專利名稱：使用輻照退火制造的絕緣體上半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用包括輻照退火尤其是激光退火用于對(duì)半導(dǎo)體層整飾的 改進(jìn)工藝制造絕緣體上半導(dǎo)體(SOI)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)、方法和產(chǎn)品。
背景技術(shù)：
迄今為止，在絕緣體上半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中最普遍使用的半導(dǎo)體材料是硅。
這種結(jié)構(gòu)在文獻(xiàn)中被稱為絕緣體上的硅結(jié)構(gòu)，并將縮寫"sor用于這種結(jié) 構(gòu)。對(duì)于高性能薄膜晶體管、太陽(yáng)能電池、圖像傳感器、及諸如有源矩陣 顯示器之類的顯示器，soi技術(shù)正變得日益重要。soi結(jié)構(gòu)可包括在絕緣材
料上的基本為單晶硅的薄層，其厚度一般為0.05-0.3微米(50 - 300nm)， 但在一些情況下有20微米(20000 nm)厚的薄層。
為便于介紹，以下的討論有時(shí)按照SOI結(jié)構(gòu)的術(shù)語(yǔ)進(jìn)行。參考這種特 定類型的SOI結(jié)構(gòu)是以便于對(duì)本發(fā)明解釋，而不打算且不應(yīng)被解釋為以任 何方式限制本發(fā)明的范圍。本文使用的縮寫SOI泛指絕緣體上的半導(dǎo)體結(jié) 構(gòu)，包括但不限于絕緣體上的硅結(jié)構(gòu)。類似地，縮寫SiOG—般指玻璃上 是半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括但不限于玻璃上的硅結(jié)構(gòu)。術(shù)語(yǔ)SiOG還旨在包括玻璃 -陶瓷上的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括但不限于玻璃-陶瓷上的硅結(jié)構(gòu)?？s寫SOI包括 SiOG結(jié)構(gòu)。
獲得SOI結(jié)構(gòu)晶片的各種方式包括(1)在晶格匹配的襯底上外延生長(zhǎng) 硅(Si) ; (2)將單晶硅晶片與另一個(gè)其上已生長(zhǎng)Si02氧化物層的硅晶片 接合，然后對(duì)頂部的晶片向下拋光或刻蝕至例如0.05至0.3微米(50 - 300 nm)的單晶硅層；以及(3)離子注入方法，該方法中，注入氫離子或氧離 子，在注入氧離子的情況形成嵌埋在硅晶片中的氧化物層，其上覆蓋硅， 或在注入氫離子的情況從一個(gè)硅晶片分離(脫落)出與具有氧化物層的另 一個(gè)Si晶片接合的薄硅層。前兩種方法即外延生長(zhǎng)和晶片-晶片接合在成本和/或接合強(qiáng)度和耐久 度方面沒有得到令人滿意的結(jié)構(gòu)。涉及離子注入的后一種方法已經(jīng)引起了 一些注意，特別是氫離子注入已被認(rèn)為更有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗璧淖⑷肽芰?通常比氧離子注入所需的能量低50%，并且所需的劑量減小兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
美國(guó)專利第5,374，564號(hào)公開了一種使用熱工藝在襯底上獲得單晶硅 薄膜的工藝。對(duì)具有平坦表面的硅晶片進(jìn)行以下步驟(i)通過離子裝
置轟擊硅晶片表面注入離子，形成氣態(tài)微氣泡層，限定硅晶片下部區(qū)域和
構(gòu)成薄硅膜的上部區(qū)域；(ii)使硅晶片的平坦表面與硬質(zhì)材料層(諸如絕 緣氧化物材料)接觸；以及(iii)在高于進(jìn)行離子轟擊的溫度下對(duì)硅晶片 和絕緣材料的組件進(jìn)行熱處理的第三階段。第三階段采用足以將硅薄膜和 絕緣材料接合到一起的溫度，以在微氣泡中產(chǎn)生壓力效果，并引起硅薄膜 和硅晶片的剩余物質(zhì)之間分離。因?yàn)楦邷夭襟E，這種工藝不適合于低成本 玻璃或玻璃-陶瓷襯底。
美國(guó)專利申請(qǐng)公報(bào)第2004/0229444好公開了一種制造SiOG結(jié)構(gòu)的方
法。該方法包括以下步驟(i)使硅晶片表面接觸氫離子注入以產(chǎn)生接合 表面；(ii)使晶片的接合表面與玻璃襯底接觸；(iii)對(duì)晶片和玻璃襯底 施加壓力、溫度及電壓以促進(jìn)它們之間的接合；以及(iv)冷卻該結(jié)構(gòu)以促 使玻璃襯底和硅薄層與硅晶片分離。
剛脫落之后所得的SOI結(jié)構(gòu)可能呈現(xiàn)出過大的表面粗糙度(例如，約 10nm或更大)、過大的硅層厚度(即使該層被認(rèn)為"薄"時(shí))、多余的氫離 子、以及對(duì)硅晶體層的注入損害(例如，由于形成非晶化的硅層)。因?yàn)?SiOG材料的主要優(yōu)點(diǎn)之一在于膜的單晶本質(zhì)，所以必須恢復(fù)或去除這種晶 格損害。其次，在接合工藝期間沒有完全去除來自注入物的氫離子，而且
因?yàn)闅湓邮请娀钚缘?，所以必須將它們從膜排除以確保器件穩(wěn)定工作。 最后，硅層的裂開作用產(chǎn)生粗糙的表面，已知這會(huì)使晶體管的運(yùn)行劣化， 所以應(yīng)在器件制造之前將其表面粗糙度減小至優(yōu)選小于1 nmRA。
這些問題可以分別處理。例如，首先可將厚硅膜(500 nm)轉(zhuǎn)移到玻 璃上。然后通過拋光去除上部420 nm的部分，以恢復(fù)表面光潔度(fmish) 并消除硅上的受損區(qū)。然后將剩余硅膜在爐子中在60(TC下退火最多8小一些人已建議在將硅薄膜從硅材料晶片剝離之后使用化學(xué)機(jī)械拋光
(CMP)來進(jìn)一步處理SOI結(jié)構(gòu)。然而，不利地是，在拋光過程中CMP
工藝不能在硅薄膜表面上均勻地去除材料。對(duì)于半導(dǎo)體薄膜常規(guī)的表面不
均勻度(標(biāo)準(zhǔn)偏差/平均去除厚度)在3-5%范圍之內(nèi)。當(dāng)硅膜的更多厚度被 去除時(shí)，膜厚度的差異相應(yīng)地變差。
對(duì)于一些玻璃上硅的應(yīng)用，CMP工藝的上述缺點(diǎn)尤其是個(gè)問題，因?yàn)?在一些情況下，需要去除厚達(dá)約300-400 nm的材料以獲得所需的硅膜厚度。 例如，在薄膜晶體管(TFT)制造工藝中，需要硅膜厚度在100nm或更小 的范圍內(nèi)。而且，TFT結(jié)構(gòu)還需要低的表面粗糙度。
CMP工藝的另一個(gè)問題是當(dāng)對(duì)矩形SOI結(jié)構(gòu)(例如具有銳角的SOI 結(jié)構(gòu))拋光時(shí)它呈現(xiàn)出相當(dāng)差的結(jié)果。實(shí)際上，相比于SOI結(jié)構(gòu)中心處的 表面不均勻度其彎角處的上述表面不均勻度被放大。再者，當(dāng)考慮大的SOI 結(jié)構(gòu)時(shí)(例如用于光電應(yīng)用)，所得的矩形SOI結(jié)構(gòu)對(duì)常規(guī)CMP設(shè)備(通 常設(shè)計(jì)用于300 mm標(biāo)準(zhǔn)晶片尺寸)來說太大。成本也是SOI結(jié)構(gòu)的商業(yè) 化應(yīng)用的一個(gè)重要考慮因素。然而，CMP工藝在時(shí)間和金錢上都是高費(fèi)用 的。如果需要能容納大尺寸SOI結(jié)構(gòu)的非常規(guī)的CMP設(shè)備，那么會(huì)明顯加 劇成本問題。
另外，會(huì)使用爐內(nèi)退火(FA)以去除所有殘留的氫。但是，高溫退火 不適合于低成本玻璃或玻璃-陶瓷襯底。而更低溫度退火(低于70(TC)需 要更長(zhǎng)的時(shí)間來去除殘留氫，而且不能有效修復(fù)由離子注入引起的晶體損 害。而且，CMP和爐內(nèi)退火都增加了成本并降低了制造生產(chǎn)率。因此，需 要在退火之前至少部分去除氫以縮短退火步驟的時(shí)間。
