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Description
本発明は、請求項1に特許請求したように第2の基板の第2の接触表面に第1の基板の第1の接触表面をボンディングするための方法に関する。
基板の恒久的なボンディングまたは非可逆的なボンディングにおける目的は、可能な限り強く、特に可能な限り非可逆的である相互接続を作り、これゆえ、基板の2つの接触表面間の大きな結合力を作ることである。先行技術ではこの目的のためのさまざまな取り組みおよび製造方法がある。
今日まで続いてきている既知の製造方法および取り組みは、再現することができない、または不十分にしか再現することができずかつ特に変更した条件にはほとんど適用することができない結果に多くの場合に導く。特に、現在のところ使用されている製造方法は、再現性のある結果を確実にするために、多くの場合に特に400℃より高い温度を使用する。
大きなエネルギー消費および基板上に存在する構造の潜在的な破壊などの技術的な問題は、高い結合力のために今日まで必要とされてきている300℃よりはるかに高い高温にある程度は由来する。
他の要求は、下記にあり、
− フロントエンドライン適合性
これは、電気的な能動部品を製造する期間中のプロセスの適合性として定義される。ボンディングプロセスは、これゆえ、構造ウェハ上に既に存在するトランジスタなどの能動部品が処理中に悪影響を受けることも損傷されることもないように設計されなければならない。適合性基準は、(主にCMOS構造中の)ある種の化学元素の主に純度および主に熱応力による機械的なローディング可能性を含む。
− 低汚染
− 力が加わらないこと
− 特に異なる熱膨張係数を有する材料に対して、可能な限り低い温度
− フロントエンドライン適合性
これは、電気的な能動部品を製造する期間中のプロセスの適合性として定義される。ボンディングプロセスは、これゆえ、構造ウェハ上に既に存在するトランジスタなどの能動部品が処理中に悪影響を受けることも損傷されることもないように設計されなければならない。適合性基準は、(主にCMOS構造中の)ある種の化学元素の主に純度および主に熱応力による機械的なローディング可能性を含む。
− 低汚染
− 力が加わらないこと
− 特に異なる熱膨張係数を有する材料に対して、可能な限り低い温度
結合力の低下は、構造ウェハのより注意深い処理に、したがって直接の機械的なローディングによる不良の確率の低下に導く。
本発明の目的は、これゆえ、可能な限り高い結合力を有し、同時に可能な限り低い温度で恒久的な結合の注意深い製造のための方法を考案することである。
この目的は、請求項1の特徴で実現される。本発明の有利な開発成果が、従属請求項に与えられる。本明細書、特許請求の範囲、および/または図において与えられた特徴のうちの少なくとも2つのすべての組合せはまた、本発明の枠組みの範囲内になる。所与の値の範囲では、示された限度内の値はまた、境界値として開示されると考えられ、すべての組合せにおいて特許請求されるであろう。
本発明の基本的なアイデアは、基板の少なくとも一方の上に第1の出発原料を保持するための貯留部を考案することであり、この第1の出発原料は、基板を接触させた後でまたは基板間に一時的な結合を生成した後で、他方の基板内に存在する第2の出発原料と反応し、したがって、基板間に非可逆的な結合すなわち恒久的な結合を形成する。第1の接触表面上の一方の表面層内に貯留部を形成する前または後に、一般に、1つまたは複数の基板の、特にフラッシングステップによるクリーニングを行う。このクリーニングは一般に、結合されない場所をもたらす表面上の粒子がないことを確実にするはずである。本発明において特許請求したような表面層は、少なくとも大部分が自然物質、特に酸化物物質、好ましくは自然二酸化ケイ素から構成される。自然物質の層を、特に薄く作ることができ、その結果、反応相手との間の距離の減少に起因する(第1の出発原料または第1のグループと第2の出発原料または第2のグループとの)本発明において特許請求したように行われる反応、特に拡散プロセスを、特に速やかに進行させることができる。本発明において特許請求したように反対側の第2の接触表面上には、本発明において特許請求したような変形が起きる成長層がある場合があり、第1の出発原料(または第1のグループ)は、第2の基板の反応層内に存在する第2の出発原料(または第2のグループ)と反応する。第1の出発原料(または第1のグループ)と第2の出発原料(または第2のグループ)との間の反応を加速させるために、第2の基板の反応層と貯留部との間に位置する成長層が基板を接触させる前に薄くされることを、本発明において特許請求したように行うことができ、その理由は、このようにして複数の反応相手間の距離が減少し、同時に本発明において特許請求したように成長層の変形/形成が促進されるためである。成長層は、薄くすることによって少なくとも部分的に、特に大部分、好ましくは完全に除去される。成長層が完全に除去されたとしても、成長層は、第1の出発原料の第2の出発原料との反応において再び成長する。
本発明において特許請求したように、接触表面が接触する前に、特に第2の基板の反応層の不動態化によって、好ましくはN2、フォーミングガスもしくは不活性雰囲気に曝すことによって、または真空下でまたは非晶質化によって、成長層の成長を防止するための手段があり得る。これに関連して、フォーミングガスを含有する、特にフォーミングガスから主として構成されるプラズマでの処理が、特に適切であることを証明した。ここでは、フォーミングガスは、少なくとも2%、より良くは4%、理想的には10%または15%の水素を含有するガスとして定義される。混合物の残りの部分は、例えば窒素またはアルゴンなどの不活性ガスから構成される。
