TWI289904B - Strained semiconductor-on-insulator structures and methods for making strained semiconductor-on-insulator structures - Google Patents
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- H01L27/12—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being other than a semiconductor body, e.g. an insulating body
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/70—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components formed in or on a common substrate or of parts thereof; Manufacture of integrated circuit devices or of parts thereof
- H01L21/71—Manufacture of specific parts of devices defined in group H01L21/70
- H01L21/76—Making of isolation regions between components
- H01L21/762—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers
- H01L21/7624—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers using semiconductor on insulator [SOI] technology
- H01L21/76251—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers using semiconductor on insulator [SOI] technology using bonding techniques
- H01L21/76254—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers using semiconductor on insulator [SOI] technology using bonding techniques with separation/delamination along an ion implanted layer, e.g. Smart-cut, Unibond
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Description
1289904 九、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於半導體結構,以及特別是關於半導體在 絕緣體上結構以及製造半導體在絕緣體上結構之方法。 、至目前,半導體在絕緣體結構中最常使用半導體材料 ,為矽該結構在文獻中係指矽在絕緣體上結構以及簡稱為 nS0In 〇本發明一般係關於半導體在絕緣體上結構 在絕緣體上結構。 ’
為了易於表示,下列說明全部係關於石夕在絕緣體上么士 構:參考該特別形式半導體在絕緣體上結構將使本發明;兒 明變為容料及並糊奴及在任何情況並不作為 本發明範圍。 在此所使用SOI簡寫通常係指半導體在絕緣體上 其包含非限制性之石夕在絕緣體上結構。同樣地,所使用^ 通常係指半導體在玻璃上結構,其包含非限制性石夕在玻 上結構。S0G驗亦包含半導體在玻璃降兖上結構,1 非限制性之石夕在玻璃陶甍上結構。簡稱S0I包含S0G、。 【先前技術】 矽在絕緣體上結構技彳标對高性能薄膜電晶體,太陽能 電池,以及顯示器例如主動陣列顯示器逐漸變為重要。 在絕緣體上結構晶片包含—薄層單晶質石夕(通常厚 -0· 3微米,一些情況厚達5微米)於絕緣材料上。又· 多種得到該晶片之方法包含外延成長Si於相匹配 之晶格上;單晶體石夕晶片黏附至另外一石夕晶片其中&〇 化層成長於該晶片上,接著藉由抛域餘刻頂^晶 = 達到,如G· 1 S G· 3微米單晶體發層;或以離子植入法 植入氳或氧離子以形成埋嵌氧化層於頂部石夕 、 子植入情況中埋财氧化層,或在氫離子植入情況 片狀剝離)薄Si層以以氧化層黏接至另外一 &晶片。這一 第 5 頁 1289904 ,以離子植入為主方法已發現更能商業化實施。特別地, 氫離子植入方法具有優點優於氧離子植入處理過程,其中 所需要植入能量為小於氧離子植入所需要能量之通以及 所需要劑量約降低約100倍。 氣離子植入法之層狀剝離最初揭示於例如Bister等人 ^"Ranges of the 0. 3-2 MeV H+ and 0. 7-2 MeV H/
Ions in Si and Gen, Radiation Effects, 1982, 59: 199-202,以及更進一步由Michel Bruel所證明。參閱Bruel 之美國弟 5374564 號專利;Μ· Bruel Electronic Lett· 31, 1995 PP 1201-1202;以及L· Diciiccio, γ· Letice,F·,
Letertre, C. Jaussad and M. Bruel, Electronic Lett. 3^ 1996, PP 1144-1145。每一上述參考文獻在此加入作 ,參考之用。該方法通常包含下列步驟。熱氧化層成長於 單晶體矽晶片上。氳離子再植入該晶片以產生基板裂縫。 植$能量決定所產生裂縫以及量劑決定裂缝密度。該晶片 f室溫下再放置於與另一矽晶片(支撐基板)接觸以形成暫 時性之黏接。晶片再作熱處理至_°c以促使次基板裂縫 成長以由Si晶片分離石夕薄層。所形成組件再加熱至溫度高 於1000 C以完全地將具有SiCfe下層之Si薄膜黏接至支撐 基板,即去植入Si晶片。該處理過程因而形成石夕在絕緣體 上結構具有一薄膜砍黏接至另一矽晶片,其具有氧化物絕緣 層在其中間。 對於SOI結構商業化應用重要考慮因素為費用。至目 前,該結構費用主要部份為矽晶片之費用,該晶片支撐氧化 層,頂部為Si薄膜,即主要費用為支撐基板。雖然使用石英 作為支撐基板已在先前多個專利提及(參閱美國第6丨40209, 6211041,6309950, 6323108, 6335231 及 6391740 號專利), 石英本身為相當昂貴的材料。在說明支撐基本中,一些上述 說明麥考文獻已提及石英玻璃,玻璃,以及玻璃陶瓷。列於 第6 頁 1289904 這些參考文獻中其他支樓基板包含鑽石,藍寶石,碳化石夕,氮 化矽,陶瓷,金屬,以及塑膠。, 如本發明所發現,並非單純地在SOI結構中以較不昂貴 材料替代石夕晶片以製造出晶片。特別地,難以大量低價格 製造出玻璃或玻璃陶瓷以替代石夕晶片,即難以製造價格競 爭性之S0G結構。此由於在本發明之前並無實際使用玻璃 或玻璃陶变作為在半導體在絕緣體上結構中支撐基板之技 術。 應變石夕效應π已加以使用以得到較高電子移動性以及 洞孔移動性於石夕為主半導體材料上。如說明於美國第⑽7 633及6539641號專利中,應變矽薄膜成長係藉由逐漸地增 加Ge濃度於石夕晶片上沉積出SiGe層而達成,而後矽層再形 成於最上面SiGe層上。在SiGe層及矽層間之熱膨脹係數 不相匹配將使石夕層承受張應力。在應變矽層中,電子將遭遇 較小阻力以及比未應變矽流動更為快速達7〇%,其導致;敵電 子裝置比未應變矽製造出相當尺寸裝置為快速達35%。不過, 應變石夕基板價格較咼,因為在本發明之前,業界並無實際技術 以製造半導體在絕緣體上結構,其具有應變半導體層及玻璃 或玻璃陶兗作為支樓基板。 【發明内容】 本發明一項實施例係關於半導體在絕緣體上結構,其 包含弟'一及弟^一層,其直接地或經由'一層或多層中間層彼 此連接,其中第一層包含單晶體半導體材料;第二層包含玻 璃或玻璃陶瓷;以及玻璃或玻璃陶瓷熱膨脹係數(25-30(TC )小於比半導體材料之熱膨脹係數(25°C)。 本發明另外一項實施例係關於半導體在絕緣體上結構 ,該結構包含第一及第二層彼此直接地或經由一層或多層 中間層連結,其中第一層由單一晶體半導體材料所構成;第 二層由玻璃或玻璃陶瓷所構成;其中半導體在絕緣體上結 1289904
