通過分子粘附來鍵合的方法
【專利說明】通過分子粘附來鍵合的方法
【背景技術】
[0001] 本發(fā)明涉及通過將至少一個層轉(zhuǎn)移到最終基板上而形成的多層半導體結構或晶 片（wafer)(也稱為復合結構）的制造的領域。通過將第一晶片（或初始基板）鍵合（bond) (例如通過分子粘附）到第二晶片（或最終基板）上來獲得這種層轉(zhuǎn)移，所述第一晶片通常 在鍵合之后被薄化。轉(zhuǎn)移后的層還可以包括組件或多個微組件（micro-component)的全部 或一部分。
[0002] 更準確地，本發(fā)明涉及可能在通過分子粘附鍵合的兩個晶片之間的鍵合界面處以 局部的方式出現(xiàn)鍵合缺陷的問題。
[0003] 通過分子粘附的鍵合本身是眾所周知的技術。作為提醒，通過分子粘附的鍵合的 原理基于使兩個表面直接接觸，也就是說不使用特定的材料（膠、蠟、釬焊等）。這種操作要 求鍵合表面足夠光滑，沒有微粒（particulate)或污染，并且要求這些鍵合表面足夠靠近 在一起以使得能夠通常以小于幾納米的距離發(fā)起（initiate)接觸。在這種情況下，兩個表 面之間的吸引力足夠高，以導致分子粘附（由待鍵合的兩個表面的原子或分子之間的全部 電子相互作用吸引力（范德華力（Van Der Waals forces))而引起的鍵合）。
[0004] 圖1A至圖ID示出了包括通過分子粘附將第一晶片102鍵合到第二晶片106上的 多層結構的一個示例性實施方式，所述第二晶片106形成支承晶片。
[0005] 第一晶片102在這里包括在其鍵合面102a上的一系列微組件104(圖1A)。借助 于使得能夠限定用于形成與待形成的所述微組件104對應的圖案的區(qū)域的掩模通過光刻 (photolithography)來形成所述微組件104。
[0006] 在本文中，將術語"微組件"理解為意指由在層上或?qū)觾?nèi)執(zhí)行的技術步驟產(chǎn)生的并 且其定位必須被準確控制的器件或任何其它圖案。因此，這些微組件可以是有源組件或無 源組件、簡單的接觸件、互連件（interconnection)等。
[0007] 在該示例中，支承晶片106由例如通過所述支承晶片的氧化形成的熱氧化物 108(或沉積的氧化物）的層覆蓋，以便利于與第一晶片102的分子粘附（圖1A)。
[0008] 為了制備第一晶片102的鍵合表面102a和第二晶片106的鍵合表面106a，通常 實現(xiàn)某些形式的處理，該處理根據(jù)希望獲得的鍵合能量而改變（化學-機械拋光（CMP)、清 洗、刷凈、疏水/親水處理等）。
[0009] -旦已經(jīng)制備了所述晶片，就在鍵合機115中定位支承晶片106。更準確地， 考慮到支承晶片106通過分子粘附與第一晶片102的組裝，在鍵合機115的基板支架 (holder) 110上定位支承晶片106?；逯Ъ?10例如借助于靜電或抽吸（suction)系統(tǒng) 將第二晶片106保持在適當位置。
[0010] 隨后將第一晶片102放置在第二晶片106上，以便與所述第二晶片106緊密接觸 (圖1B)。然后通過在第一晶片102上施加接觸力（機械壓力）來執(zhí)行分子粘附的發(fā)起。該 接觸力的施加使得鍵合波122的傳播能夠從所述發(fā)起點開始發(fā)起（圖1D)。借助于鍵合機 115配備的施加工具114 (例如，Teflon?觸控筆）來發(fā)起所述鍵合波122。
[0011] 在本文中，"鍵合波"是指從所述發(fā)起點傳播并且與吸引力（范德華力）從接觸點 在所述兩個晶片之間的整個緊密接觸表面（鍵合界面）上的擴散對應的分子鍵合或粘附波 刖。
[0012] 因此，鍵合波122在晶片102和晶片106的整個鍵合表面上的傳播允許所述兩個 晶片通過分子粘附的鍵合，以便獲得多層結構112。
[0013] -旦鍵合已經(jīng)受到實現(xiàn)，就可以通過實施熱退火來增強第二晶片。隨后，第一晶片 102可以被薄化，以便形成被轉(zhuǎn)移到支承晶片106上的層。
[0014] 然而，本申請人已經(jīng)注意到在所述兩個晶片之間的鍵合界面處，并且更準確地在 位于與鍵合發(fā)起點116相對的側的區(qū)域120中，存在局部鍵合缺陷118 (圖1E)。這些缺陷 對應于其中所述兩個晶片102和106表現(xiàn)出非常低的鍵合力或者甚至完全不存在鍵合的區(qū) 域。
[0015] 由于這些鍵合缺陷降低了所述晶片之間的鍵合的質(zhì)量，因此這些鍵合缺陷對于制 造商是不期望的。更通常地，這些缺陷是未經(jīng)優(yōu)化的制造工藝的指示，這一事實減小了因此 產(chǎn)生的多層結構的吸引力。
[0016] 因此，當前需要提高通過分子粘附組裝的多層結構的制造的質(zhì)量。具體地，存在使 用使得能夠減少或甚至完全防止上述鍵合缺陷在晶片之間的鍵合界面處的出現(xiàn)的分子粘 附的鍵合處理的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 為此，本發(fā)明提供了一種通過分子粘附來鍵合的方法，所述方法包括以下步驟：
