应变绝缘体上半导体结构以及应变绝缘体上半导体结构的制造方法技术

本发明专利技术涉及具有应变半导体层的绝缘体上半导体结构。根据本发明专利技术的一个实施例，一种绝缘体上半导体结构具有包括半导体材料、附连到包括玻璃或玻璃陶瓷的第二层的第一层，且将半导体和玻璃或玻璃陶瓷的ＣＴＥ选择成使第一层受到拉伸应变的作用。本发明专利技术还涉及该应变绝缘体上半导体层的制造方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍
1.专利
本专利技术一般涉及半导体结构，尤其涉及绝缘体上半导体(semiconductor-on-insulator)结构以及绝缘体上半导体结构的制造方法。至今，绝缘体上半导体结构中最常用的半导体材料是硅。这种结构在本文中称为绝缘体上硅(silicon-on-insulator)结构，并且将缩写“SOI”应用于这种结构。本专利技术一般涉及绝缘体上半导体结构，包括绝缘体上硅结构。为了便于说明起见，以下讨论有时按照绝缘体上硅结构来进行。对该特定类型的绝缘体上硅结构进行了参考以便于解释本专利技术，但不旨在并且不应被解释为以任何方式限制本专利技术的范围。缩写SOI此处一般用于指绝缘体上半导体结构，包括但不限于绝缘体上硅结构。类似地，缩写SOG一般用于指玻璃上半导体(semiconductor-on-glass)结构，包括但不限于玻璃上硅(silicon-on-glass)结构。术语SOG也旨在包括玻璃陶瓷上半导体(semiconductor-on-glass-ceramic)结构，包括但不限于玻璃陶瓷上硅(silicon-on-glass-ceramic)结构。缩写SOI包括SOG。
技术介绍
绝缘体上硅技术对于高性能薄膜晶体管、太阳能电池和诸如有源矩阵显示器之类的显示器正变得日益重要。绝缘体上硅晶片由绝缘材料上的一薄层基本是单晶的硅(一般厚度是0.1-0.3微米，但在某些情况下有5微米厚)构成。获得这一晶片的各种方法包括在晶格匹配的衬底上Si的外延生长；将单晶硅片接合到其上已生长了氧化物层SiO2的另一硅晶片上，然后将顶部晶片抛光或蚀刻成例如0.1至0.3微米的单晶硅层；或离子注入法，其中将氢离子或氧离子注入，以便在氧离子注入的情况下在由Si覆盖的硅晶片中形成隐埋氧化物层或者在氢离子注入的情况下分离(剥离)Si薄层以接合到另一个具有氧化物层的Si晶片上。在这三种方法中，发现基于离子注入的方法在商业上更加实用。具体地，氢离子注入法优于氧离子注入法，在于所需的注入能量小于氧离子注入所需能量的50％且所需剂量比氧离子注入低两个数量级。通过氢离子注入法的剥离最初在例如Bister等人的“Ranges of the 0.3-2MeVH+and 0.7-2MeV H2+Ions in Si and Ge”Radiation Effects，1982，59199-202中有所讲解，并由Michel Bruel，See Bruel的美国专利第5,374,564号；M Bruel，Electronic Lett.31，1995，第1201-1202页；以及L Dicioccio，Y Letiec，F Letertre，C Jaussad和M Bruel的Electronic Lett32，1996，第1144-1145页进一步阐明。以上引用的出版物中的每一篇都通过引用结合于此。该方法一般包括以下步骤。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的裂纹。注入能量决定生成裂纹的深度，而剂量决定裂纹密度。然后将该晶片在室温下与另一个硅晶片(支撑衬底)接触以形成临时接合。然后将晶片热处理到约600℃以使用于将一薄层硅从Si晶片分离的表面下裂纹生长。然后将所得组件加热到高于1000℃的温度以用下层的SiO2将Si膜完全接合到支撑衬底，即，未注入的Si晶片。该过程由此形成了绝缘体上硅结构，其中硅薄膜接合到另一硅晶片，且它们之间有一氧化物绝缘体层。对于SOI结构的商业应用而言，成本是一个重要的考虑因素。至今，这种结构的成本的主要部分是支撑由Si薄膜覆盖的氧化物层的硅晶片的成本，即，成本的主要部分是支撑衬底。尽管在各个专利中提到了将石英用作支撑衬底(参见美国专利第6,140,209号；6,211,041号；6,309,950号；6,323,108号；6,335,231号；和6,391,740号)，但石英本身就是相对昂贵的材料。在讨论支撑衬底时，以上参考文献中的一些提及了石英玻璃、玻璃和玻璃陶瓷。在这些参考文献中列出的其它支撑衬底材料包括金刚石、蓝宝石、碳化硅、氮化硅、陶瓷、金属和塑料。正如本专利技术的专利技术人所发现的，在SOI结构中用由不昂贵的材料形成的晶片来代替硅晶片决不是一件易事。具体地，难以用可低成本大量制造的类型的玻璃或玻璃陶瓷来代替硅晶片，即，难以制造节省成本的SOG结构。这是因为在本专利技术前，本
