專利名稱：鍵合半導體結構及其形成方法
技術領域：
本發明的實施例一般地涉及形成半導體結構的方法及采用這種方法形成的作為結果的結構，更具體地涉及鍵合半導體結構及其形成方法。
背景技術：
兩個或多個半導體結構的三維(3D)集成可以對微電子應用產生許多好處。例如，微電子元件的3D集成可以產生改進的電性能和功率消耗，同時減少器件覆蓋區的面積。例 如參見 P. Garrou 等人的 “The Handbook of 3D Integration” (Wiley VCH(2008) ) 半導體結構的3D集成可以通過許多方法來實現，例如，將一個或多個半導體層轉移到處理的半導體結構，其可以包括多個器件結構。將半導體層轉移到處理的半導體結構可以通過將施主結構的一部分轉移到處理的半導體結構來實現，其采用例如離子注入、鍵合以及分離的方法。施主結構的被轉移部分可以經受進一步處理，例如，在其中產生另外的器件結構，其可以與下面的器件結構集成。然而，形成處理的半導體結構以及將施主結構的一部分轉移到處理的半導體結構中涉及的處理可能對鍵合半導體結構的質量產生不利影響。應該注意的是，半導體結構的3D集成可以如下發生將半導體模具附著到一個或多個另外的半導體模具(即，模具到模具(D2D))，半導體模具到一個或多個半導體晶片(即，模具到晶片(D2W))，以及半導體晶片到一個或多個另外的半導體晶片(S卩，晶片到晶片(W2W))，或其組合。
發明內容
本發明的實施例可以提供用于形成半導體結構的方法及結構，更具體地提供用于形成鍵合半導體結構的方法及結構。提供該總結，以以一種簡化的形式來引入概念選擇，其在本發明的實施例的詳細描述中進行進一步描述。該總結不旨在識別要求的主題的關鍵特征或必要特征，也不旨在用于限制要求的主題的范圍。因此，在本發明的一些實施例中，形成半導體結構的方法可以包括，將施主結構的一部分轉移到處理的半導體結構，并形成包含一個或多個非平面表面的鍵合半導體結構。非晶形膜可以形成在至少該鍵合半導體結構的一個或多個非平面表面之上，并且，可以將該非晶形膜平面化，以形成一個或多個平面化表面。使該非晶形膜平面化可以包含，去除該非晶形膜在該一個或多個非平面表面中的至少一個凹處外面的一部分，保留該非晶形膜在該一個或多個非平面表面中的至少一個凹處內的一部分。在本發明的另外的實施例中，形成半導體結構的方法可以包括，在半導體結構上或中形成多個器件結構，以產生包含非平面主表面和非平面側表面的處理的半導體結構。施主結構至少大體由單晶半導體材料組成的一部分可以被轉移到該處理的半導體結構的非平面主表面，以形成具有非平面主表面和非平面側表面的鍵合半導體結構。非晶形膜可以形成在該鍵合半導體結構的非平面側表面和非平面主表面之上，并且至少鍵合半導體結構的非平面主表面可以通過選擇性地去除非晶形膜的部分來被平面化。本發明的實施例也可以包括通過本文描述的方法形成的半導體結構。在本發明的一些實施例中，半導體結構包括具有非平面主表面和非平面側表面的鍵合半導體結構，并且非晶形膜布置在鍵合半導體結構的非平面側表面和非平面主表面之上。鍵合半導體結構可以包括包含非平面主表面和非平面側表面的處理的半導體結構，并且單晶施主結構的一部分附著到該處理的半導體結構的非平面主表面。在本發明的一些實施例中，半導體結構包含具有非平面主表面和非平面側表面的鍵合半導體結構，并且多個重結晶晶體材料區域布置在該鍵合半導體結構的非平面側表面和非平面主表面的谷區之上。鍵合半導體結構可以包括包含多個器件結構、非平面主表面 和非平面側表面的處理的半導體結構。鍵合半導體結構也可以包括單晶施主結構附著到該處理的半導體結構的非平面主表面的一部分。根據下面的詳細描述，本發明的另外的實施例的單元的進一步的方面、細節和可選組合將會變得顯而易見。
通過參考下面對本發明實施例的詳細描述、本發明具體實施例的說明性實例，以及附圖，可以更充分理解本發明的實施例，附圖中圖1A-1G示意性地示出形成鍵合半導體結構的本發明的實例實施例。圖2A-2F示意性地示出形成鍵合半導體結構的本發明的另外的實例實施例。
具體實施例方式本文呈現的說明不是任何具體材料、裝置、系統或方法的實際視圖，而僅僅是用于描述本發明的實施例的理想化表示。本文采用的標題僅是為了清楚，而沒有任何的有意限制。本文引用許多參考文獻。不管本文中怎么表現引用的參考文獻，其都不被公認為相對于本文要求的主題的本發明的現有技術。如本文采用的，術語“半導體結構”指的是并且包括包含半導體材料和形成半導體器件中采用的任何結構。半導體結構例如包括塊狀半導體材料體(比如，半導體模具和晶片)和組合或復合結構，其包括半導體材料和一個或多個其它材料(比如金屬和/或在其上的絕緣體)的層或區域。半導體結構也包括完全制造式半導體器件和制造半導體器件期間形成的中間結構。如本文采用的，術語“處理的半導體結構”指的是并且包括包含一個或多個至少部分形成的器件結構的任何半導體結構。如本文采用的，術語“器件結構”指的是并且包括半導體結構的任何部分，即包括或至少限定由半導體結構形成的半導體器件的有源或無源元件的一部分。