[0018] 將第一晶片和第二晶片定位在氣密密封的容器內(nèi)；
[0019] 將所述容器抽空到低于或等于400hPa的第一壓力；
[0020] 通過引入具有小于lOOOOppm的水濃度的干氣（dry gas)將所述容器中的所述壓 力調(diào)整為高于所述第一壓力的第二壓力；以及
[0021] 使所述第一晶片和所述第二晶片接觸，然后在將所述容器保持在所述第二壓力 (P2)的同時，發(fā)起鍵合波在所述兩個晶片之間的傳播。
[0022] 本發(fā)明的方法有利地使得能夠在鍵合之前消除存在于所述晶片的表面的水（通 過去吸附）和以氣態(tài)形式存在于待抽空的所述容器的大氣內(nèi)的飽和水的大部分。以這種方 式，顯著減少了陷入（trap)鍵合界面（在鍵合之后）處的水的量，這一事實使得能夠減少 或甚至完全防止上述鍵合缺陷在所述晶片之間的所述鍵合界面處的出現(xiàn)。
[0023] 此外，這種低于lOOOppm的水濃度有利地使得能夠限制在通過分子粘附的鍵合期 間以氣態(tài)形式存在于所述容器的大氣內(nèi)的飽和水的濃度。
[0024] 此外，所述干氣可以是來自以下項中的至少一種：氮氣、氦氣、空氣、氬氣和氖氣。
[0025] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，所述第二壓力為至少latm。
[0026] 根據(jù)另一實施方式，所述晶片中的至少一個在其鍵合表面上包括至少一個腔。另 外，以在鍵合之后將所述腔中的壓力調(diào)整為所述第二壓力的方式來固定所述第二壓力。
[0027] 在一個特定實施方式中，所述晶片是硅晶片。
【附圖說明】
[0028] 本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將根據(jù)在下文參照附圖提供的描述變得顯而易見，附圖 例示了本發(fā)明的不以任何方式限制的一個示例性實施方式。在這些圖中：
[0029] 圖1A至圖1D示意性地示出了通過對本領域技術人員已知的分子粘附來鍵合的方 法的一個示例；
[0030] 圖1E示意性地示出了在圖1A至圖1D中例示的鍵合方法期間出現(xiàn)的鍵合缺陷；
[0031] 圖1F示意性地例示了圖1E中所示的鍵合缺陷的形成的機制；
[0032] 圖2A至圖2D示意性地示出了通過根據(jù)本發(fā)明的一個特定實施方式的分子粘附來 鍵合的方法。
【具體實施方式】
[0033] 總的來說，本發(fā)明涉及通過使得能夠減少或防止不期望的鍵合缺陷在鍵合界面處 的出現(xiàn)的分子粘附來鍵合的方法。
[0034] 如以前指出的，申請人已經(jīng)注意到出現(xiàn)在通過第一晶片到第二晶片上的分子粘附 鍵合形成的多層結構的鍵合界面處的局部鍵合缺陷。
[0035] 包括多層結構的扁平元件通常采取具有大體圓形輪廓的晶片的形式，并且可以具 有各種直徑，尤其為100mm(毫米）、200_或300_的直徑。然而，這些元件還可以是任何 給定形狀的扁平元件（例如，諸如矩形的扁平元件）。
[0036] 對圖1E中例示的鍵合缺陷118的更詳細的研宄已經(jīng)使得能夠突出形成這些缺陷 的機制并建立防止這些缺陷的形成的方法。
[0037] 現(xiàn)在參照圖1A至圖1F描述對缺陷118的形成負責的機制。
[0038] 如以前解釋的，通常通過在位于第一晶片102的邊緣附近的發(fā)起點116處施加接 觸力來執(zhí)行通過分子粘附的鍵合的發(fā)起（圖1C)。該接觸力的施加允許鍵合波122的傳播 從所述發(fā)起點116開始發(fā)起（圖1D)。
[0039] 當鍵合波122被傳播時，所述鍵合波122朝外部驅(qū)逐（repel)存在于所述兩個晶 片之間的環(huán)境空氣以及在所述晶片的表面處吸附的過量的水分子。因此在所述兩個晶片之 間被驅(qū)逐的空氣包含一定濃度的氣態(tài)形式的水。
[0040] 當鍵合波到達晶片的在與發(fā)起點116相對的側的邊緣的附近時，在晶片102與晶 片106之間出現(xiàn)壓力的突然下降。壓力的這種突然下降導致溫度的相應下降（絕熱過程的 情況），這導致存在于通過鍵合波排出的空氣中的飽和水在鍵合表面l〇2a和106a上的凝結 (condensation)。該凝結主要發(fā)生在與發(fā)起點116相對的側的區(qū)域120中。
[0041] 將要注意的是，該凝結具體發(fā)生在可以存在于晶片102和106中的每一個的鍵合 表面上的表面不規(guī)則體（irregularities) 124 (表面拓撲或納米拓撲（nano-topology)、細 小顆粒、微劃痕等）上（圖1F)。
[0042] -旦已