TW200811994A - Production SOI structure using high-purity ion shower - Google Patents

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Jeffery Scott Cites
Kishor Purushottam Gadkaree
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Description

200811994 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於製造半導體在絕緣體上(SOI)結構之方 法。特別1本發明係關於藉由使用高純度離子浴植入製 造SOI結構之處理過程。本發明有用於例如製造半導體在 絕緣體上結構例如矽在絕緣體結構，半導體在玻璃上結構 例如石夕在玻璃上結構，以及相關半導體裝置。 【先前技#f】 在此簡稱SiOI係指矽在絕緣體上。簡稱s〇I係指半導 體在絕緣體上，一般包含但是並不限制於Si〇I。簡稱為义㈨ 係指矽在玻璃上。簡稱S0G係指半導體在玻璃上，一般包含 但疋並不限制於Si〇G。s〇G預期包含半導體在陶兗上以及 半導體在玻璃陶瓷上結構。同樣地SiOG預期包含石夕在陶瓷 上以及矽在玻璃陶瓷上結構。
SiOI技術作為高性能薄膜電晶體，太陽能電池，以及主 動陣列顯示器逐漸地變為重要。Si〇I晶片包含—薄層單晶 石夕，通常厚度為〇·卜0· 3微米，但是在一些情況中厚度為5微 米於絕緣材料上。 得到該SiOI晶片之各種方式包含Si外延成長於相匹配 晶絲質上;將單晶石夕晶片黏接至另一石夕晶片，一層s沿氧 化物層成長於其上面，接雜歧_頂部^向下至例 如=至〇· 3微米層之單曰曰曰石夕;或離子植入方法，其中植入氫 或氧離子，在氧離子植入情況中藉由石夕封頂以形成埋喪氧 化物層於石夕晶片中，在氫離子植入情沉中分離(外延)薄層 200811994 矽層以利用氧化物層黏接另一矽晶片。依據離子植入之這 三種方式發現能夠更實際地商業化。特別是，氫離子植入 法優於氧離子植入，其中氫離子植入能量為氧離子植入之 50%以及所需要量劑約為低於2個數量等級。 由氫離子植入法之外延作用初始地揭示於例如Bister 等人之’’Ranges of the 0· 3-2 KeV H+ and 0· 2-2 KeV Η/ Ions in Si and Ge，n Radiation Effects, 1982， 59:199 -202,以及更進一步由Michel Bruel加以證實。參閱 之美國第 5374564 號專利；Μ· Bruel, Electronic Lett., 31，1995，1201-02;以及L· Dicioccio，Υ· Letiec，F. Letertre，C· Jaussad及M. Bruel，Electrank Lett， 32，1996，1144-45。 氫離子植入通常包含下列步驟。熱氧化層成長於單晶 石夕晶片上。氫離子再植入至該晶片以產生次表面裂縫。植 入能量決定出產生裂縫之深度以及量劑決定裂縫密度。該 晶片在室溫下放置與另一矽晶片（支樓基板)接觸以形成暫 時性黏接。 晶片再作熱處理至大約6〇〇°C以促使次表面裂縫成長 以使用於由石夕晶片分離一薄層石夕。產生組件再力口熱至溫度 南於1000 C以完全地使具有Si〇2下層之Si薄膜黏接至支標 基板，即未植入Si晶片。該處理過程因而形成具有矽薄膜 之SiOI結構黏接至另一矽晶片，其具有氧化物絕緣層在其 中間。 4貝格為SOI以及SiOI結構商業化應用重要的考慮因素 200811994 至目别，上述所說明方法及結構價格主要部份為矽晶片 之4貝格，該晶片支撐氧化物層，由石夕薄膜封頂，其主要價格 為支撐基板。 雖然使用石英作為支撐基板已在多個專利提及(參閱 美國第 6140209, 6211041，6309950, 6323108, 6335231 及 639 Π40號專利)，石英本身為相當便宜之材料。在說明支撐基 板中，些上述文獻已提及石英玻璃，玻璃，以及玻璃陶瓷 ° 些參考文獻中所列其他支撑基板材料包含鑽石，藍 實石，碳化石夕，氮化石夕，陶兗，金屬，及塑膠。 在SOI結構中以較便宜材料製造晶片替代石夕晶片完全 為非簡單轉情。侧是，峨夠大量健減造之玻璃 或玻璃陶瓷或陶瓷種類替代石夕晶片為困難的，即製造價格 责兄爭性S0G以及Si〇G結構為困難的。 本公司相關之美國第10/779582號專利申請案以及公 告為US2004/0229444 A1專利案說明製造SiOG以及S0G結構 之技術以及该結構新穎的型式。本發明許多應用中包含利 用於光電，FR電子，以及混合(類比/數位)電子以及顯示器 應用例如為LCD及0LED，與非晶質以及多晶矽為主裝置比較 ，本發明能夠達成顯著的性能提昇。除此，亦能夠達成高效 率之光電以及太陽能電池。兩者處理技術以及新穎的SOI 結構顯著地降低SOI結構之費用。 另外一項顯著地影響製造SOI, SiOI，S0G及SiOG結構之 離子植入方式的費用為離子植入處理過程之效率。傳統上 ，使用氫離子植入或氧離子植入，前者由於較高效率為優先 第 7 頁 200811994 地。不遇這些傳統離子植入處理過程需要使用狹窄的離 子束,其導致長的植入時間以及高的費用。因而，替代離子 源被發展出以及揭示於先前技術中。 例如，美國第6027988號專利使用電漿離子浸沒植入 (PIII)，其中半導體基板例如為矽晶片放置於電聚大氣以 及電場中，因而能夠使大面積同時地進行離子植入。不過 PIII遭遇被電漿蝕刻以及表面電荷之缺點以及在較高能量 下為缺乏雕#，缺乏财㈣敝制，以及無法精確地控 制離子植入區域之厚度以及外延薄膜之厚度。 另-項對狹窄區域離子束植入之替代方法為離子淋浴 植入(ISI)。离奸淋浴通常為藉由抽离隹電極以及選擇性之 後加速系統由電漿源⑽出之大面讎子束。離子淋浴與 ΡΠΙ不同在於離子淋浴使用相隔較遠電裝，被離子植入基 板週圍並無電場區域，以及為連續性並非脈衝離子束。這 些ISI系、統特性消除PIII之絲電荷及蝴問題，以及能夠 作精確的量劑控制。 本發明發現3峨ISI能彡鍵谢域的離子植人，在製造 S0G#構中使用傳統ISI會由於薄膜由基板分離而導致無法 接又的損壞。對於許錄造半導體裝置，雜人過程中以 及由於由基板雜麟触g格完紐為重要的。 …因而，需要分離半導體材料薄膜之處理過程，其能夠有 j率，有效的而並不會損及所需要_結構。制是，需要 IUS0G結構之處理過程，其中能夠有效率及有效地進行離 子植入處理過程。本發明將滿足該長時間即存在的需求。 第8 頁 200811994 【發明内容】 、依據本發明一項，本發明提供一種形成SOI結構之處理 過程，該處理過程包含下列步驟·· 提供由料體材料所構成之施體基板，其具有第一施體 外部表面；以及 植^-組多種屬於第—種類離子藉由使用由電磁分離淨 、之第碓子淋/合經由第一施體外部表面進入離子植入區 f果度低於第—施料部麵使得夾雄子植入區域與 第一施體外部表面(外延薄膜)間薄膜材料之至少、50nm厚度 部份之結構，在特定實施例為至少lOOnm厚度部份，在苴他 特定實施例為至少咖厚度部份，在其他特定實施例為至 少200nm厚度部份，實質上並不會受到損壞。 過程特定實施例中，外延薄膜由單晶 矽所構成。 在本發明第—項處理過程特定實施例巾，在步驟(11) 中’離子植入區域之深度為小於，在特定實施例中為 =500nm，在特定其他實施例中為小於15〇咖，在特定其他 ^施例中為小於1GGnm。捕銳雜擁實闕中，外延 薄膜非損壞部份厚度大部份至少為外延細急厚度之峨， 〇在特定實施例中至少為6〇%，在特定其他實施例中至少為8〇 %，在特定其他實施例中至少為90%。 在本發明該處理過程特定實施例中，步驟(π)中，離子 植入區麵度並不大於1微米，在特定實施例中為不大於 5〇〇咖，在特定其他實施例中為T大於300nm，在特定其他實 第9 頁 200811994 施例中為不大於2〇〇nm。 在本發明該處理過程特定實施例中，步驟(Η)中，第一 離子淋浴植入包含屬於第一種類離子。在特定實施例中， 屬於第一種類離子為單一離子種類由Η/，矿，Η/，以，D/ ，HD+，+，HIV，He+，He/，〇+，〇/，〇/以及 〇/選取出’。’ 在特定實施例中，屬於第一種類離子為不含鱗，佩碎，碳， 氮，氧，氯以及金屬。 本發明該處理過程特定實施例更進一步包含下列步驟 (III)與步驟(II)分離以及獨立於步驟(J J): 藉由使用由電磁分離淨化之第二離子淋浴植入一組多種 屬於第二種_子經由第一施體外部表面進入離子植入區 域深度在第-施體外部表面底下，使得結構至少50nm厚度 部份，在特定實施例中至少·咖厚度部份，在特定其他實 把例中至J 15Gnm厚度部份，在特定實施例中至少綱咖厚 度部份外延薄膜實質上並未受到損壞，該屬於第二種類離 子不同於屬於第一種類之離子。 ♦依據本發明第一項特定實施例，離子植入區域包含第 -離子植入區域’其中屬於第一離子種類之離子被移植以 及第二離子植人區域，財屬於第二離子種類之離子被移 植，，第-離子植入區域與第二離子植入區域實質上相 互重豐。在特定實施例中，尖峰離子種類間之距離為小於 200nm’在特定實施例中為小於15〇皿，在特定實施例中為小 於lOOnm，在特定實施例中為小於5〇咖。 在本發明該處理過程之特定實施例中，屬於第一種類 第10 頁 200811994 離子為H/，以及屬於第二種類離子為He+。在特定實施例 中，H/離子能量與He+離子能量之比值約為2:1。在該處理 過程之特定實施例中，H/能量約為6〇KeV，以及He+能量約 為30KeV。在特定有益實施例中H+植入區域以及He+植入區 域兩者在施體基板離子植入區域内實質上為重疊的。 依據本發明第一項處理過程之特定實施例中，更進一 步包含下列步驟(IIIA)與步驟(π)分離以及獨立於步驟 (II): (IIIA) 藉由使用離子束線植入機植入一組多種離子經由 第一施體外部表面進入離子植入區域深度在第一施體外部 表面底下。 在依據本發明第一項處理過程之特定實施例中，更進 -步包含下列步驟(IIIB)與步驟(丨t)分離以及獨立於步驟 (II): (IIIB) 藉由使用傳統離子淋浴機植入一組多種離子經由 第-施體外部表面進入離子植入區域深度在第一施體外部 表面底下。 依據本發明第—顿理過程之特定實施例更進一步包 含下列步驟(IV): 黏接第-施料部細至受納基板。 依據本發明第一項處理過程之特定實施例更進一步包 含下列步驟(V): 在植入區軸—個位置處分離至少部份外延薄膜以及 至J 4伤植入區域中材料。 第11頁 200811994 依據本發明第一項處理過程之特定實施例更進一步包 含下列步驟(IV)以及(V): (m黏接第―施體外部表面至受納基板 ;以及 在植入區翻-恤置處分齡辦料延薄膜以及 至少部份植入區域中材料。
