[发明专利]对绝缘体基材上的硅进行精整的方法

说明书

要求在先提交的美国申请的权益

本申请根据35U.S.C.§119要求2010年6月30日提交的，题为“对绝缘体基材上的硅进行精整的方法”（“METHOD FOR FINISHING SILICON ON INSULATOR SUBSTRATES”）的美国临时申请第61/360300号的优先权。

背景技术

本发明总体上涉及制造绝缘体上半导体（SOI）基材的改进的精整方法，更具体而言，所述方法用于除去使用薄膜转移法制备的SOI基材上的半导体膜的受损表面部分，以得到无损平滑的表面。

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单晶硅。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。绝缘体上硅技术对高性能薄膜晶体管、太阳能电池和显示器越来越重要。绝缘体上硅晶片由绝缘材料上的基本为单晶硅的薄层（厚度为0.01-1微米）构成。本文所用术语“SOI”应更广泛地理解为包括在绝缘材料上的除硅之外的薄层材料以及包括硅的薄层材料。

获得SOI结构的各种方法包括在晶格匹配的基材上硅的外延生长。另一种方法包括使单晶硅晶片与另一个在其上已生长SiO₂氧化物层的硅晶片结合，随后将顶部晶片向下抛光或蚀刻成厚度为几微米或更大的单晶硅层。其它方法包括“薄膜转移”法，其中将气体离子注入硅给体晶片中，以在给体晶片中形成弱化层用于薄硅层的分离（剥离），所述薄硅层被转移并与支持或支撑晶片结合。所述支撑晶片可为另一种硅晶片、玻璃片等。目前人们认为，对于在绝缘支持基材上制备薄膜，后一种涉及气体离子注入的薄膜转移方法比前一方法具有优势。

美国专利第5,374,564号揭示了用于制备称作“智能剥离”的SOI基材的薄膜转移法和热结合法。通过氢离子注入方法的薄膜剥离和转移通常由以下步骤组成。在单晶硅晶片（给体晶片）上生长热氧化物膜。热氧化物膜成为绝缘体/支撑晶片和单晶膜层之间的埋入绝缘体层或者阻挡层，形成SOI结构。然后将氢离子注入至给体晶片中，以产生表面下裂纹。还可以与氢离子一起共注入氦离子。注入能量决定产生裂纹处的深度，而剂量决定在该深度处的裂纹密度。然后在室温条件下将给体晶片放置在与另一硅支撑晶片（绝缘支承体、受体或支持基材或者晶片）接触和“预结合”的位置，以在给体晶片和支撑晶片之间形成暂时性结合。然后将所述预结合的晶片热处理至约600℃以引起表面下裂纹的生长，使得硅薄层或薄膜与所述给体晶片分离。然后将组件加热至高于1000℃的温度，使得硅与所述支撑晶片完全结合。该薄膜转移法形成了含有硅薄膜与硅支撑晶片结合的SOI结构，在硅膜和支撑晶片之间具有氧化物绝缘体或阻挡层。

如美国专利第7,176,528号所述，近来已经将薄膜转移技术应用于SOI结构，其中支撑基材是玻璃或玻璃陶瓷片而不是另一种硅晶片。该类结构还被称作玻璃上硅（SiOG），虽然可使用除硅之外的半导体材料形成玻璃上半导体（SOG）结构。与硅相比，玻璃提供了一种更廉价的支持基材。此外，由于玻璃的透明特性，SOI的应用可以扩展至以下领域：例如显示器、图像检测器、热电器件、光伏器件、太阳能电池、光子器件等，这可能获益于透明基材。

半导体材料（例如硅）的薄层可以是无定形、多晶或为单晶类型的。无定形和多晶类型的器件与其单晶对应物相比价格较低，但它们的电学性能特征也较差。制备具有无定形或多晶层的SOI结构的制造方法较成熟，并且使用它们的最终产品的性能受到半导体材料性质的限制。与低质量半导体的无定形和多晶半导体材料相比，单晶半导体材料（例如硅）被认为具有相对更好的质量。因此，使用此类更好质量的单晶半导体材料能够制造更高质量、更好性能的器件。