EP2612353A1 - Procédé de collage direct entre deux plaques, comprenant une étape de formation d'une couche de protection temporaire à base d'azote - Google Patents

Procédé de collage direct entre deux plaques, comprenant une étape de formation d'une couche de protection temporaire à base d'azote

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EP2612353A1
EP2612353A1 EP11758494.6A EP11758494A EP2612353A1 EP 2612353 A1 EP2612353 A1 EP 2612353A1 EP 11758494 A EP11758494 A EP 11758494A EP 2612353 A1 EP2612353 A1 EP 2612353A1
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EP
European Patent Office
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silicon oxide
protective layer
plates
plate
plasma
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11758494.6A
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German (de)
English (en)
Inventor
Léa Di Cioccio
Laurent Vandroux
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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    • H01L21/76251—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers using semiconductor on insulator [SOI] technology using bonding techniques

Definitions

  • a method of direct bonding between two plates comprising a step of forming a temporary protective layer based on nitrogen.
  • the invention relates to a process for direct bonding between two plates comprising, before the plates come into contact, a plasma-assisted chemical vapor phase deposition step of a silicon oxide on the surface of at least one plate. previously placed in a vacuum deposition chamber.
  • the principle of adhesion by molecular adhesion or direct bonding is based on the direct contact of two surfaces, without the use of a specific material such as glue, wax, low-melting metal ...
  • the surfaces intended to be contacted may be hydrophilic or hydrophobic.
  • a hydrophobic surface may, for example, be a free surface of a wafer (or substrate) made of silicon oxide-free silicon, while a hydrophilic surface may, for example, be a free surface of a silicon wafer. having a thin layer of silicon oxide.
  • the method of adhesion by molecular adhesion requires, moreover, that the surfaces to be bonded are sufficiently smooth, free from particles or contamination, that they have a suitable surface chemistry and that they are close enough to initiate a contact. In this case, the attractive forces between the two surfaces are high enough to cause molecular adhesion.
  • the glues are generally made at room temperature and at ambient pressure, after a chemical cleaning of the surfaces.
  • a subsequent heat treatment for example at a temperature of the order of 1000 ° C., is often carried out to reinforce the bonding energies.
  • the heat treatment steps at such a temperature are not allowed.
  • Gluing processes which do not require heat treatments at such a high temperature after contacting the surfaces to be bonded, have already been proposed. They generally comprise a surface activation step prior to contacting and which limits the bonding consolidation heat treatment between 200 and 400 ° C.
  • PECVD plasma-deposited chemical vapor deposition
  • this oxide tends to hydrolyze before contacting said surface with another surface and, in particular, during storage time.
  • water on the surface leads to a degradation of the properties of the silicon oxide and causes the appearance of defects at the bonding interface, when the surfaces are bonded.
  • one or more anneals are, in general, carried out before bonding, to densify the deposited oxides by PECVD.
  • the fact of exposing certain surfaces to a high temperature can be harmful, for devices whose thermal budget is limited.
  • the object of the invention is to provide a method of direct bonding between two plates, overcoming the drawbacks of the prior art, particularly in the case of silicon oxide deposited by PECVD on at least one plate. More particularly, the object of the invention is to propose an alternative to the annealing treatment carried out in the prior art before contacting the plates, to maintain until contacting a good quality of silicon oxide. filed by PECVD.
  • this object is achieved by a direct bonding process between two plates comprising, before the plates come into contact, a step of formation by plasma-assisted chemical vapor deposition of a silicon oxide on the surface. at least one plate previously placed in a vacuum deposition chamber,
  • the silicon oxide formed on the surface of said plate is covered with a protective layer comprising nitrogen before said plate is removed from the vacuum deposition chamber and
  • the protective layer can be formed:
  • FIG. 1 to 5 illustrate schematically and in section different steps of a particular mode of direct bonding between two plates.
  • this step of covering the silicon oxide with the protective layer is carried out in situ, that is to say in the vacuum deposition chamber used for PECVD deposition of silicon oxide.
  • the plate provided with silicon oxide deposited by PECVD is removed from the enclosure once the silicon oxide deposited and covered by the protective layer.
  • the portion covered by the protective layer corresponds at least to the silicon oxide free surface intended to be brought into contact with another surface to ensure the bonding of the plates.
  • the protective layer comprising nitrogen thus protects the silicon oxide against the external environment and in particular moisture present in the atmosphere when the plate is stored outside the vacuum deposition chamber. This storage phase can take several days, before the plate is used to be glued to another plate.
  • the protective layer is a temporary protective layer: It is removed just before contacting the plate with another plate for direct bonding. It is, for example, removed by a chemical mechanical polishing step (or CMP). This CMP step is also used to activate the silicon oxide surface before bonding by increasing its roughness. In some cases, when it is not necessary to activate the surface to be contacted for bonding, the protective layer can also be removed by a simple etching operation.
  • the protective layer comprising nitrogen is in the vacuum deposition chamber used for the PECVD deposition of silicon oxide. It can be obtained by various techniques. In particular, it is formed:
  • the thickness of the protective layer is advantageously between 2 nm and a few hundred nanometers and advantageously between 10 nm and 100 nm.
  • a SiN protective layer was produced by PECVD deposition, following the PECVD deposition of the silicon oxide at a temperature of 400 ° C.
  • Such a silicon nitride has a density of the order of 2.4.
  • the conditions for carrying out a plasma-assisted nitriding (or plasma nitriding) to form the protective layer comprising nitrogen are, in particular, the following:
  • - Active gas comprising nitrogen: NH3 and / or N2 with a flow rate that can vary up to 5000 sccm
  • Possible carrier gases Ar and / or He with a flow rate ranging from 0 to 5000 sccm.
  • the nitrogen doping carried out at the end of the PECVD deposition step of the silicon oxide to form the protective layer comprising nitrogen is for example obtained by adding, to the deposition gases used to form the oxide of silicon, N2 and / or NH3 with a power adjustment to maintain adequate mechanical properties.
  • the flow rate of the N 2 gas is between 0 and 5000 sccm whereas that of the NH 3 gas is between 0 and 1000 sccm.
  • two silicon substrates 1 are glued to one another, successively realizing:
  • a contacting step between the two substrates consisting in bringing the silicon oxide free surfaces of the two substrates 1 together until obtaining a molecular adhesion and creating a bonding interface 4 between the two substrates 1.
  • the storage of the substrates 1 can be from a few minutes to a few days, before the substrates 1 are glued. During this storage period, they are protected by the protective layer 3 of the water present in the external environment. On the other hand, when it is desired to carry out the contacting step, the protective layers 3 are removed just before this contacting step.
  • This step may, for example, be carried out by chemical mechanical polishing (CMP) or by simple etching, in which case this step may also be used to activate the surfaces for bonding, and no other treatment is performed on the substrates 1 between the removal of the protective layer 3 and the contacting.
  • CMP chemical mechanical polishing
  • a specific activation step may nevertheless be provided before contacting.
  • the time elapsed between the removal of the protective layer and the contacting must be short enough to preserve the surface activation required for bonding.
  • This period of time between the two steps corresponds, more particularly, to the handling time required to transfer the plates of the removal step to that of the contacting step. As an example, this time can be estimated at about a few minutes.
  • the two substrates 1 to be glued are placed in a vacuum deposition chamber. It may be the same deposition chamber or two separate deposition chambers, in order successively to form the silicon oxide and its protective layer.
  • a vacuum deposition chamber it may be the same deposition chamber or two separate deposition chambers, in order successively to form the silicon oxide and its protective layer.
  • the formation of the silicon oxides on the two substrates can be performed simultaneously, as well as the formation of the protective layers.
  • the silicon oxide may be deposited on only one of the two substrates to be bonded to achieve, for example, a mixed bonding (hydrophilic surface / hydrophobic surface).
  • the substrate concerned is placed in the vacuum deposition chamber for the silicon oxide PECVD deposit and the formation of the protective layer.
  • the other substrate is then activated on the surface according to conventional techniques. It is, for example, subjected to a chemical-mechanical polishing operation, followed by a reducing plasma treatment operation (for example based on nitrogen), before being brought into contact with the first substrate.