MtHa月第一項處理過程之特定實施例，其中施體 ^板黏附线喊板如上频綱，卩及錢基板由具有 氧化物表面層半導體晶片或不具有氧化物層半導體晶片， 玻璃板，以及玻璃陶瓷板選取出。 依據本發明第一項處理過程之特定實施例，其中施體 基板黏附至受納基板如上述所綱，以及受納基板為具有 Si〇2表面層之石夕晶片，以及在步驟(IV)中第一施體外部表 面黏接至Si〇2表面層。 依據本發明第一項處理過程之特定實施例，其中施體 基板黏附至受納基板如上述所說明，以及受納基板為祕 玻璃板。 依據本發明第一項處理過程之特定實施例，其中施體 基板黏附至受納基板如上述所說明； 受納基板由氧化玻璃或氧化物陶瓷所構成；以及 在步驟(IV)中黏接產生作用係藉由施加(a)力量至施 體以及受納基板，使得其緊壓為緊密接觸;（b)電場於施體 以及受納基板内，使得在施體基板中電位高於受納基板中 情況;以及(c)溫度梯度於施體與受納基板之間。 依據本發明第一項處理過程之特定實施例，在步驟(I j) 第12 頁 200811994 中第一離子淋浴之電磁分離藉由磁性構件產生作用。 本發明第二項為形成SOI結構之處理過程，其包含下列 步驟： (A1)提供施體基板以及受納基板，其中： 施體基板包含半導體材料以及第一施體外部表面作為 黏接受納基板(第一黏接表面）以及第二施體外部表面； 受納基板包含氧化物玻璃或氧化物玻璃陶瓷以及兩個 外部表面:（i)第一受納外部表面以黏接至第一基板(第二 黏接表面）；以及(i i)第二受納外部表面； (A2)藉由使用電磁分离隹淨化之第一離子淋浴植入離子 束線植入機植入一組多種屬於第一種類離子經由第一施體 外部表面進入施體基板之離子植入區域深度在第一施體外 部表面底下，使得内部結構至少恥舰厚度部份，在特定實施 例中至少為150nm，在特定實施例中至少為2〇〇nm薄膜材料 夾在植入區域與至少主要第一施體外部表面之間並不會受 到損壞。 (B) 在步驟(A1)及(A2)之後，促使第一及第工!占接表面 接觸； (C) 歷時充份的時間使施體以及受納基板彼此黏接在 一起，同時地： (1) 施加力量至施體基板及/或受納基板，使得第一及 第二黏接表面緊壓接觸； (2) 對施體及受納基板施加電場，其電場方向為由第 二受納外部表面至第二施體外部表面；以及 第13 頁 200811994 (3)力σ熱施體及受納基板，該加熱特徵為第二施體及 受納外部表面平均溫度分別為1及Τ2，選擇& 於冷卻至室溫，施體及受納基板產生不同的“;二 離子植入區域之施體基板;以及 ⑻冷卻黏接之施體及受納基板以及在離子植入區域 分裂施體基板； 其中氧化物玻璃或氧化物玻璃陶瓷包含正離子，其在 步驟(C)過程中在受納基板内移動，其移動方向為遠離第二 黏接表面以及朝向第二受納外部表面。
在本發明第二項特定實施例中，外延薄膜 體材料所構成。 I 在本發明第二項特定實施例中，在步驟(A2)中，離子植 ^域心罙度小於1000咖，在特定實施例中小於5〇〇咖，在 寸疋其他實施例巾小於識⑽，在特定其他實施例巾小於⑽ 卿在特定其他實施例中小於雇咖。德處理過程特定實 :例:，外延薄膜非損壞部份之厚度至少為外延薄膜總厚、 在特定實施例中至少為外延薄膜總厚度之60%，在 中封树赌麟雜之職，在狀實施例 構成在本發·二補定實施财，外延_由單晶石夕所 人區iir月弟二項特定實施例中，在步驟⑽中’離子植 特f 5〇〇咖，在特定其他實施例中小於3〇〇簡，在 哥一他貝轭例中小於200咖。 第14 頁 200811994 在本發明第二項特定實施例中，在步驟(A2)中，第一離 子淋浴包含屬於第一種類離子。 抑在本發明第二項特定實施例中，屬於第一種類離子為 單一離子種類，其由虻M/，D/，D/，眠，+，
He+，He/，〇+，〇/，〇/以及 〇3+選取出。 在本發明第二項特定實施例中，屬於第一種類離子為 不含鱗，，坤，礙，氮，氧，氯以及金屬。 本考x明第—項特定實施例更進一步包含下列步驟(A3) 與步驟(A2)分離以及獨立於步驟(A2) ·· (A3)藉由使用由電磁分離淨化之第二離子淋浴植入一 組多種屬於第二種獅子經由第—施體外部表面進入離子 植入區域，深度在第一施體外部表面底下，使得結構至少50 ™厚度部份，在特定實施例中至少1〇〇nm厚度部份，在特定 其他實施例中至少15〇酬厚度部份，在特定實施例中至少 200nm厚度部份外延薄膜實質上並未受到損壞，該屬於第二 種類離子不祕祕帛-麵之離子。 ★依據本务曰月第_項特定實施例，離子植入區域包含第 :離倾入區域，其中屬於第一離子麵之離子被雜以 弟—離5植入區域，其中屬於第二離子種類之離子被移 植，以田及第一離子植入_與第二離子植入區域實質上相 f重豐。在特定實施例中，第一與第二種類離子之尖峰離 150 特疋貫施例中為小於100nm，在特定實施例中為小於 200811994 在特定實施例中，屬於第-種類離子為迅+，以及屬於 第二種類離子纟He+。麵與He+離子綺，使得由於植 入兩讎子分散於離子植入區域卜在特定實施例中π 離子能量與He+離子能量之比值約為2:卜例如，H/能量約 為60KeV，以及ife+能量約為3黯。在特定有益實施例尹# 植从He+植入區域申，职植从矿植入區域中，兩者矿與
He+離子植入區域在施體基板離子植入區域内，以及盆 上為重疊的。 貝 依據本發明第一項特定實施例中，在離子植入之後但 是，使接觸第一受納外部表面(第二黏接表面)作為黏接 之所，第-黏接表面(第一施體外部表面)被處理以減少氫 濃度。該氫濃度減少方式可由氧電漿處理，臭氧處理，脇 處理以及氨_，脇與酸_，以及其組合選取出。 士在本發明第二項處理過程特定實施例中，在處理結束 k文納基板與外延薄膜間之黏接強度至少為8焦耳/平方 公分，在特定實施例中至少為1〇焦耳/平方公分，在特定复 他貫施例令至少為15焦耳/平方公分。 、 “二本發明第二項處理過程特定實施例中，其中在步驟 )中，弟-離子淋洛之電磁分離由磁性構件產生作用。 在依據本毛明第二項處理過程特定實施例中，更進— ^ S下啦“⑽.丨)與步驟(A2)分離以及獨立於步驟 楚一」藉由朗料束雜人翻1人—組彡讎子經由 靶-外部表面進入離子植入區域，深度在第一施體外 第16 頁 200811994 部表面底下。 在依據本發明第二項處理過程之特定實施例中，其更 進-步包含下列步驟(A3· 2)與步驟⑽分離u及與步驟 (A2)無關： ^ (A3· 2)藉由使用傳統離子淋浴機植入一組多種離子經由 第一施體外部表面進入離子植入區域，深度在帛一施體外 部表面底下。 本發明具有舰非質齡雜子淋 之優點，其能夠大面積模擬離子植入，低或無表通刻，高 效率及健格。藉由朗淨化之軒淋浴，本發明更進一 步避免摘壞以及污染，该損壞及污染係由於對植入半導體 材料作傳統非質置分離之離子淋浴所致。因而本發明能夠 促使方便，姐科 SOI結構，包含非限制性Si〇i,特別是S0G結構，其包含非限 制性SiOG結構。 本發明其他特性及優點將揭示於下列詳細說明中，熟 知此技術者可由該說明立即地了解部份，或藉由實施下列 詳細說明，申請專利範圍以及附圖之内容而明瞭。 人們了解先前之一般性說明以及下列本發明實施例詳 細說明為範钟丨生，以及麵提供一個概要或架構以了解本 發明申請專利範圍之原理及特性。 所包含附圖在於提供更進一步了解本發明，以及在此 加入發明說明書之一部份。 【實施方式】 第Π 頁 200811994 &_胃”半導體材料"係指具有或不具有額外改善例 雜之材料壬現丨半導體特性。例如，本發日胖導體材 ^可為純的單晶矽，或摻雜磷，硼，砷或其他元素之石夕。半 材料通系貝貝上為單晶材料。在此戶斤使用”實質上，，說 ^撕考慮解導體娜财含有至少,本徵性地或刻 之内部或表面缺陷例如晶躲贼一些顆粒邊界。 貝貝上亦反應特定摻雜劑會扭曲或影響整體 體結構。 ' 所謂’’第-離子植入區域，’係指在施體基板中由於植入 具^屬於第-離子種類之植入離子尖峰局部密度的區域， 其密度以位於其中間單位體積離子數目表示，以及包含至 ^50%屬於第一義之植入離子。所謂"第二離子植入區域 ”係指在施體基板中由於植入具有屬於第二離子種類之植 入離子尖峰局部密度的區域，其密度以位於其中間單位體 積離子數目麵，錢峰鈔5_料二種類讀入離 子。所謂”實質上重疊”係指第一離子植入區域及第二離子 植入區域具有至少50%重疊。對於以單一離子種類之離子 植入施體基板，整體基板之離子植入區域為第一離子植入 區域。對於以第一及第二種類以及甚至於更多種離子之離 子植入施體基板，整體基板之離子植入區域為第一離子植 入區域，第二離子植入區域以及額外離子植入區域之組合 。整體離子植入區域能夠由熟知此技術者經由本發明揭示 内容預先加以決定。 在目前應用中，離子種類具有特定質量以及電荷。因 200811994 而具有不_·或辟级 在本軸用何顺 He，He2為不同的種類離子。 藉:=:=r__ 子， 本發明適用於製造任何則結構。本發 明使職製造作為列舉目的。人們了解本發 於SiOI結構之製造。 个又哏 本發明能夠細於製造任何S0G結構。本發明下列詳 細說明伽SiOG製造作為雕目的。砩人們了解並不受 限於SiOG結構。藉蛾財發财法製造Si〇G構成本發明 一項。本公司相關之美國第1〇/779582號專利申請案已公 告為US2004/0229444 Al，f亥專利案說明製造soq結樣特別 疋SiOG結構方式，以及該結構新穎的形式，該專利之說明在 此加入作為參考。 離子植入為在製造SOI結構中最昂貴一項步驟。在s〇Q 、M冓中，使用便宜基板材料例如為玻璃及玻璃陶瓷材料能 夠顯著地減少S0G整體費用。在製造800結構中，如美國第 2004/0229444 A1號專利公告案，能夠使用氫離子植入由施 體基板分離薄膜半導體材料例如為單晶矽。能夠使用傳統 離子束線離子植入方法以及裝置作為該用途。不過，使用 傳統離子束線之離子植入裝置為非常昂貴的。實際上，該 薄膜分離處理過程通常需要大量劑之氫離子。對於離子束 線植入機，其通常需要較長時間以達成所需要數量之植入 第19 頁 200811994 。其顯著地增加S0G結構之製造費用費用。除此，使用氫離 子束植入通常導致薄膜由施體基板分離以及黏附至受納晶 片，其為較厚大於所需要之厚度。更進一步後級處理，包含 厚的薄膜需要變薄以及拋光為許多預期應用中所需要的， 其增加整體處理過程之複雜性，其降製造低生產力以及產 量，因而增加最終產物之費用。 如上述所說明，其他離子植入方法以及裝置提出於先 前技術中以替代束線離子植入。美國第6027988號專利揭 示出使用電漿浸入離子植入(ΡΠΙ)於該用途中。在ριι】方 法中，產生電漿，受納基板放置於電漿以及電場内側使得一 組多種離子被電場加速以及植入施體基板。該方法具有施 體基板表面蝕刻以及難以作量劑控制之缺點。除此，由於 產生多種離子以及存在於電漿中，以及當植入時離子傾向 具有廣泛分佈之能階，植入深度，因而被分離薄膜之厚度難 以控制。另外一方面，在電漿中危害性污染離子會植入施 體基板，其導致不需要換雜以及甚至於危害被分離薄膜。 在美國第6027988號專利中所提及離子淋浴植入為非 貝里分離離子植入方法。不過，該參考文獻並未詳細說明 離子淋洛植入，亦無提供任何使用離子淋浴植入於離子植 入之具體範例。離子淋浴植入(isi)使用來自於電漿源大 面積離子束，其使用例如汲取電極。離子可在進行植入前 加速。一般使用離子植入之離子淋浴植說明於例如F.
