CN102484093B - 使用三重植入通过裂开分离硅薄膜的方法 - Google Patents

使用三重植入通过裂开分离硅薄膜的方法 Download PDF

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Abstract

为了从一原始衬底上通过裂开分离硅薄膜，通过自由表面在原始衬底(10)内执行植入物质的步骤，以形成减弱层(13)，在用于紧密接触自由表面与加固物的可选择的加固步骤之前和/或之后，具有在至少450℃的温度下的至少一个中间步骤，然后具有沿着减弱层裂开的分离步骤。植入步骤包含使用植入能量以及植入剂量以任一顺序植入硼、氦和氢。植入能量如下：以具有10nm的一最大差值在完全一样的深度实质获得氦和硼浓度最大值；最大氦和硼浓度相比最大氢浓度处于较浅的水平。并且植入剂量如下：硼剂量至少等于5×1013B/cm2；以及氦剂量和氢剂量的总剂量至少等于1016原子/cm2和至多等于4×1016原子/cm2，优选至多等于3×1016原子/cm2。

Description

使用三重植入通过裂开分离硅薄膜的方法
本发明涉及一种用以从一衬底分离薄膜，执行几种物质的植入，并进行可控敏感度高温热处理的工艺。
使用一适当的物质的植入以形成一减弱层来从一衬底上分离一薄膜的技术尤其在文献US 5 374 564(发明人：Bruel)中被描述，以及在涉及提高此方面的文献中被描述，例如US 6 020 252(发明人：Aspar)。该工艺被广泛地采纳使用名字“智切法”(“Smart CutTM”)。
背景技术
智切法工艺使一薄膜经由下面的步骤即将被分离并转移至一载体的：
1.用气体物质(氢，或者诸如氦之惰性气体)轰击一原始衬底(通常由硅构成)的一侧，以为了以足够的浓度植入这些离子以创造(在进行一光学热处理后)一微空洞层，因此形成一减弱层；
2.将衬底的该侧与一载体(实际是另一衬底，例如也由硅构成)紧密接触，尤其通过直接键和或分子键和(步骤1所提及的热处理可以为在紧密接触后所执行的一热处理以增强直接键和)；以及
3.通过使用一退火热处理和/或一分离力(例如在两个衬底之间一刀片的插入和/或拉力的使用和/或弯曲应力和/或剪切应力和/或谨慎选择功率和频率的超声波或微波的使用)在微空洞层处裂开；用这样的方法，一薄膜(微空洞产生的原始衬底层)和一剩余衬底被获得(鉴于薄膜的厚度，剩余衬底的厚度实际上稍微减少)；以及
4.循环使用该衬底(即步骤3之剩余衬底)用于一新的植入、接触以及裂开循环等等。
步骤1通常包含植入氢或氦，往往以一10至210keV的能量，以及以若干1016/cm2至若干1017/cm2的剂量植入。步骤3，裂开步骤，然后可以取决于选择的植入条件(能量、剂量、温度以及离子流量等等)而基本对应(另一种形式的能量的适度量可以被使用)200℃至700℃的温度范围的退火热处理。用于此热处理以获得裂开的实际时间取决于此热处理的温度(以及取决于植入条件以及取决于光学加强键热处理或其他的热处理之前是否已经执行)。通常，所有其他的事情是相等的情况下，热处理温度越高，通过退火以获得裂开所需要的时间越短(特别参考：1998年10月Aspar等人在1998年电气及电子工程师学会国际绝缘体上硅大会(Proceedings 1998 IEEE International SOI Conference)发表的智切法工艺中裂开的动力学(Kinetics of Splitting in the Smart CutTMProcess)的第137-138页。
某些应用，例如异质结构(在硅上的铬或者在蓝宝石上的氮化镓)的转移需要即将执行在非常低的温度下的裂开退火，以限制由于加入的材料的热膨胀的不同所产生的机械应力。在其他的应用中，在裂开前，组件可以至少部分形成在之后的薄膜上，即使这些组件不能够承受高温。在这种情况下，进行各种修改使它可以降低裂开热处理的温度，而并不需要该裂开热处理处于不能接受的远离工业观点。因此，从这些文现中获知：
-1998年发表的应用物理快报卷72(APL 72)的第49页；以及
-US 5 877 070(Goesele等人)
硼和氢的共同植入使得降低裂开热处理的温度至200℃之低，以及裂开可以接着在诸如24小时之内获得。
同样地，可以知道氦和氢的共同植入使它可以降低裂开温度，同时，需要进行一工业可接受持续时间(特别参考：2003年4月27至5月2号C.Lagahe-Blanchard等人在法国巴黎的关于半导体键和会议集VII：科学、技术以及应用(Proceedings on the Semiconductor Wafer Bonding VII：Science，Technology，and Applications)；电化学学会，宁顿，新泽西，2003年，卷PV2003-19，第346页；P.Nguyen等人在2003年电气和电子工程协会国际绝缘体上硅会议集(Proceedings of the 2003 IEEEInternational SOI Conference)，纽波特比奇，加拿大，2003年9月29日至10月2日电气和电子工程协会，皮斯卡塔韦，新泽西，2003年，第132页)。
