專利名稱：用于制備多層式晶體結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般而言涉及多層式晶體結(jié)構(gòu)的制備方法。
背景技術(shù)：
包括諸如硅鍺或藍(lán)寶石層的具有器件質(zhì)量表面的器件層和具有與器件層的材料不同的晶格結(jié)構(gòu)的硅襯底的多層式結(jié)構(gòu)被用于各種不同目的。這些多層式結(jié)構(gòu)典型包括具有不同熱膨脹系數(shù)的多個(gè)材料層。然而，在制造這樣的結(jié)構(gòu)期間，在多層式結(jié)構(gòu)被加熱時(shí)，不同的熱膨脹率在多層式結(jié)構(gòu)中可產(chǎn)生極大的應(yīng)力，這會(huì)使器件層或襯底破裂。這一點(diǎn)嚴(yán)重限制了這些不同類的對(duì)在制造期間可被暴露到的最大溫度。包括接合到襯底的器件質(zhì)量層(device quality layer)的多層式結(jié)構(gòu)可以多種方式制造。例如，在一種方法中，可以通過(guò)直接層轉(zhuǎn)移而形成多層式結(jié)構(gòu)。在該方法中，注入的晶片被直接接合到襯底，經(jīng)受低溫退火，并進(jìn)行熱和/或機(jī)械劈裂(cleave)以在襯底表面上產(chǎn)生薄但卻粗糙的層。該粗糙層然后必須被平滑化?？梢栽谙鄬?duì)低的溫度下使用化學(xué)機(jī)械拋光步驟實(shí)現(xiàn)某種程度的平滑化。然而，化學(xué)機(jī)械拋光通常不適合于獲得當(dāng)前技術(shù)狀態(tài)的多層式結(jié)構(gòu)所需的均勻性，因而是不希望的。還可以使用熱方法來(lái)減薄和平滑化晶片表面；然而，雖然熱方法容易實(shí)現(xiàn)膜目標(biāo)厚度、均勻性以及平滑度，但卻需要晶片被加熱到高溫，因此這會(huì)因上述應(yīng)力而損害膜的結(jié)晶性。可以制造或制備這樣的多層式結(jié)構(gòu)并解決平滑化問(wèn)題的另一方法包括將絕緣體上硅晶片接合到異類襯底并對(duì)二者進(jìn)行低溫接合強(qiáng)化退火(參見(jiàn)例如D. V. Singh, L. Shi, K.ff. Guarni, P. M. Mooney, S. J. Koester 和 A. Grill 白勺“Electronic Materialslol. 32, no. 11,Pg. 1339,2003)。然后，可以將處理晶片(handle wafer)研磨或向下蝕刻到BOX層，并通過(guò)氫氟酸蝕刻去除BOX層。暴露的硅層表面從而具有與初始絕緣體上硅晶片相同的厚度，并且最終暴露的表面具有與經(jīng)拋光的表面相似的粗糙度而不需要化學(xué)機(jī)械拋光或熱步驟。然而，以該方式制備的多層式結(jié)構(gòu)并非沒(méi)有問(wèn)題。例如，由于整個(gè)處理晶片必須被研磨或蝕刻掉，該方法變得費(fèi)時(shí)且昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
因而，簡(jiǎn)要地，本發(fā)明涉及一種用于制備多層式晶體結(jié)構(gòu)的方法。所述方法包括將選自氫、氦及其組合的離子注入到供體(donor)結(jié)構(gòu)中。所述供體結(jié)構(gòu)包括中心軸和器件層，所述器件層具有與所述中心軸大致垂直的注入表面和器件表面以及沿軸方向從所述器件層的所述注入表面延伸到所述器件表面的平均厚度t。所述供體結(jié)構(gòu)還包括處理層以及中間層，所述中間層沿所述供體結(jié)構(gòu)的所述中心軸位于所述器件表面與所述處理層之間。所述離子通過(guò)所述注入表面而在所述供體結(jié)構(gòu)中被注入到注入深度Dl以在注入的供體結(jié)構(gòu)中形成損傷層，所述注入深度Dl大于所述器件層的厚度t，所述損傷層大致垂直于所述軸并位于所述中間層中和/或所述處理層中。所述方法還包括將所述注入的供體結(jié)構(gòu)接合到第二結(jié)構(gòu)以形成接合結(jié)構(gòu)；沿所述損傷層劈裂所述供體結(jié)構(gòu)以形成包括所述第二結(jié)構(gòu)、所述器件層以及殘留材料(residual material)的多層式晶體結(jié)構(gòu),所述殘留材料至少包括所述中間層的一部分和可選地所述處理層的一部分；以及從所述多層式晶體結(jié)構(gòu)去除所述殘留材料。
在另一方面，本發(fā)明涉及一種用于制備多層式微電子器件的方法。所述方法包括提供微電子器件并將所述微電子器件接合到通過(guò)上述方法形成的所述多層式晶體結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的其他目的和特征將在下文中部分地明顯且被部分地指出。


圖1A為供體結(jié)構(gòu)10的截面示意圖，該供體結(jié)構(gòu)10包括器件層14、處理層20以及中間層22。處理層20中的虛線24表示存在于其中的損傷層24。
