晶片的永久粘合方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及第一襯底(1)的第一接觸面(3)與第二襯底(2)的第二接觸面(4)的粘合方法，其中第二襯底(2)具有至少一個反應層(7)，所述方法具有下列步驟，尤其是下列過程：-在第一接觸面(3)上的儲庫形成層(6)中形成儲庫(5)，-用第一原料物或第一組原料物至少部分填充儲庫(5)，-使第一接觸面(3)與第二接觸面(4)接觸以形成預粘合連接，-減薄第二襯底(2)和-在第一和第二接觸面(3,4)之間形成永久粘合，其通過第一原料物與第二襯底(2)的反應層(7)中所含的第二原料物的反應至少部分增強。
【專利說明】晶片的永久粘合方法
[0001]本發(fā)明涉及如權(quán)利要求1中所述的用于使第一襯底的第一接觸面與第二襯底的第二接觸面的粘合方法。
[0002]襯底永久性或不可逆粘合的目的是在該襯底的兩接觸面之間產(chǎn)生盡可能強的特別是不可再拆開的粘合，即產(chǎn)生高的粘合力。為此，在現(xiàn)有技術(shù)中存在各種手段和制備方法。
[0003]已知的制備方法和迄今遵循的手段常導致不可再現(xiàn)的或再現(xiàn)性差的，且特別是幾乎不適用于改變的條件的結(jié)果。特別是現(xiàn)今所用的制備方法常利用高溫，尤其是> 400°C，以確保可再現(xiàn)的結(jié)果。
[0004]技術(shù)問題如高能耗和襯底上存在的結(jié)構(gòu)的可能破壞均由至今為產(chǎn)生高粘合力所需的有時遠高于300°C的高溫造成。
[0005]其它的要求在于:
-前道工序(Front-end-of-line)的相容性。
[0006]該意指在制備電有源部件(elektrisch aktiven Bauteilen)時工藝的兼容性。因此必須如此設(shè)計該粘合工藝，以使結(jié)構(gòu)晶片上已存在的有源部件，如晶體管在該加工過程中既不受負面影響也不受損。兼容性標準主要包括某些化學元素(主要在CMOS結(jié)構(gòu)中)的純度和機械承載能力(由熱應力引起的)。
[0007]-低污染。
[0008]-不引入力。
[0009]-盡可能低的溫度，特別是在具有不同熱膨脹系數(shù)的材料的情況下。
[0010]粘合力的降低導致對結(jié)構(gòu)晶片的更小心處理和因此降低由直接機械負荷造成的失效概率。
[0011]因此本發(fā)明的目的在于提供在同時盡可能低的溫度下小心制造具有盡可能高的粘合力的永久粘合的方法。
[0012]用權(quán)利要求1的特征實現(xiàn)這一目的。在從屬權(quán)利要求中給出本發(fā)明有利的擴展方案。說明書、權(quán)利要求和/或附圖中給出的至少兩個特征的所有組合也落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。在給出的數(shù)值范圍中，在所述界限內(nèi)的數(shù)值也被視作界限值公開，并可以以任意組合要求保護。
[0013]本發(fā)明的基本思路是，至少在所述襯底之一上實現(xiàn)用于容納第一原料物的儲庫，該第一原料物在襯底之間接觸或產(chǎn)生暫時粘合后與存在于這兩個襯底之一中的，尤其是在反應層中的第二原料物反應并由此在襯底之間形成不可逆的或永久性的粘合。在第一接觸面上的儲庫形成層中形成儲庫之前或之后，大都清洗所述該一個或兩個襯底，尤其是通過沖洗步驟。該清洗通常應確保表面上沒有微粒，這樣的微粒會產(chǎn)生不粘合部位。通過儲庫和儲庫中所含的原料物實現(xiàn)了以專門方式在產(chǎn)生暫時或可逆粘合后立即在接觸面上引發(fā)增強永久粘合和提高粘合速度的反應(第一原料物或第一組原料物與第二原料物或第二組原料物的反應)的技術(shù)可能性，尤其通過由該反應使至少一個接觸面(優(yōu)選為與儲庫相對的接觸面)變形。根據(jù)本發(fā)明，在位于對面的第二接觸面上具有生長層，在該層中發(fā)生根據(jù)本發(fā)明的變形或第一原料物(或第一組)與存在于第二襯底的反應層中的第二原料物(或第二組)反應。為加速第一原料物(或第一組)與第二原料物(或第二組)之間的反應，根據(jù)本發(fā)明在襯底接觸之前減薄存在于第二襯底的反應層和儲庫之間的生長層，因為由此減小在反應參與物之間的間距，并同時有利于根據(jù)本發(fā)明的變形/形成生長層。通過減薄至少部分地，特別是主要地，優(yōu)選完全地去除該生長層。甚至經(jīng)完全去除后，在第一原料物與第二原料物反應時該生長層還會生長。
[0014]根據(jù)本發(fā)明，在使接觸面接觸之前可以采取措施抑制生長層的生長，特別是通過鈍化該第二襯底的反應層，優(yōu)選通過供給N2、組合氣體或惰性氣氛或在真空下或通過非晶形化。在這方面，用含有組合氣體，尤其主要由組合氣體組成的等離子體處理經(jīng)證實尤其合適。在此組合氣體是指含有至少2%，更好4%，理想地10%或15%氫氣的氣體。該混合物的剩余部分由惰性氣體，例如氮氣或氬氣組成。
[0015]替代或補充該措施，根據(jù)本發(fā)明有利的是，使在減薄和接觸之間的時間減小到最短，特別是< 2小時，優(yōu)選< 30分鐘，還更優(yōu)選< 15分鐘，理想是< 5分鐘。由此可以最大減少減薄后發(fā)生的氧化物生長。
[0016]通過該減薄的和由此至少在開始形成永久性粘合時或在開始反應時非常薄的生長層提高了原料物穿過生長層的擴散速率。這導致在相同溫度下原料物的更短的輸送時間。
[0017]對在襯底之間產(chǎn)生預粘合或可逆的粘合的預-粘合-步驟，提供了各種可能性，其目的是在襯底的接觸面之間產(chǎn)生弱的相互作用。該預粘合強度低于永久粘合強度，至少低
