專利名稱：鍵合和轉(zhuǎn)移層的工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于電子、光學(xué)和光電子應(yīng)用中的襯底的制造的領(lǐng)域。
本發(fā)明更特別的涉及在制造用于上述應(yīng)用的襯底的過程中，將材料層鍵合和轉(zhuǎn)移 到襯底上的工藝。
背景技術(shù)：
在該類型的轉(zhuǎn)移工藝中，分別被稱為“施主”襯底和“接收”襯底的兩個襯底通過 分子吸附力彼此鍵合。然后，施主襯底通過例如研磨和拋光被減薄，于是施主襯底的一部分 被轉(zhuǎn)移到接收襯底上。
這樣的工藝能夠得到任何給定類型的多層襯底，例如包括至少兩個材料層、半導(dǎo) 體或其它的多層襯底。
這樣的轉(zhuǎn)移工藝還能夠得到包括一個或者多個中間層的襯底，被夾在從施主襯底 去除的表面層和對應(yīng)于接收襯底的基層之間。其還能夠使包括一個或多個微型組件的全部 或部分的層從施主襯底轉(zhuǎn)移到接收襯底上，例如文件US 5 234 860所述。
該類型的多層襯底的一個特定的示例包括一種本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的“絕緣體上 半導(dǎo)體”，縮寫為“ ％01”。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這些轉(zhuǎn)移技術(shù)制造的襯底通常顯示出被稱為“外圍環(huán)”的環(huán)形區(qū)域，其中 由于在一般情況下得到并使用的施主襯底和接收襯底上具有斜面，在“外圍環(huán)”中層之間的 鍵合不存在或者質(zhì)量很差。這些斜面的出現(xiàn)導(dǎo)致環(huán)繞組裝的襯底的邊緣的鍵合能量低，甚 至完全缺乏吸附力。
因此，通常執(zhí)行機械減薄步驟以形成轉(zhuǎn)移層，從而在鍵合界面引起該層的外圍部 分剝離(peripheral partial de-lamination)。此外，在減薄步驟中施加于襯底的熱機械 力可以導(dǎo)致轉(zhuǎn)移層外圍的脫落現(xiàn)象(flaking phenomenon)，從而轉(zhuǎn)移層顯示出不規(guī)則的邊界。
轉(zhuǎn)移層出現(xiàn)的部分剝離和不規(guī)則邊界在設(shè)備或者襯底本身中產(chǎn)生了特定污染物 的風(fēng)險，實際上在后續(xù)的工藝中層的碎塊會脫落。
對于在低溫下執(zhí)行兩個施主襯底和接收襯底的鍵合工藝的情況，需要進一步強調(diào) 這個風(fēng)險。下面是上述情況的示例，例如，當(dāng)被接觸的材料不能經(jīng)受高溫時(例如，“石英上 硅”(簡稱“S0Q”)襯底，或者“藍寶石上硅”(簡稱“SOS”)襯底)，或者當(dāng)組裝的襯底的至 少一種包含例如電子或光電組件時。
根據(jù)文件JP 09-017984，已知制造SOI襯底的工藝。
這篇文件參考的現(xiàn)有技術(shù)中的工藝包括
-通過分子吸附力鍵合覆蓋有絕緣層的施主襯底和接收襯底，
-對全部施主襯底和部分接收襯底執(zhí)行環(huán)形修整，
-蝕刻接收襯底中被修整步驟工作破壞(work-damaged)的部分，
-然后研磨施主襯底的一部分從而得到SOI結(jié)構(gòu)的表面層。
但是，該工藝傾向于在鍵合界面加劇轉(zhuǎn)移層的外圍部分剝離的現(xiàn)象。實際上，在僅 在低溫下執(zhí)行鍵合結(jié)構(gòu)的結(jié)合的情況下，在整個施主襯底和部分接收襯底的環(huán)形機械修整 過程中引入的機械應(yīng)力可能導(dǎo)致在鍵合界面局部的或者延伸的去鍵合。在這一步驟中結(jié)構(gòu) 上的熱機械應(yīng)力實際上是很大的。
在同一文件JP 09-017984中描述了另一修整工藝。其包括下列步驟
