JP6543261B2 - 静電力による半導体ボンディング強化用のデバイス、システムおよび方法 - Google Patents
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Description
本技術は、半導体デバイス、システムおよび方法に関する。より詳細には、本技術の幾つかの実施形態は、半導体材料間のボンディングの強化用のデバイス、システムおよび方法に関する。
半導体製造においては、ある半導体基板から別の半導体基板に材料層を動かすことを含む、半導体基板に対して材料層を追加するための幾つかのプロセスが存在する。このようなプロセスは、シリコン・オン・インシュレータ（“ＳＯＩ”）ウェーハ、半導体・金属・オン・インシュレータ（“ＳＭＯＩ”）ウェーハおよびシリコン・オン・多結晶質・アルミニウム・窒化物（“ＳＯＰＡＮ”）ウェーハを形成するための方法を含む。例えば、図１Ａ−図１Ｄは、ある基板から別の基板にシリコン材料を動かすための従来の方法における半導体アセンブリを図示する部分的概略断面図である。図１Ａは、ベース材料１０４と、ベース材料１０４上の酸化物材料１０２とを含む第一の基板１００を図示する。図１Ｂに図示されるように、第二の基板１２０は、その後、ボンディングのために、（矢印Ａによって示されるように）第一の基板１００上に配置される。第二の基板１２０もまた、シリコン材料１２４と、シリコン材料１２４上の酸化物材料１２２とを含む。第二の基板１２０は、第一の基板１００上に配置され、第一の基板酸化物材料１０２は、第二の基板酸化物材料１２２に接触し、酸化物・酸化物結合を形成する。シリコン材料１２４は、第一の部分１２４と、選択された距離で、第一の部分１２４ａの表面に下方から面する下方の剥離材料１３０によって描かれる第二の部分１２４ｂと、を有する。剥離材料１３０は、例えば、水素、ホウ素および／または他の剥離剤の注入領域とすることができる。
図１Ｃは、第一の基板１００を第二の基板１２０をボンディングすることによって形成される半導体アセンブリを図示する。基板１００、１２０がいったん結合されると、半導体材料１２４の第一の部分１２４ａは、アセンブリを加熱することによって第二の部分１２４ｂから除去され、剥離材料１３０は、シリコン材料１２４を切り裂く。第二の部分１２４ｂは、図１Ｄに図示されるように、第一の基板１００に取り付けられたままであり、第二の部分１２４ｂ内および／または第二の部分１２４ｂ上に半導体コンポーネントを形成するために所望の厚さを有する。シリコン材料１２４の第一の部分１２４ａは、さらなる厚さのシリコン材料を他の第一の基板に提供するために再利用することができる。
ある基板から別の基板にシリコン材料を動かすことの一つの課題は、第一の基板および第二の基板の間のボンディングが貧弱であることがプロセスの収率およびコストに大きく影響し得ることである。移送プロセスにおいては、“ボンディング”は、任意のマクロ接着層または外部力の適用なしで、二つの鏡面研磨された半導体基板を互いに接着することを概して含む。層移送プロセス中および／または層移送プロセス後に、貧弱なボンディングは、二つの結合された基板表面の間に隙間、アイランドまたは他の欠陥を引き起こし得る。例えば、ある材料の材料特性の結果として、ＳＭＯＩの金属とシリコン、またはＳＯＰＡＮのシリコンとポリアルミニウム窒化物表面などの、貧弱なボンディングを生じ得る。
従来のボンディングプロセスは、ある期間に第一および第二の基板に外部機械力（例えば、重量または圧縮力）を適用することも含む。時間を増加させ、コストを増加させ、スループットを減少させるのに加えて、外部力を使用するボンディングプロセスは、幾つかの欠点を抱えている。第一に、第二の基板に対して下方向に適用される力は、均一に分散せず、基板内に欠陥を引き起こすか、または一方もしくは双方の基板を破壊することさえある。第二に、力は均一に分散しないため、適用される機械力の大きさは、最高の力集中を有する領域内で可能な最大力に限定され、これは、基板の他の領域が最大力を経験しないことを意味する。第三に、外部機械力の利用は、半導体アセンブリを汚染することがある。最後に、幾つかの半導体デバイスは、従来の化学機械平坦化処理に由来するへこみのために、下層の形状内に大きな陥没を有し得るため、酸化物層を互いに結合することを困難にする。
