JP6106239B2 - ウェハを恒久的にボンディングするための方法 - Google Patents

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。

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提供することである。

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Ｎ_２、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、恒久的な結合の強度の少なくとも１／２から１／３、特に１／５、好ましくは１／１５、さらにより好ましくは１／２５である。指標値として、大雑把に１００ｍＪ／ｍ^２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／ｍ^２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、例として結合剤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。

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→ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＮ_ｘＯ_ｙ
− Ｇｅ→ＧｅＯ_２、Ｇｅ_３Ｎ_４
− α−Ｓｎ→ＳｎＯ_２
− Ｂ→Ｂ_２Ｏ_３、ＢＮ
− Ｓｅ→ＳｅＯ_２
− Ｔｅ→ＴｅＯ_２、ＴｅＯ_３
− Ｍｇ→ＭｇＯ、Ｍｇ_３Ｎ_２
− Ａｌ→Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ
− Ｔｉ→ＴｉＯ_２、ＴｉＮ
− Ｖ→Ｖ_２Ｏ_５
− Ｍｎ→ＭｎＯ、ＭｎＯ_２、Ｍｎ_２Ｏ_３、Ｍｎ_２Ｏ_７、Ｍｎ_３Ｏ_４
− Ｆｅ→ＦｅＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３、Ｆｅ_３Ｏ_４
− Ｃｏ→ＣｏＯ、Ｃｏ_３Ｏ_４
− Ｎｉ→ＮｉＯ、Ｎｉ_２Ｏ_３
− Ｃｕ→ＣｕＯ、Ｃｕ_２Ｏ、Ｃｕ_３Ｎ
− Ｚｎ→ＺｎＯ
− Ｃｒ→ＣｒＮ、Ｃｒ_２３Ｃ_６、Ｃｒ_３Ｃ、Ｃｒ_７Ｃ_３、Ｃｒ_３Ｃ_２
− Ｍｏ→Ｍｏ_３Ｃ_２
− Ｔｉ→ＴｉＣ
− Ｎｂ→Ｎｂ_４Ｃ_３
− Ｔａ→Ｔａ_４Ｃ_３
− Ｚｒ→ＺｒＣ
− Ｈｆ→ＨｆＣ
− Ｖ→Ｖ_４Ｃ_３、ＶＣ
− Ｗ→Ｗ_２Ｃ、ＷＣ
− Ｆｅ→Ｆｅ_３Ｃ、Ｆｅ_７Ｃ_３、Ｆｅ_２Ｃ。

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
Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ
− ＩＶ−ＩＶ：ＳｉＣ、ＳｉＧｅ
− ＩＩＩ−ＩＶ：ＩｎＡｌＰ
− 非線形光学：ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、ＫＤＰ（ＫＨ_２ＰＯ_４）
− 太陽電池：ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＣｕＩｎＳｅ_２、ＣｕＩｎＧａＳｅ_２、ＣｕＩｎＳ_２、ＣｕＩｎＧａＳ_２
− 導電性酸化物：Ｉｎ_２−ｘＳｎ_ｘＯ_３−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、Ｏ_２、Ｏ_３、Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２、ＮＨ_３、Ｈ_２Ｏ_２、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（Ｒ_ｑ）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、特にケイ素の水酸化物の増加によって、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＋Ｈ_２Ｏ←→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Ｎ_２ガス、Ｏ_２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％Ｈ_２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＋、Ｎ_２＋、Ｏ＋、Ｏ_２＋、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、Ｏ_ｘ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Ｈ_２Ｏ、Ｈ_２Ｏ_２、ＮＨ_４ＯＨ、Ｏ_ｘ ^＋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。Ｏ_ｘ ^＋、Ｏ_２、Ｏ_３、Ｎ_２、ＮＨ_３、Ｈ_２Ｏ、Ｈ_２Ｏ_２、および／またはＮＨ_４ＯＨ。

