專利名稱：用于分子結合的表面處理的制作方法
用于分子結合的表面處理技術領域和現有技術本發明涉及通過分子結合將晶片或襯底組裝在一起的領域。更準確地，本發明涉及使用分子結合來提供兩個襯底之間的粘合，所述兩個襯底中的至少一個特別由于整體地或部分地制成的部件、電路、圖案化等的存在而表現出結構化即非平面的結合表面。這樣的襯底稱為“圖案化襯底”或稱為“結構化晶片”。本發明可以獲得與任何襯底表面的粘合， 所述表面需要被拋光(例如，在組裝體形成嵌入絕緣體以后沉積絕緣體層以后)并且不適于暴露于高固結溫度(例如當使用Smart Cut技術進行轉移或當形成異質結構時所應用的)。圖IA至IE顯示如何通過利用分子結合致使初始襯底110粘附在最終襯底或支持襯底120上而制成異質結構體。如圖IA中所示，初始襯底110包括在其粘合表面IlOa上的多個電路Illa至llld。在熟知的方式中，通過分子結合的粘合(稱為“直接晶片結合”或“熔融結合”)是這樣的技術用于將表現出完美平面(“鏡面拋光”)的表面的兩個襯底結合在一起，并且不應用任何粘合劑(膠，焊料等)。結合典型通過對已經被緊密接觸放置的兩個襯底局部施加輕的壓力而開始。結合波(bonding wave)然后在若干秒內在襯底的整個延伸部分上傳播。為了使得能夠將初始襯底110放置得在支持襯底120上緊密接觸，在第一襯底的表面IlOa上沉積氧化物層112，例如四乙氧基正硅烷(TEOS)的層(
圖1B)。然而，如圖IB中所示，沉積的氧化物層遵循在表面IlOa上存在的部件Illa至Illd的凹凸形貌(relief)。 然后通過化學-機械拋光(CMP)將氧化物層112拋光(圖1C)。然后將以此方式拋光的層 112的表面11 清潔，干燥和洗滌(例如，在稱為“洗滌器”的設備中)，從而得到與分子結合相容的表面狀態。而且，將支持襯底覆蓋在熱氧化物層121中，所述熱氧化物層121例如通過氧化襯底的表面而形成，從而促進與沉積在初始襯底上的氧化物層112的分子結合(圖1B)。在已經形成熱氧化物層121以后，將其表面121a加工用于結合。用于加工表面121a的處理取決于期望獲得的結合能而變化。如果期望獲得標準水平的結合能，即相對弱的水平，則可以通過進行化學-機械拋光，隨后通過清潔而對表面121a進行加工。另外，如果期望在兩個襯底之間獲得強的結合能，則對表面121a的加工包括RCA型清潔(即，適于移除粒子和烴的SCl (NH4OH, H2O2，H2O)的浴和適于移除金屬污染物的SC2 (HCl, H2O2，H2O)的浴的組合)， 等離子體表面活化，另外的清潔，以及隨后的洗滌。一旦表面11 和121a已經準備好，就將它們緊密接觸放置并且對兩個襯底中的一個施加壓力，以在處于接觸的表面之間開始結合波的傳播(圖1D)。隨后通過在近似位于 300°C至400°C范圍內的溫度進行熱退火來增強結合。然后通過使初始襯底110變薄以形成轉移層113來繼續制備異質結構體。最后， 對該結構體進行邊緣軋制操作(edge roll-off operation)以移除在轉移層113的外圍存在的倒棱或滴部(drops)。因而，如在圖IE中所示，得到包括支持襯底120和轉移層113的異質結構體100。
然而，這樣的異質結構體暴露于在轉移層和支持襯底之間的結合界面上的剝離問題，特別是在邊緣軋制的過程中。更精確地，剝離問題對應于在層的周邊附近中的某些區域中的轉移層分層。由于倒棱或滴部的存在，結合能在層的結合部附近更弱。從而，在這樣的部位可以導致剝離，從而層在其與支持襯底的結合界面處部分分離。如上所述，通過增強分子結合能，例如通過支持襯底的結合表面的等離子體活化， 可以限制此剝離現象。然而，盡管增強結合能使得能夠限制剝離問題，但是在轉移層觀察到缺陷如邊緣空隙。邊緣空隙是由結合導致的缺陷并且典型地在最終結構體(通常，處于圓形晶片的形式)的周邊觀察到的缺陷。