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Abstract

Pour éviter les problèmes d'hydrolyse de l'oxyde de silicium formé par PECVD à la surface d'au moins une plaque, il est proposé de recouvrir, dans l'enceinte de dépôt sous vide utilisée pour le dépôt de l'oxyde de silicium, ledit oxyde par une couche de protection temporaire comprenant de l'azote. La couche de protection protège, ainsi, l'oxyde de silicium contre l'environnement extérieur et notamment de l'humidité, lorsque la plaque munie de l'oxyde de silicium est stockée hors de l'enceinte de dépôt sous vide. La couche de protection est, par la suite retirée, par exemple par polissage mécano-chimique, juste avant la mise en contact des deux plaques. La couche de protection peut être formée par un dépôt PECVD de nitrure de silicium, par nitruration plasma ou dopage en azote d'une partie superficielle de l'oxyde de silicium.

Description

Procédé de collage direct entre deux plaques, comprenant une étape de formation d'une couche de protection temporaire à base d'azote.
Domaine technique de l'invention
L'invention concerne un procédé de collage direct entre deux plaques comprenant, avant la mise en contact des plaques, une étape de formation par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma, d'un oxyde de silicium en surface d'au moins une plaque préalablement placée dans une enceinte de dépôt sous vide.
État de la technique
Le principe du collage par adhérence moléculaire ou collage direct est basé sur la mise en contact direct de deux surfaces, sans utilisation d'un matériau spécifique tel qu'une colle, une cire, un métal à basse température de fusion... Les surfaces destinées à être mises en contact peuvent être hydrophiles ou hydrophobes.
Une surface hydrophobe peut, par exemple, être une surface libre d'une plaquette (ou substrat) en silicium exempte d'oxyde de silicium, tandis qu'une surface hydrophile peut, par exemple, être une surface libre d'une plaquette en silicium comportant une couche mince d'oxyde de silicium.
Le procédé de collage par adhérence moléculaire nécessite, par ailleurs, que les surfaces à coller soient suffisamment lisses, exemptes de particules ou de contamination, qu'elles présentent une chimie de surface adaptée et qu'elles soient suffisamment rapprochées pour initier un contact. Dans ce cas, les forces attractives entre les deux surfaces sont assez élevées pour provoquer l'adhérence moléculaire. Les collages sont, généralement, réalisés à température ambiante et à pression ambiante, après un nettoyage chimique des surfaces. Cependant, un traitement thermique ultérieur, par exemple à une température de l'ordre de 1000°C, est souvent réalisé pour renforcer les énergies de collage. Or, dans un très grand nombre d'applications, les étapes de traitement thermique à une telle température ne sont pas admises.
Des procédés de collage, ne nécessitant pas de traitements thermiques à si haute température après la mise en contact des surfaces à coller, ont déjà été proposés. Ils comprennent en général une étape d'activation de surface préalable à la mise en contact et qui permet de limiter le traitement thermique de consolidation du collage entre 200 et 400°C. Lorsque le procédé de collage fait intervenir au moins une surface munie d'oxyde de silicium déposé par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD), cet oxyde a tendance à s'hydrolyser avant la mise en contact de ladite surface avec une autre surface et, en particulier, pendant le temps de stockage. Or, la présence d'eau en surface conduit à une dégradation des propriétés de l'oxyde de silicium et engendre l'apparition de défauts à l'interface de collage, lorsque les surfaces sont collées.
Pour remédier à ce problème d'hydrolyse de l'oxyde de silicium déposé par PECVD, un ou plusieurs recuits sont, en général, réalisés avant le collage, pour densifier les oxydes déposés par PECVD. Cependant, comme pour le traitement thermique réalisé après la mise en contact pour renforcer les énergies de collage, le fait d'exposer certaines surfaces à une température élevée (en général du même ordre de grandeur que celle autorisée pour le traitement thermique ultérieur) peut être néfaste, pour des dispositifs dont le budget thermique est limité. Objet de l'invention
L'objet de l'invention est de proposer un procédé de collage direct entre deux plaques, remédiant aux inconvénients de l'art antérieur, notamment dans le cas d'oxyde de silicium déposé par PECVD sur au moins une plaque. Plus particulièrement, l'objet de l'invention est de proposer une alternative au traitement de recuit réalisé dans l'art antérieur avant la mise en contact des plaques, pour conserver jusqu'à la mise en contact une bonne qualité d'oxyde de silicium déposé par PECVD.
