具有石墨芯的复合晶片及其制造方法
【专利说明】具有石墨芯的复合晶片及其制造方法
[0001]本申请是申请日为2011年9月30日、申请号为201110295462.7以及发明名称为“具有石墨芯的复合晶片及其制造方法”的发明专利申请的分案申请。
[0002]相关申请
本申请是在2010年9月30日提交的先前提交的美国序列号12/894，344的部分继续，并且其整体内容通过引用合并于此。
技术领域
[0003]这里描述的实施例涉及具有石墨芯或层的复合晶片、以及用于制造具有石墨载体的复合晶片的方法的实施例。一些实施例涉及具有石墨芯或层以及单晶半导体层的复合晶片。另外的实施例涉及用于制造多个半导体器件的方法。
【背景技术】
[0004]处置起来是充分机械稳定的、具有不同厚度的诸如硅晶片的半导体晶片用于制造半导体器件和集成电路。在大多数情况下，出于制造期间的机械原因而非对于最终的器件，主要需要比较厚的晶片。
[0005]对于许多应用，例如诸如快速开关CMOS电路的电子元件，电路的各个器件与晶片的大半导体体积的寄生电气耦合可能导致各个器件之间的不需要的耦合并且可能限制开关速度。因此，常常采用绝缘体上硅(SOI)晶片。这些晶片包括掩埋氧化物层，其使用于形成器件的硅层与剩余的半导体基板电气绝缘。然而，SOI晶片比较昂贵。
[0006]另一方面，对于许多应用，诸如用于芯片卡的器件或者其中电流路径从顶表面去往底表面的器件，期望薄的单晶半导体晶片。对于这些薄的晶片，出于加工期间的机械原因而需要另外的载体。尽管另外的载体改进了机械稳定性，但是招致了另外的成本。此外，载体常常仅容忍半导体晶片所经历的适度加工条件并且因此限制了它们的应用。
[0007]例如诸如被粘接到半导体晶片的玻璃载体的载体常常因粘合剂的有限热稳定性而被限于350°C以下的温度。玻璃载体还易碎，从而在低压和真空工艺期间必须小心。另一方面，昂贵的SOI载体系统能够承受高温，但是它们的制造，特别是部分地或完整地加工的晶片的接合工艺在技术上是困难的。
【发明内容】
[0008]根据一个或多个实施例，一种用于制造复合晶片的方法包括:提供具有石墨层的载体晶片；提供具有第一面和第二面的单晶半导体晶片；在半导体晶片的第一面和载体晶片的石墨层中的至少一个上形成接合层，该接合层具有选自由金属、金属碳化物、金属硅化物、碳粉、沥青、石墨、氧化铝玻璃、氧化硅玻璃、以及氧化铝和氧化硅玻璃的混合物构成的组的材料；通过接合层使单晶半导体晶片与载体晶片的石墨层连结；以及使载体晶片、单晶半导体晶片和接合层经历热处理以形成载体晶片和单晶半导体晶片之间的导电接合。
[0009]根据一个或多个实施例，一种用于制造复合晶片的方法包括:提供第一基板；提供具有石墨层的第二基板；在第一基板和第二基板的石墨层中的至少一个上形成具有中间相碳、沥青以及它们的混合物中的至少一个的碳层；通过碳层使第一基板与第二基板连结；以及使碳层、第一基板和第二基板经历热处理以形成第一基板和第二基板之间的稳定接入口 Ο
[0010]根据一个或多个实施例，一种用于制造复合晶片的方法包括:提供具有石墨层的载体晶片；提供具有第一面和与第一面相对的第二面的单晶半导体晶片；在单晶半导体晶片的第一面上或第一面处形成至少一个结构，该结构选自由金属化层和掺杂区构成的组；以及使单晶半导体晶片在其第一面处与载体晶片的石墨层接合。
[0011]根据一个或多个实施例，具有石墨层的载体晶片或者具有石墨层的第二基板包括具有石墨层的载体基板、具有石墨芯的载体基板和基本上由石墨构成的石墨载体中的一个。
[0012]根据一个或多个实施例，石墨可以是乱层(turbostratic)石墨、热解石墨、等静压石墨以及它们的混合物中的一个。