Kroner#^Phosphorus Ion Shower Implantation for Special Power IC Applications, I〇n Implantation 第20 頁 200811994
Technology (2〇00)，476_79中其相關部份在此加入作為 芩考之用。圖3示意性地顯示出使用離子植入之傳統離子 淋/合植入。在裝置3〇1中，存在兩個分離槽:電裝槽術，其 含有電漿309於電極303與電極柵格3〇5之間；以及放置晶片 315之植入槽313。離子311選擇性地更進一步加速，運行以 及部份地進人晶片妣。因而_地#_+_^^ 有下列特性:（1)使用在分離電漿槽中產生之遠端電襞;（⑴ 作為植人之晶片並不放置於電場中;及(i i i)不像ρι丨j，離 子源為連續性而非脈衝的；以及(iv)離子並不作質量分離， 因而投射於晶片上離子實際含有一組多種具有不同質量，’ 電荷以及能量之種類。 、’ 離子淋/合已使用於大的離子例如稱等植入半導體材 料内作為例如摻麵途。由於在文獻例域國第6〇2侧 號專利中缺乏該技術内容，人們無法由先前技術成功地使 用於由％體半導體晶#分裂薄膜。除此，本發明已發現先 前技術半導錄聽造巾所使—代軒絲植人^置以 淋·人麟鮮以及容胃的。其遭 遇實質上技術挑戰。 如底下所說明，本發明已發現藉由使用非質量分離之 離子，浴會對外延薄膜晶質結構產生危害。損壞為非常嚴 重使得其無法使用於冑造大量微電子結構，例如積體線路 之線路特徵，因而高度地為不需要的。 並不預期受到任何特定理論限制，我們相信外延薄膜 晶質結構損壞是由於傳統離子淋浴植入中雜質所產生。在 第21 頁 200811994 傳統離子淋浴植入之離子束中，在電漿槽中，一組多種不同 質量及電荷之離子同時地產生，以及能夠投射於施體基板 上以及在其中植入。例如當使用氫離子植入時，在氫電漿 中，一組多種屬於第一種類離子例如H+，H2+以及H3+以不同 的比例產生。由於不同的大小以及質量，這些離子在施體 基板中運行不同的距離。其部份並不達到離子植入區域， 但是植入於外延薄膜中，其產生並不想要之改變及損壞。 除此，電漿可更進一步包含離子例如為P+，β+，氧離子，碳離 子，氟離子以及氯離子以及金屬離子，其由於電漿槽污染所 致。這些大的以及重的離子將傾向保持於外延薄膜中以及 造成損壞。 因而，本發明解決先前方法例如PI 11以及離子束線離 子植入相關之問題，以及傳統離子淋浴植入之缺點。 本舍明苐一項因而為製造大型S〇i結構之處理過程，其 包含下列步驟： ’ μ ⑴提供施體基板，其由具有第一施體外部表面之半導 體材料所構成；以及 (II)植入-組多種屬於第_種類離子使用由電磁分離 淨化之第-離子淋浴經由第一施體外部表面進入離子植入 區域d罙度低於第-施料部麵使做於離子植入區域 與第一施體外部表面(外延薄膜)間薄膜材料之至少50咖厚 度部份之結構，補定實施例為至少⑽咖厚度部份在並 他特定實_絲少⑽_度雜5 ____ 至少200nm厚度部份實質上並不會受到損壞。 弟22 苜* 200811994 如上述所觀在娜⑴巾，蘭鉍可纟任何半導 體材料例如料i轉_撕蚊树駐半導體材料所 構成。半導體材料可為純_及單晶的，或先祕雜所需 要之摻雜_賴舰構似導雜。在目辭導體業界 ，最廣泛使職體基板主要為單晶石夕，以及最廣泛製造結構 為SiOI結構，例如石夕在氧化石夕晶片上。本發明有益地應用 於該處理過程以減少其費用。 〜 f-般半導體歧過程中，所使職體絲具有精確 拋光高度平触及絲之絲。在許錯財，施體基板 為具有平行主要表蚊晶¥。本拥可_於該情況中。 不過，人們了解施體基板具有輪廓表面，或甚至於超過一個 輪廓表面，其決定於受納基板表面形狀以承受外延薄膜或 要被製造出SOI結構之預期用途。亦可能施體基板具有外 側表面特徵鱗槽錢無外形。鱗本伽冑理過k 純離子淋浴植用途可適用於這些施體基板。 業界熟知此技術者依據SOI結構預期用途以及本發明 揭示的内谷了解在施體基板中離子植入區域戶斤需要深产。 低於第一施體外部表面離子植入區域之深度決定出外延薄 膜之厚度。通常，為了由施體基板製造出外延薄膜目的，離 子植入深度為小於lOOOnm，在特定實施例中為小於3〇〇nm， 在特定實施例中為小於150nm，在特定實施例中為小於1〇〇 nm。通常使用離子淋浴，特別是依據本發明質量分離之離 子淋浴能夠產生較淺的離子植入區域深度，因而較薄的外 延薄膜，異於使用先前技術離子束線之離子植入，因而減少 第23 頁 200811994 下為之薄化。藉由改變植入離子之動能，人們能 變離子植入區域之深度。例如，當利用H3+離子植入單 晶石夕施體基板，能夠選擇離子能量在40至腳範圍内以得 到所需要之外延薄膜厚度。 山如上辆提及，為了要使離子植入至離子植入區域内， 回度而要在離子淋洛中所構成離子為純的。因而，屬於第 :種類之離子例如H+，甿叱He+，He，等需要純度為至 v 9(U莫耳比，在特定實施例中為至少娜莫耳比，在特定實 域中為至少99%莫耳比，在特定實施例中為至少99· 5%莫 耳比，在特定實施例中為至少99· 9%莫耳比，在特定實施例 中為至少99· 99%莫耳比。 已知具有不同質量及電荷之離子能夠藉由使其運行通 過相交電場及/或磁場加以分離。離子運行路徑能夠藉由 Lorentz力量改變不同的程度，其依據下列公式決定於其各 別貝里以及電荷:F=q(E + vxB) 其中F為L〇rentz力量向量，E為電場強度向量，v為瞬時速度 向量，B為磁場強度向量，以及q為離子電荷。因而 力量具有兩種分量:電力分量以及磁力分量。磁力為依據 右手規則垂直於向量B方向。業界熟知此技術者能夠由在 此所揭示内容決定出所需要磁場B以使用於分離離子淋浴 中產生各別離子種類，選擇所需要種類以及導引其至施體 基板之表面，以及過滤掉或導引離開不想要的以及污染離 子。 圖4示意性地顯示出本發明處理過程之裝置。因而，與 第24 頁 200811994 圖3比較，其示意性地顯示出傳統離子淋浴，磁場分析儀彻 放置於電漿槽307及植入槽313之間。在分析儀侧中施加 磁場405,其依據各別質量及電荷分離不同種類之離子。因 而所需要種類之純化離子被導引至植入槽以及使用作為植 入用途。 … 通常，當使用離子淋浴作為離子源，其包含傳統離子淋 浴以及以及依據本發明質量分離離子淋浴，要被離子植入 之施體紐並不放置於電射。獨，树雜況中，由於 離開柵電極，或由於在電磁分析儀中分離，離子需要加速或 減速’使獅？具有所冑魏量似作紐从所需要深 度。此能夠使離子作額外加速/減速電場而達成。施體基 板月b夠放置於力U速/減速電場之内側或外侧。 因而’依據第一項處理過程能夠促使離子植入具有高 純度離子實質上*含損麵_及具有歸細之能階。 因而能夠促使精確控制離子植入區域之深度及厚度，其為 製造SOI結構高度所需要的。 圖1示意性地顯示出使用本發明處理過程植入福體 基板101實施例，其包含依據本發明質量分離之離子淋浴。 圖中顯示出第一施體外部表面103,第二施體外部表面廳， 以及離子植入區域113,其中一組多種離子例如压+或此+被 植入。夾在離子植入區域113與第一施體外部表面1〇3間之 材料薄膜115為外延薄膜。在圖中亦顯示出在緊鄰植入區 域113底下之區域。離子植入區域113厚度為七，以及在第一 知體外箱面底下冰度為tf。tf亦為麵外延薄膜⑽之 第25 頁 200811994 厚度。 如上述所說明，在單一離子植入操作中，存在於離子束 中多種離子通常為不想要的。不過，在特定S〇I結構中使用 多離子之離子植入為需要的。我們發現在製造特定S0G結 構時，使用多種離子種類離子植入可實際地降低達成所需 要外延植入離子之總數量以及提昇整體植入處理過程效率 。依據本發明，該多種離子種類之植入能夠藉由例如完成 植入第一種類離子進入離子植入區域而達成，實施離子植 入之弟二步驟如下所示： (III)藉由使用由電磁分離淨化之第二離子淋浴植入 一組多種屬於第二種類離子經由第一施體外部表面進入離 子植入區域，深度在第一施體外部表面底下，使得材料外延 薄膜結構實質上並未受到損壞，該屬於第二種類離子不同 於屬於第一種類之離子。 在施體基板内第一離子植入區域與第二離子植入區域 可些微地不同。不過，由於如上述所說明本發明處理過程 之控制性，熟知此技術者經由本發明所揭示内容能夠選擇 適當的處理參數使得其兩者位於離子植入區域内。確實地 兩者能夠加以控制，使得兩者實質上重疊。通常，需要Μ 300nm，其中Dp為施體基板中在第一離子植入區域中屬於第 ί!域巾屬於第二種類離 =峰間之距離。在特定實施例愧絲Μ測哪，在特 疋貝鈿例申Dp^lOOnm，在特定實施例中^^5〇測。 圖2示意性地顯示出植入施體基板2〇1以兩種離子進行 第26 頁 200811994 #子植入麵有離子植入區域113中，存在兩個實質上重 疊之區域:第-料植人_u錢第二軒植入區域 115 °在依據本發明第一項處理過程之特定實施例中，w 及He+使用作為第-及第二種類離子作為植入。首先或第 二植入H/或He+之順序並不關鍵的，雖然在特定實施例中 需要首先被植入。依據本發明合併W及He+為特別有 ' 用的^及有益於植入以及外延矽施體基板。當植入單晶矽 基板時，為了達成H/以及He+相同的離子植入，He+所需要 能量為較小。本_已發現藉由使用⑴只離子植入. 11 1¾ Ue+離子植人，麟成功地達成石夕薄膜 之外延。不過，.由於(ii)較低總能量以及較高效率因而優 先於(1)。在（11)特殊實施例中，㈤能量約為驗V，以及 He旎置約為40KeV，其導致石夕薄膜極佳地外延。 如上述所說明，使用本發_理過程製造出至少部份 50nm厚度，在特定實施例中至少部份1〇〇⑽厚度在特定實 施例中至少部份150nm厚度，在特定實施例中至少部份測 nm厚度之外延薄膜並不受到離子植入處理過程而損壞。