鍵合兩個襯底的方法

專利名稱：鍵合兩個襯底的方法
技術領域：
本發明涉及用于電子學、光學或光電子學的復合結構的制造。 更具體地說，本發明涉及一種將兩個襯底鍵合在一起的方法。 本發明還涉及一種形成包括半導體材料層的結構的方法，所述半導
體材料層取自供體襯底(donor substrate),該供體襯底自身已經通過將兩 個襯底鍵合在一起而形成了。
背景技術：
為了將兩個襯底鍵合在一起，通常使得第一襯底與第二襯底接觸， 以便通過這些襯底彼此的分子附著來形成鍵合。
這種鍵合的一個應用是，在制造"絕緣體上半導體"型(SeOI)結 構、并且特別是在制造"絕緣體上硅"型(SOI)結構的領域中進行這種 鍵合。
在本申請的范圍內，要鍵合的至少一個襯底具有表面氧化層；例如， 通常為了形成SOI結構而執行Si/Si02鍵合或Si(VSi02鍵合。
通過分子附著而實現的鍵合是一種在并不應用粘結劑(諸如粘合劑、 膠等)的情況下使得表面極為平坦("鏡面拋光后")的兩個襯底彼此附 著的技術。
上述表面通常是由絕緣材料(例如，石英、玻璃)或半導體材料(例 如，Si、 GaAs、 SiC、 Ge)制成的襯底的表面。
通常通過在局部將輕微壓力施加到彼此接觸的兩個襯底上或者這兩 個襯底之一上來幵始進行鍵合。
然后，在數秒時間內鍵合波(ondede collage)傳播經過這些襯底的 整個范圍，從而在原子量級"chelle atomique)上將兩個襯底結合在--起。
與在通過共價方式、離子方式或金屬方式彼此連接的兩個固體之間
6觀察到的鍵合能量相比，在室溫得到的鍵合能量通常相當低。
為了令人滿意將兩個襯底彼此鍵合，通常在鍵合之前對要鍵合的兩
個表面或者其中一個表面進行準備。這樣做的目的在于增大機械強度和/
或改善鍵合界面的質量。
這種準備通常包括對要鍵合的襯底的表面進行化學處理，稱之為"清潔"。
清潔特別是旨在給要鍵合的表面賦予以下特性中的一個或更多個
-不存在微粒；
-不存在碳氫化合物；
-不存在金屬雜質；
-低表面粗糙度，通常小于5ARMS;
-強疏水性，也就是說，用高密度的硅烷醇鍵(Si-OH鍵)終止要鍵 合的表面。
以下這些可以作為在鍵合之前采用的清潔的示例
-RCA型清潔，即，SC1液(bainSCl，英文為"standard clean 1")
與SC2液(英文為"standard clean 2")的組合，SC1液包括氫氧化銨 (NH4OH)、過氧化氫(H202)及水(H20)，其適于移除微粒及碳氫化
合物，而SC2液包括鹽酸(HCL)、過氧化氫(H202)及水(H20)，其
適于移除金屬雜質；
-使用含臭氧的溶液(03)來進行清潔，其適于移除有機雜質； -使用包含硫酸及含氧水的混合物("硫過氧化物混合物"(SPM))
的溶液來進行清潔。
控制各種清潔參數(特別是這些液體的溫度)，這使得能夠防止在鍵
合結構的鍵合界面上出現某些缺陷。
所導致的缺陷例如是在這兩個襯底之間的鍵合界面上的氣泡。 此外，在將供體襯底的薄層轉移到待處理襯底的情況下可以觀察到
另一類型缺陷，Smart CutTM類型的方法是這種轉移的有利示例(關于
Smart CuFM類型方法，本領域技術人員例如可以參考"Silicon Wafer
bonding technology for VLSI and MEMS applications", S.S. Iyer及A丄Auberton-Herv6,正E，2002)。在這種情況下，實際上在轉移后的薄層中可 能觀察到位于待處理襯底的外緣區域中的穴。被稱為"邊緣空隙"的是: 直徑在50 |im到2 mm之間的、位于距離該結構邊緣0.5 mm到5 mm之 間的位置處的那些未被轉移的區域。
圖1示意性示出具有邊緣空隙的SOI的剖視圖。轉移到待處理襯底 上的層具有直徑通常在50 )im到2 mm之間的穴，該穴處于距離該結構 邊緣1-5 mm的位置處。
因此，該邊緣空隙是位于邊緣處與這些襯底的不良鍵合相關的肉眼 可見的缺陷。它們是嚴重的并且通常是嚴重的缺陷。這是因為，在邊緣 空隙的位置處缺乏充當用于形成電子組件的有源層的薄層，所以在這個 位置不能制造組件。從邊緣空隙的尺寸來看，包括至少一個邊緣空隙的 電子組件必然會是帶有缺陷的。
"氣泡"型的缺陷對應于在所轉移的薄層與待處理襯底之間的局部 去鍵合(disbonding)。例如，在通過Smart CutTM方法得到的SOI的情況 下，將硅待處理襯底鍵合到經過氧化及注入的供體襯底上，可能會導致 在轉移后所得到的結構上觀察到氣泡。如圖2所示，這些氣泡是由于待 處理襯底與所轉移的薄層的氧化物之間的局部去鍵合而產生的。