本技術の多くの態様は、添付の図面を参照することで十分に理解することができる。図面内の要素は、必ずしも同じ縮尺で描かれるわけではない。その代わりに、本技術の原理を明確に図示することに重点が置かれる。
従来技術による半導体層を動かしてボンディングするための方法における、ある段階の概略断面図である。
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従来技術による半導体層を動かしてボンディングするための方法における、ある段階の概略断面図である。
本技術によって構成されるボンディングシステムの概略断面図である。
半導体アセンブリを支持する図２Ａにおけるボンディングシステムの概略断面図である。
本技術の別の実施形態によって構成されるボンディングシステムの概略断面図である。
本技術の幾つかの実施形態は、基板・基板ボンディング強化用のプロセスを参照して、以下に記述される。ある実施形態の多くの詳細事項は、半導体デバイスおよび基板を参照して以下に記述される。“半導体デバイス”、“半導体基板”または“基板”という語は、本明細書を通して、例えば、半導体ウェーハまたは半導体製造プロセスに適切なフォームファクタを有する他の材料の基板を含む種々の製造の態様を含むものとして使用される。以下に記述される幾つかのプロセスは、基板上および／または基板間のボンディングを改良するために使用されてもよい。
図２Ａ−図３は、本技術の実施形態によるボンディング強化システムおよび方法の部分的な概略断面図である。以下の記述においては、共通の動作および構造は、同一の参照番号によって示される。図２Ａ−図３に図示された処理動作および関連する構造は、ＳＯＩベース移送に関連するものであるが、ある実施形態においては、このプロセスは、ＳＭＯＩベース移送、ＳＯＰＡＮベース移送などの他の材料ベースの層移送方法におけるボンディングを強化するために使用することができる。
図２Ａは、分離されたボンディングシステム３００（“システム３００”）の一実施形態の断面側面図であり、図２Ｂは、基板アセンブリ３０７を支持するシステム３００の断面側面図である。図２Ｂに図示されるように、基板アセンブリ３０７は、第一の基板３０３（例えば、取り扱い基板）と、取り扱い基板３０３上の第二の基板３０５（例えば、ドナー基板）とを含む。第一の基板３０３は、ベース材料３０６と第一の酸化物層３０８とを有することができ、第二の基板３０５は、半導体材料３１０と、第二の酸化物層３０９とを含むことができる。ベース材料３０６は、絶縁体、ポリシリコンアルミニウム窒化物、半導体材料（例えば、シリコン（１，０，０）、シリコン炭化物など）、金属または他の適切な材料とすることができる。半導体材料３１０は、例えば、シリコン（１，１，１）から製造されたシリコンウェーハ、または半導体コンポーネントもしくは他の種類のコンポーネントのエピタキシャル形成に特に適している他の半導体材料を含むことができる。他の実施形態においては、第一または第二の基板３０３、３０５のうちの唯一つが、酸化物層を含んでもよい。さらに、第一および第二の基板３０３および３０５の方向は、図２Ｂに図示される方向に対して反転することができる。
図２Ｂに図示されるように、第二の基板３０５は、第一の基板３０３上に配置することができ、第二の基板３０５の第二の酸化物層３０９は、第一の基板３０３の第一の酸化物層３０８に接触する。このように、第一および第二の酸化物層３０８、３０９で共有された接触面は、第一および第二の基板３０３、３０５の間でボンディング界面３２２を形成する。さらに、第一および第二の酸化物層３０８、３０９は、第一および第二の基板３０３、３０５の間に誘電性バリア３２０を形成する。誘電性バリア３２０は、約１ｎｍから約２０μｍの間の厚さｄを有することができる。特定の一実施形態においては、誘電性バリア３２０は、約１μｍから約１０μｍの間の厚さｄを有することができる。