優 先地至少大部份外延薄膜厚度之結構並不受損。所謂”大 部份係指至少-半厚度社外厚度财會受損。 所謂”並不會受損”係指薄膜内部結構或其未受損部份在離 =植入過程巾並無㈣地改變，使得外延_或其相關部 份並不適合使用於預期應用中。 子種類或多種 植入離子種類之離子植入區域的厚度能夠加以控制為小於 第27 200811994 lOOOnm，在特疋貫施例中為小於關⑽，在特定實施例中 小於 200nm。 ” 由於離子植入，外延薄膜可使用例如美國第2004/022 9444就翻所說明之方法由其餘施體晶片分離。並不預期 受到任何特定理論之限制，人們相信由於更進一步處理例 ,加熱例如形成微小氣泡植入之離子在植入區域中產生缺 2。在該區域中缺陷密度導致在植入區域内一個位置處分 裂及，薄咖及由其餘施體紐植人區域部份外延出。 貫質上獨立外延薄膜能夠藉由下列步驟(V)中離子植 入由施體基板分裂外延薄膜而製造出： 在離子植入區域中在植人區域内—個位置處由施體基 板分離外延薄膜以及至少部份材料。 一薄膜能夠使用於在製造s〇I結構下游處理過程中，例如 藉由向後地黏接巴緣受納基板。不過，由於夕卜延薄膜非 H沒有預先黏接支擇通常難以處理。因而，通常依據本 毛明第一項製造S〇i結構處理過程中，在步驟⑺中分離外 延薄膜之前，實施下列步驟(IV): (IV)黏接第一施體外部表面至受納基板。 黏接至施體基板之受納基板能鱗具有或不具有氧化 ^層之半導體晶片；玻璃板;一片晶質材料，以及破璃陶 ^板。在特定實施例，受·板為具有表面氧化物層之單 晶石夕晶片，該氧化物層藉由例如熱成長·層等方式形成 。在特定實施例中，受納基板由Si02所構成。在特定實施 例中，文納基板為高純度SiQ^。在特定實施例甲，受納基 第28 頁 200811994 板由晶質材料例如為剛玉所構成。在特定實施例中，受納 基板由氧化物玻璃或氧化物玻璃陶瓷所構成。如說明於美 國第2004/0229444 A1號專利中，在特定實施财受納基板 由具有金屬離子之氧化物玻璃或氧化物玻璃陶瓷所構成。 因而，依據本發明第一項處理過程可有益地使用作為製造 (1)傳統SOI及SiOI結構，其中使用過去的離子束線之離子 植入，以及(ii)非傳統S〇i結構，例如以及結構， 其說明於美國第2004/0229444 A1號專利案中。 在半導體業界所使用傳統黏接方法例如為晶片黏接， 融合黏接，以及陽極黏接。 在美國第2004/0229444 A1號專利案中所顯示制有 用於黏接施體基板至玻璃或玻璃陶瓷受納基板之方法包含 ，加(a)力量至施體以及受納基板基板，使得其被緊壓為緊 始之接觸；（b)電場於施體以及受納基板，使得在施體基板 中電動勢高於受納基板情況;以及(c)溫度梯度於施體與受 納基板之間。 在施體基板離子植入後，但是在黏接施體基板至受納 基板之前，兩個基板表面清理通常為需要的以得到充份強 度之黏接。例如，在氫離子植入至矽基板後，多個氫基產生 於外延薄膜之表面處。直接地黏接外延薄膜表面至受納基 板表面而不減少或去除表錢基通常需要使用顯著地較高 之外部力量，其由於表面基產生排斥作用所致。因而，在離 子植入後但是在黏接之前通常需要由表面減少氫基之步驟 。如美國第2004/0229444 A1號專利案所揭示，該錄減少 第29 頁 200811994 月匕夠藉由其他之氧電漿處理，臭氧處理，脇處理，胁及 氨處理，以及H2O2及酸處理產生作用。 本發明第一項>f系關於藉由使用重量分離離子淋浴製造 S0G結構之處理過程。其包含下列步驟： (A1)提供施體基板以及受納基板，其中： (1)施體基板包含半導體材料以及第一施體外部表面 、 作為黏接受納基板(第一黏接表面)及第二施體外部表面； • ⑵受納基板包含氧化物玻璃或氧化物玻璃陶瓷以及 兩個外部表面··（ i)第一受納外部表面以黏接至第一基板（ 第4占接表面）;以及(i i)第二受納外部表面； (A2)藉由使用電磁分離淨化之第一離子淋浴植入一組 多種屬於第一種類離子經由第一施體外部表面進入施體基 板之離子植入區域，深度在第一施體外部表面底下，使得内 部結構至少50nm厚度部份，在特定實施例中至少為15〇nm， 在特定實施例中至少為200nm夾在植入區域與至少主要第 一施體外部表面間之薄膜材料並不會受到損壞； (B)在步驟(A1)及(A2)之後，促使第一及第二黏接表面 - 接觸； • (c)歷時充份的時間使施體以及受納基板在第_及第 二黏接表面處彼此黏接在一起，同時地： (1) 施加力量至施體基板及/或受納基板，使得第一及 弟一黏接表面緊壓接觸； (2) 對施體及受納基板施加電場，其電場方向為由第 二受納外部表面至第二施體外部表面；以及 第30 頁 200811994 (3)力α熱施體及受納基板，該加熱特徵為第二施體及 受納外部表面平均溫度分別為TH，選擇該溫度使得由 於冷卻至室溫，施體及受納基板產生不同的收縮因而弱化 在離子植入區域處之施體基板;以及 (D)冷卻黏接之施體及受納基板以及在離子植入區域 分裂施體基板； 其中氧化物玻璃或氧化物玻璃陶瓷包含正離子，其在 步驟(C)過程中在受納基板内移動，其移動方向為遠離第二 黏接表面以及朝向第二受納外部表面。 因而第二項為上述所說明本發明第一項實施例。本發 明第一項更進一步藉由下列第二項說明顯示出。本發明上 述第一項一般說明亦適用於第二項並作適當的改變。 圖5及6示意性地顯示出依據本發明第二項之處理過程 的實施例。在圖5中，顯示於圖1中半導體施體^板1〇1能夠 黏接玻璃或玻璃陶究受納基板501，其具有第一受納外部表 面503(第二黏接表面）以及第二受納外部表面。施加壓 力Ρ使得第一施體外部表面103(第一黏接表面）以及第一受 納外部表面（第二黏接表面)放置為緊密的接觸。施體基板 101加熱至溫度Τι以及施力σ電壓Vi。受納基板5〇1加熱至不 同的溫度T2以及施力口較低電壓％。因而施體基板1〇1與受 納基板501間之黏接藉由施加外部壓力，溫度梯度以及電場 產生作用。在黏接充份時間後，移除施力σ之壓力以及電壓， 使基板冷卻至一般溫度Τ3(例如為室溫）。由於兩個基板不 同的收縮(更詳細地說明於底下)，離子植入區域113被弱化 第 31 頁 200811994 以及分離為兩個部份··黏接至外延薄膜之部份113a，該薄膜 黏接至受納基板，以及黏接至其餘施體基板之部份113b。 依據本發明第二項處理過程之特定實施例包含下列步 驟： (A’）提供第一及第二基板，其中： (1) 第一基板包含第一外部表面作為黏接至第二基板 (第一黏接表面)，以及第二外部表面以施力σ力量至第一基 板(第一施加力量表面)，以及内部區域以分離第一基板為 第一部份及第二部份(内部區域在此稱為”分離區域，，，為藉 由使用依據上述所說明本發明第一項之純化離子淋洛植入 形成的離子植入區域)，其中： (a )第一黏接表面，第一施加力量表面，以及分離 區域實質上彼此平行； (b )第二部份在分離區域與第一黏接表面之間；及 (c’）第一基板由單晶半導體材料所構成;以及 (2) 第二基板包含兩個外部表面，一個作為黏接第一 基板(第一黏接表面)，以及另一作為施加力量至第二基板 (第二施力α力量表面)，其中·. (a )第二黏接表面以及第二施加力量表面實質上 彼此平行以及彼此分離距離為仏;以及 (b’）第二基板由氧化物玻璃或氧化物玻璃陶瓷所 構成;部份在分離區域與第一黏接表面之間；及 (B’）促使第一及第二黏接表面接觸（一旦接觸，第一及 第工#接表面形成第一及第二基板間之所謂界面 弟 32 頁 200811994 (c )第一及第二基板在第一及第二黏接表面處(例如 界面處)彼此黏接歷時一段時間，同時地： (1)對第一及第二施力Π力量之表面施力口力量以緊壓第 一及弟二^接表面在一起； ⑵對第一及第二基板施加電場，其主要特徵為在第 一及第二施加力量表面處分別為第一及第二電壓π及v2， 在這些表喊親辆自触及Vi高於V2，使得電場方向 為由第一基板至第二基板;以及 (3)對第一及第二基板加熱，其主要特徵為在第一及 第二施加力量表面處分別為第一及第二溫度Τι及讧在這 些表面處溫度為均勻的以及選擇溫度使得由於冷卻至一 般溫度，第一及第二基板產生不同的收縮，因而在分離區 域處弱化第一基板;以及 (D’）冷卻黏接之第一及第二基板(例如至一般溫度例 如為室溫)以及在分離區域處分離第一及第二部份； 其中氧化物玻璃或氧化物玻璃陶瓷具有下列一組或兩 組特性： ⑴氧化物玻璃或氧化物玻璃陶瓷具有應變點小於1〇〇〇 它以及包含正離子(例如為鹼金屬或鹼土金屬離子)，其在 步私①）過程中在第二基板内移動，其移動方向為由遠離 第二黏接表面以及朝向第二施加力量表面;及/或 (ii)氧化物玻璃或氧化物玻璃陶瓷包含(a，）非橋接性 氧以及(b )正離子(例如為驗金屬或驗土金屬離子)，其在 步驟(C’）過程中在帛二基板内移動，其移動方向為由遠離 第33 頁 200811994 第二黏接表面以及朝向第二施加力量表面。 如業界所知，在氧化物玻璃中或在氧化物玻璃陶瓷中 非橋接性氧為玻璃非網狀結構形成之成份對玻璃所提供的 氧。例如在商業化可利用LCD顯示器玻璃例如本公司玻璃 編號1737以及本公司玻璃編號Eagie 2〇〇〇情況中，非橋接 性氧為在玻璃組成份中經由加入驗土金屬氧化物(例如為 MgO, CaO, SrO,及/或BaO)之玻璃部份。 雖然並不預期受到任何特定操作理論之限制，人們相 信在步驟(C，）過程中發生電解型式之反應作用。特別地 人們相信半導體基板(第一基板)作為電解型式反應作用之 正電極以及反應性氧在第一及第二基板間之界面區域中產 生。遺氧相彳§與半導體材料(例如石夕)反應，因而形成氧化 半導體之混合區域(例如矽為半導體之石夕氧化物區域）。該 混合區域啟始於界面處以及延伸進入第一基板。在第二基 板氧化物玻璃或氧化物玻璃陶瓷中存在非橋接性氧相信在 氧的產生扮演相當重要的角色，該氧與第一基板半導體材 料產生反應作用。 