专利名称：用于通过分子间附着将两个晶片键合在一起的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及生产通过转移至少一层到最终衬底上而生产的多层半导体结构(也称为复合结构或多层半导体晶片)的领域。通过将第一晶片(或初始衬底)键合到第二晶片(或最终衬底)(例如通过分子间附着)获得所述层转移，第一晶片通常在键合后加以减薄。被转移的层还可以包括全部或部分的组件或多个微组件(microcomponents)。更精确而言，本发明涉及键合缺陷的问题，该键合缺陷问题可以以局部的方式出现在通过分子间附着键合的两个晶片之间的键合界面。
背景技术：
就其本身而言，通过分子间附着的晶片键合是众所周知的技术。应该回忆起，通过 分子间附着的晶片键合的原理是基于使两个表面直接接触，即，不应用特定的键合材料(粘合剂、蜡、焊料等等)。该操作需要待键合的表面足够光滑，并且没有微粒或污染，并且该表面足够接近以便允许接触得以启动，通常为不到几纳米的距离。然后，两个表面之间的引力足够大从而引起通过分子间附着或“直接键合”(通过待键合在一起的两个表面的原子或分子之间的各种电子相互作用引力(范德华力)而引起的键合)的键合。图1A到图1D显示了多层结构的生产的实例，该实例包括第一晶片102到构成支持晶片的第二晶片106上的通过分子间附着的晶片键合。第一晶片102包括在键合面102a (图1A)上的一系列微组件104。微组件104通过光刻得以形成，采用掩模以限定对应于待产生的微组件104的图形(pattern)形成的区域。在本文中所使用的术语“微组件”是指由于在层上或在层中进行的技术步骤而产生的，并且需要精确定位的装置或任何其他图形。因此，该装置或图形可以是有源组件或无源组件、简单的接触点、相互连接，等等。此外，支持晶片106由通过支持晶片的氧化而形成的热或沉积氧化层108所覆盖，从而例如便于通过分子间附着与第一晶片102键合(图1A)。另外，通常进行处理以准备第一晶片102的键合表面102a和第二晶片106的键合表面106a，所述处理根据待获得的键合能的函数而变化(化学-机械抛光、清洁、洗涤、疏水
/亲水处理，等等)。一旦晶片已准备好，则将支持晶片106置于键合机115中。更精确而言，支持晶片106被放置在键合机115的衬底载体110上，以便通过直接键合来将支持晶片106与第一晶片102装配。例如，衬底载体110通过静电系统或通过吸力来将第二晶片106保持在其位置上。然后，将第一晶片102放置于第二晶片106上以便与第二晶片106进入紧密接触(图1B)。然后通过对第一晶片102施加接触力(机械压力)来启动通过分子间附着的键合(图1C)。该接触力的施加使得启动键合波(bonding rave)122从该启动点的传播(图1D)。键合波122通过键合机115所设置的施加工具114(例如，Teflonii'定位笔(Teflon stylus))得以启动。
在本文中的术语“键合波”用于键合或分子间附着，该键合波从启动点得以传播， 并且对应于引力(范德华力)从接触点遍及在两个晶片之间紧密接触的整个区域(键合界面)的扩散。
然后，遍及晶片102和晶片106的整个键合表面的键合波122的传播使得通过两个晶片的分子间附着而晶片键合，从而获得多层结构112。
一旦已进行了键合，则其可以通过进行热退火来增强。然后，第一晶片102可以被减薄以便在支持晶片106上形成被转移层。
然而，申请人已经观察到在两个晶片之间的键合界面存在局部键合缺陷118，更精确而言在位于远离键合启动点116的区域120中(图1E)。这些缺陷对应于这样的区域，在该区域中两个晶片102和106具有非常弱的键合力或甚至完全没有键合。
制造商不期望该键合缺陷，因为该键合缺陷降低了晶片之间的键合质量。更通常而言，该缺陷为非最优化的制造工艺的证明，从而降低了生产的多层结构的吸引力。
因此，当前存在这样的需要，由通过分子间附着的晶片键合来生产不表现出该键合缺陷的多层结构。发明内容
为此，本发明提出一种通过分子间附着将第一晶片键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间的键合波的启动点，所述方法的特征在于，所述方法进一步包括，当所述键合波在所述第一晶片和所述第二晶片之 间传播时，朝向所述键合波的启动点，在所述第一晶片和所述第二晶片之间喷射气体流。
