專利名稱：用于通過分子間附著將兩個晶片鍵合在一起的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及生產通過轉移至少一層到最終襯底上而生產的多層半導體結構(也稱為復合結構或多層半導體晶片)的領域。通過將第一晶片(或初始襯底)鍵合到第二晶片(或最終襯底)(例如通過分子間附著)獲得所述層轉移，第一晶片通常在鍵合后加以減薄。被轉移的層還可以包括全部或部分的組件或多個微組件(microcomponents)。更精確而言，本發明涉及鍵合缺陷的問題，該鍵合缺陷問題可以以局部的方式出現在通過分子間附著鍵合的兩個晶片之間的鍵合界面。
背景技術：
就其本身而言，通過分子間附著的晶片鍵合是眾所周知的技術。應該回憶起，通過 分子間附著的晶片鍵合的原理是基于使兩個表面直接接觸，即，不應用特定的鍵合材料(粘合劑、蠟、焊料等等)。該操作需要待鍵合的表面足夠光滑，并且沒有微粒或污染，并且該表面足夠接近以便允許接觸得以啟動，通常為不到幾納米的距離。然后，兩個表面之間的引力足夠大從而引起通過分子間附著或“直接鍵合”(通過待鍵合在一起的兩個表面的原子或分子之間的各種電子相互作用引力(范德華力)而引起的鍵合)的鍵合。圖1A到圖1D顯示了多層結構的生產的實例，該實例包括第一晶片102到構成支持晶片的第二晶片106上的通過分子間附著的晶片鍵合。第一晶片102包括在鍵合面102a (圖1A)上的一系列微組件104。微組件104通過光刻得以形成，采用掩模以限定對應于待產生的微組件104的圖形(pattern)形成的區域。在本文中所使用的術語“微組件”是指由于在層上或在層中進行的技術步驟而產生的，并且需要精確定位的裝置或任何其他圖形。因此，該裝置或圖形可以是有源組件或無源組件、簡單的接觸點、相互連接，等等。此外，支持晶片106由通過支持晶片的氧化而形成的熱或沉積氧化層108所覆蓋，從而例如便于通過分子間附著與第一晶片102鍵合(圖1A)。另外，通常進行處理以準備第一晶片102的鍵合表面102a和第二晶片106的鍵合表面106a，所述處理根據待獲得的鍵合能的函數而變化(化學-機械拋光、清潔、洗滌、疏水
/親水處理，等等)。一旦晶片已準備好，則將支持晶片106置于鍵合機115中。更精確而言，支持晶片106被放置在鍵合機115的襯底載體110上，以便通過直接鍵合來將支持晶片106與第一晶片102裝配。例如，襯底載體110通過靜電系統或通過吸力來將第二晶片106保持在其位置上。然后，將第一晶片102放置于第二晶片106上以便與第二晶片106進入緊密接觸(圖1B)。然后通過對第一晶片102施加接觸力(機械壓力)來啟動通過分子間附著的鍵合(圖1C)。該接觸力的施加使得啟動鍵合波(bonding rave)122從該啟動點的傳播(圖1D)。鍵合波122通過鍵合機115所設置的施加工具114(例如，Teflonii'定位筆(Teflon stylus))得以啟動。
在本文中的術語“鍵合波”用于鍵合或分子間附著，該鍵合波從啟動點得以傳播， 并且對應于引力(范德華力)從接觸點遍及在兩個晶片之間緊密接觸的整個區域(鍵合界面)的擴散。
然后，遍及晶片102和晶片106的整個鍵合表面的鍵合波122的傳播使得通過兩個晶片的分子間附著而晶片鍵合，從而獲得多層結構112。
一旦已進行了鍵合，則其可以通過進行熱退火來增強。然后，第一晶片102可以被減薄以便在支持晶片106上形成被轉移層。