例如，器件結構包括集成電路的有源和無源元件，比如，晶體管、換能器、電容器、電阻器、導電線、導電過孔和導電接觸墊。如本文采用的，術語“鍵合半導體結構”指的是并且包括包含附著在一起的兩個或多個半導體結構的任何結構。本發明的實施例包含形成半導體結構的方法及結構，更具體地包含包括鍵合半導體結構的半導體結構及形成這種半導體結構的方法。鍵合半導體結構可以包括處理的半導體結構，其包括多個器件結構和由處理的半導體結構承載(比如鍵合到)的施主結構的被轉移部分。鍵合結構也可以包括一個或多個非平面表面，并且本發明的實施例也包括該一個或多個非平面表面的平面化和在平面化表面內的另外數量器件結構的形成。這種另外的器件結構可以與處理的半導體結構的器件結構互相電連接。這種方法和結構可以用于各種目的，比如，3D集成過程和3D集成結構。下面參考圖1A-1G來描述本發明的實例實施例。圖IA示出處理的半導體結構100結構100。處理的半導體結構100可以包括許多器件結構104和一個或多個非平面表面，比 如非平面主表面106 (例如，頂表面)和非平面側表面108。更詳細地，本發明的實施例可以通過形成包括一個或多個非平面表面的處理的半導體結構100來進行。該一個或多個非平面表面可以包括非平面主表面106和非平面側表面108。形成處理的半導體結構100可以包含將許多器件結構104制造在半導體結構110中。該許多器件結構104可以包含，例如，切換結構(例如晶體管等)，發光結構(例如激光二極管、發光二級管等)，光接收、發射或導向結構(例如波導管、分流器、混頻器、光電二極管、太陽能電池、太陽能子電池等)和微型機電系統結構(例如加速計、壓力傳感器等)中的一個或多個。用于制造該許多器件結構104的方法可以產生處理的半導體結構100，處理的半導體結構100包括非平面主表面106和非平面側表面108。非平面表面106、108的布局可以包含多個峰區112和多個谷區114。用于制造該許多器件結構104的方法可以包含，例如，平版印刷、蝕刻、清潔、離子注入、鍵合、沉積、處理和金屬化中的一個或多個。處理的半導體結構100可以包含許多層和材料。處理的半導體結構100可以包含半導體材料，比如，硅、鍺、碳化硅、III族砷化物、III族磷化物、III族氮化物和III族銻化物中的一個或多個。處理的半導體結構100也可以包括非半導體材料，其中非半導體材料用于與半導體材料共同制造器件結構。與半導體材料共同利用的非半導體材料可以包括導電材料(例如，金屬材料)，比如，鈷、釕、鎳、鉭、氮化鉭、氧化銦、鎢、氮化鎢、氮化鈦、銅和鋁中的一個或多個。另外，與半導體材料共同利用的非半導體材料可以包括絕緣材料(例如，介電材料)，比如，聚酰亞胺、苯并環丁烯(BCB )、氮化硼、碳化硼氮化物、多孔硅酸鹽、二氧化硅、氮化硅、其它氧化物、其它氮化物及其混合物中的一個或多個。參考圖1B，可以將一部分施主結構116轉移到處理的半導體結構100的非平面主表面106。如下面的更詳細討論，施主結構116的被轉移部分可以用于制造額外的f器件結構，其可以與處理的半導體結構100的器件結構104相互電連接。圖IB示出鍵合半導體結構118，其包含處理的半導體結構100和施主結構116。施主結構116可以包含如針對處理的半導體結構100所描述的材料和結構。在一些實施例中，施主結構116可以包含單晶半導體材料，其中，單晶半導體材料可以選自于例如硅、鍺、碳化硅、III族砷化物、III族磷化物、III族氮化物和III族銻化物。
為了將一部分施主結構116轉移到處理的半導體結構100的非平面主表面106，可以將施主結構116的表面120附著到處理的半導體結構100的非平面主表面106。將施主結構116附著到處理的半導體結構100，可以采用例如，沿著在處理的半導體結構100的非平面主表面106和施主結構116的鄰接面120之間的非連續鍵合界面122的鍵合過程。關于鍵合半導體結構的進一步的信息，參見例如，Tong等人的名稱為“Semiconductor wafer bonding:recent developments，，(Materials, Chemistryand Physics 37101 1994)、Christiansen 等人的名稱為 “Wafer DirectBonding:FromAdvanced Substrate Engineering to Future Applications in Micro/Nanoelectronics” (Proceedings of the IEEE 94 12 2060 2006)的期刊出版物。非平面主表面106的布局可以 產生在施主結構116和處理的半導體結構100的非平面主表面106之間的非連續鍵合界面122。這種非連續鍵合界面122可以包含許多鍵合區124和許多未鍵合區126。非連續鍵合界面122的鍵合區124可以包含處理的半導體結構100的非平面主表面106的峰區112，其鍵合到施主結構116的表面120，非連續鍵合界面122的未鍵合區126可以包含處理的半導體結構100的非平面主表面106的谷區114。