這種局部去鍵合是由彼此接觸的兩個襯底或其中一個襯底的表面上 的任意微粒、碳氫化合物痕跡或表面不規則性(局部較高的微粗糙度) 而促成的。
在針對Smart CutTM型(簡明起見，下文中將其稱為"SOI格式(SOI formation)")的轉移而執行鍵合的情況下，在供體襯底與待處理襯底之 間的鍵合界面上所生成的氣泡在這種轉移所涉及的分離退火期間會膨 脹，這會損壞在轉移后所得到的最終結構的工作層。
如圖2所示，在SOI格式的范圍內，氣泡可以位于該結構的中心及 外緣。
因此，在薄層轉移之后，氣泡是直徑通常在O.l mm到3mm之間的 肉眼可見的圓形缺陷。
在這種情況下，氣泡對于SOI而言是嚴重的缺陷。已知的是，氣泡型缺陷和邊緣空隙型缺陷與鍵合及表面準備相關。 更具體地說，己經觀察到的是，在鍵合之前的某些清潔條件能夠得 到以下的鍵合，其中-
-通過使用特別是低濃度且尤其為低溫(通常最大為65。C的程度)
的SC1液，防止了在鍵合界面上出現氣泡型缺陷，
-通過使用特別是處于高溫(通常最小為70。C的程度)的SC1液， 防止了在轉移之后在鍵合界面上出現邊緣空隙型缺陷。
因此，如上所述的避免氣泡型缺陷的條件及避免邊緣空隙型缺陷的 條件是彼此沖突的。
因此在實踐中，通過清潔進行的準備步驟需要尋求一種折衷(特別 是關于在鍵合之前執行清潔的溫度)，以獲得在其上會觀察到差不多的氣 泡及邊緣空隙的鍵合界面。

發明內容
本發明旨在克服上述問題，并且特別是消除對限定清潔條件(特別 是溫度)的折衷的需要，以防止在兩個襯底之間的鍵合界面上出現邊緣 空隙型缺陷及氣泡型缺陷。
為此目的，本發明的第一方面提供了一種將兩個襯底鍵合在一起的 方法，在鍵合期間這兩個襯底的表面彼此接觸，該方法包括至少一個清 潔步驟，該清潔步驟在使得要鍵合的兩個襯底的表面彼此接觸之前清潔 所述兩個襯底或者其中一個襯底的表面，所述方法的特征在于，
-以使得所清潔的各個表面未被顯著地粗糙化的方式執行所述清潔 步驟，并且其中，
-在所述鍵合之前還對要鍵合的至少一個襯底進行加熱，所述加熱 是在這些襯底的表面彼此接觸之前開始的，并且所述加熱至少持續到這 些表面已經彼此接觸為止。
本方法的優選但非限制性方面如下所述
-所述加熱最晚在鍵合波在這兩個襯底之間的傳播結束時結束；
-清潔要鍵合的所述兩個襯底或者其中一個襯底的表面的所述清潔步驟包括蝕刻，所述蝕刻使得蝕刻后的表面的粗糙度增大0 %到20 %;
-清潔要鍵合的所述兩個襯底或者其中一個襯底的表面的所述清潔 步驟包括蝕刻，所述蝕刻使得蝕刻去除了小于15埃的厚度；
-所述清潔步驟是利用低于65。 C的溫度的清潔液進行的；
-所述清潔步驟是這樣進行的，即，利用基于NH40H、 H202、 H20 的清潔液進行的；或者，首先利用基于NH40H、 H202、 H20的清潔液， 隨后利用基于HCL、 H202、 H20的清潔液；或者，首先利用含臭氧的清 潔液，隨后利用基于NH4OH、 H202、 H20的清潔液，接下來利用基于 HCL、 H202、 H20的清潔液；或者，首先利用硫酸和含氧水的清潔液， 隨后利用基于NH4OH、 H202、 H20的清潔液，接下來利用基于HCL、 H202、 H20的清潔液；
-所述清潔步驟是這樣進行的，即，首先使用干燥臭氧，隨后利用 基于NH40H、 H202、 H20的清潔液，接下來利用基于HCL、 H202、 H20 的清潔液；
-該方法還可以包括等離子體活化步驟，所述等離子體活化步驟是 在所述清潔步驟之后并且在所述要鍵合的兩個襯底或者其中一個襯底的 鍵合步驟之前執行的；
-所述等離子體基于02和/或N2;
-所述等離子體使得所述要鍵合的兩個襯底或者其中一個襯底的粗 糙度下降；
-所述基于NH40H、 H202、 H20的清潔液的溫度低于65。C;
-所述基于NH40H、 H202、 &0的清潔液具有的順40謹202的質 量百分比劑量通常為1/2到6/6之間，優選為1/2到3/4之間；所述基于 NH4OH、 H202、 H20的清潔液處于5°C到60°C之間的溫度，優選處于 40。C到55。C之間的溫度；所述基于NH40H、 H202、 H20的清潔液被應 用幾分鐘，優選被應用三分鐘；
-所述基于HCL、 H202、 H20的清潔液具有的HCL的質量百分比劑 量為0.3%到2°/。之間；所述基于HCL、 H202、 H20的清潔液具有的H202 的質量百分比劑量為0.3%到2%之間；所述基于HCL、 H202、 H20的清
10潔液處于30°C的溫度；所述基于HCL、 H202、 H20的清潔液被應用幾 分鐘，優選被應用三分鐘；
-在所述鍵合步驟之前，在所述要鍵合的兩個襯底中的至少--個襯
