利用改进型离子注入法制造的半导体结构的制作方法

文档序号:7245396阅读:271来源:国知局
专利名称:利用改进型离子注入法制造的半导体结构的制作方法
技术领域
本文所揭示的特征、方面和实施方式涉及利用改进型离子注入法制造半导体装置,如绝缘体上半导体(SOI)结构。
背景技术
迄今为止,最广泛用于绝缘体上半导体结构的半导体材料是硅。文献中将这种结 构称作绝缘体上硅结构,并将缩写“SOI”用于这种结构。SOI技术对高性能薄膜晶体管、太阳能电池和诸如有源矩阵显示器之类的显示器越来越重要。SOI结构可包含绝缘材料上的基本上是单晶硅的薄层。获得SOI结构的各种方法包括在晶格匹配的基片上外延生长硅(Si)。另一种方法包括将单晶硅晶片与另一个其上已生长SiO2的氧化物层的硅晶片结合,然后将上面的晶片向下抛光或蚀刻至例如O. 05-0. 3μπι的单晶硅层。另一些方法包括离子注入法,在该方法中注入氢离子或者氧离子,在注入氧离子的情况下形成嵌埋在硅晶片中的氧化物层,其上覆盖Si,或者在注入氢离子的情况下分离(剥离)薄Si层,结合到另一个具有氧化物层的Si晶片上。用这些方法制造SOI结构的成本很高。涉及氢离子注入的后一种方法已经引起一些注意,并被认为好于前一种方法,因为注入氢离子需要的注入能量比注入氧离子需要的注入能量小50%,并且所需剂量小两个量级。美国专利第7176528号揭示了一种制造玻璃上硅(SiOG)结构的方法。其步骤包括(i)使硅晶片表面接受氢离子注入,产生结合表面;(ii)使该晶片的结合表面与玻璃基片接触;(iii)在该晶片和玻璃基片上施加压力、温度和电压,促进它们之间的结合;(iv)冷却该结构至常温;(V)使玻璃基片和薄硅层从硅晶片上分离。虽然制备SOI结构的制造方法日趋成熟,但出于成本方面的原因,采用它们得到的最终产品的商业可行性和/或应用受到限制。采用美国专利第7176528号所述的方法时,制造SOI结构的主要成本是在离子注入步骤产生的。本发明人相信,降低进行离子注入处理的成本将促进SOI结构的商业应用。因此,继续提高SOI结构的制造效率是有益的。

发明内容
虽然本文所揭示的特征、方面和实施方式可结合绝缘体上半导体(SOI)结构的制造进行讨论,但本领域技术人员将理解,这样揭示的内容不一定限于SOI的制造。实际上,本文所揭示的最广泛的可保护特征、方面等适用于任何方法,只要该方法要求将离子注入到半导体材料之中(或之上),而不管这种半导体材料是否结合绝缘体使用。
但为了方便陈述,本发明的内容可能会结合SOI结构的制造予以揭示。在本文中具体提到SOI结构是为了便于解释所揭示的实施方式,而不是为了、也不应解释为以任何方式限制权利要求的范围。本文使用的SOI缩写总体上表示绝缘体上半导体结构,包括但不限于玻璃上半导体(S0G)结构、绝缘体上硅(SOI)结构和玻璃上硅(SiOG)结构,也包括玻璃陶瓷上硅结构。在进行这样的描述时,SOI也可指半导体上半导体结构,如硅上硅结构等。根据本发明的一个或多个实施方式,形成半导体结构的方法和设备包括对半导体晶片的注入表面进行离子注入处理,在表面中形成剥落层,其中离子注入处理包括在半导体晶片的注入表面中同时注入两种不同的离子。所述两种不同的离子可选自下组硼、氢和氦,或者其他任何合适的元素。对半导体晶片的加热处理可这样进行在注入H和He的情况下,He离子朝向H离子在半导体晶片注入表面下方形成的弱化区迁移。本领域技术人员在结合附图阅读对本文所述的实施方式的描述之后,将清楚地了 解本发明的其他方面、特征、优点等。