2至3倍，尤其低5倍，優(yōu)選低15倍，還更優(yōu)選低25倍。作為基準值，提及約100 mj/m2的純的未活化的親水化硅的預粘合強度和約200 - 300 mj/m2的純的經(jīng)等離子體活化的親水化硅的預粘合強度。被分子潤濕的襯底之間的預粘合主要通過不同晶片側(cè)的分子之間的范德華相互作用實現(xiàn)。因此，具有永久偶極矩的分子尤其適合實現(xiàn)晶片之間的預粘合。作為粘合劑可示例性提及下列的化學化合物，但不限于此:
_水
-硫醇(Tiole)
-AP3000
-娃燒和/或 -硅烷醇。
[0018]適用于本發(fā)明的襯底是這類襯底，即其材料可作為原料物與加入的另一原料物反應而形成具有更高摩爾體積的產(chǎn)物，由此導致在襯底上形成生長層。下列的組合特別有利，其中各箭頭左方列舉原料物，箭頭右方列舉一種產(chǎn)物/多種產(chǎn)物，沒有詳細列舉與該原料物反應所加入的原料物或副產(chǎn)物:
【權(quán)利要求】
1.第一襯底(I)的第一接觸面(3)與第二襯底(2)的第二接觸面(4)的粘合方法，其中第二襯底(2)具有至少一個反應層(7)，所述方法具有下列步驟，尤其是下列過程: -在第一接觸面(3)上的儲庫形成層￠)中形成儲庫(5)， -用第一原料物或第一組原料物至少部分填充儲庫(5)， -使第一接觸面(3)與第二接觸面(4)接觸以形成預-粘合-連接， -減薄第二襯底(2)和 -在第一和第二接觸面(3，4)之間形成永久粘合，其通過第一原料物與第二襯底(2)的反應層(7)中所含的第二原料物的反應至少部分增強。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中通過蝕刻，尤其在潮濕的氣氛中，優(yōu)選原位進行所述減薄。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中通過干蝕刻，尤其原位進行所述減薄。
4.根據(jù)前述權(quán) 利要求之一所述的方法，其中在第二襯底(2)的第二接觸面(4)上的儲庫形成層(6’ )中形成另外的儲庫(5’)，尤其與第一儲庫(5)同時形成。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中在所述反應中，在反應層(7)中形成具有比第二原料物的摩爾體積更大的摩爾體積的反應產(chǎn)物(10)。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中通過等離子體活化形成一個/多個儲庫(5，5，)。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中通過使用尤其壓實的四乙氧基硅烷-氧化物層作為儲庫形成層(6)形成一個/多個儲庫(5，5’)。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中所述儲庫形成層(6)主要，尤其基本上完全由尤其是非晶材料，尤其是通過熱氧化制成的二氧化硅構(gòu)成，且反應層(7)由可氧化材料，尤其主要地，優(yōu)選基本上完全由S1、Ge、InP、GaP或GaN構(gòu)成。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中在第二接觸面(4)與反應層(7)之間具有生長層(8)，其尤其主要由天然二氧化硅構(gòu)成，其中通過減薄使所述生長層(8)至少部分，尤其是完全除去。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中在形成永久粘合之前和在減薄后，所述生長層(8)具有I埃至10 nm的平均厚度A。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中在真空中形成儲庫。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中通過一個或多個下述步驟填充儲庫: -使第一接觸面(3)暴露在尤其具有高的氧-和/或水含量的氣氛中， -用特別是主要由，優(yōu)選幾乎完全由，特別是去離子的，H2O和/或H2O2組成的流體加載該第一接觸面(3)， -用N2-氣和/或O2-氣和/或Ar-氣和/或組合氣，特別是由95% Ar和5% H2組成的組合氣，特別是以0-200 eV范圍的離子能量加載第一接觸面(3)。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法,其中以0.1 nm至25 nm,尤其是0.1 nm至20nm的平均厚度(R)形成所述儲庫(5)。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中在臨形成永久粘合之前儲庫(5)與反應層(X)之間的平均間距⑶為0.1 nm至15 nm,尤其是0.5 nm至5 nm,優(yōu)選0.5 nm至3nm。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中所述不可逆粘合具有的粘合強度為預粘合強度的2倍，優(yōu)選 4倍，更優(yōu)選10倍，最優(yōu)選25倍。
【文檔編號】H01L21/762GK103460343SQ201180069928
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2011年4月8日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月8日
【發(fā)明者】T.普拉赫, K.欣格爾, M.溫普林格, C.弗勒特根 申請人:Ev 集團 E·索爾納有限責任公司