然而，申請人已經觀察到在兩個晶片之間的鍵合界面存在局部鍵合缺陷118，更精確而言在位于遠離鍵合啟動點116的區域120中(圖1E)。這些缺陷對應于這樣的區域，在該區域中兩個晶片102和106具有非常弱的鍵合力或甚至完全沒有鍵合。
制造商不期望該鍵合缺陷，因為該鍵合缺陷降低了晶片之間的鍵合質量。更通常而言，該缺陷為非最優化的制造工藝的證明，從而降低了生產的多層結構的吸引力。
因此，當前存在這樣的需要，由通過分子間附著的晶片鍵合來生產不表現出該鍵合缺陷的多層結構。發明內容
為此，本發明提出一種通過分子間附著將第一晶片鍵合到第二晶片上的方法，所述方法包括，施加用于所述第一晶片和所述第二晶片之間的鍵合波的啟動點，所述方法的特征在于，所述方法進一步包括，當所述鍵合波在所述第一晶片和所述第二晶片之 間傳播時，朝向所述鍵合波的啟動點，在所述第一晶片和所述第二晶片之間噴射氣體流。
本發明機械地作用以減慢在兩個晶片之間的界面處的鍵合波的傳播。減慢所述鍵合波有利地用于減少或防止在所述第一晶片和所述第二晶片之間的鍵合界面處出現不期望的鍵合缺陷。
在所述晶片通過直接鍵合得以鍵合時，本發明也可以有利地用于限制在晶片中產生的非均勻變形。
在優選的實施方案中，在貫穿晶片之間的鍵合波的傳播期間噴射氣體流。然后可以優化上述機械反作用的效果。
根據本發明的另一個方面，噴射的氣體流可以為具有IOOOOppm或更低的水濃度的干噪氣體流，以便使得遍及兩個晶片的鍵合表面中的至少一個的水解除吸附。
在特定的實施方案中，噴射的氣體流具有低于IOOOppm (百萬分之一)的水濃度。
因此，在兩個晶片之間噴射足夠干噪的氣體流(例如，具有低于IOOOOppm或甚至低于IOOOppm的水濃度)，從而使得可以觸發以凝結形式限制在第一晶片和/或第二晶片的鍵合表面上的水的解除吸附。噴射干燥氣體流也是有利的在于其可以減少包含在兩個晶片之間的周圍空氣中的飽和水的量，因而降低了水以凝結形式被吸附在兩個晶片的鍵合表面上的風險。
另外，所述氣體流的溫度可以在從所述第一晶片和所述第二晶片的周圍溫度到 200° C的范圍之內。
更精確而言，在兩個晶片之間噴射的氣體流的溫度可以大約為周圍溫度，也即，工作環境的溫度，以便防止包含在晶片表面環境中的飽和水凝結，并且防止由于在溫度的影響下晶片擴大所引起的晶片變形。可選地，噴射的氣體流的溫度可以在周圍溫度之上或在周圍溫度之下，并且可以高到200° C，例如，以使解除吸附的效果最大。加熱在兩個晶片之間噴射的氣體流是有利的在于，其意味著其從兩個晶片的鍵合表面解除吸附的能力可以得到增強。在該溫度的氣體流更容易觸發接近表面的水分子的解除吸附。在本發明的特定實施方案中，所述氣體流選自于氦氣流、氬氣流、氖氣流、氮氣流、二氧化碳(CO2)氣流，以及空氣流中的至少一個。所述氣體流可以特定對應于所述氣體元素中的一種或所述元素中的一些的任意組合。另外，所述氣體流的寬度可以對應于兩個晶片的直徑。該氣體流寬度意味著可以遍及兩個晶片之間的整個鍵合表面來限制或防止鍵合缺陷的形成。 氣體流也可以是層流。本發明還設計了一種用于通過分子間附著將第一晶片鍵合到第二晶片上的裝置，所述裝置包括工具，所述工具用于施加用于所述第一晶片和所述第二晶片之間的鍵合波的啟動點，所述裝置的特征在于，所述裝置進一步包括噴射工具，所述噴射工具配置成當所述鍵合波在所述第一晶片和所述第二晶片之間傳播時，朝向所述鍵合波的啟動點，在所述第一晶片和所述第二晶片之間噴射氣體流。參考本發明的鍵合方法的各個實現，上文所陳述的優點和說明類似地適用于本發明的鍵合裝置的各個實施方案。根據本發明的一個方面，所述鍵合裝置的噴射工具可以配置成噴射具有低于IOOOOppm的水濃度的干燥氣體流，以便使得遍及兩個晶片的鍵合表面中的至少一個的水解除吸附。