本发明机械地作用以减慢在两个晶片之间的界面处的键合波的传播。减慢所述键合波有利地用于减少或防止在所述第一晶片和所述第二晶片之间的键合界面处出现不期望的键合缺陷。
在所述晶片通过直接键合得以键合时，本发明也可以有利地用于限制在晶片中产生的非均匀变形。
在优选的实施方案中，在贯穿晶片之间的键合波的传播期间喷射气体流。然后可以优化上述机械反作用的效果。
根据本发明的另一个方面，喷射的气体流可以为具有IOOOOppm或更低的水浓度的干噪气体流，以便使得遍及两个晶片的键合表面中的至少一个的水解除吸附。
在特定的实施方案中，喷射的气体流具有低于IOOOppm (百万分之一)的水浓度。
因此，在两个晶片之间喷射足够干噪的气体流(例如，具有低于IOOOOppm或甚至低于IOOOppm的水浓度)，从而使得可以触发以凝结形式限制在第一晶片和/或第二晶片的键合表面上的水的解除吸附。喷射干燥气体流也是有利的在于其可以减少包含在两个晶片之间的周围空气中的饱和水的量，因而降低了水以凝结形式被吸附在两个晶片的键合表面上的风险。
另外，所述气体流的温度可以在从所述第一晶片和所述第二晶片的周围温度到 200° C的范围之内。
更精确而言，在两个晶片之间喷射的气体流的温度可以大约为周围温度，也即，工作环境的温度，以便防止包含在晶片表面环境中的饱和水凝结，并且防止由于在温度的影响下晶片扩大所引起的晶片变形。可选地，喷射的气体流的温度可以在周围温度之上或在周围温度之下，并且可以高到200° C，例如，以使解除吸附的效果最大。加热在两个晶片之间喷射的气体流是有利的在于，其意味着其从两个晶片的键合表面解除吸附的能力可以得到增强。在该温度的气体流更容易触发接近表面的水分子的解除吸附。在本发明的特定实施方案中，所述气体流选自于氦气流、氩气流、氖气流、氮气流、二氧化碳(CO2)气流，以及空气流中的至少一个。所述气体流可以特定对应于所述气体元素中的一种或所述元素中的一些的任意组合。另外，所述气体流的宽度可以对应于两个晶片的直径。该气体流宽度意味着可以遍及两个晶片之间的整个键合表面来限制或防止键合缺陷的形成。 气体流也可以是层流。本发明还设计了一种用于通过分子间附着将第一晶片键合到第二晶片上的装置，所述装置包括工具，所述工具用于施加用于所述第一晶片和所述第二晶片之间的键合波的启动点，所述装置的特征在于，所述装置进一步包括喷射工具，所述喷射工具配置成当所述键合波在所述第一晶片和所述第二晶片之间传播时，朝向所述键合波的启动点，在所述第一晶片和所述第二晶片之间喷射气体流。参考本发明的键合方法的各个实现，上文所陈述的优点和说明类似地适用于本发明的键合装置的各个实施方案。根据本发明的一个方面，所述键合装置的喷射工具可以配置成喷射具有低于IOOOOppm的水浓度的干燥气体流，以便使得遍及两个晶片的键合表面中的至少一个的水解除吸附。在特定的实施方案中，所述喷射工具配置成使得气体流具有低于IOOOppm的水浓度。另外，所述喷射工具可以配置成喷射温度在从所述第一晶片和所述第二晶片的周围温度到200° C的范围之内的气体流。此外，在两个晶片之间喷射的所述气体流可以选自于氦气流、氩气流、氖气流、氮气流、二氧化碳(CO2)气流，以及空气流中的至少一个。特别地，所述气体流可以对应于所述气体元素中的一种或所述元素中的几种的任意组合。此外，所述喷射工具可以配置成使得所述气体流的宽度对应于两个晶片的直径。此外，气体流也可以是层流。
通过以下进行的参考附图的描述，本发明的其他特性和优点将更加清楚，所述附图显示了实施方案的实例并且不以任何方式限制本发明。在附图中图1A到图1D图解地显示了已知的先前技术的直接晶片键合方法的实例；图1E图解地显示了在图1A到图1D中显示的键合方法期间发生的键合缺陷；图1F图解地显示了借以形成图1E中表示的键合缺陷的结构；
图2A到图2D图解地显示了根据本发明的第一实现的直接晶片键合方法；以及
图3A和图3B图解地显示了根据本发明的第二实现的直接晶片键合方法。
具体实施方式
通常而言，本发明涉及通过分子间附着的两个晶片的键合方法，所述方法被用来防止在键合界面处出现不期望的键合缺陷。
如上所述，申请人已观察到键合缺陷以局部方式出现在通过第一晶片到第二晶片的直接晶片键合形成的多层结构的键合界面处。
组成多层结构的晶片通常为通常具有圆形轮廓并且可以具有各种直径的晶片形式，具体地直径为IOOmm (毫米)，200mm或300mm。然而，晶片可以具有任何形状，例如，比如矩形形状。
