專利名稱：包括至少一個厚半導體材料膜的異質結構的制作工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總體上涉及材料制造，特別是涉及用于微電子學、光電子 學、光學或光子學應用的異質結構的制造。更確切的說，本發(fā)明涉及制造異質襯底的新工藝，該異質襯底由 至少一個承載(support)和一個或多個使用該材料且它們的熱特性可能不同的薄膜構成。
背景技術：
這種類型的工藝是已知的。這樣，已知生產異質襯底采用結合(bonding)技術，特別是分子 吸附(molecular adhesion)技術(以后稱為直接結合(direct bonding)技術)。使用結合步驟的已知工藝的非限制性示例包括Besoi , Eltran⑧或 Smart Cut⑧類型?？傮w來說，在制造異質襯底的文章中，上述工藝包括至少以下步驟a) 通過兩個一般來說由不同材料組成的一般的體襯底的接觸，結合到承載襯底上的有用膜上，整個組件形成異質結構；b) 通過采用高溫熱處理強化兩層襯底間的結合界面，以減少 上述界面的缺點一層錯的問題，以及從而避免或者至少限 制對上述的有用膜的機械和/或電學特性的損害；以及c) 減小承載襯底上有用膜的厚度從而組成薄膜。 這樣的步驟也許還可以采用一些可變的選項，例如在步驟c)中采用犧牲氧化，或者用不同的次序，特別是顛倒步驟b)和步驟c)。此外，會為了整體工藝的最佳化而組合這些步驟中的一部分(處 理的累積持續(xù)時間，關于操作的累計持續(xù)時間等)。
例如，穩(wěn)定結合層的熱處理(步驟b))，可以和減小厚度步驟(步驟c))的熱處理組合(參考美國專利6 403 450)。然而，在使用具有不同特性(例如不同的熱膨脹系數(shù))的材料來 制造異質襯底的文章中，在制造中復合襯底經歷的熱處理(對于強化 界面，對于減小厚度，等等)產生高機械應力。這樣的應力會產生脆化，以至在某些特定條件下一個或兩個被處 理的襯底發(fā)生破裂甚至破碎。該應力還可以產生被處理襯底的不可挽回的塑性變形。特別是可以產生位錯和/或層錯和/或其它的晶體缺陷。同樣可以知道，產生問題的溫度典型依賴于 在采用的熱處理工藝中復合結構所存儲的機械能量； 組成復合結構的材料之間的熱膨脹系數(shù)之差； 所使用的襯底的厚度。這樣，在通過Smart Cut⑧類型工藝的制造異質襯底的文章中，這 樣的問題會帶來真正的限制。更特別的是，根據溫度降低的最大可能級別，由于缺少效力，難 以采用熱處理。例如，并非完全詳盡的，在具有厚度為500A有用膜的異質結構的 情況下，將難以應用大約1050-100(TC的用于強化界面的熱處理，對于 上述問題，這種類型的熱處理通常采用的溫度等級太高。此外，在沒有額外熱供應的情況下，改善異質襯底的結合界面的 強度的解決方式是己知的。第一提議，稱為"等離子結合"，包括對待結合表面施加某些處理， 以增加已知強化熱處理的結合能量。用此方法，當在復合結構中維持界面的適當?shù)膹姸群徒Y合時，襯 底具有的熱應力得到緩解。然而，該提議需要特別的設備，這樣從經濟的角度考慮就限制了 該方法的吸引力。第二種已知方法包括執(zhí)行共晶(eutectic)結合將金屬(Au2Si3) 膜置于待結合的兩個襯底之間，從而使通過熱處理將它們結合變得更 容易，這樣可以保持相對較低的溫度級別。此方法提供了在強化異質襯底的界面的同時，能夠緩解處理中熱 應力的優(yōu)勢。