人們相信該反應性氧產生以及其與半導體材料結合為 第一基板半導體材料與第二基板氧化物玻璃或氧化物玻璃 陶瓷間強固鍵結之來源，即在第一與第二基板間鍵結至少 部份(以及可能全部)為經由半導體材料與來自於第二基板 之反應性氧反應，達成該強固鍵結而並不需要高溫處理，即 處理溫度南於l〇〇〇°C。 避免南溫處理過程之能力能夠使第二基板之材料為低 第34 頁 200811994 知格大1製造出。即藉由消除高溫處理過程，本發明消除 由昂貴高溫材料例如矽，石英，鑽石，剛玉等構成支撐基板 之需求。 特別地，達成強固黏接而不需要高溫處理之能力能夠 使第二基板由氧化物玻璃或氧化物玻璃陶瓷構成，在一項 實施例中玻璃或玻璃陶瓷呈現出應變點為小於100(rc。更 ㈣地，作為顯示器應用，氧化物玻璃或氧化物玻璃陶究通 苇應、交點為小於800 C，以及在其他實施例中為小於7〇〇°c 。作為電子及其他應用，應變點優先地小於1〇〇〇〇c。如玻 ㈤製造業界所知，具有較低應變點之玻璃或玻璃陶瓷比具 有較高應變點之玻璃或玻璃陶瓷為較容易製造。 為了使黏接變為容易，氧化物玻璃或氧化物玻璃陶莞 在某種程度上應該能夠導電。氧化物玻璃或氧化物玻璃陶 究導電性決定於其溫度以及因而在半導體材料與氧化物玻 璃或氧化物玻璃陶瓷之間能夠達成強固黏接，其在下列情 況間保持平衡:1)玻璃或玻璃陶瓷之導電性;2)在步驟(c，） 中所使用溫度(Τι及T2)，3)在步驟(C，）過程中施力口於第一 及第二基板之電場強度，以及4)進行步驟(c，）過程中所需 要時間。 作為一般規範，氧化物玻璃或氧化物玻璃陶曼在25〇。〇 下電阻ρ為小於或等於l〇16g欠姆•公分(即在250〇c下導電 率為大於或等於1016siemens/cm)。更優先地，在25〇°c下 P為小於或等於1013歐姆·公分，以及最優先地為小於或等 於1011·5歐姆·公分。人們了解雖然石英在25〇°c下具有所 第35 頁 200811994 需要的電阻κτ歐姆公分，其在步驟(c，）過程中缺少能 夠移動之正離子，因而依據上述處理過程石英在製造观結 構中並不適合使用作為第二基板。 作為任何特定組合之第一及第二基板，熟知此技術者 迠夠由本發明揭示内容立即地決定步驟(c，）適當的組合之 時間，溫度，以及電場強度。特別地熟知此技術者能夠選 擇這些參數之組合，其能夠在半㈣與氧化物玻璃或氧化 物玻璃陶究之間產生足夠細鍵結，其能夠使s〇I結構承受 各種力量以及在作更進—步歧過紐/或使肖過程中之 外界環境條件。 μ除了上述黏接作用，在步驟(C，）中施加電場亦能夠移 動第二基板内正離子(陽離子)，其移動方向為由第二基板 黏接表面（第二黏接表面)朝向其施加力量表面（第二施加 力量表面）。該移動優先地形成空乏區(23)，其啟始於第一 及第二基板之界面處以及延伸進入第二基板，即空乏區啟 始於第二黏接表面以及延伸進入第二基板朝向第二施加力 畺區域。當氧化物玻璃或氧化物玻璃陶瓷含有驗土金屬例 如Li \ Na+1，及/或K+1離子時，形成該空乏區為特別需要 的，由於該離子已知會干擾半導體朝著之操作。鹼土金屬 離子例如Mg+2, Ca+2, Sr+2,及/或Ba+2亦會干擾半導體裝置 之操作以及因而空乏區優先地具有這些減小濃度之離子。 重要地，已發現一旦形成空乏區隨著時間變化為穩定 的，甚至於SOI結構加熱至高溫，或某種程度高於步驟(c，） 所使用溫度。空乏區在高溫下形成，在S0I結構之正常操作 第36 頁 200811994 及形成溫度下空乏區為侧穩定的。這些考慮目 金屬，及驗土金獅子在使用或更進—錢理過程中並不 會由氧化物玻璃或氧化物玻璃陶鎌散回到則結構之半 導體内，該重要優點係源自於使用電場作為步驟(c]之部 份黏接處理過程。 口 由於利用選擇操作參數以達成強固黏接，熟知此技術 者能夠利用揭示内容立即地決定出所需要操作之參數以 達成所需魏奴及對啦_的正軒齡所需要正 離子濃度之冑㉘。吼奴__树财法製造 出SOI結構之特徵形態。 除了空乏區，施加電場亦能夠產生一種或多種移動正 2子之堆積區域包含於氧化物玻璃或氧化物玻璃陶竟中。 f存在時，該區域位於或靠近於離第-及第二基板界面最 遠之空乏區側邊。在堆積區域内，正離子具有濃度為高於 其整體濃度°.，細軒砂比量晴，在補區域中 正離子尖峰濃度能夠例如為高達整體濃度之5倍。類似空 乏區’ §存在堆積區域時，其為依據本發明方法製造出观 結構之特徵形態。 、在步驟(C，）過程中，選擇第一及第二基板之溫度例如 為1及τ2數值以在分離區域進行料體基板(第—基板)之 弱似例如分裂)的重要功能，使得第一基板能夠分裂為第 及第—部份，第二部份黏接至第二基板。在該情況下，具 有所需要厚度半導體部份之S0I結構達成厚度Ds例如在10 咖及50Gnm之間，以及在—些情況下高達5微米。 第37頁 200811994 雖然並不預期受到任何操作理論之限制，人們相信在 分離區域處半導體基板弱化發生係由於黏接之第一及第二 基板在步驟(c，）後冷卻至例如室溫所導致。藉由適當選擇 Ti及T2(參閱底下)，該冷卻促使第一及第二基板不同地收 縮。該不同的收縮施加應力於第一基板，其顯示其本身在 分離區域處弱化/分裂第一基板。如底下所說明，優先地不 同的收縮使得第二基板比第一基板更會收縮。 在此所謂’’由於冷卻至一般溫度之不同收縮”以及類似 的詞句係指假如第一及第二基板並不黏接，由於冷卻其將 收縮不同的程度。不過，在步驟(c，）過程中由於第一及第 二基板變為黏接在一起以及為堅硬的材料，各別基板實際 收細數1將不同於假如其未黏接所發生之情況。該差異導 致一個基板承受張力以及另一基板承受壓力，其由於冷卻 所導致。嘗試收縮係指反應當黏接時基板收縮通常不同於 其非黏接之收縮，例如所說明基板嘗試收縮至特定程度，其 由於冷卻所導致但是通常並不實際地收縮該程度，其由於 黏接至其他板所致。 在步驟(C，）過程中所使用Τι及T2數值決定於第—及第 二&反相對熱膨脹係數，選擇這些數值目標在於確保一個 基板，優先地第二基板預期收縮較大程度而大於其他基板 優先地第一基板，以在冷卻過程中施加應力至分離區域將 使分離區域弱化。 一般情況，為了在冷卻過程中使第二基板預期收縮至 幸父大程度而大於第一基板，第一及第二基板之^及现 第38 頁 200811994 (分別為CTE!及CTE2)應該滿足下列關係： CTE2 · Ϊ2 > CTEi · Τι 其中CTEi為單晶半導體材料〇°c之熱膨脹係數以及CTE2為 氧化物玻璃或氧化物玻璃陶瓷0-30(TC之熱膨脹係數。該 關係假設第一及第二基板冷卻至一般參考溫度〇°c，1及Τ2 單位為°C。 在應用該關係中，必需注意氧化物玻璃或氧化物玻璃 陶瓷之0-300°C熱膨脹係數滿足下列關係： 5xlO_7/°C$CTE$75xl(T7/°C。 作為比較，單晶矽0°c熱膨脹係數大約為24xl(T7/°C， 然而0-300°C平均熱膨脹係數約為32· 3xl(T7/°c。雖然第 二基板熱膨脹係數小於或等於75x10—7/°C為優先地，在一 些情況中，第二基板之熱膨脹係數能夠75^0，^，例如蘇 打石灰玻璃使用於例如太陽能電池應用中。 由CTE2 · T6CT& · Ί\關係可看出，當氧化物玻璃或氧 化物玻璃陶瓷之熱膨脹係數(CTE2)為小於半導體材料熱膨 脹係數(CTEi)，較大Tr*Τι差值為需要的使得在冷卻過程中 第二基板收縮超過第一基板。相反地，假如氧化物玻璃或 氧化物玻璃陶瓷之熱膨脹係數大於半導體材料之熱膨服係 數，能夠使用較小ΊΆ差值。實際上，假如氧化物玻璃或 氧化物玻璃陶瓷之熱膨脹係數相當高而高於半導體材料之 熱膨脹係數，Mi差值能夠變為〇或甚至於為負值。不過 通常選擇氧化物玻璃或氧化物玻璃陶瓷之熱膨脹係數相當 接近半導體材料之熱膨脹係數，使得T2—Tlg值需要為正值 第39 頁 200811994 以確保在冷卻過程中第二基板預期收縮超過第一基板。Τ2 >1為需要的，因為其有助於將氧化物玻璃或氧化物玻璃陶 兗黏接至半導體材料，因為其傾向使氧化物玻璃或氧化物 玻璃陶紐献雜。啊，Τ2>Τι為冑獅，目為其能夠 使正值離子岭-及帛二基_之界面綱變為容易。 在冷部過程中第一及第二基板間之不同的收縮以及在 分離區域處第-紐之弱化/分裂能夠藉由異於在冷卻過 程中使第二紐預期收縮超過第一絲之方式達成。特別 地，能夠採用第一基板預期收縮超過第二基板。該不同的 收U選擇帛—及帛二基板熱膨服働仪及溫度達成。 通駕，對於該情況，CTEi · Τι需要大於CTE2 · Τ2。 ^第一絲預期收縮超過第二基板，第一基板以及特 第-基板之帛二部份在冷卻結束時將承受張力而非承 文麽力。通常，優先地在最終s〇I結構中半導體薄膜(第一 基板之第二部份)為承纽力，其採用方法在冷卻過程中不 同的收縮促使第二基板預期收縮超過第一基板。對於一些 應用，優先地採料導體_為承受—些張力。 一 簡。之，雖然月匕夠使用其他組合條件以實施本發明，在 本發明優先實施例中，在步驟(C，）中T2為大於Tl以及在由步 ^)過程崎_高_卩之過程巾帛1___ 大於第一篡;〇 對於本《明任何特疋應用(例如任何特定半導體材料 =7特视錄_魏化物麵㈣，熟知此技術 “夠由本發翻第2G_229444 A1 第40 頁 200811994 1及T2數值，其能夠提供不同的收縮值足以使分離區域弱 化，使得第一基板之第一及第二部份能夠彼此分離以製造 出所需要之SOI結構。 在分離區域處第一及第二部份分離導致每一部份具有 外延表面，在該處發生分離。如業界所知，由於最初形成 ，即在任何後續表面處理之前，該外延表面特徵為表面粗糙 度在1-lOOnm範圍内，其腿通常至少小於1舰，以及決定於 所使用處理條件，使用來形成分離區域之植入離子例如為 氫，氦等之濃度高於存在於第一或第二部份物體之濃度。 