底的外緣區域中在局部進行加熱；或者，在所述要鍵合的兩個襯底中的
至少一個襯底的整個范圍均勻地進行加熱；并且，所述加熱在35°C到 90。C之間的溫度執行，通常是在45。C到70。C之間的溫度執行；此外， 所述加熱是通過熱傳導或通過輻射實現的。
本發明還涉及一種形成包括半導體材料薄層的結構的方法，該半導
體材料薄層是從供體襯底被轉移到第二襯底的，該方法包括以下步驟
-將兩種原子物質共同注入到所述供體襯底中，以生成限定了要轉 移的薄層的削弱區域，這兩種原子物質在所謂的"峰值"深度均具有最
大濃度，
-在使得要鍵合的這兩個襯底的表面彼此緊密接觸之前，清潔這兩 個襯底或者其中一個襯底的表面，
-使得所述第二襯底與所述供體襯底接觸，以將這兩個襯底鍵合在 -.-起，
-將所述供體襯底的一部分轉移到所述第二襯底，以在所述第二襯 底上形成所述薄層，
所述方法的特征在于，以使得所述兩種原子物質的峰值在所述供體
襯底的厚度中具有小于200 A的偏移的方式，注入所述兩種原子物質； 并且其中，根據前述鍵合方法，執行所述鍵合。
有利的是，所述兩種原子物質分別是氫和氦，優選的是，所述兩種 原子物質的所述峰值設置在所述供體襯底的相同深度。
根據一具體實施方式
，在覆蓋有1450A氧化層的硅供體襯底中，氫 的注入能量被選擇為32 keV，使得所述氫注入峰值在所述供體襯底中位 于2450A的深度，并且，氦的注入能量在47keV到50keV之間，優選 的是49 keV。


通過結合附圖閱讀以下的純粹示例性及非限制性的描述，可以理解 本發明的其它特征和優點，除了已經討論過的圖1及圖2之外，其它附 圖是
圖3例示了作為SC1液溫度的函數的氣泡出現率(實線)及邊緣空 隙出現率(虛線)；
圖4a和圖4b例示了從該結構的中心開始鍵合(圖4a)和從該結構 的邊緣開始鍵合(圖4b)兩種情況下的鍵合波的傳播，其中，通過點來 表示其中預計可能會出現邊緣空隙的外緣區域；
圖5例示了在對硅襯底的上部進行15秒局部加熱之后在直徑為 300mm的硅襯底上的溫度圖，在這種情況下，由于鍵合是在該硅襯底的 下部開始的，因此預計在該襯底的上部應該出現邊緣空隙；
圖6例示了相對于氫峰值偏移的氦峰值，以及與氫峰值對準的氦峰
值；
圖7根據對3個可選方法的比較示出了 "密集區域"型缺陷的分布
以及
圖8A到圖8C例示了通過對在各種注入和清潔條件下疊置的通常為 25片的晶片上所觀察到的缺陷圖進行迭加而產生的密集區域。
具體實施例方式
如上所述，本發明涉及將兩個襯底鍵合在一起的方法。 如上所述，本發明特別是旨在消除與氣泡及邊緣空隙的出現相關的 折衷。
申請人認識到，通過更改用于清潔要鍵合的表面的液體的參數，可 以減少出現氣泡型缺陷。
但是，如上所述，有利于減少氣泡的清潔條件在轉移的情況下有助 于增加出現邊緣空隙。
因此，當前已知的實施方式通常包括，在將清潔條件定義為(特別 是)溫度和允許的氣泡及邊緣空隙數量的函數時做出折衷。
圖3示意性例示了這種折衷的原理，其中氣泡出現率(實線)及邊緣空隙出現率(虛線)被表示為SC1液溫度的函數。 因此
-借助于處于高溫的SC1液進行的清潔使得正被清潔的這些襯底表 面被刻蝕或者粗糙化，從而能夠避免產生邊緣空隙，但是促成了氣泡的 產生，
-借助于處于低溫(通常低于65。C)的SC1液進行的清潔使得正被 清潔的這些襯底表面被極小幅度地粗糙化并被極低程度地蝕刻(小于15 埃、通常為5-10埃的移除)，從而能夠避免產生氣泡，但是促成了邊緣空
隙的產生。
應當注意的是，限定不存在邊緣空隙的規范變得越來越嚴格。 申請人:建議，選擇一些條件，用以在清潔這些襯底表面期間防止出 現氣泡，與此同時不必對在清潔期間可能會出現的邊緣空隙感到擔心。
因此，這些清潔條件應當得到如下的清潔后表面即，其粗糙度及
厚度由于蝕刻程度低而"基本上"未被清潔步驟所改變。
可以回想到，通常借助于在低溫情況下(通常低于65。C)的SC1液 來實現要鍵合的兩個襯底或者其中一個襯底的小幅度劣化。
而且，通常可以采用任意類型的清潔，只要這種清潔允許按照以下 這種方式來執行清潔步驟在清潔之后，清潔后的各個表面的粗糙度未
被該清潔所改變，或在最糟糕的情況下清潔后的各個表面的粗糙度相對
于在該清潔步驟之前的粗糙度值增大了20%。為此目的，使用AFM(原 子力顯微鏡)在10x10 ^112的表面上測量粗糙度。然后，通過將清潔之后 的粗糙度與清潔之前的粗糙度進行比較來評估粗糙化。
此外，通過清潔進行的粗糙化與由其導致的蝕刻是相關的。因此合 適的是，采用能夠導致小于15埃(通常為5-10埃)的蝕刻的任意類型的 清潔。
使要鍵合的兩個襯底或者其中一個襯底的表面不劣化的效果在于限 制出現氣泡。
