專利名稱：使用基于鋅、硅和氧的接合層的接合方法及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的各種實(shí)施方式總體上涉及用于制造半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)體的方法和結(jié)構(gòu)體，更具體而言涉及在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)體的制造中用于形成使兩個以上的元件彼此連接的接合(bonding)層的方法和結(jié)構(gòu)體。
背景技術(shù)：
通過使兩個以上的元件彼此連接以制造所需要的結(jié)構(gòu)體來制造多種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)體。這些連接方法可以在通過諸如直接生長或沉積等傳統(tǒng)方式不容易制得包含所需結(jié)構(gòu)體的元件時進(jìn)行使用。兩個以上元件的連接通常采用接合技術(shù)進(jìn)行。這類接合技術(shù)包括通常被稱作如分子接合、熔融接合、金屬接合、粘接劑接合、焊料接合和直接接合等多種方法。例如，參見以下期刊出版物:Tong 等,Materials, Chemistry and Physics 37 :101 (1994),題為“Semiconductor wafer bonding recent developments”和Christiansen等，Proceedingsof the IEEE 94 12 2060 (2006),題為“Wafer Direct Bonding From Advanced SubstrateEngineering to Future Applications in Micro/Nanoelectronics，，。在至少一個元件的表面上形成接合層通常有助于元件彼此的接合。接合層的表面化學(xué)能夠改善兩個元件彼此的粘附，以使該兩個元件能夠以足夠的接合能連接，使得能夠?qū)雍系陌雽?dǎo)體結(jié)構(gòu)體進(jìn)行進(jìn)一步的處理而不產(chǎn)生不必要的過早的分離。接合層可包含多種材料，例如包括導(dǎo)體(例如金屬)、半導(dǎo)體和絕緣體。一種更為常見的接合層包含硅酸鹽，例如二氧化硅，其中，二氧化硅表面的表面化學(xué)可包含能夠產(chǎn)生較高接合能的硅烷醇(Si-OH)基團(tuán)。不過，使用絕緣的接合層可能會阻礙電子在接合的元件之間流動，這可能會妨礙或阻礙兩個以上元件之間的電導(dǎo)性。通過使用金屬接合層可以實(shí)現(xiàn)兩個接合元件之間的電子的流動，并由此實(shí)現(xiàn)兩個接合元件之間的電流。使用多種不同的金屬材料(例如，銅和金)已經(jīng)制得了金屬接合層。然而，金屬接合層的使用可能會嚴(yán)重限制光透過接合的結(jié)構(gòu)體的傳輸，這是因?yàn)楫?dāng)金屬層大于特定厚度時金屬接合層可能會大大地阻礙光傳輸。因此，當(dāng)接合元件是諸如用于光學(xué)結(jié)構(gòu)體、光電結(jié)構(gòu)體或光伏結(jié)構(gòu)體中的那些在使用時光會透過其進(jìn)行傳輸?shù)慕雍显r，金屬接合層可能不是適宜的或理想的接合材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的多種實(shí)施方式總體上提供了用于制造半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)體的方法和結(jié)構(gòu)體，其包括在第一元件和第二元件中的至少一個的表面上提供至少基本上由鋅、硅和氧構(gòu)成的接合層。在本發(fā)明的某些實(shí)施方式中，所述方法還包括在所述第一元件和所述第二元件之間設(shè)置所述接合層，并使用設(shè)置在所述第一元件和所述第二元件之間的所述接合層使所述第一元件和所述第二元件在接合界面處彼此連接本發(fā)明的多種實(shí)施方式還包括通過以上概述的方法形成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)體。因此，本發(fā)明的實(shí)施方式還包括一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)體，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)體包括第一元件和第二元件以及設(shè)置在所述第一元件和所述第二元件之間并使所述第一元件和所述第二元件接合在一起的至少一個接合層，所述至少一個接合層至少基本上由鋅、硅和氧構(gòu)成。本發(fā)明的其它方面和細(xì)節(jié)以及要素的替代性組合將通過以下詳細(xì)描述而變得顯而易見，并且也處于本發(fā)明人的發(fā)明的范圍之內(nèi)。


通過參考在附圖中描述的本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的以下詳細(xì)說明，可以更為充分地理解本發(fā)明，附圖中圖IA ID示意性地描述了本發(fā)明通過使用一個接合層而用于使多個元件彼此接合的實(shí)施方式；圖2A和2B示意性地描述了本發(fā)明通過使用兩個以上接合層而用于使多個元件彼此接合的另一些實(shí)施方式；圖3A和3B示意性地描述了本發(fā)明通過使用一個接合層而用于使多個元件彼此接合的實(shí)施方式，其中使一個或多個元件薄化，并在該一個或多個薄化的元件上形成另外的層結(jié)構(gòu)體；圖4A 4C示意性地描述了本發(fā)明通過使用多個接合層而用于使多個元件彼此接合的又一些實(shí)施方式。