この方策の代わりにまたは加えて、貯留部/複数の貯留部のシンニングおよび形成と接触させることとの間の時間を最小にすること、特に<2時間、好ましくは<30分、さらにより好ましくは<15分、理想的には<5分にすることが、本発明において特許請求したように有利である。
成長層を通る出発原料の拡散速度は、成長層(これは、任意選択で薄くされており、したがって少なくとも恒久的な結合の形成の初期においてまたは反応の開始時において非常に薄い)によって増加する。これが、同じ温度における出発原料のより短い移送時間をもたらす。
貯留部および貯留部内に含有された出発原料は、制御された方式で、特に反応によって接触表面のうちの少なくとも一方、好ましくは貯留部の反対の接触表面を変形させることによって、一時的な結合または可逆的な結合を生成した後で、ボンディング速度を増加させ直接接触表面上への恒久的な結合を強化させる反応を生じさせる技術的な可能性を作り出す。
特にプラズマ活性化による貯留部の形成が、本発明において特許請求したように選択され、その結果、気泡形成が回避される。好ましくはプラズマ活性化用に、ガス分子のイオンが使用され、これは、同時に、特に第1の出発原料に対応する第2の出発原料との反応に適している。これが、第1の出発原料の第2の出発原料との反応において生じることがある可能性のある副生成物を回避するという結果をもたらす。
貯留部のサイズは、基板間の接触表面上の細孔を、成長層の成長によって可能な限り完全に閉じることができるように、本発明において特許請求したように設定される。すなわち、貯留部は、反応層内に存在する第2の出発原料と第1の出発原料との反応によって比較的厚い/多量の成長層をともに生成することを可能にするために十分な第1の出発原料を保持できるように十分に大きくなければならない。しかしながら、サイズは、反応層と反応できない過剰な第1の出発原料を可能な限り少なく収容するように十分に小さくなければならない。これが、気泡形成を大部分は防止するまたは排除する。
その場処理は、貯留部内に出発原料を可能な限り純粋に挿入することを都合よく実行し、未反応種をできるだけ排除する。
プレボンディング(prebonding)ステップに関して、基板間に一時的な結合または可逆的な結合を生成するために、基板の接触表面間の弱い相互作用を生成する目的でさまざまな可能性がある。プレボンド強度は、恒久的な結合の少なくとも2から3倍だけ、特に5倍だけ、好ましくは15倍だけ、さらにより好ましくは25倍だけ低い。指標値として、大雑把に100mJ/m2を有する純粋で、活性化されず、親水化されたシリコンのプレボンド強度、および大雑把に200〜300mJ/m2を有する純粋で、プラズマ活性化され親水化されたシリコンのプレボンド強度が、記述される。分子で濡らされた基板間のプレボンドが、別のウェハ側の分子間のファンデルワールス相互作用に起因して主に生じる。したがって、主に、永久双極子モーメントを有する分子は、ウェハ間のプレボンドを可能にするために適している。下記の化合物は、例として相互接続薬品として記述されるが、これらに限定されない、
− 水
− チオール
− AP3000
− シランおよび/または
− シラノール。
− 水
− チオール
− AP3000
− シランおよび/または
− シラノール。
本発明において特許請求したように適切な基板は、その物質が、より大きなモル体積を有する生成物を形成するように、出発原料としてもう1つの供給される出発原料と反応することができ、その結果として、基板上に成長層の形成が引き起こされる基板である。下記の組合せは、特に有利であり、矢印の左には出発原料が名前を挙げられ、矢印の右には、出発原料と反応する供給された出発原料または副生成物を除いて、生成物/複数の生成物が特に名前を挙げられる、
− Si→SiO2、Si3N4、SiNxOy
− Ge→GeO2、Ge3N4
− α−Sn→SnO2
− B→B2O3、BN
− Se→SeO2
− Te→TeO2、TeO3
− Mg→MgO、Mg3N2
− Al→Al2O3、AlN
− Ti→TiO2、TiN
− V→V2O5
− Mn→MnO、MnO2、Mn2O3、Mn2O7、Mn3O4
− Fe→FeO、Fe2O3、Fe3O4
− Co→CoO、Co3O4
− Ni→NiO、Ni2O3
− Cu→CuO、Cu2O、Cu3N
− Zn→ZnO
− Cr→CrN、Cr23C6、Cr3C、Cr7C3、Cr3C2
− Mo→Mo3C2
− Ti→TiC
− Nb→Nb4C3
− Ta→Ta4C3
− Zr→ZrC
− Hf→HfC
− V→V4C3、VC
− W→W2C、WC
− Fe→Fe3C、Fe7C3、Fe2C
− Si→SiO2、Si3N4、SiNxOy
− Ge→GeO2、Ge3N4
− α−Sn→SnO2
− B→B2O3、BN
− Se→SeO2
− Te→TeO2、TeO3
− Mg→MgO、Mg3N2
− Al→Al2O3、AlN
− Ti→TiO2、TiN
− V→V2O5
− Mn→MnO、MnO2、Mn2O3、Mn2O7、Mn3O4
− Fe→FeO、Fe2O3、Fe3O4
− Co→CoO、Co3O4
− Ni→NiO、Ni2O3
− Cu→CuO、Cu2O、Cu3N
− Zn→ZnO
