玻璃和玻璃-陶瓷上锗结构制造技术

一种绝缘体上的半导体结构，该结构包括第一层和第二层，第一层和第二层可以直接相互接合，或通过一个或多个中间层接合。第一层包含基本为单晶的锗半导体材料；第二层包含玻璃或玻璃－陶瓷材料，该玻璃或玻璃－陶瓷材料在２５－３００℃的线性热膨胀系数在锗第一层的线性热膨胀系数的＋／－２０×１０↑［－７］／℃范围之内。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及绝缘体上的半导体(SOI)结构，如在玻璃或玻璃陶瓷上的半导体， 以及涉及这种绝缘体上半导体结构的制造方法。具体地，本专利技术涉及玻璃或玻璃-陶瓷上锗结构(GeOG)，更具体地是在膨胀匹配的玻璃或玻璃-陶瓷基材上的锗。迄今为止，最广泛用于绝缘体上半导体结构的半导体材料是硅。在文献中 将这种结构称为绝缘体上硅结构(silicon-on-insulator structure),这种结构使 用縮写SOI。绝缘体上硅的技术在以下应用中的重要性日益增加高性能 光伏应用(如，太阳能电池)，薄膜晶体管应用，以及有源矩阵显示器之类的显 示器。己知的绝缘体上硅晶片包含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，但是，在某些情况厚度可达5微米)。为了便于陈述，下文的讨论将时常使用术语绝缘体上硅结构。通过借 用这种特定种类的绝缘体上半导体结构来方便对本专利技术的解释，但绝不是、也 不应理解为对本专利技术的范围构成任何限制。在本文中，縮写SOI—般地表示绝 缘体上半导体结构，其包括但不限于绝缘体上硅和绝缘体上锗结构。类似地，縮 写SOG用来一般地表示玻璃上半导体(semiconductor-on-glass)结构，其包括但 不限于玻璃上硅(silicon-on-glass)(SiOG)和玻璃上锗(GeOG)结构。术语SOG还 包括玻璃-陶瓷上半导体结构，其包括但不限于玻璃-陶瓷上硅结构。縮写SOI 包括SOG结构。得到SOI结构的各种方法包括在晶格匹配的基材上外延生长Si。另一种方 法包括将单晶硅晶片结合在另一硅晶片上，后者之上已生长有SK)2的氧化层， 然后将顶部晶片抛光或蚀刻至例如0.1-0.3微米的单晶硅层。其他方法包括离子 注入法，在此方法中，注入氢离子或氧离子，对于氧离子注入情况，在顶部具 有Si的硅晶片中形成埋置的氧化物层，或者对于氢离子注入情况，使薄Si层分离(剥落)，使另一Si晶片与氧化层结合。从成本和/或结合强度(bond stregth)以及耐久性方面考虑，前两种方法 都不能得到满意的结构。后一种方法包括氢离子注入，这种方法已引起人们的 注意，并被认为比前两种方法具有优势，因为这种方法所需的注入能量小于注 入氧离子时的能量的50%,所需的注入剂量比前两种方法小两个数量级。通过氢离子注入的剥落方法通常由以下步骤组成。在单晶硅晶片上生长热 氧化层。然后将氢离子注入该晶片中，产生表面下的裂纹。注入能量决定了产 生裂纹的深度，注入剂量决定了裂纹密度。然后在室温下将该晶片与另一硅晶 片(支承基片)相接触地放置，形成暂时性结合。然后将晶片加热处理至大约600 °C，造成表面下的裂纹生长，使硅薄层从硅晶片上分离。然后将所得的组件加 热至高于1,00(TC，使具有Si02下层的Si膜与支承基片(即未进行注入的Si晶片) 充分结合。因此该方法形成了一种SOI结构，在此结构中，硅膜与另一硅晶片 互相结合，其间具有氧化物绝缘体层。成本是SOI结构用于工业应用的一个重要问题。迄今为止，上述方法和结构 的成本中的主要部分是硅晶片的成本，该硅晶片支承着所述顶部具有Si薄膜的 氧化层，也就是说成本中的主要部分是支承基片的成本。尽管在各专利中已经 提到了使用石英作为支承基片(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；以及第6,391,740号)，但是石英本 身是较为昂贵的材料。在讨论支承基片的时候，上述一些参考文献提到了石英 玻璃、玻璃和玻璃-陶瓷。这些文献中所列的其它支承基材包括金刚石、蓝宝石、 碳化硅、氮化硅、陶瓷、金属和塑料。美国专利第5， 374， 564号讨论的方法是采用热法来获得在基片上的单晶硅 膜。使具有平坦面的半导体材料晶片进行以下步骤(i)通过离子轰击晶片的 一个面进行注入，产生气态微气泡层，该层限定了构成基片本体(mass)的下部 区域和构成薄膜的上部区域；(ii)使晶片的平坦面与由至少一个刚性材料层构 成的补强件(stiffener)接触；和(iii)在一定温度下对晶片和补强件的组件进 行热处理的第三阶段，所述温度高于进行离子轰击时的温度，并足以在微气泡 中产生压力效应以及在薄膜和基片本体之间产生分离。由于该高温步骤，这种 方法不能用较低成本的玻璃或玻璃-陶瓷基片进行。美国专利申请第2004/0229444号揭示产生S0G结构的方法。