读者也可以参考文件US 6600173(发明人：Tiwari)、WO2004/042779(发明人：SOITEC-CEA)、WO 2004/044976(发明人：CEA)、WO 2005/013318(发明人：SOITEC)或者WO 2004/043615(发明人：SOITEC-CEA)或者Agarwal等人发表的文献名为“通过与氢一起植入氦绝缘体上硅的有效生产(Efficient production of silicon-on-insulatorfilms by co-implantation of He+with H+)”(应用物理快报，卷72，第9号，1998年3月发表)。
应该注意的是，在这些文献中，与氦一起植入硼或氢的主要目的是为了是使裂开更加容易(或以提高表面性能)，通过有助于降低总植入剂量和/或用于裂开所需之热预算。
相比而言，对于某些应用，有必要在植入之后但是在裂开之前或者甚至在键和之前，实施包含一高温热处理的步骤。如果裂开热处理的温度相对于之前步骤是足够高，对于裂开热处理的裂开的贡献接着能够是非常显著的。在步骤2的直接键对于已经以一高温而被增强都将会是更好(较高键和力)的这一方面上，它应该被取消。经由例子来看，与考虑过的应用相比，裂开退火的热预算(高温，长时间)越高，在裂开前形成的键和越强，因此转移的薄膜(尤其对于其中到一载体的键和)的质量越高。对于其他的应用，例如厚度2μm至3μm并在700℃产生的一高温氧化物(HTO)沉积在植入的芯片上(因此特别沉积在期望从其上分离一薄膜的衬底上)，这些应用可能有必要能够使芯片键和。但是，高温的应用导致非常短的裂开时间，其不能够工业应用的。更进一步，有必要保证裂开不出现在优先于用于获得该裂开的步骤之前的一热处理中。
通常这里应该规定的是，目前是力图将可能属于不同的厚度的薄膜分离，特别是非常小的厚度的薄膜，厚度上小于2微米或者甚至厚度小于300纳米的薄膜，同时保证透过分离所暴露的侧边的表面光洁度是足够的好，以使得不需要长时间的或者昂贵的表面处理步骤。
发明内容
已经知道的是，在一植入步骤后，因此有必要执行涉及一高温热预算(特别在高于450℃至500℃的温度)且没有引起表面(经由气泡的形成或经由剥落)的损坏的工艺步骤，包含当必要分离薄膜时，同时允许一热裂开(可能在一高温下，应用于一工业相容期)或一随后的良好控制的机械裂开。
本发明的目的是为了经由植入提供一种用于分离的工艺，其与高温热处理相一致，往往高于500℃，并执行在工艺步骤中(通常为外延薄膜或元件的形成等等)或在裂开步骤中，包含当非常小的厚度(小于300nm)的薄膜被关注时。
通常，本发明目的在于延迟裂开，致使热分离在一高温并且经过一足够长(以及因此工业兼容)的时间下被执行，。因此这相当于本方法的发明包含植入氢、硼或氦以为了可以以较低的温度制造一分离的裂开。
为了这个目的，本发明提供了一种通过裂开从施主衬底上分离硅薄膜的方法，包含：
-通过自由表面在施主衬底内植入物质的步骤，以形成减弱层，施主衬底在其至少位于自由表面下方的部分，超过至少等于薄膜的厚度的深度，即将被分离的薄膜由硅构成；
-包含在至少450℃的温度下进行热处理的至少一个中间步骤；以及
-沿着减弱层通过裂开的分离步骤，
其特征在于，植入物质步骤包含使用植入能量以及使用植入剂量以任一顺序植入硼、氦和氢，植入能量如下：
-相隔至多10nm，以实质相同的深度获得氦和硼浓度最大值；以及
-以大于氦和硼浓度最大值至少20nm的深度，获得氢浓度最大值，
并且植入剂量如下：
硼植入剂量至少等于5×1013B/cm2；以及
氦剂量和氢剂量的总剂量至少等于1016原子/cm2，并至多等于4×1016原子/cm2，甚至3×1016原子/cm2。
本发明被应用于硅的各种类型：单晶硅、多晶硅或非晶硅，无论是掺杂或不掺杂。
将知道的是，特别用于大厚度(往往大于2微米厚)的薄膜的分离，可以没有必要提供键和(经由密切接触)到载体的步骤。
应该注意的是，该工艺除了步骤1外，实质上是拷贝名为Smart CutTM通常都知道的传统步骤。
这是因为根据本发明步骤1包含，利用控制植入的一些很严格的条件植入三种下面的离子种类物质：硼、氦和氢。
众所周知，硼为与氢和氦不同性质的一种物质，其为原子较小的气体。
如上所述，已经知道结合氢植入氦。也已经知道结合氢植入硼。但是这些合并植入本质上以考虑相对于单独的氢(或氦)植入降低分离温度或者总植入剂量的目的而被提出。
但是出乎意外的是，已经观察到，相对于单独植入氢，如在前面所提及的文件US 5374564(发明人：Bruel)中的示例所描述而言，在本发明的条件下，以具有在10至1000keV之间的能量且具有在500℃上获得一热裂开的若干1016原子/cm2的剂量，附加植入氦和硼具有以下优点：热裂开需要一较高热预算，而因此可以包含高温工艺步骤，且没有过早裂开的风险。