对图1E中所示的键合缺陷118的深入研究已经被用于对借以形成所述缺陷的结构进行说明，并用于设计一种方法以防止所述缺陷的形成。
参考图1A到图1F，在缺陷118的起始处的结构如下所述。
如上所述，通过在位于靠近第一晶片102的侧边的启动点116处施加接触力以进行通过分子间附着的晶片键合的启动(图1C)。可以施加该接触力以启动从启动点116开始的键合波122的传播(图1D )。
随着键合波122的传播，其推动了两个晶片之间存在的周围空气，连同吸附在表面的多余的水分子。
出现的是，表面不规则结构124(表面拓扑结构或纳米拓扑结构、细微颗粒、微划痕等)可能会导致包含在通过键合波122排出的空气中的饱和水在所述不规则结构中凝结(图 1F)。
因此，当键合波122已传播到远离启动点116的点时，可以发现过量的水分子以凝结形式被捕获在表面不规则结构124中，例如，比如在两个晶片的键合表面102a和106a的指示区域120中(图1F)。
然后，凝结在区域120的表面不规则结构124的水阻止了两个晶片通过分子间附着的正常键合。然后，键合缺陷118发生在键合界面，例如，在表面不规则结构124处。在实现中，所述键合缺陷表现为气泡形式(比如边缘间隙)，在施加热处理以增强键合能时，该气泡发展。
因为该缺陷使得晶片102到晶片106的键合质量变差，该缺陷是不期望的。当晶片102经受减薄步骤(例如，通过研磨和/或化学侵蚀)时，这些键合缺陷118具体可以导致晶片102在缺陷附近的部分意外弹起。
为此，本发明提出进行通过分子间附着的晶片键合方法，该方法涉及在待装配在一起的两个晶片之间喷射气体流，从而防止出现如上所述的键合缺陷，尤其在晶片的侧边。 使键合波减慢意味着，可以便于排出靠近表面的多余的水。
参考图2A到2D，本发明的键合方法的 特定实施方案如下所述。
进行第一晶片202到构成支持晶片的第二晶片206上的通过分子间附着的键合 (图2A)。这些晶片分别与在图1A中考虑的晶片102和晶片106相同。
更精确而言，在该实例中的第一晶片202包括在其键合表面202a处的微组件204。进一步，在第二晶片206上进行氧化以遍及其整个表面形成热氧化层208。应该注意到，可以仅在第二晶片206的键合表面206a上沉积氧化物层。可选地，可以遍及第一晶片202的键合表面202a形成氧化物层。
还应该指出的是，在该情况下，第一晶片202和第二晶片206具有相同的直径。然而，第一晶片202和第二晶片206可以具有不同的直径，或其可以为非圆形的形状。此外，在晶片侧边，晶片202和晶片206可以具有类似于图1F中所不的表面不规则结构124的表面不规则结构。在本发明的该实现中，首先，支持晶片206放置于键合机215中，更精确而言，放置于设置在键合机215上的衬底载体210上。该键合机215还包括喷嘴226 (如下所述)和与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已放置在衬底载体210上，则将第一晶片202设置为与支持晶片紧密接触(图2B)。然后，在晶片202和晶片206之间启动键合波222，以便通过分子间附着键合晶片202和晶片206。在该实例中，通过使用施加工具214在位于晶片202侧边附近的启动点216处施加接触力以启动键合波222 (图2C)。该接触力的施加意味着，可以触发从启动点216的键合波222的传播(图2D)。然而，应该注意到，其他操作模式可以用来启动键合波的传播。尤其是在某些条件下，可以不在上晶片202上施加机械压力，而触发所述键合波传播的启动。一旦键合波已启动，则在两个晶片之间通过包括在键合机215中的喷嘴226喷射气体流228 (图2D)。然后，当键合波在两个晶片202和206之间传播时，喷射气体流228。优选地，键合波的启动的同时触发气体流的喷射。如果必要的话，可以在键合波启动之前几分钟触发气体流的喷射。再优选地，贯穿晶片之间的键合波的传播期间，保持气体流的喷射。在该方式下，在下面更具体描述的机械制动效果得以最优化。其可以是空气流或气体(或气体混合物)流，例如，稀有气体(例如，氦、気和/或氖)流，氮气流和/或二氧化碳流。举例说明，所述气体流是以能够在紧密接触的两个晶片之间穿透的非常狭窄的喷射形式(也称为气体刀或空气刀)。