CN102203932A - 玻璃-陶瓷基绝缘体上半导体结构及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种绝缘体上半导体结构，该结构包括：半导体部件，该半导体部件由基本单晶的半导体材料层和具有提高的氧含量的单晶半导体材料层组成；氧化物玻璃材料层；以及玻璃-陶瓷层。

Description

玻璃-陶瓷基绝缘体上半导体结构及其制造方法
优先权
本申请要求2008年9月26日提交的题为“玻璃-陶瓷基绝缘体上半导体结构及其制备方法(Glass-Ceramic-Based Semiconductor-On-Insulator Structures And Methods For Making The Same)”的美国临时专利申请第61/100,379号的优先权。
相关申请交叉参考
本申请根据35U.S.C.§119(E)要求2007年3月30日提交的美国临时申请系列号第60/920986号的优先权，本申请根据35U.S.C.§120要求2008年3月25日提交的指定美国的国际专利申请系列号第PCT/US08/03859号的优先权。
背景技术
1.技术领域
本发明一般涉及半导体结构，更具体来说，涉及包含玻璃-陶瓷的绝缘体上半导体结构以及用来制造玻璃-陶瓷基绝缘体上半导体结构的方法。
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”。本发明一般涉及绝缘体上半导体结构，包括绝缘体上硅结构。
为便于陈述，有时下面的讨论按绝缘体上硅结构进行。参照这种特定绝缘体上半导体结构类型来说明本发明，但是这种做法并不意图，并且也不应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半导体结构，包括但不限于绝缘体上硅结构。类似地，本文中使用SOG缩写来一般性表示玻璃上半导体结构，包括但不限于玻璃上硅结构。SOG术语还意图包括玻璃-陶瓷上半导体结构，包括但不限于玻璃-陶瓷上硅结构。缩写SOI包括SOG。
2.背景技术
绝缘体上硅技术对高性能薄膜晶体管、太阳能电池和有源矩阵显示器之类的显示器越来越重要。绝缘体上硅晶片由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)构成。
获得这样的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；将单晶硅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(剥离)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剥离最初是例如由Bister等在“Si和Ge中的0.3-2兆电子伏特H+和0.7-2兆电子伏特H2 +离子范围(Ranges of the 0.3-2MeV H+and 0.7-2 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，第1201-1202页和L.Dicioccio，Y.Letiec，F.Letertre，C.Jaussad和M.Bruel，Electronic Lett.，32，1996，第1144-1145页。
所述方法通常由以下步骤组成。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。然后在大约600℃对所述晶片进行热处理，使得表面下裂纹生长，用来从Si晶片分离硅薄层。然后将所得的组合件加热到高于1000℃的温度以将具有SiO2下层的Si膜完全接合到支承基片，即未注入的Si晶片上。该方法因此形成了绝缘体上硅结构，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。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。
尽管现有技术中已经提出了将玻璃和玻璃-陶瓷用于代替硅作为基础基片，但是迄今为止，人们尚未开发出用来使用玻璃或玻璃-陶瓷作为支承基片形成SOI结构的实际技术。
美国专利第7,176,528号和第7,192,844号揭示了一些SOI结构，所述结构包括一个或多个区域，所述区域由附连在由氧化物玻璃或者氧化物玻璃-陶瓷组成的支承基片上的基本单晶的半导体(例如掺杂硅)层组成。所述氧化物玻璃或者氧化物玻璃-陶瓷优选是透明的，优选其应变点低于1000℃，在250℃的电阻率小于或等于1016Ω-cm，包含正离子(例如碱金属离子或碱土金属离子)，这些正离子可以在升高的温度下(例如300-1000℃)，在电场作用下在玻璃或玻璃-陶瓷内移动。
