用于晶圆接合的方法和化合物半导体晶圆

技术领域

本发明总体上涉及晶圆接合的方法以及可由这种方法获得的化合物半导体晶圆。

背景技术

每个半导体器件都包括至少一个半导体管芯。然而，对于特定应用来说，使用化合物半导体器件(即，具有相互机械和/或电耦合的至少两个管芯的器件)可能是有益的。例如，远程LIDAR应用可受益于使用红外光，以避免对人眼有害。然而，硅(最常用的半导体材料)不能用于提供在红外光谱中敏感的高效光学半导体器件。代替地，锗是用于这种器件的合适材料，因此可希望将基于锗的检测器或发射器与基于硅的控制器进行组合。提供这种化合物器件的常用方法会遇到高复杂性、工艺低效和/或高成本的问题。晶圆接合的改进方法以及改进的化合物半导体器件可有助于解决这些和其他问题。

本发明所基于的问题通过独立权利要求的特征得以解决。从属权利要求中描述了进一步的优选示例。

发明内容

各方面涉及一种用于晶圆接合的方法，该方法包括：提供包括第一主面的半导体晶圆；在半导体晶圆中制造至少一个半导体器件，其中半导体器件被布置在第一主面处；在半导体晶圆中生成沟槽和腔体，使得至少一个半导体器件仅通过至少一个连接柱连接到半导体晶圆的其余部分；将半导体晶圆布置在载体晶圆上，使得第一主面面对载体晶圆；将至少一个半导体器件连接到载体晶圆；以及通过断开至少一个连接柱将半导体器件从半导体晶圆移除。

各方面涉及一种化合物半导体器件，包括：第一半导体管芯，包括第一主面、相对的第二主面以及连接第一和第二主面的侧面，其中第一半导体器件由第一半导体管芯提供；第二半导体管芯，包括第一主面，其中第一和第二半导体管芯的第一主面彼此面对，其中第二半导体器件由第二半导体管芯提供；以及共晶接合，布置在第一主面之间，并将第一和第二半导体管芯机械地相互耦合，其中第一半导体管芯包括位于第二主面和/或侧面上的至少一个机械断裂区域。

附图说明

附图例示了示例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。根据以下详细描述，将容易理解本公开的其他示例和许多预期优点。附图的元素不一定相对于彼此成比例。相同的参考标号表示相应的相似部分。

图1示出了化合物半导体器件的截面图，该器件包括通过接合相互附接的两个半导体管芯，其中一个半导体管芯包括机械断裂区域。

图2(包括图2A-图2F)示出了根据晶圆接合的示例性方法的处于各制造阶段的化合物半导体器件的截面图。

图3(包括图3A-图3E)示出了在半导体晶圆中生成沟槽和腔体的示例性方法。

图4(包括图4A和图4B)示出了又一示例性半导体晶圆，其中，将半导体晶圆耦合到晶圆其余部分的连接柱沿晶圆的侧面布置。

图5示出了在至少一个半导体晶圆已经从晶圆分离出来之后再使用半导体晶圆的示例性方法。

图6示出了又一示例性半导体管芯的俯视图，该半导体管芯包括用于生成与另一半导体管芯的机械连接的第一焊盘以及用于提供与另一半导体管芯的电气连接的单独的第二焊盘。

图7示出了包括化合物半导体器件的半导体模块的截面图。

图8是用于晶圆接合的示例性方法的流程图。

具体实施方式

在下面的详细描述中，参考所描述的附图的方向来使用方向术语，诸如“顶部”、“底部”、“左”、“右”、“上”、“下”等。由于本公开的部件可定位在许多不同的方向上，因此方向术语仅用于说明目的。

此外，在详细描述或权利要求书中使用术语“包括”、“具有”、“拥有”或其其他变体的情况下，这些术语旨在以类似于术语“包括”的方式包括在内。可以使用术语“耦合”和“连接”及其衍生词。应理解，这些术语可用于指示两个元件相互配合或相互作用，无论它们是直接物理接触还是电接触，或者它们彼此不直接接触；可在“接合的”、“附接的”或“连接的”元件之间提供介入元件或层。然而，“接合的”、“附接的”或“连接的”元件也可以彼此直接接触。此外，术语“示例性”仅指示例，而不是最佳或最优的。