構具有使Μ溫度Tuse;以及其t 一 dT
Tuse 為大於零。 本發明另外一項實施例係關於一種製造半導體在絕緣 體上結構之方法,該方法包含: (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以黏接至第二基板(第 黏接表面),弟一外部表面以施力17力量至第一基板(第一 把^力里表面),以及内部區域以分離第一基板為第一部份 及弟一部份(分離區域),其中: (a) 第一黏接表面,第一施力动量表面,以及分離區域 彼此相互平行; (b) 第二部份在分離區域及第一黏接表面之間;以及 (c) 第一基板由單一晶體半導體材料所構成;及 ^2)包含兩個外侧表面之第二基板,一個表面作為黏附 予第一基板(第二黏接表面)以及另外一個表面作為施加力 里至苐一基板(第二施力口力量表面),其中: ^ (a)第工^接表面及第二施力Π力量表面為彼此相互平 行的以及彼此分離距離為1¾;以及 〇3)第二基板,該基板由玻璃或玻璃陶瓷所構成; (B) 使第一及第二黏接表面接觸,· (C) 在第一及第工^接表面處第一及第二基板彼此黏接 一段時間足以同時地: ★ (1)施加力量至第一及第二施加力量表面以緊壓第一及 苐一黏接表面在一起; j2)對第一及第二基板施加電場,其主要特徵為在第一 及第二施加表面處分別為第一及第二電壓Vi及V2,該電壓 在^些表面處電壓為均勻的,其中Vl高於π,使得電場方向 為第一基板至第二基板;以及 1289904 第一及第二基板加熱,該加熱主要特徵為在第一 ^第二施加力量表面處分別為第一及第二溫度Ί\及T2,在 這些表面處溫度躺⑽α及所辦溫度使彳_於冷_ -般溫度時第-及第二基板產生不同的收縮因而使分離區 域處之第一基板變弱;以及 (D)冷卻第一及第二基板以及使第一及第二部份在分 區域處分離, ^中T2及半導體材料之熱膨脹係數以及玻璃或玻璃陶
瓷材料之熱膨脹係數選擇將使得半導體材料在25r下為承 受張力。 ” 一本發明半導體在絕緣體上結構以及製造半導體在絕緣 體上結構之方法具有一些優點優於先前技術。本發明滿足 ,長時期對低價格應變S0I結樣紐之需求。除此本發 明提供该結構新穎的形式。在本發明許多應用中包含下列 領域例如光電,RF電子,以及混合訊號(類比/數位)電子元 件,以及顯示器應用例如為LCD及〇LED,其中與非晶質石夕, ,石夕以及未應變石夕^主裝置作比較能夠顯著地達成改善性 能。除此,亦能夠達成高效率光電以及太陽電池。本發明新 穎的處理技術及其新穎的應變SQI結構顯著地降健變s〇i 結構之價格以及因而滿足半導體業界低價格應變半g體裝 置之持續需求。 ^ 本务明其他特性及優點將詳細地揭示出下列說明中, 其,份立㈣為熟知此技術者了解或藉纟實施詳細說明及 申請專利範圍及附圖所揭示内容而明瞭。 »人們了解先前一般說明及下列詳細說明只作為本發明 之範例,以及在於提供概念或架構以了解申請專利範圍所 揭示之本發明原理及特性。 所包含附圖在於提供更進一步了解本發明,以及在此 加入構成說明書之一部份。附圖並不按照比例,以及各個 1289904 元件尺寸可加以改變以更清楚地顯示。附圖顯示出本發明 一個或多個實施例,以及連同說明書作為解釋本發明之原 理及操作。 ’、 【實施方式】 本發明一項實施例示意性斷面圖顯示於圖1中。半導 體今麥緣體上結構20包含第一層22,以及第二層24。第一 層说及第二層24直接地或經由一層或多層中間層彼此黏附 在一起,如圖1所示。假如存在一層或多層中間層夾於第一 層22及第二層24之間,則第一層22及第二層24需要地分 離不超過lOOnm距離。第一層22由單晶體半導體材料所構 成,玻璃或玻璃陶兗在25-300°C溫度範圍内之熱膨脹係數(以 CTE(25-300°C)表示)為小於半導體材料25°C之熱膨脹係數 (以CTE(25°C)表示)。玻璃或玻璃陶瓷CTE(25-30(TC)能夠 為正值,或能夠為負值(例如為冷一鐘霞石為主之玻璃陶曼) ° CTE(25-300°C)值表示該溫度範圍内之平均⑽。 需要地,玻璃或玻璃陶兗之CTE(25-30(TC)至少小於半 fH#^CTE(25〇C) 3xl〇-V°C 〇 。兗CTE(25-300°C )至少小於半導體材料之cte(25°C )5xl Ο—7/
c。在本發明特別實施例中,玻璃或玻璃陶瓷之CTE(25一細 。(^至少小於半導體材料,或甚至於1〇χ 10 /。0。為了防止弟一層破壞或分層,半導體材料之[τε(25 - 30(TC)與玻璃或玻璃陶瓷之CTE(25—3〇(rc)間 不大於 30x1 (TVt:。 在此所說明材料CTE表示為均勻材料本身之CTE以 及並不表示為本發明實際半導體在絕緣體上結構中材 之實際膨脹特性。由於第一及第二層彼此黏接在一起以 及通常為堅硬材料,其膨脹及收縮特性會受到所黏接豆他 第二層材糊CTE存在差值,以及在 如剛皿度下IWi各層彼此連接在一起,由於冷卻至室溫,其 第10 頁 1289904 中一層產生張力以及其他層會產生壓力。在此所使用”尋求 收縮V由於冷卻至一般溫度產生差分收縮,,以及類似名詞反 應^由Tbcnd冷卻時基板收縮通常不同於非黏接收縮,例如 所說明較大正值CRE由於冷卻尋求收縮至某一程度,但是無 法(通常不會)實際收縮達到由於黏附至具有較小正值CTE 之層所導致程度。 、…在本發明特定實施例中(例如當半導體材料為矽為主 半^體材料),玻璃或玻璃陶瓷CTE(25—3〇〇〇C)並不大於泣 xl〇 / C。十本發明這些特定實施例中,玻璃或玻璃陶瓷 • CTE(25—300。〇需要小於2〇xl〇?c,優先地小於ΐχίο-ν C,或甚至於小於i5xl(ry>c。在本發明特定實施例中,玻 璃或玻璃陶瓷應變點為小於。 ’ 地在本發明所需要實施例中,半導體材料為承受張力狀 態。例如,顯示於圖1中實施例中,在半導體在絕緣體上結 構^用溫度τ(修為现,lGGt:,或超i§ HGGt溫度範 圍)第一層需要為承受張力之應變。張力應變會改善半導 體材料之電子及洞孔移動特性,因而能夠使裝置製造具有 改良之特性。例如,第一層之主體移動性需要地具有至少 ^未應變狀態半導體材料主體移動性之麵。更需要地, 第、,層之主體移動性需要地具有至少為未應變狀態半導體 材料主體移動性之議。應變半導舰·細第54422〇 5二6107653, 6573126及6593641號專利中,這些專利之說明 在此加入作為參考。