圖1B為在與IA的供體結(jié)構(gòu)接合之前的第二結(jié)構(gòu)26的截面示意圖。
圖2為通過(guò)使供體結(jié)構(gòu)(圖1A中示例)的器件層14的表面與第二結(jié)構(gòu)26 (圖1B 中示例)的表面接觸而產(chǎn)生的接合結(jié)構(gòu)30的截面示意圖。
圖3為示例了沿處理層20中的損傷層24的接合結(jié)構(gòu)30的分離和由此的器件層 14、中間層22以及可選地存在于其上的處理層20的殘留部分(residual portion)40向第二結(jié)構(gòu)26的轉(zhuǎn)移的截面示意圖。
圖4為本發(fā)明的多層式晶體結(jié)構(gòu)42的截面示意圖。
在附圖中，對(duì)應(yīng)參考標(biāo)號(hào)指示對(duì)應(yīng)的部分。
具體實(shí)施方式
根據(jù)本發(fā)明，發(fā)現(xiàn)了用于制造多層式晶體結(jié)構(gòu)的改善的方法。更具體而言，發(fā)現(xiàn)了使用層轉(zhuǎn)移和化學(xué)蝕刻技術(shù)提供用于更有效地制造多層式晶體結(jié)構(gòu)的改善的方法。根據(jù)本發(fā)明，供體結(jié)構(gòu)可以為通常至少包括器件層、處理晶片以及設(shè)置在器件層與處理晶片之間的中間層的任何結(jié)構(gòu)。有利地，供體結(jié)構(gòu)的處理晶片可以被反復(fù)利用多次。為了本文中示例的目的，供體結(jié)構(gòu)為絕緣體上硅結(jié)構(gòu)。
應(yīng)注意，在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中用于供體結(jié)構(gòu)的絕緣體上硅結(jié)構(gòu)是通過(guò)公知方法形成的。這樣的方法包括例如通過(guò)如下的SOI形成氧注入(Simox)、將半導(dǎo)體晶片接合到氧化的處理層(handle)并研磨/蝕刻掉半導(dǎo)體晶片的一部分(BES0I)、或在序列號(hào)為 2007/0041566和2007/0117350的美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)中描述的接合和層轉(zhuǎn)移技術(shù)，通過(guò)引用將其整個(gè)內(nèi)容并入到本文中以用于所有目的。優(yōu)選地，本發(fā)明的方法利用晶片接合和層轉(zhuǎn)移技術(shù)制備供體結(jié)構(gòu)。因此，本發(fā)明將在這些技術(shù)的上下文中被更詳細(xì)地闡明。然而，應(yīng)理解，這是為了示例的目的，不應(yīng)被視為限制性的。還應(yīng)理解，在本發(fā)明的實(shí)施中，這些技術(shù)可以適當(dāng)?shù)厥褂帽绢I(lǐng)域中公知的各種裝置和工藝條件實(shí)施，并且在某些情況下，可以被略去或與其他技術(shù)和條件組合而不背離本發(fā)明的范圍。
1.多層式晶體結(jié)構(gòu)的形成
本發(fā)明的多層式晶體結(jié)構(gòu)可以通過(guò)如下步驟制備將離子注入到包括器件層、 處理層和中間層的供體結(jié)構(gòu)中，將供體結(jié)構(gòu)接合到第二結(jié)構(gòu)以形成接合結(jié)構(gòu)(bonded structure)，從保持接合到第二結(jié)構(gòu)的器件層劈裂處理層的全部或一部分和可選的中間層的一部分，以及可選地從器件層蝕刻剩余的處理層和/或中間層的一部分或全部，由此暴露器件層。在一個(gè)實(shí)施例中，第一結(jié)構(gòu)(本文中稱為“供體結(jié)構(gòu)”)為SOI結(jié)構(gòu)，第二結(jié)構(gòu)為藍(lán)寶石晶片。
供體結(jié)構(gòu)提供用于最終的多層式晶體結(jié)構(gòu)的器件層。下文中，其他襯底將稱為“第二結(jié)構(gòu)”。第二結(jié)構(gòu)可以由藍(lán)寶石、石英晶體、碳化硅、硅或玻璃構(gòu)成。在一個(gè)替代實(shí)施例中， 在將供體結(jié)構(gòu)接合到第二結(jié)構(gòu)之前，在供體結(jié)構(gòu)和第二結(jié)構(gòu)中的至少一者上設(shè)置一定量的接合層。
A.供體結(jié)構(gòu)
現(xiàn)在參考圖1A，供體結(jié)構(gòu)10包括中心軸12和器件層14，其中器件層14包括注入表面16和器件表面18。注入表面16和器件表面18通常垂直于中心軸12。平均厚度t沿軸方向從器件層14的注入表面16延伸到器件表面18。供體結(jié)構(gòu)10還包括處理層20和中間層22，該中間層22沿供體結(jié)構(gòu)10的中心軸12位于器件表面18和處理層20之間。