因此，希望能獲得可與CMP(可能與爐內(nèi)退火組合)的結(jié)果可比擬或更 好的結(jié)果，但沒有CMP或爐內(nèi)退火及它們相關(guān)缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或更多實(shí)施方式，形成絕緣體上半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)、 方法和裝置包括對(duì)絕緣體上半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的至少一個(gè)未整飾(unfinished)的
7表面進(jìn)行輻照退火工藝。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，輻照退火工藝包括激光退火 工藝.根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方式，輻照退火工藝包括微波退火工藝。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或更多實(shí)施方式，形成絕緣體上半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)、 方法和裝置包括晶體對(duì)晶體施主半導(dǎo)體晶片的注入表面進(jìn)行離子注入工 藝，以在該施主半導(dǎo)體晶片中產(chǎn)生脫落層；使該脫落層的注入表面與絕緣 體襯底接合；將脫落層與施主半導(dǎo)體晶片分離，從而露出至少一個(gè)裂開表 面；以及對(duì)該至少一個(gè)裂開表面進(jìn)行輻照退火工藝。
輻照退火工藝將硅層的至少一部分加熱到接近或超過其熔點(diǎn)，能夠使 捕獲的氫的至少一部分逃逸，并當(dāng)材料冷卻時(shí)修復(fù)對(duì)晶格的損害。而且， 由于高溫時(shí)原子遷移率升高，或因?yàn)槿绻牧媳患訜岬揭簯B(tài)時(shí)的表面張力， 而減小了初始表面的粗糙度。因此，對(duì)于結(jié)合爐內(nèi)退火(FA)的CMP的 上述缺點(diǎn)，根據(jù)本發(fā)明使用諸如受激準(zhǔn)分子激光退火(ELA)或微波退火 之類的輻照退火有可能克服CMP的缺點(diǎn)并減少除氫所需的退火時(shí)間。
至少一個(gè)裂開的表面可包括晶體施主半導(dǎo)體晶片的的第一裂開表面和 脫落層的第二裂開表面。激光退火工藝可應(yīng)用于脫落層的第二裂開表面和/ 或施主半導(dǎo)體晶片的第一裂開表面。
激光退火工藝可包括使至少一個(gè)裂開表面經(jīng)受受激準(zhǔn)分子激光。舉例 來說，受激準(zhǔn)分子激光可包括作為增益介質(zhì)的真正受激的二聚物或激基復(fù) 合物，諸如氯化氤XeCl。在輻照源或激光產(chǎn)生制造所需效果的足夠功率的 范圍內(nèi)，可使用其它增益介質(zhì)的輻照源和激光代替準(zhǔn)分子激光。優(yōu)選每個(gè) 脈沖或每次曝光的輻照能量密度應(yīng)當(dāng)足以熔化部分半導(dǎo)體層，但不應(yīng)當(dāng)完 全溶解該半導(dǎo)體層。根據(jù)本發(fā)明工藝的某些實(shí)施方式，所處理的表面首先 進(jìn)行第一激光輻照，接著進(jìn)行輻射強(qiáng)度小于第一激光輻照的第二激光輻照。
應(yīng)當(dāng)選擇輻照波長(zhǎng)以使半導(dǎo)體層部分熔化。但是，希望晶體層的下層 部分不熔化。因此，光穿透到半導(dǎo)體材料中的深度相比于半導(dǎo)體層的厚度 不能太大。如同下文參考示例數(shù)據(jù)所討論的，當(dāng)晶體硅半導(dǎo)體層厚度約為 500 nm時(shí)，波長(zhǎng)為約308 nm (XeCl激光)、高于約800 mJ/cm2閾值的每 個(gè)脈沖的能量密度可導(dǎo)致表面粗糙度和晶體質(zhì)量有可觀測(cè)到的改善。預(yù)期 半導(dǎo)體組成和厚度的各組合都具有各自實(shí)現(xiàn)所需效果的能量閾值。因此，使用更薄半導(dǎo)體硅層時(shí)應(yīng)將能量閾值減小到800 mJ/cm2以下，同時(shí)保持其 它參數(shù)恒定。
輻照和激光領(lǐng)域的普通技術(shù)人員有能力選擇在半導(dǎo)體材料中具有合適 的穿透深度并達(dá)到最小功率閾值的輻照源和激光，同時(shí)使該激光在足夠低 的功率水平運(yùn)行以防止損壞或完全熔化該半導(dǎo)體層。類似地，雖然可能不
是最好，但是相信能以組合或按順序使用多個(gè)可能不同增益介質(zhì)的輻照源 或激光來實(shí)現(xiàn)所需結(jié)果。
注意施主半導(dǎo)體晶片可以是結(jié)構(gòu)的一部分，所述結(jié)構(gòu)包括基本為單晶 的施主半導(dǎo)體晶片和任選地包括設(shè)置在該施主半導(dǎo)體晶片上的外延半導(dǎo)體 層。因此，脫落層(例如，與絕緣體襯底結(jié)合并與施主半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)分離的 層)基本上是由單晶施主半導(dǎo)體晶片材料形成的。或者，脫落層基本上可 由外延半導(dǎo)體層(而且可能還包括一些單晶施主半導(dǎo)體晶片材料)形成。
上述激光退火工藝可應(yīng)用到脫落層上而與該層是基本上由單晶施主半 導(dǎo)體晶片材料形成還是由外延半導(dǎo)體層形成無關(guān)。
在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，接合步驟可包括對(duì)至少一個(gè)絕緣體襯底 和施主半導(dǎo)體晶片加熱；使該絕緣體襯底與施主半導(dǎo)體晶片的脫落層直接 接觸或間接接觸；以及在該絕緣體襯底和該施主半導(dǎo)體晶片上施加電壓電 勢(shì)以促使接合。將該絕緣體襯底和該半導(dǎo)體晶片的溫度升高到絕緣體襯底 的應(yīng)變點(diǎn)的約15(TC之內(nèi)?？蓪⒃摻^緣體襯底和該半導(dǎo)體晶片的溫度升高到 不同溫度。該絕緣體襯底和該半導(dǎo)體晶片上的電壓電勢(shì)在約100到10000 伏特之間?？梢霊?yīng)力以使大致在脫落層處發(fā)生裂縫。相對(duì)于周圍的晶片， 氫缺陷相的熱和微分熱膨脹系數(shù)導(dǎo)致脫落層在氫缺陷相處裂開。其結(jié)果是 與絕緣體接合的硅薄膜。
在閱讀對(duì)技術(shù)的詳細(xì)描述之后并相對(duì)于現(xiàn)有SiOG工藝可以很好理解 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。盡管如此，本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式包括以下主要優(yōu) 點(diǎn)更薄的硅膜的轉(zhuǎn)移；具有高晶體質(zhì)量的更均勻的硅膜；快速制造的產(chǎn) 量；提高的制造生產(chǎn)率；減少污染；以及大襯底的易量測(cè)性(scalability)。
或者，將厚硅膜轉(zhuǎn)移到絕緣體襯底，然后進(jìn)行拋光以去除受損的表面。 對(duì)于非常薄的膜很難控制該過程。因?yàn)槿绫景l(fā)明中所描述在該過程中沒有去除材料，所以硅薄膜可以直接轉(zhuǎn)移。
極需要均勻的膜。此外，因?yàn)樵谠撨^程中沒有去除材料，所以該硅膜 厚度均勻性由離子注入決定。已經(jīng)顯示這種硅膜相當(dāng)均勻，其標(biāo)準(zhǔn)偏差約 為lnm。相比之下，拋光通常造成膜厚度5%去除量的偏差。
提高制造生產(chǎn)率對(duì)于減少浪費(fèi)和降低成本同樣重要。通過以一個(gè)工藝 步驟代替兩個(gè)工藝步驟，預(yù)期能提高總體制造生產(chǎn)率。如所預(yù)期的，如果 拋光過程的步驟產(chǎn)率較低，這將是特別確切的。雖然已知對(duì)非晶形硅膜的 受激準(zhǔn)分子激光結(jié)晶的產(chǎn)率較低，但是因?yàn)楣璧膯尉П举|(zhì)在這種特定情況 下反過來是真實(shí)的。因?yàn)槟さ木w本質(zhì)，預(yù)期工藝窗口會(huì)很大，而且因此 預(yù)期產(chǎn)率會(huì)很高。
