CN100592489C - 评估键合晶片的方法 - Google Patents
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Abstract
一种无需绝缘膜而通过直接键合活化层晶片和支持衬底晶片并减薄活化层晶片所形成的键合晶片用包含下列步骤的方法进行评估：从键合晶片中的活化层表面上除去自生氧化物；用对构成晶片的材料的蚀刻速率快于对所述材料氧化物的蚀刻速率的蚀刻液体使键合晶片经受蚀刻以除去至少整个活化层；并检测通过蚀刻露出的岛状氧化物以测得岛状氧化物的数量和尺寸，其中进行所述蚀刻以满足T≤X≤T+500nm的关系，其中T是活化层厚度(nm)，X是蚀刻深度(nm)。
Description
技术领域
[0001]本发明涉及一种评估键合晶片(bonded wafer)的方法，所述键合晶片无需使用绝缘膜而通过直接键合活化层晶片(wafer for active layer)和支持衬底晶片(wafer for support substrate)并减薄活化层晶片形成。
背景技术
[0002]近来，具有通过在氧化物膜上形成硅层或所谓的活化层的SOI结构的半导体衬底适用于器件加速运行且能耗低、耐压性好、环境耐性优异等等，以致于它们用作电子器件中高性能LSI用的晶片。特别是需要生产具有与半导体器件的高集成化相适应的更高品质键合晶片，因此，相对于常规的SOI晶片，越来越需要通过减薄隐埋氧化物膜厚度(例如，厚度约为20nm)来生产键合晶片。
[0003]此外，作为用于后代低能耗器件的晶片，述及了一种新型键合晶片，其通过使用HF液体等从活化层晶片和支持衬底晶片的表面除去氧化物膜，并且无需使用该氧化物膜而直接键合这些晶片，然后减薄用作活化层的晶片来形成，如同例如在JP-A-H05-211128中公开的那样。注意到这种键合晶片在生产过程的简化和混合晶体取向衬底的性能提高方面是有益的晶片。
[0004]然而，如上所述无需绝缘膜而通过直接键合所形成的键合晶片存在以下问题，即在键合晶片的生产步骤中，晶片表面上的自生氧化物(nativeoxide)或水会局部聚合形成岛状氧化物，所述岛状氧化物部分保留在键合界面中。这种氧化物的存在导致器件特性劣化并形成在器件生产步骤中引起缺陷的晶核以降低芯片产率等。
[0005]因此，当无需绝缘膜而通过直接键合生产键合晶片时，需要尽可能地抑制氧化物在键合界面中形成，而且，研发检测易于在键合晶片的键合界面中产生的岛状氧化物的方法也是重要的主题。
发明内容
[0006]因此，本发明的目的之一是提供评估键合晶片的方法，其中易于在键合界面中产生的岛状氧化物的数量和尺寸能够在键合晶片的缺陷评估中加以检测，所述键合晶片是无需绝缘膜而通过直接键合活化层晶片和支持衬底晶片并减薄活化层晶片形成的。
[0007]本发明人为解决上述问题已经做了各种研究并发现，在无需绝缘膜而通过直接键合活化层晶片和支持衬底晶片所形成的键合晶片中，通过用对构成晶片的材料的蚀刻速度快于对所述材料氧化物的蚀刻速度的蚀刻液体进行蚀刻，将自生氧化物从键合晶片中的活化层表面除去，然后至少整个活化层被除去，由此构成晶片的材料被首先除去以使岛状氧化物的轮廓清楚，因此能够检测出该岛状氧化物存在或不存在，此外，可以在表面上所暴露的岛状氧化物通过过度蚀刻而微型化之前调整蚀刻深度到一定程度而精确地检测岛状氧化物的数量和尺寸，因此完成本发明。
[0008]为了实现上述目的，本发明的概述和如下：