具體實(shí)施例方式本文呈現(xiàn)的圖示不表示任何特定的材料、設(shè)備、系統(tǒng)或方法的實(shí)際視圖，而僅是用于描述本發(fā)明的理想化表示。本文使用的標(biāo)題僅為清楚起見，并無任何限制用意。本文中引用了多個參考文件。此外，不管以上如何表征，所引用的參考文件均不被認(rèn)為是本文要求保護(hù)主題的發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)。下面參考圖IA ID描述本發(fā)明的一個不例性實(shí)施方式。圖IA描述了包含第一元件102的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)體100。該第一元件可包含多種結(jié)構(gòu)體和材料。例如，所述第一元件可包括層結(jié)構(gòu)體、器件結(jié)構(gòu)體和接合結(jié)構(gòu)體中的至少一個(含有兩個以上的層、器件或彼此接合的層和器件的結(jié)構(gòu)體)。更詳細(xì)地說，層結(jié)構(gòu)體可包含至少基本上均質(zhì)的單一材料層。一些這樣的層結(jié)構(gòu)體包括在本領(lǐng)域中稱為自支撐襯底(FS襯底)的結(jié)構(gòu)體。均質(zhì)材料例如可包含單質(zhì)材料或化合物材料，并且可以是導(dǎo)電性的(例如，金屬的)、半導(dǎo)電性的或絕緣性的。在一些實(shí)施方式中，所述均質(zhì)材料可包含硅、鍺、碳化硅、III族砷化物、III族磷化物、III族氮化物、III族銻化物、II族-VI族化合物、金屬、金屬合金、藍(lán)寶石、石英和氧化鋅中的一種或多種。在另外的實(shí)施方式中，第一元件102可包含一種層結(jié)構(gòu)體，該層結(jié)構(gòu)體包括含有兩種以上材料的異質(zhì)結(jié)構(gòu)體。這樣的異質(zhì)結(jié)構(gòu)體可以在基體襯底上含有模板結(jié)構(gòu)體(例如，半導(dǎo)體層)。在這樣的實(shí)施方式中，模板結(jié)構(gòu)體和基體襯底可包含如前所述的材料。此夕卜，層結(jié)構(gòu)體可含有生長、沉積或放置在彼此頂部的兩種以上材料，以形成層堆疊體。同樣，這樣的結(jié)構(gòu)體也可以含有如前所述的材料。在本發(fā)明的另一些實(shí)施方式中，第一元件102可以包含器件結(jié)構(gòu)體。器件結(jié)構(gòu)體可包含有源組件、無源組件及其混合物。器件結(jié)構(gòu)體可包含例如開關(guān)結(jié)構(gòu)體(如晶體管等)、發(fā)光結(jié)構(gòu)體(如激光二極管、發(fā)光二極管等)、光接收結(jié)構(gòu)體(如波導(dǎo)管、分光器、混合器、光電二極管、太陽能電池、太陽能子電池等)、微機(jī)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體(如加速度計(jì)、壓力傳感器等)。應(yīng)當(dāng)注意，器件結(jié)構(gòu)體(即，接合用第一元件)可包含非功能性組件部分，該非功能性組件部分在與一個以上另外的元件接合時生成功能性器件結(jié)構(gòu)體。還應(yīng)注意，構(gòu)成器件結(jié)構(gòu)體的材料可包括如前所述的以上材料。在本發(fā)明的又一些實(shí)施方式中，第一元件102可包含接合結(jié)構(gòu)體，其中利用已知方法和/或本文所述的本發(fā)明的方法使兩個以上元件連接并接合在一起。下文中將更為詳細(xì)地描述此類接合的結(jié)構(gòu)體。圖IB描述了包含第一元件102和接合層106的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)體104。接合層106可以鄰近第一兀件102的表面108形成。該接合層可包含鋅、娃和氧。在一些實(shí)施方式中，該接合層可主要由鋅、硅和氧構(gòu)成。在一些實(shí)施方式中，接合層106可含有化合物ZnSiO，其中ZnSiO化合物的化學(xué)計(jì)量數(shù)不受任何限制。在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，接合層106具有的厚度Cl1 (如圖IB中所示)為大于約IOnm,或者在另一些實(shí)施方式中為大于150nm,或者在又一些實(shí)施方式中為大于lOOOnm。ZnSiO接合層106的組成在總厚度Cl1的大部分中至少基本上是恒定的，或者其組成也可以根據(jù)接合層106的所需性質(zhì)而在厚度Cl1中變化。例如，接合層106可在鄰近表面108的厚度d2內(nèi)具有某一組成，而接合層106在厚度d2外部的組成可以與接合層106在厚度d2內(nèi)的組成相同或不同。另外，接合層106的接合表面110可以以使得接合表面110的表面化學(xué)能夠有助于接合層106連接至另外的元件的方式進(jìn)行處理或形成。接合層106可通過多種方法形成在第一元件102的表面108上，這些方法包括化學(xué)氣相沉積(CVD)(例如，金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)或分子束外延(MBE))、物理氣相沉積(PVD)(例如，脈沖激光沉積(PLD)、電子束蒸發(fā)或?yàn)R射)。