Selon l'invention, ce but est atteint par un procédé de collage direct entre deux plaques comprenant, avant la mise en contact des plaques, une étape de formation par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma, d'un oxyde de silicium en surface d'au moins une plaque préalablement placée dans une enceinte de dépôt sous vide,
caractérisé en ce que :
- l'oxyde de silicium formé en surface de ladite plaque est recouvert d'une couche de protection comprenant de l'azote avant que ladite plaque ne soit sortie de l'enceinte de dépôt sous vide et
- la mise en contact entre les deux plaques est précédée d'une étape de retrait de la couche de protection.
Selon un développement de l'invention, la couche de protection peut être formée :
- par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma de nitrure de silicium sur l'oxyde de silicium,
- par nitruration assistée par plasma d'une partie superficielle de l'oxyde de silicium ou
- par dopage en azote d'une partie superficielle de l'oxyde de silicium. Description sommaire des dessins
D'autres avantages et caractéristiques rassortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels :
- les figures 1 à 5 illustrent schématiquement et en coupe différentes étapes d'un mode particulier de collage direct entre deux plaques.
Description de modes particuliers de réalisation
Pour éviter les problèmes d'hydrolyse de l'oxyde de silicium formé par PECVD à la surface d'au moins une plaque avantageusement en matériau semi-conducteur, telle qu'une plaquette en silicium (ou « wafer »), il est proposé de recouvrir l'oxyde de silicium par une couche de protection comprenant de l'azote.
De plus, cette étape de recouvrement de l'oxyde de silicium par la couche de protection est réalisée in situ, c'est-à-dire dans l'enceinte de dépôt sous vide servant au dépôt PECVD de l'oxyde de silicium. Ainsi, la plaque munie de l'oxyde de silicium déposé par PECVD n'est sortie de l'enceinte qu'une fois l'oxyde de silicium déposé et recouvert par la couche de protection. En particulier, la partie recouverte par la couche de protection correspond au moins à la surface libre en oxyde de silicium destinée à être mise en contact avec une autre surface pour assurer le collage des plaques.
La couche de protection comprenant de l'azote protège, ainsi, l'oxyde de silicium contre l'environnement extérieur et notamment de l'humidité présente dans l'atmosphère lorsque la plaque est stockée hors de l'enceinte de dépôt sous vide. Cette phase de stockage peut durer plusieurs jours, avant que la plaque ne soit utilisée pour être collée à une autre plaque. Enfin, la couche de protection est une couche de protection temporaire : Elle est retirée juste avant la mise en contact de la plaque avec une autre plaque pour le collage direct. Elle est, par exemple, retirée par une étape de polissage mécano-chimique (ou CMP). Cette étape de CMP sert également à activer la surface en oxyde de silicium avant le collage en augmentant sa rugosité. Dans certains cas, lorsqu'il n'est pas nécessaire d'activer la surface à mettre en contact pour le collage, la couche de protection peut aussi être retirée par une simple opération de gravure.
La couche de protection comprenant de l'azote est dans l'enceinte de dépôt sous vide utilisée pour le dépôt PECVD d'oxyde de silicium. Elle peut être obtenue par diverses techniques. En particulier, elle est formée :
- par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma de nitrure de silicium sur l'oxyde de silicium,
- par nitruration assistée par plasma d'une partie superficielle de l'oxyde de silicium ou
- dopage en azote d'une partie superficielle de l'oxyde de silicium. Dans le cas d'un dépôt PECVD de nitrure de silicium, l'épaisseur de la couche de protection est avantageusement comprise entre 2nm et quelques centaines de nanomètres et avantageusement comprise entre 10nm et 100nm. À titre d'exemple, une couche de protection en SiN a été réalisée par dépôt PECVD, à la suite du dépôt PECVD de l'oxyde de silicium à une température de 400°C. Un tel nitrure de silicium présente une densité de l'ordre de 2,4.
Les conditions permettant de réaliser une nitruration assistée par plasma (ou nitruration plasma) pour former la couche de protection comprenant de l'azote sont, en particulier, les suivantes :,
- durée comprise entre 10s et 300s,
- température équivalente à celle du dépôt d'oxyde de silicium par PECVD, - source de puissance RF : 50-1000W,
- Gaz actif comprenant de l'azote : NH3 et/ou N2 avec un débit pouvant varier jusqu' à 5000sccm,