(1)一种评估通过无需绝缘膜直接键合活化层晶片和支持衬底晶片并减薄活化层晶片所形成的键合晶片的方法，包括以下步骤：从键合晶片中的活化层表面上除去自生氧化物；用对构成晶片的材料的蚀刻速率快于对所述材料氧化物的蚀刻速率的蚀刻液体使键合晶片经受蚀刻以除去至少整个的活化层；检测通过蚀刻露出的岛状氧化物以测得岛状氧化物的数量和尺寸，其中进行所述蚀刻以满足T≤X≤T+500nm的关系，其中T是活化层厚度(nm)，X是蚀刻深度(nm)。
[0009](2)一种根据条款(1)的评估键合晶片的方法，其中蚀刻步骤的进行是通过预先掌握用于蚀刻的蚀刻液体的种类、浓度和温度，然后根据对构成晶片材料和其氧化物的蚀刻速率计算出合适的蚀刻时间以使得蚀刻深度X在T≤X≤T+500nm的范围内。
[0010](3)一种根据条款(1)或(2)评估键合晶片的方法，其中蚀刻液体是氢氧化四甲铵、KOH或NaOH的碱性液体。
[0011]根据本发明，评估通过无需绝缘膜直接键合活化层晶片和支持衬底晶片并减薄活化层晶片所形成的键合晶片的方法包括以下步骤：从键合晶片中的活化层表面上除去自生氧化物；用对构成晶片的材料的蚀刻速率快于对所述材料氧化物的蚀刻速率的蚀刻液体使键合晶片经受蚀刻以除去至少整个活化层；检测通过蚀刻露出的岛状氧化物，其中进行蚀刻以满足T≤X≤T+500nm的关系，其中T是活化层厚度(nm)，X是蚀刻深度(nm)，由此能够检测出键合界面处岛状氧化物的数量和尺寸。
附图说明
[0012]图1是例示本发明的评估键合晶片方法的步骤的流程图。
图2图示了当氢氧化四甲铵用作蚀刻液体时浓度和蚀刻速率之间的关系，其中图2(a)显示了氢氧化四甲铵的浓度和硅的蚀刻速率之间的关系，图2(b)显示了氢氧化四甲铵的浓度和氧化物的蚀刻速率之间的关系，图2(c)显示氢氧化四甲铵的温度和硅的蚀刻速率之间的关系，图2(d)显示了氢氧化四甲铵的温度和氧化物的蚀刻速率之间的关系。
图3图示了在蚀刻具有150nm厚度活化层的键合晶片中蚀刻深度和岛状氧化物尺寸之间的关系。
图4是在聚光灯(collecting lamp)下观察到的用本发明的蚀刻方法除去活化层后露出的岛状氧化物的光学显微照片。
图5图示了实施例1中测得的蚀刻深度和岛状氧化物尺寸之间的关系。
图6图示了实施例2中测得的蚀刻深度和岛状氧化物尺寸之间的关系。
具体实施方式
[0013]结合附图对本发明的评估键合晶片的方法加以说明。
[0014]图1是例示本发明的评估键合晶片方法中步骤的流程图。
[0015]本发明的评估方法是用于评估键合晶片的方法，所述键合晶片通过无需绝缘膜直接键合活化层晶片和支持衬底晶片并减薄活化层晶片形成。具体如图1所示，该评估方法包括：用例如0.5％HF液体(图1(b))从键合晶片(图1(a))的活化层2的表面上除去自生氧化物(native oxide)3的步骤(自生氧化物去除步骤)；用对构成晶片的材料如硅的蚀刻速率快于对所述材料氧化物如SiO2的蚀刻速率的蚀刻液体使键合晶片经受蚀刻以除去至少整个活化层(图1(c))的步骤(除去活化层的蚀刻步骤)；以及检测通过蚀刻暴露出的岛状氧化物的步骤(图1(d))(岛状氧化物检测步骤)。
[0016](自生氧化物去除步骤)
如图1(b)所示，自生氧化物去除步骤是用例如0.5％HF液体通过蚀刻除去形成在键合晶片1(图1(a)的活化层2的表面上的自生氧化物3的步骤。用于蚀刻的HF液体的浓度不用特别限制，但优选0.5-5％。此外，处理时间取决于自生氧化物的厚度和HF液体的浓度，但优选0.5-10分钟。
[0017](除去活化层的蚀刻步骤)