为说明本文所揭示的各个方面和特征的目的,在附图中示出优选形式,但应理解,所涵盖的实施方式不限于所示的精确配置和手段。图I是说明根据本文所述的一个或多个实施方式的半导体装置的结构的框图;图2-5是说明利用图I所示半导体装置的制造方法形成的中间结构的示意图;图6是一种设备[离子喷淋(ion shower)注入工具]的简化框图和示意图,该设备适合用来将离子注入给体半导体晶片,形成可用来制造图I所示半导体装置的中间结构;图7是另一种设备[离子浸没(ion immersion)注入工具]的简化框图和示意图,该设备适合用来将离子注入给体半导体晶片,形成可用来制造图I所示半导体装置的中间结构;以及图8A-8B是用图6所示设备进行注入的半导体晶片的TOF-SMS分析的图示。
具体实施例方式参考附图,图中相同的数字标出相同的组元。图I显示了根据本文所述的一个或多个实施方式的基片上半导体结构100。为了给讨论本文所揭示的最广泛的可保护特征和方面提供一些具体的背景,将假定基片上半导体结构100是SOI结构,如玻璃上半导体结构。SOI结构100可以包括基片102和半导体层104。这种SOI结构100具有与制造薄膜晶体管(TFT)[如用于显示应用,包括有机发光二极管(OLED)显示器和液晶显示器(IXD)]、集成电路、光伏装置等相关的适当用途。虽然没有要求,但层104的半导体材料可以是基本为单晶材料的形式。在描述层104时使用词语“基本上”是考虑到半导体材料通常含有至少一些固有的或特意加入的内部缺陷或表面缺陷的事实,如晶格缺陷或少量晶粒边界。词语“基本上”还反映了以下事实某些掺杂剂会扭曲或者以其他方式影响本体半导体的晶体结构。
为便于讨论的目的,假定半导体层104是由硅形成的。但应理解,所述半导体材料可以是基于硅的半导体或者是其他任何类型的半导体,如III-V,II-IV, II-IV-V等类别的半导体。这些材料的例子包括硅(Si)、掺锗硅(SiGe)、碳化硅(SiC)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、GaP 和 InP。基片102可以是具有任何所需特性的任何所需的材料。例如,在一些实施方式中,基片102可由半导体材料形成,如上面所列的各种半导体材料。根据可选的实施方式,基片102可以是绝缘体,如玻璃、氧化物玻璃或氧化物玻璃陶瓷。在氧化物玻璃和氧化物玻璃陶瓷之间,玻璃可能具有制造更简便的优点,因此玻璃更广泛易得并且不贵。例如,玻璃基片102可以由含碱土离子的玻璃形成, 例如,由康宁有限公司的编号为1737的玻璃组合物或者康宁有限公司的编号为EAGLE 2000 的玻璃组合物制造的基片。这些玻璃材料的特别用途是例如制造液晶显示器。虽然本发明所特别关注的主题涉及将离子注入半导体材料,但本发明人相信,就制造SOI 100的具体方法提供一些额外的背景是有益的。因此,现在参考图2-5,它们显示了一般方法(以及所得的中间结构),其中可进行前述离子注入,以制造图I所示的SOI结构100。首先看图2,通过抛光、清洁等制备给体半导体晶片120,形成适合结合到基片102如玻璃或玻璃陶瓷基片上的较平坦、均匀的注入表面121。为了便于讨论的目的,半导体晶片120可以是基本为单晶Si晶片,尽管如上所讨论,可以使用其他任何合适的半导体导体材料。通过对注入表面121进行离子注入处理,形成剥落层122,在给体半导体晶片120的注入表面121下方产生弱化区123。虽然本发明内容的焦点是这种离子注入处理,但眼前将仅一般性提到形成弱化区123的方法。不过,在本说明书后面的描述中,将对具体关注的一种或多种离子注入法进行更详细的讨论。可调节离子注入能量,以实现剥落层122的一般厚度,如约300-500nm之间,但可实现任何合理的厚度。将离子注入给体半导体晶片120的效果是使晶格中的原子脱离其常规位置。