-在鍵合界面之前，僅修整施主襯底的一部分到大約50μ m，從而不破壞接收襯 底，
-對施主襯底的剩余環(huán)形部分通過TMAH(四甲基氫氧化銨)溶液然后是氧化物進 行連續(xù)選擇性蝕刻。
這能夠避免蝕刻接收襯底。
但是，在鍵合結(jié)構(gòu)的特定情況下，特別在施主襯底是包括埋入的氧化物層、以及其 表面層包括微型組件(電路)的SOI類型襯底的情況下，之前被部分修整過的施主襯底 的硅的選擇性蝕刻將停止于施主襯底的埋入的氧化物層以及包括電路的基層；這樣，5到 10ym(電路的厚度)的未去除的“松散鍵合以及不規(guī)則”的層將保留在結(jié)構(gòu)外圍。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點，以及提供包括修整步驟的將層轉(zhuǎn)移到 接收襯底上的工藝。該工藝包括
-避免最終襯底的脫落(flaking)和剝離(de-lamination)的問題，以及避免轉(zhuǎn)移 層形成不規(guī)則邊緣(circumference)，
-與現(xiàn)有技術(shù)的已知工藝相比，復(fù)雜性更低以及執(zhí)行速度更快，以及成本更低。
為此目的，本發(fā)明涉及一種將材料層鍵合和轉(zhuǎn)移到接收襯底上的工藝，所述工藝 特別用于電子、光學(xué)或光電子領(lǐng)域的應(yīng)用中的襯底制造。
根據(jù)本發(fā)明，該工藝包括下列步驟
-通過分子吸附力(molecularadhesion)鍵合所述接收襯底和施主襯底，
-對上述堆疊應(yīng)用熱處理從而結(jié)合(consolidate)鍵合界面，
-通過研磨減薄施主襯底，
-執(zhí)行施主襯底以及一部分接收襯底的環(huán)形修整，
-在上述步驟之后，執(zhí)行施主襯底的剩余部分的暴露表面和接收襯底的暴露表面 的化學(xué)蝕刻步驟。
根據(jù)本發(fā)明的單獨或結(jié)合的其它有利的和非限制性特征
-在修整前執(zhí)行研磨；
-在修整之后執(zhí)行研磨；
-在鍵合之前，在所述施主襯底和/或所述接收襯底中和/或上形成電子組件；
-施主襯底是體襯底(bulksubstrate)；
-在研磨步驟中，在去除工作破壞區(qū)域之后停止化學(xué)蝕刻步驟；
-化學(xué)蝕刻步驟的后續(xù)步驟是拋光來自施主襯底的材料層的暴露表面；
-施主襯底是包括硅基襯底(siliconbase substrate)、埋入絕緣層和也由硅制 成的表面層的“絕緣體上硅”或“S0I ”類型的襯底；
-研磨包括去除部分的基襯底，以及在從所述基襯底中去除剩余部分之后停止蝕 刻步驟；
-在鍵合之前，在所述施主襯底上和/或在所述接收襯底上形成或者沉積氧化物 層；
-氧化物層被平整(planarized)從而消除出現(xiàn)在表面上的一個或多個組件的拓 撲，以及給予表面通過分子吸附力鍵合所需的特征；
-執(zhí)行研磨直到施主襯底的厚度達到約50μ m ；
-接收襯底被修整到從其表面開始深度的范圍在約2到10μ m之間；
-施主襯底和接收襯底由硅形成，以及蝕刻溶液是按重量計濃度為25% (concentration of 25% by weight)的四甲基氫氧化銨TMAH水溶液。
參考以非限制性示例方式顯示幾個可能的實施例的附圖，通過以下將要呈現(xiàn)的本 發(fā)明的說明，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點將更加清楚。
在圖中
圖IA到IF是顯示根據(jù)本發(fā)明的鍵合和轉(zhuǎn)移工藝的第一實施例的不同步驟的示意 圖，以及
圖2A到2F是顯示根據(jù)本發(fā)明的鍵合和轉(zhuǎn)移工藝的第二實施例的不同步驟的示意 圖，以及
圖3A到3E是顯示根據(jù)本發(fā)明的鍵合和轉(zhuǎn)移工藝的第三實施例的不同步驟的示意 圖。