− Cr→CrN、Cr23C6、Cr3C、Cr7C3、Cr3C2
− Mo→Mo3C2
− Ti→TiC
− Nb→Nb4C3
− Ta→Ta4C3
− Zr→ZrC
− Hf→HfC
− V→V4C3、VC
− W→W2C、WC
− Fe→Fe3C、Fe7C3、Fe2C
下記の半導体の混合した形態もまた、基板として考えられる、
− III−V:GaP、GaAs、InP、InSb、InAs、GaSb、GaN、AlN、InN
AlxGa1−xAs、InxGa1−xN
− IV−IV:SiC、SiGe
− III−IV:InAlP
− 非線形光学:LiNbO3、LiTaO3、KDP(KH2PO4)
− 太陽電池:CdS、CdSe、CdTe、CuInSe2、CuInGaSe2、CuInS2、CuInGaS2
− 導電性酸化物:In2−xSnxO3−y
− III−V:GaP、GaAs、InP、InSb、InAs、GaSb、GaN、AlN、InN
AlxGa1−xAs、InxGa1−xN
− IV−IV:SiC、SiGe
− III−IV:InAlP
− 非線形光学:LiNbO3、LiTaO3、KDP(KH2PO4)
− 太陽電池:CdS、CdSe、CdTe、CuInSe2、CuInGaSe2、CuInS2、CuInGaS2
− 導電性酸化物:In2−xSnxO3−y
本発明において特許請求したように、ウェハのうちの少なくとも一方の上でかつ直接それぞれの接触表面上に、体積膨張反応用の供給した出発原料のうちの少なくとも一方のある量を蓄えることができる貯留部(または複数の貯留部)がある。出発原料を、これゆえ、例えば、O2、O3、H2O、N2、NH3、H2O2、等とすることができる。特に酸化物成長によって決定される膨張に起因して、系のエネルギーを減少させるための反応相手の傾向に基づいて、接触表面間の潜在的なギャップ、細孔および空洞が最小にされ、結合力は、したがって、これらの領域における基板間の距離を狭くすることによって大きくなる。最善の可能なケースでは、存在するギャップ、細孔および空洞は、完全に閉じられ、その結果、ボンディング領域全体が増加し、したがって、このように本発明において特許請求したように結合力が増す。
接触表面は、0.2nmの二乗平均平方根粗さ(Rq)を有する粗さを従来は示す。これは、1nmの範囲内の表面のピークツーピーク値に対応する。これらの経験値を、原子間力顕微鏡(AFM)を用いて決定した。
本発明において特許請求したような反応は、1モノレイヤ(ML)の水を有する200から300mmの直径を有する円形ウェハの従来のウェハ表面に対して0.1から0.3nmだけ成長層が成長することを可能にすることに適している。
本発明において特許請求したように、これゆえ、貯留部内に蓄えられた流体、特に水の少なくとも2ML、好ましくは少なくとも5ML、さらにより好ましくは少なくとも10MLが、特に与えられる。
プラズマ暴露が、シナジー効果として接触表面の平滑化および親水性化をその上に生じさせるので、プラズマに曝すことによる貯留部の形成は特に好ましい。表面は、主に表面層の物質の粘性流動によって、プラズマ活性化により平滑化される。親水性の増大は、特にシリコン水酸化合物の増加によって、好ましくはSi−O−Siなどの表面上に存在するSi−O化合物のクラッキングによって、特に下記の反応にしたがって行われる。
Si−O−Si+H2O←→2SiOH
Si−O−Si+H2O←→2SiOH
特に、前述の効果の結果としてのもう1つの副次的効果は、プレボンド強度が特に2から3倍だけ向上することにある。
第1の基板の第1の接触表面上の表面層内の貯留部(および任意選択で第2の基板の第2の接触表面上の表面層内の第2の貯留部)は、自然酸化物、特に二酸化ケイ素でコートされている第1の基板の、例えばプラズマ活性化によって形成される。都合のよいことに、第2の基板の第2の表面もまた、活性化される、または第1の貯留部について記述した特徴が同様に当てはまる追加の貯留部が形成される。プラズマ活性化は、プラズマにとって必要な条件を調節することを可能にするために真空チャンバ内で行われる。本発明において特許請求したように、プラズマ放電用に、0から2000eVの範囲内のイオンエネルギーを有するN2ガス、O2ガスまたはアルゴンガスが使用され、その結果として、処理した表面、このケースでは第1の接触表面、の10nmまで、好ましくは5nmまで、より好ましくは3nmまでの深さを有する貯留部が生成される。本発明において特許請求したような、貯留部を生成するために適している任意の粒子タイプ、原子および/または分子を使用することができる。貯留部が要求される特性を生成する好ましくはこれらの原子および/または分子が使用される。関連する特性は、主に細孔サイズ、細孔分布および細孔密度である。あるいは、本発明において特許請求したように、例えば、空気または95%Arおよび5%H2からなるフォーミングガスなどのガス混合物を使用することができる。使用するガスに応じて、貯留部内では、プラズマ処理中に、中でも下記のイオンが存在する、N+、N2+、O+、O2+、Ar+。第1の出発原料を、貯留部/複数の貯留部の占有されていない自由空間内に収容することができる。表面層およびしたがって貯留部は、反応層中へと延びることができる。
都合のよいことには、反応層と反応することができ、第1の出発原料の少なくとも一部、好ましくは大部分を構成することができるさまざまなタイプのプラズマ種がある。第2の出発原料がSi/Siであるという点で、Oxプラズマ種が有利なはずである。