器件層包括適用于微電子或光伏器件的制造的任何材料。器件層典型包括選自硅、碳化硅、藍(lán)寶石、鍺、硅鍺、氮化鎵、氮化鋁或其任何組合的材料。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中， 器件層包括娃。
通常，器件層具有適合于制造微電子和光伏器件的平均厚度t ;然而，器件層可以具有大于典型使用的厚度的厚度而不背離本發(fā)明的范圍。通常，器件層具有至少約20nm，典型地至少約90nm的平均厚度t，并可以具有從約20nm到約50 0nm的厚度t。
中間層可以為能夠附接到器件層和處理層二者并可由離子注入滲透的任何材料。 典型地，中間層為介電層并包括選自二氧化硅和氮化硅的材料。通常，中間層具有至少約 IOnm,典型地至少約50nm的平均厚度。
處理層可以為可在其上沉積中間層的任何材料。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，將離子注入到處理層中。在這樣的實(shí)施例中，處理層包括適合于離子注入的材料并能夠通過(guò)本領(lǐng)域公知的離子注入和層離(delamination)技術(shù)而被劈裂。典型地，處理層包括選自硅、 碳化硅、藍(lán)寶石、鍺、硅鍺、氮化鎵、氮化鋁、砷化鎵、砷化銦鎵或其任何組合的材料。
通常，處理層可以具有能夠提供充分的結(jié)構(gòu)完整性以允許層離中間層的至少一部分和器件層以及可選地處理層的一部分的任何厚度而不背離本發(fā)明的范圍。通常，處理層可以具有至少約100微米，典型地至少約200微米的平均厚度，并可以具有從約100到約 900微米，或甚至從約500到約800微米的厚度。
在一些實(shí)施例中，供體晶片10可以還包括在將離子注入到供體結(jié)構(gòu)10之前或之后和/或在將供體結(jié)構(gòu)10接合到第二結(jié)構(gòu)26之前在注入表面16上形成的接合層，例如， 氧化層、沉積的氧化物、TE0S、CVD氮化物或有機(jī)粘合劑。替代地或附加地，可以在接合之前在第二結(jié)構(gòu)上形成接合層。接合層的施加提供了供體結(jié)構(gòu)10與第二結(jié)構(gòu)26之間的接合界面，以防止在將供體結(jié)構(gòu)10與第二結(jié)構(gòu)26直接接合期間出現(xiàn)的界面間隙的形成。雖然并不需要，但當(dāng)存在時(shí)，接合層可以具有至少IOnm的平均厚度，并可以具有至少約I微米、至少約3微米或更大的平均厚度。
應(yīng)注意，可使用本領(lǐng)域中公知的技術(shù)形成供體結(jié)構(gòu)。例如，可以使用層轉(zhuǎn)移方法、 背側(cè)蝕刻方法或SIMOX方法形成供體結(jié)構(gòu)。
還應(yīng)注意，上述范圍和最小厚度值對(duì)于本發(fā)明并不十分關(guān)鍵，只要該厚度足以通過(guò)任何上述方法進(jìn)行器件層到第二結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移即可。
重新參考圖1A，通過(guò)注入表面16將諸如氫和/或氦的離子注入在基本上均勻的深度處。在示例性實(shí)施例中，離子被注入通過(guò)注入表面16并進(jìn)入到處理層20至注入深度 D1，其中D1大于器件層和中間層的組合厚度。然而，在另一實(shí)施例中，離子可以被注入通過(guò)注入表面16并進(jìn)入到中間層12中，使得離子不到達(dá)處理層。應(yīng)該注意，在其中在注入發(fā)生之前接合層被沉積在注入表面上的實(shí)施例中，可以增加注入深度D1以將接合層的增加的厚度考慮進(jìn)去。離子注入在其中注入了離子的層中限定了損傷層。在示例性實(shí)施例中，如圖1A所示，離子注入在處理層20中限定了損傷層24。
通常，離子被注入到這樣的平均深度，該平均深度足以確保在隨后的接合和劈裂工藝后器件層14的令人滿意的轉(zhuǎn)移。優(yōu)選地，注入深度被最小化以減小隨器件層轉(zhuǎn)移的處理層20和/或中間層的量。通常，依賴于器件層和中間層的厚度，離子被注入到在注入表面之下的至少約200埃，或甚至至少約I微米的深度。在一些實(shí)施例中，離子可以被注入到至少約20nm,典型地至少約90nm、至少約250nm或甚至至少約500nm的深度。然而,應(yīng)該注意，在不背離本發(fā)明的范圍的情況下，可以使用更大的注入深度，這是因?yàn)檫@些更大的注入深度僅僅增加了在劈裂之后為了顯露出器件層而必須去除的中間層和/或處理層的量。這樣，可以優(yōu)選將離子注入到從約200埃到約I微米或甚至從約20nm到約500nm的深度。
