通过分子粘附来键合的方法
【专利说明】通过分子粘附来键合的方法
【背景技术】
[0001] 本发明涉及通过将至少一个层转移到最终基板上而形成的多层半导体结构或晶 片（wafer)(也称为复合结构）的制造的领域。通过将第一晶片（或初始基板）键合（bond) (例如通过分子粘附）到第二晶片（或最终基板）上来获得这种层转移，所述第一晶片通常 在键合之后被薄化。转移后的层还可以包括组件或多个微组件（micro-component)的全部 或一部分。
[0002] 更准确地，本发明涉及可能在通过分子粘附键合的两个晶片之间的键合界面处以 局部的方式出现键合缺陷的问题。
[0003] 通过分子粘附的键合本身是众所周知的技术。作为提醒，通过分子粘附的键合的 原理基于使两个表面直接接触，也就是说不使用特定的材料（胶、蜡、钎焊等）。这种操作要 求键合表面足够光滑，没有微粒（particulate)或污染，并且要求这些键合表面足够靠近 在一起以使得能够通常以小于几纳米的距离发起（initiate)接触。在这种情况下，两个表 面之间的吸引力足够高，以导致分子粘附（由待键合的两个表面的原子或分子之间的全部 电子相互作用吸引力（范德华力（Van Der Waals forces))而引起的键合）。
[0004] 图1A至图ID示出了包括通过分子粘附将第一晶片102键合到第二晶片106上的 多层结构的一个示例性实施方式，所述第二晶片106形成支承晶片。
[0005] 第一晶片102在这里包括在其键合面102a上的一系列微组件104(图1A)。借助 于使得能够限定用于形成与待形成的所述微组件104对应的图案的区域的掩模通过光刻 (photolithography)来形成所述微组件104。
[0006] 在本文中，将术语"微组件"理解为意指由在层上或层内执行的技术步骤产生的并 且其定位必须被准确控制的器件或任何其它图案。因此，这些微组件可以是有源组件或无 源组件、简单的接触件、互连件（interconnection)等。
[0007] 在该示例中，支承晶片106由例如通过所述支承晶片的氧化形成的热氧化物 108(或沉积的氧化物）的层覆盖，以便利于与第一晶片102的分子粘附（图1A)。
[0008] 为了制备第一晶片102的键合表面102a和第二晶片106的键合表面106a，通常 实现某些形式的处理，该处理根据希望获得的键合能量而改变（化学-机械抛光（CMP)、清 洗、刷净、疏水/亲水处理等）。
[0009] -旦已经制备了所述晶片，就在键合机115中定位支承晶片106。更准确地， 考虑到支承晶片106通过分子粘附与第一晶片102的组装，在键合机115的基板支架 (holder) 110上定位支承晶片106。基板支架110例如借助于静电或抽吸（suction)系统 将第二晶片106保持在适当位置。
[0010] 随后将第一晶片102放置在第二晶片106上，以便与所述第二晶片106紧密接触 (图1B)。然后通过在第一晶片102上施加接触力（机械压力）来执行分子粘附的发起。该 接触力的施加使得键合波122的传播能够从所述发起点开始发起（图1D)。借助于键合机 115配备的施加工具114 (例如，Teflon?触控笔）来发起所述键合波122。
[0011] 在本文中，"键合波"是指从所述发起点传播并且与吸引力（范德华力）从接触点 在所述两个晶片之间的整个紧密接触表面（键合界面）上的扩散对应的分子键合或粘附波 刖。
[0012] 因此，键合波122在晶片102和晶片106的整个键合表面上的传播允许所述两个 晶片通过分子粘附的键合，以便获得多层结构112。
[0013] -旦键合已经受到实现，就可以通过实施热退火来增强第二晶片。随后，第一晶片 102可以被薄化，以便形成被转移到支承晶片106上的层。
[0014] 然而，本申请人已经注意到在所述两个晶片之间的键合界面处，并且更准确地在 位于与键合发起点116相对的侧的区域120中，存在局部键合缺陷118 (图1E)。这些缺陷 对应于其中所述两个晶片102和106表现出非常低的键合力或者甚至完全不存在键合的区 域。
[0015] 由于这些键合缺陷降低了所述晶片之间的键合的质量，因此这些键合缺陷对于制 造商是不期望的。更通常地，这些缺陷是未经优化的制造工艺的指示，这一事实减小了因此 产生的多层结构的吸引力。
