專利名稱：形成絕緣體上半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法
形成絕緣體上半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法
背景技術(shù)：
發(fā)明領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種形成絕緣體上半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，尤其涉及形成玻璃體上硅結(jié)構(gòu)的方法。
背景技術(shù)：
經(jīng)濟(jì)制造用于生產(chǎn)半導(dǎo)體器件的硅晶片是已知的。所有這些晶片都是薄的圓盤，并且半導(dǎo)體制造系統(tǒng)已被最優(yōu)化以便進(jìn)行薄圓盤的生產(chǎn)。當(dāng)前硅晶片的
標(biāo)準(zhǔn)大小是直徑約為300 mm。
諸如那些用于制造例如液晶顯示器的平面顯示玻璃板需要硅薄膜被沉積在其上以生產(chǎn)半導(dǎo)體像素開(kāi)關(guān)。執(zhí)行此沉積的一種方法是通過(guò)將剝落薄膜從生產(chǎn)用硅晶片(prime silicon wafer)轉(zhuǎn)移到顯示玻璃上。
在剝落之前，晶片被離子注入以在經(jīng)拋光晶片表面下方產(chǎn)生損傷層。晶片被接合到顯示玻璃，且薄膜沿著從離子注入層形成的破裂面剝落。
剝落厚度的均勻性決定性地取決于離子注入之的晶片表面紋理的均勻性。為了均勻的離子注入和剝落，對(duì)生產(chǎn)用半導(dǎo)體晶片表面的拋光質(zhì)量有要求。
為了最大化可用于生產(chǎn)矩形顯示板的硅的面積，所沉積的硅膜也應(yīng)當(dāng)為矩形。更進(jìn)一步地，為了在經(jīng)濟(jì)上可行，用于沉積膜的晶片必須能被重復(fù)使用很多次。這將要求晶片在準(zhǔn)備用于另一剝落過(guò)程時(shí)被重新拋光和重新注入。
半導(dǎo)體器件通常是正方形或矩形的，然而它們總在圓形晶片上制造，從而導(dǎo)致相當(dāng)?shù)木速M(fèi)。這種浪費(fèi)程度在半導(dǎo)體領(lǐng)域內(nèi)能被忍受是因?yàn)橹圃靾A形晶片相比矩形晶片的優(yōu)點(diǎn)勝過(guò)與所浪費(fèi)材料相關(guān)聯(lián)的成本。
為了最大化平板生產(chǎn)率，矩形半導(dǎo)體膜必須盡可能地大，通常是能從標(biāo)準(zhǔn)晶片生產(chǎn)出的最大可能單個(gè)小片(tile)(通常直徑為100mm、 150mm、 200mm和300mm)，并且被平鋪在平板襯底的表面上。理想地，因?yàn)橛糜谥圃炱桨屣@示器件的玻璃平板是矩形的，所以半導(dǎo)體小片也是矩形的。但是即使矩形半導(dǎo)體晶片可用，經(jīng)拋光表面的均勻性也很難實(shí)現(xiàn)。
拋光均勻性在圓形晶片內(nèi)通過(guò)相對(duì)于圓形拋光墊旋轉(zhuǎn)圓形晶片來(lái)維持。表面紋理和晶片厚度控制是通過(guò)由圓形墊拋光的圓形晶片的平均效應(yīng)來(lái)維持。晶片的所有區(qū)域都經(jīng)歷相同的壓力和與拋光墊接觸的時(shí)間。
如果矩形晶片被拋光，則在整個(gè)表面上壓力以及與拋光墊接觸的時(shí)間都比圓形晶片更可變，尤其在晶片趨于被優(yōu)先機(jī)械加工的角落上，從而導(dǎo)致晶片厚度和表面紋理不均勻。因而，所需要的是形成矩形半導(dǎo)體薄膜并將該矩形半導(dǎo)體薄膜從圓形半導(dǎo)體晶片轉(zhuǎn)移到矩形玻璃板的方法。
概要
在本發(fā)明一實(shí)施例中，絕緣體上半導(dǎo)體(SOI)結(jié)構(gòu)是通過(guò)提供包含硅的晶片、離子注入硅晶片，去除硅晶片的一部分以形成凸起部分，將凸起部分接合到襯底上、并使該凸起部分與晶片分離從而在襯底上形成半導(dǎo)體膜來(lái)形成的。
在另一實(shí)施例中，提出了一種在襯底上形成半導(dǎo)體膜的方法，包括在半導(dǎo)體晶片中形成分離帶，去除半導(dǎo)體晶片的一部分從而形成凸起部分，將凸起
部分陽(yáng)極接合到玻璃襯底，使凸起部分與晶片分離。接合包括約束(restrain)晶片的邊緣并向凸起部分施壓使其與襯底接觸。
在又一實(shí)施例中，SOI結(jié)構(gòu)通過(guò)以下步驟形成
a. 提供具有至少一個(gè)基本平坦的第一表面和與該第一表面相對(duì)的第二表面的圓形半導(dǎo)體晶片；
b. 通過(guò)離子注入在晶片內(nèi)距晶片第一表面預(yù)定深度處形成缺陷邊界；
c. 從晶片去除材料，以使凸起的矩形區(qū)在晶片的第一表面上形成；
d. 將晶片置于平坦襯底之上，以使凸起矩形區(qū)的表面與襯底的表面基本平行；
e. 約束晶片的邊緣；
f. 通過(guò)將加熱板推向晶片第二表面而使凸起矩形區(qū)與硅晶片接觸；
g. 通過(guò)陽(yáng)極接合使凸起矩形區(qū)與襯底接合；h.沿缺陷邊界分離晶片，從而在襯底上形成半導(dǎo)體層。
在以下參考附圖給出的說(shuō)明性描述過(guò)程中，本發(fā)明將更容易被理解且其其 他目的、特性、細(xì)節(jié)和優(yōu)點(diǎn)也將變得更顯而易見(jiàn)，該說(shuō)明性描述過(guò)程并非旨在 以任何方式表示限制。其旨在將所有這些附加的系統(tǒng)、方法特征和優(yōu)點(diǎn)包括在 本說(shuō)明書(shū)內(nèi)，本發(fā)明的范圍內(nèi)，且受所附權(quán)利要求書(shū)保護(hù)。