然后，通過加熱要鍵合的兩個襯底或者其中一個襯底的方式，通過 對這些襯底的鍵合進行控制(對鍵合波的傳播速度進行控制)，來防止出
13現邊緣空隙。
申請人己經開發出了一種用于減少出現邊緣空隙的方法，其通過加 熱要鍵合的兩個襯底或者其中一個襯底，基于對鍵合波的傳播速度進行 控制來實現。
具體地說，鍵合波的傳播速度一方面受親水性的影響，而另一方面 受要鍵合的襯底表面的低粗糙度的影響。
因此，可以獨立地控制氣泡的出現及邊緣空隙的出現。
因此，本發明一方面建議清潔要鍵合的兩個襯底或者其中一個襯底， 使得在清潔之后，清潔后的要鍵合的襯底表面未被顯著地粗糙化(這是 有益于防止出現氣泡的條件)。
應當指出的是，用語"未被顯著地粗糙化"表示有限地增大粗糙度。 更具體地說，這通常相當于清潔后的表面粗糙度被增大了 0%到20%。
為了得到未被顯著地粗糙化的表面，清潔步驟可能包括厚度小于15 埃的蝕刻。
所進行的清潔還可以包括多個步驟。在所設想的全部情況中，被清 潔的各個表面在清潔之后"未被顯著地粗糙化"。
此外，本發明建議在鍵合之前對要鍵合的至少一個襯底進行加熱， 在這些襯底表面彼此接觸之前開始加熱，并且該加熱至少一直持續到所 述襯底實際上彼此接觸為止。
應當注意的是，該加熱最晚在鍵合波在兩個襯底之間的傳播結束時 結束。
應當指出的是，不必對兩個襯底或者其中一個襯底的整個表面進行 加熱，而是可以將加熱限制在它們的特定區域中。因此，有利的是，將 加熱限制到這些襯底的有限表面，特別是將加熱限制到可能出現邊緣空 隙型缺陷的外緣區域。
可以通過組合多種液體，對要鍵合的兩個襯底或者其中一個襯底進 行清潔。
在清潔步驟期間，所使用的液體使得要鍵合的兩個襯底或者其中一
個襯底的表面粗糙度增大0°/。到20°/。之間，并且導致厚度小于15埃的蝕刻。
能夠得到這種結果的清潔是在低于65°C的溫度所執行的清潔。
優選的是，所采用的清潔包括SC1液(基于NH4OH、 H202、 H20
的混合物)。
特別是可以以相當低的濃度在5°C至U 60°C之間的溫度(通常 40°C-55°C)使用SC1液數分鐘(通常為三分鐘)。
在SC1液中，NH4OH/H202的濃度(表示為質量百分比)通常為1/2 到6/6之間。該質量百分比劑量優選等于1/2或3/4。
使用SCI液的這種清潔通常使得從對于形成這種SOI而言必要的離 子注入所削弱的熱氧化物中蝕刻掉大約5-15埃。
有利的是，在使用SC1液之前，特別是為了移除有機雜質而預先采 用臭氧液、SPM (基于H2SCVH202的混合物)或基于干燥臭氧(UV/03 氣氛)的清潔。
此外有利的是，在經過SC1液處理之后，使用低溫(通常為30。C) 且低濃度(通常為0.3 - 2%的HCL及0.3 - 2%的H202 (其余為水)，以質 量百分比來表示)的SC2液進行大約三分鐘的處理。
使用這種SC2使得可以移除相當大部分的金屬雜質，而不會劣化要 鍵合的襯底的親水性，這種親水性在開始鍵合時有利于鍵合波的傳播。
此外，還可以對已經通過這種方式清潔后的要鍵合的兩個襯底或者 其中一個襯底進行等離子體活化處理，優選的是使用02和/或N2等離子 體。
應當注意的是，等離子體活化步驟還可以被稱為具有平滑效果的干 法清潔步驟，因此其相當于附加的清潔步驟。它的使用提高了要鍵合的 兩個襯底或者其中一個襯底的表面條件。
因為等離子體活化被看作為清潔步驟，因此可以認為"該清潔"是 一系列連續步驟。根據本發明，這些清潔步驟作為整體必須滿足要鍵合 的表面的粗糙度限制。
應當注意的是，雖然還可以在SC1液之前執行等離子體活化處理以 移除有機雜質，但是優選在清潔與鍵合本身之間執行這種等離子體活化處理。
當加熱要鍵合的兩個襯底或者其中一個襯底時，使得邊緣空隙被消
除的溫度范圍為從35。C到90。C，通常為從45。C到70。C。
應當注意的是，該溫度范圍的設置原則是，不應過度增大溫度而導 致發生鍵合能量減小的風險。
具體地說，如果在過高的溫度下鍵合這些襯底，該鍵合可能是效果 不良的。在某些情況下，甚至不可能進行鍵合。
這是因為，在實踐中是在不應用粘合劑或其它膠的情況下實現鍵合 的。被吸收到各個接觸表面上的水(數個單分子層的水)充當粘合劑， 并且通過范德華力(force de Van derWaals)使得這兩個接觸的表面附著。
因此，如果這些襯底被加熱到過高的溫度，則所吸收的水中的絕大 部分(或甚至全部的水)會蒸發，這使得不能進行鍵合，這是因為鍵合 波不能正確地在要鍵合的兩個襯底或者其中一個襯底的表面上傳播。
