DE60218044T2

DE60218044T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer haftenden Substratoberfläche

Info

Publication number: DE60218044T2
Application number: DE2002618044
Authority: DE
Inventors: Christophe Maleville; Corinne Maunand-Tussot
Original assignee: Soitec SA
Current assignee: Soitec SA
Priority date: 2002-10-11
Filing date: 2002-10-11
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2022-10-12
Also published as: DE60218044D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer adhäsiven Oberfläche eines Substrates, speziell eines Siliziumwafers, mit den Eigenschaften, die in dem Oberbegriff von Anspruch 1 genannt sind, und auf eine entsprechende Vorrichtung mit den Eigenschaften, die in dem Oberbegriff von Anspruch 7 genannt sind.
1986 gelang es Lasky und Shimbo, zwei Siliziumwafer zu bonden und die Bondfestigkeit durch Erwärmen so zu erhöhen, dass ein weiteres Bearbeiten des gebondeten Waferpaares möglich war. Nun ist das Siliziumwaferbonden ein wichtiger Technologieschritt in verschiedenen Bereichen der Halbleitertechnologie, wie zum Beispiel in MEMS (mikroelektromechanischen Systemen) oder in SOI-Technologien.
In Abhängigkeit von der Spezifikation der Siliziumoberfläche sind hydrophobes und hydrophiles direktes Waferbonden voneinander zu unterscheiden. Ein herkömmlicher Siliziumwafer hat normalerweise eine einige Ångström dicke Luftsiliziumdioxidschicht an seiner Oberfläche. Auf dieser Oxidschicht sind Silanolgruppen (-Si-OH) chemisorbiert, welche Wassermoleküle aus der Atmosphäre absorbieren, so dass eine Wasserschicht, die einige Monolagen dick ist, auf der Oberfläche ausgebildet ist. Diese Oberfläche ist wasseranziehend oder hydrophil. Hydrophile Oberflächen sind sehr reaktiv und daher leicht verunreinigt. Wenn die hydrophile Siliziumoberfläche einer Fluorwasserstoffsäurelösung ausgesetzt wird, wird Siliziumdioxid vollständig von der Oberfläche entfernt. Die verbleibende reine Siliziumoberfläche ist mit Wasserstoff gesättigt. Solch eine Oberfläche ist wasserabstoßend oder hydrophob.
Beim hydrophilen Waferbonden bestimmen Wasserstoffbindungen, welche bereits bei Raumtemperatur zwischen den benachbarten Wassermolekülen oder den Silanolgruppen der gegenüberliegenden Waferoberflächen gebildet wurden, die Bondfestigkeit. Durch eine Temperaturbehandlung der gebondeten Wafer wird die chemische und physikalische Struktur der Verbindung in dem Wafer geändert. Zwischen Raumtemperatur und etwa 200 °C diffundieren die Wassermoleküle entlang der Grenzfläche und die am nächsten liegenden Si-OH-Gruppen wechselwirken unter Bildung von Siloxanbindungen (-Si-O-Si). Zwischen etwa 200 °C und 900 °C können die Wassermoleküle in Abhängigkeit von der Rauhigkeit der zu bondenden Wafer weiter zu dem reinen Silizium diffundieren und mit dem Silizium unter Bildung molekularen Wasserstoffs und Siliziumdioxid reagieren. Durch die Migration der Grenzflächenwassermoleküle kommen die Silanolgrup pen näher aneinander bis sie reagieren oder unter Bildung einer kovalenten Siloxanverbindung kondensieren, wobei ein Wassermolekül abgesplittet wird. Ein weiterer Erwärmungsschritt bei einer Temperatur zwischen etwa 800 °C und 1000 °C erhöht die Bondfestigkeit.
Es ist notwendig, die Wafer vor dem Bonden zu reinigen, um organische und anorganische Verunreinigungen auf den Wafern zu entfernen. Dies kann durch eine nasschemische Reinigung und Ätzen in einem oder mehreren Bädern mit Reinigungsflüssigkeiten wie zum Beispiel in einem RCA-Reinigungsverfahren oder durch ein chemisches Trockenätzen von Verunreinigungen, zum Beispiel in einem O₂-Plasma erreicht werden.