図２Ａおよび図２Ｂを参照すると、システム３００は、電極３０４、導体３１２および電源３１４を有するユニポーラ静電チャック（ＥＳＣ）３０１を含むことができる。幾つかの実施形態においては、ＥＳＣ３０１は、電極３０４を支持する誘電性ベース３０２を含む。電極３０４は、第一の基板３０３および／または基板アセンブリ３０７を受けるように構成された支持表面３１６を含むことができる。電源３１４は、電極３０４に結合され、電極３０４に電圧を供給するように構成され、導体３１２は、接地ソースＧに電気的に結合される。基板アセンブリ３０７は、電極３０４の支持表面３１６上に配置することができ、導体３１２は、誘電性バリア３２０に対向する基板アセンブリ３０７の一部と接触することができる。図２Ｂに図示された実施形態においては、第一の基板３０３は、電極３０４と接触し、第二の基板３０５は、導体３１２と接触する。
導体３１２は、コネクタ３１８を介して接地ソースＧに接続された単一の接触ピンまたはパッドとすることができる。導体３１２は、ＥＳＣ３０１に背を向ける基板アセンブリ３０７の表面のうちの全て、またはその一部と噛み合うように構成することができる。例えば、図２Ｂに図示されるように、導体３１２は、第二の基板３０５の表面の一部のみを被覆するパッドとすることができ、導体３１２は、第二の基板３０５の中心に配置することができる。他の実施形態においては、導体３１２は、第二の基板３０５のうちの他の如何なる部分とも接触することができ、および／または、導体３１２は、第二の基板と同一の寸法を有することができる（破線で図示される）。導体３１２は図２Ｂに図示された実施形態においては単一の接触パッドのみを含むが、他の実施形態においては、導体３１２は、第二の基板３０５にわたって所望の電流分布を提供するためのパターンで構成された複数のピン、パッドまたは他の導電性フィーチャを有することができる。他の実施形態においては、導体３１２は、あらゆる寸法、形状、および／または同心円状の環、多角形パッドのアレイなどの構成を有することができる。
従来のＥＳＣとは異なり、本技術のＥＳＣ３０１は、第一の基板３０３および／または基板アセンブリ３０７から電極３０４を分離する誘電層を有しない。換言すると、第一の基板３０３が支持表面３１６上にあるとき、第一の基板３０３は、電極３０４の支持表面３１６に誘電材料を取り付けることなく、電極３０４に直接接触する。幾つかの場合においては、第一の基板３０３の底部表面は、天然の酸化物膜を含み得るが、この膜は、非常に薄く（例えば、１０−２０Å）、このため、電極３０４と第一の基板３０３との間に無視できるほどの電気抵抗をもたらす。結果として、電極３０４に印加される電圧は、第一の基板３０３に直接通る。第一の基板３０３は、電極３０４に直接接触し、無視できるほどの内部抵抗を有するため、従来のバイポーラまたはマルチポーラＥＳＣは、システム３００で使用することができない。なぜなら、第一の基板が電極間の直接的な電気接触をもたらし、システムを短絡するためである。
動作においては、第一の基板３０３は、電極３０４と電気的に直接接触する支持表面３１６上に配置される。第二の基板３０５が第一の基板３０３上に既に配置されていない場合、第二の基板３０５は、第一の基板３０３上に手動またはロボット制御で配置することができる。例えば、図２Ｂに図示されるように、コネクタ３１８は、第二の基板３０５を支持することができ、第一の基板３０３の上に第二の基板３０５を動かすことができる導電性ロボットアームの形態とすることができる。ロボットアームは、所望の位置が達成されるまで、第二の基板３０５と噛み合って保持する、負の圧力源（図示せず）を一端に含むことができる。
いったん第二の基板３０５が第一の基板３０３とのボンディング用の位置に至ると、導体３１２は、第二の基板３０５と接触して配置することができる。電源３１４は、その後、電極３０４に電圧を印加するようにアクティブ化される。前述されたように、第一の基板３０３は、電極３０４の延長として動作する。なぜなら、第一の基板３０３は、二つの間の誘電材料なしで電極３０４と直接接触するからである。結果として、電荷は第一の基板３０３の上部表面３０３ａに、または上部表面３０３ａの近くに蓄積し、それによって、第二の基板３０５の底部表面３０５ａに、または底部表面３０５ａの近くに反対の電荷を蓄積させる。したがって、電位は、第一および第二の基板３０３、３０５の間の誘電性バリア３２０にわたって確立される。電位は、第一の基板３０３に向かって第二の基板３０５を引き付ける静電力Ｆを生成し、第一および第二の基板３０３、３０５の間の結合を強化する。