然而，上述界面處金屬膜的出現(xiàn)限制了在制造工藝的后續(xù)步驟中 允許的最高溫度，原因在于過高的溫度級別實際上可以使金屬膜融化。 此外，此方法需要額外的步驟來插入該金屬膜。發(fā)明內容本發(fā)明的一個目的是克服上述問題。為此目的，本發(fā)明提供制造包括至少一種半導體材料的，應用于 諸如微電子學、光電子學、光學等方面的結構的工藝，該工藝包括向 第一材料制成的承載轉移由不同于第一材料的第二材料制成的單晶薄 膜，以及至少為了強化薄膜與承載之間的結合界面的預定熱處理，特 征在于按照第一和第二材料的熱膨脹系數(shù)之差和預定熱處理的參數(shù)來 選擇薄膜的厚度，用該方法，上述熱處理向包括承載和轉移薄膜的組 件所施加的應力使上述封裝完好，并且該工藝包括在薄膜上沉積單晶 態(tài)的第二材料的附加厚度的膜的額外步驟。其它按照本發(fā)明的優(yōu)選而非限制性的工藝的方面如下轉移薄膜的厚度為大約100A到300A，優(yōu)選地為150A到250A;沉積在轉移薄膜上的膜厚度為1000A到5000A;轉移第二材料的薄膜的步驟，包括在施予晶片上通過物質的注入 制造具有待轉移薄膜的邊界的弱化區(qū)域的子步驟，使施予晶片接觸承 載的子步驟，和在接觸操作后，應用能夠將薄膜從施予晶片的其它部 分分離的力的子步驟；在分離后為了沉積膜，工藝包括準備薄膜自由表面的額外步驟；通過外延生長執(zhí)行沉積步驟；第一材料是絕緣體；當?shù)诙牧鲜枪钑r，第一材料是石英；第一材料是半導體；當?shù)诙牧鲜擎N時，第一材料是硅；以及由于第一材料和第二材料之間具有不同的熱膨脹系數(shù)，上述熱處 理在轉移薄膜時能夠產生可接受水平的缺陷。


其它方面，通過閱讀下述以非限制性示例給出的優(yōu)選實施例的細
節(jié)，以及參考附圖，將使本發(fā)明的目的和優(yōu)點更明顯，其中圖1A到 1D示意性的描述了本發(fā)明的優(yōu)選工藝。
這里需要注意的是，圖中的尺寸，特別是它們的相對厚度，是為 了表述清楚而選擇的，并不說明物質的實際尺寸。
具體實施例方式
首先參考圖1A，顯示承載10和施予晶片20，例如通過從晶片表 面20a離子注入的方法在施予晶片20中產生弱化區(qū)域21，所述區(qū)域標 出了將被轉移到承載10上的晶片20的區(qū)域22的邊界。
在圖1B中，承載10和晶片20通過直接結合連接(united)并結 合在一起，可選擇地在承載和/或晶片上形成例如氧化物或氮化物膜的 結合界面膜(沒有顯示)。結合界面由參考標記12指示。
組件然后經歷一個或多個步驟的熱處理，使得在一方面沿弱化區(qū) 域將區(qū)域22從晶片20的其余部分分離，以及在另一方面強化如上文 所述的承載10和通過分離區(qū)域22形成的薄膜之間的結合界面。如此 形成的結構顯示在圖1C中。
上述步驟整體對應于申請人開發(fā)的Smart Cut⑧工藝。
本發(fā)明針對承載10的材料和薄膜22的材料具有充分不同的熱膨 脹系數(shù)的情形，在沒有由承載10和薄膜22組成的結構的情況下，經 受退化的可選的結合界面膜不能執(zhí)行前面所述的熱處理。
根據本發(fā)明，對轉移膜22的厚度el選擇小的值，從而上述提到 的熱處理使結構基本不受影響；換言之，膜22的厚度選擇的足夠小， 而不產生由于諸如膜22中的位錯、原子面滑動、裂縫等等帶來的任何 斷裂，或不希望產生的塑性形變。
為了在其上沉積相同材料的膜，需要準備膜22的自由表面。該準 備可以包括化學機械拋光，犧牲氧化，RTA (快速熱退火)，進一步的 爐內退火等等，目標是在處理結束后得到粗糙度充分低的表面。