优选地，喷嘴226的流动横截面为晶片的间隔大小的量级，即，例如ΙΟμπι (微米)量级，并且在任何情况下，该流动横截面小于晶片的厚度。例如，晶片大约为500 μ m厚。另外，在此处所述的实例中，气体流228足够宽以便能够分别冲洗晶片202和晶片206的整个键合表面202a和206a。然而，如下面更具体的指示，可以设计其他气体流配置。另外，附加到衬底载体210的块状物(block) 230A、230B，和230C (共同表示230)定位为相对晶片202和晶片206的外围侧边(peripheralside)邻接。配置这些块状物，以便防止在气体流228的作用下第一晶片202的位置从支持晶片206的位置发生偏移。然而，应该理解，块状物230的其他形式和设置是可能的。例如，如果必要，块状物的数量可以减少到两个(或者，如果所采用的块状物形状允许，甚至可以为一个)。此外，喷射气体流228，使得气体流228通常指向启动点216的方向，优选地垂直于键合波。
气体流228优选为层流式，以使施加到晶片202和晶片206表面的力有效。
如在图2D中可以看到，此处所设计的喷嘴226具有向内弯曲的轮廓，以使喷嘴226 的侧边到晶片202和晶片206的外围保持不变的距离。用于喷嘴的该配置的优点在于，其可以用于在基本垂直于键合波222传播的方向中喷射气体流228。
在此处考虑的实例中，启动点216定位于靠近第一晶片202的外围侧边。如上所示，该配置为优选的，因为该配置意味着键合波可以传播遍及很大的距离，并且在远离启动点216的部分中，其可以形成几乎没有非均匀变形的区域。那么，优选地，启动点216位于与喷嘴226相对的位置。
然而，应该注意到，可以在第一晶片202的暴露表面的任何启动点施加接触力。
气体流228导向为机械制动在晶片202和晶片206之间的键合波222的传播。通过向启动点216定向喷嘴226，气体流228实际上使得力的施加与键合波222的传播相对。 此处所述的实施方案可以遍及晶片202和晶片206的整个键合表面以均匀的方式有效地减慢键合波222的传播。该减慢通过气体流228在晶片202和晶片206的键合表面202a和 206a之间施加机械压力的事实得以解释，从而所述压力在键合波通过期间减慢了晶片的靠近，并且允许排出多余的水。
申请人已表明，减慢键合波的传播意味着可以显著减少上面所述的键合缺陷的出现。
键合波222的减慢也意味着可以更有效地排出位于两个晶片之间的周围空气。在该方式中，包含在两个晶片之间的空气中的饱和水不易受到在表面不规则结构224处凝结的影响。
通常，当不应用本发明时，在所述晶片直径为300_并且为氧化物到氧化物的键合，或两个晶片其中的一个已经通过等离子体处理被激活时，键合波222花费大约8到10 秒来遍及整个键合表面202a和206a传播。相反，当采用本发明时，键合波更慢在此处所考虑的实现中，键合波花费超过10秒来遍及整个键合表面传播。然而，键合波的传播时间根据在待装配的两个晶片上进行的表面处理的函数而变化。事实上，键合表面越亲水，键合波222的传播速率将会越高。
此外，气体流228优选为干燥的。作为实例，气体流的水浓度为低于lOOOOppm，甚至低于lOOOppm。
在两个晶片之间喷射的气体流228可以被加热，以便改进其解吸附能力 (desorbing power)。气体流228的温度越高,越容易使得以凝结形式困在表面不规则结构 224的水蒸发。优选地，可以将气体流228加热到从两个晶片环境的周围温度到200° C的范围内的温度。
此外，如上文所述，通过分子间附着键合两个晶片产生大量的机械应力，该机械应力为晶片中非均匀变形的起因。例如，如果在键合之后减薄晶片202，并且在晶片202的暴露表面应用类似于用于制造第一系列的微组件204的光刻掩模的光刻掩模制造第二系列的微组件，那么由于由通过分子间附着的晶片键合引起的非均匀变形，使得在两个系列的微组件之间可能出现非均匀覆盖。
术语“类似的光刻掩模”是指设计为在制造工艺期间相结合使用的掩模。