如图1(c)所示，除去活化层的蚀刻步骤是用对构成晶片的材料例如硅的蚀刻速率快于对所述材料氧化物例如SiO2的蚀刻速率的蚀刻液体进行蚀刻以除去至少整个活化层2的步骤。图2图示了当氢氧化四甲铵(TMAH)用作蚀刻液体实例时的蚀刻速率，其中图2(a)表示在液体温度为70℃时氢氧化四甲铵(TMAH)的浓度和硅的蚀刻速率之间的关系，图2(b)表示在液体温度为70℃时氢氧化四甲铵的浓度和二氧化硅的蚀刻速率之间的关系，图2(c)表示当TMAH的浓度为8％时蚀刻温度和硅的蚀刻速率之间的关系，图2(d)表示当TMAH的浓度为8％时蚀刻温度和二氧化硅的蚀刻速率之间的关系。由图2(a)-(d)可以理解，硅的蚀刻速率是二氧化硅的蚀刻速率的数千倍大。事实上，当用蚀刻液体例如氢氧化四甲铵蚀刻键合晶片时，均由硅构成的活化层2和支持衬底5以较快的蚀刻速率除去，而岛状氧化物4以较慢的蚀刻速率蚀刻，以致如图2(c)所示该氧化物基本上没有被蚀刻除去而保留下来。因此，在后面的岛状氧化物检测步骤中检测分散的岛状氧化物变得容易。
[0018]此外，需要进行活化层的蚀刻以满足T≤X≤T+500nm的关系，其中T是活化层厚度(nm)，X是蚀刻深度(nm)。因为已知的是，无需绝缘膜而通过直接键合活化层和支持衬底所形成的键合晶片中的键合界面处存在的岛状氧化物对器件有不利影响，所以发明人已经注意到，确认岛状氧化物存在或不存在是必要的，且进一步地重要的是，就掌握器件受影响的区域而言不但要确定岛状氧化物的数量而且要确定其尺寸，以及对能检测岛状氧化物尺寸的方法进行各种研究。因而，已经明白，产生在键合界面的岛状氧化物的精确数量和尺寸能通过调整蚀刻深度以满足T≤X≤T+500nm关系来确定，其中T是活化层厚度(nm)，X是蚀刻深度(nm)。
[0019]将蚀刻深度限制到范围T≤X≤T+500nm的理由是如下事实：如果蚀刻深度小于活化层厚度(X＜T)，蚀刻就不能达到键合界面，要确定的岛状氧化物就不能暴露出来，而如果蚀刻深度超过活化层厚度加上500nm的总厚度(X＞T+500)，那么岛状氧化物则通过蚀刻而微型化，从而不能确定精确的尺寸。图3图示了当厚度150nm的键合晶片用含8％羟化四甲铵的蚀刻液体蚀刻时，蚀刻深度和存在于键合界面的一种岛状氧化物的尺寸之间的关系，从中可以理解，当蚀刻深度低于150nm时，活化层仍然被蚀刻，而岛状氧化物还没有暴露出来，因此不能确定该氧化物的尺寸，而当蚀刻深度超过650nm时，岛状氧化物的尺寸变小，但是岛状氧化物的尺寸在蚀刻深度为150nm至650nm之间时不变。
[0020]进一步地，蚀刻步骤的进行优选通过预先掌握用于蚀刻的蚀刻液体的种类、浓度和温度，然后根据对构成晶片的材料和其氧化物的蚀刻速率来计算合适的蚀刻时间，以使得蚀刻深度X在T≤X≤T+500nm的范围内。因为蚀刻时间由蚀刻液体的种类、浓度和温度决定，所以预先存储各种液体在各种浓度和温度下的蚀刻速率数据，在实际蚀刻中所需的蚀刻时间通过反复核对实际蚀刻条件与储存的数据来计算。当用这种方法进行蚀刻时，所需的蚀刻量可以用时间来控制，因此蚀刻深度可以很容易地调整到T≤X≤T+500nm的范围。此外，当与构成晶片的材料相同的材料被同时蚀刻以作为指示器来确定该指示器的蚀刻深度在合适范围内时，蚀刻量能进一步稳妥地掌握。
[0021]此外，作为用于蚀刻步骤供除去活化层的蚀刻液体优选是氢氧化四甲铵、KOH或NaOH的碱溶液。在使用不同于上述液体的蚀刻溶液时，岛状氧化物的检测是困难的，因为硅和氧化物的蚀刻速率没有差别，或者因为对硅的蚀刻速率太快而使得硅部分被过度蚀刻，以致不能进行合适的评估。