因?yàn)榘雽?dǎo)體的敏感特性，污染會(huì)不利地影響性能，所以非常需要減少 污染?？紤]到這點(diǎn)，激光工藝比用磨料漿進(jìn)行拋光更清潔。而且相比于長(zhǎng) 時(shí)間的熱退火工藝，在快速激光脈沖期間減少了污染物的擴(kuò)散。當(dāng)制造電 子器件時(shí)這是一個(gè)重要因素。
該工藝容易擴(kuò)大到大面積。目前受激準(zhǔn)分子激光退火已被顯示器制造
商應(yīng)用到尺寸最大至730 mmx920 mm (Gen4)的襯底。當(dāng)在激光束下掃描 襯底時(shí)可容易地增大襯底尺寸。當(dāng)用戶的襯底尺寸需求增大時(shí)這種可量測(cè) 性能夠延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命。相比之下，對(duì)于更大襯底尺寸，表面拋光和爐內(nèi)退 火變得更加困難。
當(dāng)結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述時(shí)，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將更清楚其 它方面、特征、優(yōu)點(diǎn)等。


出于說明本發(fā)明的各方面的目的，示出了當(dāng)前優(yōu)選的附圖形式，然而， 應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于所示精確設(shè)置和手段，而應(yīng)當(dāng)僅由權(quán)利要求書來限定。
圖1是圖示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式的S0I器件結(jié)構(gòu)的框圖。 圖2是說明為制造圖1的SOI結(jié)構(gòu)進(jìn)行的工藝步驟的流程圖。 圖3-6是采用圖2的工藝形成的中間結(jié)構(gòu)和最終結(jié)構(gòu)的框圖。圖7是激光退火之后的SOI結(jié)構(gòu)的框圖。
圖8圖示說明形成絕緣體上半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的工藝步驟的流程圖。
圖9示出在激光退火之前的未完成的示例半導(dǎo)體層的原子力顯微圖像。
圖IO示出圖9的同樣半導(dǎo)體層在激光退火之后的原子力顯微圖像。
圖IIA和IIB分別示出示例的半導(dǎo)體層在退火之前和退火之后的透射 電子顯微(TEM)截面圖像。
圖12A和12B分別示出示例的半導(dǎo)體層在退火之前和退火之后的掃描 電子顯微(SEM)平面圖像。
圖13是根據(jù)本發(fā)明的預(yù)激光退火樣品的光反射比數(shù)據(jù)相對(duì)于激光退 火后樣品的光反射比數(shù)據(jù)的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
除非另外說明，在說明書和權(quán)利要求書中所使用的諸如那些表示組分
的重量百分比、尺寸、及某些物理性質(zhì)的所有數(shù)字應(yīng)被理解為在所有情況
都用術(shù)語(yǔ)"約"修飾。還應(yīng)當(dāng)理解在說明書和權(quán)利要求書中所使用的精確數(shù)
值構(gòu)成本發(fā)明另外的實(shí)施方式。己經(jīng)盡力確保在實(shí)施例中公開的數(shù)值的精
確性。然而，由于在各自測(cè)量技術(shù)中存在的標(biāo)準(zhǔn)偏差，所測(cè)得的任意數(shù)值
都固有地包含一定的誤差。
用"晶體半導(dǎo)體材料"表示該材料完全是晶體的或基本是晶體的，其中
存在或不存在有意或無意地引入的缺陷和/或摻雜劑。因此它應(yīng)當(dāng)包括(i) 用來形成具有半導(dǎo)電性質(zhì)的材料的本身為半導(dǎo)電性或非半導(dǎo)電性的前體材 料，及(ii)通過例如摻雜前體材料形成的本身為半導(dǎo)電性的材料。晶體半 導(dǎo)體材料可以是單晶或多晶的。實(shí)際上，半導(dǎo)電材料通常至少包含一些諸
如晶格缺陷或晶粒邊界之類的固有的或特意添加的內(nèi)部或表面缺陷。術(shù)語(yǔ) "基本是晶體的"還反映出某些摻雜劑將扭曲或影響半導(dǎo)體材料的晶體結(jié)構(gòu) 的事實(shí)。
參考附圖，其中相同的附圖標(biāo)記表示相同要素，在圖1中示出了根據(jù) 本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式的SOI結(jié)構(gòu)100。關(guān)于附圖，SOI結(jié)構(gòu)100
11被示例為SiOG結(jié)構(gòu)。該SiOG結(jié)構(gòu)IOO可包括玻璃襯底102、及半導(dǎo)體層 104。 SiOG結(jié)構(gòu)IOO適用于制造例如用于包括有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)顯 示器和液晶顯示器(LCD)的顯示器、集成電路、光伏器件等應(yīng)用的薄膜 晶體管(TFT)。
為了討論的目的，假定半導(dǎo)體層104由硅形成。然而，應(yīng)當(dāng)理解該半 導(dǎo)體材料可以是硅基半導(dǎo)體或諸如III-V族、II-IV族半導(dǎo)體等之類的任何 其它類型的半導(dǎo)體。這些材料的實(shí)例包括硅(Si)、鍺-硅(SiGe)、碳 化硅(SiC)、鍺(Ge)、砷化鎵(GaAs)、磷化鎵(GaP)及磷化銦(InP)。
玻璃襯底102可由氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷形成。雖然沒有要求， 但是本文所描述的實(shí)施方式可包括其應(yīng)變點(diǎn)低于約IOO(TC的氧化物玻璃或 玻璃-陶瓷。如玻璃制造工藝中所常見，應(yīng)變點(diǎn)是玻璃或玻璃-陶瓷具有1014'6 泊(1013'6Pa.s)的粘度時(shí)的溫度。在氧化物玻璃和氧化物玻璃-陶瓷之間， 玻璃具有更容易制造的優(yōu)點(diǎn)，因此使它們更易得到和更廉價(jià)。
作為示例，玻璃襯底102可由包含堿土離子的玻璃基材形成，諸如由 可從美國(guó)紐約州康寧的康寧公司(Corning Incorporated, Corning, New York) 得到的No. 1737玻璃和Eagle 2000tm制成的基材。這些玻璃材料尤其能用
于例如液晶顯示器的制造。
該玻璃襯底的厚度在約O.l mm到約10mm的范圍內(nèi)，諸如在約0.5mm 到約3 mm的范圍內(nèi)。對(duì)于一些SOI結(jié)構(gòu)，需要厚度大于或等于約1微米 的絕緣層，如避免當(dāng)具有硅/二氧化硅/硅配置的標(biāo)準(zhǔn)SOI結(jié)構(gòu)在高頻率下運(yùn) 行時(shí)產(chǎn)生的寄生電容效應(yīng)。在過去，難以實(shí)現(xiàn)這樣的厚度。根據(jù)本發(fā)明， 簡(jiǎn)單地通過使用厚度大于或等于約1微米的玻璃襯底102能容易地獲得厚 度大于約1微米的SOI結(jié)構(gòu)。玻璃襯底102的厚度下限可以是約1微米， 即1000 nm。不過，要得到高機(jī)械強(qiáng)度的最終結(jié)構(gòu)，需要該襯底厚度大于 10微米。在一些實(shí)施方式中，需要該玻璃襯底厚度大于30微米(其原因是 例如商業(yè)可用性)。
總而言之，玻璃襯底102應(yīng)當(dāng)足夠厚以支承半導(dǎo)體層104通過接合工 藝步驟以及在SiOG結(jié)構(gòu)100上進(jìn)行的后續(xù)處理。雖然對(duì)玻璃襯底102的厚 度沒有理論上限，但超過支承功能所需或?yàn)樽罱KSiOG結(jié)構(gòu)IOO要求的厚度的可能是沒有優(yōu)勢(shì)的，因?yàn)椴Ａбr底102的厚度越厚，約難以完成形成SiOG
結(jié)構(gòu)100的至少一些工藝步驟。
氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷襯底102可以是氧化硅基。因此，氧化 物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷中Si02的摩爾百分比可大于30摩爾％，也可大 于40摩爾％。在玻璃-陶瓷的情況下，其晶相可以是多鋁紅柱石、堇青石、 鈣長(zhǎng)石、尖晶石、或玻璃-陶瓷領(lǐng)域公知的其它晶相。非氧化硅基的玻璃和 玻璃-陶瓷可用于實(shí)施本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式，但是因?yàn)樗鼈冚^高的 成本和/或較差的性能特性一般不具優(yōu)勢(shì)。
類似地，對(duì)于一些應(yīng)用，例如對(duì)于使用非硅基的半導(dǎo)體材料的SOI結(jié) 構(gòu)，可能需要例如非氧化物玻璃的非氧化物基玻璃襯底，但因?yàn)樗鼈冚^高 的成本一般不具優(yōu)勢(shì)。如下文更具體討論的，在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中， 玻璃或玻璃-陶瓷襯底102被設(shè)計(jì)成與接合到其上的層104的一種或多種半 導(dǎo)體材料(例如硅、鍺等)的熱膨脹系數(shù)(CTE)相匹配。CTE匹配能確 保在包括例如沉積步驟的后續(xù)處理步驟的加熱周期期間要求的機(jī)械性質(zhì)。
對(duì)于一些應(yīng)用，例如顯示器應(yīng)用或太陽(yáng)能電池應(yīng)用，玻璃或玻璃-陶瓷 102在可見光、近紫外、近紅外和/或紅外波長(zhǎng)范圍中可以是透明的，例如， 玻璃或玻璃陶瓷102在350 nm到2微米波長(zhǎng)范圍中可以是透明的。
雖然玻璃襯底102可由單層的玻璃或玻璃-陶瓷組成，但是如果需要也 可以使用層疊結(jié)構(gòu)。當(dāng)使用層疊結(jié)構(gòu)時(shí)，層疊物中最靠近半導(dǎo)體層104的 層可具有本文針對(duì)由單層玻璃或玻璃-陶瓷組成的玻璃襯底102所討論的性
質(zhì)。遠(yuǎn)離半導(dǎo)體層104的層也可具有那些性質(zhì)，但可具有不受約束的性質(zhì)， 因?yàn)樗鼈儾慌c半導(dǎo)體層104直接作用。在后一種情況下，當(dāng)不再滿足對(duì)玻 璃襯底102所指定的性質(zhì)時(shí)可認(rèn)為玻璃襯底102已經(jīng)終結(jié)。
現(xiàn)參考圖2至6。圖2圖示說明制造圖1的SiOG結(jié)構(gòu)100 (和/或本文 公開的其它實(shí)施方式)所進(jìn)行的工藝步驟，而圖3至6示出在進(jìn)行圖2的 工藝中可能形成的中間結(jié)構(gòu)。在圖3中，箭頭表示離子物流(諸如氫離子) 及其注入時(shí)的大致方向。在圖2中，附圖標(biāo)記具有以下含義
202:制備施主半導(dǎo)體晶片的表面；
204:對(duì)施主半導(dǎo)體晶片進(jìn)行離子注入步驟；206:使脫落層發(fā)生適度氧化； 208:在脫落層和玻璃之間形成陽(yáng)極結(jié)合； 210:使玻璃層/脫落層與施主半導(dǎo)體晶片分離；以及 212:使施主半導(dǎo)體晶片或脫落層進(jìn)行激光退火工藝。 首先再參見圖2和圖3，在操作202，通過諸如拋光、清洗等制備施主 半導(dǎo)體晶片120的注入表面121，以制備適合與玻璃或玻璃-陶瓷襯底102 接合的相對(duì)平坦和均勻的注入表面121。注入表面121將形成半導(dǎo)體層104 的下側(cè)面。為了討論的目的，半導(dǎo)體晶片120可以是基本為單晶的硅晶片， 但是如上所述可使用任意其它合適的半導(dǎo)體導(dǎo)體材料。
在操作204，通過對(duì)注入表面121進(jìn)行一次或多次離子注入步驟以在 施主半導(dǎo)體晶片；120的注入表面121的下面形成弱化區(qū)而形成脫落層122。 雖然本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施方式不限于形成脫落層122的任何特定方法，但一 種適合的方法是，對(duì)施主半導(dǎo)體晶片120的注入表面121進(jìn)行氫離子注入 工藝，以至少開始在施主半導(dǎo)體晶片120中形成脫落層122。
可使用常規(guī)技術(shù)調(diào)節(jié)注入能量以達(dá)到脫落層122的大約厚度。作為實(shí) 例，可采用氫離子注入，但是也可采用其它離子或多種離子，如硼+氫、氦 +氫、或有關(guān)脫落的文獻(xiàn)中已知的其它離子之類。再者，在不背離本發(fā)明精 神和范圍的情況下，可采用適合于形成脫落層122的任意其它己知技術(shù)或 下文中所開發(fā)的技術(shù)。例如，可使用單束離子注入、等離子浸入離子注入 (Pill)以及離子噴淋，涉及使用單一離子物種或多離子物種。
在以下示例數(shù)據(jù)部分所討論的實(shí)驗(yàn)中，脫落層122的厚度約為500 nm， 但因?yàn)榧す馔嘶鹬匦路植假|(zhì)量，所以相比于去除質(zhì)量，可使脫落層122按 要求和/或盡可能地薄。而且，如果以具有需要激光退火的半導(dǎo)體層(例如 厚度大于所需)的SOI開始，則在激光退火整飾表面以前，可使用諸如CMP 或拋光之類的去除質(zhì)量的已知方法來減小該層的厚度。然而，使用去除質(zhì) 量步驟增加了總體制造工藝的時(shí)間和費(fèi)用，而激光退火則可避免增加總體 制造工藝的時(shí)間和費(fèi)用。
在操作206，可對(duì)施主半導(dǎo)體晶片120進(jìn)行處理以減小例如離子注入 表面121上的氫離子濃度。例如，可對(duì)施主半導(dǎo)體晶片120進(jìn)行清洗和清潔，并使脫落層122的注入施主表面121發(fā)生適度氧化。適度的氧化處理 可包括氧等離子體中的處理、臭氧處理、過氧化氫處理、過氧化氫和氨處 理、過氧化氫和酸處理或這些工藝的組合。預(yù)期在這些處理期間以氫封端 的表面基團(tuán)氧化為羥基，而這又使硅晶片表面為親水性?？梢栽谑覝剡M(jìn)行
氧等離子體處理，而氨水或酸處理可在25-15(TC之間的溫度下進(jìn)行。
參考圖2和圖4，在操作208使玻璃襯底102與脫落層122接合。在 美國(guó)專利申請(qǐng)公報(bào)第2004/0229444號(hào)中描述了一種合適的接合工藝，其全 部?jī)?nèi)容通過引用結(jié)合于本文。以下討論該工藝中稱作陽(yáng)極結(jié)合的部分。在 陽(yáng)極結(jié)合工藝中，可對(duì)玻璃襯底102 (以及如果還沒完成的脫落層122)進(jìn) 行適當(dāng)?shù)谋砻媲逑?。之后，使該中間結(jié)構(gòu)直接或間接接觸以獲得圖4中示 意性示出的配置。
在接觸之前或接觸之后，在一定的溫差梯度下對(duì)包括施主半導(dǎo)體晶片 120、脫落層122、以及玻璃襯底102的結(jié)構(gòu)加熱?？蓪⒉Ａбr底102加熱 至高于施主半導(dǎo)體晶片120和脫落層122的溫度。舉例來說，玻璃襯底102
和施主半導(dǎo)體晶片120 (以及脫落層122)之間的溫差至少為rc，不過該
溫差可高達(dá)約10(TC-15(TC。對(duì)于具有與施主半導(dǎo)體晶片120匹配(例如與 硅匹配)熱膨脹系數(shù)(CTE)的玻璃要求該溫差，因?yàn)樗龠M(jìn)了稍后脫落 層122因?yàn)闊釕?yīng)力從半導(dǎo)體晶片120的分離。玻璃襯底102和施主半導(dǎo)體 晶片120的溫度可在玻璃襯底102的應(yīng)變點(diǎn)約15(TC之內(nèi)。
一旦玻璃襯底102和施主半導(dǎo)體晶片120之間的溫差達(dá)到穩(wěn)定，可對(duì) 該中間組件施加機(jī)械壓力。壓力范圍可在約1至50 psi之間。施加例如約 100 psi的更高壓力可能導(dǎo)致玻璃襯底102破裂。
接著，在該中間組件上施加電壓，例如以施主半導(dǎo)體晶片120在正極 而玻璃襯底102在負(fù)極。施加電壓電勢(shì)引起玻璃襯底102中的堿金屬或堿 土金屬離子從半導(dǎo)體/玻璃界面遷移進(jìn)一步遷移到玻璃襯底102中。這樣可 實(shí)現(xiàn)以下兩種功能(O形成堿金屬或堿土金屬離子的自由界面；以及(ii) 使玻璃襯底102成為高反應(yīng)性而且與施主半導(dǎo)體晶片120的脫落層122牢 固接合。