当晶格中的原子被离子击中时,该原子被迫离开原来的位置,产生初次缺陷,即空位和间隙原子,它们被称作弗伦克尔对(Frenkelpair)。若注入操作在接近室温的温度下进行,初次缺陷的组分发生移动,产生许多类型的二次缺陷,如空位簇等。参考图3,可利用电解工艺(本文也称作阳极结合工艺)将基片102结合到剥落层122上。合适的电解结合工艺的基础知识可以参见美国专利第7176528号,其完整内容通过参考结合于此。下面将讨论此工艺的几个部分;但是,本文所述的一个或多个实施方式涉及对美国专利第7176528号的离子注入法的改进。在结合过程中,对基片102(和剥落层122,如果还未清洁)进行适当的表面清洁。然后,使中间结构发生直接或间接接触。因此,所得中间结构是堆件,包括给体半导体晶片120的本体材料层、剥落层122和玻璃基片102。在接触之前或之后,加热给体半导体晶片120、剥落层122和玻璃基片102的堆件(如图3中的箭头所示)。将玻璃基片102和给体半导体晶片120加热至足够高的温度,弓丨发堆件内的离子注入以及它们之间的阳极结合。温度取决于给体晶片120的半导体材料和玻璃基片102的特性。例如,接合部的温度可在玻璃基片102的应变点的约+/_350°C之内,更具体地在应变点的约_250°C与0°C之间,以及/或者在应变点的约-100°C与-50°C之间。依据玻璃的类型,这种温度可在约500-600°C的范围内。除了上面讨论的温度特性外,可对中间组件施加机械压力(如图3中的箭头所示)。该压力范围约为l_50psi。施加更高的压力,如大于IOOpsi的压力,可能引起玻璃基片102碎裂。还在中间组件上施加电压(如图3中的箭头所示),例如给体半导体晶片120为正极,玻璃基片102为负极。施加电压电势使玻璃基片102中的碱金属离子或碱土金属离子从半导体/玻璃界面移开,进一步进入玻璃基片102。更具体地,玻璃基片102的正离子,包括基本上所有的改性剂正离子,从给体半导体晶片120的更高电压电势处移开,结果(1)在玻璃基片102中靠近剥落层122的地方形成正离子浓度减小的层;以及(2)在靠近正离子浓度减小的层的地方形成玻璃基片102的正离子浓度增大的层。这样形成的结果是得到屏障功能,即防止正离子从氧化物玻璃或氧化物玻璃陶瓷向回迁移,穿过正离子浓度减小 的层,进入半导体层。参考图4,将中间组件在温度、压力和电压条件下保持足够时间后,撤销电压,让中间组件冷却至室温。在加热过程中、停留过程中、冷却过程中和/或冷却之后的某个时间,使给体半导体晶片120与玻璃基片102分离。这可包括在剥落层122尚未完全脱离给体120的情况下进行一些剥离。结果得到玻璃基片102,其上结合有给体半导体层120的半导体材料形成的较薄剥落层122。该分离可以通过剥落层122因热应力破裂来实现。作为另选或附加方式,可以使用机械应力如水射流切割或化学蚀刻来促进分离。刚剥落后的SOI结构100的裂开表面125可显示表面粗糙度、过大的硅层厚度以及对硅层的注入损害(例如,因为形成无定形化的硅层)。依据注入能量和注入时间,剥落层122的厚度可约为300-500nm,但其他厚度有可能合适。这些特性可利用后结合方法改变,以便在剥落层122的基础上更进一步,得到半导体层104的所需特性(图I)。需要指出,给体半导体晶片120可再次用来继续制造其他的SOI结构100。现在参考图5,它同样涉及剥落层122的形成,具体方法是对给体半导体晶片120的注入表面121进行离子注入处理,在给体半导体晶片120的注入表面121下方形成弱化区123。根据一个或多个实施方式,离子注入处理包括在给体半导体晶片120的注入表面121中同时注入两种不同的离子。参考图6,两种不同类型的离子的同时注入可在离子喷淋注入工具200中进行。