半導體材料能夠為矽為主之半導體材料,或能夠為任 何其他適當形式之半導體材料,例如為III-V半導體,IHV it ίΐ」1—IV—v半導體,或1v半導體。適合使用作為第一 層+V體材料切融半導體材鄕他紗(例如未摻 ^ ^雜石夕,P—摻雜石夕);摻雜錯之石夕(SiGe);以及碳化 矽(1 )。能夠使用於第一層中其他半導體材料之範例包 Ϊ289904 及inp~為主材料。第-層實際上可為 ίΐίΐ,度。例如,第一層厚度能編達1微米,以及 5_之間,在iGnm至⑽而範圍内厚度為 =憂先_的。第-料導斷料具有叙細之鱗服係為 Ϊ’::夫疋於材料。例如第一層半導體材料25。。之熱膨脹 係婁丈在20xl〇7/°c及70xl(T7/Qc之間。 層半導珊料實f上為單晶體材料形式。實質上 係心弟-層考慮半導體材料正魏含有至少一些内部 加人射,·$錄陷或一 體半軸職或影響整
第二層玻璃或玻璃陶瓷需要矽石為主之玻璃或 j且。需要1存在於玻璃或玻璃陶瓷中濃度至少為3〇 ^耳i。更需要地,存在於玻璃或玻璃陶究中Si〇2濃度至少 ^ 40莫耳%。適合使本發明中玻璃陶究能夠包含任 :晶机例如為莫來石,堇青石,尖晶石,万—石英,或万一鐘 =。在本發鴨定實施例中,帛二層玻璃喊結晶相為 =日日石,/3-石英,或沒-鋰輝石。玻璃陶瓷之玻璃相需要充 伤的以能夠在底下製造半導體在絕緣體上結構所說明方法 之步驟(〇触愤正軒飾_第—層及第二層間之 界面。 曰在實施本發日月中能夠使用非石夕石為主玻璃及玻璃陶竟 ,但是通常為較不需要,因為較高價格及/或較差性能所致。 在本發明特定實施例中例如半導體在絕緣體上結構),玻璃 或玻璃陶瓷需要為氧化物之玻璃或氧化物玻璃陶究·。不過 ,作為-些應用,例如對於採用並非石夕為主之半導體材料的 SOI結構,並非氧化物為主例如非氧化物玻璃之第 要的,但是通常為較高價格。 作為特賴闕如為齡H細,賴或_陶究在 第12 頁 1289904 可見光,接近紫外線,及/或接近紅外線波長範圍需要為透 明的。例如,玻璃或玻璃陶瓷需要在350nra至2微米波長範 圍内為透明的。 第二層玻璃或玻璃陶瓷能夠使用熟知此技術者熟悉的 技術由傳統原料製造出,以及能夠使用底下所說明方法以 及本公司美國第10/779, 582號專利申請案專利名稱為,, Glass-Based SOI Structure” 之方法連接至第一層。 在本發明特定實施例中,玻璃或玻璃陶瓷需要地包含 至少一些正離子,其在下列所說明及美國第1〇/779582號專 利所說明方法之步驟(〇過程中能夠朝著施加電場方向移 動,即遠離黏接之第一層及第二層間之界面以及朝向第二 層後側。驗金屬離子例如為Li+,Na+,及/或K+離子為該^ 返之適^正離子,因為其通常具有較高移動性大於包含於 玻璃及玻璃陶瓷中之其他形式正離子。不過,並不具有鹼 金屬離子之玻璃及玻璃陶瓷能夠使用於本發明中f例如, 具有其他移動性離子例如為鹼土金屬離子(例如為C2+ 紀,虻V%戈其他正離子例如為 過渡金屬離子能夠使用於本發明半導體在絕緣體上結構 之第二層中,雖然後面所提及離子會不想要地減小光^透 射度,特別是在紫外線透射度。 在本發明玻璃或玻璃陶瓷含有鹼金屬或鹼土金屬離子 之實施例中·鹼金屬及鹼土金屬離子之濃度能夠在寬廣範 圍内變化,代表性濃度以氧化物為基準為〇·丨及4〇重量%之 間。所需要鹼金屬及鹼土金屬離子濃度以氧化物為基準為 0· 1-10重量%之間。許多標稱不含驗金屬之玻璃具有數十 至婁欠百ppm驗金屬污染物,其在下列所說明方法之步驟 過程中會移動。 雖然單一玻璃或玻璃陶瓷所構成之基板為優先的,假 如需要情況下能夠使用疊層結構。當使用疊層結構時,最 1289904 靠近於第-層之疊層應該具有在此所說明第二層由單一玻 璃或玻璃陶紐料所構成之特性。遠離第一層之層優先地 亦具有這些特性,但是可具有較緩和特性,目為其並不直接 地與最先基_互_。在後者情财,料二層特定之 特性不再令人滿意時,第二層視為終止。
沿續這些相同的情況,存在中間層在第一層與第二層 之間。例如,在底下所說明黏接處理過程中,第一基板及/ 或第^練能夠包含表面層於所有或部份外侧表面上,例 如半‘體上氧化物層。當存在時,該表面層應該具有組成 份及/或厚度將防止在第一及第二層之間形成強烈黏接。 特別地,在半導體基板上具有厚度1〇〇nm之氧化層會導致弱 化或不黏接玻璃或玻璃陶瓷。假如第一 在-層或多層中間層,其需要之合併厚度為小於“汽 間層合併厚度更需要地小於5〇nm,以及甚至於需要小於3〇 ▲雖然預期並不受到任何特別的操作理論限制,人們相 f具有严之氧化層對電流提供較高電阻以及因而消除在 第一及第二基板間之界面處電解形式之反應作用,人們相 f底下所說明之方法將提供所需要強固之黏附。因而,當 氧1匕層存在於第一基板黏接表面上而相對於絕緣層時,其 功月b主要作為不起化學作用之層。同樣地,任何形成於第 ,基板黏接表面上之氧化層不應干擾電流以及將需要地使 厚度小於lOOnm。當表面層存在於第一及第二基板黏接表 面上時,其變為半導體在絕緣體上結構第一層及第二層間 之中間層。 使用作為本發明玻璃之需要玻璃系列包含鋁矽酸鹽玻 璃,领酸鹽玻璃,銘蝴石夕酸鹽玻璃,以及稀土族鋁矽酸鹽玻 璃。適當高應變點玻璃組成份之範例以莫耳%表示列出於 底下表1及2中。熟知此技;[标者能夠使用標準方法製造出 第14 頁 1289904 這ΐτ/、他適當玻璃組成份。例如列於底下之玻璃能夠藉 由混δ組成份氧化物,鹵化物(例如Alcl3),磷酸鹽(例如 A1 (P〇3)3或Α1Ρ〇4)及/或碳酸鹽(CaC〇3)粉絲喊研磨器中歷 日π 1小日守以製造出1kg原、料。混合原料能夠再置入pt掛禍 以及加以錄於刪。c辆彡高溫爐至帛二天,械時間後熔 融玻璃倒在不鏽鋼板上以及在咖它及95(rc之間退火以釋 除應力。這些玻璃能夠由熟知此技術者藉由改變組成份而 特別地設計出。例如,CTE能夠藉由降低si〇2含量以及Al2〇3 與RE2O3比值以及藉由改變耶必特性而提高,其中貺為稀土 族金屬。例如,以Y2O3替代La£>3將提高應變點以及降低熱膨 脹係數。熟知此技術者能夠添加少量(例如高達數個百分比) 鹼金屬或驗土金屬離子至下列不含鹼土金屬及驗金屬組成份 以得到玻璃更適合使用於下列所說明黏接方法中。 表1 綱 Si〇2 Al2〇3 Α12〇6 CaC La20: ! Y2〇: )Ti〇2 P2O5 麵占 (°C) mm (°c: CTE(25-300 t:Xxl〇·7)」 1A 78 15.4 0 0 2.6 0 0 4 837 894 18 1B 79.62 7.47 0.12 12.8 0 0 0 0 783 835 33 1C 8123 8.34 0.12 9.82 0.20 0.29 0 0 __808 863 30 1D 82.92 9.26 0.12 6.71 0.41 0.58 0 0 826 883 27 1E 84.70 1022 0.13 3.44 0.62 0.90 0 0 840 900 19 1F 86.57 11.22 0.13 0 0.85 1.23 0 0 ---—-.—— 908 982 15 1G 86*24 11.18 0.13 0 0 2.45 0 0 914 994 16 1H 86.89 11.27 0.13 0 1.71 0 0 0 896 966 15 11 89.98 7.44 0.12 0 0.81 0 1.65 0 887 964 11 1J 89.70 7.41 0.12 0 0.71 0 2.06 0 890 965 9 1K 76 12.1 0.5 11.4 0 0 0 0 812 867 32 1L 75.75 13.2 0.5 8.55 1 1 0 0 804 858 32 1M 75.5 14.3 0.5 5.7 2 2 0 0 808 859 31 1N 75.25 15.4 0.5 2.85 3 3 0 0 819 867 30 10 75 16.5 0.5 0 4 4 0 0 831 876 32 1P 75 16.5 0.5 0 8 0 0 0 812 860 36 1Q 82 11.5 0.5 0 4 0 2 0 867 929 22 1R 82 11.5 0.5 0 3.5 0 2.5 0 876 943 22 1S 80 10.5 0.5 9 0 0 0 0 818 875 26 1T 80 12.5 0.5 4.5 1.25 1.25 0 0 820 870 28