都合のよいことには、酸素イオンがSiと反応して酸化ケイ素を形成し、これゆえ酸素分子には再び結合しないので、主に酸素イオンが使用される。シリコンへの好ましいボンディングは、結合プロセスの後で酸素ガスが気泡形成をもたらすことを防止する。同様の考慮すべき事柄が、他の基板−ガスの組合せに当てはまる。一般に、これゆえ、系においてより容易に結合することができ、ガス状態へと移行する傾向が非常に低いまたはまったく移行しないイオン種が、常に好まれる。
貯留部は、下記の考慮すべき事柄に基づいて形成される。細孔サイズは、10nmよりも小さい、好ましくは5nmよりも小さい、より好ましくは1nmよりも小さい、さらにより好ましくは0.5nmよりも小さい、最も好ましくは0.2nmよりも小さい。
細孔密度は、好ましくは、衝撃作用によって細孔を生成する粒子の密度に正比例し、最も好ましくは、衝撃種の分圧によって変化することさえあり、特に、使用するプラズマシステムの処理時間およびパラメータに依存する。
細孔分布は、好ましくはプラトー形状をした領域(図7参照)へと重ねられるいくつかの最大細孔密度の領域のパラメータを変えることよって、好ましくは、表面下に最大の細孔密度の少なくとも1つの領域を有する。細孔分布は、深さが大きくなるにつれてゼロに向かって収束する。照射中の表面近くの領域は、表面近くの細孔密度とほとんど同じである細孔密度を有する。プラズマ処理が終わった後で、表面上の細孔密度を、応力緩和機構の結果として減少させることができる。表面に関連して厚さ方向への細孔分布は、1つの急峻な側面を有し、バルクに関してはむしろ平坦であるが、連続的に減少する側面を有する(図7参照)。
細孔サイズ、細孔分布および細孔密度に関して、同様の考慮すべき事柄が、プラズマを用いないで生成するすべての方法に当てはまる。
貯留部を、プロセスパラメータの制御した使用および組合せによって設計することができる。図7は、酸化ケイ素層中への侵入深さの関数としてプラズマによって注入した窒素原子の濃度の表示を示す。物理的なパラメータを変えることによって2つのプロファイルを生成することが可能であった。第1のプロファイル11は、酸化ケイ素中により深くより大きく加速した原子によって生成され、反対にプロファイル12は、より低い密度にプロセスパラメータを変えた後で生成された。2つのプロファイルの重ね合わせは、貯留部についての特性である合計曲線13を生み出す。注入した原子の濃度および/または分子種の間の関係は、明らかである。濃度が高いほど欠陥構造の高い領域を示し、これゆえ、その後に出発原料を収容する空間がより大きくなる。プラズマ活性化中に特に専用の方式で制御されるプロセスパラメータの連続的な変化は、深さ全体にわたって加えられたイオンの分布、これ(分布)は、可能な限り一様である、を有する貯留部を実現することを可能にする。
本発明の一実施形態によれば、貯留部を満たすことは、第1の基板へのコーティングとして付けられる貯留部によって、貯留部の形成と同時に特に都合よく行うことができ、このコーティングは、既に第1の出発原料を含有する。
貯留部は、ナノメートル範囲の気孔率を有する細孔層として、または10nmよりも小さい、より好ましくは5nmよりも小さい、さらにより好ましくは2nmよりも小さい、最も好ましくは1nmよりも小さい、すべての中で最も好ましくは0.5nmよりも小さいチャネル密度を有するチャネルを有する層として考えられる。
第1の出発原料または第1の出発原料のグループで貯留部を満たすステップについて、本発明において特許請求したように、下記の実施形態が、組合せでもまた、考えられる。
− 大気雰囲気に貯留部を曝すステップ
− 特に脱イオン水でフラッシングするステップ
− 出発原料を含有する流体または特にH2O、H2O2、NH4OH、Ox +からなる流体でフラッシングするステップ
− 任意のガス雰囲気、特に原子状ガス、分子状ガス、ガス混合物に貯留部を曝すステップ
− 水蒸気含有雰囲気または過酸化水素蒸気含有雰囲気に貯留部を曝すステップ
− 大気雰囲気に貯留部を曝すステップ
− 特に脱イオン水でフラッシングするステップ
− 出発原料を含有する流体または特にH2O、H2O2、NH4OH、Ox +からなる流体でフラッシングするステップ
− 任意のガス雰囲気、特に原子状ガス、分子状ガス、ガス混合物に貯留部を曝すステップ
− 水蒸気含有雰囲気または過酸化水素蒸気含有雰囲気に貯留部を曝すステップ
次の化合物が、出発原料として可能である。Ox +、O2、O3、N2、NH3、H2O、H2O2、および/またはNH4OH。
上に述べた過酸化水素蒸気の使用は、水を使用することに加えて好ましい変形として見なされる。過酸化水素は、さらにその上、水素に対する酸素のより大きな比率を有するという利点を有する。さらにその上、過酸化水素は、ある温度よりも上でならびに/またはMHz領域内の高周波場の使用を介して水素および酸素へと解離する。
主に、異なる熱膨張係数を有する物質を使用するときには、何らかの顕著な温度上昇を生じさせない、またはせいぜい局所的な/特定の温度上昇しか生じさせない前述の種を解離するための方法の使用が、有利である。特に、解離を少なくとも促進させる、好ましくは生じさせるマイクロ波照射がある。
本発明のもう1つの有利な実施形態によれば、成長層の形成および非可逆的な結合を強化することが、反応層中への第1の出発原料の拡散によって行われることが、提供される。