將施主結構116附著到處理的半導體結構100的非平面主表面106時，可以使施主結構106變薄，以將附著的施主結構116的厚度減少到隨后過程(例如，用于將器件結構制造在一部分施主結構116內的過程)期望的值。更詳細地，可以使施主結構116變薄，以便施主結構的一部分116a由處理的半導體結構100承載(例如附著到)，施主結構的剩余部分116b不由處理的半導體結構100承載。可以通過從施主結構116在其與非平面主表面106相對的側上去除材料來使施主結構116變薄。可以利用許多方法，比如，蝕刻、拋光、磨削、激光發射和化學機械拋光中的一種或多種來執行將施主結構116變薄。根據另一個非限制性實例，業內已知的SMART⑶T 過程可以用于使施主結構116變薄。這種過程在例如，Bruel的美國專利No. RE39，484(2007年2月6日授權)、Aspar等人的美國專利No. 6，303，468(2001年10月16日授權)、Aspar等人的美國專利No. 6，335，258(2002年I月I日授權)、Moriceau等人的美國專利No. 6，756，286 (2004年6月29日授權)、Aspar等人的美國專利No. 6，809，044 (2004年10月26日授權)和Aspar等人的美國專利No. 6，946，365 (2005年9月20日授權)中被詳細描述。簡潔地，根據這些實施例，可以通過將離子128通過施主結構116的表面注入到施主結構116使得施主結構116變薄，以在施主結構116內形成弱化帶130。可以在將施主結構116鍵合到處理的半導體結構100之前，在施主結構116內形成弱化帶130。在形成弱化帶130時，并且在將施主結構116附著到處理的半導體結構100以形成鍵合半導體結構118之后，可以使半導體結構118的溫度加熱到高溫(例如，大約100°C之上)，并保持在該高溫一段時間足以使注入的離子在弱化帶130內融合并且足以在施主結構116內形成多個微腔和/或包裹物。然后可以給施主結構116供應額外的能量，以促進施主結構116 —般沿弱化帶130的破裂，以便施主結構116的部分116b從施主結構116的部分116a和處理的半導體結構100分離。圖IC示出鍵合半導體結構132，其中，鍵合半導體結構132包含處理的半導體結構100和由處理的半導體結構100通過非連續鍵合界面122承載的施主結構的部分116a。由于在施主結構116和處理的半導體結構100之間存在未鍵合區126 (參見圖1B)，其間的鍵合強度可能不足以沿著弱化帶130產生清潔的平面破裂。結果，可能將施主結構的非連續部分116a轉移到處理的半導體結構100，并由其承載。換句話說，在破裂過程期間，在施主結構116和處理的半導體結構100之間的未鍵合區126可能阻止未鍵合區126附近的弱化帶130處的破裂，從而破裂表面是非平面的，并且沿著一些區域中的弱化帶而不沿著在其他區域中的未鍵合區126延伸。如圖IC中所示，將施主結構的一部分116a不完全轉移到處理的半導體結構100可以產生具有非平面主表面134的鍵合半導體132。更詳細地，非平面主表面134的布局包含多個峰區136和多個谷區138。多個凹處140可以布置在多個谷區138之上并且凹處延伸到多個谷區138 (即，非平面主表面134的低地勢區域)，其中，凹處140根據意愿與以前由施主結構116不被轉移到處理的半導體結構100的部分占據的空間體積對應。相反地，施主結構被轉移到處理的半導體102的部分116a包含或限定多個峰區136。最大峰谷距離可以定義為最低地勢谷區138和最高地勢峰區136之間的最大垂直距離。例如，圖IC的插圖示出非平面主表面134的最低地勢谷區 138'和最高地勢峰區136'。峰區136'和谷區138'之間的垂直距離可以定義為最大峰谷距離PV_。圖ID示出鍵合半導體結構142，其包含形成在圖IC的鍵合半導體結構132之上的非晶形膜144。非晶形膜144遍布在鍵合半導體結構132上，包括在非平面主表面134和非平面側表面108之上。非晶形膜144的平均厚度為D1，并且可以包含一個或多個非晶形材料層。這些非晶形材料可以包括，例如，硅、鍺、碳化硅、III族砷化物材料、III族磷化物材料、III族氮化物材料和III族銻化物材料中的一個或多個。可以利用許多方法中的任一種，來將非晶形膜144形成在非平面主表面134和非平面側表面108中的所有或部分之上。例如，可以利用沉積方法，比如化學氣相沉積(CVD)，來形成非晶形膜144。許多CVD方法是本領域內已知的，并且可以用于產生非晶形膜144。這些CVD方法可以包括常壓CVD (APCVD)JgSCVD (LPCVD)和超高真空CVD (UHCVD)0在本發明的一些實施例中，可以利用低溫CVD方法來形成非晶形膜144。