具體實施方式
根據(jù)本發(fā)明的工藝應(yīng)用于鍵合任何類型的襯底以及轉(zhuǎn)移來自這些襯底的不同特 性的層。
然而，本發(fā)明特別應(yīng)用于制造這些襯底的整體或者部分的材料不能經(jīng)歷高溫的情 況，特別是高于450°C的情況。術(shù)語“用于制造這些襯底的整體或者部分的材料”的含義是 組成襯底的一個或多個層，或者形成在這些襯底的至少其中之一中和/或上的電子組件。
現(xiàn)在結(jié)合圖1描述第一實施例。
參考圖1A，顯示了被稱為“絕緣體上半導(dǎo)體”(SeOI)類型的“施主”的第一襯底1， 第一襯底1包括夾在(埋入在)表面層12和基襯底13之間的絕緣層11，層12和基13由 半導(dǎo)體材料制成。
優(yōu)選的，絕緣層11是氧化物層。
該工藝的一個特定的應(yīng)用包括使用SOI類型的施主襯底，其中層12和13由硅制 成以及層11由二氧化硅SW2制成。
在圖IA中還可以看到附圖標(biāo)記為2的第二襯底，其被稱為“接收”襯底。
圖IA到IF顯示了電子組件出現(xiàn)在施主襯底和接收襯底的一些層中的情況，但是 本發(fā)明的工藝也適用于不包括這些電子組件的襯底。
當(dāng)具有電子組件時，可以在所述表面層12中和/或上和/或所述接收襯底2中和/或上形成所述電子組件。
這些電子組件例如是電路，一般是CMOS類型電路，CMOS是“互補金屬氧化物半導(dǎo) 體”的縮寫。
形成在表面層12中的組件具有附圖標(biāo)記121，形成在表面層12上的組件具有附圖 標(biāo)記122，而形成在接收襯底2中的組件具有附圖標(biāo)記21，形成在接收襯底2上的組件具有 附圖標(biāo)記22。
基襯底2的組件21和/或22可以直接形成在該襯底中或該襯底上，或者可以是 前面的層轉(zhuǎn)移的結(jié)果，如電路在三維中堆疊的情況，即本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的術(shù)語“三維堆 疊(3D stack)，，。
施主襯底1具有兩個相對的面，即稱為“前面”的面14和稱為“后面”的相對的面 15。以類似的方式，接收襯底2包括前面M和后面25。
如圖IB所示，氧化物層形成或沉積在施主襯底1的前面14上和/或接收襯底2 的前面對上。這些氧化物層分別被標(biāo)記為3和4。
這些氧化物層3和4通過熱氧化形成和/或通過化學(xué)氣相沉積(CVD)技術(shù)沉積形 成。
在基襯底2的情況下，需要注意氧化物層4可以完全將其包起，雖然這沒有顯示在 圖中。
有利的，在具有電子組件的情況下，氧化物層3和/或4被平整(planarized)，從 而消除與組件的存在有關(guān)的拓撲，以及給予表面后續(xù)的通過分子吸附力鍵合所需的特征。
圖IC顯示了鍵合兩個襯底1和2的步驟，以氧化物層3、4夾在這兩個襯底之間的 方式執(zhí)行。
鍵合之后，應(yīng)用熱處理，從而結(jié)合附圖標(biāo)記為5的鍵合界面。
在圖IA到IF所示的情況下，襯底1和2包括電子組件，熱處理的溫度相對適度， 優(yōu)選的在大約300°C到400°C之間的范圍內(nèi)，從而避免這些組件的退化(degradation)。
根據(jù)如圖ID到IF所示的本發(fā)明的工藝的第一變化實施例，接下來的步驟包括通 過研磨基襯底13來執(zhí)行減薄，用這樣的方式僅保留厚度優(yōu)選的在10到50微米之間的范圍 內(nèi)的薄層130。
其后是修整步驟(見圖1E)，其包括去除施主襯底1的外圍環(huán)形邊緣，氧化物層3、 4可以作為接收襯底2的一部分而出現(xiàn)。
修整進入接收襯底2中的深度優(yōu)選的在從其前面M開始大約2到10微米之間的 范圍內(nèi)，換言之，其前面M是接收襯底朝向鍵合界面5的面。