在一般應用中，外延表面在使用前加以拋光，使得廳粗链 度減小至lnm或更小，例如作為電子應用表面粗糙度約 為0· lnm。外延表面包含初始形成以及在任何後續處理後 之表面。 在步驟(C’）過程中施加於第一及第二基板之壓力確保 這些基板緊密地接觸同時經歷該步驟之加熱以及電場處理 。在該情況下，在基板間能夠達成強固的黏接。 通常，半導體基板(第一基板，亦為施體基板)能夠承受 較南私度之壓力南於氧化物玻璃或氧化物玻璃陶究（第二 基板）。因而，選擇壓力以提供基板間緊密接觸而不會損及 第二基板。 能夠使用廣泛範圍之壓力。例如，施加於第一及第二 基板之第-及第二施加力量表面的壓力P，優先地滿足下列 關係：lpsi^P’ SlOOpsi; 以及最優先地滿足:lpsi$P，$50psi。 第41 頁 200811994 热知此技術者簡由目前揭軸容立即地決定出使用 應帛之特定壓力值。 本毛明第—項能夠使用單一第一基板以及單一第二基 貝β可加以、交化，本發日月方法能夠使用來形成超過一 個soi結構於單一第二基板上。 例如，能夠使用步驟(A，）至(D，）以形成第一观結構， /、亚不會覆H基板整細積。_，能触複步驟(A，） 〕以士成第—soi結構，趙蓋全部或部份第一 s〇I結 f未復蓋之面積。第二s〇I結構可相同或不同於第一測 二才，例如第_SOI結構能夠使用單晶半導體材料所構成之 1一^製魏該單辭軸撕綱或不同於使用於 衣造第- SOI結構之第一基板的半導體材料。 办炎先地’夕個SOI結構藉由在步驟(A，)中提供多個（ 即兩個或更多個)第一基板同時地形成於單一第二基板上， 在步知(B )中促使全部這些第一基板接觸單一第二基板， j及再進行步驟(C’）及(D’）於形成多個第一基板/單一第 二基板組件上。提供於步驟(A，)中多個第一紐能夠為相 同的，全部不_，或—些蝴的以及—些不同的。 無論使聊-種対，在單—氧化物破_氧化_ 璃陶紅形成之多個S()I結構能夠為連續的或適當分離作 為本發明特定之應用。假如需要的情況下，部份或全部相 鄰結構間之間隙能夠填充例如半導體材料以得到一個或多 個連續性半導體層於任何所需要尺寸之氧化物破璃或氧化 物玻璃陶瓷上。 第42 頁* 200811994 依據本發明第二項製造出之SOI結構為所需要半導體 在絕緣體上結構，其包含第一及第二層，其直接地或經由一 個或多個中間層彼此黏接，其中： (a’）第一層由單晶半導體材料所構成； (b )第二層由氧化物玻璃或氧化物玻璃陶究所構成;及 (c )第一及第二層間黏接強度至少為8焦耳/平方米， 優先地至少為1〇焦耳/平方米，以及最優先地至少為15焦耳 /平方米。 如本說明書及申請專利範圍所使用，在半導體層與观 結構玻璃或玻璃陶瓷層間之黏接強度使用刻痕線處理過程 決定出。該處理過程廣泛地使用來評估薄膜以及塗膜對廣 泛種類材料包含聚合性，金屬性及脆性材料之黏接特性。 界面應變此篁釋出率型式之技術提供定量地量測黏接。 如美國第2004/022944 A1號公告專利所揭示，在玻璃 上矽塗膜之刻痕量測可使用Nano Indenter II(MTS Systems
Corporation，Eden Prairie, MN)配置Berkovich鑽石刻 痕器進行。當然能夠使用其他裝置以決定出黏接強度值。 如美國第2004/022944 A1號公告專利所說明，含蓋負載範 圍作刻痕測試以及對緊鄰於刻痕週圍之區域觀察分層之跡 象。依據下列 D· B· Marshall 及A· G. Evans 之Measurement of Adherence of Residually Stressed Thin Films by Indentation, I. Mechanics of Interface Delaraation, J· Appl· Phys· 56 [10] 2632-2638 (1984)文獻作黏接 能量之計算，該文獻在此加入作為參考之用。該參考文獻 第43 頁 200811994 之處^過程使計算申請專利細所揭*之黏接能量。 當SOI結構使據本發明第二項處理過程製造出，第 =需要地具有離第二層最遠之表面，其為外延表面。在 X |·月况中，第一層之氧化物玻璃或氧化物玻璃陶竟優先地 具有： (a )0-3G() C之熱膨脹係數以及25G°C電阻滿足下列關係 :5xl〇-VUCTES75xl(rVU 及p 2016 歐姆公分，及 (b’）應變點Ts小於l〇〇(Tc。 氧化物玻璃或氧化物玻璃陶瓷亦包含正離子，當氧化 物玻璃或氧化物玻璃陶瓷之溫度滿足下列關係時，在氧化 物玻璃或氧化物玻璃陶瓷内之正離子分佈能夠藉由電場加 以改變：Ts-350$T$Ts+350,其中Ts及T單位為。〇 如人們了解，玻璃或玻璃陶瓷與半導體層例如為矽層 間之黏接強度為SOI結構之關鍵特性。高黏接強度及耐久 性對確保SOI結構能夠承受相關薄膜電晶體以及結構内或 上其他裝置之製造處理過程。例如，在切割，拋光，以及類 似處理過程步驟過程中高黏接強度對提供裝置完整性為重 要的。高黏接強度亦能夠使各種厚度半導體薄膜被處理， 同時連接至玻璃或玻璃陶瓷基板，包含薄的半導體薄膜。 人們已知對於製造SOI結構標準熱處理過程之Si-Si〇2 黏接的黏接能量決定於退火溫度以及在nnrc退火後為1 -4焦耳/平方米範圍内。參閱Semiconductor Wafer Bonding， Q.Y. Tong, U. Gosele, John Willey & Sons Inc. New
York，New York, page 108 (1994)。如在美國第 2004/02 第44 頁 200811994 2944 A1號公^專利所顯示，本發明第二項观結構之黏接 強度遠祕先前所建議黏接強度至少為8焦耳/平方米。 财14理過程，具有下列特性之观結構 能夠製造出： I··半導體在絕緣體上結構包含第一及第二層，其彼此 直接地或經由一層或多層中間層連接，其中： (a’）第一層： (i)由單晶半導體材料所構成； (II) 具有第-及第二平行面分隔距離為以第一面 比第二面更靠近於第二層； (III) 具有*考表面，丨)該參考表面在第—層内，2) 貝貝上平行於第一面，及3)與第一面分隔距離為仏/2; (iv)具有提昇氧濃度之區域，其啟始於第一面以及 朝向第二面延伸，該區鱗度為〜，其滿足下列關係： W200nm，其中心為第一面與一表面間巨離，該表面： =第-層内，2)實質上平行於第—面，以及3)為離第一面 最遂之表面而滿足下列關係:α⑴—^ ^ 5〇%， 〇=Χ= 5η’、其中·0〇(χ)為離第一面距离隹乂之函數關係的氧 濃度，Co/Ref為在參考表面處氧濃度，以及以幻及“ 為原子百分比單位;以及 (b)第二層由氧化物玻璃或氧化物玻璃陶瓷所構成。 人們了解本發明該項提昇氧氣濃度區域與黏接之前 形成於半導體基板外側上氧化層不同(參閱例如美國第的 09627號專利)，其中本發明該區域在半導體材料内。特別 第45 頁 200811994 地，當SOI結構使用本發明第二項處理過程製造出時，當半 導體層與氧化物玻璃或氧化物玻璃陶莞層複合物形成時， 提昇氧濃度區域在其中形成。 ’ Π:半導體在絕緣體上結構包含第一及第二層，其直接 地或經由一層或多層中間層彼此連接，其中·· (a )第一層由單晶半導體材料所構成，該層具有離為 外延表面的第二層最遠之表面；以及 〇)，）第二層： (i)具有第一及第二平行面分隔距離為仏，第一面 比弟^一面更罪近於第一層； (11)具有參考表面，該參考表面丨)在第二層内，幻 貝貝上平行於第一面，及3)與第一面分隔距離為Dg/2; (iii) 由氧化物玻璃或氧化物玻璃陶瓷所構成，其 包含-種或錄麟子，每—觀料在參縣面處具有 茶考》辰度Ci/Ref;以及 (iv) 具有一區域，其啟始於第一面處以及延伸朝向 參考表面’其中至少-種正離子濃度相對於該離子參考濃 度Ci/Ref為耗盡的(正離子空乏區）。 III:半導體在絕緣體上结構包含第_及第二層，其直接 地或經由一層或多層中間層彼此連接，其中： 所構成，該層厚度為小於 10微米(在特定實施辦為小於5微米;在特定其他實施例中 為小於1微米）；以及 (b，）第二層： 第46 苜 200811994 (i)具有第-及第二平行面分隔轉為 比第二面更靠近於第一層，· —(11)具有參考表面，該參考表面1)在第二層％2) 貝貝上平行於第一面，及3)與第—面分隔距離為仏/Ιο 10 由氧化物玻璃或氧化物玻璃陶复 ’每__子在參考表面處具有 夢亨浪度Ci/Ref;以及 知(iv)具有-區域，其啟始於第—面處以及延伸朝向 苓考表面’其中至少一種正離子濃度相對於該離子參考濃 度Ci/Ref為耗盡的(正離子空乏區）。 有關4 SOI結構，人們了解(a，）段之丨G微米限制小於半 導體晶4厚度。例如，__解糾通常厚度大於 100微米。 IV:半導體在絕、緣體上結構包含第一及第二層，其直接 地或經由-層或多層中間層彼此連接，其中：，/、 (a，’）第一層由單晶半導體材料所構成； (b )第—層由氧化物玻璃或氧化物玻璃陶瓷所構成， ”種或夕種正離子，其中在氧化物玻璃或氧化物玻 #3,及鉀離子濃度以氧化物為基準總和為小於 重里比，優先地小於01%重量比(即Li2〇伽他伙 L 0%重量比，優先地<0· 1%重量比)， 其中第-層具條大尺寸(例如在_雜況巾直徑，在長 方形層情财鱗肖、_)A於1〇公分。 V·半導體在絕緣體上結構包含第一及第二層，其紐 第47 頁 200811994 地或經由-層或多層中間層彼此連接，其中： (a )第一層由單晶半導體材料所構成； (b’）第二層： d、有第一及第二平行面分隔距離為以第一面 比第二面更靠近於第一層； —(11)具有參考表面，該參考表面1)在第二層内，2) 貝貝上平行於第—面，及3)與第一面分隔距離為㈣； _ (111)由氧化物玻璃或氧化物玻璃陶瓷所構成，其 包含-種或錄正離子，每—種正軒在參核面處具有 參考濃度Ci/Μ; “ (iv)具有一區域，其啟始於第一面處以及延伸朝向 翏考表面，其中至少一種正離子濃度相對於該離子參考濃 度Ci/Ref為耗盡的(正離子空乏區）· (V)具有-區域在正離子空乏區遠端邊緣附近，其 中至少-種正離子濃度姆於翻奸參考濃度—為提 昇的(堆積區域）。 