钻石复合晶圆的制造方法与流程

本发明涉及一种钻石复合晶圆的制造方法。

背景技术：

1、5g及人工智能(ai)的出现激发3c领域的大量新的终端用途应用，即，数据中心(即，云端)、基地台(即，连接性)及商业/边缘(edge)电子设备(即，用户端/边缘端)，导致半导体的高速增长及数据通信(data communication)的指数级增长。根据思科全球云端指数，到2021年，全球数据中心ip流量将超过惊人的20皆位元组(20x1021bytes)，比2016年的6.8皆位元组增长了3倍以上。面向高性能计算(high-performance computing,hpc)的半导体装置就集成电路(ic)及ic封装技术而言，数据中心及人工智能(ai)市场始终代表着最先进的技术。对于高端智能手持应用来说也是如此。

2、暴增的数据流量需要先进的ic，特别是处理器(processors)及存储器(memories)，以及先进的系统级封装(system-in-a-package,sip)封装用于高hpc、数据中心、ai、高端智能手持及5g/6g的极端应用上(extreme)。这反过来推动了同时发生的涵盖ic、封装及系统级别的以下四项产业颠覆：(a).从越来越大的处理器系统单芯片(ever-larger processor soc die)到基于系统内小芯片(chiplets-in-sip)的分散小芯片(disaggregated small die)；(b).从传统计算到近存储器计算(near-memory computing)再到内存储器计算(in-memory computing)，以降低在系统层级的处理器与存储器之间的存储器墙(memory wall)，以便更充分地发挥处理器性能潜力；(c).从铜互连到光学互连；以及，(d).从先进的有机层压基板(organic laminate substrate)到硅中介层(siliconinterposer)以及具有嵌入式(embedded)主动及被动装置的混合基板(hybridsubstrate)。soc是一种集成了电脑(computer)的所有或大部分元件的ic，其中电脑几乎总是包括中央处理单元(central processing unit,cpu)、存储器、输入/输出埠及辅助存储器(secondary storage)，而sip被定义为一种ic封装，其包含多个主动装置，例如ic或微机电系统(micro-electromechanical system,mems)。具有扇出(fanout)(特别是用于智能手持装置)的高端处理器及存储器的极先进的sip封装、2.5d ic、3d ic、嵌入式sip及硅光子学(silicon photonics)已经并将继续成为所有四种颠覆的主要推动者以及涵盖3c的先进ic应用的ic性能持续进步，以引领ic、封装及系统级别的异质整合(heterogeneousintegration)达到前所未有的水平。

3、为了提供越来越高的性能以处理指数型增长的数据流量，数据中心的处理器芯片功率预期从2018年～2025年将增长5倍，达到每芯片1000瓦特(watt)，其中芯片被封装于2.5d ic、3d ic及/或系统内小芯片(chiplets-in-sip)平台。某些ai应用，例如cerebra的8"×8"晶圆级ai处理器芯片，其为有史以来最大的soc，每个芯片的功耗已经达到惊人的15kw。根据《自然》杂志发表的文章”how to stop data centers from gobbling up theworld’s electricity”(2018年9月12日)，数据中心及通信网络的能耗到2030年将占全球总电力需求的17％。随着产业在电力及冷却方面(透过例如是空气、直接到芯片冷却(direct-to-chip cooling)及/或浸没式(immersion))的努力，数据中心功耗及相关芯片的热管理预期将继续限制云端(cloud)及5g/6g数位世界/经济应用的全部潜力。除了功耗不断上升之外，数据中心功率密度要求也逐年提高。目前平均机架功率密度(rack powerdensity)约为7kw～16k w。对于hpc及数据中心，每个机架的功率密度可能达到100kw。

4、数据中心正在最大限度地消散例如是服务器等应用的热量(注：例如，占驱动数据中心所用电力的40％的服务器)、网络接口卡(network interface cards,nics)及光纤收发器(fiber-optic transceivers)及开关速度与功率效率之间的权衡。对于需要极高密度的小型设备，例如光收发器(及硅光子学)而言，电源管理面临挑战，理由是电源体积大且距离它们太远。

技术实现思路

1、根据本发明第一实施例，提供了一种形成具有一第一预定直径的一第一钻石复合晶圆、一第二钻石复合晶圆或一第三钻石复合晶圆的方法。方法包括：(a).准备多个钻石块，其中各钻石块的尺寸小于第一预定直径；(b).将此些钻石块附着于具有第一预定直径的一第一半导体基板上，以形成一第一暂时复合晶圆，其中第一半导体基板的热导率小于此些钻石块的热导率；以及，(c).填充第一暂时复合晶圆的此些钻石块之间的多个间隙，以形成一第一钻石复合晶圆；或者，将第一钻石复合晶圆附着到具有第一预定直径的一第二半导体基板上，以形成一第二钻石复合晶圆，或者从第一钻石复合晶圆上去除第一半导体基板，以形成一第三钻石复合晶圆。

