[发明专利]使用定向剥落在绝缘体结构上形成半导体的方法和装置

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2008年10月30日提交的美国申请No.12/290,362以及2008年10月30日提交的美国申请No.12/290,384的优先权，这两篇文献的内容通过引用结合于此。

技术领域

本发明涉及绝缘体上半导体(SOI)结构的制造，例如具有非圆形横截面的那些结构和/或具有相对大的横截面积的那些结构。

背景技术

随着市场需求的持续增长，绝缘体上半导体器件正变得越来越合乎需求。SOI技术对于高性能薄膜晶体管(TFT)、太阳能电池以及例如有源矩阵显示器、有机发光二极管(OLED)显示器、液晶显示器(LCD)的显示器、集成电路、光电器件等正变得越来越重要。SOI结构可包括半导体材料薄层，例如在绝缘材料上的硅。

多种获得SOI结构的方法包括在晶格匹配衬底上的硅(Si)外延生长并且将单晶硅晶片结合到另一硅晶片。又一些方法包括离子注入技术，其中将氢离子或氧离子注入，以在氧离子注入的情形下在以硅为顶的硅晶片内形成埋入的氧化物层，或是在氢离子注入的情形下分离(剥落)薄硅层以结合于具有氧化物层的另一硅晶片。

美国专利No.7,176,528披露一种使用剥落技术形成SOG(玻璃上半导体)结构的工艺工艺。这些步骤包括：(i)将硅晶片表面暴露给氢离子注入以形成结合表面；(ii)使晶片的结合表面与玻璃衬底接触；(iii)对晶片和玻璃衬底施加压力、温度及电压以利于它们之间的结合；以及(iv)使玻璃衬底和硅薄层从硅晶片分离。

前述方法在某些情形下和/或当在特定应用场合下使用时容易受到不合需效果的影响。参见图1A-1D，离子，例如氢离子，通过表面21被注入半导体晶片20，以使注入剂量就跨越半导体晶片20的密度和深度而言是均一的。

参见图1A，当例如硅的半导体材料被注入例如氢离子的离子时，形成损坏位点。损坏位点的层界定剥落层22。这些损坏位点中的一些成核为具有非常高的纵横比的片晶(platelet)(它们具有非常大的有效直径并且几乎没有高度)。源于注入离子的气体，例如H₂，扩散入片晶以形成具有可比拟的高纵横比的多个气泡。这些气泡中的气压可以非常高并估计可高达大约10千巴。

如图1B中双向箭头所示，片晶或气泡在有效直径中生长直到它们彼此足够靠近，剩下的硅太脆弱而无法承受气体的高压。由于分离前端开始不存在优先点，因此会随机地形成多个分离前端并且多个裂纹通过半导体晶片20传播。

在半导体晶片20的边缘附近，较大份额的注入氢可能从氢富含平面逸出。这是因为沉降(即晶片20的侧壁)的邻近。更具体地，在注入过程中，离子(例如氢质子)减速通过半导体晶片(例如硅)20的晶格结构并使一些硅原子从其晶格位点发生位移，形成缺陷平面。随着氢离子丧失其动能，它们成为原子氢并进一步界定原子氢平面。缺陷平面和原子氢平面在室温下在硅晶格中都是不稳定的。因此，缺陷(空穴)和原子氢朝向彼此移动并形成热稳定的空穴-氢核素。多个核素一起形成氢富含平面。(一旦加热，硅晶格一般会沿氢富含平面裂裂开。)

不是所有的空穴和氢都会经受破裂而成为氢-空穴核素。一些原子氢核素从空穴平面向外扩散并最终脱离硅晶片20。因此，一些原子氢不造成剥落层22的裂开。在硅晶片20的边缘附近，氢原子具有脱离晶格的额外路径。因此，硅晶片20的边缘区域的氢浓度可能较低。较低的氢浓度导致需要较高的温度或较长的时间来形成足够的力以支持分离。

因此，在分离工艺中形成边缘未被分离的帐篷状结构24。在临界压力下，剩余半导体材料的断裂沿相对脆弱的平面发生，例如{111}平面(图1C)，并且剥落层22从半导体晶片20的分离完成(图1D)。然而，边缘22A、22B在由损坏位点定义的主要裂开平面之外。这种非平面裂开是不希望的。分离的其它特征包括可将剥落层22描绘成具有“台地”(其中存在片晶或气泡)，由“峡谷”(其中发生断裂)所包围。要注意，这些台地和峡谷在图1D中不被精确地示出，因为这些细节超出了以图解比例再现的能力。

不是将本发明限定于任何操作理论，本申请的发明人相信使用前述技术从分离开始至完成分离的时间是10微秒的数量级。换句话说，分离的随机开始和传播是大约3000米/秒的数量级。同样，不是将本发明限定于任何操作理论，本申请的申请人相信这种分离速率促成前述剥落层22(图1D)的裂开表面的不希望的特征。