[0022](岛状氧化物检测步骤)
如图1(d)所示，岛状氧化物的检测步骤是检测通过蚀刻产生的岛状氧化物4的步骤。检测手段没有特别地限定，只要它能确定岛状氧化物的数量和尺寸即可。一般说来，岛状氧化物的数量通过在聚光灯下目视观察、用光学显微镜观察、或用表面杂质检查装置(surface foreign inspecting device)等观察键合晶片的外观而测得，而岛状氧化物的尺寸通过用光学显微镜或电子显微镜观察而测得。观察结果示于图4中。其他可用的检测手段是电子探针微观分析器(EPMA)、和扫描分析电子显微镜(SEM-EDX)等。
[0023]虽然上述仅对本发明的实施方案进行了说明，但在本发明的范围内可添加各种改变。
[0024]实施例1
在本实施例中，两个300mm尺寸、晶体取向(100)的硅晶片分别用作活化层晶片和支持衬底晶片。离子注入层通过注入氢离子在活化层晶片的内侧形成。之后，活化层晶片在离子注入表面处直接键合到支持衬底晶片上而无需采用氧化物膜，使其经受剥落热处理以在充当剥落面的离子注入层处部分剥落活化层晶片。剥落之后，活化层表面上的损坏部分的除去和平面化通过热处理进行，以制备用于评估具有150nm活化层厚度的无绝缘膜键合晶片的样品。
[0025]实施例2
在本实施例中，具有300mm尺寸和晶体取向(110)的硅晶片作为活化层晶片直接键合到作为支持衬底晶片的具有300mm尺寸和晶体取向(100)的硅晶片上而无需使用氧化物膜，然后使其经受1200℃热处理以提高键合力。之后，活化层晶片通过研磨、抛光和蚀刻减薄，进一步地，活化层表面上损坏部分的除去和平面化是通过热处理进行以制备供评估具有1000nm活化层厚度的无绝缘膜键合晶片的样品。
[0026](评估方法)
因此得到的评估样品用5％的HF水溶液清洗10分钟以自其表面上除去自生氧化物膜，然后在活化层的表面用8％的氢氧化四甲铵(TMAH)水溶液进行蚀刻处理。在实施例1的样品中，从活化层表面往下蚀刻每50nm深度，以用光学显微镜(20-1000倍率)测量岛状氧化物的数量和尺寸。在实施例2的样品中，从800nm的位置(对应于先前从活化层表面蚀刻掉的深度)蚀刻每100nm深度，以用光学显微镜(20-1000倍率)测量岛状氧化物的数量和尺寸。针对实施例1和2的样品，蚀刻深度和岛状氧化物的数量和尺寸所测量的结果分别显示于表1和2中，这种结果的图形显示于图5和6中。
[0027]表1实施例1的测量结果(岛状氧化物的数量和尺寸)
| 蚀刻深度(nm) | 岛状氧化物的数量(氧化物/cm<sup>2</sup>) | 岛状氧化物的平均尺寸(μm) | |
| 1 | 0 | - | - |
| 2 | 50 | - | - |
| 3 | 100 | - | - |
| 4 | 150 | 17.5 | 720 |
| 5 | 200 | 17.5 | 720 |
| 6 | 250 | 17.5 | 720 |
| 7 | 300 | 17.5 | 720 |
| 8 | 350 | 17.5 | 720 |
| 9 | 400 | 17.5 | 720 |
| 10 | 450 | 17.5 | 720 |
| 11 | 500 | 17.5 | 720 |
| 12 | 550 | 17.5 | 720 |
| 13 | 600 | 17.5 | 720 |
| 14 | 650 | 17.5 | 720 |
| 15 | 700 | 17.5 | 720 |