這些方法可以包括，例如，LPCVD和等離子體輔助的CVD方法中的一個或多個，例如，次常壓CVD (SACVD)、微波等離子體輔助的CVD (MPCVD)、等離子體增強的CVD (PECVD)和遠距等離子體增強的CVD(RPECVD)0可以在本發明的一些實施例中利用用于沉積非晶形膜144的LPCVD和等離子體輔助的CVD方法，以提供低溫沉積過程。可以利用低溫沉積過程，以便防止處理的半導體結構100中存在的器件結構104退化。因此，在本發明的一些實施例中，可以在低于大約400°C的溫度處形成非晶形膜144。在本發明的另外的實施例中，可以在低于大約500°C的溫度處形成非晶形膜144，然而，在本發明的更多實施例中，可以在低于大約600°C的溫度處形成非晶形膜144。如在圖ID中示出的，可以將非晶形膜144保形沉積在鍵合半導體結構132的非平面主表面134和非平面側表面108之上。非晶形膜144的保形沉積可以用于填塞(即，至少大體填滿)非平面主表面134的多個凹處140和布置在非平面側表面108的谷區114之上的多個凹處。然而，由于保形膜的厚度可以為D1,并且其在整個非晶形膜144上是大體統一的，采用保形沉積過程來填塞鍵合半導體結構132的非平面表面中的凹處可以導致非晶形膜144本身具有非平面表面，比如，在非晶形膜144與處理的半導體結構100相對的側上的非平面主表面146。換句話說，可以以這種方式來沉積非晶形膜144，使得非晶形膜144的材料大體上保留圖IC的鍵合半導體結構132在下面的非平面表面的布局。在本發明的一些實施例中，非晶形膜144的平均厚度可以為D1，其中，D1大于圖IC的鍵合半導體結構132的非平面表面的最大峰谷距離PVmax。可以將厚度D1選擇為大于PVfflax,以便多個凹處140和在谷區114上面的多個凹處可以至少大體由非晶形膜144填塞。圖IE示出鍵合半導體結構148，其包含圖IC的鍵合半導體結構132，并且可以通過使圖ID的鍵合半導體結構142的非晶形膜144的一個或多個表面平面化來形成。因此，圖IE的鍵合半導體結構148包括一個或多個平面化表面，包括例如，平面化主表面134'。更詳細地，可以以這種方式來處理非晶形膜144，使得非晶形膜144的非平面性大體被去除，產生一個或多個平面化表面(例如,平面化鍵合表面134' )。平面化鍵合表面134'包含施主 結構的一部分116a和非晶形膜的剩余部分144'。許多方法可以用于平面化非晶形膜144，以形成一個或多個平面化表面。例如，可以利用蝕刻過程、磨削過程和拋光過程中的一個或多個來執行平面化過程。在本發明的一些實施例中，可以利用化學機械拋光(CMP)過程來執行平面化過程。可以選擇CMP過程條件，具體地泥漿研磨和化學，以便以這樣的方式來減少非晶形膜144的非平面性，從而提供平面化主表面134'和平面化側表面108'中的一個或多個。在本發明的一些實施例中，如圖IE中所示，可以選擇性地去除非晶形膜144的一部分(例如通過CMP方法)，以便非晶形膜的剩余部分144'布置在多個凹處140和布置在谷區114之上的多個凹處中。圖IF示出鍵合半導體結構150，其包含鍵合半導體結構132、施主結構的一部分116a和重結晶材料區域144''。重結晶材料區域144''可以通過熱處理和使非晶形膜的剩余部分144'重結晶來形成，其中非晶形膜的剩余部分144'布置在多個凹處140和布置在圖IE的鍵合半導體結構148中的谷區114之上的多個凹處中。在本發明的一些實施例中，非晶形膜的剩余部分144'可以通過加熱過程來進行熱處理，其中，加熱過程將非晶形膜的剩余部分144'的溫度提高到至少足以促進非晶形材料重結晶的溫度。將非晶形膜的剩余部分144'加熱到至少足以促進非晶形材料重結晶的溫度，可以形成許多重結晶材料區域144''。重結晶材料區域144''可以包含例如，大量納米晶體材料、大量多結晶材料和單晶中的一個或多個。許多方法可以用于形成重結晶材料區域144''。通過實例，并非限制，非晶形膜的剩余部分144'可以包含非晶硅，并且熱處理可以包含激光退火、紅外線燈加熱、快速熱退火和感應電流焦耳加熱中的一個或多個。在一些實施例中，施主結構的部分116a可以至少大體由單晶材料組成，其可以作為重結晶期間到非晶形膜的剩余部分144'的種子材料，以便非晶形膜144'的微粒并入并且是施主結構116a的單晶的一部分。在這些實施例中，在重結晶材料區域144''和施主結構116a之間可以不存在明顯的分界線。如果在高于器件開始退化的臨界溫度的溫度處執行重結晶過程的熱處理，那么存在于處理的半導體結構100內的器件結構104可能被損壞。因此，在本發明的一些實施例中，在低于大約400°C的溫度處執行將非晶形膜的剩余部分144'加熱到至少足以促進材料重結晶的溫度。在另外的實施例中，在低于大約500°C的溫度處為了重結晶執行將非晶形膜的剩余部分144'加熱，然而，在本發明的更進一步實施例中，在低于大約600°C的溫度處為重結晶執行將非晶形膜的剩余部分144'加熱。