下面提到的半导体管芯可具有接触焊盘(或电极)，其允许与包括在半导体管芯中的集成电路进行电接触。电极可全部布置在仅半导体管芯的一个主面上或半导体管芯的两个主面上。它们可包括一个或多个电极金属层，电极金属层被施加于半导体管芯的半导体材料。半导体管芯可接合至载体。载体可以是用于封装的(永久性)器件载体。载体可包括任何种类的材料或者由任何种类的材料组成，例如陶瓷或金属材料、铜或铜合金或铁/镍合金。

晶圆接合的有效方法以及节能化合物半导体器件可例如减少一种或多种材料消耗、欧姆损耗、化学废物等，并由此能够实现能源和/或资源节约。因此，本说明书中指定的晶圆接合的改进方法以及改进的化合物半导体器件可至少间接地促进绿色技术解决方案，即，提供缓解能源和/或资源使用的气候友好解决方案。

图1示出了化合物半导体器件100，其包括第一半导体管芯110、第二半导体管芯120以及将第一和第二半导体管芯110、120机械地相互耦合的接合部130。

第一半导体管芯110包括第一主面111、相对的第二主面112以及连接第一和第二主面111、112的侧面113。第一半导体管芯110包括位于第二主面112和/或一个或多个侧面113上的至少一个机械断裂区域160。此外，第一半导体器件140由第一半导体管芯110提供。

第二半导体管芯120包括第一主面121，其中，第一和第二半导体管芯110、120的第一主面111、121彼此面对。第二半导体管芯120还可以包括与第一主面121相对的第二主面122。此外，第二半导体器件150由第二半导体管芯120提供。

接合部130被布置在第一主面111、121之间，并将第一和第二半导体管芯110、120机械地相互耦合。

化合物半导体器件100可以是任何类型的器件，例如传感器器件、光学器件、集成电路器件、功率器件等。例如，第一半导体器件140和/或第二半导体器件150可包括晶体管电路、LED、二极管(例如，齐纳二极管)、集成电路，驱动电路、功率半导体器件、传感器、发射器、光学半导体器件、LIDAR器件、红外器件等。根据一个示例，第一半导体器件140是发射器或传感器，而第二半导体器件150是第一半导体器件140的控制器或驱动器。

第一和第二半导体管芯110、120可包括相同的半导体材料或不同的半导体材料，或者由相同的半导体材料或不同的半导体材料组成。例如，第一和第二半导体管芯110、120可包括Si、Ge、GaAs、GaN、SiC等，或者由Si、Ge、GaAs、GaN、SiC等组成。根据一个示例，第一半导体管芯110包括Ge或由Ge组成，而第二半导体管芯120包括Si或由Si组成。

如图1的示例所示，例如，第一和第二半导体器件140、150可布置在相应的第一主面111、121处。然而，也可以将第一和/或第二半导体器件140、150布置在相应半导体管芯110、120中的任何其他合适位置。

第一和第二半导体管芯110、120可具有任何合适的尺寸。相对侧面113之间测量的宽度可以为500μm或更大、1mm或更大、5mm或更大、或者10mm或更大。例如，第一和第二半导体管芯110、120可各自具有在第一和第二主面111、112、第一和第二主面121、122之间测量的厚度，为20μm或更大、50μm或更大、100μm或更大、200μm或更大、500μm或更大、或者1mm或更大。第一和第二半导体管芯110、120不是必须具有如图1的示例所示的相同尺寸。相反，例如，第一半导体管芯110可小于第二半导体管芯120。