本発明のもう1つの有利な実施形態によれば、非可逆的な結合の形成が、典型的には300℃未満、有利なことには200℃未満、より好ましくは150℃未満、さらにより好ましくは100℃未満、最も好ましくは室温で、特に最大12日、より好ましくは最大1日、さらにより好ましくは最大1時間、最も好ましくは最大15分の間行われることが、提供される。もう1つの有利な熱処理方法は、マイクロ波による誘電加熱である。
ここでは、非可逆的な結合が、1.5J/m2よりも大きな、特に2J/m2よりも大きな、好ましくは2.5J/m2よりも大きな結合強度を有する場合には、特に有利である。
反応中に、本発明において特許請求したように、第2の出発原料のモル体積よりも大きなモル体積を有する生成物が反応層内に形成されることで特に有利に、結合強度を大きくすることができる。このようにして、第2の基板上の成長が成し遂げられ、その結果として、接触表面間のギャップを、本発明において特許請求したような化学反応によって閉じることができる。その結果、接触表面間の距離、これゆえ平均距離が、小さくなり、デッドスペースを最小にする。
貯留部の形成が、特に、10と600kHzとの間の活性化周波数および/もしくは0.075と0.2ワット/cm2との間のパワー密度を用い、ならびに/または0.1と0.6mbarとの間の圧力での加圧を用いてプラズマ活性化によって行われるという点で、接触表面の平滑化およびやはり接触表面の明確に大きくなった親水性などの追加の効果が成し遂げられる。
本発明のもう1つの有利な実施形態によれば、反応層は、酸化可能な物質、特に主に、好ましくは本質的に完全に、Si、Ge、InP、GaPもしくはGaN、または上に列挙したものの代わりに述べた他の物質のうちの1つから構成されることが、提供される。存在するギャップを特に効果的に閉じる特に安定な反応は、酸化によって可能である。
ここでは、第2の接触表面と反応層との間に、成長層、特に主に自然酸化物物質、好ましくは二酸化ケイ素がある場合には、本発明において特許請求したように特に有利である。成長層は、本発明において特許請求したような反応によって引き起こされる成長にしたがう。成長は、非晶質SiO2の再形成によるSi−SiO2遷移からならびに、これによって引き起こされる変形、特に反応層への界面上のおよび特に第1の接触表面と第2の接触表面との間のギャップの領域内の、成長層の特に盛り上がりから続いて行われる。これは、2つの接触表面間の距離の減少またはデッドスペースの減少を引き起こし、その結果として、2つの基板間の結合強度が大きくなる。200と400℃との間の温度、好ましくは大雑把に200℃および150℃、より好ましくは150℃と100℃との間の温度、最も好ましくは100℃と室温との間の温度が、特に有利である。成長層を、いくつかの成長領域に分割することができる。成長層を、同時に、反応を加速するもう1つの貯留部が形成される第2の基板の貯留部形成層とすることができる。
ここでは、成長層および/または表面層が非可逆的な結合の形成の前に0.1nmと5nmとの間の平均厚さAを有する場合には、特に有利である。成長層および/または表面層が薄いほど、特に、反応層への成長層および/または表面層を通る第1の出発原料の拡散によって、より速くより容易に反応が、成長層および/または表面層を通る第1の出発原料と第2の出発原料との間で行われる。さらにその上、表面の活性化は、点欠陥の発生によって拡散を促進させることができる。成長層を通る出発原料の拡散速度は、成長層によって増速する(成長層は、任意選択で薄くされており、したがって、少なくとも恒久的な結合の形成の初期においてまたは反応の開始時において非常に薄い)。これが、同じ温度における出発原料のより短い移送時間をもたらす。
ここでは、反応をシンニングによってさらに加速することができおよび/または温度をさらに低下させることができるので、シンニングは決定的な役割を演じることができる。シンニングを、特にエッチングによって、好ましくは湿潤雰囲気中で、さらにより好ましくはその場で行うことができる。あるいは、エッチングを、特にドライエッチングによって、好ましくはその場で行う。ここでは、その場は、少なくとも1つの前のステップおよび/または1つの後続のステップが行われる同じチャンバ内で行うことを意味する。ウェットエッチングを、気相の化学物質を用いて行う、一方で、ドライエッチングを、液体状態の化学物質を用いて行う。成長層が二酸化ケイ素から構成される限りにおいて、フッ化水素酸または希釈したフッ化水素酸を用いたエッチングを行うことができる。成長層が純粋なシリコンから構成される限りにおいて、エッチングを、KOHを用いて行うことができる。
本発明の一実施形態によれば、貯留部の形成が真空中で実行されることが、有利なことに提供される。したがって、望まない物質または化合物による貯留部の汚染を避けることができる。
本発明の別の一実施形態によれば、貯留部を満たすことを下記のステップの1つまたは複数によって行うことが、有利なことに提供される。
− 大気の水分および/または空気中に含有される酸素で貯留部を満たすために第1の接触表面を大気に曝すステップ
− 第1の接触表面を、特に主に、好ましくはほぼ完全に、特に脱イオンH2Oおよび/またはH2O2、から構成される流体に曝すステップ
− 第1の接触表面を、特に0から2000eVの範囲内のイオンエネルギーを有するN2ガスならびに/またはO2ガスならびに/またはArガスならびに/またはフォーミングガス(特に95%Arおよび5%H2からなる)に曝すステップ
− 任意の既に名前を挙げた出発原料で貯留部を満たすための気相堆積