可以使用本領(lǐng)域公知 的手段實(shí)現(xiàn)離子注入。例如，可以根據(jù)序列號(hào)為6，790，747 的美國(guó)專利的方法的方式實(shí)現(xiàn)注入，通過(guò)引用將其全部?jī)?nèi)容并入到本文中。在一些實(shí)施例中，可以使用例如至少約IOkeV,至少約20keV,至少約80kev或至少約120kev的能量以至少約IxlO16離子/cm2，至少約2xl016離子/cm2，至少約IxlO17離子/cm2，或甚至至少約2xl017 離子/cm2的劑量注入氫。典型地，注入的氫的濃度可以為從約2xl016離子/cm2到約6xl016 離子/cm2。應(yīng)注意，氫可以作為H2+或作為H+注入而不背離本發(fā)明的范圍。
在其他實(shí)施例中，可以使用例如至少約IOkeV,至少約20keV，或至少約30keV，至少約50keV,至少約80keV,或甚至至少約120keV的能量以至少約5xl015離子/cm2,至少約 IxlO16離子/cm2，至少約5xl016離子/cm2，或甚至至少約IxlO17離子/cm2的劑量注入氦。典型地，注入的氦的濃度可以為從約IxlO16離子/cm2到約3xl016離子/cm2。
在其他實(shí)施例中，注入氫和氦二者。應(yīng)注意，組合注入氫和氦二者可以同時(shí)進(jìn)行， 或依次進(jìn)行，在氦之前注入氫，或在氫之前注入氦。優(yōu)選地，依次注入氫和氦，其中首先使用至少約IOkeV,至少約20keV,或至少約30keV,至少約50keV,至少約80keV,或甚至至少約 120keV的能量以至少約5xl015離子/cm2,至少約IxlO16離子/cm2,至少約5xl016離子/cm2, 或甚至至少約IxlO17離子/cm2的劑量注入氦，然后使用至少約IOkeV,至少約20keV，或至少約30keV,至少約50keV,至少約80keV或甚至至少約120kev的能量以至少約5xl015離子 /cm2，至少約IxlO16離子/cm2，至少約5xl016離子/cm2，或甚至至少約IxlO17離子/cm2的劑量在與氦基本上相同的深度處注入氫。在一個(gè)實(shí)施例中，例如，使用約36keV將約IxlO16He+ 離子/cm2注入到供體結(jié)構(gòu)中，之后，以約48keV將約O. 5xl016H2+離子/cm2或以約24keV將約IxlO16H+離子/cm2注入到供體結(jié)構(gòu)中。進(jìn)行離子向供體結(jié)構(gòu)中的注入所需的能量的具體的量依賴于所選擇的離子的類型和形式，離子被注入通過(guò)和進(jìn)入的材料的結(jié)晶結(jié)構(gòu)和所希望的注入深度。應(yīng)注意，可以在適合于這樣的注入的任何溫度下進(jìn)行注入。然而，典型地， 可以在室溫下進(jìn)行注入。還應(yīng)注意，對(duì)于這一點(diǎn)，所提及的注入溫度為全局溫度，并且由于離子注入的性質(zhì)，可能在離子束的實(shí)際位置處出現(xiàn)局部溫度尖峰。
在進(jìn)行注入之后，可以對(duì)供體結(jié)構(gòu)10進(jìn)行熱處理以開(kāi)始在損傷層24處形成劈裂面。例如，可以在從約150°C到約375°C的溫度下對(duì)供體結(jié)構(gòu)進(jìn)行持續(xù)I小時(shí)到約100小時(shí)的時(shí)長(zhǎng)的熱處理。在備選實(shí)施例中，如下面所描述的，該熱處理可以與在將供體結(jié)構(gòu)10接合到第二結(jié)構(gòu)26之后進(jìn)行的熱處理組合以同時(shí)強(qiáng)化供體結(jié)構(gòu)10與第二結(jié)構(gòu)26之間的接合并開(kāi)始在損傷層24處形成劈裂面。
B.處理晶片結(jié)構(gòu)
現(xiàn)在參考圖1B，第二結(jié)構(gòu)26包括具有接合表面28的單一 晶片或多層式晶片。在示例性實(shí)施例中，如圖1B所示，第二結(jié)構(gòu)26為單一晶片。第二結(jié)構(gòu)26可以包括選自藍(lán)寶石、石英晶體、玻璃、碳化硅、硅、氮化鎵、氮化鋁、氮化鎵鋁或其任何組合的材料。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，第二結(jié)構(gòu)26包括藍(lán)寶石晶片。
C.晶片接合和器件層的轉(zhuǎn)移
一旦制備或選擇了供體結(jié)構(gòu)10和第二結(jié)構(gòu)26，形成最終的多層式晶體結(jié)構(gòu)包括將供體結(jié)構(gòu)10的器件層14轉(zhuǎn)移到第二結(jié)構(gòu)26上。一般而言，通過(guò)如下步驟實(shí)現(xiàn)該轉(zhuǎn)移 使器件層14的注入表面16與第二結(jié)構(gòu)26的接合表面28接觸以形成具有在這兩個(gè)表面之間的接合界面32的單一的接合結(jié)構(gòu)30，然后沿著沿?fù)p傷層24形成的劈裂面而劈裂或分離該接合結(jié)構(gòu)。
在接合之前，可以使用本領(lǐng)域公知的技術(shù)，注入表面16和/或接合表面28可以可選地經(jīng)歷清潔、短時(shí)(brief)蝕刻和/或平坦化來(lái)制備用于接合的這些表面。不受特定理論的限制，通常認(rèn)為在接合之前的兩個(gè)表面的質(zhì)量將對(duì)所產(chǎn)生的接合界面的質(zhì)量或強(qiáng)度具有直接影響。