这些步骤包括 (i)将硅晶片表面与氢离子注入接触，产生结合表面；(ii)使晶片的结合表面与玻璃基片接触；(iii)在晶片和玻璃基片上施加压力、温度和电压，以促进 它们之间的结合；和(iv)冷却该结构至常温，以促进玻璃基片和硅薄层从该硅 晶片上分离。在美国专利申请第2004/0229444号中揭示的形成SOI的技术显示， 产生了结合于玻璃基片的相对薄的半导体层(如，约l-5微米)。虽然这种半导体厚度即使不是对大多数应用、但对某些应用也是足够的， 并且也是对厚度通常至少为200微米的块状半导体材料的改进，这些硅或基于 硅的合金和/或氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷基的SOI结构不能为诸如MOS晶 体管、光学检测器和其他光电器件以及高性能太阳能电池/光伏器件的其他应 用提供满意的半导体层厚度。近年来，在美国专利申请第2005/0093100和2005/0042842号以及美国专 利第6， 759， 712号中揭示了为达到更薄的半导体层SOI结构的各种结构，以及 基于绝缘体上锗(也称为GOI)的器件的制造方法。在前述GOI申请中揭示的 半导体导电膜的厚度一般小于200纳米(0.2微米)。如其中揭示的，与硅相比， 锗具有较高的载流子(空穴和电子)迁移率和光吸收，因此锗能有效用于薄膜高性能/高量子效率的应用/器件。除了具有高电子和空穴迁移率外，锗的其他优 点有，例如，所需的接触电阻和掺杂活化温度比硅低，因此促进形成浅结 (shallow junction)。虽然在这些研究的参考文献中所述的绝缘体 一般是埋置在半导体材料 (Ge， Si， GaAs, SiC...)内的氧化物或氮化物的绝缘层，但是揭示玻璃可作为可 能的非半导体的材料、基片。与Ge结合时，与使用玻璃作为基片材料有关的 一个问题是Ge膜与其结合的基片之间可能存在的热膨胀不匹配；在Ge膜位于 二氧化硅玻璃上时，这种现象特别成为问题。明显的膨胀不匹配会导致高的膜 应力和可能碎裂或分层。尽管薄膜GeOI器件具有上述的益处，但是在使用玻璃作为绝缘体/基片时 仍普遍存在上述的不匹配问题，并且还未得到解决。因此，需要GeOI，特别是 包含玻璃绝缘体/基片的GeOG器件，这种器件不存在上述的膨胀不匹配问题即， GeOG器件中，基片的热膨胀特性与Ge半导体膜的CTE特性相容。专利技术概述本专利技术的一个实施方式涉及一种绝缘体上的半导体结构，该结构包含第一层 和第二层，第一层和第二层可以直接相互接合，或通过一个或多个中间层接合。第一层包含基本为单晶的锗半导体材料，而第二层包含玻璃或玻璃-陶瓷材料，这种材料的线性热膨胀系数(25-300°0在锗第一层的线性热膨胀系数的+/_20 X10—7。C范围之内。在另一个实施方式中，第二层包含本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种绝缘体上半导体结构，该结构包括第一层和第二层，第一层和第二层可以直接相互接合，或通过一个或多个中间层接合，其中　第一层包含基本为单晶的含锗半导体材料；　第二层包含玻璃或玻璃－陶瓷，该玻璃或玻璃－陶瓷在２５－３００℃的线性热膨胀系数在锗第一层的线性热膨胀系数的＋／－２０×１０↑［－７］／℃范围之内。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2006-1-3 60/755,934;US 2006-5-1 11/415,7321.一种绝缘体上半导体结构，该结构包括第一层和第二层，第一层和第二层可以直接相互接合，或通过一个或多个中间层接合，其中第一层包含基本为单晶的含锗半导体材料；第二层包含玻璃或玻璃-陶瓷，该玻璃或玻璃-陶瓷在25-300℃的线性热膨胀系数在锗第一层的线性热膨胀系数的+/-20×10-7/℃范围之内。2. 如权利要求1所述的绝缘体上半导体结构，其特征在于，所述玻璃或玻 璃-陶瓷在25-30(TC的线性热膨胀系数在50-70X1(T7。C范围。3. 如权利要求l所述的绝缘体上半导体结构，其特征在于，所述玻璃或玻 璃-陶瓷在25-300'C的线性热膨胀系数为61X10—7°C。4. 如权利要求l所述的绝缘体上半导体结构，其特征在于，所述玻璃或玻 璃-陶瓷的应变点大于或等于700°C。5. 如权利要求l所述的绝缘体上半导体结构，其特征在于，所述玻璃具有 包含以下组分的组成，所述组成按照重量百分比并由氧化物基准的批料计算 15-45% Si02， 7. 5-15% A1203, 15-45 % MgO+CaO+SrO+BaO以及最多55% RE203， 所述RE选自以下的稀土元素Sc， Y， La, Ce， Pr， Nd， Sm, Eu， Gd， Tb， Dy, Ho， Er， Tm， Yb， Lu，以及它们的混合物。6. 如权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：PS丹尼尔森，MJ德内卡，KP加德卡里，JC拉普，LR平克尼，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]