例如，Veeco CompoundSemiconductor, Inc.和 Structured Materials Industries, Inc.均制造了用于沉積ZnSiO的CVD反應(yīng)器。例如，參見Mitrovic等在2006年10月6日遞交的美國專利申請第11/544，075號(美國專利申請公開第2007/0134419A1號，于2007年6月14日公開)和Tompa等在2007年10月10日遞交的美國專利申請第11/973，766號(美國專利申請公開第2008/0142810A1號，于2008年6月19日公開)。通過在CVD反應(yīng)器(例如，MOCVD反應(yīng)器)中放置第一元件102可以形成接合層106。二乙基鋅(C2H5)2Zn可用作接合層106的鋅成分的前體，硅烷可用作接合層106的硅成分的前體，而且如氧氣等氧化性氣體可用作接合層106的氧成分的前體。反應(yīng)器溫度可 維持在約400°C 約700°C的溫度，腔室壓力可維持在約5Torr 約25Torr之間。也可以利用脈沖激光沉積(PLD)來形成ZnSiO。例如，可以將第一元件102裝載入真空室中，并可以使用激光來使材料從硅酸鋅陶瓷靶上剝落。剝落的材料可以在元件102的表面108上沉積為ZnSiO。例如，參見以下期刊出版物Yan等，Thin Solid Films515 :1877 (2006),題為“Fabrication and characterization of photoluminescentMn-doped_Zn2Si04 films deposited on silicon by pulsed laser deposition，，。除了控制接合層106的組成之外，通過有意原子摻雜(例如，用原子摻雜)也可以控制接合層106的導(dǎo)電性。本領(lǐng)域中已知有多種摻雜物可以在ZnO基和ZnSiO類材料中產(chǎn)生有意摻雜。例如，通過使用諸如三甲基鋁、三甲基鎵、三甲基銦等前體來引入諸如Al、Ga、In、N、P和Sb等摻雜物，而已經(jīng)觀察到η型摻雜。在另一些實(shí)施方式中，ZnSiO基接合層106可在不引入原子摻雜物時具有導(dǎo)電性。例如，ZnSiO內(nèi)的導(dǎo)電性可能源于ZnSiO材料晶格中的固有缺陷，例如，晶格中的原子空位，或者在晶格內(nèi)間隙空間中存在原子。 圖IC描述了包含第一元件102、接合層106和第二元件114的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)體112。第二元件114可包含如前關(guān)于第一元件102所述的全部結(jié)構(gòu)體、器件和材料。在本發(fā)明的該實(shí)施方式中，第二元件114的表面116可以與接合層106的接合表面110接合。為促使第二元件114的表面116與接合層106的接合表面110充分接合，第二元件114的表面116可以是潔凈的并可具有小于約Inm的表面均方根(rms)粗糙度。另外，第二元件114的表面116可以以使得表面116的表面化學(xué)能夠促進(jìn)與接合層106的接觸接合表面的分子粘附的方式進(jìn)行處理或形成。圖ID描述了包含第一元件102和第二元件114的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)體118。在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)體118中，第二元件114通過設(shè)置在第一元件102與第二元件114之間的接合層106與第一元件102接合。第一元件102通過接合層106與第二元件114的接合產(chǎn)生接合界面120，其中，接合界面120是接合層106的接合表面110與第二元件114的表面116之間的界面。第一元件102通過接合層106與第二元件114的接合可通過分子粘附(即，不使用膠、蠟、焊料等進(jìn)行的接合)產(chǎn)生。例如，接合操作可能需要接合表面110和表面116足夠光滑而且沒有顆粒和污染物，并且需要表面110和116彼此充分接近以使得二者之間能夠接觸而進(jìn)行啟動(通常距離小于5nm)。當(dāng)達(dá)到這一距離(proximity)時，接合表面110和表面116之間的吸引力可足夠高以引發(fā)分子粘附(由源于待接合的兩個表面110和116的原子或分子間電子相互作用的全部吸引力(如范德華力)所誘發(fā)的接合)。分子粘附的啟動通常通過以下方式實(shí)現(xiàn)例如使用TEFLON 觸針在與另一元件緊密接觸的元件上施加局部壓力，從而觸發(fā)自啟動點(diǎn)的接合波傳播。術(shù)語“接合波”是指接合前端或自啟動點(diǎn)傳播(spread)的分子粘附，并對應(yīng)于吸引力自啟動點(diǎn)在接合界面120處的接合層106與第二元件114間的緊密接觸的整個表面上散播。在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，鄰近接合界面120的接合層106的組成至少基本上由硅和氧構(gòu)成。更具體而言，鄰近接合界面120的接合層106的組成主要由硅和氧構(gòu)成。例如，接合層106的組成在鄰近表面110并鄰近接合界面120的距離d2內(nèi)可主要氧化硅構(gòu)成。在指出接合層106的一部分主要由氧化硅構(gòu)成時，這并不意味著限制鄰近接合表面110的氧化硅材料的化學(xué)計(jì)量數(shù)，例如，氧化硅材料可包括SiO、SiO2或更一般地是Si0x。鄰近接合表面110的距離d2(其中接合層106可基本上由氧化硅構(gòu)成)可具有約0. 5nm以下的厚度，或者在另一些實(shí)施方式中為約Inm以下，或者在又一些實(shí)施方式中為約5nm以下。可以使基本上由氧化硅構(gòu)成的層的厚度d2最小化以基本上保持接合層106的電導(dǎo)性。