在特定的實施方案中，所述噴射工具配置成使得氣體流具有低于IOOOppm的水濃度。另外，所述噴射工具可以配置成噴射溫度在從所述第一晶片和所述第二晶片的周圍溫度到200° C的范圍之內的氣體流。此外，在兩個晶片之間噴射的所述氣體流可以選自于氦氣流、氬氣流、氖氣流、氮氣流、二氧化碳(CO2)氣流，以及空氣流中的至少一個。特別地，所述氣體流可以對應于所述氣體元素中的一種或所述元素中的幾種的任意組合。此外，所述噴射工具可以配置成使得所述氣體流的寬度對應于兩個晶片的直徑。此外，氣體流也可以是層流。
通過以下進行的參考附圖的描述，本發明的其他特性和優點將更加清楚，所述附圖顯示了實施方案的實例并且不以任何方式限制本發明。在附圖中圖1A到圖1D圖解地顯示了已知的先前技術的直接晶片鍵合方法的實例；圖1E圖解地顯示了在圖1A到圖1D中顯示的鍵合方法期間發生的鍵合缺陷；圖1F圖解地顯示了借以形成圖1E中表示的鍵合缺陷的結構；
圖2A到圖2D圖解地顯示了根據本發明的第一實現的直接晶片鍵合方法；以及
圖3A和圖3B圖解地顯示了根據本發明的第二實現的直接晶片鍵合方法。
具體實施方式
通常而言，本發明涉及通過分子間附著的兩個晶片的鍵合方法，所述方法被用來防止在鍵合界面處出現不期望的鍵合缺陷。
如上所述，申請人已觀察到鍵合缺陷以局部方式出現在通過第一晶片到第二晶片的直接晶片鍵合形成的多層結構的鍵合界面處。
組成多層結構的晶片通常為通常具有圓形輪廓并且可以具有各種直徑的晶片形式，具體地直徑為IOOmm (毫米)，200mm或300mm。然而，晶片可以具有任何形狀，例如，比如矩形形狀。
對圖1E中所示的鍵合缺陷118的深入研究已經被用于對借以形成所述缺陷的結構進行說明，并用于設計一種方法以防止所述缺陷的形成。
參考圖1A到圖1F，在缺陷118的起始處的結構如下所述。
如上所述，通過在位于靠近第一晶片102的側邊的啟動點116處施加接觸力以進行通過分子間附著的晶片鍵合的啟動(圖1C)。可以施加該接觸力以啟動從啟動點116開始的鍵合波122的傳播(圖1D )。
隨著鍵合波122的傳播，其推動了兩個晶片之間存在的周圍空氣，連同吸附在表面的多余的水分子。
出現的是，表面不規則結構124(表面拓撲結構或納米拓撲結構、細微顆粒、微劃痕等)可能會導致包含在通過鍵合波122排出的空氣中的飽和水在所述不規則結構中凝結(圖 1F)。
因此，當鍵合波122已傳播到遠離啟動點116的點時，可以發現過量的水分子以凝結形式被捕獲在表面不規則結構124中，例如，比如在兩個晶片的鍵合表面102a和106a的指示區域120中(圖1F)。
然后，凝結在區域120的表面不規則結構124的水阻止了兩個晶片通過分子間附著的正常鍵合。然后，鍵合缺陷118發生在鍵合界面，例如，在表面不規則結構124處。在實現中，所述鍵合缺陷表現為氣泡形式(比如邊緣間隙)，在施加熱處理以增強鍵合能時，該氣泡發展。
因為該缺陷使得晶片102到晶片106的鍵合質量變差，該缺陷是不期望的。當晶片102經受減薄步驟(例如，通過研磨和/或化學侵蝕)時，這些鍵合缺陷118具體可以導致晶片102在缺陷附近的部分意外彈起。
為此，本發明提出進行通過分子間附著的晶片鍵合方法，該方法涉及在待裝配在一起的兩個晶片之間噴射氣體流，從而防止出現如上所述的鍵合缺陷，尤其在晶片的側邊。 使鍵合波減慢意味著，可以便于排出靠近表面的多余的水。
參考圖2A到2D，本發明的鍵合方法的 特定實施方案如下所述。