替代地或附加地，為了進(jìn)一步調(diào)節(jié)注入表面16和/或接合表面28，可以在將供體結(jié)構(gòu)接合到第二結(jié)構(gòu)之前在注入表面和/或接合表面上形成接合層。應(yīng)注意，當(dāng)在供體結(jié)構(gòu)上形成接合層時(shí)，在注入步驟之前或之后，進(jìn)行這樣的形成。接合層可以包括適合于將供體結(jié)構(gòu)接合到第二結(jié)構(gòu)的任何材料，包括例如，諸如二氧化硅的氧化物層、氮化硅、諸如 TEOS的沉積的氧化物以及接合粘合劑。不受特定理論的限制，接合層的包含提供了供體接合10與第二結(jié)構(gòu)26之間的接合截面以防止形成在供體結(jié)構(gòu)10和第二結(jié)構(gòu)26的直接接合期間會(huì)出現(xiàn)的界面間隙。熱氧化物生長(zhǎng)溫度的范圍可以從至少約800°C到約1100°C，以及接合層的厚度的范圍典型為從約IOnm到約200nm。接合層的生長(zhǎng)氣氛典型地包括用于干氧化的氧氣、氮?dú)狻鍤夂?或其混合物和用于濕氧化的水蒸氣。典型地在低溫下(即，從約 400°C到約600°C)沉積CVD沉積的氧化物。此外，可以在室溫或稍高的溫度下以至少I微米的厚度施加某些接合粘合劑，然后在到約200°C的溫度下烘烤或固化。
表面的粗糙度為定量測(cè)量表面質(zhì)量的一種方式，其中較低表面粗糙度值對(duì)應(yīng)于較高質(zhì)量表面。因此，器件層14的注入表面16和/或第二結(jié)構(gòu)26的接合表面28可以經(jīng)歷處理以降低表面粗糙度。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，表面粗糙度小于約5埃。該降低的RMS值可通過(guò)清潔和/或平坦化在接合之前實(shí)現(xiàn)?？梢愿鶕?jù)諸如親水表面制備工藝的濕化學(xué)清潔過(guò)程來(lái)進(jìn)行清潔。一種常用的親水表面制備工藝為RCA SCl清潔工藝，其中使表面與約60°C 的包含氫氧化銨、過(guò)氧化氫以及水(比率為例如1:4:20)的溶液接觸約10分鐘，之后用去離子水清洗并旋轉(zhuǎn)干燥?？梢允褂没瘜W(xué)機(jī)械拋光(CMP)技術(shù)進(jìn)行平坦化。此外，可以在濕法清潔工藝之前、之后或替代濕法清潔工藝，對(duì)表面中的一個(gè)或兩個(gè)進(jìn)行等離子體激活以增大所產(chǎn)生的接合強(qiáng)度。等離子體環(huán)境可以包括例如氧、氨、氬、氮、乙硼烷(diboran)或膦。 在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，等離子體激活環(huán)境選自氮、氧及其組合。
現(xiàn)在參考圖2，通過(guò)將器件層14的注入表面16和第二結(jié)構(gòu)26的接合表面28設(shè)置到一起而形成接合界面32，將供體結(jié)構(gòu)10接合到第二結(jié)構(gòu)26。一般而言，可使用本領(lǐng)域公知的實(shí)質(zhì)上任何技術(shù)實(shí)現(xiàn)晶片接合，只要用以實(shí)現(xiàn)接合界面的形成的能量足以確保在隨后的處理(例如，通過(guò)劈裂或分離的層轉(zhuǎn)移)期間保持接合界面的完整性。然而，典型地， 通過(guò)使器件層的表面和第二結(jié)構(gòu)在室溫下接觸，之后以足以產(chǎn)生具有大于約500mJ/m2、約 750mJ/m2、約1000mJ/m2或更高的接合強(qiáng)度的接合界面的時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行低溫退火，來(lái)實(shí)現(xiàn)晶片接合。為了實(shí)現(xiàn)這樣的接合強(qiáng)度值，典型地在至少約200 V、300 V、400 V或甚至500 V的溫度下持續(xù)至少約5分鐘、30分鐘、60分鐘或甚至300分鐘的時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行加熱。如上所述，在一個(gè)實(shí)施例中，與在上述接合之前對(duì)供體結(jié)構(gòu)的熱處理組合地或替代該熱處理，進(jìn)行該低溫?zé)嵬嘶?。在其中在接合之前沒(méi)有對(duì)供體結(jié)構(gòu)10進(jìn)行熱退火的實(shí)施例中，接合結(jié)構(gòu)30的低溫?zé)嵬嘶鹩欣诮雍辖缑娴膹?qiáng)化以及沿?fù)p傷層24的劈裂面的形成。
