米，在一些实施方式中至少为200纳米的部分没有受到损害。
6. 如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤(A2)结束时， 所述脱落膜的至少大部分厚度没有受到损害。
7. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述脱落膜的未受损部分的厚度 至少为所述脱落膜总厚度的60%，在一些实施方式中为至少80%，在一些实施方式 中为至少90%。
8. 如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤(A2)中，所述 离子注入区的厚度不大于约1微米，在一些实施方式中不大于约500纳米，在其它 一些实施方式中不大于约300纳米，在其它一些实施方式中不大于约200纳米。
9. 如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤(A2)中，所述 第一离子喷淋主要包含属于第一类物质的离子，在一些实施方式中，其含量至少为 60摩尔％，在一些实施方式中至少为80%，在一些实施方式中至少为90%。
10. 如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述属于第一类物质的离子是选 自下组的离子物质H,， H+, H2+， D2+， D/， HD+， H2D+， HD/， He+, He2+, 0+， 02+和02+。
11. 如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述属于第一类物质的离子基本 上不含磷、硼、砷、碳、氧、氮、氟、氯和金属。
12. 如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，该方法还包括分开的 独立于步骤(A2)的以下步骤(A3):(A3)通过使用第二离子喷淋，将许多属于第二类物质的离子通过所述第一施 主外表面注入在所述第一施主外表面下方一定深度的离子注入区中，所述属于第二 类物质的离子不同于属于第一类物质的离子。
13. 如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，该方法还包括分开的 独立于步骤(A2)的以下步骤(A3. 1):(A3. 1)使用束-线注入器将许多属于第二类物质的离子通过所述第一施主外 表面注入在所述第一施主外表面下方一定深度的离子注入区中。
14. 如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述离子注入区包括注入了属 于第一类物质的离子的第一离子注入区和注入了属于第二类物质的离子的第二离 子注入区，所述第一离子注入区和第二离子注入区基本上交叠。
15. 如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述属于第一类物质的离子是 H/，属于第二类物质的离子是He+。
16. 如权利要求15所述的方法，其特征在于，H/的能量与He+的能量比约为2:1。
17. 如权利要求15所述的方法，其特征在于，H/的能量约为60KeV， He+的能 量约为30 KeV。
18. 如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤(A2)之后但在 步骤(B)之前，对所述施主基片的第一接合表面进行处理，以降低表面的氢浓度。
19. 如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述降低氢浓度的处理使所述 第-一接合表面为亲水性。
20. 如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述降低氢浓度的处理选自 氧等离子体处理、臭氧处理，用HA进行处理，用&02和氨进行处理，用HA和酸 进行处理，以及它们的组合。
全文摘要
公开使用离子喷淋用于将离子注入施主基片，制造SOI和SOG结构的方法。离子喷淋提供了有利的，有效的低成本的离子注入，同时使对脱落膜的损害最小。
文档编号H01L21/762GK101454890SQ200780019707
公开日2009年6月10日 申请日期2007年5月24日 优先权日2006年5月31日
发明者J·S·希特斯, K·P·加德卡里, R·O·马斯克梅耶 申请人:康宁股份有限公司