可以使用多種方法來控制鄰近接合界面120的接合層106的組成。例如，通過改變反應(yīng)器的沉積參數(shù)可以改變由CVD形成的ZnSiO的組成，此類參數(shù)包括溫度、壓力和前體流速。例如，通過增大硅前體的流速可以增加接合層106中硅的百分比含量，反之亦然，而通過降低鋅前體的流速可以減少接合層106中鋅的百分比含量，反之亦然。在ZnSiO層由PLD形成的本發(fā)明的其他實(shí)施方式中，ZnSiO組成的變化可通過使用具有不同組成的多種靶材料，例如使用ZnSiO、ZnOx和SiOx靶來實(shí)現(xiàn)。除了控制鄰近接合界面120的接合層106的組成外，還可以控制接合層106的接合表面110的表面化學(xué)以產(chǎn)生有效連接?？梢砸韵率龇绞叫纬山雍蠈?06的接合表面110，或者在形成接合層106后以下述方式處理接合表面110 :接合表面110包含適于促進(jìn)與第二元件114的表面116分子粘附的表面。例如，接合層106的接合表面110可以包含多個 可促進(jìn)分子粘附的羥基(-0H)(例如，硅烷醇基團(tuán)(Si-OH))。另外，接合表面110應(yīng)當(dāng)不存在表面污染物，并且具有小于約5nm的表面粗糙度，從而確保與第二元件114的足夠的接合強(qiáng)度。在第一元件102通過接合層106與第二元件114接合后，可以進(jìn)行進(jìn)一步的接合后處理。例如，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)體118可以在100°C 1500°C的溫度退火，以增大第一元件102、接合層106和第二元件114間的接合強(qiáng)度?？梢栽龃蟀雽?dǎo)體結(jié)構(gòu)體118的接合強(qiáng)度，以降低半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)體118發(fā)生不必要的分離(例如在可能的進(jìn)一步處理中可能發(fā)生的分離)的可能性。第一元件102通過接合層106與第二元件114的接合可以在第一元件與第二元件之間產(chǎn)生光耦合和電耦合。在本發(fā)明的實(shí)施方式中，接合層106可以是電導(dǎo)性的并且是透光的，從而在第一元件和第二元件之間提供用于電流和光量子的通路。因此，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)體118可包含至少一個具有足夠的電導(dǎo)性以允許電流流動的接合層。另外，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)體118可包含至少一個電阻率足夠低以允許電流流動的接合層。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)體118還可以包含至少一個具有足夠的透光性的結(jié)合層，以使得具有所需能量的光能夠傳輸通過該接合層，例如在某些實(shí)施方式中，接合層106可以對于能量為O. 4eV 4. OeV的光透明，然而在本發(fā)明的其他實(shí)施方式中，接合層可以對于更大范圍的電磁能透明。以下參考圖2A和2B描述本發(fā)明的其他實(shí)施方式。圖2A和2B中描述的實(shí)施方式與先前在圖IA ID中概述的那些實(shí)施方式類似。不過，在這些另外的實(shí)施方式中，在各元件的表面上，即，在第一元件和第二元件的表面上均形成接合層，使得接合界面形成在兩個接合層之間。更詳細(xì)地說，圖2A描述了包含第一元件202、接合層206、第二元件214和接合層215的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)體200。第一元件202和第二元件214可包含如前關(guān)于圖IA ID的元件102和114所述的任一結(jié)構(gòu)體、器件和材料。另外，接合層206和215以及接合表面210和217可包括如前關(guān)于圖IA ID的接合層106和接合表面110所述的任一性質(zhì)。接合層206可形成在第一元件202上以形成結(jié)構(gòu)體219，接合層215可形成在第二元件214上以形成結(jié)構(gòu)體221。圖2B描述了包含第一元件202、接合層206、第二元件214和接合層215的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)體204，其中，結(jié)構(gòu)體219和221通過接合層206和215接合在一起，從而產(chǎn)生接合界面220，該接合界面220設(shè)置在第一元件202和第二元件214之間，更具體而言設(shè)置在接合層206和接合層215之間。使結(jié)構(gòu)體219和221接合的方法可包括如前所述用于接合圖IA ID的元件102和114的任一方法。使用元件201和214各自之上的接合層連接元件202和214有助于產(chǎn)生具有后續(xù)處理所需接合強(qiáng)度的接合界面220。