進行第一晶片202到構成支持晶片的第二晶片206上的通過分子間附著的鍵合 (圖2A)。這些晶片分別與在圖1A中考慮的晶片102和晶片106相同。
更精確而言，在該實例中的第一晶片202包括在其鍵合表面202a處的微組件204。進一步，在第二晶片206上進行氧化以遍及其整個表面形成熱氧化層208。應該注意到，可以僅在第二晶片206的鍵合表面206a上沉積氧化物層。可選地，可以遍及第一晶片202的鍵合表面202a形成氧化物層。
還應該指出的是，在該情況下，第一晶片202和第二晶片206具有相同的直徑。然而，第一晶片202和第二晶片206可以具有不同的直徑，或其可以為非圓形的形狀。此外，在晶片側邊，晶片202和晶片206可以具有類似于圖1F中所不的表面不規則結構124的表面不規則結構。在本發明的該實現中，首先，支持晶片206放置于鍵合機215中，更精確而言，放置于設置在鍵合機215上的襯底載體210上。該鍵合機215還包括噴嘴226 (如下所述)和與上面所描述的施加工具114相同的施加工具214。一旦支持晶片206已放置在襯底載體210上，則將第一晶片202設置為與支持晶片緊密接觸(圖2B)。然后，在晶片202和晶片206之間啟動鍵合波222，以便通過分子間附著鍵合晶片202和晶片206。在該實例中，通過使用施加工具214在位于晶片202側邊附近的啟動點216處施加接觸力以啟動鍵合波222 (圖2C)。該接觸力的施加意味著，可以觸發從啟動點216的鍵合波222的傳播(圖2D)。然而，應該注意到，其他操作模式可以用來啟動鍵合波的傳播。尤其是在某些條件下，可以不在上晶片202上施加機械壓力，而觸發所述鍵合波傳播的啟動。一旦鍵合波已啟動，則在兩個晶片之間通過包括在鍵合機215中的噴嘴226噴射氣體流228 (圖2D)。然后，當鍵合波在兩個晶片202和206之間傳播時，噴射氣體流228。優選地，鍵合波的啟動的同時觸發氣體流的噴射。如果必要的話，可以在鍵合波啟動之前幾分鐘觸發氣體流的噴射。再優選地，貫穿晶片之間的鍵合波的傳播期間，保持氣體流的噴射。在該方式下，在下面更具體描述的機械制動效果得以最優化。其可以是空氣流或氣體(或氣體混合物)流，例如，稀有氣體(例如，氦、気和/或氖)流，氮氣流和/或二氧化碳流。舉例說明，所述氣體流是以能夠在緊密接觸的兩個晶片之間穿透的非常狹窄的噴射形式(也稱為氣體刀或空氣刀)。優選地，噴嘴226的流動橫截面為晶片的間隔大小的量級，即，例如ΙΟμπι (微米)量級，并且在任何情況下，該流動橫截面小于晶片的厚度。例如，晶片大約為500 μ m厚。另外，在此處所述的實例中，氣體流228足夠寬以便能夠分別沖洗晶片202和晶片206的整個鍵合表面202a和206a。然而，如下面更具體的指示，可以設計其他氣體流配置。另外，附加到襯底載體210的塊狀物(block) 230A、230B，和230C (共同表示230)定位為相對晶片202和晶片206的外圍側邊(peripheralside)鄰接。配置這些塊狀物，以便防止在氣體流228的作用下第一晶片202的位置從支持晶片206的位置發生偏移。然而，應該理解，塊狀物230的其他形式和設置是可能的。例如，如果必要，塊狀物的數量可以減少到兩個(或者，如果所采用的塊狀物形狀允許，甚至可以為一個)。此外，噴射氣體流228，使得氣體流228通常指向啟動點216的方向，優選地垂直于鍵合波。
氣體流228優選為層流式，以使施加到晶片202和晶片206表面的力有效。
如在圖2D中可以看到，此處所設計的噴嘴226具有向內彎曲的輪廓，以使噴嘴226 的側邊到晶片202和晶片206的外圍保持不變的距離。用于噴嘴的該配置的優點在于，其可以用于在基本垂直于鍵合波222傳播的方向中噴射氣體流228。