當將非晶形膜的剩余部分144'加熱到足以促進非晶形材料重結晶的溫度時，鍵合半導體結構150的溫度被降低。因而產生的鍵合半導體結構150可以包含單晶、納米晶體和多結晶材料中的一個或多個，并且可以包含大體平面的主表面134''。在一些實施例中，這種半導體結構可能適于將額外的器件結構制造在施主結構的部分116a內(包括制造在重結晶材料區域144''內)。圖IG示出鍵合半導體結構152，其可以通過將額外的器件結構154制造在圖IF的鍵合半導體結構150的施主結構的部分116a內(包括制造在重結晶材料區域144''內)來形成。如圖IG中所示，形成在施主結構的部分116a內的器件結構154 (包括在重結晶材料區域144''內的)可以采用電傳導互連器156與在處理的半導體結構100內的器件結構104互相電連接。互連器156可以包含例如導電過孔。可以利用類似于針對形成器件結構104而描述的那些方法的方法來形成另外的器件結構154。如以前針對處理的半導體結構100而描述的，制造另外的器件結構154以形成圖IG的鍵合半導體結構152，可以導致在鍵合半導體結構152中形成一個或多個非平面 表面，比如，非平面主表面158和非平面側表面160。制造另外的器件結構154可以包括形成互連器156。互連器可以為在處理的半導體結構100中的器件結構104和另外的器件結構154之間的互連提供路線。下面參考圖2A-2E來描述本發明的另外的實施例。在圖2A-2E中示出的實施例與以前參考圖1A-1G描述的那些實施例類似。然而，在圖2A-2E的實施例中，將另外的施主結構附著到利用圖1A-1G的方法而形成的鍵合半導體結構152 (圖1G)。從另外的施主結構轉移到半導體結構152的材料可以為在那里制造另外的器件結構而經受進一步的處理。另外的器件結構可以與鍵合半導體結構152的器件結構相互連接，從而產生另一個3D集成結構。參考圖2A-2E描述的本發明的實施例可以從圖IG的鍵合半導體結構152開始。鍵合半導體結構152包括一個或多個非平面表面，包括例如，非平面主表面158和非平面側表面160。圖2A示出鍵合半導體結構218，其可以通過將另一個施主結構216附著到(圖IG的)鍵合半導體結構152來形成。鍵合半導體結構152和另外的施主結構216可沿著非連續鍵合界面222彼此附著。鍵合半導體結構152的非平面主表面158可被附著到施主結構216的表面220。可以以如同以前關于施主結構116而描述的方式來使施主結構216變薄。例如，可以將離子228注入到施主結構216，以在那里形成弱化帶230。然后，施主結構116沿著弱化帶230破裂，以將施主結構216變薄到期望厚度。圖2B示出鍵合半導體結構232，其包括將施主結構216變薄使得施主結構的一部分216a由鍵合半導體結構218承載之后的圖2A的鍵合半導體結構218。施主結構的部分216a和多個未轉移區域240可以導致在鍵合半導體結構232上形成非平面主表面234。圖2C示出另一個鍵合半導體結構242，其可以通過在圖2B的鍵合半導體結構232之上形成非晶形膜244來形成。可以采用以前描述的方法來形成非晶形膜244。非晶形膜244可以包括非平面主表面246。當形成非晶形膜244時，可以將非晶形膜244平面化，以形成一個或多個平面化表面，比如，如圖2D中所示的鍵合半導體結構248的平面化主表面234'。形成一個或多個平面化表面可以包括例如，利用比如以前提到的那些方法。例如，化學機械拋光過程可以用于將非晶形膜244平面化。非晶形膜的剩余部分244'可被熱處理(如圖2D中所示)。例如，非晶形膜的剩余部分244'可以承受熱處理，其中熱處理包含在其中非晶形膜的剩余部分244'可以被加熱到足以促進非晶形膜重結晶的溫度的加熱過程，從而形成許多如圖2E中所示的重結晶材料區域244''。因此，如圖2E中所示的鍵合半導體結構250可以包括平面化主表面234' (包含施主結構的一部分216a)和許多重結晶材料區域144''。圖2F示出鍵合半導體結構252，其可以通過在施主結構的部分216a和重結晶材料區域144''中制造另外的器件結構204來形成。另外的器件結構204可以覆蓋器件結構154，其中器件結構154可以轉而覆蓋器件結構104。多個互連器256和156可以形成在器件結構204、器件結構154和器件結構104之間，從而在鍵合半導體結構252內形成多個相互連接的器件結構。 應該理解的是，根據本發明的實施例還可以附著并處理更多施主結構，以制造包含另外的器件結構的鍵合半導體結構，其中，每個單獨的處理的半導體結構的器件結構可以與鍵合半導體結構的其他處理的半導體結構的器件結構相互連接。SM下面列出本發明的非限制性實例實施例。應該理解的是，在下面的實例中，參數(例如，材料，結構等)僅用于示例性目的，并不限制本發明的實施例。參考圖1A，處理的半導體結構100包含互補金屬氧化物半導體(CMOS)結構，包括多個晶體管器件結構104。CMOS處理的半導體結構100可以由半導體結構110制造，其中除了非半導體材料之外(比如，二氧化硅，氮化硅和金屬化材料)，半導體結構包含單晶硅。