第15 頁 1289904 1U 80 13.5 0.5 2.25 1.87 5 1.87 5 0 0 830 881 25 IV 80 14.5 0.5 0 2.5 2.5 0 0 854 905 26 1W 81 10.75 0.5 6.75 0.5 0.5 0 0 814 869 26 IX 82 11 0.5 4.5 1 1 0 0 820 876 24 1Y 83 11.25 0.5 2.25 1.5 1.5 0 0 843 901 22 IX 84 11.5 0.5 0 2 2 0 0 893 959 22 表2 範例 Si02 ai2o3 La2〇3 Y2O3 SrO Na20 Sn02 液稱泉溫 m°c) CTE(25-300oC) (xl0'7°C) 2A 82 12.6 4.9 0.5 0 0.5 0 1450 - 2B 80 14 3 3 0 0.5 0 1450 - 2C 80 14 2.75 2.75 1 0 0 1480 - 2D 80 14 3 3 0 0 0 1470 29 2E 84 11.2 4.3 0 0.5 0 0.5 1490 - 力吖一種迥甘便用作马本發明平導體在絕緣體上結構 第二層之玻璃為鋁鱗石夕酸鹽玻璃。簡單三相組成份(例如 為底下表3中範例3A-3C)傾向具有最低熱膨脹係數以及高 應變點。不過假如簡單三相組成份與半導體材料膨脹性間 不相匹配為太大(例如,太大其會導致應變半導體層破壞或 分層),有可能藉由添加一種或多種改良成份至簡單三相玻 ,而^供較面CTE玻璃。一般改良成份包含驗金屬及驗土 氧化物(例如為 NaA LiA BaO, CaO),以及 ZnO, Y2〇3,La2〇3, Ga2〇39 Ti〇2, Zra, Hf〇2, Ge〇25 Sn〇2, Nb2〇5 Ta2〇5 〇 例如BaO, Y2O3及L—為特別需要之改良劑,其導致CTE提高 =不會A大地減小玻璃應變點。改良玻璃之範例顯示於底下 ,3之範例3D—N。熟知此技術者能夠使用傳統溶融以及形成 程峨_ 土族金屬優統細,__玻璃以使 入厘^發明中,以及能夠添加少量(例如高達數個百分比)鹼 ifn土=至底下所列不含驗土金屬及驗金屬離子以 =2=合個於概日滕接方法。例如,類似上述所 於_ c之Pt關中,其使时石,礬土,銘偏璘酸鹽(或正 第16 頁 !2899〇4 碟酸鹽)混合物作為原料以及適當氧化物或碳酸鹽為改良劑。 坡壤通常在冷卻至室溫前在900°C下退火。稀土族金屬/鑭 I呂矽酸鹽玻璃更詳細地說明另一美國專利申請案中,該專利 名稱為High Strain Point Glasses,該專利之說明在此力口入 作為參考。
適合使用於本發明中玻璃陶瓷材料能夠使用一些組成 份系列,其包含尖晶石,冷-石英,以及万一鐘輝石為主之晶 相。適合使用於本發明之玻璃陶瓷可包含其他為主之晶相 例如為莫末石,堇青石,以及/5-鐘霞石。該組成份一些範例 顯示於表4,以及說明於美國第5968857及6248678號專利 ,該每一專利之說明在此加入作為參考。能夠使用具有低或 甚至於負值CTE(例如主要冷-鋰霞石或冷一石英,例如鋰鋁 矽酸鹽冷-石英玻璃陶瓷)以及適當應變點之其他玻璃材料 f料於本發明中。具有低膨脹性之玻璃陶瓷材料能夠使用 熟知此技術者熟知的方法製造出。雖然大部份玻璃陶瓷具 f、些鹼金屬或鹼土金屬離子,任何已知低膨服性不含驗金 屬或驗土金屬離子之玻璃陶瓷能夠利用少量鹼金屬或鹼土 第17頁 1289904 金屬離子加以改良使玻璃陶瓷材料更適合使用於所說明黏 接方法中。 糸脈份(wt%) 範例4 A 範例4B 範例4C 箪綱4D ί 範例4Ε Si02 71.6 68.8 68.8 68.8 70.7 AI2O3 12.7 19.2 19.2 19.2 22.1 ΖπΟ 4.4 1.0 1.0 1.0 0 MgO 2.1 1·8 1.8 1.8 0 BaO 1.2 0.8 ] 0.8 0.8 0 Li20 0 2.7 21 2.7 4.0 Na2〇 0 0 0 0 2.0 K20 0 0 0 0 1.2 Ti〇2 5.0 2·7 2.7 2.7 2.8 Zl〇2 3.0 1.8 1.8 1.8 1.6 熱戯 1000oC,2h 920oC,0.5h 1050°C,0.5h U〇〇°C,〇.5h 850oC,2h 晶相 雜日石 β-破+β-鋰 MB β-麵柘 β韻 CTE(25-300°C) (xlO_7/°C) 25 4.7 7.8 7.9 24 應_占(°Q 938 870 1001 1018 無鐘測 在已知使用溫度下第一層之張力應變強烈地決定於黏 接溫度與使用溫度間之溫度差值,以及相對熱膨脹係數為 第一層及第二層材料溫度之函數。在此所使用之黏接溫度 為第一層及第二層變為彼此黏接在一起處之界面溫度。黏 接溫度在1及1之間,以及可近似表示為1及了2平&良或 由熟知此技術者了解之熱模擬或量測測定出。為了使第一 層在使用溫度下為受應變狀態,第一層將必需進一步接觸 其由於由黏接溫度Tbond冷卻至使用溫度所致。因而,依據 本發明實施例,第一層及第二層材料之熱膨脹係mm 第18 頁 1289904
Tbond
CTEfirstlayerCO-CTEsecondlayerCOdT 為大於零。需要地,
Tbond J CTEfinst layerCO
-CTEsecondlayerCOdT 為大於 lxl〇—4。更需要地,j CTEfirstbyer(T)-
Tuse CTEseoond layerCO dT為大於2X10—4。在特別需要實施例中,
Tbond f CTEfirst |ayer(T) ·€ΠΈ5β〇οηοΙ_Γ(Τ)€ΐΤ 為大於 1χ1 〇-4。需要地,半導 TUse 5
體在絕緣體上結構在25-100°C使用溫度範圍内f CTEfi_er(T)_
Tuse CTEseoondlayeriOdT具有上述所說明之數值。例如依據本發明一 項實施例,半導體在絕緣體上結構在25。〇使用溫度下具有上 述婁丈值。依據本發明另一項實施例,半導體在絕緣體上結
Tbond
财100°C使用溫度下具有上述數值之]
Tuse CTEsecond ^,^Τ) dT 〇 如熟知此技術者了解,在玻璃或玻璃陶纽所黏附半 導,層間之黏接強度為半導體在絕緣體上結構之主 體ΐίίίίί耐^性為非常重要的以確保半導體在絕緣 第-層舆第二層間:黏接強度 ϊΐ 為 在本發明特別實施例_,第-声 能 ’、弟一層間之黏接強度需要至少為15 J/m2。黏接能量a 第19 頁 1289904 夠使用刻痕量測決定出,其能夠使用Nano Indenter II(MTS Systems Corporation,Eden Prairie,MN)裝置 Berkovich 鑽石刻痕器。如熟知此技術者了解,能夠使用其他儀器進 行刻痕量測。所進行刻痕含蓋一個範圍負載,以及圍繞著 刻痕之區域加以檢視以查看是否存在分層。依據D.B.
Marshall and A.G· Evans,丨丨Measurement of Adherence of Residually Stressed Films by Indentation. I.
Mechanics of Interface Delamination,,,J. Appl.