在此處考慮的實例中，啟動點216定位于靠近第一晶片202的外圍側邊。如上所示，該配置為優選的，因為該配置意味著鍵合波可以傳播遍及很大的距離，并且在遠離啟動點216的部分中，其可以形成幾乎沒有非均勻變形的區域。那么，優選地，啟動點216位于與噴嘴226相對的位置。
然而，應該注意到，可以在第一晶片202的暴露表面的任何啟動點施加接觸力。
氣體流228導向為機械制動在晶片202和晶片206之間的鍵合波222的傳播。通過向啟動點216定向噴嘴226，氣體流228實際上使得力的施加與鍵合波222的傳播相對。 此處所述的實施方案可以遍及晶片202和晶片206的整個鍵合表面以均勻的方式有效地減慢鍵合波222的傳播。該減慢通過氣體流228在晶片202和晶片206的鍵合表面202a和 206a之間施加機械壓力的事實得以解釋，從而所述壓力在鍵合波通過期間減慢了晶片的靠近，并且允許排出多余的水。
申請人已表明，減慢鍵合波的傳播意味著可以顯著減少上面所述的鍵合缺陷的出現。
鍵合波222的減慢也意味著可以更有效地排出位于兩個晶片之間的周圍空氣。在該方式中，包含在兩個晶片之間的空氣中的飽和水不易受到在表面不規則結構224處凝結的影響。
通常，當不應用本發明時，在所述晶片直徑為300_并且為氧化物到氧化物的鍵合，或兩個晶片其中的一個已經通過等離子體處理被激活時，鍵合波222花費大約8到10 秒來遍及整個鍵合表面202a和206a傳播。相反，當采用本發明時，鍵合波更慢在此處所考慮的實現中，鍵合波花費超過10秒來遍及整個鍵合表面傳播。然而，鍵合波的傳播時間根據在待裝配的兩個晶片上進行的表面處理的函數而變化。事實上，鍵合表面越親水，鍵合波222的傳播速率將會越高。
此外，氣體流228優選為干燥的。作為實例，氣體流的水濃度為低于lOOOOppm，甚至低于lOOOppm。
在兩個晶片之間噴射的氣體流228可以被加熱，以便改進其解吸附能力 (desorbing power)。氣體流228的溫度越高,越容易使得以凝結形式困在表面不規則結構 224的水蒸發。優選地，可以將氣體流228加熱到從兩個晶片環境的周圍溫度到200° C的范圍內的溫度。
此外，如上文所述，通過分子間附著鍵合兩個晶片產生大量的機械應力，該機械應力為晶片中非均勻變形的起因。例如，如果在鍵合之后減薄晶片202，并且在晶片202的暴露表面應用類似于用于制造第一系列的微組件204的光刻掩模的光刻掩模制造第二系列的微組件，那么由于由通過分子間附著的晶片鍵合引起的非均勻變形，使得在兩個系列的微組件之間可能出現非均勻覆蓋。
術語“類似的光刻掩模”是指設計為在制造工藝期間相結合使用的掩模。
鍵合波的傳播的減慢，起因于在所述傳播期間噴射氣體流228，有利地用于減少在兩個晶片的直接晶片鍵合期間產生的非均勻變形，從而降低了第一晶片202的兩面之間覆蓋的風險。此外，為了盡可能多地減少所述非均勻變形，氣體流228的溫度優選地設置為晶片的周圍溫度或同量級的溫度。根據如圖3A、圖3B和圖3C所示的本發明的第二實現，第一晶片302通過分子間附著鍵合到第二晶片306。該實現與上面所描述的第一實現的不同點在于，應用基本上不同于鍵合機215的鍵合機315進行該實現。更精確而言，鍵合機315包括·襯底載體310和用于施加鍵合啟動點到第一晶片302的施加工具314。然而，鍵合機315與鍵合機215的不同點在于，其還設置有多個噴嘴332，所有噴嘴朝向鍵合啟動點(表示為316)。