用于制造CMOS處理的半導體結構100的過程包括例如，蝕刻過程、沉積過程、平版印刷過程和處理過程。這些過程導致非平面主表面106和非平面側表面108。提供包含單晶硅襯底的施主結構116 (如圖IB中所示)。硅施主結構116被注入離子，比如，氫、氦、氮離子中的一個或多個，以在硅施主結構116內形成弱化帶130。包括弱化帶130的硅施主結構116被通過鍵合過程附著到CMOS處理的半導體結構100。鍵合過程可以包括將一個或多個鍵合輔助層(未示出)沉積在一個或兩個鍵合表面上。例如，鍵合輔助層可以提供在硅施主結構116的表面120和CMOS處理的半導體結構100的非平面主表面106至少之一上。鍵合過程包括放置CMOS處理的半導體結構100的非平面主表面106，使其與硅施主結構116的表面120密切接觸。還應用壓力和熱過程，以改進鍵合結構之間的鍵合強度。當將CMOS處理的半導體結構100附著到硅施主結構116時，還供應熱能量，以促進硅施主結構沿著弱化帶130破裂并分離。如圖IC中所示，由于CMOS處理的半導體結構100的非平面主表面106，硅施主結構的非連續部分116a被轉移并由CMOS處理的半導體結構100承載，導致形成鍵合半導體結構132。非平面主表面134被形成，其中，非平面主表面134包括硅施主結構的一部分116a和凹處140。利用低壓化學氣相沉積(LPCVD)過程和硅烷氣(SiH4)作為先驅體，在低于400°C的溫度處，將非晶形硅膜144沉積在鍵合半導體結構132之上。沉積的非晶形硅膜144的平均厚度為D1,以便凹處140和谷區114之上的凹處由非晶形硅膜144填塞(如圖ID中所示)。如圖IE中所示，隨后利用化學機械拋光過程來將非晶形硅膜144的表面146平面化，并選擇性地去除非晶形硅膜144的非平面性、產生平面化主表面134'。(圖IE的)鍵合半導體結構148經受加熱過程，以在低于500°C的溫度處使鍵合半導體結構148退火。退火過程用于促進非晶形硅膜的剩余部分144''重結晶，并且形成多個重結晶硅區域144''。隨后的過程重復用于形成CMOS處理的半導體結構100的制造過程，以制造另外的器件結構154，包括另外的晶體管。制造過程包括形成許多互連器156，以便器件結構154與器件結構104相連接，從而形成3D集成結構。下面描述本公開的另外的非限制性實例實施例。實施例I :形成半導體結構的方法，包括將施主結構的一部分轉移到處理的半導體結構，并形成包含一個或多個非平面表面的鍵合半導體結構； 在鍵合半導體結構的至少一個或多個非平面表面之上形成非晶形膜；以及將非晶形膜平面化，以形成一個或多個平面化表面，包括去除非晶形膜在一個或多個非平面表面中的至少一個凹處外面的部分；以及保留非晶形膜在一個或多個非平面表面中的至少一個凹處內的部分。實施例2 :實施例I的方法，其中將施主結構的該一部分轉移到處理的半導體結構包含將施主襯底的該一部分沿著在該一部分和處理的半導體結構的非平面表面之間的非連續鍵合界面，鍵合到處理的半導體結構的非平面表面；以及通過從施主結構在其與處理的半導體結構的非平面表面相對的側上去除材料，來使施主結構變薄。實施例3 :實施例2的方法，其中，使施主結構變薄，還包含將離子注入到施主結構，以在施主結構內形成弱化帶；以及使施主結構在弱化帶處破裂，使施主結構的另一部分從鍵合到處理的半導體結構的非平面表面的施主結構的部分分開。實施例4 :實施例I到3的任何一種的方法，其中，將施主結構的該一部分轉移到處理的半導體結構包含，將施主結構分非連續部分轉移到處理的半導體結構。實施例5 :實施例I到4的任何一種的方法，其中，在鍵合半導體結構的至少一個或多個非平面表面之上形成非晶形膜包含，采用化學氣相沉積過程在低于400°C的溫度處沉積非晶形膜。實施例6 :實施例I到5的任何一種的方法，其中，使非晶形膜平面化包含，對非晶形膜進行化學和機械拋光。實施例7 :實施例I到6的任何一種的方法，還包含對非晶形膜在一個或多個非平面表面中的至少一個凹處內的部分進行加熱，加熱到至少足以促進非晶形膜在一個或多個非平面表面中的至少一個凹處內的部分重結晶的溫度；以及在施主結構被轉移到處理的半導體結構的部分上或中形成一個或多個器件結構。實施例8 :實施例7的方法，還包含使在施主結構被轉移到處理的半導體結構的部分上或中的一個或多個器件結構的至少一個器件結構與處理的半導體結構的至少一個器件結構互相電連接。實施例9 :實施例I到8的任何一種的方法，還包含將另一個施主結構的一部分轉移到鍵合半導體結構，以形成另一個鍵合半導體結構，其中，該另一個鍵合半導體結構包括一個或多個非平面表面；在該另一個鍵合半導體結構的至少該一個或多個非平面表面之上形成另一個非晶形膜；以及使該另一個非晶形膜平面化，以形成該另一個鍵合半導體結構的一個或多個平面化表面，包含去除該另一個非晶形膜在該另一個鍵合半導體結構的該一個或多個非平面表面中的至少一個凹處外面的一部分；以及保留該另一個非晶形膜在該另一個鍵合半導體結構的該一個或多個非平面表面 中的該至少一個凹處內的一部分。