附圖簡(jiǎn)述


圖1是示出損傷或分離帶以及晶片的將被接合并剝落到襯底的岸面部分
(landportion)的半導(dǎo)體晶片的截面圖。
圖2是圖1的晶片的透視圖，示出晶片的被去除以產(chǎn)生岸面部分的部分。 圖3是被推動(dòng)與襯底接觸并與之接合的圖2晶片的岸面部分的截面圖。 圖4是以圖3的方式接合到襯底從而用半導(dǎo)體膜平鋪襯底的附加半導(dǎo)體膜 的透視圖。
詳細(xì)描述
在以下詳細(xì)描述中，為了說(shuō)明而非限制的目的，陳述公開(kāi)具體細(xì)節(jié)的示例 實(shí)施例以提供對(duì)本發(fā)明的透徹理解。然而，對(duì)受益于本公開(kāi)的本領(lǐng)域技術(shù)人員 而言將顯而易見(jiàn)的是本發(fā)明可在背離在此公開(kāi)的具體細(xì)節(jié)的其他實(shí)施例中實(shí) 踐。此外，關(guān)于已知器件、方法及材料的描述可被省略，以便于不混淆本發(fā)明 的描述。最后在適用的情況下，相同的附圖標(biāo)記指的是相同的元件。
根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例，公開(kāi)了一種從圓形前體晶片轉(zhuǎn)移矩形半導(dǎo)體材料晶 片的方法。參考圖1-2，具有基本平坦和平行的第一和第二表面的圓形半導(dǎo)體 晶片10根據(jù)已知技術(shù)被離子注入以在圓形晶片10的第一表面14下面的預(yù)定 深度5處形成損傷邊界12。半導(dǎo)體晶片材料的部分16被去除到與損傷邊界12 的深度S相對(duì)應(yīng)的深度S，從而使硅晶片的未去除材料的部分18在暴露表面20 上延伸到高度S。在表面14上延伸的部分在以下將稱為半導(dǎo)體晶片10的岸面 部分18。參考圖3，經(jīng)離子注入的半導(dǎo)體晶片10然后被置于玻璃襯底22上方， 以使岸面部分18的表面14靠近并基本平行于玻璃襯底22的表面24。半導(dǎo)體 晶片10的邊緣被約束，且使加熱元件26與晶片10的背面28接觸。加熱元件26向晶片10背面的第二表面降低，推動(dòng)半導(dǎo)體晶片10的岸面部分18與玻璃 襯底22接觸。通過(guò)熱、壓力、電勢(shì)(由或經(jīng)由加熱元件池極26傳遞)和時(shí)間 的作用，岸面部分16的表面14被接合到玻璃襯底22的表面24。 一旦接合完 成，加熱元件/電極26被抬高，且半導(dǎo)體晶片10的岸面部分18沿?fù)p傷邊界12 分離，從而留下半導(dǎo)體材料的薄膜接合到玻璃襯底。以下將詳細(xì)描述這個(gè)以及 其他實(shí)施例的詳情。
使用便宜的材料作為支承襯底，且尤其使用基于玻璃的材料(例如氧化物 玻璃和氧化物玻璃-陶瓷)作為支承襯底的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是包括基于玻璃晶片 的多數(shù)玻璃不能耐受如通常用于本領(lǐng)域的U00。C的接合處理。因而，玻璃基 層和例如硅的半導(dǎo)體材料之間的共價(jià)鍵合必須在顯著低于U00。C的溫度下完 成。對(duì)于更低溫度的需求還使得將半導(dǎo)體晶片在通過(guò)例如氫離子注入形成的損 傷邊界或分離帶分離成各部分成為挑戰(zhàn)。
此外，在基于玻璃的材料代替硅用作支承襯底材料時(shí)，基于玻璃的材料的 熱膨脹應(yīng)與絕緣體上半導(dǎo)體(SOI)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體層的熱膨脹匹配，從而避免 半導(dǎo)體層從絕緣支承襯底分離。雖然一些其熱膨脹接近例如硅的半導(dǎo)體材料的 熱膨脹的玻璃基材料是已知的，但是精確匹配仍然難以獲得。熱膨脹失配對(duì)高 應(yīng)力可引起半導(dǎo)體層松解的大晶片尤其棘手。
因而，多個(gè)問(wèn)題必須被解決并克服以提供采用由基于玻璃材料的構(gòu)成的支 承襯底的SOI結(jié)構(gòu)。離子注入和半導(dǎo)體材料與玻璃基襯底的陽(yáng)極接合已被發(fā)現(xiàn) 能解決一些上述問(wèn)題。 一種用于執(zhí)行半導(dǎo)體材料的陽(yáng)極接合的有用方法在例如 2004年2月12日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)No. 10/779,582中描述，該專利申請(qǐng)通 過(guò)引用完全結(jié)合于此。為表達(dá)清楚起見(jiàn)，以下將稱基于玻璃的材料為玻璃襯底， 并且理解還引用諸如玻璃-陶瓷之類的其他基于玻璃的材料。
如美國(guó)專利申請(qǐng)No. 10/779,582中所述的使陽(yáng)極接合在其當(dāng)前實(shí)踐中低效 的一個(gè)問(wèn)題是大多數(shù)的(如果不是所有的)用于生產(chǎn)半導(dǎo)體材料晶錠的工藝生 產(chǎn)出形狀為圓柱形的晶錠。隨后從該晶錠切下的半導(dǎo)體晶片因此也是圓形的。 可購(gòu)得的半導(dǎo)體晶片通常直徑在約100mm到300 mm的范圍內(nèi)。另一方面， 例如計(jì)算機(jī)監(jiān)控器、平板電視機(jī)等的顯示設(shè)備總是矩形的，并在某些情況下具 有達(dá)到數(shù)萬(wàn)平方厘米的表面積。