參考圖3A和3B描述本發(fā)明另外的實(shí)施方式。圖3A和3B中描述的實(shí)施方式與參考圖IA ID所描述的那些實(shí)施方式類似。在本發(fā)明這些另外的實(shí)施方式中，至少一個元件可以薄化并用于后續(xù)形成另外的層結(jié)構(gòu)。參考圖3A和3B描述的本發(fā)明的實(shí)施方式開始于圖ID的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)體118 (或者，作為另一選擇，可以以相同的方式使用圖2B的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)體204)。第一元件302和第二元件314可包含如前關(guān)于圖IA ID的元件102和114描述的全部結(jié)構(gòu)體、器件和材料。在本發(fā)明的某些實(shí)施方式中，第二元件314可包含晶體材料，例如，半導(dǎo)體材料，如本文在前所述的任一半導(dǎo)體材料。圖3A描述了包含第一元件302、接合層306和薄化的第二元件314’的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu) 體300。虛化區(qū)域314表示第二元件314在薄化過程(用于使第二元件314薄化以形成薄化的第二元件314’ )之前的原始厚度。剩余的薄化元件314’在薄化過程后通過接合界面320可仍與接合層306連接?？墒褂帽绢I(lǐng)域中已知的多種薄化方法中的任一種來進(jìn)行第二元件314的薄化，以留下薄化元件314’。例如，在使用接合層306使第二元件314與第一元件302接合之前，可以進(jìn)行透過第二元件314的表面316的離子注入過程以在第二元件314內(nèi)形成弱化區(qū)，該弱化區(qū)的取向?yàn)榛旧掀叫杏诒砻?16。一經(jīng)接合可將能量引入半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)體300中。例如，接合過程中可將化學(xué)能、機(jī)械能和熱能中的任一種(包括其組合)引入半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)體300中。該能量可導(dǎo)致第二元件314內(nèi)在弱化區(qū)處分離，以留下通過接合層306與第一元件302接合的部分第二元件314( S卩，薄化元件314’ )。在本發(fā)明另外的實(shí)施方式中，可通過刻蝕方法、拋光方法、激光剝離方法、研磨方法或這些方法的組合來進(jìn)行第二元件314的薄化，以產(chǎn)生薄化元件314’。例如，可以使用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)方法來提供薄化元件314’。在本發(fā)明的某些實(shí)施方式中，可以使用激光剝離來使第二元件314薄化。例如，第二元件可包含含有兩種以上材料的異質(zhì)結(jié)構(gòu)體，其中，可將激光發(fā)射吸收在異質(zhì)結(jié)構(gòu)體的一個層中，從而使薄化元件314’與第二元件314的剩余部分分開(release),例如參見2003年5月6日授予Kelly等的美國專利第6，559，075號。薄化元件314’可具有厚度d3。在一些實(shí)施方式中，厚度d3可以小于約100 μ m。更具體地，薄化元件的厚度d3可以小于約50 μ m,甚至小于約20 μ m。圖3B描述了包含第一元件302、接合層306、薄化元件314’和另外的層結(jié)構(gòu)體322的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)體304。在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，另外的層結(jié)構(gòu)322可包含另外的器件結(jié)構(gòu)體、接合結(jié)構(gòu)體和/或?qū)咏Y(jié)構(gòu)體。例如，另外的層結(jié)構(gòu)體322可包含另外的晶體材料，例如晶格結(jié)構(gòu)與薄化元件314’基本上匹配的另外的半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)體。另外的層結(jié)構(gòu)體322可以包含適于器件形成的一個或多個半導(dǎo)體層。例如，另外的層結(jié)構(gòu)體322可包含適于制造發(fā)光二極管、激光二極管、晶體管、太陽能電池、光子器件、微機(jī)電系統(tǒng)等半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)體。例如，薄化元件314’可包含如氮化鎵(GaN)等III族-氮化物材料，而且另外的層結(jié)構(gòu)體322可包含適于制造器件結(jié)構(gòu)體的另外的III族-氮化物材料，如GaN或銦鎵氮化物(InGaN)。以下參考圖4A 4C描述本發(fā)明額外的實(shí)施方式。圖4A 4C描述的實(shí)施方式與如前參考圖IA ID所述的那些實(shí)施方式類似。然而，在圖4A 4C的實(shí)施方式中，使額外的元件與使用圖IA IC的方法形成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)體接合。換言之，要根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式進(jìn)行接合的一個或多個元件可以包含接合結(jié)構(gòu)體。