尽管这些基于氧化物玻璃或者基于氧化物玻璃-陶瓷的SOI结构是优于上述现有技术的SOI结构的一个改进，但是，用于所述基于氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷的SOI结构的玻璃无法耐受高性能显示器或电子应用中采用的高温加工而不导致晶片的变形；例如，用来在硅膜上制造高性能TFT的高温热栅氧化物的生长。
共同转让给本受让人的美国专利申请第2006/0038228号解决了该问题。该参考文献揭示了一种绝缘体上半导体结构，其包括包含半导体材料的第一层，该第一层附连于包含玻璃或玻璃-陶瓷的第二层，所述玻璃或玻璃-陶瓷的应变点约等于或高于800℃。这些结构能够用于这些高性能显示器或电子应用，而且其制造成本显著低于现有技术的基于氧化硅/石英的SOI结构，由此满足了高性能显示器或电子领域中对低成本的SOI结构和所得的器件的需求。
尽管这些基于氧化物玻璃或者基于玻璃-陶瓷的SOI结构相对于上述现有技术的SOI结构获得了改进，但是基于玻璃-陶瓷的绝缘体上半导体结构难以制造，会形成具有足够大的原位阻挡层的牢固接合的结构，这部分是由于玻璃陶瓷中缺乏可移动的离子造成的，在所述玻璃-陶瓷基片与硅接合之前，所述玻璃陶瓷便已陶瓷化/晶体化。
本发明对这些现有技术的玻璃-陶瓷基SOI结构进行了改良，提供了新颖的玻璃-陶瓷基SOI结构，该结构牢固接合，具有足够大的阻挡层。这些玻璃-陶瓷基SOI结构可以用于上述高性能显示器或者电子应用。
发明内容
本发明的一个实施方式涉及一种绝缘体上半导体结构，该结构包括：半导体部件，该半导体部件由基本单晶的半导体材料层和具有提高的氧含量的单晶半导体材料层组成；氧化物玻璃材料层；以及玻璃-陶瓷层。
另一个实施方式涉及一种绝缘体上半导体层状结构，该结构包括基本单晶的半导体材料以及含氧化物的材料。所述单晶半导体材料由两个层组成：一个层包含单晶半导体材料，一个层包含具有提高的氧含量的单晶半导体材料。所述含氧化物的材料由以下的层组成：(1)包含氧化物玻璃材料的层，其中正离子浓度减小，基本不含改性剂正离子；(2)包含玻璃-陶瓷材料的层，其中改性剂正离子的正离子浓度增大，包含来自具有减小的正离子浓度的氧化物玻璃材料的至少一种碱土金属改性剂离子；以及(4)包含体相玻璃陶瓷材料的层。
在任意上述绝缘体上半导体结构的实施方式中，所述玻璃-陶瓷包含尖晶石或莫来石晶相，所述尖晶石或莫来石玻璃-陶瓷在25-300℃的温度范围内的热膨胀系数约为22-42×10-7/℃。在另一个实施方式中，所述尖晶石或莫来石玻璃-陶瓷在25-300℃温度范围的热膨胀系数约为35-40×10-7/℃。
根据本发明的一个或多个方面，用来形成上述玻璃-陶瓷/绝缘体上半导体结构的方法包括：对给体半导体晶片的一个注入表面进行离子注入操作，形成给体半导体晶片的剥离层；通过电解将所述剥离层的注入表面与玻璃基片接合；将所述剥离层与给体半导体晶片分离，从而形成中间的前体玻璃上半导体结构；对所述中间的前体玻璃上半导体结构进行热处理步骤，使得前体玻璃结晶化，从而形成玻璃-陶瓷上半导体结构。
本发明的绝缘体上半导体结构以及用来制造绝缘体上半导体结构的方法获得了很多优于现有技术的优点。与基于熔融氧化硅或石英的SOI结构相比，本发明满足了现有技术长期以来对于用于高性能和电子应用的低成本基片的需求。更具体来说，通过结合玻璃-陶瓷，可以使得SOI晶片在高温工艺(例如热栅氧化物)下处理，而不会发生变形，现有技术的较低温度应变点的玻璃有可能会发生此种变形。另外，通过将这些高应变点的玻璃或玻璃-陶瓷用作SOI结构的基片材料，会导致尽可能减小的基片收缩(即尺寸变化)，较低应变点的基片材料在TFT制造过程中通常会发生此种问题。
在以下的详细描述中提出了本发明的附加特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言由所述内容而容易理解，或按文字描述和其权利要求书以及附图中所述实施本发明而被认识。
应理解前面的一般性描述和以下的详细描述都只是对本发明的示例，用来提供理解要求保护的本发明的性质和特性的总体评述或框架。
包括的附图提供了对本发明的进一步理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图不一定按照比例绘制，为了清楚显示，各种元件的尺寸可以变化。附图图示说明了本发明的一个或多个实施方式，并与说明书一起用来说明本发明的原理和操作。
附图简要说明
图1是根据本发明的一个实施方式的玻璃-陶瓷上半导体结构的截面示意图；
图2是根据本发明的另一个实施方式的玻璃-陶瓷上半导体结构的截面示意图；
图3-6是根据本发明一个实施方式的用来制造绝缘体上半导体结构的方法的各个步骤的截面示意图。
图7是根据本发明制造、在实施例中详细描述的玻璃上半导体结构的TOF-SIM深度轮廓图。