第一和第二半导体管芯110、120可包括半导体单晶材料，并且它们可例如进一步包括外延层和/或氧化物层。例如，氧化物层可布置在相应的第一主面111、121处。断裂区域160可布置在半导体单晶材料中。在先前的制造状态下(例如，在分离之前)，至少一个断裂区域160可以是第一半导体管芯110已经连接到半导体晶圆的区域。根据一个示例，在第二主面112上布置一个或多个断裂区域160，但在侧面113上未布置断裂区域160。根据另一示例，在侧面113上布置一个或多个断裂区域160，但在第二主面112上未布置断裂区域160。根据又一示例，断裂区域160布置在第二主面112和至少一个侧面113上。

至少一个断裂区域160可具有任何合适的尺寸和任何合适的形状。例如，断裂区域160的宽度可以在第一半导体管芯110的宽度的大约百分之一到大约一半的范围内，例如，大约十分之一或大约四分之一。例如，断裂区域160可具有基本圆形形状、矩形形状、二次形状(quadratic shape)等。例如，单个断裂区域160可基本布置在第二主面112的中间，或者两个或更多个断裂区域160可布置成任何合适的几何图案，例如对称图案。例如，至少一个断裂区域160可包括不超过第二主面112和/或侧面113的表面积的50％，或不超过30％，或不超过10％。

接合部130可以是提供足够机械强度和/或低电阻的任何合适类型的接合。例如，接合部130可为共晶接合、焊料接合、包括导电粘合剂的接合等。在接合部130为共晶接合的情况下，其可以包括Al-Ge共晶合金(例如，Al含量在60at％至90at％的范围内，或者其可例如包括49wt％的Al和51wt％的Ge)。共晶接合的Al含量可由布置在第二半导体管芯120的第一主面121上的Al层(例如，结构化Al层)提供。例如，(结构化)Al层可布置在第二半导体管芯110的氧化物层内或氧化物层的顶部。根据一个示例，(结构化)Al层具有500nm至2μm范围内的厚度，例如约800nm、约1μm、约1.4μm或约1.6μm。共晶接合的Ge含量可由第一半导体管芯110的半导体材料提供。接合部130可具有任何合适的厚度和任何合适的形状。

参考图2A至图2F，示出了用于晶圆接合的方法。例如，该方法可在化合物半导体器件100的制造期间使用。

如图2A所示，提供了半导体晶圆200，其包括第一主面201。在半导体晶圆200中制造至少一个第一半导体器件140，使得第一半导体器件140布置在第一主面201处。换言之，半导体晶圆200可包括至少一个尚未分离的第一半导体管芯110。

例如，半导体晶圆200可包括Ge或任何其他合适的半导体材料，或者由Ge或任何其他合适的半导体材料组成，如上面关于第一半导体管芯110所描述的。在第一主面201和相对的第二主面202之间测量的半导体晶圆200的厚度可远大于第一半导体管芯110的厚度，例如大于五倍、大于十倍或大于100倍。

如图2B所示，在半导体晶圆200中生成沟槽210和腔体220，使得至少一个第一半导体管芯110仅通过至少一个连接柱230连接到半导体晶圆200的其余部分。例如，至少一个连接柱230可以是半导体晶圆200的半导体单晶的一部分。

沟槽210可横向布置在半导体管芯110旁边，并可将相邻半导体管芯110彼此分离。腔体220可布置在至少一个半导体管芯110的第二主面112下方。沟槽210和腔体220可彼此连接，使得半导体管芯110在侧面113和第二主面112上被沟槽210和腔体220完全包围，除了至少一个连接柱230。

制造沟槽210和/或腔体220可包括在半导体晶圆200中蚀刻多个凹坑，然后退火半导体晶圆200，使得多个凹坑形成腔体220。参照图3A-图3E更详细地描述该工艺。

如图2C所示，半导体晶圆200被布置在载体晶圆240上，使得第一主面201面对载体晶圆240。例如，载体晶圆240可包括Si或任何其他合适的半导体材料，或者由Si或任何其他合适的半导体材料组成，如上面关于第二半导体管芯120所描述的。然而，载体晶圆240不是必须包括半导体材料。在这种情况下，例如，载体晶圆240可包括玻璃晶圆或由玻璃晶圆组成。