[0013]根据一个或多个实施例，提供了一种用于制造复合晶片的方法。该方法包括:提供具有第一面和被布置为与第一面相对的第二面的单晶半导体晶片；将包括碳粉和沥青中的至少一个的成型组合物沉积在半导体晶片的第二面上；并且使沉积的成型组合物退火以形成附着到半导体晶片的石墨载体。根据一个实施例，此外或可替选地，成型组合物包括形成膏状或可流动聚合物组合物的诸如芳香烃的烃。
[0014]根据一个或多个实施例，提供了一种用于制造复合晶片的方法。该方法包括:提供具有石墨芯和封装石墨芯的保护结构的载体晶片；以及使单晶半导体基板接合到载体晶片。根据一个或多个实施例，保护结构包括阻挡层材料，其具有足以防止在含氧气氛中的加工期间的氧和/或氢扩散的氧扩散和/或氢扩散阻挡层性质。保护结构可以例如是硅层。保护结构可以在接合位置处相对于载体晶片的剩余部分不同。例如，可以使保护结构变薄，部分地移除保护结构或者由另一材料部分地替换保护结构。
[0015]根据一个或多个实施例，提供了一种用于制造复合晶片的方法。该方法包括:提供具有第一面和被布置为与第一面相对的第二面的单晶半导体晶片；将气体离子(例如质子)注入到单晶半导体晶片的第二面以在单晶半导体晶片的预先限定的深度处形成层离层；在相对低的温度(例如T〈400°C或者更好地<100°C)下将包括碳粉和沥青中的至少一个的成型组合物沉积在单晶半导体基板的第二面上；以及使单晶半导体晶片和成型组合物经历至少一个热处理以形成附着到半导体晶片的第二面的石墨载体并且沿层离层分裂单晶半导体晶片。根据一个或多个实施例，层离层可以由微泡层或微孔层形成。可选地，具有明确限定的厚度的半导体材料的外延层可以沉积在单晶半导体材料的表面上。
[0016]根据一个或多个实施例，提供了一种用于制造多个半导体器件的方法。该方法包括:提供具有石墨载体和附着到石墨载体的单晶半导体层的复合晶片；按压单晶半导体层以形成多个半导体器件；以及切割经加工的单晶半导体层以形成多个分离的半导体器件。
[0017]根据一个实施例，进一步包括在切割之前从经加工的单晶半导体层移除石墨载体。
[0018]根据一个实施例，进一步包括在切割之后从经加工的单晶半导体层移除石墨载体。
[0019]根据一个实施例，提供一种复合晶片包括:提供具有第一面和被布置为与第一面相对的第二面的半导体基板；将具有碳粉和沥青中的至少一个的成型组合物沉积在半导体基板的第二面上；并且使沉积的成型组合物退火以形成附着到半导体基板的石墨载体。根据一个实施例，半导体基板可以是多晶半导体基板或者单晶半导体基板。
[0020]根据一个或多个实施例，提供了一种复合晶片。该复合晶片包括具有石墨芯的载体基板、以及附着到载体基板的选自碳化硅和硅的单晶半导体基板或层。
[0021]根据一个或多个实施例，提供了一种复合晶片。该复合晶片包括具有石墨芯和封装石墨芯的保护结构的载体基板、以及附着到载体基板的单晶半导体层或基板。
[0022]根据一个或多个实施例，载体基板包括乱层石墨、无定形石墨和等静压石墨中的至少一个。根据一个或多个实施例，载体基板进一步包括横向围绕石墨芯的半导体边(rim)或缘(edge)结构。边结构(缘结构)可以是保护结构的一部分。根据一个或多个实施例，载体基板进一步包括具有凹陷的半导体晶片，其中石墨芯设置在该凹陷中。
[0023]本领域的技术人员在阅读下面的【具体实施方式】之后并且在查看附图之后将认识至IJ另外的特征和优点。
【附图说明】
[0024]图中的元件不必依照比例，相反重点在于图示本发明的原理。而且，在附图中，相似的附图标记表示对应的部件。在附图中:
图1A至1J图示了根据实施例的用于制造复合晶片的方法的工艺。