參考圖4A 4C描述的本發(fā)明的實(shí)施方式開始于圖ID的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)體118(或者，作為另一選擇，可以以相同的方式使用圖2B的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)體204)。圖4A描述了包含接合結(jié)構(gòu)體、如(圖ID的)接合的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)體118的第一元件402。第二元件414包含設(shè)置在另一元件426的表面上的接合層424。所述另一元件可以包含如前所述的器件結(jié)構(gòu)體、接合結(jié)構(gòu)體或?qū)咏Y(jié)構(gòu)體。圖4B描述了包含經(jīng)接合層424在第一元件402與第二元件414之間的接合界面428處與第二元件414連接并接合的第一元件402的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)體404。接合結(jié)構(gòu)體402 (第一元件)本身通過接合層424與第二元件414接合。該過程可以重復(fù)多次直至產(chǎn)生所需的結(jié)構(gòu)體。例如，圖4C描述了包含經(jīng)接合層434在接合界面438處與第二元件432 (包含接合層434和另一元件436)連接的第一元件430 (圖4B的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)體404)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)體 412。實(shí)施例現(xiàn)在描述非限制性實(shí)施例以進(jìn)一步說明本發(fā)明的實(shí)施方式。應(yīng)當(dāng)理解，在以下的實(shí)施例中，參數(shù)(如材料、結(jié)構(gòu)等)僅是用于描述的目的，并未限制本發(fā)明的實(shí)施方式。參考圖1A，第一元件102包含碳化硅(SiC)襯底。將SiC襯底放置在MOCVD反應(yīng)室中，使用二乙基鋅作為鋅源，硅烷作用硅源，氧氣作為氧源，在SiC襯底102的表面108上形成ZnSiO接合層106 (圖1B)。接合層106的厚度為約50nm 500nm。在ZnSiO接合層106的生長中，減少鋅前體并增大硅前體，以使接合層的厚度d2至少基本上由SiO2構(gòu)成(且可以至少基本上不含鋅)。第二元件114(圖1C)包含下述層結(jié)構(gòu)體，其含有適于制造激光二極管器件結(jié)構(gòu)體的III族-氮化物材料層結(jié)構(gòu)體。此類器件結(jié)構(gòu)體可含有P型摻雜區(qū)、η型摻雜區(qū)、波導(dǎo)層、包覆層和量子阱區(qū)。此類結(jié)構(gòu)體的實(shí)例在本領(lǐng)域中是已知的。例如，參見S. Nakamura等，2000 “The Blue Laser Diode The Complete Story, Springer-Verlag0 包含激光二極管器件結(jié)構(gòu)體的第二元件114與ZnSiO接合層106接合后，可以進(jìn)行進(jìn)一步的處理以制造功能性器件。此類進(jìn)一步處理可包括后段工藝(back-end-of-line)處理,包括金屬化、封
寸 ο使用參考圖2A和2B描述的實(shí)施方式可以類似地進(jìn)行前一實(shí)施例。在這些實(shí)施方式中，不僅ZnSiO接合層206可以如前一實(shí)施例所述沉積在SiC襯底202的表面上，而且還可以使用與如前概述相同的方法在III族-氮化物材料的層結(jié)構(gòu)體214的表面上沉積另一ZnSiO接合層215。然后使元件219和221相合在一起并利用分子接合使其連接，以產(chǎn)生如圖2B所示的接合界面220。參考圖3A和3B描述另一實(shí)施例。圖3A中，第一元件302可包含藍(lán)寶石(Al2O3)襯底。將所述藍(lán)寶石襯底放置在MOCVD反應(yīng)室中，并如上所述在該襯底上形成ZnSiO接合層306。在接合層306的生長中，減少流入反應(yīng)室內(nèi)的鋅前體，增大流入的硅前體，以使接合層的厚度d2至少基本上由SiO2構(gòu)成。第二元件314包含氮化鎵襯底。所述氮化鎵襯底可包含自支撐氮化鎵襯底。在接合前，進(jìn)行進(jìn)入自支撐氮化鎵襯底的表面316內(nèi)的離子注入，以在氮化鎵自支撐襯底的主體內(nèi)約500nm的深度處形成取向基本上平行于表面316的弱化區(qū)。包含自支撐氮化鎵的第二元件隨后使用接合層306與包含藍(lán)寶石晶片的第一元件302接合。在元件302與314接合后，對半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)體304施加100°C 1500°C的加熱過程，從而使自支撐氮化鎵襯底沿著其中的弱化區(qū)斷裂，留下薄化元件314’，該薄化元件314’包含氮化鎵的晶種層并與接合層306接合。在形成包含較薄的氮化鎵晶種層的薄化元件314’后，在薄化元件314’(較薄的氮化鎵晶種層)上形成另一層結(jié)構(gòu)體322。在該實(shí)施例中，另一層結(jié)構(gòu)體322包含III族-氮化物基發(fā)光二極管。