因此，對于加熱來說合適的是，使用能夠消除邊緣空隙的最低溫度， 以使得不減小鍵合能量，減小鍵合能量可能導致出現其它缺陷(例如， 在薄層轉移之后的氣泡)。
有利的是，并不必要對要鍵合的兩個襯底或者其中--個襯底的整個 表面進行加熱。可以僅加熱其中一個襯底。
此外，還可以僅加熱其中可能出現邊緣空隙的區域。
例如，如果從邊緣開始兩個襯底(呈圓形)的鍵合，可以僅加熱在 直徑方向與這點相對的邊緣。因此，可以在不影響其余鍵合的情況下， 加熱會出現邊緣空隙的關鍵區域，從而有利于鍵合波在要鍵合的襯底的 剩余表面上傳播。
圖4a和圖4b分別例示了在從中心開始(參見圖5a)和從邊緣開始 (參見圖5b)對兩個襯底的鍵合時鍵合波的傳播。
局部加熱或對一個或兩個襯底的全部的加熱，例如可以通過熱傳導 (例如，通過與發熱的支撐件接觸)或通過輻射(例如，由鹵素燈照射 要加熱的襯底的全部或部分)來實現。
特別是，應當將其中會出現邊緣空隙的區域保持在所期望的溫度，
16直到這些表面在該區域中被鍵合了為止。
加熱時間很大程度上取決于增大以及控制加熱區域的溫度所使用的 設備。
例如，當使用輸出500瓦功率的卣素燈時，通常的加熱時間處于15 秒到90秒之間(該時間范圍很大程度上取決于這些襯底與燈之間的距 離)。
在加熱15秒之后，例如，在從襯底邊緣開始鍵合的情況下，相對邊 緣優選最熱為大約50°C的溫度。
例如，在相同條件下在加熱50秒之后，在兩個襯底或者其中--個襯 底上測量到的最大溫度達到接近70°C。
圖5例示了在進行15秒局部加熱之后在直徑為300 mm的硅襯底上 的溫度圖，在這種情況下，由于鍵合是在該硅襯底的下部開始的，因此 預計在該襯底的上部應該出現邊緣空隙。
本發明的方法使得可以在形成SOI的情況下得到更好質量的鍵合。
因此，在Smart CutTM技術的情況下，本方法使得能夠同時避免邊緣 空隙和氣泡(通常是嚴重的肉眼可見的缺陷)，從而增大了產量并且改善 了所獲得的結構的質量。
氣泡和邊緣空隙的這種基本消除特別是涉及促使氣泡出現的條件， 也就是說，例如，當注入高劑量的氫(單獨注入氫)時，或在共同注入 氦及氫的情況下。
具體地說，根據Smart CutTM方法，通過將原子物質或離子物質注入 到供體襯底層厚中，在鍵合之前就已經形成了削弱的區域，并且在鍵合 之后在削弱的區域中分離供體襯底，以將薄層轉移到第二襯底。
通常氦及氫是共同注入的，同時這兩個物質的注入峰值是彼此偏移 的。這是因為已經表明就氣泡而言更好的結果是如此獲得的，即，通過 注入氫使得它的峰值基本上位于分離平面的深度，而注入氦使得它的峰 值位于供體襯底厚度中更深一些的位置處。在本申請中，將峰值定義為 這樣的深度，在該深度處注入物質的濃度最大。
術語"偏移"旨在表示在供體襯底中深度的不同。參照圖6， z軸垂直于供體襯底的表面指向深度增大的方向，原點位于注入側的襯底表面上。由雙箭頭D來表示各個峰值之間的偏移。
實際上，按照將峰值設置在同一深度的方式共同注入氦及氫原子時，能夠觀察到在鍵合界面明顯形成氣泡。相反，當氫注入峰值在供體襯底深度上相對于氦注入峰值偏移時，可以發現避免了形成氣泡。在US專利
申請2006/0060943中解釋了這個問題。
在本申請中，術語"最終粗糙度"旨在表示在削弱區域分離之后在SOI晶片上存在"密集區域"。密集區域包括淺缺陷，淺缺陷并不幵放但是擴展的。淺缺陷并不出現在晶片整個表面上，而是局部地位于分離開始區域，如圖8A到圖8C所示，其中，以箭頭來指示密集區域ZD。
密集區域引起了所顯露出的"低頻率"粗糙度(特別是通過AFM (原子力顯微鏡)在30x3(Htm2、或40x4(^m2的區域中觀察到的)。還可以通過Surfscan型儀器執行的"霧影(haze)"測量，來測量這種缺陷密度。用于評估該密集區域的Surfscan SP2設備的檢測閾值的典型值是90 nm。
密集區域的粗糙度一方面限制了晶片的檢測閾值，而另一方面，表明了表面質量的劣化。因此，期望限制這種類型缺陷的形成。
對此，在將根據本發明的方法應用到其中供體襯底經過了氦和氫共同注入(其中，在供體襯底的厚度中氫峰值相對于氦峰值是偏移的)的結構之后，申請人對密集區域執行了測量。已經觀察到，采用低溫SC1液進行清潔對于氣泡的形成具有有利效果，但是對于密集區域的尺寸具有不利效果。
相反，申請人觀察到，根據本發明通過在供體襯底的厚度中在基本上相同的深度上對準氫注入峰值和氦注入峰值并且在低溫進行清潔，減少了氣泡的形成，而且也由此減小了密集區域。對于邊緣空隙，通過在鍵合期間進行加熱來限制邊緣空隙的形成。術語"基本上相同的深度"旨在表示氫峰值和氦峰值的相同深度，或表示在氫峰值與氦峰值之間的小于200A的深度偏差。