图8是根据本发明制造、在实施例中详细描述的玻璃上半导体结构的TEM显微图。
图9是根据本发明制造、在实施例中详细描述的玻璃上半导体结构的X射线衍射图。
具体实施方式
参见附图，其中，类似的附图标记表示类似的元件，图1中示出按照本发明的一个或多个实施方式的SOG层状结构100。SOG结构100优选包括半导体部件102，该半导体部件102由基本单晶的半导体材料层104和具有提高的氧含量的单晶半导体材料层106组成。所述SOG层状结构还包括含有氧化物玻璃材料的第三层108，以及包含玻璃-陶瓷材料的第四层110。
参见图2，图中显示了本发明的SOG层状结构200的另一个实施方式。该SOG结构200由五层结构组成，该五层结构包括两层的半导体部件102，氧化物玻璃层108，以及包含正离子的两层氧化物玻璃-陶瓷基片110。具体来说，所述SOG层状结构200由以下的层组成：(1)基本单晶的半导体材料层104；(2)具有提高的氧含量的半导体阻挡层106；(3)氧化物玻璃材料阻挡层108；(4)具有提高的改性剂正离子的正离子浓度的氧化物玻璃-陶瓷层204，其中包含至少一种碱土金属改性剂离子，所述碱土金属改性剂离子来自具有减小的正离子浓度的氧化物玻璃材料层108；以及(5)由具有体相浓度的玻璃陶瓷组成的氧化物玻璃-陶瓷层210。
所述玻璃-陶瓷上半导体结构能够用于超过1000℃的高使用温度，因此可以用于之前的现有技术的玻璃上硅产品不可能使用的RF/高性能电子器件、光伏器件、数字成像等应用。
实际上本发明的玻璃-陶瓷上半导体结构可以具有任意所需的半导体、玻璃和玻璃-陶瓷层厚度。例如，各个层的厚度优选约小于1毫米。更优选，所述半导体层的厚度约小于1微米。在本发明的某些优选的实施方式中，所述第一半导体部件的厚度约为10-500纳米。所述玻璃和玻璃-陶瓷层各自的厚度约为0.1-10毫米。更优选的是，所述玻璃-陶瓷层的厚度约为0.5-1毫米。对于玻璃-陶瓷上半导体结构的一些应用，优选厚度大于或等于1微米的玻璃-陶瓷层，例如用来避免当具有硅/SiO2/硅结构的标准绝缘体上半导体结构在高频率下操作的时候出现的寄生电容效应。过去，很难达到这样的厚度。
一般来说，玻璃-陶瓷层需要足够厚，以便在本发明的工艺步骤中，以及随后对玻璃-陶瓷上半导体结构进行的加工步骤中支承半导体部件。尽管对玻璃-陶瓷基片的厚度没有理论上限，但是通常不优选厚度超过支承功能或者最终的玻璃-陶瓷上半导体结构所需的厚度，这是因为前体玻璃和由此形成的玻璃-陶瓷基片的厚度越大，则在下文所述以及美国专利第7,192,844号所述的方法的接合步骤中(B，具体来说是施加电势的B3)，在相同的施加的电势差条件下，基片内的电场强度越低。
所述半导体层/部件中的半导体材料可以是硅基半导体材料，或者可以是任何其他合适种类的半导体材料，例如III-V半导体，II-IV半导体，II-IV-V半导体，或者IV半导体。适合用作第一层的半导体材料的硅基半导体材料的例子包括硅(例如未掺杂的硅，n-掺杂的硅，p-掺杂的硅)；锗掺杂的硅(SiGe)；以及碳化硅(SiC)。可以用于第一层的其他半导体材料的例子包括Ge-，GaAs-，GaP-，以及InP-基材料。根据材料，所述半导体层材料可以具有很宽的CTE范围。例如，第一层的半导体材料的CTE(25℃)可以约为20x10-7/℃至70x10-7/℃。
半导体材料层是基本为单晶材料的形式。在描述第一层的时候所用的术语“基本上”是考虑到半导体材料通常含有至少一些固有或有目的加入的内部缺陷或表面缺陷的事实，如晶格缺陷或很少的晶粒边界。术语“基本上”还反映了以下事实，特定的掺杂剂可以扭曲或者以其他方式影响体相半导体材料的晶体结构。
所述玻璃前体和由此形成的玻璃阻挡层108以及玻璃-陶瓷基片110由氧化物基玻璃形成。虽然没有要求，但是本文所述的实施方式优选包括应变点高于900℃的氧化物玻璃或玻璃陶瓷。如玻璃制造领域常规定义的，应变点是玻璃或玻璃陶瓷的粘度为1014.6泊(1013.6Pa.s)时的温度。
氧化物玻璃阻挡层和玻璃-陶瓷层优选由基于氧化硅的玻璃前体形成。在一个实施方式中，在前体玻璃以及由此形成的玻璃-陶瓷中的SiO2的浓度至少约为50重量％。在另一个实施方式中，SiO2的浓度至少约为55重量％。适合用于本发明的玻璃-陶瓷包括具有莫来石和尖晶石晶相的那些。
对于某些应用，例如显示器应用，所述玻璃-陶瓷优选在可见、近紫外和/或近红外波长范围内是基本透明的。例如，所述玻璃-陶瓷优选在350纳米至2微米的波长范围内是基本透明的。
所述前体玻璃(用来形成随后的玻璃-陶瓷层和氧化物玻璃阻挡层)可以使用本领域技术人员熟知的各种技术，由常规原料制备，可以使用下文所述以及题为“玻璃基SOI结构(GLASS-BASED SOI STRUCTURES)”的美国专利第7,192,844号(该专利全文参考结合入本文中)所述的方法附连于半导体层/部件。
