JP2012531052A - 亜鉛、シリコン、および、酸素に基づいた結合層を用いて結合する方法および対応する構造 - Google Patents
亜鉛、シリコン、および、酸素に基づいた結合層を用いて結合する方法および対応する構造 Download PDFInfo
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Abstract
本発明の実施形態は、２つかまたはそれ以上の要素（１０２、１１４）をお互いに接着するための少なくとも１つの結合層（１０６）を含む半導体構造を加工するための方法および構造に関する。少なくとも１つの結合層は、少なくとも実質的に、亜鉛、シリコン、および、酸素からなってもよい。
【選択図】 図１Ｄ
【選択図】 図１Ｄ
Description
本出願は、２００９年７月１７日に出願された米国特許仮出願第６１／２２６，３５３号明細書の出願日に基づく利益を主張するものである。
本発明の様々な実施形態は、半導体構造を加工するための方法および構造に関し、より詳細には、半導体構造の加工中に２つかまたはそれ以上の要素をお互いに接着するための結合層を形成するための方法および構造に関する。
多くの半導体構造は、所望の構造を製造するために２つかまたはそれ以上の要素をお互いに接着することによって、製造される。そのような接着方法は、例えば直接成長または直接堆積のような一般的な手段によって所望の構造を備える要素を容易に加工できない場合に使用されてもよい。
２つかまたはそれ以上の要素を接着することは、一般的には、結合技術を用いて実行される。そのような結合技術は、例えば、分子結合、溶融結合、金属結合、接着剤結合、はんだ結合、および、直接結合と一般的に呼ばれるいくつかの方法を含む。例えば、Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ３７：１０１（１９９４）に記載されたＴｏｎｇらの「Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｗａｆｅｒ ｂｏｎｄｉｎｇ： ｒｅｃｅｎｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ」、および、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ ９４ １２ ２０６０（２００６）に記載されたＣｈｒｉｓｔｉａｎｓｅｎらの「Ｗａｆｅｒ Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｉｎｇ： Ｆｒｏｍ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｔｏ Ｆｕｔｕｒｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ Ｍｉｃｒｏ／Ｎａｎｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ」などの刊行物を参照されたい。
要素をお互いに結合することは、一般的には、要素の少なくとも一方の表面上に結合層を形成することによって支援される。結合層の表面化学は、２つの要素のお互いの付着性を改善することができ、それによって、２つの要素を十分な結合エネルギーによって接着することができ、好ましくない早期剥離を伴うことなく、結合された半導体構造にさらなるプロセスを施すことを可能にする。
結合層は、例えば、導体（例えば、金属）、半導体、および、絶縁体を含む多数の材料を含んでもよい。より一般的な結合層の１つは、例えば、二酸化ケイ素のようなケイ酸塩を備え、この二酸化ケイ素表面の表面化学は、高い結合エネルギーを生成することのできるシラノール（Ｓｉ−ＯＨ）基を備えてもよい。しかしながら、絶縁結合層を使用することは、結合された要素間における電子の流れを妨げることがあり、このことは、２つかまたはそれ以上の要素間における電気伝導性を邪魔または妨害することがある。
２つの結合要素間における電子の流れすなわち電流は、金属結合層を使用することによって実現されてもよい。金属結合層は、例えば、銅または金のようないくつかの異なる金属材料を用いて製造されてきた。しかしながら、金属結合層の使用は、結合された構造を介して光を伝達するのを厳しく制限することがある。なぜなら、金属結合層は、金属層がある特定の厚さよりも厚い場合に、光の伝達を大きく妨げるからである。したがって、光学的構造、光電子的構造、または、太陽光発電構造に使用される要素のように使用中に光が伝達されるかもしれない要素を結合する場合、金属結合層は、適切なまたは理想的な結合材料ではないかもしれない。
本発明の様々な実施形態は、一般的には、半導体構造を加工するための方法および構造を提供し、この方法は、少なくとも実質的に亜鉛、シリコン、および、酸素からなる結合層を、第１の要素および第２の要素の少なくとも一方の表面上に設けるステップを備える。また、本発明のある特定の実施形態においては、この方法は、結合層を、第１の要素と第２の要素との間に配置するステップと、第１の要素と第２の要素との間に配置された結合層を用いて第１の要素と第２の要素とを結合界面においてお互いに接着するステップとを備える。
また、本発明の様々な実施形態は、上で簡単に説明された方法によって形成された半導体構造を含む。したがって、また、本発明の実施形態は、第１の要素および第２の要素と、第１の要素と第２の要素との間に配置されかつ第１の要素と第２の要素とをお互いに結合し、少なくとも実質的に、亜鉛、シリコン、および、酸素からなる少なくとも１つの結合層とを備える半導体構造を含む。
本発明の要素のさらなる態様および細部および別の組合せが、以下の詳細な説明から明らかとなり、それらのさらなる態様および細部および別の組合せは、同様に、本発明人の発明の範囲内に存在する。
