[发明专利]使用高纯度离子喷淋制造SOI结构

说明书

技术领域

本发明涉及制造绝缘体上半导体(“SOI”)结构的方法。具体地，本发明涉及使用高纯度离子喷淋注入(ion shower implantation)制造SOI结构的方法。本发明可用于例如绝缘体上半导体结构如绝缘体上硅结构，玻璃上半导体结构如玻璃上硅结构，以及相关的半导体器件。

背景技术

本文中，缩写“SiOI”表示绝缘体上硅。缩写“SOI”一般表示绝缘体上半导体，包括但不限于SiOI。缩写“SiOG”表示玻璃上硅。缩写“SOG”一般表示玻璃上半导体，包括但不限于SiOG。SOG术语还意图包括陶瓷上的半导体和在玻璃-陶瓷上的半导体结构。类似地，SiOG意图包括陶瓷上硅和玻璃-陶瓷上硅结构。

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。SiOI晶片通常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)。

获得SiOI晶片的各种方法包括：在晶格匹配的基片上外延生长Si的方法；将单晶晶片与另一个其上已生长SiO₂的氧化物层的硅晶片接合，然后对顶部的晶片向下抛光或蚀刻例如0.1-0.3微米的单晶硅层的方法；或离子注入法，该方法中，将氢或者氧离子注入，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晶片相接合的薄硅层。这三种方法中，发现基于离子注入的方法更多在商业上实施。特别是氢离子注入方法具有好于氧注入法的优点，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。

通过氢离子注入方法进行脱落最初是例如由Bister等在“Ranges of the0.3-2 KeV H⁺ and 0.2-2 KeV H₂+ Ions in Si and Ge，”Radiation Effects，1982，59：199-202中披露的，并由Michel Bruel进一步证实。参见美国专利第5,374,564号(Bruel)；M.Bruel，Electronic Lett.，31，1995，1201-02和L.Dicioccio，Y.Letiec，F.Letertre，C.Jaussad和M.Bruel，Electronic Lett.，32，1996，1144-45。

氢离子注入一般由以下步骤构成。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裂纹。注入能量决定生成裂纹处的深度，而剂量决定裂纹密度。然后在室温下将该晶片放置在与另一硅晶片(支承基片)接触的位置，以形成暂时性的接合。

然后在约600℃对晶片进行热处理，以使表面下裂纹生长，用于将硅薄层从Si晶片分离。将所得的组件加热到1000℃以上以将具有SiO₂下层的Si膜完全接合到支承基片，即未注入的Si晶片上。该方法因此形成了SiOI结构，该结构具有接合至另一硅晶片的硅薄膜，其间有氧化物绝缘体层。

成本也是SOI和SiOI结构的商业化应用的一个重要考虑因素。至今，这种结构的成本的主要部分是顶部由Si薄膜覆盖的支承氧化层的硅晶片的成本，即成本的主要部分是支承基片。

尽管在各专利(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号和第6,391,740号)中提到了将石英用作支承基片，但石英本身是相对昂贵的材料。在讨论支承基片时，上述参考文献中的某些提到了石英玻璃、玻璃和玻璃-陶瓷。这些参考文献中列出的其它支承基片材料包括金刚石、蓝宝石、碳化硅、氮化硅、陶瓷、金属和塑料。

用低成本材料制造的基片代替SOI结构中的硅晶片并不是一个简单的事情。特别是，很难用大规模制造的低成本的玻璃或玻璃-陶瓷或陶瓷类材料代替硅晶片，即，很难制造成本合理的SOG和SiOG结构。

共同转让的临时美国专利申请第10/779,582号(公开为US2004/0229444 A1)描述制造SiOG和SOG结构以及这种结构的新颖形式的方法。许多这类发明的申请中是在如光电子，FR电子和混合信号(模拟/数字)电子学以及显示器(如LCD和OLED)应用的领域，与基于非晶形或多晶的器件相比，这些发明显著提高了性能。此外，高效率的光伏器件和太阳能电池也成为可能。这些处理技术和其新颖的SOI结构显著降低了SOI结构的成本。