8簡(jiǎn)言之，在氫離子注入工藝中，氫離子被注入半導(dǎo)體晶片中的指定深度， 使晶片與玻璃襯底接觸，且陽(yáng)極接合被用來(lái)將晶片接合到襯底上。晶片和襯底 被冷卻，且晶片然后被拉離襯底。晶片沿由離子注入產(chǎn)生的缺陷邊界破裂或裂 開(kāi)，從而留下接合到襯底的半導(dǎo)體材料薄膜。半導(dǎo)體裂開(kāi)以留下半導(dǎo)體薄膜有 時(shí)被稱為剝落。被拉離襯底的半導(dǎo)體晶片然后可被表面拋光，且過(guò)程再次開(kāi)始。 即，多個(gè)半導(dǎo)體薄膜通常被"平鋪"到玻璃襯底的表面上以覆蓋襯底表面。不 幸地是，剛才所述的離子注入和接合工藝在襯底上留下圓形半導(dǎo)體材料膜，從 而很難用半導(dǎo)體膜完全覆蓋玻璃襯底。
使用平鋪工藝的優(yōu)點(diǎn)包括提供具有基本單晶半導(dǎo)體膜的大玻璃或玻璃-陶 瓷襯底而不受大小限制的能力。對(duì)于顯示應(yīng)用，所需玻璃襯底的大小經(jīng)常大于
半導(dǎo)體晶片的300mm直徑。類似地，光伏應(yīng)用也需要大面積的SOI結(jié)構(gòu)。
平鋪還能使基本單晶半導(dǎo)體材料被置于玻璃或玻璃-陶瓷襯底上的所需位 置。此能力使例如硅膜的高性能半導(dǎo)體膜能被放置在大襯底的可放置驅(qū)動(dòng)器和 存儲(chǔ)電路的區(qū)域，因而避免了不得不用半導(dǎo)體膜來(lái)覆蓋整個(gè)襯底，從而降低成 本。
在多個(gè)半導(dǎo)體襯底被平鋪在單個(gè)玻璃或玻璃-陶瓷襯底上時(shí)，完成的SOI 結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體膜之間的距離取決于初始組裝期間的半導(dǎo)體襯底的接近度。接近 度可通過(guò)精加工半導(dǎo)體片以正好緊密地貼合在一起來(lái)控制，諸如通過(guò)加工半導(dǎo) 體晶片的邊緣以最小化相鄰片之間的間隙。例如，半導(dǎo)體晶片或晶錠自身可諸 如通過(guò)加工來(lái)從圓形(在晶錠的情況下為圓柱形)成形為矩形，以使各個(gè)小片 可緊密地貼合。
在一種平鋪操作的方法中， 一片或多片半導(dǎo)體晶片可按所需圖案組裝，然 后接合到起支承結(jié)構(gòu)作用的導(dǎo)電襯底。接合可通過(guò)焊接、銅焊或使用難熔的導(dǎo) 電膠水來(lái)完成。支承結(jié)構(gòu)可以是金屬箔或其他能耐受工藝溫度的導(dǎo)電襯底。然 后可使用例如氫離子對(duì)導(dǎo)電襯底上的半導(dǎo)體片進(jìn)行離子注入，并執(zhí)行到玻璃或 玻璃陶瓷的陽(yáng)極接合。在半導(dǎo)體膜從半導(dǎo)體片體分離之后，導(dǎo)電襯底上半導(dǎo)體 片的暴露剝落表面可被拋光以去除表面粗糙，且再次被離子注入，由此與另一 玻璃或玻璃陶瓷襯底的接合工藝可被重復(fù)。這樣，半導(dǎo)體片不需要在每生產(chǎn)一 SOI結(jié)構(gòu)時(shí)重新組裝。使用導(dǎo)電支承的平鋪在要生產(chǎn)大面積SOI結(jié)構(gòu)時(shí)特別有根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例且如圖1中所描繪地，常規(guī)形成的半導(dǎo)體晶片10根 據(jù)常規(guī)方法被離子注入以形成損傷或分離帶12。半導(dǎo)體材料可以是硅基半導(dǎo)體
或諸如半導(dǎo)體的m-v族、n-iv、 n-iv-v族等之類的任何其它類型的半導(dǎo)體。 半導(dǎo)體優(yōu)選是基本單晶材料的形式。術(shù)語(yǔ)"基本"被用來(lái)描述半導(dǎo)體晶片，從 而考慮半導(dǎo)體材料通常包含諸如晶格缺陷或一些晶界之類的至少一些固有或 故意添加的內(nèi)部或表面缺陷。術(shù)語(yǔ)"基本"還反映出某些摻雜劑可能扭曲或者 影響體半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)的事實(shí)。
使用本領(lǐng)域技術(shù)人員當(dāng)前已知類型的或?qū)?lái)可開(kāi)發(fā)的離子注入/剝落技術(shù)
來(lái)形成分離帶12。目前，分離帶24優(yōu)選使用以上討論的參考文獻(xiàn)的氫離子注
入技術(shù)形成。諸如氫離子和氦離子或氫離子和硼離子的共同離子注入之類的其 他當(dāng)前已知技術(shù)也可被用來(lái)形成分離帶。無(wú)論選擇哪種技術(shù)，半導(dǎo)體晶片需要 在分離帶被分離成第一和第二部分。
可使用的適當(dāng)?shù)碾x子注入深度(即分離帶14的深度)通常在10nm 900nm 范圍內(nèi)。在一些實(shí)施例中，優(yōu)選深度在200nm 900nm范圍內(nèi)。在其他實(shí)施例 中，優(yōu)選深度在500nm 900nm范圍內(nèi)。離子注入深度5可小于10納米，然而 超薄半導(dǎo)體層將通常無(wú)法為半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)提供足夠材料。更薄的半導(dǎo)體層 可通過(guò)氧化或本領(lǐng)域其他已知方法產(chǎn)生。