- Gaz porteurs éventuels : Ar et/ou He avec un débit variant de 0 à 5000sccm.
Le dopage en azote réalisé à la fin de l'étape de dépôt PECVD de l'oxyde de silicium pour former la couche de protection comprenant de l'azote est par exemple obtenu en ajoutant, aux gaz de dépôt utilisés pour former l'oxyde de silicium, N2 et/ou NH3 avec un ajustement de la puissance afin de conserver les propriétés mécaniques adéquates. Le débit du gaz N2 est compris entre 0 et 5000 sccm tandis que celui du gaz NH3 est compris entre 0 et 1000 sccm.
Selon un mode particulier de réalisation représenté sur les figures 1 à 5, deux substrats 1 en silicium sont collés l'un à l'autre en réalisant successivement :
- une étape de formation d'un oxyde de silicium 2 par PECVD, à la surface de chacun des deux substrats 1 placés dans une même enceinte de dépôt sous vide (figures 1 et 2),
- une étape de formation, au sein de la même enceinte de dépôt sous vide, de la couche de protection 3 comprenant de l'azote sur l'oxyde de silicium 2 recouvrant chaque substrat 1 (figure 3),
- une étape d'extraction des substrats 1 hors de l'enceinte de dépôt sous vide, en vue de les stocker dans un environnement non protégé (contenant de l'eau) avant leur mise en contact,
- une étape de retrait de la couche de protection 3 sur chaque substrat 1 afin de libérer les surfaces en oxyde de silicium destinées à être mise en contact
- une étape de mise en contact entre les deux substrats (figures 4 et 5) consistant à rapprocher les surfaces libres en oxyde de silicium des deux substrats 1 jusqu'à l'obtention d'une adhérence moléculaire et création d'une interface de collage 4 entre les deux substrats 1. Le stockage des substrats 1 peut être de quelques minutes à quelques jours, avant que les substrats 1 ne soient collés. Ils sont, pendant ce temps de stockage, protégés par la couche de protection 3 de l'eau présente dans l'environnement extérieur. Par contre, lorsque l'on souhaite réaliser l'étape de mise en contact, les couches de protection 3 sont retirées juste avant cette étape de mise en contact. Cette étape peut, par exemple, être réalisée par un polissage mécano-chimique (CMP) ou par simple gravure, auquel cas cette étape peut également servir à activer les surface pour le collage, et aucun autre traitement n'est réalisé sur les substrats 1 entre le retrait de la couche de protection 3 et la mise en contact. Une étape spécifique d'activation peut néanmoins être prévue, avant la mise en contact. Le temps écoulé entre le retrait de la couche de protection et la mise en contact doit être suffisamment court pour préserver l'activation de surface nécessaire au collage. Ce laps de temps entre les deux étapes correspond, plus particulièrement, au temps de manipulation nécessaire pour faire transférer les plaques de l'étape de retrait à celle de l'étape de mise en contact. À titre d'exemple, ce temps peut être estimé à environ quelques minutes.
Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 1 à 5, les deux substrats 1 destinés à être collés sont placés dans une enceinte de dépôt sous vide. Il peut s'agir de la même enceinte de dépôt ou bien de deux enceintes de dépôt distinctes, afin de réaliser successivement la formation de l'oxyde de silicium et de sa couche de protection. Lorsque les deux substrats 1 sont placés dans une même enceinte de dépôt sous vide, la formation des oxydes de silicium sur les deux substrats peut être réalisé en simultané, ainsi que la formation des couches de protection.
Selon une alternative, l'oxyde de silicium peut être déposé sur un seul des deux substrats à coller pour réaliser, par exemple, un collage mixte (surface hydrophile/surface hydrophobe). Dans ce cas, seul le substrat concerné est disposé dans l'enceinte de dépôt sous vide pour le dépôt PECVD d'oxyde de silicium et la formation de la couche de protection. L'autre substrat est alors activé en surface selon des techniques conventionnelles. Il est, par exemple, soumis à une opération de polissage mécano-chimique, suivie d'une opération de traitement par plasma réducteur (par exemple à base d'azote), avant d'être mis en en contact avec le premier substrat.
Le fait de protéger l'oxyde de silicium contre l'humidité pendant le stockage des plaques, par l'intermédiaire d'une couche de protection comprenant de l'azote, permet d'obtenir, lors de la mise en contact, un oxyde de silicium non vieilli ou dégradé et l'énergie de collage correspond alors à celle de l'oxyde de silicium déposé initialement, même si le stockage dure très longtemps. De plus, une telle solution est adaptée aux applications nécessitant un budget thermique faible.