在本发明的某些实施方式中，所述前体玻璃优选包含至少一些正离子，在下文所述以及美国专利第7,192,844号所述的方法的接合步骤(步骤B，具体来说是施加电压的步骤B3)中，所述正离子沿着施加的电场的方向移动，即离开接合的第一层(半导体)和第二层(前体玻璃)之间的界面，向着第二层的背侧移动。碱金属离子，例如Li+，Na+，和/或K+离子是适于该目的的正离子，这是因为它们的移动性通常高于玻璃和玻璃-陶瓷中通常结合的其他种类的正离子。不含碱金属离子的前体玻璃优选用于本发明，但是对于某些应用，少量的碱金属也是可以接受的。例如，包含其他移动性离子、例如碱土金属离子(例如Ca2+，Mg2+，Ba2+，Sr2+)或其他正离子(例如Ag+，Cu+，Zn2+)和各种过渡金属离子的玻璃优选用于本发明的绝缘体上半导体结构的第二层。
在前体玻璃包含碱金属离子或碱土金属离子的本发明的实施方式中，所述碱金属和碱土金属离子的浓度可以在很宽的范围内变化，以氧化物为基准计，代表性的浓度为0.1-40重量％。对于碱金属离子，以氧化物为基准计，优选的碱金属离子和碱土金属离子的浓度为0.1-5重量％。许多常规的不含碱金属的玻璃的碱金属污染物含量为数十至数百ppm，可以在下文所述方法的步骤3过程中除去这些碱金属污染物。
以氧化物重量百分数计，用于本发明的SOI结构的前体玻璃(用来形成随后的玻璃-陶瓷层110以及氧化物玻璃阻挡层108)包括具有以下组成的一系列透明玻璃：50-65％SiO2，15-25％Al2O3，6-15％ZnO，0-6％MgO，0-10％TiO2，0-10％ZrO，0-15％Cs2O，0-5％BaO，ZnO+MgO之和约大于或等于8％，TiO2+ZrO2之和约大于4％。用于本发明的代表性的组合物详细列于表I。
由此形成的玻璃-陶瓷材料层110包含尖晶石作为主要晶相。所谓主要晶相表示该种晶相占总晶相的至少大约75体积％，更优选至少85体积％，最优选至少95体积％。本发明的玻璃-陶瓷是分散在玻璃状基质中的至少约20重量％的晶相。
较佳的是，所述玻璃氧化物阻挡层108和玻璃-陶瓷基片110在25-300℃的温度范围的热膨胀系数约为22-42×10-7/℃.，更优选约为30-42×10-7/℃.，最优选约为35-40×10-7/℃.，提供了与硅的紧密热膨胀匹配。所谓透明表示厚度为1.1毫米的本发明的玻璃-陶瓷片对可见光谱范围(400-700纳米)的透射率大于85％。较佳的是，对于某些应用，还需要这些片在近紫外范围具有一定的透射性，例如在350-400纳米范围的透射率大于50％。
在题为“玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)”的美国专利第5,968,857号中更详细地描述了包含尖晶石作为主要晶相的透明玻璃-陶瓷材料，所述美国专利全文参考结合入本文中。
表I
  组成(重量％)  实施例1  实施例2  实施例3  实施例4  实施例5  实施例6  实施例7
  SiO2  60.3  58.3  57.0  55.0  57.0  57.3  59.3
  Al2O3  19.0  20.2  18.0  21.0  21.8  18.5  19.1
  ZnO  9.0  8.4  14.0  13.5  14.0  11.6  9.0
  MgO  2.1  4.2  --  --  --  2.4  2.5
  BaO  2.1  --  --  --  2.1  2.0  2.1
  Cs2O  --  4.0  4.0  --  --  --  --
  TiO2  --  3.0  --  5.5  5.2  5.0  5.0
  ZrO2  7.5  5.0  7.0  --  --  3.0  3.0
  As2O5  1.0  1.0  1.0  1.0  1.0  1.0  1.0
  晶相  尖晶石  尖晶石  尖晶石  尖晶石  尖晶石  尖晶石  尖晶石
  应变点(℃)  ＞900  ＞900  ＞900  ＞900  ＞900  ＞900  ＞900
  CTE(x10-7/℃)  37  38  37  37  37  38  37