键合波的传播的减慢，起因于在所述传播期间喷射气体流228，有利地用于减少在两个晶片的直接晶片键合期间产生的非均匀变形，从而降低了第一晶片202的两面之间覆盖的风险。此外，为了尽可能多地减少所述非均匀变形，气体流228的温度优选地设置为晶片的周围温度或同量级的温度。根据如图3A、图3B和图3C所示的本发明的第二实现，第一晶片302通过分子间附着键合到第二晶片306。该实现与上面所描述的第一实现的不同点在于，应用基本上不同于键合机215的键合机315进行该实现。更精确而言，键合机315包括·衬底载体310和用于施加键合启动点到第一晶片302的施加工具314。然而，键合机315与键合机215的不同点在于，其还设置有多个喷嘴332，所有喷嘴朝向键合启动点(表示为316)。键合机315还可以包括伺服控制器以对喷嘴332编程并且控制通过每个喷嘴332传递的气体流328的喷射方向。作为实例，将键合机配置为通过位置传感器检测由施加工具314施加的启动点316的位置。一旦启动点316的位置已经确定，键合机315定向喷嘴332，以使每个气体流328指向该启动点，或优选地，在垂直于键合波的传播的方向中。以类似于图2A到2D的实现的方式，所述第二实现的键合机配置为在键合波传播期间在晶片之间喷射气体流。因此，该第二实现可以在两个晶片之间的界面处有效并均匀地减慢键合波的传播，从而显著减少键合缺陷的出现。
权利要求
1.一种通过分子间附着将第一晶片(202)键合到第二晶片(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间的键合波(222)的启动点(216)，所述方法的特征在于，所述方法进一步包括，当所述键合波在所述第一晶片和所述第二晶片之间传播时，朝向所述键合波的启动点，在所述第一晶片和所述第二晶片之间喷射气体流(228)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中喷射的气体流为具有低于IOOOOppm的水浓度的干噪气体流，以便使得遍及两个晶片的键合表面(202a、206a)中的至少一个的水解除吸附。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述气体流的温度在从所述第一晶片和所述第二晶片的周围温度到200° C的范围之内。
4.根据权利要求1至权利要求3中任一项所述的方法，其中所述气体流选自于氩气流、氖气流、氦气流、氮气流、二氧化碳气流，以及空气流中的至少一个。
5.根据权利要求1至权利要求4中任一项所述的方法，其中所述气体流的宽度对应于两个晶片的直径。
6.一种用于通过分子间附着将第一晶片(202)键合到第二晶片(206)上的装置(215)，所述装置包括工具(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间的键合波(222)的启动点(216)，所述装置的特征在于，所述装置进一步包括喷射工具(226)，所述喷射工具配置成当所述键合波在所述第一晶片和所述第二晶片之间传播时，朝向所述键合波的启动点，在所述第一晶片和所述第二晶片之间喷射气体流(228)。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述喷射工具配置成喷射具有低于IOOOOppm的水浓度的干噪气体流，以便使得遍及两个晶片的键合表面(202a、206a)中的至少一个的水解除吸附。
8.根据权利要求6或权利要求7所述的装置，其中所述喷射工具配置成喷射温度在从所述第一晶片和所述第二晶片的周围温度到200° C的范围之内的气体流。
9.根据权利要求6至权利要求8中任一项所述的装置，其中所述气体流选自于氩气流、氖气流、氦气流、氮气流、二氧化碳气流，以及空气流中的至少一个。
10.根据权利要求6至权利要求9中任一项所述的装置，其中所述喷射工具配置成使得所述气体流的宽度对应于两个晶片的直径。
全文摘要
本发明提供一种通过分子间附着将第一晶片(202)键合到第二晶片(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)之间的键合波的启动点(216)，所述方法进一步包括，当所述键合波在所述第一晶片和所述第二晶片之间传播时，大体朝向所述键合波的启动点(216)，在所述第一晶片(202)和所述第二晶片(206)之间喷射气体流(228)。本发明还提供了一种用于进行所述键合方法的键合装置(215)。
文档编号H01L21/67GK103003933SQ201180035139
公开日2013年3月27日 申请日期2011年7月15日 优先权日2010年7月22日
发明者A·卡斯泰, M·布罗埃卡特 申请人:Soitec公司