添付の図面に示された本発明の例として役に立つ実施形態の以下に記述される詳細な説明を参照することによって、本発明をより完全に理解することができる。
本明細書で提供される説明は、ある特定の材料、装置、システム、または、方法の実際の概観を意図するものではなく、本発明を説明するのに使用される単なる理想的な表現を意図するものである。
本明細書では、項目が、本発明を理解するのを容易にするために使用され、そして、これらの項目は、本発明を限定することを意図したものではない。本明細書では、いくつかの参考文献が、引用される。さらに、本明細書では、引用されたどの参考文献も、上述したようなどのような特徴を有していても、本発明の主題に対する従来技術としては認められるものではない。
本発明の例としての実施形態が、図１Ａ〜図１Ｄを参照して、以下で説明される。図１Ａは、第１の要素１０２を備える半導体構造１００を示す。第１の要素は、多くの構造および材料を備えてもよい。例えば、第１の要素は、層構造、デバイス構造、および、結合された構造（２つかまたはそれ以上の層、デバイス、または、お互いに結合された層およびデバイスを含む構造）の少なくとも１つを備えてもよい。
より詳細には、層構造は、単一材料からなる少なくとも実質的に均質な層を備えてもよい。いくつかのそのような層構造は、当技術分野において自立基板（ＦＳ−ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）と呼ばれるものを含む。均質な材料は、例えば、単体材料または化合物材料を備えてもよく、また、導体（例えば、金属）、半導体、または、絶縁体であってもよい。いくつかの実施形態においては、均質な材料は、１つかまたはそれ以上のシリコン、ゲルマニウム、炭化ケイ素、III族ヒ素化合物、III族リン化合物、III族窒素化合物、III族アンチモン化合物、II−VI族化合物、金属、金属合金、サファイア、水晶、および、酸化亜鉛を備えてもよい。
さらなる実施形態においては、第１の要素１０２は、２つかまたはそれ以上の材料を含む不均質な構造を含む層構造を備えてもよい。そのような不均質な構造は、ベース基板上にテンプレート構造（例えば、半導体層のような）を含んでもよい。そのような実施形態においては、テンプレート構造およびベース基板は、上述したような材料を備えてもよい。さらに、層構造は、層スタックを形成するために、次々に重ねて成長させられ、堆積され、あるいは、配置された２つかまたはそれ以上の材料を含んでもよい。この場合にもやはり、そのような構造は、上述したような材料を含んでもよい。
本発明のさらなる実施形態においては、第１の要素１０２は、デバイス構造を備えてもよい。デバイス構造は、能動部品、受動部品、および、それらの部品の混合物を備えてもよい。デバイス構造は、例えば、スイッチング構造（例えば、トランジスタ、など）、発光構造（例えば、レーザー・ダイオード、発光ダイオード、など）、受光構造（例えば、導波路、スプリッタ、ミキサ、フォトダイオード、太陽電池、太陽電池サブセル、など）、微小電気機械システム構造（例えば、加速度計、圧力センサ、など）を備えてもよい。デバイス構造（すなわち、結合のための第１の要素）は、１つかまたはそれ以上のさらなる要素に結合されると機能性デバイス構造を生成する非機能性構成部品を備えてもよいことに注意されたい。また、デバイス構造を構成する材料は、上述したような材料を備えてもよいことに注意されたい。
本発明のまたさらなる実施形態においては、第１の要素１０２は、結合された構造を備えてもよく、この結合された構造においては、知られている方法および／または本明細書で説明されるような本発明の方法を用いて、２つかまたはそれ以上の要素が、お互いに接着されかつ結合される。
図１Ｂは、第１の要素１０２および結合層１０６を備える半導体構造１０４を示す。結合層１０６は、第１の要素１０２の表面１０８に隣接して形成されてもよい。結合層は、亜鉛、シリコン、および、酸素を備えてもよい。いくつかの実施形態においては、結合層は、基本的には、亜鉛、シリコン、および、酸素から構成されてもよい。いくつかの実施形態においては、結合層１０６は、化合物ＺｎＳｉＯを備えてもよく、このＺｎＳｉＯ化合物の化学量論的組成は、まったく限定されるものではない。
本発明のいくつかの実施形態においては、結合層１０６は、約１０ｎｍよりも大きい厚さｄ１（図１Ｂに示されるように）を有し、あるいは、さらなる実施形態においては、１５０ｎｍよりも大きい厚さｄ１を有し、あるいは、またさらなる実施形態においては、１０００ｎｍよりも大きい厚さｄ１を有する。ＺｎＳｉＯ結合層１０６の組成は、総厚さｄ１の大部分を通して少なくともほぼ一定であってもよく、あるいは、組成は、結合層１０６の所望される特性に応じて、厚さｄ１に沿って変化してもよい。例えば、結合層１０６は、表面１０８に隣接する厚さｄ２内において、ある組成を有してもよく、厚さｄ２の外部における結合層１０６の組成は、厚さｄ２内における結合層１０６の組成と同じものであってもよく、あるいは、厚さｄ２内における結合層１０６の組成と異なるものであってもよい。さらに、結合層１０６の結合表面１１０は、結合表面１１０の表面化学が結合層１０６をさらなる要素に接着するのを支援することができるような形で、処理されまたは形成されてもよい。