鍵合機315還可以包括伺服控制器以對噴嘴332編程并且控制通過每個噴嘴332傳遞的氣體流328的噴射方向。作為實例，將鍵合機配置為通過位置傳感器檢測由施加工具314施加的啟動點316的位置。一旦啟動點316的位置已經確定，鍵合機315定向噴嘴332，以使每個氣體流328指向該啟動點，或優選地，在垂直于鍵合波的傳播的方向中。以類似于圖2A到2D的實現的方式，所述第二實現的鍵合機配置為在鍵合波傳播期間在晶片之間噴射氣體流。因此，該第二實現可以在兩個晶片之間的界面處有效并均勻地減慢鍵合波的傳播，從而顯著減少鍵合缺陷的出現。
權利要求
1.一種通過分子間附著將第一晶片(202)鍵合到第二晶片(206)上的方法，所述方法包括，施加用于所述第一晶片和所述第二晶片之間的鍵合波(222)的啟動點(216)，所述方法的特征在于，所述方法進一步包括，當所述鍵合波在所述第一晶片和所述第二晶片之間傳播時，朝向所述鍵合波的啟動點，在所述第一晶片和所述第二晶片之間噴射氣體流(228)。
2.根據權利要求1所述的方法，其中噴射的氣體流為具有低于IOOOOppm的水濃度的干噪氣體流，以便使得遍及兩個晶片的鍵合表面(202a、206a)中的至少一個的水解除吸附。
3.根據權利要求1或權利要求2所述的方法，其中所述氣體流的溫度在從所述第一晶片和所述第二晶片的周圍溫度到200° C的范圍之內。
4.根據權利要求1至權利要求3中任一項所述的方法，其中所述氣體流選自于氬氣流、氖氣流、氦氣流、氮氣流、二氧化碳氣流，以及空氣流中的至少一個。
5.根據權利要求1至權利要求4中任一項所述的方法，其中所述氣體流的寬度對應于兩個晶片的直徑。
6.一種用于通過分子間附著將第一晶片(202)鍵合到第二晶片(206)上的裝置(215)，所述裝置包括工具(214)，所述工具用于施加用于所述第一晶片和所述第二晶片之間的鍵合波(222)的啟動點(216)，所述裝置的特征在于，所述裝置進一步包括噴射工具(226)，所述噴射工具配置成當所述鍵合波在所述第一晶片和所述第二晶片之間傳播時，朝向所述鍵合波的啟動點，在所述第一晶片和所述第二晶片之間噴射氣體流(228)。
7.根據權利要求6所述的裝置，其中所述噴射工具配置成噴射具有低于IOOOOppm的水濃度的干噪氣體流，以便使得遍及兩個晶片的鍵合表面(202a、206a)中的至少一個的水解除吸附。
8.根據權利要求6或權利要求7所述的裝置，其中所述噴射工具配置成噴射溫度在從所述第一晶片和所述第二晶片的周圍溫度到200° C的范圍之內的氣體流。
9.根據權利要求6至權利要求8中任一項所述的裝置，其中所述氣體流選自于氬氣流、氖氣流、氦氣流、氮氣流、二氧化碳氣流，以及空氣流中的至少一個。
10.根據權利要求6至權利要求9中任一項所述的裝置，其中所述噴射工具配置成使得所述氣體流的寬度對應于兩個晶片的直徑。
全文摘要
本發明提供一種通過分子間附著將第一晶片(202)鍵合到第二晶片(206)上的方法，所述方法包括，施加用于所述第一晶片(202)和所述第二晶片(206)之間的鍵合波的啟動點(216)，所述方法進一步包括，當所述鍵合波在所述第一晶片和所述第二晶片之間傳播時，大體朝向所述鍵合波的啟動點(216)，在所述第一晶片(202)和所述第二晶片(206)之間噴射氣體流(228)。本發明還提供了一種用于進行所述鍵合方法的鍵合裝置(215)。
文檔編號H01L21/67GK103003933SQ201180035139
公開日2013年3月27日 申請日期2011年7月15日 優先權日2010年7月22日
發明者A·卡斯泰, M·布羅埃卡特 申請人:Soitec公司