玻璃－陶瓷基绝缘体上半导体结构及其制造方法技术

本发明专利技术涉及一种绝缘体上半导体结构，该结构包括：半导体部件，该半导体部件由基本单晶的半导体材料层和具有提高的氧含量的单晶半导体材料层组成；氧化物玻璃材料层；以及玻璃－陶瓷层。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般涉及半导体结构，更具体来说，涉及包含玻璃-陶瓷的绝缘体上半导体结构以及用来制造玻璃-陶瓷基绝缘体上半导体结构的方法。迄今，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，并缩写为“S0I”。本专利技术一般涉及绝缘体上半导体结构，包括绝缘体上硅结构。为便于陈述，有时下面的讨论按绝缘体上硅结构进行。参照这种特定绝缘体上半导体结构类型来说明本专利技术，但是这种做法并不意图，并且也不应以任何方式限制本专利技术的范围。本文中使用SOI缩写来一般性表示绝缘体上半导体结构，包括但不限于绝缘体上硅结构。类似地，本文中使用SOG缩写来一般性表示玻璃上半导体结构，包括但不限于玻璃上硅结构。SOG术语还意图包括玻璃-陶瓷上半导体结构，包括但不限于玻璃-陶瓷上硅结构。缩写SOI包括S0G。2.
技术介绍
绝缘体上硅技术对高性能薄膜晶体管、太阳能电池和有源矩阵显示器之类的显示器越来越重要。绝缘体上硅晶片由绝缘材料上的基本为单晶硅的薄层(厚度一般为 0. 1-0. 3微米，但有些情况，厚度可达5微米)构成。获得这样的晶片的各种方法包括在晶格匹配的基片上外延生长Si的方法；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接合，然后对顶部的晶片向下抛光或蚀刻例如0. 1-0. 3微米的单晶硅层的方法；或离子注入法，该方法中，将氢或者氧离子注入，在氧离子注入情况形成嵌埋在硅晶片中的氧化物层，其上覆盖Si，或者在氢离子注入情况下，则分离(剥离)出与具有氧化物层的另一 Si晶片相接合的薄硅层。这三种方法中， 发现基于离子注入的方法更多在商业上实施。特别是氢离子注入方法具有好于氧注入法的优点，因为氢离子注入法需要的注入能量小于氧离子注入的50%，并且所需剂量小两个量级。通过氢离子注入方法进行剥离最初是例如由Bister等在“Si和Ge中的0. 3-2兆电子伏特H+和 0. 7-2 兆电子伏特H2+离子范围(Ranges of the 0. 3_2MeV H+and 0.7-2 KeV H2+ Ions in Si and Ge)”，Radiation Effects，1982，59 :199-202 中披露的，并由 Michel Bruel 进一步证实。参见美国专利第 5，374，564 号(Bruel) ；M. Bruel, Electronic Lett.， 31，1995，第 1201-1202 页和 L. Dicioccio, Y. Letiec, F. Letertre, C. Jaussad 和 M. Bruel, Electronic Lett.，32，1996，第 1144-1145 页。所述方法通常由以下步骤组成。在单晶硅晶片上生长热氧化物层。然后将氢离子注入到该晶片中以生成表面下裂纹。注入能量决定生成裂纹处的深度，而剂量决定裂纹密度。然后在室温下将该晶片放置在与另一硅晶片(支承基片)接触的位置，以形成暂时性的接合。然后在大约600°C对所述晶片进行热处理，使得表面下裂纹生长，用来从Si晶片分离硅薄层。然后将所得的组合件加热到高于1000°c的温度以将具有S^2下层的Si膜完全接合到支承基片，即未注入的Si晶片上。该方法因此形成了绝缘体上硅结构，该结构具有接合至另一硅晶片的硅薄膜，其间有氧化物绝缘体层。成本也是SOI结构的商业化应用的一个重要考虑因素。至今，这种结构的成本的主要部分是顶部由Si薄膜覆盖的支承氧化层的硅晶片的成本，即成本的主要部分是支承基片。在讨论支承基片时，上述参考文献中的某些提到了石英玻璃、玻璃和玻璃-陶瓷。这些参考文献中列出的其它支承基片材料包括金刚石、蓝宝石、碳化硅、氮化硅、陶瓷、金属和塑料。