參考圖2和5，在操作210，在中間組件保持上述條件一段時(shí)間(例如約1小時(shí)或更少)之后，移除電壓并使該中間組件冷卻至室溫。然后將施 主半導(dǎo)體晶片120和玻璃襯底102分離，如果它們還沒有成為完全自由則
其中可能包括一些剝離，以得到玻璃襯底102，該玻璃襯底具有接合于其上 的施主半導(dǎo)體層120的半導(dǎo)體材料構(gòu)成的相對(duì)薄脫落層122?？赏ㄟ^由熱應(yīng) 力引起的脫落層122的碎裂實(shí)現(xiàn)該分離?；蛘呋蛄硗猓墒褂弥T如水射流 切割或化學(xué)蝕刻之類的機(jī)械應(yīng)力來促使分離。
如圖5所示，在分離之后，所得的結(jié)構(gòu)可包括玻璃襯底102和接合于 其上的半導(dǎo)體材料的脫落層122。剛脫落之后的SOI結(jié)構(gòu)的裂開表面123 呈現(xiàn)過高的表面粗糙度(在圖5中抽象地示出)、可能過大的硅層厚度、 以及硅層的注入損害122A (例如因?yàn)闅潆x子和非晶體化硅層的形成)。不 過，如在圖13中確認(rèn)的，當(dāng)使用激光退火時(shí)可一開始使剝離層122更薄， 因?yàn)椴恍枰コ?22A的受損材料，而通過激光退火工藝損傷將得以恢復(fù)。
為了討論的目的假定半導(dǎo)體層104的最終厚度會(huì)小于1微米(即1000 nm)，例如小于約200 nm，如80nm或更小。因此，應(yīng)當(dāng)形成具有大約所 需厚度的適當(dāng)薄的剝離層122。歷史地，非晶體化的硅層厚度在約50-150 nm 的量級(jí)，而根據(jù)注入能量和注入時(shí)間，剝離層122的厚度在約300-500 nm 的量級(jí)。不過，在激光退火的情況下，可形成薄的剝離層122以及必須是 薄的非晶體化的硅層。
因此，參考圖2、操作212及圖6，對(duì)裂開的表面123進(jìn)行后處理，包
括對(duì)裂開的表面123進(jìn)行激光退火工藝。用本體硅(bulksilicon)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)
顯示激光輻照在數(shù)十納秒可將硅表面加熱超過其熔化溫度(1685 K)。在
SiOG的情況下，如果峰值溫度超過1685 K，而且如果在膜中保留有未熔化
的晶種，則膜在冷卻后為晶體，并預(yù)期將是近乎完美的晶體。在輻照之后，
之前受損的硅表面比本體硅晶片具有的缺陷更少。另外的激光退火還能使 多晶膜和本體硅表面平滑。
參考圖6，可使用受激準(zhǔn)分子激光150進(jìn)行退火過程，該受激準(zhǔn)分子 激光對(duì)裂開的表面123輻照輻射155。如圖6中的符號(hào)示出的，在裂開的表 面123上可看見許多大的不規(guī)則體122B。通過激光組成、激光波長(zhǎng)、輻照 功率、曝光時(shí)間、以及曝光脈沖數(shù)量中的一個(gè)或多個(gè)來控制激光退火工藝(以及因此控制材料124的重新分布和表面粗糙度的平滑)。當(dāng)所需量的
材料124已重新分布而形成退火的表面123A時(shí)，可終止該激光退火工藝。 對(duì)比于圖6的不規(guī)則體122B，在退火的表面123A上可見少量的相對(duì)更小 的不規(guī)則體122C，如圖7中的符號(hào)所示的。
雖然此描述所提到的輻射源為激光器，因?yàn)榧す馐莾?yōu)選的實(shí)施方式， 但是輻射源本身不必是激光器。取而代之，具有類似激光效果的輻射源也 能滿足要求。為此目的，輻射源可具有能滿足以下三個(gè)要求的的類似激光 的效果1)如果能夠有適當(dāng)(高)的能量密度；2)如果它能控制在半導(dǎo)體 材料中的輻射穿透深度；以及3)如果它能控制輻照時(shí)間(例如，通過使用 脈沖源)。尤其相比于激光器，輻射源不需要是相干的。根據(jù)設(shè)計(jì)和材料 參數(shù)，可接受的輻射源可以是例如發(fā)射微波輻射的微波發(fā)射器。
任何激光或一般的輻射源可用于本發(fā)明只要該輻射源能配置成對(duì)半導(dǎo) 體層104退火，這很大程度地取決于SOI結(jié)構(gòu)100的參數(shù)，如材料、厚度 等。在這方面上，有許多配置變體，不僅在輻射源的選擇方面，而且與輻 照方法有關(guān)，諸如脈沖發(fā)射相對(duì)于連續(xù)波(CW)發(fā)射，以及掃描曝光相對(duì) 于泛光曝光(flood exposure)。
一般而言，關(guān)于激光器，該詞語(yǔ)"激光器"是由通過受激的輻射發(fā)射的 光方文大(Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation)的首字 母縮寫詞LASER的派生詞。LASER的逆序造詞——建立的動(dòng)詞"激射"被 用來表示"通過受激發(fā)射產(chǎn)生相干光"。激光器系統(tǒng)一般包括三個(gè)重要部分--能量源(通常稱為泵浦或泵浦源)；增益介質(zhì)；以及形成光諧振器的反射 鏡(mirror)或反射鏡系統(tǒng)。
存在許多不同類型的激光器。 一般通過所采用的增益介質(zhì)類型來表示 激光器，增益介質(zhì)也稱作為激光材料或激射材料。增益介質(zhì)可以是例如氣 體、蒸氣、液體、固體、或半導(dǎo)體。
氣體激光器中最常見的是氬和氦氖(He-Ne)，氣體激光器主要發(fā)射可見 紅光范圍的輻射。另一示例是C02激光器，其發(fā)射能量位于遠(yuǎn)紅外，可用 于切割硬質(zhì)材料。
蒸氣激光器具有作為增益介質(zhì)的汽化金屬。通常通過電氣放電實(shí)現(xiàn)激發(fā)，諸如銅蒸氣或金蒸氣激光的情況。在氦-鎘(He-Cd)、氦-硒(He-Se) 以及氦-汞(He-Hg)激光器的情況下汽化金屬可與如用作緩沖劑的氦氣的 其它材料混合。
液體激光器包括染料激光器，其中增益介質(zhì)是在液體溶液或懸浮液中 的諸如若丹明6G(rhodamine 6G)之類的配合有機(jī)染料。通過改變?nèi)玖先芤?和/或其性質(zhì)，可在寬波長(zhǎng)范圍上調(diào)諧染料激光器。
固態(tài)增益介質(zhì)激光器也可稱為固態(tài)激光器，它具有分布在固體基質(zhì)中 的激射材料。實(shí)例包括發(fā)射波長(zhǎng)為1,064納米的紅外光的紅寶石或釹釔鋁 石榴石("Nd-YAG，，)激光器。
半導(dǎo)體激光器使用二極管作為增益介質(zhì)，使它們有時(shí)被稱為二極管激 光器。半導(dǎo)體激光器一般使用低功率而且可以非常小，有利于它們用于諸 如激光打印機(jī)和CD播放器之類的各種電子產(chǎn)品。
化學(xué)激光器使用化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)在針對(duì)連續(xù)操作的高功率下的激發(fā)。 兩個(gè)實(shí)例包括發(fā)射2700-2900 nm光的氟化氫激光器和發(fā)射3800 nm光的氟 化氘激光器，這些激光器利用了氫氣或氘氣分別與乙烯在三氟化氮中的燃 燒產(chǎn)物的反應(yīng)。
氣體激光器的子類型，受激準(zhǔn)分子激光器使用當(dāng)電受激時(shí)產(chǎn)生的稱為 受激二聚體也稱作受激準(zhǔn)分子的偽分子的反應(yīng)性氣體。當(dāng)激射時(shí)受激準(zhǔn)分
子產(chǎn)生紫外波段的光。在化學(xué)中，二聚體指的是由兩個(gè)類似的子單元或單 體連接在一起組成的分子。真正的受激準(zhǔn)分子是由處于激發(fā)態(tài)的相同分子 形成的二聚體的分子，而激基復(fù)合物是由處于激發(fā)狀態(tài)的不同分子形成的 二聚體的分子。目前激基復(fù)合物非常普遍地被誤稱為受激準(zhǔn)分子，為此說 明書的目的，對(duì)受激準(zhǔn)分子的引用包括激基復(fù)合物?？墒褂萌缏葰夂头鷼?之類的氣體，單獨(dú)使用這些氣體時(shí)形成受激準(zhǔn)分子，而與如氬、氪、或氙 之類的惰性氣體混合使用時(shí)形成激基復(fù)合物。