這樣的邊緣空隙是在轉移層中或在結合界面處的孔或氣泡(例如，具有約10微米(ym)至250μπι的直徑)并且對應于沒有轉移到支持襯底的初始襯底的區域。邊緣空隙通常出現在支持襯底(圓形晶片)上的薄層結構的邊緣(周邊區域)處。 它們位于距離晶片的邊緣典型在1毫米(mm)至6mm的范圍內的距離處。因而邊緣空隙是與在晶片邊緣的弱的結合相關的宏觀缺陷。它們構成破壞性的缺陷，因為在存在這種空隙的尺寸的情況下，位于至少一個邊緣空隙處的電子部件毫無疑問是有缺陷的。圖2非常概略性顯示了在結合并熱處理以增強結合以后的結構體10，其中已經對組裝在一起的襯底的結合表面中的至少一個進行了化學-機械拋光。在本發明的上下文中，如在圖2中所示，觀察到邊緣空隙型缺陷與“標準”邊緣空隙11相比包含缺陷12，缺陷12存在于晶片的周邊并且似乎在由拋光步驟導致的缺陷(例如，微-擦痕)上排列。然而，這些缺陷在結合以后不可直接觀察到并且它們還可能在用于增強結合界面的熱處理步驟以后變得明顯。已經提出了用于減少在兩個襯底的分子結合過程中出現的邊緣空隙型缺陷的方法。文獻US 2007/0119812提出了一種這樣的方法，所述方法包括通過加熱或通過粗糙化，以控制(并且具體地，減慢)結合波的傳播速度的方式改變用于組裝的兩個襯底中的至少一個的表面狀態。發明概述本發明的目的之一是通過提出能夠在兩個襯底之間獲得良好的分子結合的方案來抵消上述缺點，所述兩個襯底中的至少一個已經進行化學-機械拋光，以及在限制缺陷出現并且具體地限制邊緣空隙型缺陷出現的同時進行所述方案。為此目的，本發明提出一種通過分子結合將第一襯底結合在第二襯底上的方法， 所述方法包括下列步驟在所述第一襯底的結合面上形成絕緣體(例如，氧化物)的層；將所述絕緣體層化學-機械拋光；通過等離子體處理活化所述第二襯底的結合表面；和通過分子結合將所述兩個襯底結合在一起，在所述方法中，在所述化學-機械拋光步驟之后并且在所述結合步驟之前，根據本發明進行蝕刻在所述第一襯底上形成的所述絕緣體層的表面的步驟。通過消除大部分缺陷或通過將由化學-機械拋光導致的缺陷(擦痕，粒子等)的影響最小化，和/或通過改變它們的形貌，這種蝕刻步驟起到了減少或消除在分子結合工藝過程中可能位于結合波的傳播路徑上的障礙的作用，從而非常顯著地減少乃至消除了邊緣空隙型缺陷的出現。從而，在此傳播的最后，在已經進入接觸的襯底的整個表面上得到了連續的結合界面。這避免了使用現有技術進行結合或增強所述結合以后通常觀察到的邊緣空隙型缺陷的出現。在蝕刻過程中移除的絕緣層的厚度為至少20埃(人)，并且優選至少5()入，例如位于 100 A至300 A的范圍內。在本發明的一個方面中，所述方法還包括使用等離子體處理活化在所述第一襯底上形成的所述絕緣體層的表面，所述活化在蝕刻絕緣體層的所述表面的步驟之后進行。在本發明的另一個方面中，所述方法還包括在所述蝕刻在所述第一襯底上形成的絕緣體層的表面的步驟以后，在經蝕刻的絕緣體層的所述表面上沉積薄的氧化物層，可以隨后通過等離子體處理進行所述薄的氧化物層的表面的活化。蝕刻可以具體地使用SCl溶液(含有1體積的氫氧化銨(NH4OH)，5至22體積的過氧化氫(H2O2)和5體積的去離子水(H2O)的混合物)在70°C的溫度進行至少5分鐘的持續時間，或代替地，使用氫氟酸的溶液(1%的HF)在“室”溫(通常，采取約25°C)進行少于1分鐘，即若干秒，例如10秒的持續時間。在本發明的另一個方面中，還在第二襯底上形成絕緣體例如氧化物的層。在結合之前，可以通過等離子體處理活化所述氧化物層的表面以增強結合能。通過本發明的能夠在CMP以后加工氧化物層的結合表面的方法，與現有技術方法不同，顯著限制乃至消除了一種或多種活化對邊緣空隙型缺陷出現的影響。