Phys,56[10] 2632-2638 (1984)文獻進行黏接能量計算, 該文獻相關部份在此力口入作為參考之用。黏接能量測定更 進一步說明可參考美國第10/779582號專利。 本發明另外一個實施例示意性斷面圖顯示於圖2中。 半導體在絕緣體上結構40包含第一層42及第二層44,其如 同上述對圖1實施例說明。第二層44具有第一表面46,以及 與弟一表面48分隔距離1>2,第一表面46實質平行於第二 表面,以及比第二表面48更接近第一層42。表面為,,實質平 行”係說明兩個表面間可能存在些微地相交角度(例如高達 數度)。”實質平行”亦包含一個或多個表面可能為不完全 平坦的。弟一層44亦包含參考表面50,其中第二層44實質 ^也平行於第一表面46,以及與第一表面46分隔IV2距離。 第二層44包含一種或多種陽離子,每一正離子在參考表面 50處具有參考濃度ci/Ref 〇第二層亦具有正離子耗盡區域 52,其啟始於弟一表面以及朝向麥考表面延伸,其中至少一 種正離子濃度相對於參考濃度Ci/Ref耗盡。耗盡離子可為 移動性正離子,例如鹼金屬離子或鹼土金屬離子。正離子 ^盡區域達成可採用下列所說明方法及美國第1〇/779582 號專利申請案所說明方法藉由在步驟(C)中正離子移動形 成。 / 依據本發明另外一項實施例,其示意性斷面顯示於圖3 第20 頁 1289904 中,半導體在絕緣體上結構60正離子耗盡區域52(其實質上 已對圖2加以說明)具有未端邊緣62。第二層44更進一步包 含堆積區域54靠近於末端邊緣62。在堆積區域54中,至少 一種正離子濃度為相對於該離子之Ci/Ref增加。增加之離 子例如為移動性離子例如為鹼金屬離子或鹼土金屬離子, 以及需要地與正離子耗盡區域52之耗盡離子相同。堆積區 域能夠以下列所說明及美國第10/779582號專利所說明方 法藉由在步驟(C)中引導正離子而形成。 本發明另外一項實施例示意性斷面顯示於圖4中。半 導體在絕緣體上結構80包含第一層82及第二層84。半導 體在絕緣體上結構80依序地包含半導體材料90;具有增加 氧含量之半導體材料92;具有至少一種正離子濃度減小之 玻璃或玻璃陶究94,具有至少一種正離子濃度增加之玻璃 或玻璃陶瓷96,以及玻璃或玻璃陶瓷98。該結構能夠使用 後面所說明方法及美國第10/799582號專利所說明方法製 造出。 在本發明特定需要之實施例中,第二層之玻璃或玻璃 陶究具有相當低濃度之驗金屬離子。需要地,玻璃或玻璃 陶瓷中以氧化物為基準之鐘,鈉及鉀總濃度為小於2%重量 比。更需要地,玻璃或玻璃陶瓷中以氧化物為基準之鋰,鈉 及鉀總浪度剔♦職量。在本發_別綠實施例中, 玻璃或玻璃陶究中以氧化物絲準之銀触鉀總濃度為 小於0.1%重量比。 說明於後面及美國第1〇/779582號專利之方法能夠使 、知此技術者製造出應變大尺寸之半導 、、、口構具有取大尺寸不小於1〇公分。 所半導體在絕緣體上結構能财質地製造出任何 而予又之層。例如第一層需要具有i微米之厚度。在 第21 頁 1289904 第一層厚度為lto及5〇-。第二層厚 =而要在0.5咖及1咖之間。對於一些半導體在絕緣體上 構之應用,絕緣層厚度為大於或等於j : 寄生電容_ 4JL f妨為需要的以避免 tiinf°過去,該厚度 二f據項實施例,絕緣層厚度大於1微 ?+巧在絕緣體上結構能_單地使用厚度不小於1 = HiL即地達成。第二度優絲限值為i 被米0 通常,第一層厚度相當厚足以支撐第一層通過本發明 处理步驟,以及後續在S〇i結構上進行處理過程。雖然,第 二_|度理論上並無上限值,超過支撐功能所需要^最 終SOI結構之厚度通常並非優先的,因為第二基祕度越厚 ,本發明方法步驟(C)過程中施力ϋ相同電壓差值在基板内電 場強度越低。 本發明半導體在絕緣體上結構能夠使用於許多形式半 導體為主裝置以及終端產品。例如依據本發明一項實施例 ,薄膜半導體包含圖案化元件,其包含如上述所說明半導體 在絕緣體上結構。依據本發明另一實施例,液晶顯示器包 含液晶材料以及圖案化元件包含如上述所說明半導體在絕 緣體上結構,其需要具有透明的第二層。依據本發明另外 一個實施例,0LED裝置包含發光有機材料以及圖案化元件 包含如上述所說明半導體在絕緣體上結構,其需要具有透 明的第二層。如說明於美國第1〇/779582號專利申請案,熟 知此技術者能夠使用傳統的方法製造這些裝置。 ’ 斷面示意圖顯示於圖5-8中之本發明另外一項實施例 係關於製造半導體在絕緣體上結構之方法,特別是8〇〇結構 。在方法步驟(Α)顯示於圖5,其顯示第一及第二基板(no, 120),其中: ’ 第22 頁 1289904 (1)第一基板110包含第一外部表面111以黏接至第二基 板(苐一黏接表面),第二外部表面112以施力π力量至第一基 板(第一施加力量表面),以及内部區域113以分離第一基板 為弟一部伤114以及弟二部份ιΐ5(内部區域113在此稱為” 分離區域’’,其能夠為氫離子植入區域),其中:(a)第一黏接 表面111,第一施加力量表面112,以及分離區域113實質地 彼此平行; '、 (b)第二部份115在分離區域ι13及第一黏接表面ln 間;以及 (c)第一基板11〇包含單晶體半導體材料;以及 (2^第二基板120包含兩個外部表面121,d —個表面黏 接士第一基板(第接表面)以及另外一個作為施加力量 至弟二基板(第二施力口力量表面),其中 (a)第二黏接表面丨21及第二施加力量表面122實質上彼 此平行以及彼此分離距離D2;以及 、、 (b),二基板12〇由玻璃或玻璃陶瓷所構成。 顯示於圖6中方法之步驟⑻中,第一及第接表面 111哲121接觸在-起(一旦接觸,第—及第二之黏接表面形 成弟一及第二基板間之界面)。 ^示於圖7中方法之步驟(〇中,第—及第;接紐 ,弟一及第二Ιέ接表面處(即在界面處)彼此黏接接 起歷時一段充份時間,同時地進行下列步驟: 緊第楚-力里至第一及第二施加力量表面112, 122以 緊£弟=反苐二黏接表面111,112在一起; -對及第二絲削,120施加電場,其在第-及第 7、^主里ί面112,122處分別為第一及第二電壓%及V2 -為均勾的,Vl高於V2,使得電場方向為第’ 基板1|0朝向弟二基板12〇;以及 ⑶對第-及第二級11〇, 12〇加熱,在第_及第二施加 第23 頁 1289904 里,面ll2,122處分別為第一及第二溫度TH,在這些 士面5温度為均勻的,溫度選擇將使得祕冷卻至室溫,第 二及=二基板110,丨2◦產生不同的收縮因而使分離區域11S 處之第一基板110變為脆弱。 在圖8所不方法之步驟⑼中,黏接第一及第二紐11〇 ,冷卻至-般溫度(例如為室溫之—般溫度以及第一 部ϋ4,115在分離區域113a-b*分離,111而形成半 =在巧緣體上結構140具有第一層142(來自於第一基板 110)及第二層144(來自於第二基板12〇)。 玻,或玻璃陶瓷之CTE及半導體材料之CTE在使用溫度 下為承X張力應魏態。例如,半導體材料在饥,1〇『c, 或在25.°C溫度範圍内需_承受張力應變。第一及第 二細才料(CTE及其他)特性需要如同上述對半導體在絕 緣體上結構所酬情況。例如在本發贿需要實施例中,玻 ,或玻璃陶瓷CTE(25-300。〇為小於半導體材料之CTE(25 C)。在本發明其他所需要實施例中,帛一層及第二層材料之 CTE將使知在使用溫度下例如耽,1〇(rc,或25一1〇〇。匸溫度