本领域技术人员能够理解，单晶半导体材料与含氧化物的材料之间的接合的强度是绝缘体上半导体结构的一个关键性质。高接合强度和耐久性对保证绝缘体上半导体结构能够承受与在该结构上或之内制造薄膜晶体管和其他器件相关的处理是很重要的。所述半导体部件和前体基片之间的接合强度(即最终的玻璃-陶瓷上半导体中的半导体与氧化物玻璃层之间的接合强度)优选至少为8J/m2。更优选地，接合的层之间的接合强度至少为10J/m2。在本发明的某些特别优选的实施方式中，接合强度至少为15J/m2。可以使用刻压测量来测定接合能，可以使用装有Berkovich金刚石刻压头的纳米刻压机II(Nano Indenter II(MYS系统公司(MTS Systems Corporation)，美国明尼苏达州伊甸草原(Eden Prairie，MN)))进行测量。本领域技术人员能够理解，可以使用其它的设备进行刻压测量(indentation measurement)。制造的压痕覆盖了一定的加载范围，检测紧邻围绕压痕的区域内是否具有脱层的证据。根据D.B.Marshall和A.G.Evans的“通过刻压测量具有残余应力的膜的粘着性I，界面脱层的机理(Measurement of Adherence of Residually Stressed Films by Indentation.I.Mechanics of Interface Delamination)”，J.Appl.Phys，56[10]2632-2638(1984)计算接合能，该文献的相关部分参考结合入本文中。接合能测定的进一步细节可以参见美国专利申请系列号第10/779,582号。
本领域技术人员可以通过下文所述以及美国专利第7,176,528号所述的方法制备玻璃-陶瓷上半导体结构，所述专利参考结合入本文中。参见图3，对给体半导体进行离子注入，然后对前体玻璃基片和注入的给体半导体晶片进行电解接合过程，然后分离一部分给体半导体晶片，形成中间结构，所述中间结构包括前体玻璃基片，该前体玻璃基片上具有半导体薄层。但是，下文讨论的该电解的部分中，基本的方法包括对所述前体玻璃基片102和给体半导体晶片120施加一定的温度、电压和压力一定的时间。
图3显示用来制造中间结构的工艺步骤，其与图1和图2分别显示的制造玻璃-陶瓷上半导体结构100和200相关。第一步(步骤A)包括在所述给体半导体晶片304中形成剥离层302。为了进行讨论，所述给体半导体晶片304优选是基本单晶的Si晶片。
所述剥离层302优选是较薄的硅层，其可以在接合和分离步骤(步骤B和D，这将在下文中进行讨论)之后，与Si半导体给体晶片306剩余的部分分离。尽管本发明的实施方式不限于任何特定的用来形成剥离层的方法，一种合适的方法包括使用离子注入在硅晶片304表面310之下形成弱化区域308。例如，可以采用氢离子注入，尽管可以采用其他离子或其多重物，例如硼+氢，氦+氢，或者从有关剥离的文献获知的其他离子。在不偏离本发明的精神和范围条件下，可以使用任何其他已知的技术或以后开发的适合形成剥离层302的技术。
在一个实施方式中，采用单步的单独的氢注入，包括对Si晶片施加1x1016-1x1017离子/厘米2的H离子注入剂量。在另一个低剂量的实施方式中，对Ge晶片施加多个低剂量的离子注入步骤。具体来说，使用H和He的组合低剂量注入，包括首先对Ge晶片施加剂量为1x1015至5x1016离子/厘米2的H离子注入剂量，然后再以1x1015至5x1016离子/厘米2的低剂量水平进行氦注入。
无论使用何种技术形成剥离层302，优选对Si给体晶片304进行处理，以减小表面310上的(例如氢)离子浓度。例如，优选对给体半导体晶片304进行洗涤和清洁，优选对剥离层表面310进行温和氧化。该温和氧化处理包括：氧等离子体中的处理，臭氧处理，用过氧化氢、过氧化氢和氨、过氧化氢和酸进行处理，或者这些处理方式的组合。预期在这些处理期间，氢封端的表面基团氧化为羟基，而羟基又会使硅晶片表面为亲水性。对氧等离子体或充臭氧的水，可以在室温进行该处理，对氨或酸处理，可以在25-150℃温度进行。
对于前体玻璃晶片312，其在洗涤剂中进行洗涤，然后用蒸馏水洗涤，然后用硝酸进一步洗涤，然后再次用蒸馏水洗涤。
需要注意，这些处理是最适宜的。如果氢离子浓度没有减小，在硅和玻璃晶片之间存在排斥力，在接合过程中，可以通过施加较高的压力来克服该排斥力。
在离子注入之后，优选通过电解接合工艺(步骤B)将各个结构接合在一起。优选的电解接合工艺在美国专利第7,192,844号中进行描述，下文中对该工艺的一些部分进行讨论。
首先，优选对各个给体晶片表面310和前体玻璃基片表面314进行合适的表面清洁。然后，使得给体晶片表面310和前体玻璃基片表面314直接或间接地接触(步骤B1)，从而完成图4所示的排列。
下面来看图5，在接触之前或之后，分别在不同的温度梯度T1和T2之下，对包括给体Si半导体晶片304、剥离层302和前体玻璃基片312的结构进行加热(步骤B2)。较佳的是，前体玻璃基片312加热的温度(T2)高于Si给体半导体晶片304和剥离层302(T1)。例如，前体玻璃基片304和给体Si半导体晶片304之间的温差至少为1℃，但是该温差可以约高达100-150℃。对热膨胀系数(CTE)与硅匹配的玻璃来说，该温差是优选的，因为这可以促进随后由于热应力造成剥离层302与剩余的给体半导体晶片306的分离。