VI:半導體在絕緣體上結構包含第一及第二層，其直接 地或經由-層或多層中間層彼此連接，其黏接強度為8焦耳 /平方米，在特定實施例中為至少為10焦耳/平方米，以及在 f定實施例中為至少為15焦耳/平方米，該第一層由單晶半 導體材料所構成以及第二層由氧化物玻璃或氧化物玻璃陶 瓷所構成，其中至少部份鄰近於第二層之第一層包含凹下， 其區分該部份為分離之區域，其能夠彼此相對獨立地膨脹 及收縮。 第48 頁 200811994 VII:半導體在絕緣體上結構包含第一及第二層，其直 接地或經由一層或多層中間層彼此連接，該第一層由單晶 石夕材料所構成以及第二層（20)由玻璃或玻璃陶瓷所構成， 其包含石夕石以及一種或多種其他氧化物為網狀結構形成劑 (例如為B2O3, ΑΙΑ，及/或PA)，第一層包含接觸第二層 之區域以及由矽氧化物所構成(即Si〇x，其中1&$2)但是 並不包含一種或多種其他氧化物，該區域厚度小於或等於 200nm 。 VI11:半導體在絕緣體上結構包含單晶半導體材料(材 料S)以及包含正離子(材料G)氧化物玻璃或氧化物玻璃陶 兗所構成，其中至少部份結構依序地包含： 材料S; 具有提昇氧含量之材料s; 具有至少一種正離子為減小離子濃度之材料k 具有至少一種正離子為提昇離子濃度之材料G;以及 材料G。 關於先前所提及每-S0I結構，以及底下所說明 其他soi、结構，其能狗依據本發明第二項處理過程製造出， 人們了解半導體在絕緣體上結構之絕緣體部份自動地提供 係藉由本發_域贱錄玻柄氧化物麵似 第一基板。當第一及第二基板間之界面包含正離子空乏區 時，玻璃或玻璃陶瓷絕緣功能將更進一步提昇。作為特/ 之範例，在soi結構VIII中，所有叫料為絕緣體且 有提昇氧敍之s材料至料-贿上魏桃緣體其決” 第49 頁 200811994 ==恤。樹賴⑽結構之 ^财。人們了解單晶料摻雜州數量之摻雜劑例^ 作為產生半導體特性之目的。 依據本發明絕緣功能自動提供為與傳統沏 ，射半導體薄膜連接至半導體晶片。為了達成;邑緣功 能’絕緣層例如層需要夾於(埋嵌)半__與半導 體晶片之間。 、 士依，本發明第二項，實施本發明方法以製造出多個刻 結構於單—氧化物玻璃或氧化物玻璃陶究紐上， 結構可完全相同，完全不同，或部份綱及部份不同、 ^由本發明第二項製造出產物能夠具有多個第—層在單 =弟二層上，其巾第-層可完全細，完全不同，或部 同及部份不同。 單一第一層或一組多個第一層，所形細結 冓月匕夠有全部或實質上全部(例如>95%)第二層之第—面 $接(直接地^^經由一個或多個中間層)至一種 =材料，細具有蝴_上並料晶半導= ’關之面的面積(稱為，，非單晶辨導體面積”）。 非單晶半_面積中，第—面能夠直接地或經由-古S夕個中間層連接至例如非晶質及/或多晶質半導體材 2如為非晶質及/或多晶石夕。使用較便宜材料能夠特別 你/於ί标1細巾，射單辭導赌料通常只需要 t 1控制的荨，其需要較高性能之半導體材料。 第50 頁 200811994 lcd c多晶石夕半導體材料以及特別是多晶矽能夠藉由非晶質 材料熱結晶達成(例如雷射為主熱結晶）。 曾當然第二層之整個第一面並不必需與單晶或非單晶半 導體材料相關。然而，特定面積能夠具有多個空間之半導 體材料，該空間位於該面積為裸露第二層或第二層黏接至 個或多個半導體材料之間。該空間尺寸能夠為大的或小 的而適合於本發明之峡顧。修，在齡馳用情況 I例如為液晶顯示器，大部份玻璃層(例如大於75—卿通 系亚不與單晶矽或非單晶矽半導體材料相關。 口口經由使用黏接至單一第二層之多個第一層，能夠得到 由，晶半導體材料所構成廣泛面積之SOI。因而，依據本發 明第二項處理過程，能夠製造出下列其他S0I結構： 、IX·半導體在絕緣體上結構包含第一及第二層，其直接 地或經由-個或多個中間層彼此黏接在—起，其中： (a )第一層包含多個區域，每一區域由單晶半導體 料所構成； (b )第二層，其由氧化物玻璃或氧化物玻璃陶瓷所構 成；以及 (c )多個區域具有表面積滿足下列關係： ΣΑί>Ατ，其中 至 n，n>i 其中假如任何區域具有圓形週邊Ατ=75〇平方公分，以及假 如區域並不具有圓形週邊Ατ=500平方公分。 如上述所說明，不同區域單晶半導體能夠全部為相同 第51頁 200811994 ，全部不同，或部份以及部份不同的。同樣地，假如使用— 個或多個中間層，各個區域能夠全部相同，全部不同，或部 份相同及部份不同的。特別地，一個或多個區域能夠具有 單晶半導體材料經由一個或多個中間層黏接至第二層，同 時其他一個或多個區域能夠直接接至第二層。 關於先前SOI結構Ι-ΙΧ能夠依據本發明第二項處理過 程製造出，假如在第一及第二基板間存在一個或多個中間 層，優先地總共厚度為小於100蘭，在特定實施例中為小於 5〇随，以及在特定實施例中為小於30nm。 除了上述所列各別SOI結構I-IX，本發明第二項處理過 程亦能夠使用來製造SOI結構，其包含所有以及任何卜Ιχ特 性組合。例如，SOI結構特定實施例可優先地黏接強度至少 8焦耳/平方米，在特定實施例中優先地至少為1〇焦耳/平方 米，以及在特定貫施例中至少為15焦耳/平方米。同樣地， SOI結構優先地包含至少一個外延表面，至少一個正離子空 乏區，至少一個堆積區域，及/或半導體層，其厚度為小於⑺ 微米。 、 本發明更進一步由下列非限制性範例顯示出。 範例1(比較性範例）： 直徑為150mm厚度為500微米之梦晶片以量劑為2χ1〇16 Η/離子/平方公分以及植入能量為6〇]^在標準未改變之 傳統離子淋浴設備中作Η/離子植入。晶片再在氧電漿中 處理以氧化基。本公妓徑為之2麵玻 璃晶片再以Fisher科學用Contrad 7〇清潔劑在超音波浴池 第52 頁 200811994 中清洗15分鐘，接著在超音波池中以蒸餾水清洗15分鐘以 及再以10%硝酸清洗，接著再以蒸顧水再次清洗。 兩個晶片相互接觸確保晶片間並無空氣以及晶片放入 黏接器内以及以美國第2004/022944 A1號公告專利所揭示 之方式加以黏接。玻璃晶片放置於負電極上以及石夕晶片放 置於正電極上。兩個晶片加熱至525°C (矽晶片）以及575°C (玻璃晶片）。1750伏特電壓施加於晶片表面兩端。施加電 壓20分鐘，結束時電壓回復至零以及晶片再冷卻至室溫。 晶片很容易地分離。外延石夕薄膜斷面進行通攝影。一個 影像顯tf於11 7 t，其齡終卿細制損壞，使得石夕 薄膜很少能夠使用於電子應用中。 範例2(本發明） 重複範例1試驗使用相同的試驗參數，但是在含有分析 儀磁鐵之器具中進行，其能夠作質量分離以及因而能夠只 植入所需要種類。此預期產生石夕薄顧壞只限制於分 裂區域，其能夠藉由拋光或钮刻加以去除而顯現出良好未 受損石夕層，其有作為電子裝置。接續試驗Μ之離子植 入預期產生相同的結果。 業界熟知此技術者了解本發明能夠作許多變化及改變 而並不會脫離本發明之精神及範圍。因而，預期本發明含" 蓋多種變化及改變，其均屬於下列申請專利範圍及其 情況範圍内。 ' 【圖式簡單說明】 第-圖示意性地顯示出使用本發明處理過程離子植入 第53 頁 200811994 施體基板之實施例。 第二圖示意性地顯示出使用本發明處理過程離子植入 施體基板之另一實施例。 第二圖為制作勒好植人基板之傳統輕量分離離 子淋浴裝置之示意圖。 第四圖為使用本發明離子植入基板處理過程裝置之示 意圖，其中離子淋浴植入藉由磁性構件加以淨化。 第五圖為在存在電場，溫度梯度及壓力下離子植入施 體基板黏接受納基板之示意圖。 第六圖為在第五圖結構冷卻至溫度L後第五圖結構分 裂以形成SOI結構之示意圖。 曰第七圖為薄的外延石夕薄膜施影像，其藉由使用傳統非 郷像醜示㈣㉟冑結構之損 壞。 、 附圖元件數字符號說明： 施體基板101;第-施體外部表面1〇3;第二施體外部 表面105;胁1G7;基板⑽;第—離子植人區域111;離 子植顧113;外延薄膜部份―丨施體勤反部份— ，外延薄膜115;裝置301;電極3〇3;電極栅格3〇5·，電漿 槽307;電漿309;離子311;植入槽313;晶片服裝置 401;磁場分析儀403;磁場4〇5;受納基板5〇1;第一受納 外部表面503;第二受納外部表面5〇5。 第54 頁

Claims (1)