[0016] 因此，当前需要提高通过分子粘附组装的多层结构的制造的质量。具体地，存在使 用使得能够减少或甚至完全防止上述键合缺陷在晶片之间的键合界面处的出现的分子粘 附的键合处理的需要。
【发明内容】
[0017] 为此，本发明提供了一种通过分子粘附来键合的方法，所述方法包括以下步骤：
[0018] 将第一晶片和第二晶片定位在气密密封的容器内；
[0019] 将所述容器抽空到低于或等于400hPa的第一压力；
[0020] 通过引入具有小于lOOOOppm的水浓度的干气（dry gas)将所述容器中的所述压 力调整为高于所述第一压力的第二压力；以及
[0021] 使所述第一晶片和所述第二晶片接触，然后在将所述容器保持在所述第二压力 (P2)的同时，发起键合波在所述两个晶片之间的传播。
[0022] 本发明的方法有利地使得能够在键合之前消除存在于所述晶片的表面的水（通 过去吸附）和以气态形式存在于待抽空的所述容器的大气内的饱和水的大部分。以这种方 式，显著减少了陷入（trap)键合界面（在键合之后）处的水的量，这一事实使得能够减少 或甚至完全防止上述键合缺陷在所述晶片之间的所述键合界面处的出现。
[0023] 此外，这种低于lOOOppm的水浓度有利地使得能够限制在通过分子粘附的键合期 间以气态形式存在于所述容器的大气内的饱和水的浓度。
[0024] 此外，所述干气可以是来自以下项中的至少一种：氮气、氦气、空气、氩气和氖气。
[0025] 根据本发明的一个实施方式，所述第二压力为至少latm。
[0026] 根据另一实施方式，所述晶片中的至少一个在其键合表面上包括至少一个腔。另 外，以在键合之后将所述腔中的压力调整为所述第二压力的方式来固定所述第二压力。
[0027] 在一个特定实施方式中，所述晶片是硅晶片。
【附图说明】
[0028] 本发明的其它特征和优点将根据在下文参照附图提供的描述变得显而易见，附图 例示了本发明的不以任何方式限制的一个示例性实施方式。在这些图中：
[0029] 图1A至图1D示意性地示出了通过对本领域技术人员已知的分子粘附来键合的方 法的一个示例；
[0030] 图1E示意性地示出了在图1A至图1D中例示的键合方法期间出现的键合缺陷；
[0031] 图1F示意性地例示了图1E中所示的键合缺陷的形成的机制；
[0032] 图2A至图2D示意性地示出了通过根据本发明的一个特定实施方式的分子粘附来 键合的方法。
【具体实施方式】
[0033] 总的来说，本发明涉及通过使得能够减少或防止不期望的键合缺陷在键合界面处 的出现的分子粘附来键合的方法。
[0034] 如以前指出的，申请人已经注意到出现在通过第一晶片到第二晶片上的分子粘附 键合形成的多层结构的键合界面处的局部键合缺陷。
[0035] 包括多层结构的扁平元件通常采取具有大体圆形轮廓的晶片的形式，并且可以具 有各种直径，尤其为100mm(毫米）、200_或300_的直径。然而，这些元件还可以是任何 给定形状的扁平元件（例如，诸如矩形的扁平元件）。
[0036] 对图1E中例示的键合缺陷118的更详细的研宄已经使得能够突出形成这些缺陷 的机制并建立防止这些缺陷的形成的方法。
[0037] 现在参照图1A至图1F描述对缺陷118的形成负责的机制。
[0038] 如以前解释的，通常通过在位于第一晶片102的边缘附近的发起点116处施加接 触力来执行通过分子粘附的键合的发起（图1C)。该接触力的施加允许键合波122的传播 从所述发起点116开始发起（图1D)。
[0039] 当键合波122被传播时，所述键合波122朝外部驱逐（repel)存在于所述两个晶 片之间的环境空气以及在所述晶片的表面处吸附的过量的水分子。因此在所述两个晶片之 间被驱逐的空气包含一定浓度的气态形式的水。
[0040] 当键合波到达晶片的在与发起点116相对的侧的边缘的附近时，在晶片102与晶 片106之间出现压力的突然下降。压力的这种突然下降导致温度的相应下降（绝热过程的 情况），这导致存在于通过键合波排出的空气中的饱和水在键合表面l〇2a和106a上的凝结 (condensation)。该凝结主要发生在与发起点116相对的侧的区域120中。
[0041] 将要注意的是，该凝结具体发生在可以存在于晶片102和106中的每一个的键合 表面上的表面不规则体（irregularities) 124 (表面拓扑或纳米拓扑（nano-topology)、细 小颗粒、微划痕等）上（图1F)。
[0042] -旦已