結合層１０６は、化学気相成長法（ＣＶＤ）（例えば、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）または分子線エピタキシー（ＭＢＥ））、物理的気相成長法（ＰＶＤ）（例えば、パルス・レーザー堆積法（ＰＬＤ）、電子ビーム蒸着法、または、スパッタリング）を含む多くの方法によって、第１の要素１０２の表面１０８上に形成されてもよい。例えば、Ｖｅｅｃｏ Ｃｏｍｐｏｕｎｄ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ，Ｉｎｃ．およびＳｔｒｕｃｔｕｒｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ，Ｉｎｃ．の両方は、ＺｎＳｉＯを堆積させるためのＣＶＤ反応器を製造している。例えば、２００６年１０月６日にＭｉｔｒｏｖｉｃらによって出願された米国特許出願第１１／５４４，０７５号明細書（２００７年６月１４日に公開された米国特許出願公開第２００７／０１３４４１９号明細書）および２００７年１０月１０日にＴｏｍｐａらによって出願された米国特許出願第１１／９７３，７６６号明細書（２００８年６月１９日に公開された米国特許出願公開第２００８／０１４２８１０号明細書）を参照されたい。
結合層１０６は、ＣＶＤ反応器（例えば、ＭＯＣＶＤ反応器）内おいて第１の要素１０２を配置することによって形成されてもよい。ジエチル亜鉛（Ｃ２Ｈ５）２Ｚｎが、結合層１０６の亜鉛成分のための前駆体として使用されてもよく、シランが、結合層１０６のシリコン成分のための前駆体として使用されてもよく、また、例えば、酸素のような酸化気体が、結合層１０６の酸素成分のための前駆体として使用されてもよい。反応器温度は、約４００℃から約７００℃までの間の温度に維持されてもよく、そして、チャンバ圧力は、約５Ｔｏｒｒから約２５Ｔｏｒｒまでの間に存在する圧力に維持されてもよい。
また、ＺｎＳｉＯは、パルス・レーザー堆積法（ＰＬＤ）を用いて形成されてもよい。例えば、第１の要素１０２が、真空チャンバ内に装填されてもよく、そして、レーザーが、ケイ酸亜鉛セラミックターゲットから材料をアブレーションするのに使用されてもよい。アブレーションされた材料は、要素１０２の表面１０８上にＺｎＳｉＯとして堆積させられてもよい。例えば、Ｔｈｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｆｉｌｍｓ ５１５：１８７７（２００６）に記載されたＹａｎらの「Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ Ｍｎ−ｄｏｐｅｄ−Ｚｎ２ＳｉＯ４ ｆｉｌｍｓ ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ ｏｎ ｓｉｌｉｃｏｎ ｂｙ ｐｕｌｓｅｄ ｌａｓｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ」という刊行物を参照されたい。
結合層１０６の組成を制御することに加えて、結合層１０６の導電率が、意図的な原子ドーピング（例えば、原子をドーピングすること）によって管理されてもよい。いくつかのドーパントが、当技術分野において知られており、ＺｎＯに基づいた材料またはＺｎＳｉＯ型材料内に意図的なドーピングをもたらす。例えば、ｎ型ドーピングが、トリメチルアルミニウム、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、などのような前駆体を用いて、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｎ、Ｐ、および、Ｓｂのようなドーパントを注入することによって、観察されている。さらなる実施形態においては、ＺｎＳｉＯに基づいた結合層１０６は、原子ドーパントを注入しなくても、導電性のあるものであってもよい。例えば、ＺｎＳｉＯにおける電気伝導性は、例えば、結晶格子内における原子空孔（ａｔｏｍｉｃ ｖａｃａｎｃｙ）のような、あるいは、結晶格子内における格子間空間（ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ ｓｐａｃｅ）内の原子の存在のような、ＺｎＳｉＯ材料の結晶格子内における自然欠陥（ｎａｔｉｖｅ ｄｅｆｅｃｔ）から得られてもよい。
図１Ｃは、第１の要素１０２、結合層１０６、および、第２の要素１１４を備える半導体構造１１２を示す。第２の要素１１４は、第１の要素１０２に関して上述したすべての構造、デバイス、および、材料を備えてもよい。本発明のこの実施形態においては、第２の要素１１４の表面１１６は、結合層１０６の結合表面１１０に結合されてもよい。第２の要素１１４の表面１１６と結合層１０６の結合表面１１０との間の十分な結合を助長するために、第２の要素１１４の表面１１６は、清浄されたものであってもよく、また、約１ｎｍよりも小さい二乗平均（ｒｍｓ）表面粗さを有してもよい。さらに、第２の要素１１４の表面１１６は、表面１１６の表面化学が結合層１０６の接触結合表面との分子付着を促進するように処理または形成されてもよい。
図１Ｄは、第１の要素１０２および第２の要素１１４を備える半導体構造１１８を示す。半導体構造１１８においては、第２の要素１１４は、第１の要素１０２と第２の要素１１４との間に配置された結合層１０６を介して、第１の要素１０２に結合される。結合層１０６を介して第１の要素１０２を第２の要素１１４に結合することは、結合界面１２０をもたらし、この結合界面１２０は、結合層１０６の結合表面１１０と第２の要素１１４の表面１１６との間の界面である。
結合層１０６を介して第１の要素１０２を第２の要素１１４に結合することは、分子付着によってもたらされてもよい（すなわち、接着剤、蝋、はんだ、などを使用することのない結合）。例えば、結合処理は、結合表面１１０および表面１１６は十分に滑らかでありかつ微粒子および汚染物が存在しないことを必要とするかもしれず、また、表面１１０と表面１１６との接触を開始するのを可能にするために、表面１１０および表面１１６はお互いに十分に近接していることを必要とするかもしれない（一般的には、５ｎｍよりも小さい距離だけ離れて）。そのように近接した状態に置かれると、結合表面１１０と表面１１６との間の引力は、分子付着を発生させるほど十分に大きなものとなる（結合されるべき２つの表面１１０、１１６の原子または分子間の電子的相互作用から得られるすべての引力（例えば、ファンデルワールス力）によってもたらされる結合）。
