[发明专利]改进的薄化法制造的玻璃绝缘体上的半导体

说明书

背景技术

本发明涉及采用改进的膜薄化法制造绝缘体上半导体(SOI)结构。 

迄今，最广泛用于绝缘体上半导体结构的半导体材料是硅。文献中将这种结构称作绝缘体上硅结构，并缩写为“SOI”。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。SOI结构可以包括在绝缘材料上的基本为单晶硅的薄层(厚度一般为0.1-0.3微米，但有些情况，厚度可达5微米)。 

为便于陈述，有时下面的讨论按SOI结构进行。参照这种特定SOI结构类型来说明本发明，但是这种特定结构并不意图，并且也不会以任何方式限制本发明的范围。本文中使用SOI缩写来一般性表示绝缘体上的半导体结构，包括但不限于绝缘体上的硅结构。类似地，本文中使用SiOG缩写来一般性表示玻璃上的半导体结构，包括但不限于玻璃上的硅结构。SiOG术语还意图包括在玻璃-陶瓷上的半导体结构，包括但不限于在玻璃-陶瓷上的硅结构。缩写SOI包括SiOG结构。 

获得SOI结构晶片的各种方法包括在晶格匹配的基片上外延生长硅(Si)。另一种方法包括将单晶硅晶片与另一个其上已生长SiO₂的氧化物层的硅晶片结合，然后对顶部的晶片向下抛光或蚀刻例如0.05-0.3微米的单晶硅层。另一些方法包括离子注入法，该方法中，将氢或者氧注入，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晶片相结合的薄硅层。 

前两种方法无法得到在成本和/或结合强度以及耐久性方面都令人满意的结构。涉及氢离子注入的后一种方法已经引起注意，并被认为好于前面的方法，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。 

美国专利第5,374,564号公开一种采用热法获得基材上单晶硅膜的方法。对具有平坦面的硅晶片进行以下步骤：(i)通过由离子轰击硅晶片的一个面进行注入，形成气态微气泡层，该层限定出硅晶片的下部区域以及构成硅薄膜的 上部区域；(ii)使硅晶片的平坦面与刚性材料层(如绝缘氧化物材料)接触；和(iii)在高于进行离子轰击温度的温度下，对硅晶片和绝缘材料的组件进行热处理的第三阶段。第三阶段采用的足够高的温度，以将硅薄膜和绝缘材料结合在一起，在微气泡中产生压力效应，使硅薄膜与剩余的硅晶片体分离。(因为该高温步骤，该方法不能用低成本的玻璃或玻璃陶瓷基材运作。) 

美国专利申请第2004/0229444号揭示一种制备SiOG结构的方法。该方法的步骤包括：(i)对硅晶片表面进行氢离子注入，产生结合表面；(ii)使该硅晶片的结合表面与玻璃基片接触；(iii)在该晶片和玻璃基片上施加压力、温度和电压，促进它们之间的结合；和(iv)冷却该结构至常温，促进玻璃基片和硅薄层从硅晶片分离。 

刚脱落后形成的SOI结构可能显示过高的表面粗糙度(如，约大于或等于10纳米)，硅层厚度过大(即使可以认为该层是“薄的”)，以及对硅层的注入损害(如，由于形成非晶形硅层)。一些人提议在硅表面从硅材料晶片脱落后采用化学机械抛光(CMP)对SOI结构进一步处理。但是，不利的是，CMP法在抛光时不能从硅薄膜表面均匀地去除材料。对半导体薄膜，典型的薄膜非均匀性(标准偏差/平均去除厚度)在3-5％范围。去除的薄膜厚度越多，薄膜厚度的变化相应更差。 

CMP法的上述缺点对一些玻璃上硅的应用而言尤其成为问题，因为在某些情况下需要去除高达约300-400纳米的材料来获得所需的硅膜厚度。例如，在薄膜晶体管(TFT)制造方法中，可能要求硅膜厚度在小于或等于100纳米范围。另外，对TFT结构还要求表面粗糙度小。 

CMP法的另一个问题是在对矩形SOI结构(如，有尖锐的角)进行抛光时的结果很差。确实，与SOI结构的中心部分相比其角部分存在的上述表面非均匀性被扩大。此外，预期大的SOI结构(如，用于光电应用)，其产生的矩形SOI结构对常规CMP设备(通常设计用于300毫米的标准晶片尺寸)而言太大。成本也是SOI结构的商业化应用的一个重要考虑因素。但是，CMP法在时间和金钱方面的费用都较高。如果需要非常规的CMP设备来满足大的SOI结构尺寸，则成本问题将会明显恶化。

发明概述