Abond 範圍内 Tj CTEfirstlayerfO - CTEsec_ayer代)dT 為大於零 依#本發Μ-ί胃實施例,_贼玻^躺雜要具有一 種或兩種下列特性: (I) 玻璃或玻璃陶瓷應變點為小於1〇〇(rc以及包含正 離子(例如為驗金屬或驗土金屬離子),其在步驟(〇過程中 在第二龜120内移動,其移動方向為離開第1接表面 121以及朝向第二施加力量表面122;及/或 (II) 玻璃或玻璃陶莞包含(a)非橋接性氧以及⑹正離 子(例如鹼金屬或驗土金屬),其在步驟(。過程中在第二美 板120内移動,其鷄方向為離開第二黏接表面121以了草月 第24 頁 1289904 向第二施力u力量表面122。 如熟知此技術者了解,玻璃中或玻璃陶瓷之玻璃相中 ,橋接性氧係藉由玻璃非形成網狀結構成份提供於玻璃之 ,。例如,在許多玻璃中,非橋接氧包含經由加入驗土金屬 氧化物(例如MgO, CaO, SrO,及/或BaO)於玻璃組成份中之玻 璃部份的氧原子。 雖然本發明並不預期受到任何特別操作理論之限制, 人們相信電解形式反應作用在步驟⑹過程中發生。特別 地,人們相信半導體基板(第一基板)作為電解形式反應之 正極以,反應作用之氧產生於第一及第二基板間之界面區 ,。芑氧相信將與半導體材料(例如石夕)反應以在原處形成 氧化半導體之混合區域(例如矽為主半導體石夕氧化物區域) 。該混合區域啟始於界面處以及延伸進入第一基質。在第 二基板之玻璃或玻璃陶瓷中非橋接氧之存在相信對產生氧 拌演重要角色,該氧與第一基板半導體材料反應。 人們相信該反絲之產姐域料體材料結合為強 烈鍵結之來源,其形成於本發明第一基板半導體材料與第 二祕玻璃或玻璃陶瓷之間,即在第一及第二基板間至少 部份(以产可能全部 > 為經過半導體材料與源自於第二基板 反,性^反應。顯挑雜絲觀織繼結並不需 要高溫處理即在高於1〇〇〇。匚溫度下處理達成。 ^避,高溫處理之特性能夠使第二基板為能夠以鋪 k即藉由消除南溫處理過程,本發明消除由 夕,石英,鑽石,藍寶石細構成支標 〜,別地,達成強_接而並不需要高溫處理之能力 第二施能由玻璃或玻璃陶兗所構成,在一項 璃或玻璃随呈現出應變點小於1Wc。更特 顯不器應用,玻璃或玻璃喊應變點通常為小於麵^ 第25 頁 1289904 及在其他實施例為小於700°C。對於電子及其他應用,應變 點優先地小於1000°C。如玻璃製造業界所熟知,與具’有^ 高應變點之玻璃或玻璃陶瓷作比較,具有較低應變點之玻 璃或玻璃陶瓷較為容易製造。 為了使黏接變為容易,玻璃或玻璃陶瓷應該至少某種 程度為可導電。玻璃或玻璃陶瓷導電性決定於其溫度以及 因而在半導體材料與玻璃或玻璃陶瓷之間達成強固5結 在下列因素之間為平衡的:1)玻璃或玻璃陶瓷導電性,2)步 驟(C)所使用之溫度α及τ2),3)在步驟(c)中施加於第一Γ 及第一基板電場之強度,以及4)步驟(C)進行之時間。 作為一般準則,玻璃或玻璃陶瓷在250°C下電阻ρ優先 地為小於或等於1〇16Ω-cm(即在25(TC下導電性為大於^ 等於l(T16Siemens/cm)。更優先地,在250°C下電阻p為小 於或專於10 Ω-αη,以及最優先地為小於或等於ι〇η·5^ ^人們了解雖然石英在250°C下具有所需要之電阻值 1011¾-cm,其在步驟(〇中缺乏能夠移動之正離子,以及 其因而導致石英並不適合使用於依據上述步驟製造 在絕緣體上結構之第二基板。 -cm 作為特定第一基板/第二基板組合,第一基板110黏接 表面^11預先處理以減少氫濃度已發現有益於達成第一基 ,之第二部份115黏接至第二紐12〇。制地,當由植^ 氫離晶轉移梦賊至含有鹼土金屬離子之玻璃基 板時,該氫濃^降低發現為特別地重要的。人們相信氫濃土 度降低對具有高應變點例如在850°C至90(TC範圍内之玻璃 有颇,其纖對無線即_及其他電子應 且們發現在氨離子植入後,植入石夕晶片之表面 現祕额軒。終麟Si絲之氫發 要々糟由使用緩和氧化處理以得到有效Si層轉移至 第26 頁 1289904 種類玻璃晶片上而減少植入&晶片表面上之氫濃度。 氣濃度減少將導致使植入石夕晶片更為親水性以及能夠使施 加電壓及加熱過程中發生黏接。在處理過程中形成強固黏 接能夠使Si薄膜均勻地由母晶片分離。 疋里地,已發現不利用氫濃度減少之處理過程只有大 約10%玻璃晶片覆蓋Si薄膜以及甚至於在覆蓋表面中Si薄 膜傾向為非均勻的。不過,當在Si表面上氳濃度藉由氧化 處理減少時,均勻的Si薄膜變為黏附至玻璃晶片整個表面 上。 能夠使用各種方法以減少植入晶片表面上氫濃度。優 先的方法包含表面之中等氧化處理例如利用氧電漿處理晶 片^利用過氧化氫,過氧化氫及氨,過氧化氫及氨接著過氧 化氫及酸,或這些處理過程之組合。利用氧電漿處理為優 先的方法,特別是在商業裝置中。雖然並不預期受到任何 特定操作理論之限制,人們相信在這些處理過程中,終端表 面氫基氧化為氫氧基,其因而使石夕晶片表面為親水性。氧 電漿優先地在室溫下進行以及氨+過氧化物或氨+過氧化物 接著以酸+過氧化物處理在25-l〇〇°c進行處理。 雖然先剷說明係關於石夕晶片,人們了解氫濃度減少將 有盈於異於石夕半導體材料所構成之氫植入半導體晶片。 參考圖6,該圖顯示出本發明處理過程之步驟⑻,其第 一及第二基板110及120促使接觸於黏接表面m及121處。 在t發明優先實施例中,第一及第二相對兩端及中間區域 及弟一基板在步驟⑻之前力口熱,例如加熱至施力动量之表 面112及122分別為Τι及T2。在該情況下,在步驟(C)黏接處 理過程中第一及第二基板間應避免不同的膨脹。可加以變 化,第一及第二基板在步驟⑻之前並不預先加熱,但是進 行加熱於表面111及121接觸後以及在步驟(〇開始前及/或 發生黏附前步驟(C)初始部份過程中。當進行預先力^熱,黏 第27 頁 1289904 旦第-及第二秘達到所需要 。你ΐίΐ地顯示於® 7中處理槽140能夠具有不同的構造 所2„ 由suss MICR0TEC of Munich,G_y 備能夠使用作為處理槽。能夠使用相同的設 =乍為商業顧,細麟同時地處理乡轉—絲二 n纟且件之設備通常為優先的。 ,於^明使用低至中等溫度,壓力,電場強度,以及 滿意、處理槽之規定並不被要求,其為本發明 利用的免點,即本發日月能夠利用相當便宜及廣泛可 利用或客戶應用容易製造之設備實施。 圖3示出處理過程之中間参驟,即步驟(c),其中第一 佶C此黏接在—起。步驟(c)進行-段時間足以 ^弟-及弟一勤反彼此黏接在—起於第一及第4接表面 二ΐίϊϊϊ)能夠進行歷時45至90分鐘之間。較短時 (例如時間小於30分鐘)以及在商業化 進仃步驟(〇所需要_能誠少為5-15分鐘 材料’處理溫度及施加電壓最佳化情況。 ㈣Γ/ϋϊ姑巾等真空情況下進行,即槽40在進行 v,(C)日伽乂真空抽除。優紐射壓力為小於或等於 以及最優先地小於或等於1〇-3毫巴。可加以變化 v驟(C)能夠在惰性氣體中例如氬氣,統等進行。, 夠立且特,第一及第二級,熟知此技術者能 Ϊ痒地由本毛明揭示出内容決定出步驟(〇之適當時間, 、:ifi電f組合。特贱熟知此技術者能夠選擇這些 ^ 、、且5 w、旎夠在半導體及玻璃或玻璃陶瓷間產生黏接 半導體在絕緣體上結構非常強 i触及/級麟酬祕之錄力量及外界 第28 頁 1289904 電壓心及V2需要滿足下列關係:i〇〇v/cm$(Vl-V2)/D 測kV/cm,其中D為第一及第二紐之厚度。 除了上述黏接角色,在步驟(〇施加之電場亦移動正離 f (陽離子)於第二基板内,其方向為由第二基板黏接表面( 第Ιέ接表面)朝向其施力α力量表面(第二施力动量表面) 口亥移動4先地形成正離子耗盡區域123,其啟始於第一及 第二1灰間之界面以及延伸進入第二基板,即正離子耗盡 區域啟始於第二黏接表面以及延伸進入第二基板持續至第 二施加力量表面。