这种离子喷淋工具200可商购,然后加以改进,以完成本文所述的过程。由于注入工具的设计和操作原理可能各不相同,对设备和/或操作的具体改进留给技术人员完成。图6中的离子喷淋工具200以高度示意的形式呈现。工具200包括第一和第二气源(例如第一罐202和第二罐204)、等离子体腔206、第一电极208、第二电极(网格)210和输送机构212。每个气源202、204意在说明,在等离子体腔206中引入了不同类型的气体,即第一类气体和至少第二类气体。所述两种不同的气体可选自下组硼、氢和氦,或者其他任何合适的元素或气体。例如,第一气体可以是氢气,第二气体可以是氦气。除了如图所示的两个独立的气罐之外,装有两种所需气体如氢气和氦气的混合物且一种气体与另一种气体具有所需比例的单一气罐可用作供应等离子体腔206的气源。在等离子体腔206内建立合适的条件,以确保实现所需的离子加速度和能量水平,形成每种气体的等离子体。例如,对腔206内的气体进行激发,形成等离子体,这可通过射频天线(未示出)实现。利用第一和第二电极208、210之间的电场,加快带正电的第一和第二气体离子朝向给体半导体晶片120的移动速度。(需要指出,在实际设备中可能有一个或多个附加电极,图中未示出,其作用是促进和/或产生所需的等离子体和加速度。)电场可具有足够的强度,以便将第一和第二离子加速到约25-150keV之间的能量,如约80keV。由于第二电极210是网格形式,离子可从其中通过,撞击给体半导体晶片120的注入表面121,注入到给体半导体中。选择对第一和第二离子进行加速的能量,使得离子注入到给体半导体晶片的所需深度,例如大约沿着给体半导体晶片120的注入表面121下方的所需弱化区123。质量流量控制阀或针型阀205A、205B可位于第一和第二罐202、204之 的进气线路中,用来控制等离子体腔206中第一气体与第二气体的比例,从而控制注入到半导体给体晶片120中的第一离子与第二离子的比例。通过控制电弧电压、电弧电流和偏压盘(biasing platen)中的一种或多种参数,可调节等离子体腔206中的等离子体分布,这也可控制注入的第一离子与第二离子的比例。离子注入工具200中实施的注入技术的具体类型不限于离子喷淋型注入工具。其他合适的离子注入技术包括等离子体浸没离子注入技术。参考图7,在等离子体浸没注入工具200A中,给体半导体晶片120位于等离子体腔206中,形成第二电极210’。利用第一电极208与第二电极210’(即给体半导体晶片120)之间产生的电场,使带正电的气体离子朝向给体半导体晶片120加速移动。实施例同时用氢离子和氦离子对给体硅晶片进行注入,注入能量为80keV,扫描速度为100mm/S,离子束电流密度为500 μ A/cm,氢气与氦气的气流比为8/32ccm。在注入前测量离子束电流,并设法确保离子束电流均匀。可设想为工具200配备束电流检测器和质量分离功能,以监测和控制氢/氦离子比。工具200的输送机构212用于将给体硅晶片120来回扫描合适的次数,以实现目标剂量。将氢离子和氦离子同时注入给体硅晶片120之后,将样品分离成五片。每个样品在不同温度下热处理约四小时20°〇、2501、3001、3501和4251。然后,通过1'0 -5頂5分析方法测量样品的氢和氦深度分布。图8A-8B显示了 TOF-SMS分析的结果,其中图8A是氢深度曲线,图8B是氦深度曲线。在每幅图中,Y轴显示离子浓度,单位为原子数/厘米2,X轴显示注入深度,单位为纳米。需要指出,氢的峰值浓度基本上稳定地出现在约400nm的深度。而氦的室温(200C )峰值浓度位于约600nm的深度处。经过热处理,氦的峰值浓度迁移到约400nm处。虽然已经结合特定的细节描述了本文所揭示的方面、特征和实施方式,但应理解,这些细节仅仅是对更广泛的原理和应用的说明。因此,应当理解,在不背离所附权利要求书的精神和范围的前提下,可以对列举的实施方式进行各种修改,并且可以设计其他实现形式。