− 大気の水分および/または空気中に含有される酸素で貯留部を満たすために第1の接触表面を大気に曝すステップ
− 第1の接触表面を、特に主に、好ましくはほぼ完全に、特に脱イオンH2Oおよび/またはH2O2、から構成される流体に曝すステップ
− 第1の接触表面を、特に0から2000eVの範囲内のイオンエネルギーを有するN2ガスならびに/またはO2ガスならびに/またはArガスならびに/またはフォーミングガス(特に95%Arおよび5%H2からなる)に曝すステップ
− 任意の既に名前を挙げた出発原料で貯留部を満たすための気相堆積
本発明の別の有利な一実施形態によれば、貯留部の形成および満たすことが、追加で第2の接触表面上に、特に成長層内に行われ、恒久的な結合の形成が、第1の基板(1)の反応層内に含有されている第2の出発原料と前記第1の出発原料との反応によってさらに強化されることが、提供される。
貯留部が、好ましくは0.1nmと25nmとの間、より好ましくは0.1nmと15nmとの間、さらにより好ましくは0.1nmと10nmとの間、最も好ましくは0.1nmと5nmとの間の厚さRに形成される場合には、プロセスシーケンスにとって特に効果的である。さらにその上、本発明の一実施形態によれば、非可逆的な結合の形成の直前の貯留部と反応層との間の平均距離Bが、0.1nmと15nmとの間、特に0.5nmと5nmとの間、好ましくは0.5nmと3nmとの間である場合には、有利である。距離Bは、シンニングによって本発明において特許請求したような効果を持たせることができるまたは作られ得る。
方法を実行するための装置は、貯留部を形成するためのチャンバ、貯留部を満たすために特に別々に設けられたチャンバ、プレボンドを形成するために特に別々に設けられたチャンバを形成された本発明において特許請求したように形成され、これらのチャンバのすべてが、真空システムを介して相互に直接接続される。
別の一実施形態では、貯留部を満たすことをまた、大気を介して行うことができ、これゆえいずれか、大気に開放することができるチャンバ内で、またはジャケットを備えないがウェハを半自動的におよび/または完全に自動的に取り扱うことができる単純に構造上のチャンバ内で直接的に行うことができる。
本発明の他の利点、特徴および詳細は、好ましい例示的な実施形態の下記の説明からおよび図面を使用して明らかになるであろう。
同じ構成または等価な構成を、図では同じ参照番号で識別する。
図1aに示した状況では、第1の基板1の第1の接触表面3と第2の基板2の第2の接触表面4との間のプレボンドステップ中またはその直後に進行する化学反応の1つの抜粋だけを示す。表面層6、6’は、それぞれ接触表面3、4を接合し、酸化可能な自然二酸化ケイ素から形成され、非常に薄い。表面は、極性OH基で終端され、したがって親水性である。第1の基板1および第2の基板2は、表面上に存在するOH基とH2O分子との間およびやはりH2O分子だけの間の水素架橋の引力によって保持される。少なくとも第1の接触表面3の親水性は、前のステップにおける第1の接触表面3のプラズマ処理によって大きくなる。
プラズマ処理を第2の接触表面4に追加で施すこと、特に、代替実施形態によれば第1の接触表面3のプラズマ処理と同時に施すことは、特に有利である。
自然二酸化ケイ素から構成される表面層6内の貯留部5、ならびに図1bによる代替実施形態では、表面層6’内の第2の反対側の貯留部5’は、プラズマ処理によって本発明において特許請求したように形成されている。0と2000eVとの間の範囲内のイオンエネルギーを有するO2イオンを用いたプラズマ処理は、大雑把に10nmの貯留部5の平均厚さRを生み出し、イオンが表面層6(および任意選択で表面層6’)内にチャネルまたは細孔を形成する。
貯留部形成層6と反応層7との間には、第2の基板2上に成長層8があり、これは同時に少なくとも部分的に貯留部形成層6’となり得る。したがって、貯留部形成層6’と反応層7’との間にもう1つの成長層が追加であり得る。
同様に、貯留部5(および任意選択で貯留部5’)は、図1に示したステップの前でかつプラズマ処理の後に第1の出発原料としてのH2Oで少なくともほとんど満たされる。プラズマプロセス中に存在するイオンの分解した種、特にO2、N2、H2、Arは、貯留部内にやはり位置することがある。
接触表面3、4は、図1aおよび図1bに示したステージにおいて接触させた後で、特に、接触表面3、4間に存在する水によって決定される比較的広いギャップを依然として有する。したがって、存在する結合強度は、比較的低く、大雑把に100mJ/cm2と300mJ/cm2との間、特に200mJ/cm2よりも大きい。これに関連して、前のプラズマ活性化は、特に、プラズマ活性化した第1の接触表面3の親水性の増加およびプラズマ活性化によって引き起こされる平滑化効果のために、決定的な役割を演じる。
図1に示され、プレボンドと呼ばれるプロセスを、室温でまたは最大50℃で好ましくは進行させることができる。図2aおよび図2bは、親水性結合、−OH終端表面による水の分断によって生じるSi−O−Si架橋を示す。図2aおよび図2bにおけるプロセスは、室温で大雑把に300h、50℃で大雑把に60h続く。図2bの状態は、貯留部5(または貯留部5、5’)を作らずに指示された温度で生じる。
接触表面3、4の間には、H2O分子が形成され、依然として自由空間がある程度まで貯留部5、内を少なくとも部分的にさらに満たすことを提供する。他のH2O分子は除去される。図1によるステップでは、OH基またはH2Oの大雑把に3から5の個別の層が存在し、H2Oの1から3モノレイヤが、図1によるステップから図2aによるステップまでに除去され、貯留部5内に収容される。