分子付着の開始は、一般的には、結合波が開始点から伝播するのをトリガするために、例えばテフロン（登録商標）スタイラスを用いて、別の要素に密着している要素に局所的圧力を加えることによって達成されてもよい。「結合波」という用語は、開始点から広がる結合または分子付着の前面を意味し、結合界面１２０における結合層１０６と第２の要素１１４との間の密着した表面全体にわたる開始点からの引力の伝搬に対応するものである。
本発明のいくつかの実施形態においては、結合界面１２０に隣接する結合層１０６の組成は、シリコンおよび酸素から少なくとも実質的に構成されてもよい。より詳細には、結合界面１２０に隣接する結合層１０６の組成は、実質的に、シリコンおよび酸素から構成されてもよい。例えば、結合層１０６の組成は、実質的に、表面１１０に隣接しまた結合界面１２０に隣接する距離ｄ２内における酸化シリコンから構成されてもよい。結合層１０６の一部分は基本的には酸化シリコンから構成されてもよいと表現する場合、これは、結合表面１１０に隣接する酸化シリコン材料の化学量論的組成を決して限定するものではなく、例えば、酸化シリコン材料は、ＳｉＯ、ＳｉＯ２、または、より一般的なＳｉＯｘを含んでもよい。結合層１０６が酸化シリコンから実質的に構成されてもよい結合表面１１０に隣接する距離ｄ２は、約０．５ｎｍかまたはそれ以下の厚さを有してもよく、あるいは、さらなる実施形態においては、約１ｎｍかまたはそれ以下の厚さを有してもよく、あるいは、またさらなる実施形態においては、約５ｎｍかまたはそれ以下の厚さを有してもよい。酸化シリコンから実質的に構成される層ｄ２の厚さは、結合層１０６の電気伝導性を実質的に維持するために、最小化されてもよい。
結合界面１２０に隣接する結合層１０６の組成は、いくつかの方法を用いて制御されてもよい。例えば、ＣＶＤによって形成されたＺｎＳｉＯの組成は、反応器の堆積パラメータを変えることによって変化させられてもよく、そのようなパラメータには、温度、圧力、および、前駆体流量が含まれる。例えば、結合層１０６におけるシリコンの含有率は、シリコン前駆体の流量を増加させることによって増加させられてもよく、そして、その逆も同様であり、一方、結合層１０６における亜鉛の含有量は、亜鉛前駆体の流量を減少させることによって減少させられてもよく、そして、その逆も同様である。ＺｎＳｉＯ層がＰＬＤによって形成される本発明の他の実施形態においては、ＺｎＳｉＯの組成の変化は、例えば、ＺｎＳｉＯ、ＺｎＯｘ、および、ＳｉＯｘターゲットのように、組成が変化する複数のターゲット材料を用いて、達成されてもよい。
結合界面１２０に隣接する結合層１０６の組成を制御することに加えて、結合層１０６の結合表面１１０の表面化学が、また、効率的に接着することをもたらすために、制御されてもよい。結合層１０６の結合表面１１０は、結合表面１１０が第２の要素１１４の表面１１６への分子付着を促進するのに適した表面を備えるように形成されてもよく、あるいは、結合表面１１０は、結合層１０６を形成した後に、結合表面１１０が第２の要素１１４の表面１１６への分子付着を促進するのに適した表面を備えるように処理されてもよい。例えば、結合層１０６の結合表面１１０は、複数の水酸基（−ＯＨ）（例えば、シラノール基（Ｓｉ−ＯＨ））を備えてもよく、これらの水酸基は、分子付着を促進することができる。さらに、結合表面１１０は、第２の要素１１４との十分な結合強度を保証するために、表面汚染物を含むべきではなく、かつ、約５ｎｍよりも小さい表面粗さを有するべきである。
結合層１０６を介して第１の要素１０２を第２の要素１１４に結合したならば、さらなる結合後処理が、実行されてもよい。例えば、半導体構造１１８は、第１の要素１０２と、結合層１０６と、第２の要素１１４との間の結合強度を増大させるために、１００℃から１５００℃までの間の温度においてアニーリングされてもよい。半導体構造１１８の結合強度を増大させることは、考えられるさらなるプロセス中に発生するかもしれない半導体構造１１８の好ましくない剥離の確率を減少させるために実行されてもよい。
結合層１０６を介して第１の要素１０２を第２の要素１１４に結合することは、第１の要素と第２の要素との間における光学的カップリングおよび電気的カップリングをもたらすかもしれない。本発明の実施形態においては、結合層１０６は、導電性のあるものでありかつ光に対して透明であってもよく、それによって、電流および光学的なフォトンのための経路を第１の要素と第２の要素との間に提供する。したがって、半導体構造１１８は、電流が流れるのを可能にする十分な電気伝導性を備える少なくとも１つの結合層を備えてもよい。さらに、半導体構造１１８は、電流が流れるのを可能にする十分に小さい電気抵抗率を備える少なくとも１つの結合層を備えてもよい。また、半導体構造１１８は、結合層を介して所望のエネルギーを有する光を伝達するのを可能にする十分な光透過性を備える少なくとも１つの結合層を備えてもよく、例えば、ある特定の実施形態においては、結合層１０６は、０．４ｅＶから４．０ｅＶまでの間のエネルギーを有する光に対して透明であってもよく、また、本発明の他の実施形態においては、結合層は、より大きな範囲の電磁エネルギーに対して透明であってもよい。