在本發明的另一個方面中，第一襯底包括在其結合表面上的至少一部分上的部件。在這樣的情況下，可以在結合以后并且在低于500°C的溫度進行用于增強所述結合的退火步驟。由于本發明的方法使得可以同時地在襯底之間獲得相對大的結合能，特別是通過活化結合表面，并且防止邊緣空隙型缺陷出現，因此可以對通過將兩個襯底結合在一起而得到的結構體進行邊緣軋制(roll-off)，同時將從結合界面剝離的任何風險最小化。附圖簡述在閱讀經由非限制性顯示并且參考附圖給出的下列描述，本發明的其它特征和優點是顯然的，在所述附圖中 圖IA至IE是顯示制備異質結構體的現有技術方法的圖解視圖； 圖2是通過將兩個襯底組裝在一起而形成的現有技術結構的很好的圖解視圖； 圖3A至3G是顯示可以如何通過執行本發明的結合方法制備異質結構體的圖解視圖；和 圖4是在制備圖3A至3G中所示的3維結構體的同時所執行的步驟的流程圖。
具體實施例方式本發明的方法總體上應用于使用分子結合使得兩個襯底或晶片彼此粘附，并且所述兩個襯底中的至少一個在其結合表面上包括絕緣體層，例如氧化物層，所述絕緣體層已經通過化學-機械拋光而平面化。本發明的方法發現了一種特別的，但是不排他的使用分子結合在初始或供體襯底上獲得粘合的應用，所述初始或供體襯底還稱為“頂”襯底，其在其結合面上表現出凹凸形貌，從而需要沉積氧化物層并且進行平面化以使得分子結合成為可能。本發明還更具體地適用于將襯底結合在一起，所述襯底在它們的結合表面或面上包括由形成部件導致的凹凸形貌。在本文中使用的術語“部件”是指使用與晶片材料不同并且對通常用于增強結合界面的高溫敏感的材料制成的任何類型的元件。這樣的部件特別對應于形成一個電子部件或多個電子部件的全部或一部分的元件，例如電路或觸頭或實際活化層(indeed active layers)，其如果暴露于高溫可能被損壞乃至破壞。結合襯底可以包括這樣的材料具有彼此不同的膨脹系數并且在高溫容易產生可以使組裝體變形和/或損壞的不同膨脹的材料。換言之，襯底不適于在結合以后進行高溫退火，如例如當使用Smart Cut: 技術轉移層時對植入襯底(implanted substrate)所進行的高溫退火。從而，襯底之間的結合能受到限制，因而需要活化用于組裝體的兩個襯底(即，支持襯底和/或“供體”襯底)的結合表面中的至少一個，以增強結合能。此活化通過等離子體處理進行，所述等離子體處理如以上所解釋的，是導致在結合波傳播過程中和之后出現邊緣空隙型缺陷的來源。如眾所周知的，也稱為直接結合的分子結合的原理是基于兩個表面之間的直接接觸，即沒有使用任何特定的結合材料(粘合劑，蠟，焊料等)。這樣的操作要求用于結合的表面充分平滑，沒有粒子或污染物，并且充分彼此接近以能夠開始接觸，典型地處于小于若干納米的距離。在這樣的情況下，兩個表面之間的吸引力高得足以導致分子結合(由要結合在一起的兩個表面的原子或分子之間的電子相互作用的所有吸引力(范德華力)誘導的結合)ο化學-機械拋光是拋光或平面化技術，其是熟知的并且使用與拋光溶液結合的織物，所述拋光溶液同時含有適于化學進攻層的表面的試劑(例如NH4OH)以及適于機械攻擊所述表面的研磨劑粒子(例如，二氧化硅的粒子)。然而，CMP導致缺陷如粒子，擦痕等，這些缺陷均在經拋光的氧化物層的表面上并且在經拋光的氧化物層之下(在限制的深度內)。如上所述，這些缺陷在結合波的傳播路徑上形成導致邊緣空隙型缺陷出現的障礙。已經觀察到某些空隙可以存在晶片的邊緣處并且在作為拋光的結果的“微-擦痕”缺陷上排列。這些缺陷因而似乎有助于邊緣空隙型缺陷的形成和/或成核。如在下列詳細描述的，本發明提供一種分子結合方法，在所述方法中，在對沉積在襯底的結合表面上的氧化物層進行化學-機械拋光以后，在氧化物層的表面上進行化學蝕刻，從而防止在隨后的分子結合過程中形成邊緣空隙型缺陷。