中没有将玻璃或玻璃陶瓷用作绝缘体上半导体结构中的支撑结构的实用技术。“应变硅效应”用于在基于硅的半导体材料中获得较高的电子迁移率和空穴迁移率。如美国专利第6,107,653号和6,539,641号中所述的，应变硅膜是通过将Ge浓度逐渐增加的SiGe层沉积到硅片上的，然后在最上面的SiGe层上形成硅层。SiGe层和硅层之间热膨胀失配使硅层受到拉伸应力。在应变硅层中，电子受到较小的阻力并且比未应变硅中的流动快70％，从而获得比在未应变硅中制造的同等尺寸的器件快35％的微电子器件。然而，应变硅衬底的成本可能很高，因为在本专利技术之前，本
中没有用于制造将应变半导体层和玻璃或玻璃陶瓷作为支撑衬底的绝缘体上半导体结构的实用技术。专利技术概述本专利技术的一个实施例涉及一种绝缘体上半导体结构，该结构包括直接地或通过一个或多个中间层彼此附连的第一层和第二层，其中第一层包括基本上是单晶的半导体材料；第二层包括玻璃或玻璃陶瓷；玻璃或玻璃陶瓷的CTE(25℃-300℃)正向小于(less positive)半导体材料的CTE(25℃)。本专利技术的另一个实施例涉及一种绝缘体上半导体结构，该结构包括直接地或通过一个或多个中间层彼此附连的第一层和第二层，其中第一层包括基本上是单晶的半导体材料；第二层包括玻璃或玻璃陶瓷；其中该绝缘体上半导体结构具有使用温度Tuse；并且其中 大于0。本专利技术的另一个实施例涉及一种绝缘体上半导体结构的制造方法，包括(A)提供第一和第二衬底，其中(1)第一衬底包括用于接合到第二衬底的第一外表面(第一接合面)、用于将力施加到第一衬底的第二外表面(第一施力面)、以及用于将第一衬底分隔成第一部分和第二部分的内区(分隔区)，其中(a)第一接合面，第一施力面和分隔区基本上互相平行；(b)第二部分在分隔区和第一接合面之间；以及(c)第一衬底包括基本上是单晶的半导体材料；以及(2)第二衬底包括两个外表面，一个外表面用于接合到第一衬底(第二接合面)，而另一个外表面用于向第二衬底施加力(第二施力面)，其中(a)第二接合面和第二施力面基本上互相平行，并彼此隔开距离D2；以及(b)第二衬底包括玻璃或玻璃陶瓷；(B)使第一和第二接合面接触；(C)持续足以使第一和第二衬底在第一和第二接合面处互相接合的一段时间，同时(1)将力施加到第一和第二施力面以将第一和第二接合面压在一起；(2)使第一和第二衬底受到分别由第一和第二施力面上的第一电压V1和第二电压V2表征的电场的作用，所述电压在这些面上是均匀的，且V1高于V2，使得电场从第一衬底指向第二衬底；以及(3)加热第一衬底和第二衬底，所述加热分别由第一和第二施力面上的第一T1和第二温度T2来表征，所述温度在这些面上是均匀的且被选择为使得在冷却到常温后，第一和第二衬底经历不同的收缩由此削弱分隔区处的第一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种绝缘体上半导体结构，包括直接地或通过一个或多个中间层互相附连的第一层和第二层，其中所述第一层包括基本上是单晶的半导体材料；所述第二层包括玻璃或玻璃陶瓷；以及所述玻璃或玻璃陶瓷的ＣＴＥ（２５℃－３００℃）正向小于所 述半导体材料的ＣＴＥ（２５℃）。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2004-8-18 60/602,7821.一种绝缘体上半导体结构，包括直接地或通过一个或多个中间层互相附连的第一层和第二层，其中所述第一层包括基本上是单晶的半导体材料；所述第二层包括玻璃或玻璃陶瓷；以及所述玻璃或玻璃陶瓷的CTE(25℃-300℃)正向小于所述半导体材料的CTE(25℃)。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的CTE(25℃-300℃)至少比所述半导体材料的CTE(25℃)正向小3×10-7/℃。3.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的CTE(25℃-300℃)至少比所述半导体材料的CTE(25℃)正向小5×10-7/℃。