以下において、本発明のさらなる実施形態が、図２Ａおよび図２Ｂを参照して説明される。図２Ａおよび図２Ｂに示される実施形態は、これまでに図１Ａ〜図１Ｄにおいて簡単に説明された実施形態に類似している。しかしながら、これらのさらなる実施形態においては、結合層は、それぞれの要素の表面上に、すなわち、第１の要素の表面上および第２の要素の表面上の両方に形成され、それによって、２つの結合層間に配置された結合界面が、形成される。
より詳細には、図２Ａは、第１の要素２０２、結合層２０６、第２の要素２１４、および、結合層２１５を備える半導体構造２００を示す。第１の要素２０２および第２の要素２１４は、図１Ａ〜図１Ｄの要素１０２、１１４に関して上述した構造、デバイス、および、材料のいずれかを備えてもよい。さらに、結合層２０６および２１５および結合表面２１０および２１７は、図１Ａ〜図１Ｄの結合層１０６および結合表面１１０に関して上述した特性のいずれかを備えてもよい。結合層２０６は、構造２１９を形成するために、第１の要素２０２上に形成されてもよく、結合層２１５は、構造２２１を形成するために、第２の要素２１４上に形成されてもよい。
図２Ｂは、第１の要素２０２、結合層２０６、第２の要素２１４、および、結合層２１５を備える半導体構造２０４を示し、ここで、構造２１９および２２１は、第１の要素２０２と第２の要素２１４との間に、より詳細には、結合層２０６と結合層２１５との間に配置された結合界面２２０をもたらす結合層２０６および２１５を介して、お互いに結合される。構造２１９および２２１を結合するための方法は、図１Ａ〜図１Ｄの要素１０２、１１４を結合するための上述した方法のいずれかを備えてもよい。それぞれの要素２０２および２１４上に存在する結合層を用いて要素２０２および２１４を接着することは、その後のプロセスのために所望の結合強度を備える結合界面２２０をもたらすことを支援するかもしれない。
本発明のさらなる実施形態が、図３Ａおよび図３Ｂを参照して説明される。図３Ａおよび図３Ｂに示される実施形態は、図１Ａ〜図１Ｄを参照して説明された実施形態に類似している。本発明のこれらのさらなる実施形態においては、要素のうちの少なくとも１つは、薄化されてもよく、そして、さらなる層構造をその後に形成するのに使用されてもよい。
図３Ａおよび図３Ｂを参照して説明される本発明の実施形態は、図１Ｄの半導体構造１１８から開始する（あるいは、その代わりとして、図２Ｂの半導体構造２０４が、同じように使用されてもよい）。第１の要素３０２および第２の要素３１４は、図１Ａ〜図１Ｄの要素１０２、１１４に関して上述したすべての構造、デバイス、および、材料を備えてもよい。本発明のある特定の実施形態においては、第２の要素３１４は、例えば、本明細書で上述したようないずれかの半導体材料のような結晶性物質を備えてもよい。
図３Ａは、第１の要素３０２、結合層３０６、および、薄化された第２の要素３１４’を備える半導体構造３００を示す。破線領域３１４は、薄化された第２の要素’を形成するために第２の要素３１４を薄化するのに使用された薄化プロセスの前における第２の要素３１４の元々の厚さを表現する。残りの薄化要素３１４’は、薄化プロセスの後、結合界面３２０を介して結合層３０６に接着したままであってもよい。
第２の要素３１４を薄化して薄化された要素３１４’を残すことは、当技術分野において知られている多くの薄化方法のいずれかを用いて実行されてもよい。例えば、結合層３０６を用いて第２の要素３１４を第１の要素３０２に結合する前に、弱い領域を第２の要素３１４内に生成するために、イオン注入プロセスが、第２の要素３１４の表面３１６を介して実行されてもよく、この弱い領域は、表面３１６に実質的に平行になるように配置される。結合されたならば、エネルギーが、半導体構造３００に加えられてもよい。例えば、化学的、機械的、および、熱的なエネルギーのいずれか（これらを組み合わせたものも含めて）が、結合プロセス中に半導体構造３００に加えられてもよい。このエネルギーは、第２の要素３１４内の弱い領域においてへき開をもたらし、結合層３０６によって第１の要素３０２に結合された第２の要素３１４の一部分（すなわち、薄化された要素３１４’）を残すかもしれない。本発明のさらなる実施形態においては、第２の要素３１４を薄化して薄化された要素３１４’を生成することは、エッチング法、ポリシング法、レーザー・リフトオフ法、研削法、または、そのような方法を組み合わせたものによって実行されてもよい。例えば、化学機械研磨（ＣＭＰ）プロセスが、薄化された要素３１４’を提供するのに使用されてもよい。本発明のある特定の実施形態においては、レーザー・リフトオフ法が、第２の要素３１４を薄化するのに使用されてもよい。例えば、第２の要素は、２つかまたはそれ以上の材料を備える不均質な構造を備えてもよく、レーザー照射が、不均質な構造の１つの層において吸収されてもよく、薄化された要素３１４’を第２の要素３１４の残りの部分から剥離させる。例えば、２００３年５月６日にＫｅｌｌｙらに発行された米国特許第６，５５９，０７５号明細書を参照されたい。薄化された要素３１４’は、厚さｄ３を有してもよい。いくつかの実施形態においては、厚さｄ３は、約１００μｍよりも小さくてもよい。より詳細には、薄化された要素の厚さｄ３は、約５０μｍよりも小さくてもよく、それどころか、約２０μｍよりも小さくてもよい。