圖1D描述了該工藝接下來的步驟，包括使用準備好的膜22作為
種子膜(seed film),用于通過外延生長沉積厚度為e2、同一種材料的 膜22'，并且增長包括膜22和22'的全部膜220 (有用膜)的厚度到所 需值。外延生長可以得到良好的晶體質量。
這里應當指出的是，轉移膜22的厚度el是通過這樣的方法選擇 的，在圖1C顯示的中間異質結構中，并且特別是在轉移層22中，存 在著一定密度的位錯和層錯。實際上，在膜22'外延生長后，這樣的缺 陷被埋入有用膜220內部而成為不重要的缺陷。
通過膜22，的外延沉積同樣可以觀測到加厚的階段(phase),因此 最后能夠轉移比使用Smart Cut⑧類型的技術可能得到的厚度更大的厚 度，Smart Cut⑧類型的技術受到注入的可能深度的固有限制。 第一示例
第一示例的目的是生產由例如1.2mm厚的石英承載涂布(coat) 有一定厚度的單晶硅的膜構成的結構，厚度可以達到500到2000A以 應用于微電子學中，或更厚以應用于其它目的，例如CCD(電荷耦合 器件)應用中。
己經通過實驗得到，在包括使用Smart Cut工藝向石英承載轉移薄 Si膜的結構中，發(fā)生過度的塑性形變(通過位錯，層錯等等)的臨界 溫度取決于轉移膜的厚度，如下所示
膜22的厚度 臨界溫度 2000人 750 °C
500 A 950°C 200 A 1100°C 在本實施例中，將厚度為200 A的單晶硅膜22轉移到石英承載10 上，該轉移包括通過1050'C大約2小時的熱處理來強化結合界面。得 益于膜22的有限厚度，結構沒有經歷熱處理帶來的損害性退化(破損 或碎裂)。然后準備薄膜22的自由表面，為制造所需厚度的單晶有用 膜外延沉積硅元素。為了形成同樣由單晶硅生成的膜22'執(zhí)行外延生 長，其厚度隨著應用的不同而廣泛變化。
這樣，在微電子學的應用中，膜22'的厚度例如為大約800到1800 A，從而有用膜的厚度為大約1000到2000 A。
對CCD應用，所需的整體厚度通常為大約5到10|im。第二示例
本示例的目的是為了生產包括由硅(單晶硅或多晶硅)形成的承 載和由單晶鍺形成的有用膜的絕緣體上半導體結構，以應用在例如光 電元件中。
從施予晶片上分離鍺薄膜22所需的熱處理，以及強化與承載10
的結合界面所需的熱處理被確定。
通常，這些處理包括大約300到40(TC持續(xù)數(shù)分鐘到2小時的分離 階段，和500到80(TC持續(xù)大約1小時的結合界面強化階段。
接下來，實驗性地確定不超過200 A的薄膜22的厚度是否允許對 結構應用熱處理，而不帶來上述的薄膜退化。
接下來，在例如化學機械拋光步驟等的外延準備處理已經在薄膜 22上執(zhí)行之后，接下來按照晶體結構在膜22上沉積單晶鍺膜22'，以 加厚膜22。在本示例中，為了形成有用的厚度為5000A或更厚(最厚 3,)的單晶鍺膜，在大約70(TC溫度下沉積厚度4800A的膜22'。
當然，本發(fā)明不受描述的實施例的限制，本領域技術人員可以另 外作出許多變體。當需要制造至少包括一種半導體材料，并且增加的 膜的厚度必須比基本開始數(shù)據所允許的厚度要大的異質結構時，即要 經歷熱處理且兩種材料的熱膨脹系數(shù)不同的情形，亦可應用本發(fā)明。 特別要提到InP—on—Si和GaAs_on_Si結構。
同樣需要指出轉移薄膜可以是應變的，是張力或壓力，通過沉積 提供的材料的額外厚度保持此應變。這就允許了厚應變膜的產生，在 幾十納米到甚至幾百納米的厚度上提供的應變，取決于需要保持的應 變的等級。