Die herkömmliche RCA-Reinigung wird oft durch andere effektivere Reinigungsverfahren wie das Verfahren der oben genannten Gattung vervollständigt oder ersetzt, das in der EP 0 731 495 A2 beschrieben ist, in welchem Siliziumwafer in einem Ätzer gereinigt werden, der aus einer wässrigen Lösung besteht, die Fluorwasserstoffsäure (HF) und ein Tensid enthält, wobei ein Ozon-(O₃)-Gasstrom durch die Lösung geführt wird. Dieser Ätzer ist speziell für das Entfernen metallischer oder organischer Verunreinigungen auf einem Siliziumwafer geeignet. Die erhöhte Löslichkeit von Ozon in wässriger HF führt zu einer erhöhten Ausbildung von OH-Radikalen, was in einer erhöhten Partikelreduzierung auf den gereinigten Oberflächen resultiert. In diesem Verfahren wird nach der Oxidentfernung die HF-Konzentration der Lösung auf 0 % reduziert, so dass das Ozon durch reines DI-Wasser fließt, und die Siliziumwaferoberflächen, welche durch die HF-Behandlung hydrophob wären, können hydrophil aus dem Bad entnommen werden.
In hydrophilen Bondverfahren ist es weiterhin notwendig, ein Optimum an Wasser auf der Waferoberfläche zur Verfügung zu stellen. Zu viel Wasser kann zu erheblichen Wassereinschlüssen oder Wasserdampfblasen an der Bondgrenzfläche führen, wodurch die Wafer auseinandergehen. Daher ist eine sehr akkurate DI-Wasserspülung und ein Trocknungsverfahren bei den Wafern anzuwenden, um nur einige Monolagen Wasser auf den Waferoberflächen vor dem Bonden zu bekommen.
Die EP 0 476 897 A2 offenbart ein Verfahren der oben genannten Gattung, in welchem ein Bindemittel, das verwendet wird, um einen Wafer auf einer Trägerplatte während eines Polierens festzuhalten, ein Poliermittel und Partikel, die durch das Polieren erzeugt werden, von der Oberfläche durch Spülen der Oberfläche mit NH₃/H₂O₂, H₂SO₄/H₂O₂, HCl/H₂O₂, HF oder i-C₃H₇OH entfernt werden. Nach dem Spülschritt werden solche defilierenden Substanzen wie C, H, S oder Cl von der gespülten Oberfläche separat ent fernt, wie es in 1a dieser Druckschrift gezeigt ist, wobei die Oberfläche des Wafers mit einer ultravioletten Lichtquelle in einer Sauerstoffatmosphäre bestrahlt wird, wodurch bewirkt wird, dass das erzeugte Ozon die Oberfläche reinigt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der oben genannten Gattung zur Verfügung zu stellen, das einfach auszuführen ist und für ein effektives Herstellen einer bondbaren Oberfläche des Substrates geeignet ist.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren der oben genannten Gattung gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Oberfläche nachfolgend nach einem nasschemischen Ätzen einer gasförmigen Ozonatmosphäre ausgesetzt ist.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ermöglicht ein Herstellen einer adhäsiven, für ein Bonden geeigneten Oberfläche mit einer sehr einfachen und effizienten Technologie. Die Oberflächengruppen einer reinen Oberfläche, die durch nasschemisches Ätzen hergestellt ist, wobei ein Oxid an der Oberfläche entfernt wird, werden einfach mit Sauerstoff in einer gasförmigen Atmosphäre gesättigt. Daher kann eine reine Oxidschicht auf der Oberfläche des Substrates erzeugt werden, was die Oberfläche auf eine trockene Weise hydrophilisiert. Dies führt zu einer adhäsiven Oberfläche, welche eine erhöhte Adhäsionsqualität zwischen zwei gebondeten Oberflächen zur Verfügung stellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren besitzt die Wirkung, die Oberfläche hydrophil und trocken zu machen. Daher kann eine Wiederverunreinigung der Oberfläche reduziert werden und die erzeugte adhäsive Oberfläche besitzt eine reduzierte Partikelkonzentration im Vergleich zu nass hydrophilisierten Wafern.