更不必说已经观察到的，同样出乎意外的是，相对于结合硼来植入氢，如在前面所提及的文件US 5 877 070(发明人：Goesele)所描述而言，在本发明的情况下，以具有在60至129keV之间的一能量下1017H/cm2的氢剂量，以及代表氢剂量(具有180keV的能量的5×1014H/cm2)的0.1％和1％之间的硼剂量，以及在250℃的一光敏热处理，然后在至多等于光敏温度的温度下裂开，附加植入氦具有延迟热裂开(或甚至预防它，在这种情况下，附加能量必须以机械形式被提供)的优势。
同样地，相对于与氦一起植入氢的一工艺，如在前面所提及的文件WO 2004/04279所描述而言，在本发明的条件下，以具有30keV的能量的4.5×1016H/cm3的氢剂量，以及45keV的能量的2×1016He/cm3的氦剂量，以及在275℃得到分离裂开，附加植入硼的事实具有延迟热裂开(或甚至预防它，在这种情况下，附加能量必须以机械形式被提供)的优势。
实际上，包含氢、氦和硼的三重植入的观念已经在文献EP 1 798 765(发明人：Corning)接触到，但是仅仅以一模糊的和不精确的方式，由于实施例所描述的仅限于两倍植入的示例。实际上，被该文献所提出的多倍植入的目的是为了降低成本，其中一推理违反了以本发明所解决的技术问题为基础的延迟目的。更不用说，本文献既没有揭露也没有建议本发明所提及的植入条件或他们的优势。
有利的是，首先当分离尤其小厚度(至多几百纳米)的薄膜时，在植入和裂开分离步骤之间(中间的高温步骤，甚至分离步骤，然后可以使键和界面以被加强的热处理)提供了键和到一载体的步骤(经由与后者紧密接触)。更通常地，中间步骤(它不需要是一单独步骤)优选为一高热预算工艺步骤，往往包含至少等于450℃，甚至500℃的一温度，例如一加强处理，而且经过一薄膜沉积处理，尤其外延沉积等等。
根据本发明的优选特征，可选择地结合：
-硼植入剂量至少等于氦剂量和氢剂量的总剂量的1％和至多等于氦剂量和氢剂量的总剂量的10％，即硼剂量代表氦剂量和氢剂量的总剂量的标志性的但是小的一部分。
-氦剂量和氢剂量中每个至少等于1015原子/cm2，即这些物质中中的每个以一标志性的水平存在，并且在这些物质两者之间存在着协同增效。
-氦剂量和氢剂量的比例在1/2和2之间，即它们优选为相同的数量级。
-一方面，氦和硼浓度最大值之间的距离，另外一方面氦和硼浓度最大值和氢浓度最大值之间的距离，至多等于200nm。
-经由裂开热处理获得裂开，热处理在至少等于450℃，甚至600℃的温度下至少部分地被执行。
-裂开经由机械能量的应用而被诱导(振动脉冲、插入刀片、扭矩、超声波等)。
附图说明
本发明的目的、特征以及优点，通过没有限制的指示以及结合附图所提供，从下面的描述中将变得清晰，其中：
图1为已经经过本发明工艺的植入步骤的衬底的原理横截面视图；
图2是图1的衬底与第二衬底紧密接触的步骤之后的类似示意图；
图3为裂开步骤后的类似示意图；以及
图4示出了准备用于执行本发明的工艺的新循环的原始衬垫的示意图。
图1示出了原始衬底10，这里由单晶硅构成。作为一变换，此衬底可以特别由被例如由多晶硅构成的载体衬底所承受的单晶硅层构成。常见的是，这里该衬底10被在先前步骤所获得的热氧化层11(这样的氧化层可以被省略)所覆盖。
该原始衬底已经经过三重植入，即硼植入、氢植入以及氦植入。
这三种物质植入的顺序看起来不影响裂开分离工艺的结果。
植入能量被选择，进而氦峰和硼峰为：
-比氢峰低至少等于20nm的距离，有利地至多等于200nm；以及
-均被定位在相同的深度，或者互相远离较小距离定位(实际多达10nm)。
用于制作这样的深度测量的适合技术看起来为次级离子质谱分析(SIMS)，其提供不同于那些可以通过仿真，例如使用CTRIM(在物质中离子的晶体传输)软件所获的结果。
植入剂量可以被选择如下：
-硼剂量至少等于5×1013B/cm2，优选至少等于1014B/cm2以及优选在1016B/cm2以下，以避免衬底的非晶化，甚至更为优选地，硼剂量没有超过氢和氦合并剂量的10％；以及
-氢和氦的总剂量(氢剂量+氦剂量)至少等于1016/cm2，优选至多等于4×1016/cm2以及优选至多等于3×1016/cm2。
因此硼剂量优选为低于累计的氢+氦剂量的1和100倍之间。
之后薄膜位于被执行植入的表面和氦峰以及硼峰之间(为由于植入引起的损害极大集中的地方(该损害可以在该三重植入和裂开之间改变))。
与已知的智切法工艺相似，接着优选使衬底10(参考图2)与一载体12紧密接触，这里载体12为与原始衬底10相同种类的衬底，即单晶硅(它也可以面向衬底10在它的表面上被一氧化层(未在图中示出)覆盖)。在薄膜分离之前，这种接触经由直接键和优先出现，然后热处理可以被使用以增强该键和。
在图2中，标号13代表一减弱层，该减弱层由前面所提及的三重植入以及在这些植入中或之后经过的可能的热处理所造成，例如用于增强至载体的键和所造成。