通常，離子注入深度5僅是半導(dǎo)體晶片的總厚度的非常小的一部分。半導(dǎo) 體晶片10的最靠近損傷/分離帶的一側(cè)上的一部分或各部分16然后被去除，從 而留下半導(dǎo)體的凸起部分一岸面部分18。各部分16可通過(guò)如光刻、子孔徑(sub aperture)確定性和選擇性拋光、通過(guò)等離子體輔助化學(xué)蝕刻的子孔徑加工等之 類的方法去除。岸面部分18優(yōu)選是矩形的，但可按平鋪所需為其他形狀。例 如，岸面部分18可以是八角形的。然而，如圖2中最佳所示的矩形對(duì)在矩形 顯示襯底上平鋪來(lái)說(shuō)是最有效形狀。岸面部分18的暴露表面14將變成半導(dǎo)體 晶片10的接合表面14。
一旦半導(dǎo)體部分16己被去除從而形成岸面部分18，晶片10就被清洗， 且岸面部分18的表面14就與玻璃襯底22的接合表面24接近并基本平行地放 置?？紤]到在玻璃襯底22的表面24與岸面部分18的表面14之間可能有一些
10例如為l-2度的微小角度，表面在此被描述成包括完全平行和成微小角度的兩 種情況的"基本平行"。短語(yǔ)"基本平行"還包括一個(gè)或多個(gè)表面或分離帶可 能不是完全平坦的可能性。
為保證SOI結(jié)構(gòu)在例如圓形晶片的徑向方向上具有均勻性質(zhì)、例如半導(dǎo)體 材料和玻璃襯底之間的界面具有均勻接合強(qiáng)度，外部表面14、 24與分離帶12 的平行的任何偏差優(yōu)選被保持為最小值。
襯底22優(yōu)選包括氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷；雖然不是必需的，但是 在此描述的各實(shí)施例包括展示出小于1，000°C的應(yīng)變點(diǎn)的氧化物玻璃或玻璃-陶瓷。如在玻璃制造領(lǐng)域中是常規(guī)地，應(yīng)變點(diǎn)是玻璃或玻璃-陶瓷具有10146泊 (10116 Pa.s)的粘度時(shí)的溫度。在氧化物玻璃和氧化物玻璃-陶瓷之間，玻璃 目前是優(yōu)選的，因?yàn)樗鼈兺ǔ８菀字圃?，由此使得它們更廣泛地可用且更便 宜。
如圖3所示，基本22具有厚度D，其優(yōu)選在0.1mm 10mm范圍內(nèi)，且 更優(yōu)選在0.5mm lmm范圍內(nèi)。對(duì)于一些SOI結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，例如厚度大于或 等于1微米的絕緣層是合乎需要的，從而避免在具有硅/二氧化硅/硅配置的標(biāo) 準(zhǔn)SOI結(jié)構(gòu)在高頻下工作時(shí)出現(xiàn)的寄生電容效應(yīng)。在過(guò)去，難以實(shí)現(xiàn)這些厚度。 根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)簡(jiǎn)單地使用其厚度大于或等于1微米的襯底22，容易獲得具 有厚度大于1微米的絕緣層的SOI結(jié)構(gòu)。對(duì)襯底22的厚度的優(yōu)選較低限制因 而是1微米。
一般來(lái)說(shuō)，襯底22需要足夠厚以在本發(fā)明的工藝步驟以及在SOI結(jié)構(gòu)上 執(zhí)行的后續(xù)加工中支承半導(dǎo)體晶片10。雖然對(duì)襯底22的厚度沒(méi)有理論上限， 但是超出支承功能所需的厚度或最終SOI結(jié)構(gòu)所期望的厚度通常不是優(yōu)選的， 因?yàn)橐r底厚度越大，在施加相同電壓差的步驟期間襯底內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度就越低。
氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷優(yōu)選是基于硅石的。因而，氧化物玻璃或 氧化物玻璃-陶瓷中Si02的摩爾百分比優(yōu)選大于30摩爾％，且更優(yōu)選大于40 摩爾％。在玻璃-陶瓷的情況下，其晶相可以是多鋁紅柱石、堇青石、鈣長(zhǎng)石、 尖晶石、或玻璃-陶瓷領(lǐng)域己知的其它晶相。玻璃-陶瓷的玻璃相應(yīng)當(dāng)足以允許 在接合工藝期間正離子移離半導(dǎo)體晶片和玻璃襯底之間的界面。
非基于硅土的玻璃和玻璃-陶瓷可用于本發(fā)明的實(shí)踐中，但是通常因?yàn)樗鼈冚^高的成本和/或較差的性能特性不是優(yōu)選的。同樣地，對(duì)于一些應(yīng)用，例如 對(duì)于采用非硅基半導(dǎo)體材料的SOI結(jié)構(gòu)，例如非氧化物玻璃的不是基于氧化物 的襯底22可以是合乎需要的，但通常因?yàn)樗鼈兂杀据^高而不是優(yōu)選的。
對(duì)于例如顯示應(yīng)用的某些應(yīng)用，玻璃或玻璃-陶瓷在可見(jiàn)的、近紫外(uv)
和/或紅外(IR)波長(zhǎng)范圍中優(yōu)選是透明的，例如玻璃或玻璃陶瓷在350nm 2 微米波長(zhǎng)范圍中優(yōu)選是透明的。
玻璃或玻璃-陶瓷襯底22可使用多種玻璃制造領(lǐng)域已知技術(shù)從常規(guī)原料制造。
氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷包括至少一些正離子，這些正離子在接合 工藝期間在襯底22內(nèi)在所施加電場(chǎng)的方向上移動(dòng)，即移離表面24并移向表面 30。例如Li+、 Na+i和/或KW離子的堿離子是適于此目的的正離子，因?yàn)樗鼈?通常具有比通常納入氧化物玻璃和氧化物玻璃-陶瓷中的例如堿土離子的其他 類型的正離子更高的遷移率。然而，具有除堿離子以外的正離子的氧化物玻璃 和氧化物玻璃陶瓷，例如只具有堿土離子的氧化物玻璃和氧化物玻璃-陶瓷可 用于本發(fā)明的實(shí)踐。