システム３００によって生成される静電力Ｆは、従来のシステムの静電力よりも顕著に大きい。なぜなら、静電力Ｆは第一の基板との電気的接触を改善し、第一および第二の基板３０３、３０５の間の誘電性距離を減少させるからである。静電力Ｆの大きさは、以下の式（１）によって決定することができる。
ここで、ｋは誘電率である。
ｄは誘電体の厚さである。
Ｖは印加電圧である。
式（１）によって示されるように、誘電体の厚さｄが小さくなるほど、および／または、印加電圧Ｖが大きくなるほど、静電力Ｆは大きくなる。このように、静電力Ｆの大きさは、印加電圧Ｖおよび／または誘電体の厚さｄを調整することによって制御することができる。幾つかの実施形態においては、システム３００は、印加電圧Ｖを調整することによって静電力Ｆの大きさ、期間および／またはタイミングを自動的に制御するコントローラ（図示せず）を含むことができる。
システム３００および関連する方法は、外部機械力を適用する強化用基板ボンディングの従来の方法に対する幾つかの利点を提供することが期待される。第一に、システム３００によって達成される静電力Ｆの大きさは、従来の機械力の適用によって課される圧縮力よりもかなり大きい。例示として、６インチのウェーハにおいて、機械力生成デバイスは、最大１００ｋＮの力を適用することができるが、現在のシステムは、２００ｋＮよりも大きい静電力Ｆを生成することができる。また、従来の方法およびシステムとは対照的に、システム３００は、基板３０３、３０５にわたって静電力Ｆを均等に分散することができる。上記の式（１）によって明らかとなるように、静電力Ｆの大きさは、二つの変数にのみ依存する。その変数とは、印加電圧Ｖおよび誘電体の厚さｄである。印加電圧Ｖおよび誘電体の厚さｄの双方は、基板３０３、３０５の断面領域にわたって本来一定である。さらに、機械的圧縮力を使用する従来の方法においては、取り扱い基板および／または基板アセンブリは、ある機械から次の機械へと動かされなければならない、ならびに／または、力を生成する機械は、取り扱い基板および／または基板アセンブリの近辺へと動かされなければならない。しかしながら、本システムは、機械または基板の如何なる移動も必要とせず、印加電圧を調整することによってボンディングの強化を達成することができる。このように、本技術のシステム３００は、より低いコストかつより高いスループットで動作することができる。
図３は、本技術により構成されたボンディングシステム４００（“システム４００”）の別の実施形態の断面側面図である。第一の基板４０３、第二の基板４０５およびＥＳＣ４０１は、図２Ａおよび図２Ｂに記述された第一の基板３０３、第二の基板３０５およびＥＳＣ３０１にほぼ類似し得、類似の参照番号がそのコンポーネントを称する。しかしながら、図３に図示されるように、導電性ピンまたはパッドの形態で導体を有する代わりに、システム４００は、プラズマソース４２４と、プラズマガスＰに電気的に結合された導体４２３を画定するプラズマガスＰで充填されたプラズマチャンバ４２２と、を含む。プラズマガスＰもまた導体であるように、プラズマガスＰは導電性を有する。導体４２３は、例えば、電気的素子４１２（例えば、アンテナ、電極など）を介して接地ソースＧに電気的に接続することができる。図３に図示されるように、プラズマチャンバ４２２は、第二の基板４０５の少なくとも一部の周辺に延びる。このように、第一の基板４０３および／または電極４０４は、プラズマチャンバ４２２から電気的に絶縁される。
プラズマガスＰは、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、窒素（Ｎ２）などの希ガスで、容易にイオン化されるプラズマガスとすることができる。プラズマソース４２４は、誘導結合プラズマ（“ＩＣＰ”）ソース、マイクロ波、ラジオ周波数（“ＲＦ”）ソースおよび／または他の適切なソースとすることができる。バルク内のプラズマガスは、仮想導体として機能する。プラズマガスＰがプラズマチャンバ４２２内に解放されると、プラズマガスＰは、第二の基板４０５を帯電させる。電源４１４のアクティブ化によって、誘電性バリア４２０にわたる電位差を生成し、それによって、基板４０３、４０５の間の静電力Ｆを生成する。