接下来(参考图3)，通过施加通过另外一种能量形式(图形中由一箭头所示)所可能补充的热能量，例如通过施加分离力(例如在两个衬底之间插入刀片和/或使用拉力和/或弯曲应力和/或剪切应力和/或通过使用谨慎选择功率和频率的超声波或微波)，裂开被诱导在减弱层13处，大体上在硼和氦植入处。因此获得保持附着在第二衬底12上的原始衬底部分所构成的薄膜15，以及原始衬底的残留部分，这里被表示为10’。
然后该残留部分可以经过选择回收后，例如使用适当的抛光和/或热处理可以被用作另一植入-键和-裂开循环(图4)。
实验结果
用于三重植入的推荐的操作条件以下列的结果为基础。
植入顺序的影响
植入操作条件被设置，作为参考，如下所示：
-硼B(80keV and 1015/cm2)，氦He(34keV以及1.2×1016/cm2)以及氢H(27keV以及1.2×1016/cm2)。
然后退火在500℃被执行10分钟或在700℃被执行10分钟以对这些操作条件的效果进行评价。
植入按照下面的顺序执行：
-B然后He然后H；
-B然后H然后He；
-H然后B然后He；
-H然后He然后B；
-He然后H然后B；以及
-He然后B然后H。
这些按照植入顺序的不同的组合，所有其他的条件都是同样的，都是在500℃热处(10分钟)和在700℃进行热处理(10分钟)，导致同样的结果，也就是，在热处理结束时没有起泡，意味着在热处理结束前已经没有过早的裂开，意味着在500℃下进行热处理10分钟或在700℃下进行热处理10分钟后，这些植入条件并没有导致热裂开，以及意味着为了获得裂开，应用另外一种形式的能量，尤其是机械能量，是更有用的。
但是值得提及的是，没有这样的三重植入，裂开将出现得更快。因此，作为示例，假设单独植入氢且利用与上述所提及的总共氦剂量和氢剂量的相似剂量，或者假设植入氢和氦而不植入硼，在500℃时经过大约10分钟获得纯热裂开(即没有附加机械能量)。假设植入氢和硼而未植入氦，在500℃时经过大约11秒则获得纯热裂开。通过本发明所推荐的三重植入，仅在500℃时大约2小时后热裂开被观察到。
尽管某些情况未知，但是看起来好像是单独植入氢导致可能近似于在减弱层的平面上具有长度大约50至100nm的微裂纹型拉长孔洞的缺陷，对此本发明的三重植入代替地导致位于整个球面上直径大约10nm至20nm的缺陷。
氦植入能量和氢植入能量的影响
为了对氦植入能量进行评价，操作条件被设置，作为参考，与上述所提及类似，如下所示：
-硼(80keV and 1015/cm2)，氦(变化的能量以及1.2×1016/cm2)以及氢(27keV以及1.2×1016/cm2)。
植入的效果如上一样，通过在500℃退火10分钟或在700℃退火10分钟而被评价。
随着氦植入能量从55keV至24keV的降低，可以观测到的是：
-当能量从55keV降至34keV时，在最高能量处观测到的起泡趋于减少；
-当能量为34keV时，没有起泡；
-然后当能量从34keV至24keV被降低时，起泡增加。
因此，在34keV时的氦植入对应于有助于分离裂开的热效应的一最大延迟，并且能量距离这个最佳值越远，无论在它上面或者在它下面，该延迟越来越无效。换言之，看起来具有对应于硼的植入深度的最佳植入深度(在硅被厚度为100nm的热氧化层所覆盖的情况下，根据下面的表格大约200nm，即在此层下100nm)。
为了对氢植入能量的效果评价，操作条件被设置，作为参考，如下所示(类似于上述所定义)：
-硼(80keV and 1015/cm2)，氦(34keV以及1.2×1016/cm2)以及氢(变化的能量以及1.2×1016/cm2)；以及
-退火在500℃被执行10分钟或在700℃被执行10分钟。
随着氢植入能量从50keV降至20keV(即，实际上与氦相同的变化范围)，可以观测到的是：
-当能量从50keV降至27keV时，没有起泡；以及
-然后当能量从27keV被降低至20keV时，起泡增加。
因此，以50keV至27keV的能量的氢植入对应于有助于分离裂开的热效应的一最大延迟，并且能量被降低在27keV下越远，该延迟越来越无效。换言之，看起来具有最小植入深度(在硅被厚度为100nm的热氧化层所覆盖的情况下，根据下面的表格大约230nm，即在此氧化层下130nm)。
通过使用在34keV上或下变化的能量，使用27keV上或下的能量植入氦或者以上述最佳值植入硼所获得的结果，在下表中被给出，用作被一厚度为10nm的热氧化层所覆盖的由单晶硅构成的原料衬底。数值Cmax对应于植入密度为最大值时(使用CTRIM软件模拟以及使用SIMS测量的)的深度。
对于不同峰的相对位置的限制将以SIMS测量为基础而被定义。看起来好像是由硼峰的位置决定了之后薄膜的厚度。
硼、氦和氢植入剂量的影响
为了对硼植入剂量的效果评价，操作条件被设置，作为参考，如下所示(类似于上述所定义)：
-硼(80keV，具有一变化的剂量)，氦(34keV以及1.2×1016/cm2)以及氢(27keV以及1.2×1016/cm2)；以及
-退火在500℃被执行10分钟或在700℃被执行10分钟。