現(xiàn)在參考圖3，在已經(jīng)形成接合界面32之后，使所產(chǎn)生的接合結(jié)構(gòu)30經(jīng)歷足以誘導(dǎo)沿處理層20內(nèi)的損傷層24的開(kāi)裂(fracture)的條件。一般而言，可以使用本領(lǐng)域公知的技術(shù)，例如通過(guò)機(jī)械或熱劈裂，來(lái)實(shí)現(xiàn)該開(kāi)裂。然而，典型地，通過(guò)在升高的溫度下持續(xù)誘導(dǎo)開(kāi)裂的時(shí)長(zhǎng)對(duì)結(jié)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行退火來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)裂。例如，退火溫度可以為至少約200°C，至少約250°C或更高。在一些實(shí)施例中，該退火甚至可以在至少約350°C、450°C、550°C、65(rC或甚至750°C的溫度下，典型地在從約200°C到約750°C、更典型從約200°C到約400°C的溫度下進(jìn)行。然而，應(yīng)注意，由于所包括的各種材料(例如，硅和藍(lán)寶石)的不同熱膨脹系數(shù)，歸因于供體材料和處理層之間的熱失配，通常優(yōu)選在較低的溫度下進(jìn)行上述退火。因此，可以優(yōu)選使用從約200°C到約300°C的退火溫度進(jìn)行退火。以至少約5分鐘、30分鐘、60分鐘或甚至30分鐘的時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行該退火。較高的退火溫度將需要較短的退火時(shí)間，反之亦然?？梢栽诃h(huán)境或惰性氣氛(例如，氬或氮)中，進(jìn)行該退火步驟。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，分離(B卩，使該結(jié)構(gòu)沿處理層20內(nèi)的損傷層24開(kāi)裂)包括單獨(dú)地或與退火處理組合地施加機(jī)械力。施加這樣的機(jī)械力的實(shí)際手段對(duì)于本發(fā)明并不關(guān)鍵；即，可以采用施加在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中誘導(dǎo)分離的機(jī)械力的任何公知方法，只要可以避免對(duì)器件層的實(shí)質(zhì)損傷即可。
再次參考圖3，在分離后形成兩個(gè)結(jié)構(gòu)(34和36)。如果沿處理層20中的損傷層 24發(fā)生接合結(jié)構(gòu)30的分離并且劈裂面不與接合界面32相符而是存在于處理層20中，則處理層的一部分為這兩個(gè)結(jié)構(gòu)的部分(即，處理層的一部分與中間層22和器件層14 一起被轉(zhuǎn)移)。在示例性實(shí)施例中，結(jié)構(gòu)34包括處理層20的某部分38。結(jié)構(gòu)36包括第二結(jié)構(gòu)26、 器件層14、中間層22以及在其表面上的處理層20的殘留部分40。在其中離子被注入到使損傷層完全形成在中間層內(nèi)的深度的替代實(shí)施例中，結(jié)構(gòu)34包括整個(gè)處理層和可選的中間層的一部分，且結(jié)構(gòu)36包括第二結(jié)構(gòu)26、器件層14以及中間層22的全部或一部分。
當(dāng)存在時(shí)，處理層20的殘留部分40具有厚度(T)，該厚度(T)近似等價(jià)于離子被注入到處理層20中的深度。因此，該厚度(T)典型地大于約10nm。例如，在一些情況下，殘留層可以可選地為至少約20nm、50nm、75nm、100nm、200nm厚或更大。優(yōu)選地，厚度(T)足以避免在分離后對(duì)器件層14的損傷；例如，在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，殘留部分的厚度在約20nm到約200nm之間。2.在層轉(zhuǎn)移之后完成多層式晶體結(jié)構(gòu)
A.殘留處理層的去除
根據(jù)本發(fā)明并參考圖3和4，在已經(jīng)將器件層14、中間層22的至少一部分以及可選地處理層20的殘留部分40轉(zhuǎn)移到第二結(jié)構(gòu)26以形成接合結(jié)構(gòu)30之后，對(duì)接合結(jié)構(gòu)30 進(jìn)行附加處理以制造具有用于在其上的器件制造的希望的特征的多層式晶體結(jié)構(gòu)。例如， 如果存在處理層20的殘留部分40，可以對(duì)接合結(jié)構(gòu)30進(jìn)行一個(gè)或多個(gè)處理步驟以去除該殘留部分以及中間層22。雖然可以使用本領(lǐng)域的基本上任何公知技術(shù)，優(yōu)選通過(guò)蝕刻去除殘留部分40和中間層22?？梢愿鶕?jù)包括處理層20的殘留部分40的組成、中間層22的組成以及蝕刻劑的選擇性的各種因素來(lái)選擇蝕刻組成。