4.如权利要求1所述的绝缘体上半导体结构，其特征在于，所述第一层在25℃下受到拉伸应变的作用。5.如权利要求1所述的绝缘体上半导体结构，其特征在于，所述第一层具有至少约是所述半导体材料在基本上未拉伸的状态下的体迁移率的105％的体迁移率。6.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具有小于1050℃的应变点。7.如权利要求1所述的绝缘体上半导体结构，其特征在于，所述半导体材料是基于硅的半导体材料。8.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具有不正向大于约22×10-7/℃的CTE(25℃-300℃)。9.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具有不正向大于约20×10-7/℃的CTE(25℃-300℃)。10.如权利要求1所述的绝缘体上半导体结构，其特征在于，所述半导体材料的CTE(25℃)和所述玻璃或玻璃陶瓷的CTE(25℃-300℃)之差不大于约30×10-7/℃。11.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选自由铝硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、铝硼硅酸盐玻璃和稀土铝硅酸盐玻璃组成的组。12.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是铝磷硅酸盐玻璃。13.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包括碱离子或碱土离子。14.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是具有尖晶石、β-石英或β-锂辉石晶相的玻璃陶瓷。15.如权利要求1所述的绝缘体上半导体结构，其特征在于，所述第一层在温度Tbond下接合到所述第二层，且其中所述绝缘体上半导体结构具有使用温度Tuse，且其中 大于0。16.如权利要求1所述的绝缘体上半导体结构，其特征在于，所述第一层在温度Tbond下接合到所述第二层，且其中 大于0。17.如权利要求1所述的绝缘体上半导体结构，其特征在于，所述第一层和第二层之间的接合强度至少是8J/m2。18.如权利要求1所述的绝缘体上半导体结构，其特征在于，所述第二层(i)具有相隔距离D2的第一和第二基本上平行的面，所述第一面比所述第二面更靠近所述第一层；(ii)具有1)在所述第二层内、2)基本上平行于所述第一面、以及3)与该面相隔距离D2/2的基准面；(iii)包括一种或多种类型的阳离子，每一种类型的阳离子具有所述基准面处的基准浓度Ci/Ref；以及(iv)具有在所述第一面处开始并向所述基准面延伸的区域(阳离子耗尽区)，其中至少一种类型的阳离子的浓度相对于所述离子的基准浓度Ci/Ref是耗尽的。19.如权利要求18所述的绝缘体上半导体结构，其特征在于，所述在所述第一面处开始并向所述基准面延伸的区域具有远边，且其中所述第二层还具有(v)所述远边附近的区域(堆叠区)，其中所述至少一种类型的阳离子的浓度相对于所述离子的Ci/Ref是增加的。20.如权利要求18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包括碱离子或碱土离子中的一种或多种，且所述阳离子耗尽区耗尽所述碱离子或碱土离子中的一种或多种。21.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包括一种或多种类型的阳离子，其中所述玻璃或玻璃陶瓷中以氧化物为基准计的锂、钠和钾离子之和小于约百分之2的重量。22.如权利要求1所述的绝缘体上半导体结构，其特征在于，所述第一层具有大于10cm的最大尺寸。23.如权利要求1所述的绝缘体上半导体结构，其特征在于，所述结构的至少一部分依次包括所述半导体材料；具有增加的氧含量的所述半导体材料；具有对于至少一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：KP加德卡尔，MJ德杰纳卡，LR平克尼，BG艾特肯，
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]