堿和堿土離子的濃度可在寬泛范圍內(nèi)變化，代表性濃度在氧化物基礎(chǔ)上在 0.1到40重量百分比(wt.%)之間。優(yōu)選堿和堿土離子濃度在堿離子的情況下 在氧化物基礎(chǔ)上為0.1 10 wt.%，而在堿土離子的情況下在氧化物基礎(chǔ)上為 0-25 wt%。
雖然由單層玻璃或玻璃-陶瓷組成的襯底22是優(yōu)選的，但是如果需要?jiǎng)t可 使用疊層結(jié)構(gòu)。在使用疊層結(jié)構(gòu)時(shí)，疊層的最靠近半導(dǎo)體晶片的層應(yīng)具有在此 針對(duì)由單層玻璃或玻璃-陶瓷組成的襯底22討論的性質(zhì)。遠(yuǎn)離半導(dǎo)體晶片10 的層優(yōu)選也具有那些性質(zhì)，但可具有弛豫性質(zhì)，因?yàn)樗鼈儾慌c晶片10的半導(dǎo) 體材料直接作用。在后一種情況下，在不再滿足對(duì)襯底22指定的性質(zhì)時(shí)，可 認(rèn)為襯底22已經(jīng)終結(jié)。
遵循這些相同準(zhǔn)則，半導(dǎo)體晶片IO和玻璃襯底22中的一個(gè)或兩者都可在 它們部分或所有外表面上包括表面層，例如半導(dǎo)體上的氧化物層。當(dāng)出現(xiàn)在半 導(dǎo)體晶片10的表面14和/或襯底22的表面24上時(shí)，這些表面層不應(yīng)具有防止 在晶片10和襯底22之間形成強(qiáng)接合的化合物和/或厚度。特別地，半導(dǎo)體晶片上的具有大于約100納米厚度的氧化物層可導(dǎo)致與玻璃或玻璃-陶瓷襯底弱接 合或沒(méi)有接合。
雖然不希望受任何特殊操作理論的限制，但是相信具有更大厚度的氧化物
層對(duì)電流提供高阻抗，因而減少半導(dǎo)體晶片10與襯底22之間界面處的被相信 生產(chǎn)所需強(qiáng)接合的電解型反應(yīng)。因此，當(dāng)氧化物層出現(xiàn)在半導(dǎo)體晶片10的接 合表面時(shí)，它與絕緣層相反應(yīng)主要起鈍化層的作用。同樣地，在襯底22的鍵 合表面24上形成的氧化物層不應(yīng)干擾電流，且因而將通常(且優(yōu)選)具有小 于約100納米的厚度。當(dāng)表面層出現(xiàn)在半導(dǎo)體晶片10和/或襯底22的接合表面 時(shí)，它們?cè)谕瓿傻腟OI結(jié)構(gòu)中構(gòu)成半導(dǎo)體晶片10和襯底22之間的中間層。
對(duì)于某些晶片/襯底組合，減小其氫濃度的半導(dǎo)體晶片10的接合表面14 的預(yù)處理已被發(fā)現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體晶片10的岸面部分18到襯底22的接合時(shí)有 益。特別地，這種氫濃度的降低已被發(fā)現(xiàn)在將硅膜從注入有氫離子的硅晶片轉(zhuǎn) 移到含堿土離子的玻璃襯底時(shí)尤其重要，這些玻璃襯底諸如用于例如液晶顯示 器的生產(chǎn)的由康寧股份有限公司(Corning Incorporated)玻璃合成物No. 1737 或康寧股份有限公司玻璃合成物No. EAGLE 2000TM制成的襯底。相信氫濃度的 降低也將對(duì)具有例如在850。C 900。C范圍內(nèi)的高應(yīng)變點(diǎn)的玻璃和玻璃陶瓷有 益，高應(yīng)變點(diǎn)被預(yù)期在無(wú)線和其他電子應(yīng)用中為射頻(RF)應(yīng)用所需。
特別地，已發(fā)現(xiàn)在氫離子注入之后，被離子注入的硅晶片的表面具有例如 高氫離子濃度的高氫濃度。硅表面處的氫端接約束接合過(guò)程，且因此已發(fā)現(xiàn)為 獲得硅層向前述類型玻璃襯底的有效轉(zhuǎn)移，通過(guò)使用溫和氧化處理降低經(jīng)離子 注入硅晶片表面上的氫濃度是合乎需要的。氫濃度的降低導(dǎo)致經(jīng)離子注入的硅 晶片更親水，并允許接合在施加電壓和熱期間發(fā)生。在工藝期間形成的強(qiáng)接合 允許硅膜與母晶片的均勻分離。
定量地，已發(fā)現(xiàn)在缺乏降低氫處理時(shí)，只有約10%的玻璃襯底被硅膜覆 蓋，并且即使在被覆蓋區(qū)域硅膜也趨于不均勻。然而，在硅表面上的氫濃度通 過(guò)氧化處理被降低時(shí)，均勻的硅膜被附連到玻璃襯底的整個(gè)表面上。
可使用各種方法來(lái)降低經(jīng)離子注入晶片的表面上的氫濃度。優(yōu)選方法包括 表面的溫和氧化處理，諸如使用氧等離子體處理晶片，使用過(guò)氧化氫、過(guò)氧化 氫和氨水、過(guò)氧化氫和氨水加過(guò)氧化氫和酸的處理，或這些工藝的組合。用氧
13等離子體的處理是優(yōu)選方法，特別在商業(yè)環(huán)境中。雖然不希望受任何特殊操作 理論的限制，但是相信在這些處理期間，氫端接表面基團(tuán)氧化成羥基，該反應(yīng) 又使硅晶片的表面親水。該處理優(yōu)選在室溫下對(duì)氧等離子體執(zhí)行，以及對(duì)氨水
+過(guò)氧化氫或氨水+過(guò)氧化氫加酸+過(guò)氧化氫的處理在25 100°C之間的溫度下執(zhí)行。
雖然前述討論是關(guān)于硅晶片的，但是相信氫濃度的降低將對(duì)由除硅以外的 半導(dǎo)體材料構(gòu)成的經(jīng)氫離子注入的半導(dǎo)體晶片有益。