2、根据本发明第二实施例，基于第一实施例，步骤(b)包括：(b1).透过一释放层将此些钻石块附着在具第一预定直径的一暂时载体上；以及，(b2).将附着至暂时载体的此些钻石块接合至第一半导体基板，且从此些钻石块释放暂时载体，以形成第一暂时复合晶圆。

3、根据本发明第三实施例，基于第二实施例，将附着至暂时载体的此些钻石块接合至第一半导体基板的步骤(b2)包括：(b21).处理此些钻石块的多个表面及第一半导体基板的一表面；以及，(b22).利用或不利用胶合层(glue layer)，将此些钻石块经处理过的此些表面接合到第一半导体基板经处理过的表面。

4、根据本发明第四实施例，基于第二实施例，胶合层选自由si(例如，多晶硅)、sio2、si3n4、非晶氮化硅、al2o3(氧化铝)、氮化铝、钻石、氮化硼及石墨烯所组成的群组，或者选自由钛(ti)、钨(w)、铂(pt)、铬(cr)、金(au)、铜(cu)、铱(ir)、镍(ni)、镍-钒(ni-v)、铁(fe)、ag-in、au-in、ag、锡(sn)、钼(mo)及其它瞬态液相键合金属(transient liquid phasebonding metal)所组成的群组；或者选自由srtio3上的ir、ysz/si上的ir、mgo上的ir及蓝宝石(sapphire)及tao3所组成的群组。

5、根据本发明第五实施例，基于第一实施例，填充第一暂时复合晶圆的此些钻石块之间的此些间隙以形成第一钻石复合晶圆的步骤(c)包括：(c1).沉积一填料，以填充第一暂时复合晶圆的此些钻石块之间的此些间隙；以及，(c2).平坦化填料，而露出此些钻石块，以形成第一钻石复合晶圆。

6、根据本发明第六实施例，基于第一实施例，填料是选自由钻石、二氧化硅(sio2)、氮化硅(si3n4)、旋涂玻璃(spin-on-glass,sog)及多晶硅所组成的一群组。

7、根据本发明第七实施例，基于第一实施例，填充第一暂时复合晶圆的此些钻石块之间的此些间隙以形成第一钻石复合晶圆的步骤(c)包括：(c3).沉积一模封化合物，以填充第一暂时复合晶圆的此些钻石块之间的此些间隙；及，(c4).平坦化模封化合物，而露出此些钻石块，以形成第一钻石复合晶圆。

8、根据本发明第八实施例，基于第一实施例，接合第一暂时复合晶圆至该第二半导体基板以形成第三钻石复合晶圆的步骤(c)包括：(c5).处理此些钻石块的多个表面及第二半导体基板的一表面；以及，(c6).利用或不利用胶合层，将此些钻石块经处理过的此些表面接合到第二半导体基板经处理过的表面，以形成第二钻石复合晶圆。

9、根据本发明第九实施例，基于第一实施例，第一预定直径为12英寸，且第一半导体基板及第二半导体基板为硅或soi。

10、根据本发明第十实施例，基于第一实施例，第一预定直径为8英寸，且第一半导体基板及第二半导体基板为sic或硅基板。

11、根据本发明第十一实施例，提出一种形成具有一第一预定直径的一第一钻石复合晶圆、一第二钻石复合晶圆、一第三钻石复合晶圆或一第四钻石复合晶圆的方法，包括：(a).将多个钻石块及多个半导体块附着至具有第一预定直径的一第一暂时载体，以形成一第一暂时复合晶圆，其中各钻石块的一尺寸及各半导体块的一尺寸均小于第一预定直径，且各半导体块的导热率小于各钻石块的导热率；以及，(b).填充此些钻石块之间的多个间隙及此些半导体块之间的多个间隙，并去除第一暂时载体，以形成第四钻石复合晶圆；或者，将第四钻石复合晶圆附着于具有第一预定直径的一第一半导体基板上，以形成第二钻石复合晶圆；或者，从第二钻石复合晶圆上去除此些半导体块，以形成第一钻石复合晶圆；或者，从第四钻石复合晶圆上去除此些半导体块，以形成第三钻石复合晶圆。

12、根据本发明第十二实施例，基于第十一实施例，步骤(a)包括：(a1).将此些钻石块附着在具有第一预定直径的一第二暂时载体上；(a2).将此些半导体块附着在具有第一预定直径的一第三暂时载体上；(a3).利用或不利用胶合层，将附着在第二暂时载体上的此些钻石块附着到附着于第三暂时载体上的此些半导体块；以及，(a4).释放第三暂时载体，而露出此些半导体块，并将第一暂时载体附着到露出的此些半导体块上，并释放第二暂时载体。