因此，將氫峰值和氦峰值的對準與低溫清潔相結合，不僅可以防止形成氣泡而且還可以減小在最終SOI上的密集區域的缺陷密度。特別有利的是，可以將氫注入能量選擇作為期望注入深度的函數，并因此作為要轉移的薄層的厚度的函數。確定這種能量(其還取決于要注入的襯底)屬于本領域技術人員的能力。
然后，定義氦注入能量，以使得氦峰值與氫峰值對準，或使得氦峰值以小于200 A的幅度相對于氫峰值偏移。
應當指出的是，參照圖6，氫峰值和氦峰值具有不同的形狀，氫峰
值(H)比較窄而氦峰值(He)更寬。
例如，參照圖6，將氫和氦共同注入到覆蓋有1450A氧化層的硅供體襯底中，將氫能量選擇為32keV，使得注入峰值位于2450A的深度。為了如現有技術一樣地偏移峰值，選擇52keV量級的氦注入能量，這使得在這兩個峰值之間產生了 500 A的偏移。密集區域的缺陷密度在直徑為300 mm的片上通常大于200個缺陷(圖7中的情況B)，這些缺陷是按照90 nm的閾值來測量的。為了彼此對準這些峰值，將氦注入能量值減小為47 keV到50 keV之間，優選的是49 keV。然后，密集區域的缺陷密度在直徑為300 mm的片上處于80個缺陷的量級(圖7中的情況A)，仍然是按照90 nm的閾值來測量的。作為對比，在使用現有技術的方法的情況下，即，在65。C進行清潔并且這些峰值之間的偏移與情況B的相同，密集區域的缺陷密度處于80個缺陷的量級(圖7中的情況C)。
在圖8A到圖8C中可以觀察到這些結果。
圖8A示出了在經過了按照峰值對準方式共同注入氫和氦(氦注入能量為49 keV)并且在鍵合之前在55°C的SC1液中進行了清潔的SOI晶片上存在的密集區域ZD。
圖8B例示了在經過了按照峰值偏移方式共同注入氫和氦(氦注入能量為52 keV)并且在鍵合之前在55°C的SC1液中進行了清潔的晶片上的密集區域ZD。與前一種情況相比，該密集區域擴展了很多。
圖8C例示了在經過了按照峰值偏移方式共同注入氫和氦(氦注入能量為52 keV)并且在鍵合之前在65°C的SC1液中進行了清潔的密集區域。
這些附圖示出了對準氫和氦的注入峰值使得能夠顯著減小密集區域
19的缺陷密度，這對減小在鍵合之前的清潔中的SC1液的溫度時所觀察到 的劣化進行了補償。
現在返回到根據本發明的鍵合方法，可以看到，還可以在本方法的 上游避免對這些襯底進行分揀。具體地說，如上所述，傳統上基于要鍵 合的襯底的邊緣特性在會出現邊緣空隙的位置執行分揀。這種分揀會導
致襯底的高排斥性(rejection)。
此外，RCA清潔液使用低溫具有經濟上的益處，因為在這些條件下 構成該清潔液的化學產品的蒸發較小，所以該清潔液的壽命更長。這給 出了下列優點，即，限制了被添加用于長時間穩定溶液濃度的化學產品 的數量。
重要的是，這些清潔條件與Smart CutTM方法中所包括的其它清潔(氧 化之后的清潔、熱處理之后的清潔等)非常類似或相同。
因此，在工業上使用一種清潔液并且可以為該方法的全部步驟僅采 用一個設備，這就足夠了。
因此，可以想到的是，通過修改溫度和鍵合時間的參數來優化清潔 并且對鍵合步驟作出必要的調整。
此外，本發明的方法得到在鍵合之前具有低粗糙度的襯底，這能夠 實現更強的鍵合并且之后更容易穩定的鍵合界面。
根據本發明方法還可以消除通過當清潔要鍵合的兩個襯底或者其中 一個襯底時改變SC1液的溫度而造成的邊緣空隙/氣泡折衷效應。
因此，可以看到，因為可以根據消除邊緣空隙的鍵合條件和使得氣 泡出現被最小化的清潔條件來獨立地執行調整，所以簡化了調整本方法 參數的可能性。
以下，給出了使用本發明的方法所得到的結果。
在通過Smart CutTM進行Si/注入的Si02鍵合以得到SOI的情況下， Si待處理襯底對清潔較不敏感(較不容易被蝕刻和/或粗糙化)。通過原子 力顯微鏡在10xl0pm2表面上測量得到的這種待處理襯底的典型粗糙度小 于或等于1埃RMS。供體襯底(其包括在表面上被氧化的硅并且隨后共 同注入了氦和氫)例如在局部因為注入而被削弱，所以更容易通過清潔來被粗糙化和蝕刻。它的粗糙度在清潔之前接近1.2-1.4埃RMS，在使用
75°C的溫度的SC1進行RCA清潔之后，它的粗糙度達到大約2埃RMS， 這使得被蝕刻了 30埃。相反，如果同一供體襯底在40°C經過了同一清 潔，則它的粗糙度沒有改變地保持在1.2-1.4埃RMS范圍內，而與此對 應的蝕刻接近5埃。然后，與在75。C的同一清潔相比，在40。C的清潔 之后氣泡的出現少大約四倍。
以下，給出了制造沒有氣泡或邊緣空隙的結構的示例。 在第一示例中，根據Smart CutTM方法使用短時局部加熱來得到SOI: -熱氧化，并且按照分別為lx1016 at/cm2禾卩lx1016 at/cm2量級的濃度 來共同注入氦和氫， -清潔