實施例10 :實施例I到9的任何一種的方法，還包含形成該處理的半導體結構，以包含非平面主表面和非平面側表面；將該施主結構選擇為至少大體由單晶半導體材料組成；以及在將該施主結構的一部分轉移到該處理的半導體結構并形成該鍵合半導體結構之前，在該處理的半導體結構上或中形成多個器件結構；其中，轉移該施主結構的一部分包含，將施主結構的一部分轉移到該處理的半導體結構的該非平面主表面，以形成該鍵合半導體結構，該鍵合半導體結構具有非平面主表面和非平面側表面；以及其中，形成該非晶形膜包含，在該鍵合半導體結構的該非平面側表面和該非平面主表面之上形成該非晶形膜。實施例11 :一種形成半導體結構的方法，包含在半導體結構上或中形成多個器件結構，以產生處理的半導體結構，其中，該處理的半導體結構包含非平面主表面和非平面側表面；將施主結構的至少大體由單晶半導體材料組成的一部分轉移到該處理的半導體結構的該非平面主表面，以形成具有非平面主表面和非平面側表面的鍵合半導體結構；在該鍵合半導體結構的該非平面主表面和該非平面側表面之上形成非晶形膜；以及通過選擇性地去除該非晶形膜的部分，來使至少該鍵合半導體結構的非平面主表面平面化。實施例12 :實施例11的方法，還包含，將該施主結構選擇為至少大體由單晶半導體材料組成。實施例13 :實施例11或權利要求12的方法，還包含，將該施主結構選擇為至少大體由單晶硅組成。實施例14 :實施例11到13的任何一種的方法，還包含，將該非晶形膜選擇為至少大體由非晶硅組成。實施例15 :實施例11到14的任何一種的方法，還包含將該非晶形膜的一個或多個剩余部分進行加熱，加熱到至少足以促進該非晶形膜的該一個或多個剩余部分重結晶的溫度，以及在該施主結構的被轉移部分上或中，形成多個器件結構。實施例16 :實施例15的方法，還包含，使在該施主結構的被轉移部分上或中的至少一個器件結構與該處理的半導體結構的至少一個器件結構互相電連接。實施例17 : —種半導體結構，包含鍵合半導體結構，其具有非平面主表面和非平面側表面，該鍵合半導體結構包含處理的半導體結構，其包含非平面主表面和非平面側表面；以及附著到該處理的半導體結構的非平面主表面的單晶施主結構的一部分；以及 布置在該鍵合半導體結構的該非平面側表面和該平面主表面之上的非晶形膜。實施例18 :實施例17的半導體結構，其中，該處理的半導體結構的非平面主表面包含多個峰區和多個谷區，該單晶施主結構的該一部分附著到該處理的半導體結構的非平面主表面的該多個峰區。實施例19 :實施例18的半導體結構，其中，該非晶形膜布置在該處理的半導體結構的非平面主表面的該多個谷區之上。實施例20 :實施例15到19的任何一種的半導體結構，其中，該單晶施主結構本質
由硅組成。實施例21 :實施例17到20的任何一張的半導體結構，其中，該非晶形膜本質由非晶硅組成。實施例22 : —種半導體結構，包含鍵合半導體結構，其具有非平面主表面和非平面側表面，該鍵合半導體結構包含處理的半導體結構，其包含多個器件結構、非平面主表面和非平面側表面；附著到該處理的半導體結構的非平面主表面的單晶施主結構的一部分，以及布置在該鍵合半導體結構的非平面側表面和非平面主表面的谷區之上的多個重結晶晶體材料區域。實施例23 :實施例22的半導體結構，其中，該多個重結晶晶體材料區域至少大體填滿該處理的半導體結構的非平面主表面中的凹處。實施例24 :實施例22或實施例23的半導體結構，其中，布置多個器件結構，使其至少部分在該多個重結晶晶體材料區域的至少一些區域內。實施例25 :實施例24的半導體結構，其中，至少部分布置在該多個重結晶晶體材料區域的至少一些區域內的器件結構之一，與該處理的半導體結構的多個器件結構中的至少一個器件結構互相電連接。 由于上面描述的本發明的實施例僅是本發明的實施例的實例，所以這些實施例不限制本發明的范圍，本發明的范圍由所附權利要求和其法律對等物的范圍限定。任何對等實施例旨在位于本發明的范圍內。確實，除了本文示出并描述的那些之外，根據說明書，對本發明的各種修改，比如描述的單元的可選有用組合，將會對于本領域技術人員來說變得顯而易見。這些修改也旨在落在所附權利要求的范圍之內。本文采用的標題和圖例僅用于清楚和方便。
權利要求
1.一種形成半導體結構的方法，包含 將施主結構的一部分轉移到處理的半導體結構，并形成包含一個或多個非平面表面的鍵合半導體結構； 在所述鍵合半導體結構的至少所述一個或多個非平面表面之上形成非晶形膜；以及 使所述非晶形膜平面化，以形成一個或多個平面化表面，包含 去除所述非晶形膜在所述一個或多個非平面表面中的至少一個凹處外面的一部分；以及 保留所述非晶形膜在所述一個或多個非平面表面中的至少一個凹處內的一部分。·
2.根據權利要求I所述的方法，其中，將施主結構的一部分轉移到處理的半導體結構包含 將離子注入到所述施主結構，以在所述施主結構內形成弱化帶；以及使所述施主結構在所述弱化帶處破裂，并使所述施主結構的另一部分從所述施主結構鍵合到所述處理的半導體結構的非平面表面的一部分分開。