载体晶圆240可包括面向半导体晶圆200的第一主面241。接合材料层250可布置在第一主面241上。接合材料层250可以是结构化层或非结构化层。例如，接合材料层250可以是金属层。例如，在共晶接合用于将半导体管芯110附接到载体晶圆240的情况下，接合材料层250可包括Al层。在使用焊接的情况下，接合材料层250可包括焊接材料。在使用胶合的情况下，接合材料层250可包括(导电)粘合剂。

载体晶圆240可包括至少一个第二半导体器件150，其可例如布置在第一主面241处。每个第二半导体器件150可直接与相应的第一半导体器件140相对布置。

将半导体晶圆200布置在载体晶圆240上方可包括：将至少一个第一半导体器件140与至少一个第二半导体器件150对准。半导体晶圆200和载体晶圆240上的对准特征可用于以所需精度对准晶圆200、240。

如图2D所示，将至少一个第一半导体器件140(或至少一个第一半导体管芯110)附接到载体晶圆240，从而形成接合部130。例如，这可以包括共晶接合或焊接或胶合。至少一个第一半导体管芯110可通过接合部130仅机械地耦合到载体晶圆240，或者可通过接合部130机械且电气地耦合到载体晶圆240(意味着第一和第二半导体器件140、150通过接合部130彼此电耦合)。

如图2E所示，通过断开至少一个连接柱230，从半导体晶圆200移除至少一个第一半导体器件140(或至少一个第一半导体管芯110)。例如，至少一个连接柱230可通过施加机械力而断裂。例如，简单地分开半导体晶圆200和载体晶圆240可断开连接柱230。备选地，半导体晶圆200可被震动，或者机械或超声波引起的振动可用于断开连接柱。

接合部130的强度可大于连接柱230的强度，使得当至少一个连接柱230断裂时，至少一个第一半导体管芯110在载体晶圆240上牢固地保持在位。例如，连接柱230的强度或稳定性可通过选择特定柱厚度或柱直径进行调整。

图2F示出了可选的分离工艺，其中，从载体晶圆240分离出至少一个第二半导体晶圆120(第一半导体晶圆110附接至其)。分离可包括沿切割线260切割载体晶圆240。具体地，分离不包括切割半导体晶圆200，因为通过断开至少一个连接柱230，已经从半导体晶圆200分离出至少一个第一半导体管芯110。

如图2A-图2F所示，多个第一半导体管芯110可同时布置在载体晶圆240上并附接到载体晶圆240，并且多个第一半导体管芯110也可通过断开相应的连接柱230而同时从半导体晶圆200中分离出来。然而，也可以仅单个第一半导体管芯110被布置在载体晶圆240上并附接到载体晶圆240。换句话说，图2A-图2F所示的晶圆接合的方法可以或者可以不结合批量工艺。

例如，在半导体晶圆200中包括的多个第一半导体晶圆110中只有一个或几个特定的第一半导体晶圆110附接到载体晶圆240的情况下，可以仅在该/这些第一半导体晶圆110下选择性地制造接合部130。

根据一个示例，可以在从半导体晶圆200移除至少一个第一半导体晶圆110之后抛光至少一个第一半导体晶圆110的第二主面112。在这种情况下，第二主面112不包括断裂区域160。

参照图3A-图3E，描述在半导体晶圆200中生成沟槽210和腔体220的示例性方法。例如，针对Si晶圆的示例，在US 2014/0097521 A1中更详细地描述了这种方法。

如图3A所示，在半导体晶圆200中生成多个凹坑300，例如通过各向异性蚀刻。这可以包括将光刻胶层310(例如，有机光刻胶或类似氧化物的无机光刻胶)施加于半导体晶圆200并且图案化光刻胶层310(例如，通过光刻手段)。然后，将凹坑300蚀刻到半导体晶圆200中不受图案化光刻胶层310保护的那些部分中。