在一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)使用包括ΝΗ40Η、 H2O2以及H2O的蝕刻劑的濕法蝕刻工藝去除處理層20的整個(gè)殘留部分40和基本上整個(gè)中間層22。該蝕刻劑為本領(lǐng)域的技術(shù)人員所公知并通常稱為“SCI”溶液。這樣的蝕刻工藝典型地在從約50°C到約80°C的溫度下進(jìn)行，這樣的蝕刻的時(shí)長(zhǎng)依賴于要去除的層的厚度、 SCl組成的確切組成以及進(jìn)行該蝕刻的溫度。在另一實(shí)施例中，可以使用KOH溶液去除處理層，并可以使用HF溶液去除中間層。有利地，HF溶液將去除中間層而不使器件層表面粗糙化。在另一實(shí)施例中，使用SCl溶液去除處理層并使用HF溶液去除中間層。
如圖4所示，最終的多層式晶體結(jié)構(gòu)42包括第二結(jié)構(gòu)26和器件層14。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，最終的多層式晶體結(jié)構(gòu)42包括具有接合到其的硅層的藍(lán)寶石層。
3.多層式晶體結(jié)構(gòu)
根據(jù)本發(fā)明制備的多層式晶體結(jié)構(gòu)可以具有從約300 μ m到約800 μ m的范圍的基本上均勻的厚度。優(yōu)選地，在這些或其他實(shí)施例中，器件層具有從約20nm到約200nm的厚度，且第二結(jié)構(gòu)具有從約300 μ m到約800 μ m的厚度。
根據(jù)本發(fā)明制造的多層式晶體結(jié)構(gòu)可被用于各種技術(shù)。例如，本發(fā)明的多層式晶體結(jié)構(gòu)適用于制造包括微電子器件和本發(fā)明的多層式晶體結(jié)構(gòu)的多層式微電子器件。合適的微電子器件包括但不限于晶體管和天線結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種用于制備多層式晶體結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括將選自氫、氦及其組合的離子注入到供體結(jié)構(gòu)中，其中所述供體結(jié)構(gòu)包括中心軸、器件層、處理層以及中間層，所述器件層具有與所述中心軸大致垂直的注入表面和器件表面以及沿軸方向從所述器件層的所述注入表面延伸到所述器件表面的平均厚度t，所述中間層沿所述供體結(jié)構(gòu)的所述中心軸位于所述器件表面與所述處理層之間，其中所述離子通過(guò)所述注入表面而被注入到所述供體結(jié)構(gòu)中至注入深度Dl以在注入的供體結(jié)構(gòu)中形成損傷層，所述注入深度Dl大于所述器件層的厚度t，所述損傷層大致垂直于所述軸并位于所述中間層中和/或所述處理層中；將所述注入的供體結(jié)構(gòu)接合到第二結(jié)構(gòu)以形成接合結(jié)構(gòu)；沿所述損傷層劈裂所述供體結(jié)構(gòu)以形成包括所述第二結(jié)構(gòu)、所述器件層以及殘留材料的多層式晶體結(jié)構(gòu)，所述殘留材料至少包括所述中間層的一部分和可選地所述處理層的一部分；以及從所述多層式晶體結(jié)構(gòu)去除所述殘留材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，使用至少約IOkeV的注入能量注入所述離子。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，使用至少約SOkeV的注入能量注入所述離子。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，使用高至120keV的注入能量注入所述離子。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，至少約IxlO16離子/cm2被注入到所述供體結(jié)構(gòu)中。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，至少約2xl016離子/cm2被注入到所述供體結(jié)構(gòu)中。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，至少約IxlO17離子/cm2被注入到所述供體結(jié)構(gòu)中。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，至少約2xl017離子/cm2被注入到所述供體結(jié)構(gòu)中。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括熱處理所述注入的供體結(jié)構(gòu)以開(kāi)始劈裂面的形成。