-利用臭氧液清潔兩個襯底，然后清洗，
-利用40°C的SC1液(質量百分比劑量為3%的NH4OH和4% 的仏_02，其余為水)進行三分鐘的清潔，然后清洗，
-利用30。C的SC2液(質量百分比劑量為0.7。/c)的HCL及0.5。/。 的H202)進行三分鐘的清潔，然后清洗，
-干燥
-使用短時局部加熱來進行鍵合.-
-在鍵合之前擦洗并清洗這兩個襯底， -通過離心法進行干燥，
-將要鍵合的襯底彼此相對地放置在鍵合臺上， -使得這些襯底彼此接觸，然后，通過功率為500瓦的鹵素燈照 射36秒來進行局部加熱，
-在開始加熱20秒后在局部加熱期間開始鍵合，并且 -根據Smart CutTM方法來分離及完成SOI。
在第二示例中，根據Smart CutTM方法使用中等時長局部加熱來得到
SOI:
-熱氧化，并且按照7xl016 at/cm2量級的高劑量來注入氫， -清潔-利用50°C的SC1液進行三分鐘的清潔，然后清洗，
-利用30°C的SC2液進行三分鐘的清潔，然后清洗， .-干燥， -使用純02等離子體來激活供體襯底，
-使用中等時長局部加熱來進行鍵合
-在鍵合之前擦洗然后清洗要鍵合的襯底，
-通過離心法進行干燥，
-將要鍵合的襯底彼此相對地放置在鍵合臺上，
-使得這些襯底彼此接觸，然后，通過功率為500瓦的鹵素燈照 射50秒來進行局部加熱，
-在開始加熱35秒后在局部加熱期間開始鍵合，并且 -根據Smart Cut 方法來分離及完成SOI。
權利要求
1、一種將兩個襯底鍵合在一起的方法，在所述鍵合期間這兩個襯底的表面彼此接觸，該方法包括至少一個清潔步驟，該清潔步驟在使得要鍵合的兩個襯底的表面彼此接觸之前清潔所述兩個襯底或者其中一個襯底的所述表面，所述方法的特征在于，-以使得所清潔的各個表面未被顯著地粗糙化的方式執行所述清潔步驟，并且其中，-在所述鍵合之前還對要鍵合的至少一個襯底進行加熱，所述加熱是在這些襯底的表面彼此接觸之前開始的，并且所述加熱至少持續到這些表面已經彼此接觸為止。
2、 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述加熱最晚在鍵合 波在這兩個襯底之間的傳播結束時結束。
3、 根據前述權利要求中任意一項所述的方法，其特征在于，清潔要 鍵合的兩個襯底或者其中一個襯底的表面的所述清潔步驟包括蝕刻，所 述蝕刻使得蝕刻后的表面的粗糙度增大0 %到20 %。
4、 根據權利要求1和2中任意一項所述的方法，其特征在于，清潔 要鍵合的兩個襯底或者其中一個襯底的表面的所述清潔步驟包括蝕刻， 所述蝕刻使得蝕刻去除了小于15埃的厚度。
5、 根據前述權利要求中任意一項所述的方法，其特征在于，所述清 潔步驟是利用低于65。 C的溫度的清潔液進行的。
6、 根據前述權利要求中任意一項所述的方法，其特征在于，所述清 潔步驟是利用基于NH40H、 H202、 H20的清潔液進行的。
7、 根據前述權利要求中任意一項所述的方法，其特征在于，所述清 潔步驟是這樣進行的，即，首先利用基于NH40H、 H202、 H20的清潔液， 隨后利用基于HCL、 H202、 H20的清潔液。
8、 根據前述權利要求中任意一項所述的方法，其特征在于，所述清 潔步驟是這樣進行的，即，首先利用含臭氧的清潔液，隨后利用基于NH4OH、 H202、 H20的清潔液，接下來利用基于HCL、 H202、 H20的清潔液。
9、 根據權利要求1到5中任意一項所述的方法，其特征在于，所述 清潔步驟是這樣進行的，即，首先利用硫酸和含氧水的清潔液，隨后利 用基于NH4OH、 H202、 H20的清潔液，接下來利用基于HCL、 H202、 H20的清潔液。
10、 根據權利要求1到5中任意一項所述的方法，其特征在于，所 述清潔步驟是這樣進行的，即，首先使用干燥臭氧，隨后利用基于NH40H、 H202、 H20的清潔液，接下來利用基于HCL、 H202、 H20的清潔液。
11、 根據前述權利要求中任意一項所述的方法，其特征在于，所述 方法還包括等離子體活化步驟。
12、 根據權利要求ll所述的方法，其特征在于，在所述清潔步驟之 后并且在鍵合要鍵合的兩個襯底或者其中一個襯底的鍵合步驟之前執行 所述等離子體活化步驟。
13、 根據權利要求U和12中任意--項所述的方法，其特征在于， 所述等離子體基于02和/或N2。
14、 根據權利要求11到13中任意一項所述的方法，其特征在于， 所述等離子體使得所述要鍵合的兩個襯底或者其中一個襯底的粗糙度下 降。