此類發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)體可包含P型摻雜區(qū)、η型摻雜區(qū)、包覆層、波導(dǎo)層和量子阱區(qū)。此類結(jié)構(gòu)體的實(shí)例是本領(lǐng)域中已知的。例如,參見S. Nakamura等，2000，“TheBlue Laser Diode The Complete Story,，，Springer-Verlag。必要時，如前概述可以對另一層結(jié)構(gòu)體322額外地進(jìn)行進(jìn)一步處理以制造功能性器件。來自發(fā)光二極管的光輸出可以發(fā)射透過ZnSiO接合層306，因?yàn)榭梢钥刂平雍蠈?06的組成以使接合層306能夠?qū)τ诎l(fā)光二極管發(fā)出的光來說是光學(xué)透明的。參考圖4A 4C描述另一實(shí)施例。圖4A中，第一元件402包含接合結(jié)構(gòu)體。在該實(shí)施例中，所述接合結(jié)構(gòu)體包含另一第一元件102，該元件102包括基體襯底102’和其上形成的第一光伏子電池102”。第一光伏子電池102”可以例如通過化學(xué)氣相沉積(CVD)法形成在基體襯底102’上。使用如前概述的方法在第一光伏子電池102”上沉積ZnSiO接合層106。第一光伏子電池102”可包含一個或多個層，該層包含如前概述的那些材料等(例如，III族-砷化物、III族-銻化物、III族-氮化物、III族-磷化物及其混合物(例如，混合的砷化物與磷化物和混合的砷化物與氮化物))。在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，第一光伏子電池102”可包含η型摻雜層和P型摻雜層，并且可包含Ge、GaInAs或GaInP。接合結(jié)構(gòu)體402的元件114可包含與ZnSiO層106接合的第二光伏子電池。第二光伏子電池可包含如前概述的材料、結(jié)構(gòu)體和摻雜類型，并且在一些實(shí)施方式中可包含GaAs 或 GaInP0待接合至接合結(jié)構(gòu)體402的第二元件414還可以含有另一元件426，該元件426包含第三光伏子電池。如前所述，第三光伏子電池可包含多種材料、多種結(jié)構(gòu)體和摻雜類型。在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，第三光伏子電池可包含諸如InGaP、AlInP或InGaN等材料。ZnSiO接合層424隨后沉積在另一元件426上以產(chǎn)生第二元件414。圖4B描述了包含上述接合結(jié)構(gòu)體的第一元件402與第二元件414接合以產(chǎn)生結(jié)構(gòu)體404。結(jié)構(gòu)體404包含第一光伏子電池102”(作為元件102 —部分)、第二光伏子電池114和第三光伏子電池426。形成的多個子電池形成了包含多結(jié)光伏太陽能電池的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)體404。在另外的實(shí)施方式中，如圖4C所示，另一子電池(即，第四子電池436)可以經(jīng)ZnSiO接合層434與多結(jié)光伏結(jié)構(gòu)體404接合，以制造包含四(4)個子電池的多結(jié)光伏太 陽能電池。第四子電池可包含如前所述的材料、結(jié)構(gòu)體和摻雜類型。在一些實(shí)施方式中，第四子電池可包含InGaP、AlInP或InGaN。應(yīng)當(dāng)注意，多結(jié)光伏太陽能電池結(jié)構(gòu)體中可含有另外的輔助層。為清楚起見附圖中省略了這些輔助層，不過應(yīng)當(dāng)理解光伏子電池結(jié)構(gòu)體和多結(jié)光伏太陽能電池可以含有另外的輔助層和結(jié)構(gòu)體，其例如包括隧道結(jié)、抗反射涂層、背部反射體和應(yīng)變消除層。現(xiàn)有技術(shù)中光伏子電池、多結(jié)光伏太陽能電池和輔助層的實(shí)例可見于，例如Wanlass等于2002年5月21日遞交的美國專利申請第10/515，243號(2006年7月27日公開的美國專利申請公開第2006/0162768A1號)，和Cornfeld等于2006年6月2日遞交的美國專利申請第11/445，793號(2007年12月6日公開的美國專利申請公開第2007/0277873A1 號)。再次參考圖4A 4C描述 另一實(shí)施例。該實(shí)施例中，上述多結(jié)光伏太陽能電池結(jié)構(gòu)體的光接收性光伏子電池元件102”、114、426和436可以由如發(fā)光二極管(LED)等發(fā)光元件代替，以形成發(fā)光結(jié)構(gòu)體404 (或412)。可對各個發(fā)光元件進(jìn)行選擇，來以不同的波長進(jìn)行發(fā)射，從而提供產(chǎn)生所需光輸出色調(diào)的能力。通過混合來自單獨(dú)的發(fā)光元件的發(fā)光并通過選擇用于各個發(fā)光元件的材料，可以提供所需的色調(diào)。光學(xué)透明的ZnSiO接合層106、424和434使得來自單獨(dú)的發(fā)光元件的發(fā)光能夠組合并透過結(jié)構(gòu)體404 (或412)。本發(fā)明的方法和結(jié)構(gòu)體的實(shí)施方式可以用來通過使用電導(dǎo)的且光學(xué)透明的接合層來使兩個以上的元件連接。