、,玻璃或玻璃陶瓷含有鹼金屬離子例如為Li+,Na+,及 /或K+a夺,該正離子耗盡區域形成為特別需要的,因為該離 半導雜置讀作。驗土金麟子例如為 Mg,Ca,Sr,及/或此2+亦會干擾半導體裝置之操作以 $因而正離子耗盡區域亦優先地具有這些離子域少濃度 糸人們發現—旦形成之正離子耗域長時間 =於ίΐ於半導體在絕緣體上結構加熱至較高溫度 3成ϊΐίί地高於步驟(c)所使用之溫度。在高溫 域在半導體在絕緣體上結構正常操 ?=ΐ處理過程中驗金屬驗 i=;擴散回到半導體在絕緣體上結構之 =用選擇操作參數以達成強固黏接 if i區域為所需要寬度及所需要減少正成= 此技術者糊:發明 當存在時,正離 上出僉其中正離子為所有所關切的正離子 即地決 子織__她方崎如輸在絕緣體上 頁 第29 1289904 結構之主要特性。 耗施加輯瓣跑包含於玻 於或接近離第一及第二顧 =遠田 ^邊緣)°在堆積區域内,正離子濃度高 ΪΧ'ίΐΐ i,細軒百分比制時,在堆積區域 趨_獻社體敍5倍。類似正離 該堆積區域存在時為本發明方法所製造半導 體在絕緣體上結構之主要特徵。 , 在步驟(c)過程第一及第二勒反之溫度,即選擇 數值以達成在分離區域處使半導體基板(第一基板)弱化( 例如破裂)重要的功能,第二部份被黏接至第二絲。 二雖然並不預期受到任何特定操作理論之限制,人們相 信由於黏附之第-及第二絲在步驟(c)後冷卻至室溫,半 導體絲弱化主要發生於分雜麟。藉選擇71及 Τ2(參閱底下),該冷卻將導料—及帛三勒砰同地收縮 ^亥不同$縮將施加應力於第一基板,其將顯示為在分離 區域處之第一勤反發生弱化/破裂。如上述所說明,不同收 縮將使得第一基板收縮超過第二基板。 在步驟(C)過程中ΊΊΤ2數值將決定於第一及第二基 板之相對熱膨脹係氣選擇這些數值之目標在於確保基板, 優先地第一基板,收縮較大程度而大於另外一個基板(優先 地為弟二基板)以施力口壓力以及因而在冷卻過程中使分離 區域變為脆弱。作為本發明任何特定應用(例如任何特定 半導體材料及任何特定玻璃或玻璃陶瓷),熟知此技術者能 夠依據本發明所揭示内容立即地選取出1及丁2數值,其產 生不同的收縮足以使分離區域變為脆弱,使得第一基板之 第一及第二部份能夠彼此加以分離以製造出所需要之S01 結構。在本發明所需要實施例中,玻璃或玻璃陶瓷Ti,τ2以 第30 頁 1289904 及應變點Ts滿足下列關係·· HOt^TigTVK^Ot:;以及
Ts-350°C^T2^Ts+350°C ° 需要地,Tl及T2在30(TC及1000°C之間。在本發明特定實施 例中,Tl及T2均在300°C及800°C之間。 、 々如底下對圖8更進一步詳細說明中,在分離區域處第一 及第二部份之分離導致每一部份在發生分離處具有剝離表 面。如先前技術所知,由於初始形成即在任何後續表面處 理之前,該分離表面特徵在於表面粗糙度通常至少為〇· 5咖 KMS,例如為1—1〇〇隨,以及決定於處理過程條件,其通常具 有巧用來形成分離區域植入離子例如氫之濃度,高於存在、 於第一及第二部份物體中之濃度。由於初始形成,剝離表 面主要特徵在於扭曲結晶結構,如TEM所看到。在一般應用 中,剝離表面在使用前加以拋光使得其_表面粗糙度減少 至lnm或更小例如至rms表面粗糙度約為〇· 1咖以作為電子 應用。在此所說明所謂”剝離表面”包含最初形成表面及在 任何後續處理後之表面。 分離區域113使用熟知此技術者熟知之植入/剝離或未 來可發展出之技術形成。目前,分離區域優先地使用上述 所說明氫離子植入技術形成。亦能夠使用其他目前已知之 技術以形成分離區域例如共同植入氫與氦或氫與领離子。 所選擇技術將在步驟(D)過程中使第一基板在分離區域處 分離為第一及第二部份。因而,分離區域需要藉由對熱處 理/冷卻處理過程變為脆弱而產生反應,使得第一基板能夠 分離為第一及第二部份。 在步驟(C)過程中施加於第一及第二基板之壓力確保 §經歷熱處理以及施加電場步驟時這些基板緊密地接角萄。 在該情況下,能夠在;&板間達成強固的黏接。 通常,半導體基板(第一勤反)能夠承受較高壓力大於 1289904 玻璃或玻璃陶瓷(第二基板)情況。因而,選擇壓力以提供 基板間緊密接觸而不會使第二基板受損。 能,使用廣泛範圍壓力。例如分別施加於第一及第二 基板之第一以及第二施加力量表面的壓力分別滿足下列關 係·· Ipsi $PSl〇〇psi ;以及最優先地為· ipsi $p^5〇psi。 再次地,任何本發明特定應用所使用特別壓力值能夠 被熟知此技術者由本發明内容立即地決定出。 本發明能夠使用單-第一絲及單一第二基板達成。 可力α以麦化,能夠使用本發明方法以形成超過一個观結 於皁一第二基板上。 例^能夠使用步驟w至⑼以形成第—S0I結構,其 ^未覆蓋第二基板整個面積。因而,能夠重複步驟⑷至、 之广sou,其覆蓋全部第一S01結構所未覆蓋 不^二°第二S01結構可與第—soi結_同或 造第—501結構中所使用第 同的 賴或糊細反上形 發明t _性的絲—適合於本 間之間隙填份相鄰結構 ;體層於所需要尺寸之;==多種連續性半 摩巳例: 第32 頁 1289904 本發明更進一步由下列非限制性範例加以說明。 範例:
表3玻璃3N之lOOmm直徑,lmm厚度晶片加以精細研磨以 及拋光,該玻璃含有氧化物為計算基準之1%莫耳比Naz〇摻 雜劑。厚度為525微米之石夕晶片在l〇〇keV下植入氫,利用清 潔劑及蒸镏水在8x1016離子/cm2離子量劑下進行清洗,再β 利用10%硝酸清洗,以及在SUSS MICR0TEC^接器中與玻璃 晶片接觸。玻璃晶片在450°C下以及石夕晶片在400°c真空中 加熱,以及施加l〇psi壓力以及1750伏特電壓差(玻璃為接 地,矽晶片為1750V)歷時5分鐘。在相同的電壓差及壓力下 ,玻璃晶片在575°C加熱以及石夕晶片在525°C下加熱歷時10 分^童,而後移除電壓差以及壓力,以及讓黏附之晶片'冷卻。 冷卻晶片分離為具有矽薄膜之石夕在玻璃上晶片,以及石夕晶 片。在玻^离上石夕層具有薄的受損頂層,以及未受損單晶體 石夕底層。薄的受損層能夠加以拋光或姓刻掉以得到 矽在玻璃上之晶片。 熟知此技術者了解本發明能夠作各種變化及改變而並 =會脫f本發明之精神及範圍。因而本發明各種變化及改 變均含蓋於下列申請專利範圍及同等物範圍内。 【圖式簡單說明】 結構發明-項實施例之轉體在絕緣體上 域4===::正離子耗盡區 導體例具有堆積區域之半 上結明另-項實施例之半導體在絕緣體 第五圖至第八圖為依據本發明另一項實施例製造半導 第33 頁 1289904 體在絕緣體上結構方法各步驟之示意性斷面圖。 附圖元件數字符號說明:, 半導體在絕緣體上結構20;第一層22;第二層24;半 導體在絕緣體上結構40;第一層42;第二層44;第一表面 46;第二表面48;參考表面50;正離子耗盡區域52;堆積 區域54;未端邊緣62;半導體在絕緣體上結構80;第一層 82;第二層84;半導體材料90;增加氧含量之半導體材料 92;正離子濃度減小之玻璃或玻璃陶瓷94;種正離子濃度 增加之玻璃或玻璃陶瓷96;玻璃或玻璃陶瓷98;第一基板 110;第一外部表面111;第二外部表面112;内部區域113 ,:113a,113b;第一部份114;第二部份115;第二基板120; 外部表面121,122;半導體在絕緣體上結構140;第一層 142;第二層 144〇 第34 頁
Claims (1)