15、 根據權利要求6到10中任意一項所述的方法，其特征在于，所 述基于NH40H、 H202、 H20的清潔液的溫度低于65°C。
16、 根據權利要求6到10中任意一項所述的方法，其特征在于，所 述基于NH40H、 H202、 H20的清潔液具有的NH40H/H202的質量百分比 劑量通常為1/2到6/6之間，優選為1/2到3/4之間；所述基于NH4OH、 H202、H20的清潔液處于5°C到60°C之間的溫度，優選處于40°C到55°C 之間的溫度；所述基于NH40H、 H202、 H20的清潔液被應用幾分鐘，優 選被應用三分鐘。
17、 根據權利要求7到10中任意一項所述的方法，其特征在于，所 述基于HCL、H202、H20的清潔液具有的HCL的質量百分比劑量為0.3%到2%之間；所述基于HCL、 H202、 H20的清潔液具有的H202的質量百 分比劑量為0.3%到2%之間；所述基于HCL、 H202、 H20的清潔液處于 30。C的溫度；所述基于HCL、 H202、 H20的清潔液被應用幾分鐘，優選被應用三分鐘。
18、 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，在所述要鍵合的兩 個襯底中的至少一個襯底的外緣區域中在局部進行所述加熱。
19、 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，在所述要鍵合的兩 個襯底中的至少一個襯底的整個范圍均勻地進行所述加熱。
20、 根據權利要求18到19中任意一項所述的方法，其特征在于， 所述加熱是在35°C到90°C之間的溫度執行的，通常是在45°C到70°C 之間的溫度執行的。
21、 根據權利要求18到20中任意一項所述的方法，其特征在于， 所述加熱是通過熱傳導實現的。
22、 根據權利要求18到21中任意一項所述的方法，其特征在于， 所述加熱是通過輻射實現的。
23、 一種形成包括半導體材料薄層的結構的方法，該半導體材料薄 層是從供體襯底被轉移到第二襯底的，該方法包括以下步驟--將兩種原子物質共同注入到所述供體襯底中，以生成限定了要轉 移的薄層的削弱區域，這兩種原子物質在所謂的"峰值"深度均具有最 大濃度，-在使得要鍵合的這些襯底的表面彼此緊密接觸之前，清潔這兩個 襯底或者其中一個襯底的表面，-使得所述第二襯底與所述供體襯底接觸，以將這些襯底鍵合在一起，-將所述供體襯底的一部分轉移到所述第二襯底，以在所述第二襯 底上形成所述薄層，所述方法的特征在于，以使得所述兩種原子物質的峰值在所述供體 襯底的厚度中具有小于200 A的偏移的方式，注入所述兩種原子物質；并且其中，根據權利要求1到10或15到22中任意一項所述的方法，執行所述鍵合。
24、 根據權利要求23所述的方法，其特征在于，所述兩種原子物質的所述峰值是在所述供體襯底的相同深度彼此對準的。
25、 根據權利要求23或24所述的方法，其特征在于，所述兩種原 子物質分別是氫和氦。
26、 根據權利要求25所述的方法，其特征在于，在覆蓋有1450 A 氧化層的硅供體襯底中，氫的注入能量被選擇為32 keV，使得所述氫注 入峰值在所述供體襯底中位于2450A的深度，并且其特征在于，氦的注 入能量在47 keV到50 keV之間。
27、 根據權利要求26所述的方法，其特征在于，所述氦的注入能量 為49keV。
全文摘要
本發明提供了一種將兩個襯底鍵合在一起的方法，在鍵合期間所述襯底的表面彼此接觸，該方法包括至少一個清潔步驟，該清潔步驟在使得要鍵合的兩個襯底或者其中一個襯底的表面彼此接觸之前清潔所述表面，其特征在于，以使得所清潔的各個表面未被顯著地粗糙化的方式執行所述清潔步驟，并且其中，在所述鍵合之前還對所述要鍵合的至少一個襯底進行加熱，所述加熱是在這些襯底的表面彼此接觸之前開始的，并且所述加熱至少持續到這些表面已經彼此接觸為止。本發明還涉及一種形成包括半導體材料薄層的結構的方法，該半導體材料薄層是從供體襯底被轉移到第二襯底的，該方法包括以下步驟將兩種原子物質共同注入到所述供體襯底中，以生成限定了要轉移的薄層的削弱區域；將這些襯底鍵合在一起，該方法的特征在于，以使得所述兩種原子物質的峰值在所述供體襯底的厚度中具有小于200的偏移的方式，注入所述兩種原子物質；并且其中，根據前述方法執行所述鍵合。
文檔編號H01L21/20GK101601123SQ200780051154
公開日2009年12月9日 申請日期2007年11月23日 優先權日2007年2月16日
發明者塞巴斯蒂安·凱爾迪勒, 沃爾特·施瓦岑貝格, 納迪婭·本默罕默德, 維利·米歇爾, 達尼埃爾·德爾普拉 申請人:硅絕緣體技術有限公司