轉(zhuǎn)到圖3 4，這些附圖表示其中半導(dǎo)體晶片10和襯底18分別與它們的 接合表面14和24接觸的本發(fā)明工藝。在本發(fā)明一實(shí)施例中，晶片10懸掛于 略高于襯底22之處，且表面14接近并基本平行于如上所述的表面24。晶片 10例如通過(guò)用邊緣止動(dòng)器或止動(dòng)器25支承晶片10的邊緣來(lái)懸掛。例如，可使 用四個(gè)邊緣止動(dòng)器25，且它們被置于晶片邊緣的基點(diǎn)。即以相同的角距(例如 0°、 90°、 180。和270。)置于晶片的圓周周圍。雖然分立止動(dòng)器在圖3中示出， 但是止動(dòng)器25可以是環(huán)繞晶片10的圓周的夾緊機(jī)構(gòu)。在適當(dāng)時(shí)，已知的各種 其他配置和機(jī)構(gòu)可被用來(lái)相對(duì)于襯底22的表面24在固定位置上保護(hù)和/或止動(dòng) 晶片的邊緣。施壓之前的表面14和表面24之間的間隔無(wú)需很大，且在一些實(shí) 施例中可以小于約l(Him。然后將加熱器26壓向晶片10的背面28，從而推動(dòng) 岸面部分18的表面14與襯底22的表面24接觸。加熱器/電極26具有與襯底 22的岸面部分18相同的大小和形狀，且在將岸面部分18壓向襯底22時(shí)精確 對(duì)準(zhǔn)到岸面部分18是合乎需要的。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，半導(dǎo)體晶片10和襯底22可以在接觸前被加熱， 例如被加熱以使背面28和30分別為T,和T2。這樣，在接合工藝期間避免了 半導(dǎo)體晶片10和襯底22之間的有差別膨脹?；蛘?，半導(dǎo)體晶片10和襯底22 可在接觸前保持不加熱，但可在已使接合表面14和24接觸之后以及開(kāi)始在半 導(dǎo)體晶片10和襯底22之間施加電壓之前和/或在基本接合已發(fā)生之前的施加電 壓期間被加熱。在執(zhí)行預(yù)加熱時(shí)，接合表面可通過(guò)隔離物分隔，該隔離物一旦 已達(dá)到半導(dǎo)體晶片和襯底22的所需溫度就被去除。
用于進(jìn)行接合的處理室(未示出)可具有多種配置。為試驗(yàn)的目的，由德 國(guó)慕尼黑的Siiss Microtec所售類型的接合器可被用作處理室。相同的器件可被
14用于商業(yè)應(yīng)用，雖然能夠同時(shí)加工多個(gè)晶片/襯底組件的設(shè)備一般將是優(yōu)選的。 因?yàn)楸景l(fā)明使用較低到中等的溫度、壓力、電場(chǎng)強(qiáng)度、以及真空等級(jí)，所 以處理室需要滿足的要求不是苛刻的，這是本發(fā)明的另一重要優(yōu)點(diǎn)，即本發(fā)明 可使用既相對(duì)便宜又廣泛可用或容易為客戶應(yīng)用制造的設(shè)備來(lái)實(shí)踐。
接合工藝(例如由箭頭32表示施加電壓、壓力和溫度)被執(zhí)行一段足以
使半導(dǎo)體晶片接合表面14和襯底接合表面24相互接合的時(shí)間。例如，可執(zhí)行 接合45到90分鐘。當(dāng)然通常更短的時(shí)段是優(yōu)選的(例如少于30分鐘的時(shí) 間)，且在商業(yè)環(huán)境中，預(yù)期接合半導(dǎo)體晶片10和襯底22所需的時(shí)間可通過(guò) 襯底材料、工藝溫度和所施加電壓的最優(yōu)化被減少到5-15分鐘的時(shí)段或更短。
晶片和襯底的接合優(yōu)選在中等真空條件下在其中發(fā)生接合的室內(nèi)執(zhí)行。優(yōu) 選腔內(nèi)的壓力小于或等于l毫巴，且更優(yōu)選地小于或等于10-3毫巴?；蛘?，接 合工藝可在諸如氬、氦等的氣氛之類的惰性氣氛中執(zhí)行。
如以上所討論和圖3中所示地，接合在Vi〉V2且優(yōu)選T,〈T2的條件下執(zhí) 行，其中Vi和I分別是表面28的電壓和溫度，而V2和T2分別是表面30的 電壓和溫度。
Vj和V2優(yōu)選滿足以下關(guān)系
100伏特/厘米《-V2)/D S 40千伏特/厘米，
其中D是在接合期間表面28、 30之間的距離。(、-V2)/D比率的優(yōu)選值 在約5-20千伏/厘米的范圍內(nèi)。 Tj和T2優(yōu)選滿足以下關(guān)系 Ts- 350 ^1^1;+ 350;以及 Ts-350《W350;
其中Ts是氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷的應(yīng)變點(diǎn)，且Ts、 T,和丁2是攝 氏度。如以上所討論地，Ts小于1000°C，可以小于800°C，且還可以小于約 700°C。
通常，Ti和T2都將大于或等于300。C且小于或等于800。C，雖然如果需 要可使用更高或更低的溫度。在此范圍內(nèi)，對(duì)如康寧股份有限公司玻璃合成物 No. 7070和7740，例如450°C左右溫度的低溫通常是優(yōu)選的。
除它們?cè)趯?shí)現(xiàn)接合半導(dǎo)體晶片10和襯底22中的作用之外，如上所討論地，L和T2被選擇成在冷卻時(shí)提供第一和第二襯底的有差別收縮，以使在本發(fā)明
優(yōu)選實(shí)施例中，襯底22比晶片10更大程度地收縮，從而在分離帶12弱化晶 片10、并產(chǎn)生半導(dǎo)體膜處于與拉應(yīng)力相反的壓應(yīng)力之下的SOI結(jié)構(gòu)。通常地
并優(yōu)選地，T2將大于Tp且Ti和T2通常滿足以下關(guān)系
5。c《T2-150°C,
且優(yōu)選滿足以下關(guān)系
10°C《T2-Tt《150°C。
此外，晶片10和襯底22的熱膨脹系數(shù)以及所選溫差將優(yōu)選滿足以下關(guān)系 中的至少一個(gè)，且更優(yōu)選以下兩個(gè)關(guān)系都滿足。