Durch die Verwendung von Siliziumwafern müssen die Oberflächen nur nasschemisch geätzt werden, um Siliziumdioxid auf der Oberfläche zu entfernen, was eine hydrophobe Oberfläche erzeugt, welche nachfolgend nach dem chemischen Ätzen in der gasförmigen Ozonatmosphäre hydrophil gemacht werden kann. Durch dieses Verfahren wird eine hohe Dichte an Silanolgruppen (Si-OH) auf der Oberfläche gebildet, während nur eine kleine Menge an Wassermolekülen an diesen Gruppen absorbiert ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besteht der Ätzer aus einer wässrigen Fluorwasserstoffsäurelösung (HF).
HF ist ein guter Ätzer von Oxid, speziell von Siliziumdioxid, welcher das Oxid auf der Oberfläche des Substrates effektiv entfernt.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung weist der Ätzer die Komponenten Fluorwasserstoffsäure, Ammoniumfluorid und Wasser auf.
Mit diesen Komponenten des Ätzers kann ein Oxid, speziell Siliziumdioxid, auf einer Oberfläche wie Silizium mit einer höheren Effektivität entfernt werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Ätzzeit des chemischen Ätzens in dem Bereich von etwa 5 Sekunden bis etwa 30 Minuten.
In dieser relativ kurzen Zeit kann speziell ein Luftoxid auf der Oberfläche des Substrates vollständig entfernt werden, um eine reine Oberfläche des Substrates als eine gute Basis für das nachfolgende Aussetzen an gasförmiges Ozon zu erhalten.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist eine Ätztemperatur des chemischen Ätzens in dem Bereich zwischen Raumtemperatur von etwa 19 °C bis 25 °C und etwa 80 °C.
In diesem Temperaturbereich kann ein Oxid auf der Oberfläche des Substrates effektiv entfernt werden, um eine gute Grundlage für das nachfolgende Aussetzen an eine gasförmige Ozonatmosphäre zu erhalten.
In einer weiteren Variante der Erfindung wird das Substrat in einem Bad geätzt und wird, wenn es aus dem Bad genommen wird, direkt in einen Raum gebracht, der gasförmiges Ozon aufweist.
Mit diesem Verfahren kann eine Wiederverunreinigung der geätzten Oberfläche verhindert werden, da die geätzte Oberfläche sofort mit Sauerstoff gesättigt werden kann, nachdem sie aus dem Ätzbad gebracht wurde.
Die Aufgabe der Erfindung kann weiterhin durch eine Vorrichtung zum Erzeugen einer adhäsiven Oberfläche eines Substrates, speziell eines Siliziumwafers, welcher mit einem anderen Substrat gebondet werden kann, gelöst werden, wobei die Vorrichtung ein Bad mit einem Ätzer zum Entfernen eines Oxides von der Oberfläche aufweist, wobei das Bad benachbart zu einem Raum mit einer gasförmigen Atmosphäre ist, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Atmosphäre in dem Raum eine gasförmige Ozonatmosphäre ist.
Mit dieser einfachen aber effizienten Vorrichtung kann das Substrat direkt aus dem Bad in die gasförmige Atmosphäre gebracht werden. Dies ermöglicht es, dass die Oberfläche des Substrates effektiv in dem Bad gereinigt werden kann, um eine reine Oberfläche zu erhalten, deren Oberflächengruppen in der gasförmigen Ozonatmosphäre mit Sauerstoff direkt nach einem Ätzen gesättigt werden können. Die Oberfläche, die in dieser Vorrichtung erzeugt wird, hat eine gute Adhäsionscharakteristik und ist für ein Bonden geeignet.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Raum in einer abgedichteten Vorrichtung vorgesehen.
Die abgedichtete Vorrichtung sichert eine notwendige Ozonkonzentration in der Vorrichtung ab und verhindert irgendwelche Verunreinigungen von außen. Daher ist es möglich, eine gleichmäßige sauerstoffgesättigte Oberfläche herzustellen, was in einer guten Hydrophilität der Oberfläche resultiert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung mit einem Ozongenerator gekoppelt.