| 16 | 750 | 17.5 | 715 |
| 17 | 800 | 17.5 | 715 |
| 18 | 850 | 17.5 | 715 |
| 19 | 900 | 17.5 | 710 |
| 20 | 950 | 17.5 | 710 |
| 21 | 1000 | 17.5 | 700 |
[0028]表2实施例2的测量结果(岛状氧化物的数量和尺寸)
| 蚀刻深度(nm) | 岛状氧化物的数量(氧化物/cm<sup>2</sup>) | 岛状氧化物的平均尺寸(μm) | |
| 1 | 0 | - | - |
| 2 | 800 | - | - |
| 3 | 900 | - | - |
| 4 | 1000 | 7.7 | 100 |
| 5 | 1100 | 7.7 | 100 |
| 6 | 1200 | 7.7 | 100 |
| 7 | 1300 | 7.7 | 100 |
| 8 | 1400 | 7.7 | 100 |
| 9 | 1500 | 7.7 | 100 |
| 10 | 1600 | 7.7 | 100 |
| 11 | 1700 | 7.7 | 95 |
| 12 | 1800 | 7.7 | 95 |
| 13 | 1900 | 7.7 | 90 |
| 14 | 2000 | 7.7 | 85 |
| 15 | 2100 | 7.5 | 80 |
| 16 | 2200 | 7.2 | 75 |
[0029]如表1和2的结果所见，当蚀刻深度变得与活化层厚度相同时，能够确认存在于键合晶片的键合界面中的岛状氧化物是否存在和其尺寸。此外，可以明白，岛状氧化物的数量和尺寸是不变的且为常数，直到在实施例1中蚀刻深度达到活化层厚度加550nm和在实施例2中达到活化层厚度加600nm，但是当蚀刻深度超过上述总值时，岛状氧化物的数量和尺寸变小。
[0030]根据本发明，能通过评估键合晶片的方法来检测在键合界面处岛状氧化物的数量和尺寸，所述晶片无需绝缘膜而通过直接键合活化层晶片和支持衬底晶片并随后减薄活化层晶片形成，该方法包括以下步骤：从键合晶片中的活化层表面上除去自生氧化物；用对构成晶片的材料的蚀刻速率快于对所述材料氧化物的蚀刻速率的蚀刻液体使键合晶片经受蚀刻以除去至少整个活化层；检测通过蚀刻露出的岛状氧化物，其中进行蚀刻以满足T≤X≤T+500nm的关系，其中T是活化层厚度(nm)，X是蚀刻深度(nm)。
Claims (3)
1、一种评估无需绝缘膜而通过直接键合活化层晶片和支持衬底晶片并减薄活化层晶片所形成的键合晶片的方法，包括以下步骤：从键合晶片中的活化层表面上除去自生氧化物；用对构成晶片的材料的蚀刻速率快于对所述材料氧化物的蚀刻速率的蚀刻液体使键合晶片经受蚀刻以除去至少整个活化层；并检测通过蚀刻露出的岛状氧化物以测得岛状氧化物的数量和尺寸，其中进行所述蚀刻以满足T≤X≤T+500nm的关系，其中T是活化层厚度，其单位是nm，X是蚀刻深度，其单位是nm。
2、根据权利要求1所述的评估键合晶片的方法，其中所述蚀刻步骤是通过预先掌握用于蚀刻的蚀刻液体的种类、浓度和温度，然后根据对构成晶片的材料和其氧化物的蚀刻速率计算出合适的蚀刻时间来进行，以使得蚀刻深度X在T≤X≤T+500nm的范围内。
3、根据权利要求1或2所述的评估键合晶片的方法，其中所述蚀刻液体是氢氧化四甲铵、KOH或NaOH的碱性液体。
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