1289904 十、申請專利範圍: 1. 一種半導體在絕緣體上結構,其包含第— 接地或經由-層或多層中間層彼此連接,其中第由單 晶體半導體材料所構成;第二層由__ ^ ===璃喊之_5-_為小於半 2·依據中請專利範1項之半導體在絕緣體上結構 3. 依據申請專利範圍第1項之半導體在絕緣體上結 玻璃或玻璃陶瓷之CTE(25-30(TC)為小於半導體材料之、〒 CTE(25°C) 5χ1(Γ7/°(:。 4. 依據申請專利範圍第!項之半導體在絕緣體上 玻璃或玻翻絲坑下為張力應聽態。 ’ /、Τ 5二依據申請專利細第!項之半導體在絕緣體上結構, 有主體移動性,為未應變狀態半導體材料主體矛多動 6. 依據申請專利範圍第!項之半導體在絕緣體上結構 玻璃或玻璃陶瓷具有應變點為等於或大於1〇5〇<t。…、τ 7. 依據申請專利範圍第i項之半導體在絕緣體上結構, 半導體材料為矽為主之半導體材料。 ’ ^ 8·依據申請專利細第j項之半導體在絕緣體上結構 玻璃或玻璃陶莞之CTE(25—3〇〇。〇為小於22xl〇Vc。"、 9·依據中請專利細第"頁之半導體在絕緣體上結構, _或玻_£之 CTE(25-_°C)為小於 2Gxl(T7/°c。、 10·依據申請專利範圍第i項之半導體在絕緣體上結構, cTE(25V)n^m^^m^ cte(25-3〇〇〇c ) 間的差值為小於3〇χ〗〇-7/°g β 11·依據申請專利範圍第i項之半導體在絕緣體上結構,其中 第35 頁 1289904 玻璃或玻璃陶兗由銘石夕酸鹽玻璃,娜夕酸鹽玻璃,銘娜 鹽玻璃,以及稀土族金屬鋁矽酸鹽玻璃選取出。 12·依據申請專利細第1項之半導體在絕緣體上結 玻璃或玻璃陶瓷為鋁石粦石夕酸鹽玻璃。 、口 ’ -、甲 13.依據申請專利細第7項之半導體在絕緣體上結構 玻璃或玻璃陶瓷包含鹼金屬離子或鹼土金屬離子。,^ 14·依據申請專利範圍第1項之半導體在絕緣體上 中玻璃或玻璃暇為具找拉^石英,初^^二 晶相。 15·依據申請專利細第1項之半導體在絕緣體上結 中第-層在溫度下黏接至第二層,以及其中 絕緣體上結構具有使用溫度U以及其中 ▼ Tbond f CTEfirsnayeriT) _ CTEse〇〇_yer(T) dT 為大於零。 丄use 16.依據申請專利細第丨項之半導體在絕緣體上 中第-層在溫度Ttaxi下黏接至第二層,以及其中半 ’、 絕緣體上結構具有使用溫度TtBe,以及其中 Ibond JcCTEwayepCO-CTEsea^ayemdT 為大於零。 U.fTi專利細第1項之半導體在絕緣體上結椽其 中第-層/、第―層間之黏接強度至少為。 H申請專利細第1項之半導體在絕緣體上結橇其 具有分離距離為仏之第一及第二平行的表面,第一表 面比弟一表面更靠近於第一層; 本ΐ!!2ί有茶考表面,該參考表面在第二層内,2)與第-又·平行,及3)與第一表面分隔距離為IV2; (in)包含-種或多種正離子,每—種正離子在參考表面 第36 頁 1289904 處具有參考濃度Ci/Ref ;以及 (iv) 具有一區域(正離子耗盡區域),其啟始於第一表面 處以及延伸朝向參考表面,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。 19·依據申請專利範圍第18項之半導體在絕緣體上結構,其 中啟始於第一表面及延伸朝向參考表面之區域具有遠端邊 緣,以及其中第二層更進一步具有 (v) —區域(堆積區域)於遠端邊緣附近,其中至少一種正 離子濃度相對於該離子之Ci/fef為增加的。
20·依據申請專利範圍第18項之半導體在絕緣體上結構,其 中玻璃或玻璃陶瓷包含一種或多種正離子,以及正離子耗 盡區域為耗盡一種或多種鹼金屬離子以及鹼土金屬離子。 21·依據肀請專利範圍第1項之半導體在絕緣體上結構,其 中玻璃或玻璃陶兗包含一種或多種正離子,以氧化物為’基、 準在玻璃或玻璃喊中鐘肩及鉀離子總和為小於2%重^ 22·依據申請專利範圍第}項之半導體在絕緣體上結复 中第一層最大尺寸為大於1〇公分。 ,/、 依據申請專利範圍第!項之半導體在絕緣體上 中至少部份結構依序地包含·· 布^ 半導體材料; 具有增加氧含量之半導體材料; 料至少—種正軒域少轉子濃度之玻顧玻璃陶瓷材 料^'種正離子為增加正離子濃度之玻璃或玻璃陶瓷材 玻璃或玻璃陶瓷。
H申Λ專利細第1項之半導體在絕緣體上結^ 中第一層厚度並不大於10微米。 再 第37 頁 1289904 25· —種液晶顯示裔,該液晶顯示器由圖案化顯示器元件所 構成,該元件包含申請專利範圍第1項之半導體在絕緣體 上結構。 26· -,薄膜電晶體,該薄膜電晶體由圖案化顯示器元件所 構成,該元件包含申請專利範圍第1項之半導體在絕緣體 上結構。 27· —種半導體在絕緣體上結構,該結構包含第一及第二 層彼此直接地或經由一層或多層中間層連結,其中第一層 辟-g齡導断料所構成;帛二層自麟或玻璃陶兗 φ 所構成;其中半導體在絕緣體上結構具有使用溫度 Τ 丄 bond 以及其中 f CTEfirsUayerdl· CTEseo^y^ dT 為大於零。 丄use 28·依據申請專利細第27項之半導體在絕緣體上結構,其 Tbond 、 中了 CTEfinstiayer(T)-CTEsec〇ndiayer(T)dT 為大;^ ΙχΙΟ"4。 Tuse ' 29·依據申請專利細第27項之半導體在絕緣體上結構,其 Tbond 中 CTEfirstiayerfO - CTEsec〇ndlayer(T) dT 為大於^零。 30·依據申請專利範圍第27項之半導體在絕緣體上結構,其 Tbond 中 / CTEfirstlayer(T)-CTEsecondlayer(T)dT 為大於 1χ1〇_4。 25 C 31· —種製造半導體在絕緣體上結構之方法,其包含· (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以黏接至第二基板(第 一黏接表面),第二外部表面以施加力量至第一基板(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 第38 頁 1289904 及第—部份(分離區域),其中: 彼此^接表面,第-施加力量表面,以及分離區域 (_二部份在分_顧帛—雜絲之間;以及 =)第-紐由單-晶體半導體材料所構成;及 $笙-外側表面之第二龜,—個表面作為黏附 旦$ 板(第二黏接表面)以及另外一個表面作為施加力 里至弟二基板(第二施力口力量表面),其中:
y (a)第二^接表面及第二施加力量表面為彼此相互平 行的以及彼此分離距離為仏;以及 〇3)第二基板,該基板由玻璃或玻璃陶瓷所構 (B) 使第一及第二黏接表面接觸; (C) 在第一及第工^接表面處第一及第二勤反彼此黏接 一段時間足以同時地: 々(1)施加力量至第一及第二施加力量表面以緊壓第一及 苐二黏接表面在一起; 斤(2)對第一及第二基板施力口電場,其主要特徵為在第一 及第二施加表面處分別為第一及第二電壓%及V2,該電壓 在這些表面處電壓為均勻的,其中Vl高於%使得電場方向 為第一基板至第二基板;以及 (3)對弟一及弟二基板力口熱,該加熱主要特徵為在第_ 及第二施加力量表面處分別為第一及第二溫度Τι及τ2,在 這些表面處溫度為均勻的以及所選擇溫度使得由於冷卻至 一般溫度時第一及第二基板產生不同的收縮因而使分離區 域處之第一基板變弱;以及 (D)冷卻第一及第二基板以及使第一及第二部份在分離 區域處分離, 其中'I及半導體材料之熱膨脹係數以及玻璃或玻璃陶 瓷材料之熱膨脹係數選擇將使得半導體材料在25。(:下為承 第39 頁 1289904 受張力。 31項之方法,其中玻璃或玻璃陶 i=S— Tbond j CTE㈣一仍一 σΓΕ^^—τ為大於零。 申^職第31項之方法,其中玻璃或玻璃陶 2 3正離+,其在麵(〇触巾移祕帛^^内,其 向由為=開第斗接表面及朝向第二施加力量表面。 =二λ利範圍第31項之方法,其中玻璃或玻璃陶 免包έ非橋接性氧,其在步驟(c)過程中移動於第二施内 ,其移動方向為離開第坤接表面及朝向第二施加力量表 面。 36·依據申專利細第31項之綠,財在步驟(〇過程 中第一,第一基板至少部份經由第一基板之半導體材料與 來自於第二基板之氧原子反應作用而彼此黏接在一起。 37·依據申請專利細第31項之方法,其中分離區域由氣離 子植入形成0 38·依據申請專利範圍第31項之方法,其中%及仏滿足下列 關係·· 100V/cmS(Vi-V2)/DS40kV/cin,其中 J)為第一及第一夷 板之厚度。 一土 39·依據申請專利範圍第31項之方法,其中Tl, I以及應變點 Ts滿足下列關係: " Ts -350°C STSTVK^iTC;以及 Ts-350°CST2^Ts+350°C。 40·依據申請專利範圍第31項之方法,其中 300°CSTiS1000°C;以及 300〇C$T2S1000〇C。 第40 頁
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