权利要求
1.ー种形成半导体结构的方法,该方法包括 对半导体晶片的注入表面进行离子注入处理,在表面中形成剥落层, 其中离子注入处理包括在半导体晶片的注入表面中同时注入两种不同的离子。
2.如权利要求I所述的方法,其特征在干,同时注入两种不同离子的步骤包括朝向半导体晶片的注入表面同时加快所述两种不同离子的速度。
3.如权利要求I所述的方法,其特征在于,所述两种不同的离子选自下组硼、氢和氦。
4.如权利要求I所述的方法,所述方法还包括控制被注入半导体晶片的两种不同离子的比例。
5.如权利要求I所述的方法,所述方法还包括对半导体晶片进行热处理,使得所述两种离子中的至少ー种离子朝向另ー种离子迁移,在半导体晶片的注入表面下方形成弱化区。
6.如权利要求I所述的方法,其特征在于,所述离子注入在约25-150keV之间的注入能量下进行。
7.如权利要求6所述的方法,其特征在干,所述离子注入在约SOkeV的注入能量下进行。
8.如权利要求I所述的方法,其特征在于,所述半导体晶片选自下组硅(Si)、掺锗硅(SiGe)、碳化硅(SiC)、锗(Ge)、神化镓(GaAs)、GaP 和 InP。
9.如权利要求I所述的方法,其特征在于,所述离子注入处理包括 将第一类气体和第二类气体送入等离子体腔; 同时激发所述第一气体和第二气体,在等离子体腔中形成等离子体,包括所述第一气体的第一种离子和所述第二气体的第二种离子;以及 朝向半导体晶片的注入表面同时加快第一种离子和第二种离子的速度,从而将第一种离子和第二种离子注入到半导体晶片中。
10.如权利要求9所述的方法,其特征在干,将所述第一种离子和第二种离子加速到一定的能量,使得所述第一种离子和第二种离子被注入到半导体晶片注入表面下方一定的深度,所述深度靠近半导体晶片注入表面下方的所需弱化区。
11.如权利要求9所述的方法,其特征在干,所述第一气体是氢气,所述第一种离子是氢离子,所述第二气体是氦气,所述第二种离子是氦离子。
12.如权利要求11所述的方法,其特征在于,在氢气与氦气的气流比为约8/32的情况下将氢气和氦气送入等离子体腔。
13.如权利要求12所述的方法,其特征在于,所述氢离子和氦离子在SOkeV的注入能量下同时注入。
14.如权利要求11所述的方法,其特征在于 将氢离子注入第一深度,将氦离子注入第二深度;以及 所述方法还包括对经过注入的半导体晶片进行加热,使被注入的氦离子朝向被注入的氢离子迁移,在半导体晶片的注入表面下方形成所需的弱化区。
15.如权利要求I所述的方法,其特征在于,所述两种不同的离子包括氢离子和氦离子。
16.如权利要求12所述的方法,其特征在干将氢离子注入第一深度,将氦离子注入第二深度;以及 所述方法还包括对经过注入的半导体晶片进行加热,使被注入的氦离子朝向被注入的氢离子迁移。
全文摘要
用于制造半导体结构的方法和设备包括对半导体晶片的注入表面进行离子注入处理,在表面中形成剥落层,其中离子注入处理包括在半导体晶片的注入表面中同时注入两种不同的离子。
文档编号H01L21/762GK102782833SQ201180010376
公开日2012年11月14日 申请日期2011年2月15日 优先权日2010年2月22日
发明者R·O·马斯克梅耶, S·切瑞克德简, 松本武, 藤本优子 申请人:康宁股份有限公司
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