幾つかの実施形態においては、システム４００は、プラズマガスを下方に引き込むプラズマチャンバ４２２に接続された真空ソース４２６も含むことができる。システム４００は、電力調整器（例えば、整流器、フィルタなど）、圧力センサ、および／または他の適切な機械的／電気的コンポーネントなどの、真空チャンバシステムに典型的に関連する追加の特徴も含むことができる。
システム４００は、システム３００を参照して上述された利点を含む、従来システムに対する幾つかの利点を提供する。さらに、システム４００は、加圧、密閉されたプラズマチャンバ４２２においてボンディングの強化が実行されるときの汚染を減少することができる。
上述されたシステムおよび方法のうちの任意のシステムおよび方法は、基板処理を促進するために追加の特徴を含むことができる。例えば、上記のシステムのうちの任意のシステムは、システムから基板を乗せたり、取り外したりするためのリフトピンおよび／または移送ロボットアームなど、ボンディングおよび／または層移送プロセスを自動化するための一つ以上の特徴を含むことができる。
前述から、本発明の特定の実施形態が例示として本明細書に記述されてきたが、本発明の範囲から逸脱することなく種々の改変が行われてもよいことを理解されるだろう。したがって、本発明は添付の請求項以外に限定されることはない。
Claims (9)
- 第一及び第二の基板を有する基板アセンブリをユニポーラ静電チャック（“ＥＳＣ”）に配置することであって、前記ＥＳＣの電極の表面上に前記第一の基板を直接配置することと、前記第二の基板が前記第一の基板とのボンディング用の位置に至るように前記第二の基板を前記第一の基板上に配置することを含む、前記基板アセンブリを前記ＥＳＣに配置することと、
前記第二の基板が前記第一の基板とのボンディング用の位置に至ると、前記第二の基板に導体を接触して配置することと、
前記導体を前記第二の基板に接触して配置した後に、前記ＥＳＣの前記電極に電位を印加して前記第二の基板を引き付ける静電力であって、式（１）で示される前記静電力を生成し、前記第一および第二の基板の間の結合を強化することと、
を含み、
前記式（１）は、
であり、前記式（１）において、Ｆは前記静電力であり、ｋは、前記第二の基板に接触する前記第一の基板中の第一の酸化物層と前記第一の基板に接触する前記第二の基板中の第二の酸化物層とから形成される誘電性バリアの誘電率であり、ｄは前記誘電性バリアの誘電体の厚さであり、Ｖは前記誘電性バリアに渡って確立される電位である、
方法。 - 前記第一の基板は、前記電極と直接接触する第一の面と、前記第一の酸化物層が設けられた第二の面を有し、
前記第二の基板は、前記導体と接触する第一の面と、前記第二の酸化物層が設けられた第二の面を有し、
前記第一の基板及び第二の基板の間の結合は、前記第一の基板の前記第一の酸化物層と前記第二の基板の前記第二の酸化物層が結合することである、
請求項１に記載の方法。 - 前記第一の基板の前記第二の面で、または前記第二の面の近くで第二の電荷を蓄積することによって、前記第二の基板の前記第一の面で、または前記第一の面の近くで第一の電荷を蓄積することをさらに含み、前記第一の電荷および前記第二の電荷は反対である、
請求項２に記載の方法。 - 前記第二の基板を前記第一の基板に向かって、少なくとも２００ｋＮの力で押し付けることをさらに含む、
請求項１に記載の方法。 - 前記電極に印加された前記電圧を調整することによって、前記第一および第二の基板の間の前記静電力を調整することをさらに含む、
請求項１に記載の方法。 - 前記第一の基板の前記第二の面および前記第二の基板の前記第一の面にわたって、前記静電力を均一に分散することをさらに含む、
請求項２に記載の方法。 - 前記導体はコンタクトパッドを含み、前記導体を前記第二の基板に接触して配置することは、前記第二の基板と直接接触する前記コンタクトパッドを配置することを含む、
請求項１に記載の方法。 - 前記導体はプラズマガスを含み、前記導体を前記第二の基板に接触して配置することは、前記プラズマガスが前記第二の基板に接触する間に前記プラズマガスを電気的にバイアスすることを含む、
請求項１に記載の方法。 - 前記第一の基板に前記第二の基板を押し付ける間に、加圧されたチャンバ内に前記基板アセンブリを密封することをさらに含む、
請求項１に記載の方法。
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