該步驟的目標(biāo)是得到清潔的邊緣，在轉(zhuǎn)移層的外圍沒有脫落(flake)。
為了該目的，接收襯底2固定在轉(zhuǎn)動支撐件和同樣轉(zhuǎn)動的研磨輪上，所述研磨輪 和上述層的堆疊的外圍接觸。該修整步驟可以通過傳統(tǒng)的修整設(shè)備進行，即本領(lǐng)域技術(shù)人 員已知的“邊緣研磨”(或可選的“邊緣修整”)設(shè)備。
修整步驟還可能包括一個或多個深度和寬度不同的步驟。
最后，如圖IF所示的工藝的最后的步驟包括執(zhí)行在層的堆疊頂部出現(xiàn)的半導(dǎo)體 材料130的剩余層的選擇性蝕刻。
可以通過本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的不同的蝕刻方式執(zhí)行蝕刻。
但是，在待蝕刻的層由硅制成的特定情況下，通過例如NaOH或者KOH類型的溶液 進行蝕刻，或者優(yōu)選的通過TMAH的化學(xué)溶液(代表四甲基氫氧化銨溶液)進行蝕刻。
優(yōu)選的，使用的TMAH溶液是按重量計濃度為25%的水溶液，溫度通常在70°C到 90°C之間的范圍內(nèi)。TMAH溶液是硅蝕刻劑溶液，其顯示對于氧化物的高選擇性。絕緣層11 作為蝕刻停止層(etch-stoplayer)。
通過示例的方式，考慮到半導(dǎo)體層130的蝕刻速率大約是25到30微米/小時，使 用TMAH溶液的蝕刻通?；ㄙM1分鐘到2小時。
蝕刻步驟的另一個目標(biāo)是清潔和平整修整邊緣。實際上，機械修整引起被處理表 面的粗糙度增大，以及產(chǎn)生大量的顆粒。蝕刻工藝能夠平整表面以及清潔修整邊緣，從而避 免了后面要進行的技術(shù)步驟之中的任何污染。
此外，根據(jù)本發(fā)明的工藝避免采用在現(xiàn)有技術(shù)的特定工藝中不得不使用的氫氟酸 HF，而氫氟酸增加了層的剝離和氧化物的蝕刻。
在圖IF所示的步驟結(jié)束時，得到附圖標(biāo)記為6的最終襯底，其包括表面層12被轉(zhuǎn) 移于其上的接收襯底2。根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用，絕緣層11被保留或者不被保留。
圖2A到2F顯示了結(jié)合圖IA到IF描述的工藝的一個變化實施例。
圖2A到2C和圖IA到IC相同，在此不再描述。相同的元件具有相同的附圖標(biāo)記。
該工藝與前述工藝不同的地方在于，在研磨基襯底13的步驟之前進行修整。修整 如圖2D所示。
接下來，執(zhí)行被修整的基襯底13的研磨，從而得到層130，其厚度在10到50微米 之間的范圍內(nèi)，如上文所述。
圖2F所示的步驟對應(yīng)于蝕刻工藝，其與本發(fā)明的第一實施例中所描述的執(zhí)行過 程相同以及產(chǎn)生相同的結(jié)果。
在本發(fā)明的這兩個實施例中，應(yīng)當(dāng)注意總是在保留施主襯底13的最小厚度的情 況下執(zhí)行(圖ID或2E所示的)減薄步驟。這一順序的優(yōu)點在于轉(zhuǎn)移到接收襯底2上的層 的最終的有源表面在修整步驟中從未暴露，從而被保護而免于受到任何潛在的顆粒污染或 者劃擦。
下面將結(jié)合圖3A到3E描述第三變化實施例。其與前兩個實施例的區(qū)別在于施主 襯底1和接收襯底2是體襯底。施主襯底1還覆蓋有氧化物層3。與前面的實施例相同的 元件具有相同的附圖標(biāo)記。
在圖;3B所示的鍵合步驟之后，執(zhí)行上述堆疊的熱處理，從而結(jié)合鍵合界面5?？梢?在高達1100°C的溫度進行持續(xù)時間2小時的該處理，因為襯底1和2都不包括任何電子組 件，所以當(dāng)然是只要其組成材料的性質(zhì)能夠經(jīng)受就可以。
然后在上文所述的條件下進行通過研磨(圖3C)、修整(圖3D)和蝕刻(圖3E)減 薄的步驟。施主襯底1的減薄層的附圖標(biāo)記為10。