3.根據權利要求I所述的方法，其中，將施主結構的一部分轉移到處理的半導體結構包含將所述施主結構的非連續部分轉移到所述處理的半導體結構。
4.根據權利要求1-3中的任一項所述的方法，還包含 對所述非晶形膜在所述一個或多個非平面表面中的至少一個凹處內的一部分進行加熱，至少加熱到足以促進所述非晶形膜在所述一個或多個非平面表面中的至少一個凹處內的一部分重結晶的溫度；以及 在所述施主結構被轉移到所述處理的半導體結構的一部分上或在所述施主結構被轉移到所述處理的半導體結構的一部分中，形成一個或多個器件結構。
5.根據權利要求4所述的方法，還包含使在所述施主結構被轉移到所述處理的半導體結構的一部分上或在所述施主結構被轉移到所述處理的半導體結構的一部分中的所述一個或多個器件結構的至少一個器件結構，與所述處理的半導體結構的至少一個器件結構互相電連接。
6.根據權利要求1-3中的任一項所述的方法，還包含 將另一個施主結構的一部分轉移到所述鍵合半導體結構，以形成包括一個或多個非平面表面的另一個鍵合半導體結構； 在所述另一個鍵合半導體結構的至少所述一個或多個非平面表面之上，形成另一個非晶形膜；以及 使所述另一個非晶形膜平面化，以形成所述另一個鍵合半導體結構的一個或多個平面化表面，包含 去除所述另一個非晶形膜在所述另一個鍵合半導體結構的一個或多個非平面表面中的至少一個凹處外面的一部分；以及 保留所述另一個非晶形膜在所述另一個鍵合半導體結構的一個或多個非平面表面中的至少一個凹處內的一部分。
7.根據權利要求I所述的方法，還包含 形成所述處理的半導體結構，以包含非平面主表面和非平面側表面； 將所述施主結構選擇為至少大體由單晶半導體材料組成；在將所述施主結構的一部分轉移到所述處理的半導體結構并形成所述鍵合半導體結構之前，在所述處理的半導體結構上或在所述處理的半導體結構中形成多個器件結構；其中，轉移所述施主結構的一部分包含，將施主結構的一部分轉移到所述處理的半導體結構的非平面主表面，以形成所述鍵合半導體結構，所述鍵合半導體結構具有非平面主表面和非平面側表面； 其中，形成所述非晶形膜包含，在所述鍵合半導體結構的非平面側表面和非平面主表面之上形成所述非晶形膜。
8.根據權利要求7所述的方法，還包含，將所述施主結構選擇為至少大體由單晶硅組成。
9.根據權利要求7或權利要求8所述的方法，還包含，將所述非晶形膜選擇為至少大體由非晶硅組成。
10.—種半導體結構,包含 具有非平面主表面和非平面側表面的鍵合半導體結構，所述鍵合半導體結構包含處理的半導體結構，所述處理的半導體結構包含非平面主表面和非平面側表面；和單晶施主結構附著到所述處理的半導體結構的非平面主表面的一部分；和非晶形膜，所述非晶形膜布置在所述鍵合半導體結構的非平面側表面和非平面主表面之上。
11.根據權利要求10所述的半導體結構，其中，所述處理的半導體結構的非平面主表面包含多個峰區和多個谷區，所述單晶施主結構的所述一部分附著到所述處理的半導體結構的非平面主表面的所述多個峰區。
12.根據權利要求11所述的半導體結構，其中，所述非晶形膜布置在所述處理的半導體結構的非平面主表面的所述多個谷區之上。
13.—種半導體結構,包含 具有非平面主表面和非平面側表面的鍵合半導體結構，所述鍵合半導體結構包含處理的半導體結構，所述處理的半導體結構包含多個器件結構、非平面主表面和非平面側表面； 單晶施主結構附著到所述處理的半導體結構的非平面主表面的一部分，以及多個重結晶晶體材料區域，所述多個重結晶晶體材料區域布置在所述鍵合半導體結構的非平面側表面和非平面主表面的谷區之上。
14.根據權利要求13所述的半導體結構，其中，所述多個重結晶晶體材料區域，至少大體填滿所述處理的半導體結構的非平面主表面中的凹處。
15.根據權利要求13或14所述的半導體結構，其中，多個器件結構至少部分布置在所述多個重結晶晶體材料區域的至少一些區域內。
16.根據權利要求15所述的半導體結構，其中，至少部分布置在所述多個重結晶晶體材料區域的至少一些區域內的所述器件結構的至少一個器件結構，與所述處理的半導體結構的多個器件結構的至少一個器件結構互相電連接。
全文摘要
形成半導體結構的方法包括將施主結構的一部分(116a)轉移到處理的半導體結構(102)，其中，處理的半導體結構包括至少一個非平面表面。非晶形膜(144)可以形成在鍵合半導體結構的至少一個非平面表面之上，并且該非晶形膜可被平面化，以形成一個或多個平面化表面。半導體結構包括具有至少一個非平面表面的鍵合半導體結構，并且非晶形膜布置在該至少一個非平面表面之上。鍵合半導體結構可以包括處理的半導體結構和單晶施主結構附著到該處理的半導體結構的非平面表面的一部分。
文檔編號H01L21/822GK102822970SQ201180017081
公開日2012年12月12日 申請日期2011年2月22日 優先權日2010年3月31日
發明者C·梅熱, B-Y·阮, M·佐高 申請人:Soitec公司