在本申請(qǐng)的各實(shí)施方式中，本發(fā)明人使用的激光輻射源的例子包括 XeCl激光器(308 nm) ; KrF激光器(248 nm);以及CW氬氣體激光器。 在例如H. J. Kahlert, F. Simon和B. Burghardt的Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 685E, paper D6.2 (2001)中描述了一種激光曝光系統(tǒng)，其相關(guān)部分通過引用結(jié)合于本文。鑒于本申請(qǐng)的公開內(nèi)容，該激光系統(tǒng)可適合用于本發(fā)明 中。
可使用低頻和高頻微波進(jìn)行微波曝光。優(yōu)選高頻曝光(例如1.10 GHz 陀螺振子源(gyrotron source))，因?yàn)樗凸枘る姶篷詈狭己?，而和玻璃?合較差。因此可實(shí)現(xiàn)超過10(TC/秒的加熱速率同時(shí)對(duì)襯底傳熱最少。實(shí)際 上，來自陀螺振子源的能量可以通過波導(dǎo)耦合到特別設(shè)計(jì)的抽空的樣品室 中。該室應(yīng)具有至少一個(gè)可變的尺寸，用于對(duì)微波諧振模式進(jìn)行調(diào)諧。膜 的溫度由模式樣式支配，因此為能更均勻地加熱，需要樣品相對(duì)于諧振模 式樣式移動(dòng)(例如通過旋轉(zhuǎn))。
可使用各種方法來曝光表面，例如通過激光束。以激光束曝光為例， 設(shè)想以下非限制性的步驟
-使用單個(gè)激光束對(duì)要處理的表面曝光；
-使用多個(gè)激光束同時(shí)地、連續(xù)地或按照其它方式對(duì)要處理的表面曝
光；
-使用大面積光束對(duì)已通過例如泛光曝光的處理的表面曝光；
-在曝光中可采用在光刻工藝中典型的分步重復(fù)(step-and-repeat)工藝。
-可使用線性、窄光束對(duì)要處理的表面掃描；
-可使用小面積光束通過如矢量掃描、光柵掃描等對(duì)表面掃描；
-使用脈沖激光束并且通過控制其脈沖的總數(shù)量來控制曝光量；
-使用連續(xù)激光束并且控制曝光時(shí)間來控制總輻照能量；以及
-通過控制激光束相對(duì)于要曝光表面的速度控制曝光時(shí)間，例如控制
放置襯底的平臺(tái)的傳送速度。
與曝光手段和激光源無關(guān)，希望在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中對(duì)已處理的
表面施加基本平均的輻照能量，以將該表面退火至基本相同的程度。所以，
需要均勻的激光束。
可使用光學(xué)系統(tǒng)在半導(dǎo)體層表面上產(chǎn)生均勻光束。該光學(xué)系統(tǒng)可包括
均化器。能產(chǎn)生均勻激光束的光學(xué)系統(tǒng)可以買到。對(duì)激光束均勻性的要求
由工藝窗口支配，而工藝窗口又取決于半導(dǎo)體層厚度和受損層的厚度?，F(xiàn)在將參考上述SiOG工藝和另外的細(xì)節(jié)描述本發(fā)明的可選實(shí)施方式。
例如，將脫落層122從施主半導(dǎo)體晶片120分離的結(jié)果會(huì)產(chǎn)生施主半導(dǎo)體 晶片120的第一裂開表面和脫落層122的第二裂開表面123。如上所述，可 將激光退火工藝應(yīng)用到脫落層122的第二裂開表面123上。另外或或者， 可將激光退火工藝應(yīng)用于施主半導(dǎo)體晶片120的第一裂開表面上(使用一 種或多種上述技術(shù))。
在本發(fā)明另一實(shí)施例中，施主半導(dǎo)體晶片可以是施主結(jié)構(gòu)的一部分， 包括基本為單晶的施主半導(dǎo)體晶片120和設(shè)置在施主半導(dǎo)體晶片上的外延 半導(dǎo)體層。(有關(guān)在SOI中的外延生長(zhǎng)的半導(dǎo)體層的詳細(xì)內(nèi)容可參見2005 年6月23日提交的共同待審的美國(guó)專利申請(qǐng)第11/159,889號(hào)，其全部?jī)?nèi)容 通過引用結(jié)合于本文。)因此，脫落層122基本上可由外延半導(dǎo)體層(而 且也可能包括一些來自晶片120的施主單晶半導(dǎo)體晶片材料)形成。因此，
可將上述激光退火工藝應(yīng)用到基本由外延半導(dǎo)體材料和/或外延半導(dǎo)體材料 和單晶半導(dǎo)體材料的組合形成的脫落層的裂開表面上。
而且，在用于形成絕緣體上半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100的系統(tǒng)中，激光退火工藝 可以自動(dòng)化進(jìn)行。圖8示出示例性的形成步驟802-808。在該圖中，附圖標(biāo) 記具有以下含義
802:制備未退火的絕緣體上半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)；
804:將SOI結(jié)構(gòu)傳送并定位在激光退火組件中；
806:進(jìn)行激光退火；以及
808:將SOI結(jié)構(gòu)從激光退火組件傳送出。
該系統(tǒng)可包括絕緣體上半導(dǎo)體處理組件和激光退火組件，絕緣體上半 導(dǎo)體處理組件對(duì)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100進(jìn)行加工以便處理。激光退火組件可包括 激光器，用于對(duì)由絕緣體上半導(dǎo)體處理組件加工的絕緣體上半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100 進(jìn)行輻照。處理組件還可包括在輻照之前清洗結(jié)構(gòu)100，以去除如果存在的 和可能需要去除的表面污染或天然氧化物層。激光退火組件還可在真空或 受控的氣氛中運(yùn)行，也可以控制污染。
例如，在部分制備了 SOI結(jié)構(gòu)100后(步驟802)，處理組件可以將 具有需要進(jìn)行激光退火的未整飾的表面如裂開表面123的SOI結(jié)構(gòu)100傳送到并定位在激光退火組件中(步驟804)。不僅是由剝離形成的裂開表面
123受益于激光退火，而且由任意次SOI形成工序形成的半導(dǎo)體層104的 表面(具有對(duì)其晶體結(jié)構(gòu)的損害，不希望的離子雜質(zhì)，和/或薄膜粗糙度)可 表征為需要進(jìn)行激光退火的未整飾的表面823。
激光退火組件將進(jìn)行激光退火(步驟806)，處理組件可將具有經(jīng)激 光退火的表面如經(jīng)退火的表面123A的SOI結(jié)構(gòu)100從激光退火組件中傳 送出以便進(jìn)一步處理。激光退火組件可針對(duì)不同的半導(dǎo)體層材料、厚度、 制造歷史等可編程調(diào)節(jié)，諸如通過調(diào)節(jié)激光退火工藝的強(qiáng)度和脈沖次數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明在輻照退火工藝期間，將進(jìn)行退火的晶體層的至少一部分 加熱至升高的溫度，這樣能夠使至少部分氫或注入的其它離子物質(zhì)逃逸。 如果需要這樣的下游熱退火工藝，這可導(dǎo)致較短的熱退火工藝。實(shí)際上， 如同本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)的，本發(fā)明的輻照退火工藝在恢復(fù)表面缺陷中是如此 有效率，以致該步驟的總時(shí)間不會(huì)使全部被捕獲的注入物質(zhì)發(fā)生除氣。在 這些實(shí)施發(fā)生中，在輻照退火之后需要進(jìn)行另外的熱退火步驟，該步驟中 能夠使被捕獲的離子注入的物質(zhì)除氣至要求的程度。甚至在這些實(shí)施發(fā)生 中，由于輻照退火步驟期間的部分除氣，相比于CMP表面增強(qiáng)工藝可減少 熱退火所需的總時(shí)間。