在研磨工藝中，在這種情況下在去除工作破壞區(qū)域所需的蝕刻時間結(jié)束時停止蝕 刻。通過研磨而減薄、通過蝕刻而清潔以及工作破壞區(qū)域被去除的層的附圖標(biāo)記為10’。再 一次，需要注意，由于本發(fā)明的工藝的順序，有源層10’的表面在修整工藝中從未暴露并被 保護。
下面，描述本發(fā)明的兩個示例性實施例。
示例1 制造包括電子組件的SOI。
硅接收襯底被氧化，氧化物層在低溫到500°C之間)被沉積在包括電子組 件的SOI類型的施主襯底上。
施主襯底被平整，直到得到和通過分子吸附力直接鍵合相容的表面條件，換言之， 直到在掃描寬度為2 μ m乘以2 μ m的情況下得到小于3人RMS (3埃)的粗糙度。
在清潔和表面活化之后，兩個襯底被組合。鍵合的結(jié)構(gòu)在350°C下經(jīng)歷1小時的熱 處理，從而結(jié)合鍵合表面。
施主襯底的后面通過研磨被減薄到大約35 μ m。修整步驟隨后被應(yīng)用到距離襯底 邊緣大約3mm的位置。
該結(jié)構(gòu)被浸入到80°C的TMAH溶液中1小時30分鐘，這使得硅相對于氧化物被選 擇性蝕刻，直到剩余硅的整個厚度(從SOI施主襯底的機械支撐件的后部)都被去除。
示例2 使用體施主襯底制造SOI。
在執(zhí)行硅接收襯底的氧化之后，鍵合也由硅制成的施主襯底。
組件經(jīng)歷用于穩(wěn)定鍵合的退火步驟，在氧氣大氣的條件下使用1100°C的熱處理兩 小時。
接下來執(zhí)行施主襯底的減薄，然后以0. 5到3mm的寬度、2到10微米的深度在支撐 件中進行堆疊的修整。
在此之后，通過TMAH (按重量計濃度為25%的水溶液，溫度為60°C )執(zhí)行蝕刻，從 而通過減薄步驟去除工作破壞區(qū)域，換言之，剩余的施主襯底的暴露表面，以及通過接收襯 底的修整步驟處理暴露的表面。該蝕刻步驟的結(jié)果是去除大約0. 5到2微米的厚度。
最后，執(zhí)行SOI結(jié)構(gòu)的最終拋光，從而得到厚度在3到100微米之間的范圍內(nèi)的硅 的表面層。
權(quán)利要求
1.一種將材料層(1 鍵合和轉(zhuǎn)移到接收襯底( 上的工藝，所述工藝用于制造襯底 (6)的過程中，所述襯底(6)特別應(yīng)用于電子、光學(xué)或光電子領(lǐng)域，其特征在于，所述工藝包 括下列步驟通過分子吸附力鍵合所述接收襯底( 和施主襯底(1)，對上述堆疊應(yīng)用熱處理從而結(jié)合鍵合界面(5)，通過研磨減薄施主襯底(1)，執(zhí)行施主襯底(1)以及一部分接收襯底O)的環(huán)形修整，在上述步驟之后，執(zhí)行施主襯底(1)的剩余部分的暴露表面和接收襯底O)的暴露表 面的化學(xué)蝕刻步驟。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的將材料層(12)鍵合和轉(zhuǎn)移到接收襯底(2)上的工藝，其特征 在于，在修整之前執(zhí)行研磨。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的將材料層(12)鍵合和轉(zhuǎn)移到接收襯底(2)上的工藝，其特征 在于，在修整之后執(zhí)行研磨。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項所述的將材料層(12)鍵合和轉(zhuǎn)移到接收襯底(2)上的工 藝，其特征在于，在鍵合之前，在所述施主襯底和/或所述接收襯底(2)中和/或上形成電 子組件(121、122、21、22)。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項所述的將材料層(12)鍵合和轉(zhuǎn)移到接收襯底(2)上的工 藝，其特征在于，施主襯底是體襯底。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的將材料層(12)鍵合和轉(zhuǎn)移到接收襯底(2)上的工藝，其特征 在于，在研磨步驟中在去除工作破壞區(qū)域之后停止化學(xué)蝕刻步驟。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的將材料層(12)鍵合和轉(zhuǎn)移到接收襯底(2)上的工藝，其特征 在于，化學(xué)蝕刻步驟的后續(xù)步驟是拋光來自施主襯底(1)的材料層的暴露表面。