具有在6×1014at/cm2和10×1014at/cm2之间的硼浓度，对应于每单位面积仅1010at/cm2的剂量，即以非常低的剂量，一常规的裂开被观察，例如尤其观察经过一简单氢植入包含微裂纹型缺陷的裂开。
如果硼剂量(因此浓度)增加一数量级(乘于大约10的一个因子)，可以观察到裂开加速。
通过植入，随着再一次增加硼的剂量(浓度)一数量级至1013at/cm3级(大约6×1017at/cm3)，导致裂开的延迟，意味着裂开时间以乘于3的因子而增加，或者意味着在裂开出现前，保持相同的时间长度的同时，可以增加裂开热处理温度大约25℃。将知道的是本发明的效果开始从这个数量级上开始显示出；但是，可以观察到，在某些高温工艺步骤的应用中，依然存在过早裂开的风险，进而看起来优选定位剂量在临界值以上。
随着硼的剂量再一次增加一个数量级，至1014at/cm2级(大约6×1018at/cm3)，观察到具有防止热裂开的效果。尤其是经过从600℃到900℃的1小时的热处理后，裂开本身不是足够以诱导裂开，因此有必要增加另外一种能量形式(通过插入刀片)。
以更高的剂量上，高于一数量级，即1015at/cm2(大约6×1019at/cm3)，这个热-裂开阻止效果同样被观测到，甚至在没有起泡的情况下。
因此，看起来硼剂量在1013at/cm3以下，硼的使用影响了本发明的目的，但是在这个剂量以上，结合氢和氦使用硼，对于相同的一次或多次热处理，用助于延迟微空洞的层的变化以及因而导致的裂开。延迟效果从1014at/cm2尤其值得注意，也应该在高剂量尤其是1015at/cm2级上也出现(但是，增加硼剂量超过这个范围是不推荐的，由于考虑到硼可能具有其他的效果，特别在非晶化方面)。
为了对氢植入能量的效果评价，操作条件被设置，作为参考，如下所示(类似于上述所定义)：
-硼(80keV以及1015at/cm2)，氦(34keV以及1.2×1016at/cm2)以及氢(27keV以及具有变化的剂量)；以及
-退火在500℃被执行10分钟或在700℃被执行10分钟。
可以观察到，随着剂量从4×1016at/cm2被降低至1×1016at/cm2，起泡减少直到在1016at/cm2时变得观察不到。
因此，在所有条件都是不相似的情况下，大约1016at/cm2(当然包含在上述参考给予条件中所提到的1.2×1016at/cm2)的氢剂量看起来为一最佳剂量(低于这个剂量的剂量则不再足够的高以产生十分规则获得的微空洞层，以及最后在裂开分离后，获得符合要求的表面光洁度)。
为了对氦植入能量的效果评价，操作条件被设置，作为参考，如下所示(类似于上述所定义)：
-硼(80keV以及1015at/cm2)，氦(34keV以及具有变化的剂量)以及氢(27keV以及1×1016at/cm2)；以及
-退火在500℃被执行10分钟或在700℃被执行10分钟。
可以观察到，随着氦剂量从4×1016at/cm2被降低至1×1016at/cm2，起泡首先增加(在4×1016at/cm2和3×1016at/cm2之间)，然后降低直到在1×1016at/cm2不再真正观察得到。
因此，在所有条件都是不相似的情况下，大约1016at/cm2(当然包含在上述参考给予条件中所提到的1.2×1016at/cm2)的氦剂量看起来为一最佳剂量(低于这个剂量的剂量则不再足够的高以产生十分规则获得的一微空洞层，以及最后在裂开分离后获得符合要求的表面光洁度)。
更普遍的是，将了解到的是对于无论任何次序的三重植入来说，尤其有利的操作范围被定义如下：
植入能量是这样的：
-以大体相同的深度获得氦浓度和硼浓度最大值，相隔至多10nm；以及
-这些最大值比氢浓度最大值要稍浅，
以及植入剂量是这样的：
硼剂量至少等于1013B/cm2(往往至少等于5×1013B/cm2)；以及
氦和氢的总剂量在1016at/cm2和4×1016at/cm2之间，优选至多3×1016at/cm2。
本发明一些典型实施例如下所描述，以硅来作为示例：
实施例1
覆盖有厚度为100nm的SiO2热氧化层的(100)晶向的单晶硅衬底，在下列条件下被植入：硼(80keV以及1015at/cm2)+氦(34keV以及1.2×1016at/cm2)+氢(27keV以及1.2×1016at/cm2)。然后植入衬底被脱氧，然后使用标准疏水性直接键和(使用氢氟酸(HF)脱氧，然后是氢氟酸最终步骤(HF-last)(意思是在氮气气氛下干燥前，以1％的浓度使用HF持续30秒))键和至(110)单晶硅衬底。既然接着键和能量处于室温(20mJ/m2)之下，这个键和接下来不得不在700℃至800℃下被增强，以承受随后的薄膜转移，键和能量然后达到大约1.5至2J/m2。然后裂开热处理(其同时增强键和界面)在一长时间热处理的例子中包含：从室温以0.25至5℃/min的上升斜率至800℃，每100℃任意保持2至6小时长的停滞，然后以0.25至3℃/min的速率进行缓慢的温度下降。这种热处理本身不会导致裂开，后来通过在键和界面中插入刀片而机械地导致裂开。获得连接到(110)硅衬底的厚度大约225nm(～225nm)的(100)硅薄膜，其薄膜可以被用于生产先进的微电子元件。