図３Ｂは、第１の要素３０２、結合層３０６、薄化された要素３１４’、および、さらなる層構造３２２を備える半導体構造３０４を示す。本発明のいくつかの実施形態においては、さらなる層構造３２２は、さらなるデバイス構造、結合構造、および／または、層構造を備えてもよい。例えば、さらなる層構造３２２は、薄化された要素３１４’の結晶格子構造とほぼ整合する結晶格子構造を備えるさらなる半導体層構造のような、さらなる結晶性材料を備えてもよい。さらなる層構造３２２は、デバイスを形成するのに適した１つかまたはそれ以上の半導体層を備えてもよい。例えば、さらなる層構造３２２は、発光ダイオード、レーザー・ダイオード、トランジスタ、太陽電池、光素子、微小電気機械システム、などを生成するのに適した半導体層構造を備えてもよい。例えば、薄化された要素３１４’は、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）のようなIII族窒素化合物材料を備えてもよく、そして、さらなる層構造３２２は、デバイス構造を生成するのに適したＧａＮまたは窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）のような、さらなるIII族窒素化合物材料を備えてもよい。
本発明のさらなる実施形態が、図４Ａ〜図４Ｃを参照して、以下で説明される。図４Ａ〜図４Ｃに示される実施形態は、図１Ａ〜図１Ｄを参照して上述した実施形態に類似している。しかしながら、図４Ａ〜図４Ｃの実施形態においては、さらなる要素が、図１Ａ〜図１Ｃの方法を用いて形成された半導体構造に結合される。言い換えれば、本発明の実施形態に基づいて結合されるべき１つかまたはそれ以上の要素は、結合された構造を備えてもよい。
図４Ａ〜図４Ｃを参照して説明される本発明の実施形態は、図１Ｄの半導体構造１１８から開始する（あるいは、その代わりとして、図２Ｂの半導体構造２０４が、同じように使用されてもよい）。図４Ａは、例えば、結合された半導体構造１１８（図１Ｄの）のような結合された構造を備える第１の要素４０２を示す。第２の要素４１４は、さらなる要素４２６の表面上に配置された結合層４２４を備える。さらなる要素は、上述したように、デバイス構造、結合された構造、または、層構造を備えてもよい。
図４Ｂは、第１の要素４０２と第２の要素４１４との間に存在する結合界面４２８において、結合層４２４を介して第２の要素４１４に接着および結合された第１の要素４０２を備える半導体構造４０４を示す。結合された構造４０２（第１の要素）は、それ自身が、結合層４２４を介して第２の要素４１４に結合する。このプロセスは、所望される構造が生成されるまで、複数回数、反復されてもよい。例えば、図４Ｃは、結合界面４３８において、結合層４３４を介して第２の要素４３２（結合層４３４およびさらなる要素４３６を備える）に接着された第１の要素４３０（図４Ｂの半導体構造４０４）を備える半導体構造４１２を示す。
（実施例）
（実施例）
ここで、本発明の実施形態をさらに説明するために、限定するものではない実施例が、説明される。以下の実施例においては、パラメータ（例えば、材料、構造、など）は、例示目的のためにすぎないものであり、本発明の実施形態を限定するものではないことを理解すべきである。
図１Ａを参照すると、第１の要素１０２は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板を備える。ＳｉＣ基板は、ＭＯＣＶＤ反応器チャンバ内に配置され、そして、亜鉛供給源としてジエチル亜鉛を使用し、シリコン供給源としてシランを使用し、酸素供給源として酸素を使用して、ＺｎＳｉＯ結合層１０６（図１Ｂ）が、ＳｉＣ基板１０２の表面１０８上に形成される。結合層１０６は、約５０ｎｍ〜５００ｎｍの厚さを有する。ＺｎＳｉＯ結合層１０６の成長中、亜鉛前駆体を減少させ、かつ、シリコン前駆体を増加させ、その結果として、結合層の厚さｄ２は、少なくとも実質的にＳｉＯ２からなる（かつ、少なくとも実質的に亜鉛が存在しないかもしれない）。
第２の要素１１４（図１Ｃ）は、レーザー・ダイオード・デバイス構造を生成するのに適したIII族窒素化合物材料層構造を含む層構造を備える。そのようなデバイス構造は、ｐ型およびｎ型のドーピング領域、導波路層、クラッド層、および、量子井戸領域を含んでもよい。そのような構造の例は、当技術分野において知られているものである。例えば、２０００年に発行されたＳ．Ｎａｋａｍｕｒａらによる「Ｔｈｅ Ｂｌｕｅ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ：Ｔｈｅ Ｃｏｍｐｌｅｔｅ Ｓｔｏｒｙ」，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇを参照されたい。レーザー・ダイオード・デバイス構造を備える第２の要素１１４をＺｎＳｉＯ結合層１０６に結合したならば、機能性デバイスを生成するためのさらなるプロセスが、実行されてもよい。そのようなさらなるプロセスは、メタライゼーション、パッケージング、などを含む後工程プロセス（ｂａｃｋ−ｅｎｄ−ｏｆ−ｌｉｎｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）を含んでもよい。
これまでの実施例は、図２Ａおよび図２Ｂを参照して説明された実施形態を用いて同じように実行されてもよい。これらの実施形態においては、ＺｎＳｉＯ結合層２０６は、これまでの実施例の場合のように、ＳｉＣ基板２０２の表面だけに堆積されるのではなく、さらなるＺｎＳｉＯ結合層２１５が、上で簡単に説明した方法と同じものを用いて、III族窒素化合物材料層構造２１４の表面上に堆積されてもよい。次に、要素２１９および２２１は、お互いに接触させられ、そして、分子結合を用いて接着され、図２Ｂに示されるように、結合界面２２０を生成してもよい。
さらなる実施例が、図３Ａおよび図３Ｂを参照して、説明される。図３Ａにおいて、第１の要素３０２は、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板を備えてもよい。サファイア基板は、ＭＯＣＶＤ反応器チャンバ内に配置され、そして、上述したように、ＺｎＳｉＯ結合層３０６が、サファイア基板上に形成される。結合層３０６の成長中、反応器チャンバ内へ流れ込む亜鉛前駆体の流量を減少させ、シリコン前駆体の流量を増加させ、その結果として、結合層の厚さｄ２は、少なくとも実質的にＳｉＯ２からなる。