図2aに示したステップでは、水素架橋結合が、ここでシロキサン基の間に直接形成され、その結果として、より大きな結合力が生じる。これが、接触表面3、4を相互により強く引きつけ、接触表面3、4間の距離を縮める。したがって、接触表面3、4の間にはOH基の1つから2つの個別の層だけがある。
図2bに示したステップでは、下に挿入されている反応にしたがって順にH2O分子が分離することで、シラノール基の形である共有結合化合物が、接触表面3、4の間にここで形成され、これがより強い結合力をもたらし、より狭い空間しか必要とせず、その結果、接触表面3、4間の距離は、最終的に、接触表面3、4が相互に直接触れることに基づく図3に示した最小距離に達するまでさらに減少する。
Si−OH+HO−Si←→Si−O−Si+H2O
Si−OH+HO−Si←→Si−O−Si+H2O
ステージ3まで、特に貯留部5(および任意選択で追加の貯留部5’)の形成に起因して、温度を過度に上昇させることは必要なく、むしろ、室温でさえ進行させることが可能である。このようにして、図1から図3にしたがってプロセスステップの特に注意深い進行が可能である。
図4に示したプロセスステップでは、温度は、最大500℃まで、より好ましくは最大300℃まで、さらに好ましくは最大200℃まで、最も好ましくは最大100℃まで、すべての中で最も好ましくは、第1の接触表面と第2の接触表面との間に非可逆的な結合または恒久的な結合を形成するように室温を超えないように、好ましくは上昇される。先行技術と対照的に、比較的低いこれらの温度は、貯留部5(および任意選択で追加の貯留部5’)が図5および図6に示した反応のための第1の出発原料を含むという理由でのみ可能である。
Si+2H2O→SiO2+2H2
Si+2H2O→SiO2+2H2
第2の接触表面4と反応層7との間には、成長層8があり、これは表面層6’と同一であり得る。貯留部5’が第2の実施形態にしたがって形成されるという点で、第1の接触表面3と反応層7に対応するもう1つの反応層7’との間には、やはりもう1つの成長層8’があり、反応は、本質的に交互に進行する。モル体積を増加させかつ特に、表面層6’と反応層7との間の界面上の(および任意選択で、加えて表面層6と反応層7’との間の界面上の)H2O分子の拡散を増速させることによって、接触表面3、4間に存在するギャップ9内の領域において行われるギブス自由エンタルピー増速成長を最小にする目的のために、成長層8の形での体積が増加する。ギャップ9は、成長層8の体積の増加によって閉じられる。より正確には、次となる。
前述のわずかに上昇させた温度では、H2O分子は、貯留部5から反応層7まで(および任意選択で貯留部5’から反応層7’まで)第1の出発原料として拡散する。この拡散は、表面層6および自然酸化物層として形成される成長層8の直接接触を介して(またはギャップ9を介してもしくは酸化物層間に存在するギャップ9から)のいずれかで起きることがある。酸化ケイ素、これゆえ純シリコンよりも大きなモル体積を有する化学化合物が、反応層7からの前述の反応の反応生成物10として形成される。二酸化ケイ素は、反応層7と成長層8との界面(または反応層7’と成長層8’との界面)上に成長し、したがって、ギャップ9の方向に自然酸化物として形成された成長層8の層を変形させる。ここでは、貯留部からのH2O分子がやはり必要である。
ナノメートル範囲であるギャップの存在のために、自然酸化物層(成長層8および任意選択で成長層8’)の盛り上がりの可能性があり、その結果として、接触表面3、4上の応力を減少させることができる。このようにして、接触表面3、4間の距離が減少し、その結果として、活性な接触表面およびしたがって結合強度が、さらに増加する。部分的に溶接されない先行技術における生成物とは対照的に、すべての細孔を閉じ、全ウェハにわたって形成するこのようにして生じる溶接接続は、結合力を大きくすることに基本的に寄与する。相互に溶接される2つの自然酸化ケイ素表面間の結合のタイプは、共有結合部分とイオン部分の混合した形である。
第1の出発原料(H2O)の第2の出発原料(Si)との前述の反応は、第1の接触表面3と反応層7との間の平均距離Bが可能な限り小さくなる程度まで、特に、早くまたは可能な限り低い温度で反応層7内において行われる。
これゆえ、第1の基板1の選択ならびにシリコンの反応層7(および任意選択で7’)および成長層8(および任意選択で8’)として可能な限り薄い自然酸化物層から構成される第2の基板2の選択/前処理は、決定的に重要である。可能な限り薄い自然酸化物層は、2つの理由のために本発明において特許請求したように形成される。成長層8は、特に追加の薄膜化のために非常に薄く、その結果、反対の基板1の表面層6に向けて反応層7上に新たに形成される反応生成物10を介して盛り上がることがあり、この表面層は、主としてナノギャップ9の領域内に、自然酸化物層として同様に作られる。さらにその上、可能な限り早くかつ可能な限り低い温度で所望の効果を達成するために、可能な限り短い拡散パスが望まれる。第1の基板1は、同様に、シリコン層および貯留部5が少なくとも部分的にまたは完全に形成される表面層6としてシリコン層上に存在する可能な限り薄い自然酸化物層から構成される。