13、根据本发明第十三实施例，基于第十二实施例，在步骤(a1)之前，方法包括：(a11).处理此些钻石块的多个表面；以及，(a12).利用或不利用胶合层，将此些钻石块经处理过的此些表面接合至第二暂时载体。

14、根据本发明第十四实施例，基于第十二实施例，在步骤(a2)之前，方法更包括：(a21).处理此些半导体块的多个表面；以及，(a22).利用或不利用胶合层，将此些个半导体块经处理过的此些表面接合至第三暂时载体。

15、根据本发明第十五实施例，基于第十一实施例，填充此些钻石块之间的此些间隙及此些半导体块之间的此些间隙的步骤(b)包括：(b1).沉积一填料或一模封化合物，以填充此些钻石块之间的间隙及此些半导体块之间的此些间隙；以及，(b2).平坦化填料或模封化合物，以露出此些钻石块。

16、根据本发明第十六实施例，基于第十一实施例，第一预定直径是12英寸，且第一半导体基板是硅或soi基板。

17、根据本发明第十七实施例，基于第十一实施例，第一预定直径为8英寸，且第一半导体基板为sic、硅或gan基板。

18、根据本发明第十八实施例，基于第十一实施例，步骤(a)包括：(a5).在此些半导体块上沉积一钻石层，然后沉积一牺牲层；(a6).平坦化并蚀刻牺牲层，以形成多个复合块，各复合块包括半导体块上的钻石块；以及，(a7).将此些复合块附着至具有第一预定直径的第一暂时载体，以形成第一暂时复合晶圆。

19、根据本发明第十九实施例，基于第十一实施例，其中步骤(a)包括:(a8).将此些钻石块附着在具有第一预定直径的第二暂时载体上；(a9).将此些半导体块附着在具有第一预定直径的第三暂时载体上，其中各半导体块是具有硅块(si bulk)、二氧化硅层及硅层的一soi(silicon-on-insulator)块；(a10).利用或不利用胶合层，将附着在第二暂时载体上的此些钻石块附着到附着于第三暂时载体上的此些soi块上；以及，(a11).释放第三暂时载体，以露出此些soi块，从各soi块去除硅块和及二氧化硅层，以露出硅层，将第一暂时载体附着到露出的硅层，以及释放第二暂时载体，以形成第一暂时复合晶圆。

20、根据本发明第二十实施例，提出一种形成一第一钻石复合ic晶圆或一第二钻石复合ic晶圆的方法，包括:(a).准备具有一第一预定直径的一第一半导体晶圆，其中第一半导体晶圆包括位于第一半导体晶圆的一第一侧上的一组ic电路；(b).准备多个具有第一预定直径的钻石块或一钻石晶圆；(c).将此些钻石块接合至第一半导体晶圆，并填充此些钻石块之间的多个间隙，以形成第一钻石复合ic晶圆；或者，将钻石晶圆与第一半导体晶圆接合，形成第二钻石复合ic晶圆。

21、根据本发明第二十一实施例，基于第二十实施例，在步骤(c)之前，方法更包括：(c1).沉积一表面层在些钻石块或钻石晶圆，然后沉积一第一键合层在表面层；(c2).沉积一扩散阻挡层(diffusion barrier layer)在第一半导体晶圆的一第二侧上，然后沉积一第二键合层在扩散阻挡层上，其中第二侧与第一侧相对。

22、根据本发明第二十二实施例，基于第二十一实施例，表面层为ti，第一键合层为au、焊料或瞬态液相材料，扩散阻挡层为ti、tin、ti/tin或ti/ni-v，第二键合层为au或焊料。

23、根据本发明第二十三实施例，基于第二十实施例，方法更包括：(d1).将第一钻石复合ic晶圆或第二钻石复合ic晶圆接合至具有第一预定直径的一第二半导体晶圆，其中第二半导体晶圆包括位于第二半导体晶圆的一第一侧上的另一组ic电路。

24、根据本发明第二十四实施例，基于第二十三实施例，第一钻石复合ic晶圆或第二钻石复合ic晶圆透过基于氧化物到氧化物(oxide-to-oxide)或聚酰亚胺(pi)到pi(p-to-pi)的铜混合键合而接合到第二半导体晶圆。

25、根据本发明第二十五实施例，基于第二十实施例，方法更包括：(d2).将第一钻石复合ic晶圆或第二钻石复合ic晶圆接合至具有第一预定直径的一含钻石中介层(diamondcontaining interposer)，其中含钻石中介层包括一钻石层及位于一重布层中的氧化物或pi键合层，以将氧化物到氧化物或pi到pi接合到第一钻石复合ic晶圆或第二钻石复合ic晶圆。

26、在阅读了以下各种附图中所示的优选实施例的详细描述之后，本发明的这些和其他目标对于本领域中具有通常知识者来说无疑将变得显而易见。