CTEi - 20 X 10_7/°C S CTE2《CTE, + 20 X 10力。C;和/或 (T2 _ T"CTE2 -CTEJ《30X 10_5, T2 > T1;
其中CTEi是基本單晶半導(dǎo)體材料在0°C的熱膨脹系數(shù)，且CTE2是氧化 物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷在0-300°C的熱膨脹系數(shù)。在應(yīng)用這些關(guān)系時(shí)，氧化 物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷在0-300°C的CTE (即CTE2)優(yōu)選滿足關(guān)系
5 X 10_7/。C S CTE2 S 75 X 10_7/°C。
在接合表面14和24之后，所接合的半導(dǎo)體晶片10和襯底22被冷卻例如 到室溫，且岸面部分18與晶片10的剩余部分即部分34分離。因?yàn)樵诶鋮s期 間發(fā)生的分離帶12弱化，所以分離可在不干擾岸面部分18和襯底22之間的 接合或不破壞岸面部分18或襯底22的情況下執(zhí)行。在許多情況下，分離僅涉 及晶片背面28上力的釋放，因?yàn)樵诶鋮s期間，岸面部分18可變得完全脫離晶 片部分34。因?yàn)榫琁O實(shí)質(zhì)上既剛性又有彈性，所以在晶片10中通過(guò)約束邊 緣并將力施加到背側(cè)產(chǎn)生的彎曲還產(chǎn)生彈性恢復(fù)力。在施加到晶片10背側(cè)的 力被去除時(shí)，恢復(fù)力可足以使岸面部分18與晶片10的剩余部分分離。在一些 情況下，類似被用來(lái)從光滑物體去除家用塑料保鮮膜的輕柔剝離動(dòng)作可被用來(lái) 在冷卻結(jié)束時(shí)分離兩個(gè)部分(18、 34)，但因?yàn)榫?0和襯底22的有差別收 縮以及分離帶的所得弱化不需要比這更多。
岸面部分18與晶片部分34的分離通常將導(dǎo)致分離帶12的一部分結(jié)束與 岸面部分18的關(guān)聯(lián)并且部分地結(jié)束與晶片部分34的剩余部分的關(guān)聯(lián)。取決于 處理?xiàng)l件和最終用途，由此分離產(chǎn)生的岸面部分18和晶片部分34的暴露外表面，即剝落表面可按現(xiàn)狀使用或可在使用前要求例如拋光、蝕刻、摻雜等的后
續(xù)處理。例如，在另一輪整個(gè)工藝中再用作供體晶片(donorwafer)之前，晶 片部分34的剝落表面可進(jìn)行常規(guī)接觸拋光(例如化學(xué)機(jī)械拋光)從而為接合 到新襯底提供充分光滑的表面。這些拋光或其他表面處理還可適用于在用于制 造薄膜晶體管或其他電子器件之前被接合岸面部分18的剝落表面。
雖然一般不是優(yōu)選地，但可構(gòu)想部分冷卻晶片10和襯底22，然后例如使 晶片和襯底相對(duì)彼此扭曲地施加分離力、同時(shí)繼續(xù)使晶片和襯底經(jīng)受升高的溫 度、電場(chǎng)和所施加的壓力。這樣的分離可例如在接合工藝的一半時(shí)開(kāi)始。
如上所述， 一旦岸面部分18從晶片10的剩余部分分離，則所得SOI結(jié)構(gòu) 即岸面部分18和所附連的襯底22可按需進(jìn)行進(jìn)一步加工，以供結(jié)構(gòu)的預(yù)期使 用。特別地，接合部分18的暴露剝落表面可例如被處理以去除任何粗糙度或 其他由分離工藝引起的缺陷。類似地，可處理晶片部分34的暴露剝落表面以 供后來(lái)用作例如新(略微薄些)晶片。
對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，上述工藝可被重復(fù)很多次應(yīng)該是顯而易見(jiàn) 的。即半導(dǎo)體晶片被離子注入，晶片的一部分被去除以留下凸起部分，該凸起 部分然后通過(guò)約束晶片的邊緣并壓低晶片的背側(cè)以使凸起部分與襯底接觸同 時(shí)施加壓力、電壓和熱來(lái)與襯底接合，然后使晶片沿由離子注入產(chǎn)生的缺陷邊 界分離晶片。晶片然后可通過(guò)在剝落表面拋光晶片、再次離子注入晶片以及與 前面一樣地進(jìn)行處理被再使用。因而，本發(fā)明可被用來(lái)如上所述地且如在圖4 中被最佳示出地平鋪襯底22的表面。雖然圖4將先前所接合的半導(dǎo)體膜36與 新接合的半導(dǎo)體膜之間的間隔示為較大的，但此距離僅為清楚起見(jiàn)示出。在實(shí) 踐中，優(yōu)選接合到并剝落到基板上的半導(dǎo)體膜的各部分與前述半導(dǎo)體膜片(例 如在圖4中繪出的膜36)緊密貼合以最小化各片之間的間隙。此外， 一旦襯底 己覆蓋有硅膜片，則硅膜的表面就可在需要時(shí)被拋光，以確保膜的光滑度和/ 或厚度。如果需要，則在拋光之前間隙可根據(jù)常規(guī)方法被填充。
應(yīng)該強(qiáng)調(diào)本發(fā)明的上述各實(shí)施例、尤其任何"優(yōu)選"實(shí)施例僅是實(shí)現(xiàn)的可 能示例，僅為清楚理解本發(fā)明的原理而闡述。可對(duì)本發(fā)明的上述各實(shí)施例作許 多變化和修改，而不完全背離本發(fā)明的精神和原理。所有這些修改和變化旨在 被包括在本公開(kāi)的范圍內(nèi)，且本發(fā)明受以下權(quán)利要求書(shū)保護(hù)。
權(quán)利要求