值得注意的是植入条件对应于至少接近于上述指示的最佳条件。
值得欣慰的是，尽管经过高温处理(600℃上几个小时)的极长时间，分离裂开的时间是很好控制的，裂开只出现在插入刀片时。相反，不使用本发明所提供的三重植入，毫无疑问过早的热裂开在热处理中将会从低温时，在500℃以下就被观察到，进而它不可能增强键和界面(成为结果的缺陷薄膜)(注意：它对于在800℃使用一个以及相同的热处理以确保键和界面和裂开的加固可以是有利的)。
实施例2
硅衬底在下列条件下被植入：硼(150keV以及5×1014at/cm2)+氦(65keV以及1016at/cm2)+氢(60keV以及2×1016at/cm2)。单晶Si的厚薄膜(～10至50μm厚)然后通过液相外延(LPE)在700℃生长在植入衬底上。可以被用于生产太阳能电池的具有内在薄层的异质结(HIT)技术然后产生。因此处理过的外延生长表面然后用金属膏或导电聚合物键和到薄金属薄膜(铝或者钢箔)，并且在植入区通过应用机械力(剥落、超声波、拉力、剪切力等等)裂开被机械诱导。采用这种方法，获得厚度为～10至50μm的单晶硅光电池。
值得注意的是，相对于实施例1中的植入条件，该植入条件对应于较高能量的硼植入，但是为其剂量的一半，对应于相同的剂量的氦植入，但是将近双倍的能量，对应于剂量和能量都将近双倍的氢植入。但是，对于氦和硼(大约500nm)植入深度是基本相同的，但小于氢植入的深度可能大约70nm的距离。
值得欣慰的是，尽管高温处理的存在，对于外延生长和对于有用部件的形成，分离裂开的时间是很好控制的，裂开只出现在插入刀片时。相反，不使用根据本发明所提供的三重植入，毫无疑问衬底的起泡或剥落都将被观察到(起泡损害了外延薄膜的质量，然而剥落导致植入区域的减少以及为了随时控制裂开因此减少的缺点)。
实施例3
硅衬底在下列条件下被植入：硼(80keV以及1014at/cm2)+氦(34keV以及1.2×1016at/cm2)+氢(27keV以及1.2×1016at/cm2)。然后植入衬底经过包含500℃，经过1.5小时的时间总长的热处理的一个或多个工艺步骤。这些工艺步骤可以包含例如在500℃例如通过致密热处理之后的厚键和层(SiO2、Si3N4、多晶Si)的沉积。然后通过在600℃时经过10分钟的等温热处理裂开被热诱导。
值得注意的是，相对于上述给予的最佳条件，硼剂量为十倍不到。但是尽管经过各种热处理，分离裂开的时间被很好控制，这里只有在至少600℃进行热处理。但是，不使用这样的三重植入，毫无疑问如实施例2中所描述，起泡或剥落都将被观察到。

Claims (10)

1.一种通过裂开从施主衬底（10）分离薄膜（15）的工艺，包含：
通过自由表面在所述施主衬底内植入物质的步骤，以于所述施主衬底之一部分内形成减弱层（13），所述施主衬底之一部分位于所述自由表面下方并具有大于等于所述薄膜的厚度的深度，即将被分离的所述薄膜由硅构成；
包含在至少450℃的温度下进行热处理的至少一个中间步骤；以及
沿着所述减弱层通过裂开的分离步骤，
其特征在于，所述植入物质步骤包含使用植入能量以及使用植入剂量以任一顺序植入硼、氦和氢，
植入能量如下：
以实质相同的深度或者相隔至多10nm的深度获得氦和硼浓度最大值；以及
以大于所述氦和硼浓度最大值至少20nm的深度，获得氢浓度最大值，
并且植入剂量如下：
硼植入剂量大于等于5×1013硼原子/cm2；以及
氦剂量和氢剂量的总和大于等于1016原子/cm2，并小于等于4×1016原子/cm2。
2.根据权利要求1所述的工艺，其中，它进一步包含使所述自由表面与载体（12）紧密接触的键合步骤。
3.根据权利要求1所述的工艺，其中，所述硼植入剂量大于等于所述氦剂量和氢剂量的总和的1%且小于等于所述氦剂量和氢剂量的总和的10%。
4.根据权利要求1所述的工艺，其中，所述氦剂量和所述氢剂量中每个大于等于1015原子/cm2。
5.根据权利要求4所述的工艺，其中，所述氦剂量和所述氢剂量的比例在1/2和2之间。
6.根据权利要求1所述的工艺，其中，所述氦和硼浓度最大值和所述氢浓度最大值之间的距离小于等于200nm。
7.根据权利要求1所述的工艺，其中，经由裂开热处理获得所述裂开，所述热处理在大于等于450℃的温度下被执行。
8.根据权利要求1所述的工艺，其中，经由裂开热处理获得所述裂开，所述热处理在大于等于600℃的温度下被执行。
9.根据权利要求1所述的工艺，其中，所述裂开经由机械能量的应用而被诱导。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的工艺，其特征在于，所述氦剂量和氢剂量的总和小于等于3×1016原子/cm2。
