[发明专利]玻璃和玻璃－陶瓷上锗结构

说明书

相关申请的交叉参考

本发明申请根据35 U.S.§119(e)要求于2006年1月3日提交的美国临 时申请序列第60/755934号的优先权。

发明领域

本发明涉及绝缘体上的半导体(SOI)结构，如在玻璃或玻璃陶瓷上的半导体， 以及涉及这种绝缘体上半导体结构的制造方法。具体地，本发明涉及玻璃或玻璃- 陶瓷上锗结构(GeOG)，更具体地是在膨胀匹配的玻璃或玻璃-陶瓷基材上的锗。

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。在文献中 将这种结构称为“绝缘体上硅结构”(silicon-on-insulator structure)，这种结构使 用缩写“SOI”。绝缘体上硅的技术在以下应用中的重要性日益增加：高性能 光伏应用(如，太阳能电池)，薄膜晶体管应用，以及有源矩阵显示器之类的显 示器。已知的绝缘体上硅晶片包含在绝缘材料上的基本为单晶硅的薄层(厚度 一般为0.1-0.3微米，但是，在某些情况厚度可达5微米)。

为了便于陈述，下文的讨论将时常使用术语“绝缘体上硅结构”。通过借 用这种特定种类的绝缘体上半导体结构来方便对本发明的解释，但绝不是、也 不应理解为对本发明的范围构成任何限制。在本文中，缩写SOI一般地表示绝 缘体上半导体结构，其包括但不限于绝缘体上硅和绝缘体上锗结构。类似地，缩 写SOG用来一般地表示玻璃上半导体(semiconductor-on-glass)结构，其包括但 不限于玻璃上硅(silicon-on-glass)(SiOG)和玻璃上锗(GeOG)结构。术语SOG还 包括玻璃-陶瓷上半导体结构，其包括但不限于玻璃-陶瓷上硅结构。缩写SOI 包括SOG结构。

得到SOI结构的各种方法包括在晶格匹配的基材上外延生长Si。另一种方 法包括将单晶硅晶片结合在另一硅晶片上，后者之上已生长有SiO₂的氧化层， 然后将顶部晶片抛光或蚀刻至例如0.1-0.3微米的单晶硅层。其他方法包括离子 注入法，在此方法中，注入氢离子或氧离子，对于氧离子注入情况，在顶部具 有Si的硅晶片中形成埋置的氧化物层，或者对于氢离子注入情况，使薄Si层分 离(剥落)，使另一Si晶片与氧化层结合。

从成本和/或结合强度(bond stregth)以及耐久性方面考虑，前两种方法 都不能得到满意的结构。后一种方法包括氢离子注入，这种方法已引起人们的 注意，并被认为比前两种方法具有优势，因为这种方法所需的注入能量小于注 入氧离子时的能量的50％，所需的注入剂量比前两种方法小两个数量级。

通过氢离子注入的剥落方法通常由以下步骤组成。在单晶硅晶片上生长热 氧化层。然后将氢离子注入该晶片中，产生表面下的裂纹。注入能量决定了产 生裂纹的深度，注入剂量决定了裂纹密度。然后在室温下将该晶片与另一硅晶 片(支承基片)相接触地放置，形成暂时性结合。然后将晶片加热处理至大约600 ℃，造成表面下的裂纹生长，使硅薄层从硅晶片上分离。然后将所得的组件加 热至高于1,000℃，使具有SiO₂下层的Si膜与支承基片(即未进行注入的Si晶片) 充分结合。因此该方法形成了一种SOI结构，在此结构中，硅膜与另一硅晶片 互相结合，其间具有氧化物绝缘体层。

成本是SOI结构用于工业应用的一个重要问题。迄今为止，上述方法和结构 的成本中的主要部分是硅晶片的成本，该硅晶片支承着所述顶部具有Si薄膜的 氧化层，也就是说成本中的主要部分是支承基片的成本。尽管在各专利中已经 提到了使用石英作为支承基片(参见美国专利第6,140,209号；第6,211,041号；第 6,309,950号；第6,323,108号；第6,335,231号；以及第6,391,740号)，但是石英本 身是较为昂贵的材料。在讨论支承基片的时候，上述一些参考文献提到了石英 玻璃、玻璃和玻璃-陶瓷。这些文献中所列的其它支承基材包括金刚石、蓝宝石、 碳化硅、氮化硅、陶瓷、金属和塑料。