8.根據(jù)權(quán)利要求1到4中任一項所述的將材料層(12)鍵合和轉(zhuǎn)移到接收襯底(2)上 的工藝，其特征在于，施主襯底是包括硅基襯底(13)、埋入絕緣層(11)和也是由硅制成的 表面層(12)的“S0I”或“絕緣體上硅”類型的襯底。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的將材料層(12)鍵合和轉(zhuǎn)移到接收襯底(2)上的工藝，其特征 在于，研磨包括去除部分的基襯底(13)，以及在從所述基襯底(13)中去除剩余部分(130) 之后停止蝕刻步驟。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項所述的將材料層(1 鍵合和轉(zhuǎn)移到接收襯底( 上的工 藝，其特征在于，在鍵合之前，在所述施主襯底上和/或在所述接收襯底上形成或者沉積氧 化物層(3、4)。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求4到10所述的將材料層(12)鍵合和轉(zhuǎn)移到接收襯底(2)上的 工藝，其特征在于，氧化物層(3、4)被平整，從而消除表面上出現(xiàn)的一個或多個組件(121、 122、21、22)的拓撲，以及給予表面通過分子吸附力鍵合所需的特征。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項所述的將材料層(1 鍵合和轉(zhuǎn)移到接收襯底( 上的工 藝，其特征在于，執(zhí)行研磨直到施主襯底(1)的厚度達到約50μπι。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求任意一項所述的將材料層(1 鍵合和轉(zhuǎn)移到接收襯底(2)上 的工藝，其特征在于，接收襯底(2)被修整到從其表面開始深度在約2到10 μ m之間的范圍 內(nèi)。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項所述的將材料層(1 鍵合和轉(zhuǎn)移到接收襯底( 上的工 藝，其特征在于，施主襯底和接收襯底由硅形成，以及蝕刻溶液是按重量計濃度為25%的四 甲基氫氧化銨TMAH水溶液。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鍵合和轉(zhuǎn)移層的工藝，所述工藝用于制造襯底的過程中，所述襯底特別應(yīng)用于電子、光學(xué)或光電子領(lǐng)域。所述工藝包括下列步驟通過分子吸附力鍵合所述接收襯底(2)和施主襯底(1)，對所述堆疊應(yīng)用熱處理從而結(jié)合鍵合界面(5)，通過研磨減薄施主襯底(1)，執(zhí)行施主襯底(1)以及一部分接收襯底(2)的環(huán)形修整，在上述步驟之后，執(zhí)行施主襯底(1)的剩余部分的暴露表面和接收襯底(2)的暴露表面的化學(xué)蝕刻步驟。
文檔編號H01L21/20GK102034687SQ20101026332
公開日2011年4月27日 申請日期2010年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月28日
發(fā)明者C·拉加厄布蘭夏德 申請人:S.O.I.Tec絕緣體上硅技術(shù)公司