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2993095B1 (fr) * 2012-07-03 2014-08-08 Commissariat Energie Atomique Detachement d’une couche autoportee de silicium <100>
JP2014138152A (ja) * 2013-01-18 2014-07-28 Fuji Electric Co Ltd 半導体薄膜フィルムの製造方法
US9589802B1 (en) * 2015-12-22 2017-03-07 Varian Semuconductor Equipment Associates, Inc. Damage free enhancement of dopant diffusion into a substrate
EP4210092A1 (en) 2018-06-08 2023-07-12 GlobalWafers Co., Ltd. Method for transfer of a thin layer of silicon
US11232974B2 (en) * 2018-11-30 2022-01-25 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Fabrication method of metal-free SOI wafer

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5374564A (en) * 1991-09-18 1994-12-20 Commissariat A L'energie Atomique Process for the production of thin semiconductor material films
US5877070A (en) * 1997-05-31 1999-03-02 Max-Planck Society Method for the transfer of thin layers of monocrystalline material to a desirable substrate
US6020252A (en) * 1996-05-15 2000-02-01 Commissariat A L'energie Atomique Method of producing a thin layer of semiconductor material
CN1708844A (zh) * 2002-11-07 2005-12-14 原子能委员会 通过共注入而在基底中形成弱化区的方法
CN1708843A (zh) * 2002-11-07 2005-12-14 S.O.I.泰克绝缘体硅技术公司 在共注入后在中等温度下分离薄膜的方法
CN1830077A (zh) * 2003-07-29 2006-09-06 S.O.I.Tec绝缘体上硅技术公司 通过共同注入和热退火获得质量改进的薄层的方法

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6150239A (en) * 1997-05-31 2000-11-21 Max Planck Society Method for the transfer of thin layers monocrystalline material onto a desirable substrate
JP3412470B2 (ja) * 1997-09-04 2003-06-03 三菱住友シリコン株式会社 Ｓｏｉ基板の製造方法
US6600173B2 (en) 2000-08-30 2003-07-29 Cornell Research Foundation, Inc. Low temperature semiconductor layering and three-dimensional electronic circuits using the layering
US20040224482A1 (en) * 2001-12-20 2004-11-11 Kub Francis J. Method for transferring thin film layer material to a flexible substrate using a hydrogen ion splitting technique
US20040086718A1 (en) 2002-11-06 2004-05-06 Pawlik Michael J Corrosion and alkali-resistant compositions and methods for using the same
RU2217842C1 (ru) * 2003-01-14 2003-11-27 Институт физики полупроводников - Объединенного института физики полупроводников СО РАН Способ изготовления структуры кремний-на-изоляторе