前体玻璃基片312与Si给体半导体晶片304之间的温差达到稳定后，向该接合的组合件施加机械压力。在一个实施方式中，压力范围约为1-50psi。施加较高的压力，如大于100psi的压力可能引起玻璃晶片碎裂。
前体玻璃基片312和Si半导体晶片304的温度可以在前体玻璃基片304的应变点的+/-约150℃内的温度。
接下来，在前体玻璃/给体晶片中间组合件上施加电压(V1/V2)，使得Si半导体给体晶片304在正极(V1)，玻璃基片312在负极(V2)；步骤B3。施加电压电势使玻璃基片312中的碱金属离子或碱土金属离子移动离开Si半导体/前体玻璃界面310/314，进一步进入玻璃基片312。更具体来说，玻璃基片312中基本上所有的改性剂正离子迁移离开较高电压电势的Si半导体给体晶片304。施加电压电势实现以下两个功能：(i)产生无碱土金属(或碱金属)离子的界面310/314；和(ii)在相对较低温度下加热，前体玻璃基片312成为高反应性并能与Si半导体层304牢固接合。
下面来看图6，在中间的(前体)玻璃基片上半导体结构在这些条件下保持一定时间(例如约等于或小于1小时)之后，解除电压，使得所述中间结构冷却至室温。剩余的Si半导体晶片306与剥离层302分离，所述剥离层302保持与前体玻璃基片312接合(步骤C)；如果不是完全剥离，可能包括一定程度的剥落。可以在温度升高、温度保持或温度降低的时候发生分离。在分离之后制得了中间的(前体)玻璃基片上半导体320；主要是如图6所示，与玻璃基片312接合的薄Si半导体/剥离层302。再次需要注意，所述与Si半导体层接合的前体玻璃基片具有正离子浓度减小的层312A，正离子浓度增大的层312B(其与所述正离子浓度减小的层312A相邻)，以及体相玻璃层312C。
该分离优选通过剥离层302由于热应力的碎裂来实现。另选或附加地，可以使用机械应力如水射流切割或化学蚀刻来实施分离。
应当注意，在接合(加热和施加电压)过程中的气氛可以是惰性气氛(例如氮气和/或氩气)，或者简单地是环境空气气氛。
然后通过在惰性气氛(例如氩气)中进行热处理步骤，使得中间的(前体)玻璃基片上半导体312陶瓷化；步骤D(图中未显示)。在陶瓷化或热处理步骤之后通常可以包括热处理循环过程，其中晶片保持在特定的温度，使得晶体成核，然后在较高的温度下保持，以使得晶体生长。在一个独立的实施方式中，可以采用不包括成核保持温度的热处理；在此实施方式中，升温至晶体生长保持温度的速度足够慢，以便实现必需的晶体成核：不大于50℃/小时的速度能够实现此种无成核保持的晶体生长。
在一个实施方式中，基于尖晶石玻璃-陶瓷的玻璃陶瓷上半导体结构的陶瓷化或者热处理过程如下：在800℃进行2小时的成核保持，然后在100℃进行4小时的晶体生长保持。
热处理的结果是，前体玻璃基片的一部分保持为玻璃，一部分转化为玻璃-陶瓷结构。这将在图6中进一步说明。具体来说，保持为氧化物玻璃的部分是最接近半导体的那部分玻璃，上述正离子浓度减小的层312A。这是由于接合过程使得所有的改性剂正离子移动离开界面，在前体玻璃312的这个部分内缺乏形成尖晶石的阳离子Zn，Mg所致。在前体玻璃内的一定深度(具体来说是正离子浓度增大的那部分前体玻璃材料312B)，有足够的离子，能够使得该玻璃部分结晶化，从而形成具有增大的正离子浓度的玻璃-陶瓷层312B。然后剩余的前体玻璃部分(体相玻璃部分312C)也具有足够的形成尖晶石的阳离子，以完成晶化。因此所得的玻璃-陶瓷结构是双层玻璃-陶瓷部分，其由正离子浓度增大的层312B(其与剩余的氧化物玻璃层312A相邻)和体相玻璃-陶瓷层312C组成。
所述顶上具有硅膜的结晶化的玻璃陶瓷优于玻璃基组合物的优点在于，所述玻璃陶瓷基晶片能够在器件制造过程中或者其他加工过程中维持高得多的温度。另外，此种高温能力可以在玻璃-陶瓷上半导体晶片上外延生长硅或者其他半导体。
实施例
下面的非限制性实施例进一步说明了本发明。
使用可以在市场上购得的室温离子注入技术，以8X1016离子/厘米2的注入剂量和100KeV的注入能量，对直径100mm、厚100微米的硅晶片注入氢离子。然后，注入过的晶片在氧等离子体中处理，以氧化表面基团。
制得直径100mm的前体玻璃晶片，其包括表I详述的实施例1的组成；具体来说，以重量百分数计，包含60.3％SiO2，19％Al2O3，2.1％MgO 2.1％BaO，1.0％As2O5，7.5％ZrO2和9.0％ZnO。然后使用Fischer Scientific Contrad 70设备，在洗涤剂中对前体玻璃晶片进行15分钟的超声洗涤。然后将前体玻璃晶片置于蒸馏水淋洗中，进行15分钟的超声浴洗涤，在10％的硝酸中浸泡1小时，最后再次在蒸馏水中淋洗。