  1. 200811994 十、申請專利範園： 1. 一種形成SOI結構之處理過程，其包含下列步驟： ⑴提供施體基板，其由具有第一施體外部表面之半導體 材料所構成；以及 α I)藉由使用由電磁分離淨化之帛一離子淋浴植入一组 多種屬於第—種類離子經由第一施體外部表面進入離子植 入區域’深度在第-施料部表面底下，使得纽離子植入 區域與第一施體外部表面間材料(外延薄膜)之至少5〇卿厚 度部份的結構並未受到損壞。 2·依據申請專利範圍第！項之處理過程，其中在步驟⑴）中 ，外延薄膜之至少1〇〇咖厚度部份，在特定實施例中至少15〇 nm厚度部份，在特定實施例中至少2〇〇nm厚度部份並未受到 損壞。 3·依據申請專利範圍第！項之處理過程，其中外延薄膜由單 晶矽所構成。 、 4依據申請專利細第i項之處理過程，其中在步驟(⑴中 ，離子植入區稱度並不大於1微米，在特定實施例中並不 大於500nm，在特定其他實施例中並不大於議簡，在特定其 他實施例中並不大於2〇〇nm。 5. 依據申請專利範圍第！項之處理過程，其中在步驟(ιι)中 ’離子植入11域深度小於1000nra，在特定實施例中小於5〇〇 nm，在特定其他實施例中小於3〇〇咖，在特定其他實施例中 小於150服，在特定其他實施例中小於1〇〇nm。 6. 依據申請專利範圍帛！項之處理過程，其中外延薄膜非損 第 55 頁 200811994 壞部份至少為外延薄膜總厚度之50%，在特定實施例中為至 夕、為外延’專膜總厚度之6〇%，在特定貫施例中為至少為外延 薄膜總厚度之8〇%，在特定實施例中為至少為外延薄膜總厚 度之90%。 7·依據申請專利範圍第1項之處理過程，其中在步驟(Π)中 ，第一離子淋浴包含屬於第一種類之離子。 8·依據申請專利範圍第1項之處理過程，其中屬於第一種類 之離子為單一離子種類由HA H+，H2+，D/，D3+，邮，H2D+， HD/，He+，He/，〇+，(V，(V 以及 〇3+選取出。 9·，據申請專利範圍第1項之處理過程，其中屬於第-種類 之離子為不含磷，硼m氧，氯以及金屬。 10·依據申請專利範圍第1項之處理過程，其中更進一步包 含下列步驟(III)與步驟(11)分離以及獨立： (ΙΠ)藉由使用由電磁分離淨化之第二離子淋浴植入一 組多種屬鄕二麵離子經由第—碰外部表面進入離子 植入區域，/朱度在第一施體外部表面底下，使得外延薄膜至 V 50nm厚度部份結構實質上並未受到損壞，該屬於第二種 類離子不同於屬於第一種類之離子。 11·依據申請專利範圍第10項之處理過程，其中步驟⑴【） 中，外延薄膜之至少·⑽厚度部份，在特定實施例中至少 150nm厚度部份，在特定實施例中至少2〇〇咖厚度 受到指瓌。 12.依據申請專利範圍第1〇項之處理過程，其中離子植入區 V包含第-離子植入區域，在其中進行植入屬於第一麵 第 56 頁 200811994 之離子以及第二離子植入區域，在其中進行植入屬於第二 種類之離子，第一離子植入區域以及第二離子植入區域相 互重疊。 13·依據申請專利範圍第12項之處理過程，其中在第一離子 植入區域中第一種類離子之密度尖峰以及在第二離子植入 區域中第二種類離子之密度尖峰間的距離小於l00nm。 • 14·依據申請專利範圍第1項之處理過程，其中更進一步包 - 含下列步驟(ΠIA)與步驟(Π )分離以及獨立： (III A)猎由使用離子束線植入器植入一組多種離子經 由第一施體外部表面。 15·依據申請專利範圍第1項之處理過程，其中更進一步包 含下列步驟(IIIB)與步驟(Π)分離以及獨立： (IIIB)猎由使用傳統離子淋浴機植入一組多種離子經由 第一施體外部表面進入離子植入區域，深度在第一施體外 部表面底下。 16·依據申請專利範圍第1〇項之處理過程，其中屬於第—種 類離子為H/，以及屬於第二種類離子為He+。 . 17·依據申請專利範圍第16項之處理過程，其中fj/能量與 He+能量之比值為2:1。 18·依據申請專利範圍第16項之處理過程，其中出+能量為 60KeV，以及He+能量為3〇KeV。 19·依據申請專利範圍第1項之處理過程，其中更進一步包 含下列步驟(IV): (IV)黏接第一施體外部表面至受納基板。 第57 頁 200811994 20·依據申請專利範圍第丨項之處理過程，其中更進一步包 含下列步驟(V): (V)在植入區域内—個位置處由施體魏分離離子植入 區域中至少部份材料以及外延薄膜。 21·依據申請專利範圍第19項之處理過程，其中更進一步 包含下列步驟(v): y (V)在植入區域内一個位置處由施體基板分離離子植入 區域中至少部份材料以及外延薄膜。 22·依據申請專利範圍第19項之處理過程，其中受納基板由 下列種類具錢不具有氧化物表崎半導體^片； 玻璃基板;由結晶材料所構成板以及玻璃陶瓷板選取出。 23·依據申請專利範圍第19項之處理過程，其中受納基板為 具有S1O2表面層之石夕晶片，以及在步驟(IV)中第一施體外 部表面黏接至Si〇2表面層。 24·依據申請專利細第19項之處理過程，其中受納基板為 Si〇2玻璃板。 25·依據申請專利範圍第a項之處理過程，其中： (1)受納基板由氧化物玻璃或氧化物玻璃陶兗所構成，·及 ⑵在步驟⑽中，黏接產生作用係藉由施加(a)力量至 施體以及受納基抚使其緊壓為緊密接觸;⑹電場於施體 以及受納基板，使得在施體基板中電動勢高於受納基板中 受納基板電動勢;及(c)溫度梯度於施體與受納基板之間。 26·依據申請專利範圍第丨項之處理過程，其中在步驟(π) 中第一離子淋浴之電磁分離藉由磁性構件產生作用。 第58 頁 200811994 27· —種形成SOI結構之處理過程，其包含下列步驟： (A1)提供施體基板以及受納基板，其中： (1) 施體基板包含半導體材料以及第一施體外部表面 作為黏接受納基板(第一黏接表面)及第二施體外部表面； (2) 受納基板包含氧化物玻璃或氧化物玻璃陶究以及 兩個外部表面··（ i)第一受納外部表面以黏接至第一基板（ 第工^接表面）;以及(ii)第二受納外部表面； (A2)藉由使用電磁分離淨化之第一離子淋浴植入一組多 種屬於第一麵離子經由第一施體外部表面進入施體基板 之離子植入區域，深度在第一施體外部表面底下，使得失於 離子植入區域與第一施體外部表面間材料(外延薄膜)之至 J 50ηπι厚度部份的結構並未受到損壞； (B) 在步驟(M)以及⑽，使第一及第1占接表面接觸； (C) 歷時充份的時間使施體以及受納基板在第一及第二 黏接表面處彼此黏接在一起，同時地： (1) 施加力量至施體^板及/或受納基板，使得第一及 第二黏接表面緊壓接觸，· (2) 對施體及受納基板施力σ電場，其電場方向為由第二 受納外部表面至第二施體外部表面；以及 (3) 加熱施體及受納基板，該加熱特徵為第二施體及受 納外部表醉均溫度侧為71及Τ2，選擇該溫^得 ~卻至至溫，施體及受納基板產生不同的收縮因而在離子 植入區域處弱化施體基板;以及 (D)冷卻黏接之施體及受納基板以及在離子植入區域處 第 59 頁 200811994 分裂施體基板； 其中氧化物玻璃或氧化物玻璃陶瓷包含正極離子，其在 步驟(0過程中在受納基板内移動，其移動方向為遠離第二 黏接表面以及朝向第二受納外部表面。 28.依據中請專利麵第27項之處理過程，其中在步驟⑽ 中，外延薄膜之至少1〇〇111„厚度部份，在特定實施例中至少 150nm厚度部份，在特定實施例中至少施厚度部份的結構 並未受到損壞。 ϋ 2。9·依據申請專利細第27項之處理過程，其中外延薄膜由 單晶半導體材料所構成。 30·依據申請專利細第27項之處理過程，其中外延薄膜由 單晶矽石所構成。 、 31·依據申請專利細第27項之處5里過程，其中在步驟⑴） 中，離子植入區域深度小於議〇nm，在特定實施例中小於 5〇〇nm，在特定其他實施例中小於·咖，在特定其他實施例 中小於150nm，在特定其他實施例中小於1〇〇nm。 32·依據申請專利細第27項之處理過程，其中外延薄膜非 損壞部份至彡為輕薄麟厚度之·，在峡實施例中為 至少為外延薄膜總厚度之_，在特定實施例中為至少為外 延薄膜總厚度之_祕定實酬t輕少為外延薄膜總 厚度之90%。 33·依據申請專利細第27項之處理過程，其中在步驟⑽ 中，離子植入區i鱗度並不大於！微米，在特定實施例中並 不大於500nm，在特定其他實施例中並不大於編聊，在特定 第60 頁 200811994 其他實施例中並不大於200nm。 34. 罐申請專利範圍第27項之處理過程，其中在步驟⑽ 中’弟一離子淋浴由屬於第一種類之離子所構成。 35. 依據申請專利細第34項之處理過程，其中屬於第一種 類之離子為單—離子義由H/，IT, H/，D/，D/, HD+， ，動，He+，He/，〇+，(V，〇/以及 ο/選取出。 36·依據申請專利範圍隸項之處理過程，其中屬於第一種 類之離子為不含磷，吼珅，碳，氮，氧，氯以及金屬。 37.依據申請專利細第27項之處理過程，其中更進一步包 含下列步驟(A3)與步驟(A2)分離以及獨立： ⑽藉由使用由電磁分離淨化之第二離子淋浴植入一袓 多種屬於第二種類離子經由第—施料部表面進入離子植 入區域，深度在第一施體外部表面底下，使得外延薄膜至少 —#_@^^未_貞壞期於第二種類 離子不同於屬於第一種類之離子。 38.依據申請專利範圍第37項之處理過程，其中步驟⑽中 ’外延薄膜之至少100削厚度部份，在特定實施例中至少150 服厚度部份，在特定實施例中至少·咖厚度部份並不受到 損壞。 39·依據申請專利範圍第37項之處理過程，其中離子植入區 域包含第-離子植入區域，其中進行植入屬於第一種類之 離子以及«二料植人區域，在財_认屬於第二種 類之離子’第一離子植入區域以及第二離子植入區域相互 第61 頁 200811994 40·依據申請專利範圍第39項之處理過程，其中在第一離子 植入區域中第一種類離子之密度尖峰以及在第二離子植人 區域中第二種類離子之密度尖峰間的距離小於1〇〇咖。 41·依據申請專利範圍第37項之處理過程，其中屬於第—種 類離子為Η/，以及屬於第二種類離子為He+。 42·依據申睛專利範圍第41項之處理過程，其中h3+能量盘 He+能量之比值為2:1。 43·依據申請專利範圍第41項之處理過程，其中h3+能量為 60KeV，以及He+能量為30KeV。 44·依據中請專利範圍第27項之處理過程，其中在步驟(A2) 中第一離子淋浴之電磁分離藉由磁性構件產生作用。 45·依據申請專利範圍第27項之處理過程，其中在步驟(A2) 之後但是在步驟(B)之前，處理施體基板之第一黏接表面以 減少其氫濃度。 46·依據申請專利範圍第45項之處理過程，其中氫濃度減少 處理促使第一黏接表面為疏水性。 47·依據申請專利範圍第45項之處理過程，其中氫濃度減少 處理由氧電漿處理，臭氧處理，利用恥2處理，利用Η办及 氨處理，利用胁及酸處理，及其組合選取出。 第62 頁
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