本發明的方法適用于特別使用半導體材料如硅，鍺，玻璃，石英，藍寶石等制成的襯底或晶片。組裝在一起的襯底或晶片可以特別具有100mm，150mm，200mm或300mm的直徑。 晶片在它們的大部分表面上，或僅在有限區域上可以包括微部件。在以下參考圖3A至3G和4描述從初始襯底210(頂)和最終襯底或支持襯底 220(底)制成異質結構體的方法。如在圖3A中所示，初始襯底210在其結合面210a上包括多個電路211a至21 Id 以及在其上的凹凸形貌形式的形成部分。初始襯底可以通過硅晶片構成，或通過多層結構體如硅絕緣體(silicon-on-insulation(SOI))型的結構體制成。最終襯底220由硅晶片構成。為了使得初始襯底210能夠在支持襯底220上進入緊密接觸，沉積絕緣層，在此實例中，在第一襯底的面210a沉積氧化物層212，例如四乙氧基正硅烷(TEOS)氧化物(步驟Sl和圖3B)。例如，可以相等地良好地使用其它氧化物如包含硼的硅烷或氧化物，如硼磷硅酸鹽玻璃(BPSG)。氧化物層212例如通過等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)，或通過低壓化學氣相沉積(LPCVD)如金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)制成。層212的平均厚度在約 0. IymM 10 μ m的范圍內。如在圖;3B中所示，沉積的氧化物層212遵循在面210a上存在的部件211a至21 Id 的凹凸形貌中的形狀。然后對氧化物層212進行CMP(步驟S2和圖3C)。根據本發明，對氧化物層212進行化學蝕刻，以防止在分子結合過程形成邊緣空隙型缺陷(步驟S3和圖3D)。在化學蝕刻過程中，氧化物層被移除至少20 A的厚度M圖3C)，從而消除或至少限制缺陷(粒子，擦痕等)的影響，所述缺陷(粒子，擦痕等)由CMP導致并且是在結合以后出現邊緣空隙型缺陷的原因。此化學蝕刻可以通過下列方法進行在70°C的溫度，將層212浸漬在含有SCl溶液的浴中并且歷時至少5分鐘的持續時間。在一種變化中，化學蝕刻通過下列方法進行在“室”溫(通常，采取約25°C )，將層212浸漬在含有氫氟酸(HF)溶液的浴中，歷時少于1分鐘，即若干秒，如10秒的持續時間。蝕刻時間作為所使用的蝕刻溶液的屬性和/或濃度和/或溫度的函數而確定(這些參數限定蝕刻的速率)。在層212的表面21 以此方式蝕刻優選在100人至300 A范圍內的厚度的情況下，然后將所述表面清潔，干燥和洗滌，從而得到與分子結合相容的表面狀態并且因而形成初始襯底210的結合表面(步驟S4)。以已知的方式并且如具體地在US 7 235 461中所述，可以經由典型具有圓筒形狀的旋轉刷洗滌表面21加。該刷可以在其周邊表面上安置有用于與層212的表面21 輕微接觸的絨面材料如聚合物。在洗滌過程中，可以使得攜帶層 212的初始襯底210旋轉。該洗滌還可以在可能地與氨(稀氨)結合的水流下進行。此外，將支持襯底覆蓋在例如通過氧化襯底的表面而形成的熱氧化物的層221 中，從而促進與在初始襯底上沉積的氧化物層212的分子結合(步驟S5和圖3B)。在已經形成熱氧化物層221以后，將其表面221a加工用于結合(步驟S6和圖3C)。為了在兩個襯底之間得到高結合能，可以通過等離子體處理活化表面221a。當限制用于增強結合而進行的退火所處的溫度時，此活化是特別有利的。對應于初始襯底210的結合表面的層212的表面21 還可以通過等離子體處理而活化。然而，此活化在蝕刻步驟以后進行。將這些步驟的順序顛倒將導致蝕刻步驟消除由等離子體處理產生的活化效果。因而，可以將一個或多個表面暴露于基于氧，氮，氬或其它材料的等離子體。用于此目的的設備可以特別最初設計用于進行通過電容耦合或通過誘導耦合等離子體(ICP)的反應性離子蝕刻(RIE)。