Der Ozongenerator stellt eine Ozonatmosphäre in der Vorrichtung zur Verfügung, die eine Konzentration hat, die hoch genug ist, um die Silanolgruppen der geätzten Oberfläche mit Sauerstoff zu sättigen, um eine gute trocken hydophilisierte Oberfläche des Substrates zu erhalten.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung im Hinblick auf die zugehörigen Figuren beschrieben, wobei:
1 eine Ausführungsform der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zeigt; die 2 bis 7 eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung mit einigen Schritten des Verfahrens der vorliegenden Erfindung zeigen, wobei
2 einen Siliziumwafer mit einem Luftoxid auf seinen Oberflächen vor einem nasschemischen Ätzen zeigt;
3 den Siliziumwafer aus 2 während eines Ätzens in einem Bad mit einem Ätzer zeigt;
4 den Siliziumwafer der 2 und 3 nach dem Ätzen in dem Bad zeigt;
5 den Siliziumwafer der 3 bis 4 zeigt, der aus dem Bad in eine Ozonatmosphäre gebracht wurde;
6 den Siliziumwafer der 2 bis 5, der mit einem anderen Siliziumwafer gebondet wurde, direkt nach dem Bonden zeigt; und
7 das gebondete Waferpaar von 6 nach einer Temperaturbehandlung zeigt.
1 zeigt eine Vorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung, welche einen abgedichteten Container 2 mit einem Einlass 3, der mit einem Ozongenerator 11 gekoppelt ist, und mit einem Auslass 4 aufweist, der mit einer Entsorgung (nicht gezeigt) gekoppelt ist.
Ein Bad 5 ist in dem Container 2 platziert. Das Bad 5 enthält einen Ätzer 6, der aus einer wässrigen Fluorwasserstoffsäurelösung (HF) 6 besteht. Das Bad 5 kann weiterhin Ozon aufweisen. In einer alternativen Ausführungsform kann das Bad weiterhin Ammoniumfluorid (NH₄F) enthalten. Das Bad ist mit einer Heizung 10 gekoppelt, durch welche die Temperatur des Bades zwischen Raumtemperatur, welche etwa 19 °C bis 25 °C beträgt, und etwa 80 °C eingestellt werden kann. Die Temperatur wird mit einem Sensor 13 in dem Bad kontrolliert. Das Bad kann zirkuliert und gefiltert werden, um eine homogene Temperatur und Konzentration des Ätzers 6 in dem Bad 5 zur Verfügung zu stellen.
Eine Waferhalterung 8 ist in dem Container 2 vorgesehen. Die Waferhalterung 8 besteht aus einem ätzresistenten Material wie zum Beispiel Teflon. Einer oder mehrere Siliziumwafer 7 stehen aufrecht oder geneigt in der Waferhalterung 8. Die Wafer 7 werden an ihren Kanten durch die Waferhalterung 8 gehalten, so dass ihre großen flachen Oberflächen offen sind und für das Fluid zugänglich sind.
Der Innenraum des Containers 2 enthält eine gasförmige Ozonatmosphäre 16 mit einer Ozonkonzentration in einem Bereich zwischen 1 und 15 ppm. Die Atmosphäre des Raums 9 kann weiterhin HF-Dampf und Luft enthalten.
Die 2 bis 7 zeigen einen Siliziumwafer 7 in verschiedenen Stadien gemäß den Verfahrensschritten einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt einen Siliziumwafer 7 mit Luftsiliziumdioxidschichten 12 auf seinen großen flachen Oberflächen 15. Das Luftoxid 12 ist jeweils einige Ångström dick. Wie in 1 gezeigt können ein oder mehrere Wafer 7 in diesem Stadium in die Waferhalterung 7 gestellt werden, um aufrecht oder geneigt darin zu stehen.
Wie durch den Pfeil A in 1 gezeigt ist, wird die Waferhalterung 8, die den Wafer 7 enthält, in das Bad 5, das den Ätzer 6 enthält, so eingetaucht, dass der Ätzer 6 vollständig den Wafer 7, wie in 3 gezeigt, umgibt.
In der gezeigten Ausführungsform hat der Ätzer 6 eine Temperatur von etwa 60 °C. In einer anderen Ausführungsform kann die Temperatur des Ätzers auf einen anderen Wert zwischen etwa Raumtemperatur und etwa 80 °C eingestellt werden.
Wie in 3 gezeigt reagiert der Ätzer 6, speziell die HF, mit dem Siliziumdioxid 12. Nach einigen Sekunden bis einigen Minuten ist das Luftoxid 12 vollständig von der Oberfläche 15 entfernt. Die verbleibende reine Siliziumoberfläche 15 ist dann im Wesentlichen mit Wasserstoff (H), wie in 4 gezeigt, gesättigt.