第２の要素３１４は、窒化ガリウム基板を備える。窒化ガリウム基板は、自立窒化ガリウム基板を備えてもよい。結合する前に、自立窒化ガリウム基板の表面３１６内へのイオン注入が、実行され、窒化ガリウム自立基板のバルク内部へ約５００ｎｍの深さにおいて、表面３１６に実質的に平行になるように配置された弱い領域が、形成される。その後、自立窒化ガリウムを備える第２の要素は、結合層３０６を用いて、サファイア・ウェーハを備える第１の要素３０２に結合される。要素３０２と３１４とが結合されると、自立窒化ガリウム基板をその内部の弱い領域に沿って破砕するために、１００℃から１５００℃までの間の加熱プロセスが、半導体構造３０４に施され、それによって、薄化された要素３１４’が、残され、この要素３１４’は、窒化ガリウムの種層を備え、そして、接合層３０６に結合される。
薄い窒化ガリウム種層を備える薄化要素３１４’が形成されたならば、さらなる層構造３２２が、薄化された要素３１４’（薄い窒化ガリウム種層）上に形成される。この実施例においては、さらなる層構造３２２は、III族窒素化合物に基づいた発光ダイオードを備える。そのような発光ダイオード構造は、ｐ型およびｎ型のドーピング領域、クラッド層、導波路層、および、量子井戸領域を備えてもよい。そのような構造の例が、当技術分野において知られている。例えば、２０００年に発行されたＳ．Ｎａｋａｍｕｒａらによる「Ｔｈｅ Ｂｌｕｅ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ：Ｔｈｅ Ｃｏｍｐｌｅｔｅ Ｓｔｏｒｙ」，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇを参照されたい。
必要であれば、さらに、さらなる層構造３２２は、上で簡単に説明したように、機能性デバイスを生成するようにさらに処理されてもよい。発光ダイオード・デバイスから出力される光は、ＺｎＳｉＯ結合層３０６から放射されてもよい。なぜなら、結合層３０６の組成は、発光ダイオードから放射される光に対して結合層３０６が光学的に透明であるように制御することができるからである。
さらなる実施例が、図４Ａ〜図４Ｃを参照して説明される。図４Ａにおいて、第１の要素４０２は、結合構造を備える。この実施例においては、結合構造は、さらなる第１の要素１０２を備え、このさらなる第１の要素１０２は、ベース基板１０２’を含み、このベース基板１０２’上には、第１の光起電サブセル１０２’’が、形成されている。この第１の光起電サブセル１０２’’は、例えば、化学気相成長（ＣＶＤ）法によって、ベース基板１０２’上に形成されてもよい。ＺｎＳｉＯ結合層１０６は、上で簡単に説明した方法を用いて、第１の光起電サブセル１０２’’上に堆積される。第１の光起電サブセル１０２’’は、上で簡単に説明したような材料（例えば、III族ヒ素化合物、III族アンチモン化合物、III族窒素化合物、III族リン化合物、および、これらの混合物（例えば、混合されたヒ素化合物およびリン化合物、および、混合されたヒ素化合物および窒素化合物のような））を含む１つかまたはそれ以上の層を備えてもよい。本発明のいくつかの実施形態においては、第１の光起電サブセル１０２’’は、ｎ型およびｐ型のドーピング層を備えてもよく、また、Ｇｅ、ＧａＩｎＡｓ、または、ＧａＩｎＰを備えてもよい。
結合層４０２の要素１１４は、ＺｎＳｉＯ層１０６に結合された第２の光起電サブセルを備えてもよい。この第２の光起電サブセルは、上で簡単に説明したような材料、構造、および、ドーピング型を備えてもよく、また、いくつかの実施形態においては、ＧａＡｓまたはＧａＩｎＰを備えてもよい。
同様に、結合構造４０２に結合されるべき第２の要素４１４は、第３の光起電サブセルを備えるさらなる要素４２６を含んでもよい。上述したように、第３の光起電サブセルは、多くの材料、多くの構造、および、ドーピング型を備えてもよい。本発明のいくつかの実施形態においては、第３の光起電サブセルは、ＩｎＧａＰ、ＡｌＩｎＰ、または、ＩｎＧａＮのような材料を備えてもよい。その後、ＺｎＳｉＯ結合層４２４が、さらなる要素４２６上に堆積され、第２の要素４１４を生成する。図４Ｂは、結合構造を備える第１の要素４０２を第２の要素４１４に結合し、構造４０４を生成することを示している。構造４０４は、要素１０２の一部としての第１の光起電サブセル１０２’’、第２の光起電サブセル１１４、および、第３の光起電サブセル４２６を備える。複数のサブセルを形成することは、多接合太陽光電池を備える半導体構造４０４を形成する。
さらなる実施形態においては、さらなるサブセル（すなわち、第４のサブセル４３６）が、ＺｎＳｉＯ結合層４３４を介して多接合光起電構造４０４に結合され、図４Ｃに示されるように、４つのサブセルを備える多接合太陽光電池を生成してもよい。第４のサブセルは、上述したような材料、構造、および、ドーピング型を備えてもよい。いくつかの実施形態においては、第４のサブセルは、ＩｎＧａＰ、ＡｌＩｎＰ、または、ＩｎＧａＮを備えてもよい。さらなる補助層が多接合太陽光電池構造内に含まれてもよいことに注意されたい。そのような補助層は、便宜上、図面においては省略されているが、光起電サブセル構造および多接合太陽光電池は、例えば、トンネル接合、反射防止膜、背面反射器、および、歪み取り層を含むさらなる補助的な層および構造を含んでもよいことがわかるはずである。従来技術による光起電サブセル、多接合太陽光電池、および、補助層の例は、例えば、２００２年５月２１日に出願されたＷａｎｌａｓｓらによる米国特許出願第１０／５１５，２４３号明細書（２００６年７月２７日に公開された米国特許出願公開第２００６／０１６２７６８号明細書）および２００６年６月２日に出願されたＣｏｒｎｆｅｌｄらによる米国特許出願第１１／４４５，７９３号明細書（２００７年１２月６日に公開された米国特許出願公開第２００７／０２７７８７３号明細書）から知ることができる。