最后硅和前体玻璃晶片都使用蒸馏水在旋转洗涤器干燥器中清洁，然后在洁净室内干燥。使得两个晶片接触，形成室温预接合，然后置于Suss Microtech接合机内。将前体玻璃晶片放置在“负”极上，硅晶片放置在“正”极上。
然后两个晶片在真空气氛(10-3毫巴)中进行不同的加热；将硅晶片加热至545℃，将前体玻璃晶片加热至595℃。然后对晶片施加1750伏的电势，电势施加在晶片表面上。晶片在这些条件下保持20分钟。在持续施加电压之后，将电压降至零，将晶片冷却至室温。
在冷却之后，观察到晶片可以很容易地分离，形成与前体玻璃晶片接合的硅薄层。具体来说，观察到采用这种方法获得硅薄膜(500纳米)牢固附连在玻璃晶片表面上的高质量样品。
然后由此制造的中间的玻璃上硅样品在800℃，在氩气气氛中进行2小时的热处理，然后在1000℃进行4小时的处理，使得玻璃上硅的玻璃晶片部分结晶化，制得玻璃-陶瓷上硅结构。应当注意的是，由此制得的玻璃-陶瓷上硅结构的硅膜层保持完好，未发生脱层或裂纹。
对通过以上技术制造的玻璃-陶瓷上硅结构进行以下的ToF-SIMS分析。使用双离子束法，采用两股离子束，一股用来间歇溅射，另一股用来对新形成的表面进行分析。使用美国明尼苏达州伊甸草原(Eden Prairie，MN))的物理电子有限公司(Physical Electronics，Inc.)制造的TRIFT II设备进行分析。用于溅射的低能Cs束与用于分析的脉冲Ga束同步。切割很小的样品片，使其适于ToF-SIMS样品支架(～1厘米2)。用于溅射的5kV 133Cs+束与用于分析的15kV，600pA 69Ga+束联合。Cs束在样品的500μm×500μm的区域照射；Ga束对Cs溅射的区域的中心处50μm×50μm的窗口进行分析。
图7显示了该ToF-SIMS分析的结果。在图7的检测中可以观察到以下结果：(1)氧化物玻璃层开始于深度0.15纳米(记作AA)，结束于深度约0.175纳米(记作BB)；(2)第一玻璃-陶瓷层，开始于深度0.175纳米(记作BB)结束于深度0.3纳米(记作CC)，具有增大的改性剂正离子的正离子浓度，包括至少一种来自第一玻璃-陶瓷层的碱土金属改性剂离子；以及(2)第二玻璃-陶瓷层，其开始于大约0.3纳米的深度，具有体相玻璃组成。
参见图8，通过以上技术制造的玻璃-陶瓷上硅结构使用JEM-2000F型JEOL设备在200KV条件下进行TEM分析，放大倍数为100K。TEM显微图中显示的硅/玻璃陶瓷界面的检查显示在硅和结晶的玻璃-陶瓷层之间存在玻璃状的阻挡层，这对于技术人员来说是很明显的。
最后，根据本领域普通技术人员众所周知的技术，对通过以上技术制造的玻璃-陶瓷上硅结构进行x射线衍射分析。通过对图9的X射线衍射图进行检查，发现存在细小的微晶尺寸和尖晶石锌尖晶石以及氧化锆相。事实上，2.95A处的峰(最靠近30度2θ角)是ZrO2的主峰。
本领域的技术人员显而易见的是，可以在不偏离本发明的范围和精神的情况下对本发明进行各种修改和变动。因此，本发明意图是覆盖本发明的修改和变动，只要这些修改和变动在所附权利要求及其等同方案的范围之内即可。

Claims (28)

1.一种绝缘体上半导体层状结构，其包括：
半导体材料部件，其包括基本单晶的半导体材料层，以及具有提高的氧含量的单晶半导体材料层；
氧化物玻璃材料层；和
玻璃-陶瓷层。
2.如权利要求1所述的绝缘体上半导体结构，其特征在于，所述玻璃陶瓷还包括：第一层，该第一层具有提高的改性剂正离子的正离子浓度，包含至少一种来自所述第一玻璃-陶瓷层的碱土金属改性剂离子；以及第二层，其包含体相玻璃-陶瓷。
3.如权利要求1所述的绝缘体上半导体结构，其特征在于，所述氧化物玻璃和玻璃-陶瓷包含一种或多种正离子，其中，以氧化物为基准计，所述玻璃或玻璃-陶瓷中的锂离子、钠离子和钾离子之和约小于5重量％。
4.如权利要求1所述的绝缘体上半导体结构，其特征在于，所述氧化物玻璃和玻璃-陶瓷不含碱金属离子。
5.如权利要求1所述的绝缘体上半导体结构，其特征在于，所述玻璃-陶瓷包含尖晶石晶相或者莫来石晶相。
6.如权利要求1所述的绝缘体上半导体结构，其特征在于，所述氧化物玻璃和玻璃-陶瓷在25-300℃的温度范围的热膨胀系数约为22-42×10-7/℃。
7.如权利要求1所述的绝缘体上半导体结构，其特征在于，所述氧化物玻璃和玻璃-陶瓷在25-300℃的温度范围的热膨胀系数约为35-40×10-7/℃。
8.如权利要求1所述的绝缘体上半导体结构，其特征在于，所述半导体材料是硅基半导体材料，选自未掺杂的硅、n掺杂的硅、p掺杂的硅、锗掺杂的硅(SiGe)和碳化硅(SiC)。
9.如权利要求1所述的绝缘体上半导体结构，其特征在于，所述半导体材料选自Ge，GeAs，GaP和InP-基材料。