本発明において特許請求したような貯留部5(および任意選択で貯留部5’)は、したがって、ナノギャップ9を閉じるために必要な大量の第1の出発原料で少なくとも満たされ、その結果、成長層8(および任意選択で8’)の最適な成長を、可能な限り短い時間でおよび/または可能な限り低い温度でナノギャップ9を閉じるように行うことができる。
1 第1の基板
2 第2の基板
3 第1の接触表面
4 第2の接触表面
5、5’ 貯留部
6、6’ 表面層
7、7’ 反応層
8、8’ 成長層
9 ナノギャップ
10 反応生成物
11 第1のプロファイル
12 第2のプロファイル
13 合計曲線
A 平均厚さ
B 平均距離
R 平均厚さ
2 第2の基板
3 第1の接触表面
4 第2の接触表面
5、5’ 貯留部
6、6’ 表面層
7、7’ 反応層
8、8’ 成長層
9 ナノギャップ
10 反応生成物
11 第1のプロファイル
12 第2のプロファイル
13 合計曲線
A 平均厚さ
B 平均距離
R 平均厚さ
Claims (16)
- 下記のステップで、下記の順番で第2の基板(2)の第2の接触表面(4)に第1の基板(1)の第1の接触表面(3)をボンディングするための方法であって、
前記第1の接触表面(3)上の表面層(6)内に第1の貯留部(5)および前記第2の接触表面(4)上の表面層(6’)内に第2の貯留部(5’)を形成するステップであって、前記表面層(6、6’)が少なくとも主として自然酸化物物質から構成される、ステップと、
第1の出発原料または出発原料の第1のグループで前記貯留部(5、5’)を少なくとも部分的に満たすステップと、
プレボンド接続の形成のために前記第1の接触表面(3)を前記第2の接触表面(4)と接触させるステップと、
前記第2の基板(2)の反応層(7)内に含有される第2の出発原料との前記第1の出発原料の反応によって少なくとも部分的に強化された、前記第1および第2の接触表面(3、4)間の恒久的な結合を形成するステップと
を含むことを特徴とする方法。 - 前記恒久的な結合の形成および/または強化するステップが、前記反応層(7)中への前記第1の出発原料の拡散によって行われることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記恒久的な結合の前記形成が、室温と200℃との間の温度で、最大12日の間行われることを特徴とする請求項1または2に記載の方法。
- 前記恒久的な結合が、1.5J/m2よりも大きな結合強度を有することを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記反応中に、前記第2の出発原料のモル体積よりも大きなモル体積を有する反応生成物(10)が、前記反応層(7)内に形成されることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記貯留部(5)が、プラズマ活性化によって形成されることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。
- プラズマ放電用にO 2 ガスを使用することを特徴とする請求項6記載の方法。
- 前記表面層(6)が、本質的に完全に、非晶質物質から構成され、前記反応層(7)が、酸化可能な物質から構成されることを特徴とする請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第2の接触表面(4)と前記反応層(7)との間には、少なくとも主として自然酸化物物質から構成される成長層(8)があることを特徴とする請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。
- 恒久的な結合の前記形成の前には、前記成長層(8)および/または前記表面層(6)が、1オングストロームと10nmとの間の平均厚さAを有することを特徴とする請求項9に記載の方法。
- 前記貯留部が真空中で形成されることを特徴とする請求項1から10のいずれか一項に記載の方法。
- 前記貯留部が、
前記第1の接触表面(3)を、高い酸素および/または水分含有量を有する雰囲気に曝すステップ、
前記第1の接触表面(3)を、主に、H 2Oおよび/またはH2O2からなる流体に曝すステップ、
前記第1の接触表面(3)を、0から200eVの範囲内のイオンエネルギーを有するN2ガス、ならびに/またはO2ガス、ならびに/またはArガス、ならびに/または95%Arおよび5%H2からなるフォーミングガスに曝すステップ、
のうちの1つまたは複数のステップによって満たされることを特徴とする請求項1から11のいずれか一項に記載の方法。 - 前記貯留部の前記形成および前記満たすステップが、第2の接触表面(4)上でさらに行われ、前記恒久的な結合の前記形成が、前記第1の基板(1)の反応層(7’)内に含有された第2の出発原料と前記第1の出発原料との反応によってさらに強化されることを特徴とする請求項1から12のいずれか一項に記載の方法。
- 前記恒久的な結合の形成直前の前記貯留部(5)と前記反応層(7)との間の平均距離(B)が、0.1nmと15nmとの間であることを特徴とする請求項1から13のいずれか一項に記載の方法。
- 前記恒久的な結合が、前記プレボンド接続の強度の2倍を備える結合強度を有することを特徴とする請求項1から14のいずれか一項に記載の方法。
- 前記貯留部のサイズが、第1の出発原料の保持及び反応層と反応できない過剰な第1の出発原料の収容のために十分な大きさであること特徴とする請求項1から15のいずれか一項に記載の方法。
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