さらなる実施例が、この場合もやはり図４Ａ〜図４Ｃを参照して、説明されてもよい。この実施例においては、多接合太陽光電池構造の受光光起電サブセル要素１０２’’、１１４、４２６、４３６は、上述したように、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）のような発光要素に置き換えられ、発光構造４０４（または、４１２）を形成してもよい。個々の発光要素は、所望の光出力色調を生成する能力を提供するために、様々な波長を放射するように選択されてもよい。所望の色調は、個々の発光要素からの放射光を混合することによって、また、個々の発光要素に使用される材料を選択することによって、提供されてもよい。光学的に透明なＺｎＳｉＯ結合層１０６、４２４、および、４３４は、個々の発光要素からの放射光が、組み合わせられ、そして、構造４０４（または、４１２）を通過するのを可能にする。
本発明の方法および構造の実施形態は、導電性を有しかつ光学的に透明なものであってもよい結合層を用いて２つかまたはそれ以上の要素を接着するのを可能にするために使用されてもよい。そのような方法および構造は、結合層を介して電子および光子の両方を伝達するのを可能にし、したがって、２つかまたはそれ以上の結合された要素を電気的および光学的にカップリングするのに使用されてもよい。
これまでに説明された本発明の実施形態は、本発明の範囲を限定するものではない。なぜなら、これらの実施形態は、本発明の実施形態の単なる例にすぎないからであり、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲およびそれらと法的に等価なものによって規定される。等価な実施形態は、本発明の範囲内に存在することが意図される。実際に、本明細書で説明されかつ図示されたものに加えて、説明された要素の代替的で有益な組合せのような本発明の様々な変更を当業者は本明細書から考え出すことができる。そのような変更は、添付の特許請求の範囲に含まれることが意図される。項目および符号は、本明細書では、わかりやすくするために、また、便宜的に使用されるにすぎない。
Claims (15)
- 半導体構造を加工するための方法であって、
少なくとも実質的に亜鉛、シリコン、および、酸素からなる結合層を、第１の要素および第２の要素の少なくとも一方の表面上に設けるステップと、
前記結合層を、前記第１の要素と前記第２の要素との間に配置するステップと、
前記第１の要素と前記第２の要素との間に配置された前記結合層を用いて前記第１の要素と前記第２の要素とを結合界面において互いに接着するステップと、
を備える方法。 - デバイス構造、結合構造、および、層構造のうちの少なくとも１つを備えるように前記第１の要素および前記第２の要素のそれぞれを選択するステップをさらに備える請求項１に記載の方法。
- 前記結合層を第１の要素および第２の要素の少なくとも一方の表面上に提供するステップが、
前記第１の要素の表面上に第１の結合層を形成するステップと、
前記第２の要素の表面上に第２の結合層を形成するステップと、
前記第１の結合層を前記第２の結合層に結合するステップと、
を備える請求項１に記載の方法。 - 前記結合界面に近接する前記結合層におけるシリコンの含有率を増加させるように決定するステップをさらに備える請求項１に記載の方法。
- 前記結合界面に隣接する前記結合層の領域を、少なくとも実質的に酸化ケイ素からなるように決定するステップをさらに備える請求項１に記載の方法。
- 前記第１の要素および前記第２の要素をお互いに接着するステップが、前記第１の要素および前記第２の要素を分子付着によってお互いに接着することを備える請求項１に記載の方法。
- イオン注入プロセス、レーザー・リフトオフ・プロセス、機械的薄化プロセス、および、化学的薄化プロセスのうちの少なくとも１つによって、前記第１の要素および前記第２の要素のうちの少なくとも一方を薄化して薄化された要素を形成するステップをさらに備える請求項１に記載の方法。
- 前記薄化された要素上に別の層構造を形成するステップをさらに備える請求項７に記載の方法。
- 第１の要素および第２の要素と、
前記第１の要素と前記第２の要素との間に配置されかつ前記第１の要素と前記第２の要素とをお互いに結合し、少なくとも実質的に、亜鉛、シリコン、および、酸素からなる少なくとも１つの結合層と、
を備える半導体構造。 - 前記第１の要素および前記第２の要素のそれぞれが、デバイス構造、結合構造、および、層構造のうちの少なくとも１つを備える請求項９に記載の半導体構造。
- 前記第１の要素および前記第２の要素の少なくとも一方が、少なくとも実質的に亜鉛、シリコン、および、酸素からなる少なくとも１つのさらなる結合層を含む結合構造を備える請求項１０に記載の半導体構造。
- 前記少なくとも１つの結合層が、導電性がありかつ光に対して透過性があり、前記第１の要素および前記第２の要素が、前記少なくとも１つの結合層を介して、光学的および電気的にお互いに結合された請求項９に記載の半導体構造。
- 前記第１の要素および前記第２の要素の少なくとも一方が、約１００μｍよりも小さい平均の層厚さを有する半導体層を備える請求項９に記載の半導体構造。
- 前記第１の要素および前記第２の要素の少なくとも一方が、光起電サブセルかまたは発光素子を備える請求項９に記載の半導体構造。
- 前記半導体構造が、多接合太陽光電池かまたは発光構造を備える請求項９に記載の半導体構造。
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