EP1652230A2 (fr) 2003-07-29 2006-05-03 S.O.I.Tec Silicon on Insulator Technologies Procede d' obtention d' une couche mince de qualite accrue par co-implantation et recuit thermique
US6992025B2 (en) * 2004-01-12 2006-01-31 Sharp Laboratories Of America, Inc. Strained silicon on insulator from film transfer and relaxation by hydrogen implantation
US7262466B2 (en) * 2004-08-18 2007-08-28 Corning Incorporated Strained semiconductor-on-insulator structures and methods for making strained semiconductor-on-insulator structures
CN101027768B (zh) * 2004-09-21 2010-11-03 S.O.I.Tec绝缘体上硅技术公司 根据避免气泡形成和限制粗糙度的条件来进行共注入步骤的薄层转移方法
US7456080B2 (en) * 2005-12-19 2008-11-25 Corning Incorporated Semiconductor on glass insulator made using improved ion implantation process
FR2898431B1 (fr) * 2006-03-13 2008-07-25 Soitec Silicon On Insulator Procede de fabrication de film mince
US8372735B2 (en) * 2008-08-14 2013-02-12 Varian Semiconductor Equipment Associates, Inc. USJ techniques with helium-treated substrates

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5374564A (en) * 1991-09-18 1994-12-20 Commissariat A L'energie Atomique Process for the production of thin semiconductor material films
US6020252A (en) * 1996-05-15 2000-02-01 Commissariat A L'energie Atomique Method of producing a thin layer of semiconductor material
US5877070A (en) * 1997-05-31 1999-03-02 Max-Planck Society Method for the transfer of thin layers of monocrystalline material to a desirable substrate
CN1708844A (zh) * 2002-11-07 2005-12-14 原子能委员会 通过共注入而在基底中形成弱化区的方法
CN1708843A (zh) * 2002-11-07 2005-12-14 S.O.I.泰克绝缘体硅技术公司 在共注入后在中等温度下分离薄膜的方法
CN1830077A (zh) * 2003-07-29 2006-09-06 S.O.I.Tec绝缘体上硅技术公司 通过共同注入和热退火获得质量改进的薄层的方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Bruno et al..He implantation in Si for B diffusion control.《Nuclear instruments&amp *
Bruno et al..He implantation in Si for B diffusion control.《Nuclear instruments&methods in physics research》.2007,
methods in physics research》.2007, *

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