本發(fā)明人進(jìn)一步設(shè)想在本發(fā)明的輻照退火工藝之前，以及在輻照退火 工藝期間，將進(jìn)行輻照退火的晶體半導(dǎo)體層加熱至升高的溫度。在某些實(shí) 施方式中，此溫度范圍可以為100'C到Tsp—10(TC之間，如果使用玻璃襯底 則其中Tsp是玻璃襯底的應(yīng)變點(diǎn)，或如果襯底使用晶體材料則其中Tsp是該 晶體襯底的熔點(diǎn)。這通常需要將整個(gè)SOI結(jié)構(gòu)，或至少其絕大部分加熱至 此溫度范圍。對(duì)晶體層這樣的預(yù)熱尤其具有以下優(yōu)點(diǎn)(i)它減少了輻照 退火步驟期間晶體半導(dǎo)體層中呈現(xiàn)的溫度梯度，減少了碎裂的可能性；(ii) 它能使更多的離子注入的物質(zhì)在輻照退火步驟期間發(fā)生除氣；(iii)它減 少了可能需要的后續(xù)進(jìn)行的熱退火的時(shí)間；以及(iv)它使基本同時(shí)地進(jìn)行 輻照退火和熱退火成為可能。
通過以下非限制性實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。實(shí)施例
進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)以證明上述激光退火工藝在SiOG結(jié)構(gòu)上的可應(yīng)用
性。將具有500 nm厚的硅脫落層122的SiOG結(jié)構(gòu)100在受激準(zhǔn)分子激光 150的400-1250 mJ/cn^的輻射155下曝光1到IOO個(gè)脈沖。所使用的受激 準(zhǔn)分子激光150是來自Lambda Physik的XeCl受激準(zhǔn)分子激光器，該激光 器以最高至100Hz，以308納米光的28納秒脈沖下操作。308 nm波長(zhǎng)的 UV光在硅中的穿透深度僅幾納米，如果正確選擇了硅表面上的激光束的能 量密度，將僅硅層的上部發(fā)生熔化。該激光器與光學(xué)系統(tǒng)包括均化器一起 使用以產(chǎn)生均勻的5mmx0.8mm光束。在本申請(qǐng)的實(shí)例中使用了分步重復(fù) 曝光，使比光束尺寸更大的面積曝光。相同的激光能量足以是非晶形硅膜 結(jié)晶，產(chǎn)生多晶硅。然而，在本情況下，脫落層122是僅具有注入損傷122A 的單晶膜，允許該單晶膜作為籽晶。在本實(shí)驗(yàn)中，超過約800 mJ/cn^的閾 值的能量在表面粗糙度中產(chǎn)生可觀測(cè)到的改善。
以下的表1描述針對(duì)不同強(qiáng)度和脈沖次數(shù)對(duì)表面粗糙度(以納米表示 的Ra)的各種改善。測(cè)量的初始表面粗糙度是6.6nmRA (9.4nmRMS)， 而在1250 mJ/cm2的一次激光脈沖之后測(cè)得的經(jīng)激光退火的表面123A的表 面粗糙度低于1.0nm。類似地，在1000 mJ/cr^下的IO次脈沖之后，經(jīng)激 光退火的表面123A的表面粗糙度也減小為低于1.0 nm。
表1:
1250 mJ/cm21000 mJ/cm2800 mJ/cm2
0次脈沖6.616.616.61
1次脈沖0.991.42—
2次脈沖0.981.161.45
10次脈沖0.630.741.29
類似地，圖9、 10、和11可視地描述對(duì)表面粗糙度的改善和表面粗糙 度的顯著減小。圖9是使用上述制造工藝的實(shí)施例形成的SiOG結(jié)構(gòu)100 的初始裂開表面123的原子力顯微(AFM)圖像。圖10是圖9中的同樣
22SiOG結(jié)構(gòu)100的經(jīng)退火的表面123A在1250 mJ/cm2的十次激光脈沖之后 的原子力顯微圖像。將圖9的圖像與圖IO的圖像比較，很明顯該退火步驟 去除了表面不規(guī)則體。
用相對(duì)高的脈沖能量密度(1250 mJ/cm2)已獲得良好的表面粗糙度減 小。然而，在這些高能量密度下，退火步驟可能會(huì)在硅膜中產(chǎn)生諸如裂縫 之類的局部缺陷，其原因大概是由于氫向外擴(kuò)散。在一些情況下在退火步 驟中連續(xù)使用不同的能量密度可能是有益的，以允許(一些)氫外擴(kuò)散的 較低能量密度開始并后繼以高能量密度。
如圖IIA、 IIB、 12A和12B中更生動(dòng)地描述的，退火工藝在SiOG結(jié) 構(gòu)IOO的半導(dǎo)體層104上產(chǎn)生相對(duì)平滑的、恢復(fù)了注入損害122A的退火的 表面123A。圖11A和11B分別示出形成的半導(dǎo)體層104在退火之前和退 火之后的截面的透射電子顯微(TEM)圖像。在圖IIB的情況下，退火過 程包括在800 mJ.cm—2下的IO次脈沖。圖12A和12B分別示出形成的半導(dǎo) 體層104在退火之前和退火之后的平面的掃描電子顯微(SEM)圖像。在 此實(shí)施例中，用800 mJ.cm—2下的15次脈沖然后1200 mJ'cm—2下的10次脈 沖完成退火。在圖IIA和12A中，最初的裂開表面123的表面損傷122A 很明顯，而圖11B和12B中的經(jīng)退火表面123A更加清楚，并顯示出更高 質(zhì)量的結(jié)晶度。
同樣，圖13示出SiOG結(jié)構(gòu)IOO的光反射數(shù)據(jù)，包括所形成的裂開表 面123和在1000 mJ/cn^的IO次脈沖之后的退火表面123A。在該圖的右邊 示出對(duì)經(jīng)輻照的膜和未經(jīng)輻照的膜的干涉條紋160幾乎一樣，表明激光照 射沒有改變膜厚度，在表面形貌測(cè)量中確認(rèn)了該發(fā)現(xiàn)。然而在左邊示出經(jīng) 退火表面123A對(duì)于400 nm以下的波長(zhǎng)的絕對(duì)反射率超過裂開表面123的 絕對(duì)反射比。這種額外的反射比是表面粗糙度減小的表征，如已從AFM數(shù) 據(jù)中推斷的，并是膜表面晶體缺陷減少的表征。而且，經(jīng)輻照的樣品的數(shù) 據(jù)與純的單晶硅表面的相應(yīng)數(shù)據(jù)(未示出)一致。
還可在樣品上進(jìn)行電氣測(cè)量以確認(rèn)經(jīng)退火的表面123A的近單晶的結(jié) 晶度。這些測(cè)量還表示膜中不需要的電活性氫原子數(shù)量的減少。因此，除 了使半導(dǎo)體層的表面123A平滑外，激光退火工藝通過釋放俘獲的氫離子和將半導(dǎo)體層104恢復(fù)至接近單晶狀態(tài)，而基本上去除了注入損傷122A。
總而言之，相信本發(fā)明代表將激光退火應(yīng)用到由氫離子注入形成的
SOI襯底第一應(yīng)用。它提供用于同時(shí)改善硅的表面粗糙度和晶體質(zhì)量的獨(dú)
特解決方案。
雖然本文已參考特定實(shí)施例描述了本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解這些實(shí)施例僅 僅是說明本發(fā)明的原理和應(yīng)用。因此應(yīng)當(dāng)理解的是，在不背離由所附權(quán)利 要求所限定的本發(fā)明精神和范圍的情況下，可對(duì)說明性實(shí)施例作出許多修 改，并且可修改其它設(shè)置。
權(quán)利要求
1. 一種形成絕緣體上半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，包括對(duì)晶體層的至少一個(gè)未整飾的表面進(jìn)行輻照退火工藝。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述輻照退火工藝包括對(duì)所 述至少一個(gè)未整飾的表面進(jìn)行微波輻照。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述輻照退火工藝包括激光 退火工藝。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該方法還包括 對(duì)晶體施主半導(dǎo)體晶片的注入表面進(jìn)行離子注入工藝，以產(chǎn)生所述施主半導(dǎo)體晶片的脫落層；將脫落層的所述注入表面與絕緣體襯底接合；以及將所述脫落層與所述施主半導(dǎo)體晶片分離，從而露出至少一個(gè)裂開表面； 其中，在分離所述脫落層后對(duì)所述至少一個(gè)未整飾的表面進(jìn)行輻照退火工 藝，并且所述至少一個(gè)未整飾的表面包括所述至少一個(gè)裂開的表面。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述至少一個(gè)裂開的表面包 括所述施主半導(dǎo)體晶片的的第-一裂開表面和所述脫落層的第二裂開表面。