例如，凹坑300可具有约1μm至约10μm的深度d。例如，凹坑300可具有约0.1μm至约1μm的宽度w。例如，相邻凹坑300可布置为约0.1μm至约1μm的间隔x1，例如约0.5μm。然而，在应创建连接柱230的区域中，相邻凹坑300可布置为第二间隔x2，其中x2>x1。例如，x2可约为0.9μm或更大。根据一个示例，x2等于或小于3μm，或等于或小于2.5μm，或等于或小于2μm。

如图3B所示，移除光刻胶层310，并对半导体晶圆200应用退火工艺。由于凹坑300内暴露表面上原子的表面扩散率增加，退火工艺导致凹坑300的形状变化。图3C示出了图3B所示制造状态的半导体晶圆200的一部分的向下视图。

如图3D所示，在进一步退火后，凹坑300的球状底部部分合并形成腔体220，而凹坑300的顶部部分可完全封闭。连接柱230保留在凹坑300以间隔x

例如，退火工艺可在以下条件下进行：约900℃至约1150℃的范围内的温度；约1Torr至约760Torr的范围内的压力，尤其是约10Torr至约30Torr的范围内的压力；退火时间可在约1min至约60min的范围内；退火期间可使用氢气气氛。

如图3E所示，沟槽210可被蚀刻到半导体晶圆200中。此时，第一半导体管芯110仅通过至少一个连接柱230物理连接到半导体晶圆200的其余部分。

图4A和图4B示出了又一半导体晶圆400，其可类似于半导体晶圆200或与其相同，除了以下描述的差异。图4A示出了截面图，而图4B示出了俯视图。

在半导体晶圆400中，连接柱230布置在第一半导体芯片110的侧面113上，而不是像半导体晶圆200中那样布置在第二主面112上。例如，连接柱230可布置在两个相对的侧面113上或全部四个侧面113上。

图5示出了在至少一个第一半导体管芯110已经如图2E所示被分离之后再使用半导体晶圆200的示例性方法。

如图5所示，研磨工艺(例如，CMP)可用于研磨掉第一主面201上的残余物，并重新平坦化半导体晶圆200。随后，可清洁半导体晶圆200，并且可以在半导体晶圆200中制造一个或多个新的第一半导体器件140和相应的第一半导体管芯110。例如，从半导体晶圆200研磨掉不超过约500μm，这意味着可以多次重复使用一个特定半导体晶圆200，显著降低了制造成本。

图6示出了又一第二半导体管芯600的第一主面601的俯视图。除下文所述的差异外，又一第二半导体管芯600可类似于第二半导体管芯120或与其相同。

又一第二半导体管芯600包括接合焊盘610和与接合焊盘610不同的多个电连接焊盘620。接合焊盘610可用于制造接合部130，接合部130仅机械地将第一和第二半导体管芯110、120彼此耦合。电连接焊盘620可用于制造第一和第二半导体器件140、150之间的电连接。换句话说，化合物半导体器件100的半导体管芯110、600之间的机械耦合和电耦合被分开。

根据另一示例，接合焊盘610电耦合到第二半导体器件150，并且通过在接合焊盘610处形成接合部130而在第一和第二半导体管芯110、600之间提供电连接和机械连接。在这种情况下，电连接焊盘620提供附加的电连接。

图7示出了包括化合物半导体器件100的示例性半导体模块700。半导体模块700包括布置在第一半导体管芯110的第二主面112上方的光学滤波器710。例如，半导体模块700可进一步包括在第一半导体管芯110的第一主面111下方布置在第二半导体管芯120上的反射器720。例如，半导体模块700的第一半导体管芯110可包括光学传感器或LED，并且第二半导体管芯120可例如是被配置为控制第一半导体管芯110的CMOS管芯。半导体模块700可包括如封装、载体、外部接触等的附加部件。