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／ｍ^２よりも大きな、特に２Ｊ／ｍ^２よりも大きな、好ましくは２．５Ｊ／ｍ^２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／ｃｍ^２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ＳｉＯ_２の再形成によるＳｉ−ＳｉＯ_２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、成長層によって加速する（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Ｈ_２Ｏおよび／またはＨ_２Ｏ_２、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Ｎ_２ガスならびに／またはＯ_２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％Ｈ_２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。

第１の基板が第２の基板と接触した直後の本発明において特許請求したような方法の第１のステップの図である。 第１の基板が第２の基板と接触した直後の本発明において特許請求したような方法の代替の第１のステップの図である。 より大きな結合強度を作るための本発明において特許請求したような方法の他のステップの図である。 より大きな結合強度を作るための本発明において特許請求したような方法の他のステップの図である。 接触している基板接触表面を有する、図１、図２ａおよび図２ｂにしたがったステップに続く本発明において特許請求したような方法のもう１つのステップの図である。 基板間の非可逆的な／恒久的な結合の形成のための本発明において特許請求したようなステップの図である。 図３および図４にしたがったステップ中に２つの接触表面上で進行する化学的／物理的プロセスの拡大図である。 図３および図４にしたがったステップ中に２つの接触表面間の界面上で進行する化学的／物理的プロセスのさらなる拡大図である。 本発明において特許請求したような貯留部を作成する線図である。

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Ｈ_２Ｏ分子との間およびやはりＨ_２Ｏ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Ｏ_２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Ｈ_２Ｏ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Ｏ_２、Ｎ_２、Ｈ_２、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／ｃｍ^２と３００ｍＪ／ｃｍ^２との間、特に２００ｍＪ／ｃｍ^２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、Ｈ_２Ｏ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Ｈ_２Ｏ分子は除去される。図１によるステップでは、ＯＨ基またはＨ_２Ｏの大雑把に３から５の個別の層が存在し、Ｈ_２Ｏ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Ｈ_２Ｏ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＋Ｈ_２Ｏ。

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＋２Ｈ_２Ｏ→ＳｉＯ_２＋２Ｈ_２。

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）Ｈ_２Ｏ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、Ｈ_２Ｏ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Ｈ_２Ｏ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（Ｈ_２Ｏ）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

Claims (18)

1. 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、
   プレボンド結合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
   を含み、
   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）があり、かつ
   前記第２の接触表面（４）が接触する前に、前記成長層（８）の成長を防止するための手段が存在することを特徴とする方法。
2. 前記恒久的な結合を形成するステップが、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。
3. 前記恒久的な結合の前記形成が、室温〜２００℃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。
4. 前記恒久的な結合が、１．５Ｊ／ｍ^２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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 前記成長層（８）の成長を防止するための手段が、第２の基板（２）の反応層（７）の不動態化または非晶質化であることを特徴とする請求項１から８までのいずれか一項に記載の方法。
10. 前記反応層（７）の不動態化が、Ｎ_２、フォーミングガスもしくは不活性雰囲気に曝すことよって、または真空下で行われることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記成長層（８）の成長を防止するための手段が、フォーミングガスを含有するプラズマ処理であることを特徴とする請求項９に記載の方法。
12. 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〜５ｎｍの間の平均厚さＡを有することを特徴とする請求項１から１１までのいずれか一項に記載の方法。
13. 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１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 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Ｈ_２Ｏ_２からなる流体に曝すステップ、
    前記第１の接触表面（３）を、０〜２０００ｅＶの範囲内のイオンエネルギーを有するＮ_２ガス、ならびに／またはＯ_２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％Ｈ_２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１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 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１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 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〜１５ｎｍであることを特徴とする請求項１から１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 前記恒久的な結合が、前記プレボンド結合の強度の２倍の結合強度を有することを特徴とする請求項１から１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 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１７のいずれか一項に記載の方法。

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