Claims

Revendications
1. Procédé de collage direct entre deux plaques (1) comprenant, avant la mise en contact des plaques (1), une étape de formation par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma, d'un oxyde de silicium (2) en surface d'au moins une plaque (1) préalablement placée dans une enceinte de dépôt sous vide,
caractérisé en ce que :
- l'oxyde de silicium (2) formé en surface de ladite plaque (1) est recouvert d'une couche de protection (3) comprenant de l'azote avant que ladite plaque (1) ne soit sortie de l'enceinte de dépôt sous vide et
- la mise en contact entre les deux plaques (1) est précédée d'une étape de retrait de la couche de protection.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la couche de protection (3) est formée par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma de nitrure de silicium sur l'oxyde de silicium (2).
3. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la couche de protection (3) est formée par nitruration assistée par plasma d'une partie superficielle de l'oxyde de silicium (2).
4. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la couche de protection (3) est formée par dopage en azote d'une partie superficielle de l'oxyde de silicium (2).
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la couche de protection (3) est retirée par polissage mécano- chimique.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la couche de protection (3) est retirée par gravure.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que chaque plaque (1) est placée dans une enceinte de dépôt sous vide, afin de réaliser la formation de l'oxyde de silicium (2) puis la formation de sa couche de protection (3).
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'un oxyde de silicium (2) étant formé en surface d'une des deux plaques, l'autre plaque subit, avant la mise en contact des deux plaques, une opération de polissage mécano-chimique, suivie d'une opération de traitement par plasma réducteur.
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