图8是用于晶圆接合的方法800的流程图。方法800包括以下动作：在801中，提供包括第一主面的半导体晶圆；在802中，在半导体晶圆中制造至少一个半导体器件，其中，半导体器件被布置在第一主面处；在803中，在半导体晶圆中生成沟槽和腔体，使得至少一个半导体器件仅通过至少一个连接柱连接到半导体晶圆的其余部分；在804中，将半导体晶圆布置在载体晶圆上，使得第一主面面对载体晶圆；在805中，将至少一个半导体器件附接到载体晶圆；以及在806中，通过断开至少一个连接柱从半导体晶圆移除半导体器件。

示例

以下，使用具体示例进一步描述用于晶圆接合的方法和化合物半导体器件。

示例1是一种用于晶圆接合的方法，该方法包括：提供包括第一主面的半导体晶圆；在半导体晶圆中制造至少一个半导体器件，其中半导体器件被布置在第一主面处；在半导体晶圆中生成沟槽和腔体，使得至少一个半导体器件仅通过至少一个连接柱连接到半导体晶圆的其余部分；将半导体晶圆布置在载体晶圆上，使得第一主面面对载体晶圆；将至少一个半导体器件附接到载体晶圆；以及通过断开至少一个连接柱将半导体器件从半导体晶圆移除。

示例2是根据示例1的方法，其中，生成包括：在半导体晶圆中蚀刻多个凹坑，然后对半导体晶圆进行退火，使得多个凹坑形成腔体。

示例3是根据示例1或2的方法，其中，附接包括共晶接合。

示例4是根据示例3的方法，其中，在断开至少一个连接柱期间，至少一个半导体器件通过共晶接合保持原位。

示例5是根据示例3或4的方法，其中，共晶接合包括形成Al-Ge共晶合金。

示例6是根据前述示例之一的方法，其中，半导体晶圆包括Ge或由Ge组成，并且载体晶圆包括Si或玻璃或者由Si或玻璃组成。

示例7是根据前述示例之一的方法，其中，至少一个连接柱具有的直径不超过2μm。

示例8是根据前述示例之一的方法，其中，至少一个连接柱由半导体晶圆的半导体材料组成。

示例9是根据前述示例之一的方法，其中，至少一个连接柱在至少一个半导体器件的正下方被布置在腔体中。

示例10是根据示例1至8之一的方法，其中，至少一个连接柱被布置在与至少一个半导体器件横向相邻的沟槽之一中。

示例11是根据前述示例之一的方法，其中，断开至少一个连接柱包括将半导体晶圆提离载体晶圆。

示例12是根据前述示例之一的方法，进一步包括：在载体晶圆中制造至少一个又一半导体器件；以及将至少一个又一半导体器件电耦合到至少一个半导体器件。

示例13是根据示例12的方法，其中，当至少一个半导体器件被附接到载体晶圆时，至少一个又一半导体器件被耦合到至少一个半导体器件。

示例14是一种化合物半导体器件，包括：第一半导体管芯，包括第一主面、相对的第二主面以及连接第一和第二主面的侧面，其中，第一半导体器件由第一半导体管芯提供；第二半导体管芯，包括第一主面，其中，第一和第二半导体管芯的第一主面彼此面对，第二半导体器件由第二半导体管芯提供；以及共晶接合，布置在第一主面之间，并将第一和第二半导体管芯彼此机械耦合，其中，第一半导体管芯包括位于第二主面和/或侧面上的至少一个机械断裂区域。

示例15是根据示例14的化合物半导体器件，其中，第一半导体器件是光学器件，第二半导体器件是被配置为控制或驱动第一半导体器件的控制器件或驱动器件。

示例16是一种设备，包括用于执行根据示例1至13之一的方法的装置。

虽然本公开已经就一个或多个实施方式进行了说明和描述，但在不脱离所附权利要求书的精神和范围的情况下，可以对所示示例进行更改和/或修改。特别是关于由上述部件或结构(组件、装置、电路、系统等)执行的各种功能，除非另有说明，否则用于描述此类部件的术语(包括对“手段”的引用)旨在对应于执行所述部件的指定功能的任何部件或结构(例如，功能等效)，即使在结构上不等同于在本公开的示例性实施中执行该功能的所公开结构。