6. 如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，將所述輻照退火工藝應(yīng)用到 所述脫落層的至少第二裂開表面上。
7. 如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，將所述輻照退火工藝應(yīng)用到 所述施主半導(dǎo)體晶片的至少第一裂開表面上。
8. 如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述輻照退火工藝包括對(duì)所 述至少一個(gè)未整飾的表面進(jìn)行激光輻照。
9. 如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述至少一個(gè)未整飾的表面 包括晶體硅。
10. 如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，對(duì)所述至少一個(gè)未整飾的表 面進(jìn)行激光輻照包括首先對(duì)所述至少一個(gè)未整飾的表面進(jìn)行第一激光輻照， 然后對(duì)所述至少一個(gè)未整飾的表面進(jìn)行第二激光輻照，所述第二激光輻照的強(qiáng)度低于所述第一激光輻照。
11. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，在對(duì)晶體層的至少一個(gè)未整飾的表面進(jìn)行輻照退火工藝的步驟之前，將所述整個(gè)晶體層加熱至從iocrc到Tsp—10(TC的升高的溫度，其中T,p是所述絕緣體上半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中包含的玻璃的應(yīng)變點(diǎn)，或所述絕緣體上半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中具有最低熔化溫度的組分的熔點(diǎn)。
12. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在對(duì)晶體層的所述至少一個(gè)未整飾的表面進(jìn)行輻照退火工藝之前，對(duì)所述至少一個(gè)未整飾的表面清潔和/ 或去除表面氧化物層。
13. 如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述激光輻照具有足以暫 時(shí)熔化至少部分的所述至少一個(gè)未整飾的表面的能量水平。
14. 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述接合步驟包括 對(duì)所述絕緣體襯底和所述施主半導(dǎo)體晶片中的至少一個(gè)加熱； 使所述絕緣體襯底與所述施主半導(dǎo)體晶片的脫落層直接或間接接觸；以及 在所述絕緣體襯底和所述施主半導(dǎo)體晶片上施加電壓電勢(shì)以促使接合。
15. 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述施主半導(dǎo)體晶片選自硅(Si)、鍺-硅(SiGe)、碳化硅(SiC)、鍺(Ge)、砷化鎵(GaAs)、磷 化鎵(GaP)及磷化銦(InP)。
16. 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述施主半導(dǎo)體晶片包括基 本為單晶的施主半導(dǎo)體晶片，并且所述分離層基本由單晶施主半導(dǎo)體晶片材料 形成。
17. 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述施主半導(dǎo)體晶片包括施 主半導(dǎo)體晶片和設(shè)置在所述施主半導(dǎo)體晶片上的外延半導(dǎo)體層，所述分離層基 本由外延半導(dǎo)體層形成。
18. —種絕緣體上半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括-絕緣體結(jié)構(gòu)；以及接合在所述絕緣體結(jié)構(gòu)上的半導(dǎo)體層，其中所述半導(dǎo)體層包括經(jīng)輻照退火 的表面。
19. 如權(quán)利要求18所述的絕緣體上半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述經(jīng)輻照退火的表面包括經(jīng)激光退火的表面。
20. 如權(quán)利要求18所述的絕緣體上半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述經(jīng)輻 照退火的表面包括經(jīng)微波退火的表面。
21. 如權(quán)利要求18所述的絕緣體上半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述半導(dǎo)體層包括接合到所述絕緣體結(jié)構(gòu)的下側(cè)面，所述經(jīng)輻照退火的表面與所述下側(cè) 面相對(duì)。
22. 如權(quán)利要求18所述的絕緣體上半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述絕緣 體結(jié)構(gòu)包括絕緣體襯底，所述半導(dǎo)體層包括晶體硅。
23. —種用于形成絕緣體上半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 絕緣體上半導(dǎo)體處理組件，以及輻照退火組件，其中，所述輻照退火組件包括對(duì)通過所述絕緣體上半導(dǎo)體處理組件處理的 絕緣體上半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行輻照的輻射源。
24. 如權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述輻射源包括激光。
25. 如權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述激光包括受激準(zhǔn)分子 激光。
26. 如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述受激準(zhǔn)分子激光是氯 化氙(XeCl)激光。
27. 如權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述輻射源包括微波發(fā)射器。
28. 如權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述輻照退火組件在真空 條件下運(yùn)行。
29. 如權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述輻照退火組件在受控 的氣氛中運(yùn)行。
全文摘要
用于絕緣體上半導(dǎo)體(SOI)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)和方法及其產(chǎn)品，包括對(duì)至少一個(gè)未整飾的表面進(jìn)行激光退火工藝。制造SOI結(jié)構(gòu)還可包括對(duì)施主半導(dǎo)體晶片的注入表面進(jìn)行離子注入工藝以在施主半導(dǎo)體晶片中產(chǎn)生脫落層；將該脫落層的注入表面與絕緣體襯底接合；將脫落層從施主半導(dǎo)體晶片分離，從而使至少一個(gè)裂開表面露出；以及對(duì)至少一個(gè)裂開表面進(jìn)行激光退火工藝。
文檔編號(hào)H01L21/268GK101454875SQ200780019709
公開日2009年6月10日 申請(qǐng)日期2007年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月31日
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