權利要求
1. 一種制造包括至少一種半導體材料的，應用于微電子學、光 電子學、光學等方面的結構的工藝，該工藝包括向第一材料制成的承載(10)上轉移由與第一材料不同的第二材料制成的單晶薄膜(22)， 和至少用于強化薄膜與承載之間的結合界面(12)的預定熱處理，其 特征在于，根據第一和第二材料的熱膨脹系數(shù)之差，以及根據上述預 定熱處理的參數(shù)來選擇薄膜的厚度(el)，這樣上述熱處理對包括承載 和轉移薄膜的組件所施加的應力不使組件受到影響，特征還在于該工 藝包括在薄膜上沉積單晶態(tài)的第二材料的附加厚度的膜(22，)的附加 步驟。
2. 如權利要求l所述的工藝，其特征在于轉移薄膜的厚度(el) 為大約100A到300A，優(yōu)選地為150A到250A。
3. 如權利要求2所述的工藝，其特征在于沉積在轉移薄膜(22) 上的膜(22，)厚度(e2)為1000A到5000A。
4. 如權利要求1到3中任意一項所述的工藝，其特征在于轉移第 二材料的薄膜(22)的步驟，包括在施予晶片(20)上通過物質的注 入產生具有待轉移薄膜的邊界的弱化區(qū)域(21)的子步驟，使施予晶 片接觸承載的子步驟，以及在接觸操作后施加能夠將薄膜從施予晶片 的其它部分分離的應力的子步驟。
5. 如權利要求4所述的工藝，其特征在于包括在分離后為了沉 積膜(22')而準備薄膜(22)的自由表面的額外步驟。
6. 如權利要求1到5中任意一項所述的工藝，其特征在于通過 外延生長執(zhí)行沉積步驟。
7. 如權利要求1到6中任意一項所述的工藝，其特征在于第一 材料是絕緣體。
8. 如權利要求7所述的工藝，其特征在于第一材料是石英。
9. 如權利要求8所述的工藝，其特征在于第二材料是硅。
10. 如權利要求1到6中任意一項所述的工藝，其特征在于第一 材料是半導體。
11. 如權利要求10所述的工藝，其特征在于第一材料是硅。
12. 如權利要求ll所述的工藝，其特征在于第二材料是鍺。
13. 如權利要求1到12中任意一項所述的工藝，其特征在于由 于第一材料和第二材料之間具有不同的熱膨脹系數(shù)，上述熱處理在轉 移薄膜(22)中能夠產生可接受水平的缺陷。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制造包括至少一種半導體材料的，應用于微電子學、光電子學、光學等領域的結構的工藝。本發(fā)明的方法包括下列步驟向第一材料構成的承載(10)上配備由與第一材料不同的第二材料制成的單晶薄層(22)，該層被轉移到承載上；并執(zhí)行至少強化薄層和承載之間的結合界面(12)的預定熱處理。本方法特征在于，作為第一和第二材料的熱膨脹系數(shù)的差的函數(shù)，以及上述預定熱處理參數(shù)的函數(shù)來選擇薄膜厚度(e1)，使得熱處理在承載/轉移薄層組件上施加的應力不使組件受到影響。本發(fā)明的特征還在于，包括在薄層上以單晶態(tài)沉積第二材料的附加厚度(22’)的附加步驟。本發(fā)明適用于生產包括厚的有用層的異質襯底。
文檔編號H01L21/762GK101147253SQ200680009219
公開日2008年3月19日 申請日期2006年3月23日 優(yōu)先權日2005年3月24日
發(fā)明者B·吉斯蘭, F·勒泰特, I·凱爾富爾克 申請人:S.O.I.Tec絕緣體上硅技術公司