1. 一種在襯底(22)上形成半導(dǎo)體膜的方法，包括提供半導(dǎo)體晶片(10)；離子注入所述半導(dǎo)體晶片；去除所述半導(dǎo)體晶片(10)的各部分(16)以在所述晶片上形成凸起部分(18)；將所述晶片(10)的所述凸起部分(18)接合到所述襯底(22)；使所述凸起部分(18)與所述晶片(10)分離以在所述襯底上形成所述半導(dǎo)體膜。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述接合包括約束所述晶片 的邊緣并向所述凸起部分(18)施壓以使其與所述襯底接觸。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述約束包括以相同角間距 將所述晶片邊緣約束在所述晶片(10)的圓周周圍。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述凸起部分(18)是矩形的。
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述接合是陽(yáng)極接合。
6. —種在玻璃襯底(22)上形成半導(dǎo)體膜的方法，包括 在半導(dǎo)體晶片(10)上形成分離帶(12);去除所述半導(dǎo)體晶片(10)的一部分(16)以在所述晶片上形成凸起部分 (18);使所述凸起部分(18)陽(yáng)極接合到所述玻璃襯底(22); 使所述凸起部分(18)與所述晶片(10)分離；以及 其中所述接合包括約束所述晶片的邊緣，并且向所述凸起部分施壓以使其 與所述襯底接觸。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括在所述接合之前 加熱所述晶片和所述襯底。
8. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體晶片包括硅。
9. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述去除包括從由光刻、子孔徑確定性和選擇性拋光、以及通過(guò)等離子體輔助化學(xué)蝕刻的子孔徑加工構(gòu)成 的組中選出的方法。
10. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述形成分離帶包括離子注 入從由氫、氦、硼及其組合構(gòu)成的組中選出的離子。
11. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括用半導(dǎo)體膜平鋪所述襯底的所述表面。
12. —種由如權(quán)利要求6所述的方法制造的絕緣體上半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
13. —種用于形成SOI結(jié)構(gòu)的方法，包括a. 提供具有至少一個(gè)基本平坦的第一表面(14)和與所述第一表面相對(duì) 的第二表面(28)的圓形半導(dǎo)體晶片(10);b. 通過(guò)離子注入在所述晶片內(nèi)距所述晶片第一表面(14)預(yù)定深度處形 成缺陷邊界(12);c. 從所述晶片去除材料以形成凸起的矩形區(qū)(18);d. 將所述晶片(10)置于平坦襯底(22)上以使表面(14)與所述襯底 的表面基本平行；e. 約束所述晶片的邊緣；f. 使所述凸起矩形區(qū)(18)與所述襯底接觸；g. 通過(guò)陽(yáng)極接合使所述凸起矩形區(qū)(18)與所述基板(22)接合；h. 使所述晶片沿所述缺陷邊界(12)分離，從而在所述襯底(22)上形 成半導(dǎo)體層。
14. 如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體晶片包括硅。
15. 如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述襯底是玻璃或玻璃-陶瓷。
16. 如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括反復(fù)步驟b.到 h.以用半導(dǎo)體層平鋪所述襯底。
17. 如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括在重復(fù)步驟b. 到h.之前拋光所述晶片的第一表面。
18. 如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括拋光所述被平 鋪的半導(dǎo)體層。
19. 如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述約束包括以相同角間 距將所述晶片邊緣約束在所述晶片的圓周周圍。
20. —種由如權(quán)利要求13所述的方法制造的絕緣體上半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
全文摘要
公開(kāi)了一種將半導(dǎo)體薄膜接合到矩形襯底(22)的方法。該方式使矩形半導(dǎo)體膜從圓形前體半導(dǎo)體晶片剝落成為可能，從而用半導(dǎo)體膜提供襯底的有效平鋪。該方法包括通過(guò)晶片的離子注入在前體晶片(10)中產(chǎn)生損傷帶(12)的步驟、去除晶片的部分(16)以形成凸起部分(18)、將晶片(10)的凸起部分接合到襯底(22)、以及剝落所接合的凸起部分。
文檔編號(hào)G02F1/1333GK101479651SQ200780022389
公開(kāi)日2009年7月8日 申請(qǐng)日期2007年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月12日
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