In dem folgenden Schritt, welcher in 5 gezeigt ist, wird der geätzte Wafer 7, der in der Waferhalterung 8 steht, aus dem Bad 5 genommen und direkt in die gasförmige Ozonatmosphäre 16 gebracht, die das Bad 5 in dem Innenraum 9 des Containers 2 umgibt. Dort reagiert das Ozon (O₃) mit dem Wasserstoff auf der Oberfläche 15 unter Bildung von Silanolgruppen (-Si-OH) auf der Oberfläche 15.
Im Schritt 6 werden zwei Siliziumwafer 7, welche wie vorher beschrieben geätzt wurden, zusammen in eine Bondvorrichtung (nicht gezeigt) gebracht. Die Wafer werden auf herkömmliche Weise gebondet, indem ein Wafer 7 auf den anderen Wafer 7 gelegt wird und ein Druck auf den oberen Wafer ausgeübt wird, was in einer spontanen Ausbreitung einer Bondwelle dazwischen resultiert, wodurch ein gebondetes Waferpaar ausgebildet wird. Wie in den 6 und 7 gezeigt, reagieren die benachbarten Silanolgruppen (-Si-OH) der gegenüberliegenden Oberflächen 15 der Wafer 7 miteinander bei einer bestimmten Temperatur zu Siloxangruppen (-Si-O-Si-) und Wasser. Dann werden die Wafer bei einer Temperatur von etwa 500 °C erwärmt. Die gebondeten Wafer zeigen eine sehr gute Bondfestigkeit in dem Bereich zwischen 0,28 und 0,38 MPa bei Raumtemperatur.
Obwohl die beschriebene Ausführungsform das Verfahren der vorliegenden Erfindung im Hinblick auf Siliziumwafer zeigt, kann das Verfahren auch an beliebigen polierten Oberflächen von Metallen, Halbleitern und nichtleitfähigen Materialien, welche bondbar sind, ausgeübt werden. Das Verfahren kann auch bei nur einem Siliziumwafer angewendet werden, welcher mit einem anderen Siliziumwafer gebondet werden kann, der Siliziumdioxid auf seiner Oberfläche hat. Weiterhin kann der Wafer vor dem nasschemi schen Ätzen mit einer herkömmlichen RCA-Reinigung oder Plasmabehandlung gereinigt werden, um eine vorher gereinigte Oberfläche zu erhalten.

Claims

Ein Verfahren zum Erzeugen einer adhäsiven Oberfläche eines Substrates (7), welche mit einer Oberfläche eines anderen Substrates gebondet werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ein Entfernen eines Oxides (12) von der Oberfläche durch nasschemisches Ätzen unter Verwendung eines Ätzers (6) in einer Vorrichtung (1), und ein Aussetzen der Oberfläche an einer gasförmigen Ozonatmosphäre (16) direkt nach dem nasschemischen Ätzen in der gleichen Vorrichtung aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ätzer (6) aus einer wässrigen Fluorwasserstoffsäurelösung (HF) besteht.
Das Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ätzer (6) die Komponenten Fluorwasserstoffsäure (HF), Ammoniumfluorid (NH₄F) und Wasser aufweist.
Das Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ätzzeit des nasschemischen Ätzens in dem Bereich von 5 Sekunden bis 30 Minuten ist.
Das Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ätztemperatur des nasschemischen Ätzens zwischen 19 °C und 80 °C ist.
Das Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat in einem Bad (5) geätzt wird und es, wenn es aus dem Bad genommen wird, direkt in einen Raum (9) gebracht wird, der eine gasförmige Ozonatmosphäre (16) aufweist.
Eine Vorrichtung (1) zum Herstellen einer adhäsiven Oberfläche eines Substrates (7), welches mit einem anderen Substrat gebondet werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Bad (5) mit einem Ätzer (6) zum Entfernen eines Oxides (12) von der Oberfläche hat, wobei das Bad in einem Raum (9) platziert ist, der eine gasförmige Ozonatmosphäre (16) enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum (9) in einer abgedichteten Vorrichtung (2) vorgesehen ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (2) mit einem Ozongenerator (11) gekoppelt ist.