[发明专利]临时半导体结构键合方法和相关的键合半导体结构

说明书

技术领域

本发明总体上涉及在形成三维半导体结构中有用的临时半导体裸片和/或晶片键合方法、使用临时半导体裸片和/或晶片键合方法形成的中间结构以及在临时半导体晶片键合方法中使用的包括离子注入区的半导体裸片和/或晶片。

背景技术

两个或更多个半导体结构的三维(3D)集成可以对微电子应用产生多种益处。例如，对微电子组件的3D集成可以获得改善的电性能和功耗，同时减少器件覆盖区域的面积。例如参见P.Garrou等人的“The Handbook of 3D Integration，”Wiley-VCH(2008)。

半导体结构的3D集成可以通过将半导体裸片附接到一个或更多个其它的半导体裸片(即，裸片到裸片(D2D))、将半导体裸片附接到一个或更多个半导体晶片(即，裸片到晶片(D2W))以及将半导体晶片附接到一个或更多个其它的半导体晶片(即，晶片到晶片(W2W))或它们的组合来进行。

已经开发出多个工艺步骤以方便形成3D集成的半导体结构，这些工艺步骤例如包括单独半导体结构的电连接、将一个或更多个半导体结构薄化以及单独半导体结构的对准和键合等。具体地说，可能由于多个原因而对包括3D集成的半导体结构中的一个或更多个半导体结构进行薄化，这些原因例如包括改善散热和降低电阻。但是，通过将构成3D集成的半导体结构的一个或更多个半导体结构薄化而可以产生的好处也可能引入工艺的复杂化，例如，半导体结构可能由于变薄而变得易碎，并且因而可能在使用现有器件和材料的处理期间易于受到断裂、破裂或其他损害的影响。

针对该问题提出的一个解决方案是将诸如半导体晶片的半导体结构键合到如另一个晶片(例如，承载晶片)的加强基片，以在半导体晶片的处理(例如，薄化)期间提供机械强度。将半导体晶片键合到加强基片的工艺常常被称为“晶片键合”。在处理半导体晶片后，加强基片可以与半导体分开。

例如，使用粘合剂材料将半导体晶片临时接合到加强基片。粘合剂材料承受了在半导体晶片的处理期间与将半导体晶片和加强基片保持在一起有关的力。此外，粘合剂材料和加强基片可以充当机械支承，以在半导体晶片的处理期间为半导体晶片提供结构稳定性。已经使用诸如聚酰亚胺、苯并环丁烯(BCB)、和光刻胶的许多旋涂的非晶态聚合物作为晶片键合的粘合剂材料。

但是，在提高的温度下，粘合剂材料可能不稳定，这可以能限制可以执行半导体器件制造的温度。此外，在升高的温度下，可以从这些粘合剂材料释放出溶剂或溶剂蒸汽。该工艺常常被称为“除气”。除气可以导致在粘合剂材料中形成气泡或空隙。这样的气泡或空隙可以导致半导体晶片和加强基片之间的不均匀接合，并可以损害接合的完整性。在半导体晶片处理后，使用化学去除工艺(例如，在溶剂中溶解)来完全去除粘合剂材料。化学去除工艺可能是耗时的，并对半导体器件以及在半导体晶片上形成的集成电路器件有害。因而，如果在将半导体晶片临时接合到加强基片时中使用粘合剂接合，则粘合剂接合可能是有问题的。

在处理期间为半导体晶片提供支承的另一种方法包括以下步骤：使用所谓的“直接”晶片键合工艺，将两个半导体基片直接键合在一起。直接的晶片键合工艺常规地用于形成受到三维(3D)器件集成的高级IC的制造所关注的绝缘体上半导体(SeOI)结构(例如，绝缘体上硅(SOI)结构)。在常规的直接晶片键合工艺中，可以在至少一个晶片上形成表面氧化层。接着，将表面氧化层键合到另一个晶片表面上的硅材料或另一种氧化物材料。例如，半导体晶片上的氧化物材料的表面可以与加强基片的表面相接触，并且这两个结构可以通过原子和/或分子粘附而键合在一起。为了实现两个半导体晶片之间的键合，半导体晶片应该具有与表面化学性质(即，亲水性和疏水性)相符的低表面粗糙度，并且应该至少大体上没有灰尘和其他碎片。

发明内容

在一些实施方式中，本公开包括制造半导体结构的方法。在第一基片上形成包括的集成电路的至少一部分的第一半导体结构。将离子注入到承载晶片中以在所述承载晶片内形成弱化区域。将所述承载晶片直接键合到所述第一半导体结构的第一侧。在将所述承载晶片附接到所述第一半导体处理的同时处理所述第一半导体结构，所述承载晶片用于操作所述第一半导体结构。将包括集成电路的至少一部分的第二半导体结构直接键合到所述第一半导体结构的第二侧，所述第二侧与所述第一半导体结构的被直接键合所述承载晶片的所述第一侧相反。沿所述承载晶片中的所述弱化区域将来自所述承载晶片的材料层与所述承载晶片的其余部分分开。