關于進一步的細節，可以例如參考Sanz-Velasco 等的題為“在具有或沒有誘導耦合等離子體的反應性離子蝕刻機中使用氧等離子體的室溫晶片結合(Room temperature wafer bonding using oxygen plasma treatment in reactive ion etchers with and without inductively coupled plasma)，，(電化學學會期刊(Journal of Electrochemical Society) 150, G155, 2003)的文獻。
ffl il ^ ffi ￠1 ±| Jx IS 1 ^ ti M (magnetically-enhanced reactive ion etching) (MERIE)類型的設備，還可以將這些等離子體浸漬在磁場中，以特別避免帶電物種朝反應器的壁擴散。可以將等離子體的密度選擇成低、中或高，如在高密度等離子體(HDP)中的一樣。在實際中，經由等離子體的結合活化通常包括現有的化學清潔步驟，例如RCA清潔(即，使用適于移除粒子和烴的SCl浴(NH4OH, H2O2, H2O)和適于移除金屬污染物的SC2浴 (HCl, H2O2，H2O)的組合)，隨后將所述表面暴露于等離子體若干秒至若干分鐘。在暴露于等離子體以后可以進行一個或多個清潔操作，特別用于移除在暴露過程中引入的污染物，例如在水中漂洗和/或在SCl中清潔，任選隨后通過離心進行干燥。然而， 這樣的清潔可以通過能夠移除大部分污染物的洗滌來代替。一旦已經準備好表面21 和221a，就將它們緊密接觸并且對兩個襯底中的一個施加壓力，以開始在處于接觸的兩個表面之間的結合波的傳播(步驟S7和圖3E)。然后通過進行熱退火來增強結合(步驟S8)。當例如在本實施例中，初始襯底包括部件時，用于增強結合的退火在優選低于500°C的溫度進行，某些金屬如鋁或銅在所述溫度開始蠕變。通過使初始襯底210變薄以形成轉移層213，從而繼續異質結構體的制備(步驟 S9和圖3F)。最后，對結構體進行邊緣軋制以移除在轉移層213的周邊存在的倒棱和滴部 (步驟S10)。如在圖3G中所示的，這產生包括支持襯底220(具有其熱氧化物層221)和轉移層213的異質結構體300。在本發明的一個變化中，即通過將一個或多個另外的層轉移到頂層上，形成作為層的堆疊體的3維結構。在每次的其它層的轉移之前，可以在暴露的層上沉積氧化物層，例如TEOS氧化物的層，以促進組裝并且保護邊緣軋制區域(其中暴露了在晶片下的材料)免受隨后的化學攻擊。然后對于每一次層轉移，可以應用根據本發明的表面加工步驟。在一個具體的實施方式中，微部件層之一可以包含圖像傳感器。在另一個實施方式中，在將第二支持晶片與構成轉移層的第一晶片組裝之前，預先在第二支持晶片中形成部件。在這樣的情況下，代替由于部件的存在而不可能的將支持晶片熱氧化的是，可以通過沉積形成絕緣體。在一個變化的實施方式中，代替通過蝕刻消除CMP缺陷的是，或除所述蝕刻之外， 可以設想的是在CMP和/或蝕刻以后沉積薄的氧化物層，以避免這樣的缺陷對結合質量的有害影響。該薄的氧化物層例如可以具有例如在若干埃至300納米(nm)范圍內，例如在 500人至1000 A范圍內的厚度，所述層例如在使用基于氧和硅烷的等離子體的高密度等離子體室中沉積。在拋光和蝕刻以后的此沉積步驟可以通過采用等離子體處理活化沉積的薄氧化物層的表面的步驟而完成。
權利要求