所述方法和結(jié)構(gòu)體使得電子和光子能夠穿過接合層傳輸，因此可用來使兩個以上的接合元件電耦合和光耦合。因?yàn)樯鲜霰景l(fā)明的實(shí)施方式僅是本發(fā)明實(shí)施方式的實(shí)例，所以這些實(shí)施方式并未限制本發(fā)明的范圍，該范圍由所附權(quán)利要求及其合法的等同物的范圍限定。任何等同的實(shí)施方式都應(yīng)處在本發(fā)明的范圍內(nèi)。實(shí)際上，除了本文顯示和描述的那些實(shí)施方式外，本發(fā)明的各種變型，例如所述要素的交替的有用組合，將通過說明書而對本領(lǐng)域技術(shù)人員變得明顯。所述變型還應(yīng)落入所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。本文中僅為清楚和方便起見而使用了標(biāo)題和圖例。
權(quán)利要求
1.一種用于制造半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)體的方法，所述方法包括 在第一元件和第二元件中的至少一個的表面上提供至少基本上由鋅、硅和氧構(gòu)成的接合層； 在所述第一元件和所述第二元件之間設(shè)置所述接合層；和 使用設(shè)置在所述第一元件和所述第二元件之間的所述接合層使所述第一元件和所述第二元件在接合界面處彼此連接。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，所述方法還包括選擇所述第一元件和所述第二元件中的每一個，使其包含器件結(jié)構(gòu)體、接合結(jié)構(gòu)體和層結(jié)構(gòu)體中的至少一個。
3.如權(quán)利要求I所述的方法，其中，在第一元件和第二元件中的至少一個的表面上提供所述接合層包括 在所述第一元件的表面上形成第一接合層； 在所述第二元件的表面上形成第二接合層；和 使所述第一接合層與所述第二接合層接合。
4.如權(quán)利要求I所述的方法，所述方法還包括配制所述接合層中硅的百分比濃度，以增大與所述接合界面的相似度。
5.如權(quán)利要求I所述的方法，所述方法還包括將與所述接合界面鄰近的所述接合層的區(qū)域配制得至少基本上由氧化硅構(gòu)成。
6.如權(quán)利要求I所述的方法，其中，使所述第一元件與所述第二元件彼此連接包括通過分子粘附使所述第一元件與所述第二元件彼此連接。
7.如權(quán)利要求I所述的方法，所述方法還包括通過離子注入過程、激光剝離過程、機(jī)械薄化過程和化學(xué)薄化過程中的至少一個使所述第一元件和所述第二元件中的至少一個薄化，以形成薄化元件。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，所述方法還包括在所述薄化元件上形成另一層結(jié)構(gòu)體。
9.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)體，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)體包含 第一元件和第二元件，和 設(shè)置在所述第一元件和所述第二元件之間并使所述第一元件和所述第二元件接合在一起的至少一個接合層，所述至少一個接合層至少基本上由鋅、硅和氧構(gòu)成。
10.如權(quán)利要求9所述的結(jié)構(gòu)體，其中，所述第一元件和所述第二元件各自包含器件結(jié)構(gòu)體、接合結(jié)構(gòu)體和層結(jié)構(gòu)體中的至少一個。
11.如權(quán)利要求10所述的結(jié)構(gòu)體，其中，所述第一元件和所述第二元件中的至少一個包含接合結(jié)構(gòu)體，所述接合結(jié)構(gòu)體含有至少基本上由鋅、硅和氧構(gòu)成的至少一個額外的接合層。
12.如權(quán)利要求9所述的結(jié)構(gòu)體，其中，所述至少一個接合層是電導(dǎo)的且透光的，所述第一元件和所述第二元件通過所述至少一個接合層彼此光耦合和電耦合。
13.如權(quán)利要求9所述的結(jié)構(gòu)體，其中，所述第一元件和所述第二元件中的至少一個包含平均層厚度小于約lOOym的半導(dǎo)體層。
14.如權(quán)利要求9所述的結(jié)構(gòu)體，其中，所述第一元件和所述第二元件中的至少一個包含光伏子電池或發(fā)光元件。
15.如權(quán)利要求9所述的結(jié)構(gòu)體，其中，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)體包含多結(jié)光伏太陽能電池或發(fā)光結(jié) 構(gòu)體。
全文摘要
本發(fā)明的實(shí)施方式涉及用于制造半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)體的方法和結(jié)構(gòu)體，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)體含有至少一個接合層(106)以使兩個以上元件(102、114)彼此連接。所述至少一個接合層可以至少基本上由鋅、硅和氧構(gòu)成。
文檔編號H01L33/00GK102640303SQ201080031145
公開日2012年8月15日 申請日期2010年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月17日
發(fā)明者尚塔爾·艾爾納 申請人:索泰克公司