尽管现有技术中已经提出了将玻璃和玻璃-陶瓷用于代替硅作为基础基片，但是迄今为止，人们尚未开发出用来使用玻璃或玻璃-陶瓷作为支承基片形成SOI结构的实际技术。美国专利第7，176，528号和第7，192，844号揭示了一些SOI结构，所述结构包括一个或多个区域，所述区域由附连在由氧化物玻璃或者氧化物玻璃-陶瓷组成的支承基片上的基本单晶的半导体(例如掺杂硅)层组成。所述氧化物玻璃或者氧化物玻璃-陶瓷优选是透明的，优选其应变点低于1000°C，在250°C的电阻率小于或等于IO16Q-Cm,包含正离子(例如碱金属离子或碱土金属离子)，这些正离子可以在升高的温度下(例如 300-1000°C )，在电场作用下在玻璃或玻璃-陶瓷内移动。尽管这些基于氧化物玻璃或者基于氧化物玻璃-陶瓷的SOI结构是优于上述现有技术的SOI结构的一个改进，但是，用于所述基于氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷的SOI 结构的玻璃无法耐受高性能显示器或电子应用中采用的高温加工而不导致晶片的变形；例如，用来在硅膜上制造高性能TFT的高温热栅氧化物的生长。共同转让给本受让人的美国专利申请第2006/00382 号解决了该问题。该参考文献揭示了一种绝缘体上半导体结构，其包括包含半导体材料的第一层，该第一层附连于包含玻璃或玻璃-陶瓷的第二层，所述玻璃或玻璃-陶瓷的应变点约等于或高于800°C。这些结构能够用于这些高性能显示器或电子应用，而且其制造成本显著低于现有技术的基于氧化硅/石英的SOI结构，由此满足了高性能显示器或电子领域中对低成本的SOI结构和所得的器件的需求。尽管这些基于氧化物玻璃或者基于玻璃-陶瓷的SOI结构相对于上述现有技术的SOI结构获得了改进，但是基于玻璃-陶瓷的绝缘体上半导体结构难以制造，会形成具有足够大的原位阻挡层的牢固接合的结构，这部分是由于玻璃陶瓷中缺乏可移动的离子造成的，在所述玻璃-陶瓷基片与硅接合之前，所述玻璃陶瓷便已陶瓷化/晶体化。本专利技术对这些现有技术的玻璃-陶瓷基SOI结构进行了改良，提供了新颖的玻璃-陶瓷基SOI结构，该结构牢固接合，具有足够大的阻挡层。这些玻璃-陶瓷基SOI结构可以用于上述高性能显示器或者电子应用。
技术实现思路
本专利技术的一个实施方式涉及一种绝缘体上半导体结构，该结构包括半导体部件， 该半导体部件由基本单晶的半导体材料层和具有提高的氧含量的单晶半导体材料层组成； 氧化物玻璃材料层；以及玻璃-陶瓷层。另一个实施方式涉及一种绝缘体上半导体层状结构，该结构包括基本单晶的半导体材料以及含氧化物的材料。所述单晶半导体材料由两个层组成一个层包含单晶半导体材料，一个层包含具有提高的氧含量的单晶半导体材料。所述含氧化物的材料由以下的层组成(1)包含氧化物玻璃材料的层，其中正离子浓度减小，基本不含改性剂正离子；(2)包含玻璃-陶瓷材料的层，其中改性剂正离子的正离子浓度增大，包含来自具有减小的正离子浓度的氧化物玻璃材料的至少一种碱土金属改性剂离子；以及(4)包含体相玻璃陶瓷材料的层。在任意上述绝缘体上半导体结构的实施方式中，所述玻璃-陶瓷包含尖晶石或莫来石晶相，所述尖晶石或莫来石玻璃-陶瓷在25-300°C的温度范围内的热膨胀系数约为 22-42X 10_7°C。在另一个实施方式中，所述尖晶石或莫来石玻璃-陶瓷在25-300°C温度范围的热膨胀系数约为35-40X10_7°C。根据本专利技术的一个或多个方面，用来形成上述玻璃-陶瓷/绝缘体上半导体结构的方法包括对给体半导体晶片的一个本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种绝缘体上半导体层状结构，其包括：半导体材料部件，其包括基本单晶的半导体材料层，以及具有提高的氧含量的单晶半导体材料层；氧化物玻璃材料层；和玻璃－陶瓷层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：K·P·加德卡里，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US