1.一種通過分子結合將第一襯底(210)結合在第二襯底(220)上的方法，所述方法包括下列步驟 在所述第一襯底Ο ο)的結合面OlOa)上形成絕緣體層012)； 將所述絕緣體層(21 化學-機械拋光； 通過等離子體處理而活化所述第二襯底O20)的結合表面；和 通過分子結合將所述兩個襯底010，220)結合在一起，所述方法的特征在于，它還包括在所述化學-機械拋光步驟之后并且在所述結合步驟之前，蝕刻在所述第一襯底上形成的所述絕緣體層012)的表面012a)的步驟。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括使用等離子體處理活化在所述第一襯底上形成的所述絕緣體層012)的表面(21 ),所述活化在所述的蝕刻所述絕緣體層012)的所述表面的步驟之后進行。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括在所述的蝕刻在所述第一襯底上形成的所述絕緣體層(21 的表面012a)的步驟以后，在經蝕刻的絕緣體層的所述表面上沉積薄的氧化物層。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法還包括使用等離子體處理活化所述薄的氧化物層的表面。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的方法，其特征在于，在所述化學蝕刻過程中，移除所述絕緣體層012)的至少20 A的厚度。
6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，在所述化學蝕刻過程中，移除所述絕緣體層012)的在100 A至300 A的范圍內的厚度。
7.根據權利要求5或權利要求6所述的方法，其特征在于，所述蝕刻用SCl的溶液在 70°C的溫度進行至少5分鐘的持續時間。
8.根據權利要求5或權利要求6所述的方法，其特征在于，所述化學蝕刻使用的氫氟酸溶液在室溫進行少于1分鐘的持續時間。
9.根據權利要求1至8中任一項所述的方法，其特征在于，所述方法還包括在將所述兩個襯底結合在一起之前，在所述第二襯底(220)上形成氧化物層021)的步驟。
10.根據權利要求1至9中任一項所述的方法，其特征在于，所述第一襯底(210)包括在其結合表面OlOa)的至少一部分上的部件Olla-211d)，并且在于，所述絕緣體層(212) 通過沉積形成。
11.根據權利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一襯底包含圖像傳感器。
12.根據權利要求10或權利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法還包括在將所述兩個襯底Ο10，220)結合在一起以后，在低于500°C的溫度進行的用于增強所述結合的退火步驟。
13.根據權利要求1至12中任一項所述的方法，其特征在于，所述第一襯底是SOI型的結構。
14.根據權利要求1至13中任一項所述的方法，其特征在于，所述方法還包括在將所述兩個襯底(210，220)結合在一起以后，在所形成的結構體上進行邊緣軋制步驟。
全文摘要
本發明提供一種通過分子結合將第一襯底(210)結合在第二襯底(220)上的方法，所述方法包括下列步驟在所述第一襯底(210)的結合面(210a)上形成絕緣體層(212)；將所述絕緣體層(212)化學-機械拋光；通過等離子體處理而活化所述第二襯底(220)的結合表面；和通過分子結合將所述兩個襯底(210，220)結合在一起，所述方法的特征在于，它還包括在所述化學-機械拋光步驟之后并且在所述結合步驟之前，蝕刻在所述第一襯底上形成的所述絕緣體層(212)的表面(212a)的步驟。
文檔編號C03C15/00GK102209692SQ200980144516
公開日2011年10月5日 申請日期2009年10月27日 優先權日2008年11月7日
發明者圭塔·戈丹, 阿諾·卡斯泰, 馬塞爾·布勒卡特 申請人:S.O.I.技術(硅絕緣體技術)公司