10.如权利要求6所述的绝缘体上半导体结构，其特征在于，所述玻璃-陶瓷是透明的硅酸盐基玻璃-陶瓷，其包含尖晶石晶相作为主要晶相，以氧化物的重量百分数为基准计，具有以下组成：55-65％SiO2，15-25％Al2O3，6-15％ZnO，0-6％MgO，0-10％TiO2，0-10％ZrO，0-15％Cs2O，0-5％BaO，ZnO+MgO之和约大于或等于8％，TiO2+ZrO2之和约大于4％。
11.如权利要求1所述的绝缘体上半导体结构，其特征在于，所述半导体材料与氧化物玻璃材料之间的结合强度至少为8J/m2。
12.一种绝缘体上半导体层状结构，该结构包括基本单晶的半导体材料以及含氧化物的材料：
所述半导体材料包括单晶半导体材料层，以及包含具有提高的氧含量的单晶半导体材料的层；
所述含氧化物的材料包括以下的层：氧化物玻璃材料层，其中正离子浓度减小，基本不含改性剂正离子；包含玻璃-陶瓷的层，其中改性剂正离子的正离子浓度增大，包含来自具有减小的正离子浓度的氧化物玻璃材料层的至少一种碱土金属改性剂离子；以及包含体相玻璃-陶瓷材料的层。
13.如权利要求12所述的绝缘体上半导体结构，其特征在于，所述含氧化物的材料包含一种或多种正离子，其中，以氧化物为基准计，所述玻璃或玻璃-陶瓷中的锂离子、钠离子和钾离子之和约小于2重量％。
14.如权利要求12所述的绝缘体上半导体结构，其特征在于，所述含氧化物的材料不含碱金属离子。
15.如权利要求12所述的绝缘体上半导体结构，其特征在于，所述玻璃-陶瓷包含尖晶石晶相或者莫来石晶相。
16.如权利要求12所述的绝缘体上半导体结构，其特征在于，所述含氧化物的材料在25-300℃的温度范围的热膨胀系数约为22-42×10-7/℃。
17.如权利要求12所述的绝缘体上半导体结构，其特征在于，所述含氧化物的材料在25-300℃的温度范围的热膨胀系数约为35-40×10-7/℃。
18.如权利要求12所述的绝缘体上半导体结构，其特征在于，所述半导体材料是硅基半导体材料，选自未掺杂的硅、n掺杂的硅、p掺杂的硅、锗掺杂的硅(SiGe)和碳化硅(SiC)。
19.如权利要求12所述的绝缘体上半导体结构，其特征在于，所述半导体材料选自Ge，GeAs，GaP和InP-基材料。
20.如权利要求16所述的绝缘体上半导体结构，其特征在于，以氧化物的重量百分数为基准计，所述含氧化物的材料的组成包含：55-65％SiO2，15-25％Al2O3，6-15％ZnO，0-6％MgO，0-10％TiO2，0-10％ZrO，0-15％Cs2O，0-5％BaO，ZnO+MgO之和约大于或等于8％，TiO2+ZrO2之和约大于4％。
21.如权利要求12所述的绝缘体上半导体结构，其特征在于，所述半导体材料与含氧化物的材料之间的结合强度至少为8J/m2。
22.一种形成玻璃-陶瓷上半导体结构的方法，该方法包括：
(a)对给体半导体晶片的注入表面进行离子注入法，产生给体半导体晶片的剥离层；
(b)采用电解将剥离层的注入表面与前体玻璃基片结合；
(c)将所述剥离层与给体半导体晶片分离，从而形成中间的前体玻璃上半导体结构；
(d)对所述中间的前体玻璃上半导体结构进行热处理步骤，使得所述前体玻璃结晶化，形成玻璃-陶瓷上半导体结构。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述结合步骤包括：
对玻璃基片和给体半导体晶片中的至少一个进行加热；
通过剥离层，使前体玻璃基片与给体半导体晶片直接或间接接触；和
在前体玻璃基片和给体半导体晶片上施加电压电势，以诱发该结合。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述前体玻璃基片和半导体晶片的温度升高到与玻璃基片的应变点相差大约150℃之内。
25.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述前体玻璃基片和半导体晶片的温度升高到不同的水平。
26.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述前体玻璃基片和半导体晶片上的电压电势约为100-2000伏。
27.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述给体半导体晶片选自下组：硅(Si)、掺杂锗的硅(SiGe)、碳化硅(SiC)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、GaP和InP。
28.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述前体玻璃和玻璃-陶瓷在25-300℃的温度范围的热膨胀系数约为22-42×10-7/℃，所述玻璃-陶瓷包含尖晶石晶相或莫来石晶相。
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