[0025]图2A至2B图示了根据实施例的用于制造复合晶片的方法的工艺。
[0026]图3图示了根据实施例的用于制造复合晶片的方法的工艺。
[0027]图4图示了在根据实施例的复合晶片制造期间使用的质子的注入分布。
[0028]图5图示了根据实施例的用于制造复合晶片的方法的工艺。
[0029]图6图示了根据实施例的用于制造复合晶片的方法的工艺。
[0030]图7图示了根据实施例的用于制造复合晶片的方法的工艺。
[0031]图8图示了图7中图示的工艺的变化。
[0032]图9图示了根据实施例的用于制造复合晶片的方法的工艺。
[0033]图10图示了根据实施例的用于制造复合晶片的方法的工艺。
[0034]图11图示了根据实施例的用于制造复合晶片的方法的工艺。
[0035]图12图示了根据实施例的用于制造复合晶片的方法的工艺。
[0036]图13图示了根据实施例的用于制造复合晶片的方法的工艺。
【具体实施方式】
[0037]在下面的【具体实施方式】中，参照形成【具体实施方式】的一部分的附图，并且在附图中作为说明示出了可以实施本发明的特定实施例。在这一点上，诸如“顶”、“底”、“前”、“后”、“头”、“尾”等的方向术语是参照所描述的(一幅或多幅)附图的取向使用的。由于实施例的元件可以被定位在许多不同的取向上，因此方向术语用于说明的目的而决非进行限制。将理解，在不偏离本发明的范围情况下，可以利用其他实施例并且可以进行结构或逻辑的改变。因此，下面的【具体实施方式】不要被视为限制性意义，并且本发明的范围由所附权利要求限定。所描述的实施例使用特定的语言，其不应被解释为限制所附权利要求的范围。
[0038]将理解，除非另外具体指出，否则这里描述的各种示例性实施例的特征可以彼此组合。例如，被图示或描述为一个实施例的一部分的特征可以结合其他实施例的特征使用以产生另外的实施例。本描述旨在包括这些修改和变化。
[0039]如本说明书中使用的术语“横向”旨在描述与半导体基板的主表面平行的取向。
[0040]如本说明书中使用的术语“竖直”旨在描述被布置为与半导体基板的主表面垂直的取向。
[0041 ] 在本说明书中，半导体基板的第二表面被视为由下或背面表面形成而第一表面被视为由半导体基板的上、前或主表面形成。因此如本说明书中使用的术语“上方”和“下方”描述了在考虑该取向的情况下的结构特征相对于另一结构特征的相对位置。
[0042]在提到半导体器件时，意味着至少两端子器件，示例是二极管。半导体器件还可以是三端子器件，诸如场效应晶体管(FET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、结型场效应晶体管(JFET)以及闸流管(仅举几个例子)。半导体器件还可以包括不止三个端子。根据一个实施例，半导体器件是功率器件。集成电路包括多个集成器件。
[0043]这里描述的特定实施例涉及但不限于具有石墨芯的复合晶片，并且特别地涉及具有包括乱层或无定形或等静压石墨的石墨芯的复合晶片。
[0044]参照图1A至1J，描述了用于制造复合晶片13的方法的第一实施例。简言之，提供了具有第一面或第一表面11以及被布置为与第一面11相对的第二面或第二表面12的单晶半导体晶片10。半导体晶片10也可以是多晶硅晶片。复合晶片13还包括第一面13a和第二面13b。第一面13a在图中被取向为顶部，而第二面13b被取向为底部。除非另外说明，否则术语复合晶片13的第一面13a和第二面13b不必意味着给定层的特定表面，而是通常描述复合晶片13的各个面，与设置在一个面上的实际材料或层无关。
[0045]半导体晶片10可以由适用于制造半导体器件的任何半导体材料制成。这些材料的示例包括但不限于:元素半导体材料，诸如娃(Si