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中，熱處理所述注入的供體結(jié)構(gòu)包括將所述注入的供體結(jié)構(gòu)加熱到從約150°C到約300°C的溫度，持續(xù)時(shí)長(zhǎng)為從約I小時(shí)到約100小時(shí)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，將所述注入的供體結(jié)構(gòu)接合到第二結(jié)構(gòu)包括熱處理所述接合結(jié)構(gòu)以強(qiáng)化所述供體結(jié)構(gòu)與所述第二結(jié)構(gòu)之間的接合以及形成所述損傷層。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中，熱處理所述接合結(jié)構(gòu)包括對(duì)所述接合結(jié)構(gòu)進(jìn)行低溫?zé)嵬嘶稹?br> 13.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中，所述低溫?zé)嵬嘶鸢▽⑺龆鄬邮浇Y(jié)構(gòu)加熱到從約150°C到約600°C的溫度，持續(xù)時(shí)長(zhǎng)為從約I分鐘到約100小時(shí)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述器件層包括選自硅、碳化硅、藍(lán)寶石、鍺、硅鍺、 氮化鎵、氮化鋁、砷化鎵、砷化銦鎵或其任何組合的材料。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述中間層是介電層。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法,其中,所述中間層包括選自二氧化娃和氮化娃的材料。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述處理層包括可分裂的材料。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中，所述處理層包括選自硅、碳化硅、藍(lán)寶石、鍺、硅鍺、 氮化鎵、氮化鋁、砷化鎵、砷化銦鎵或其任何組合的材料。
19.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述第二結(jié)構(gòu)選自藍(lán)寶石、石英晶體、玻璃、碳化硅、 硅、氮化鎵、氮化鋁、氮化鎵鋁、砷化鎵、砷化銦鎵或其任何組合。
20.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，注入所述供體結(jié)構(gòu)包括將選自氦和氫的原子注入通過(guò)所述供體結(jié)構(gòu)的所述器件層并進(jìn)入到所述中間層中。
21.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述離子被注入到至少約200埃的深度Dl。
22.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述離子被注入到在所述注入表面之下的從約200 埃到約I微米的深度Dl。
23.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述離子被注入到在所述器件層之下的從約20nm 到約500nm的深度Dl。
24.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述第二結(jié)構(gòu)包括選自藍(lán)寶石的材料。
25.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述第二結(jié)構(gòu)包括多層式襯底。
26.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述方法還包括在將所述供體結(jié)構(gòu)接合到所述第二結(jié)構(gòu)之前在所述第二結(jié)構(gòu)和所述器件層中的至少一者上沉積或生長(zhǎng)接合層。
全文摘要
本發(fā)明一般而言涉及用于制造多層式晶體結(jié)構(gòu)的方法。所述方法包括將離子注入到供體結(jié)構(gòu)中，將經(jīng)注入的供體結(jié)構(gòu)接合到第二結(jié)構(gòu)以形成接合結(jié)構(gòu)，劈裂所述接合結(jié)構(gòu)，以及從完成的多層式晶體結(jié)構(gòu)去除所述供體結(jié)構(gòu)的任何殘留部分。
文檔編號(hào)H01L21/18GK103026460SQ201080064913
公開(kāi)日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2010年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月30日
發(fā)明者D·A·維特, J·L·利伯特 申請(qǐng)人:Memc電子材料有限公司