JP6986105B2 - Permanent bonding method of wafer - Google Patents

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Description

本発明は、態様1に記載の、第1の基板の第1の接触面を、第2の基板の第2の接触面に接合する方法に関する。 The present invention relates to the method of joining the first contact surface of the first substrate to the second contact surface of the second substrate according to the first aspect.

基板の永久、または不可逆的な接合における目的は、基板の2つの接触面間のできる限り強固で、かつ特に不可逆的な相互連結、したがって高い接合力を生じさせることである。従来技術において、こうした接合のための様々な手法および製造方法がある。 The purpose of permanent or irreversible bonding of substrates is to produce the strongest possible and particularly irreversible interconnection between the two contact surfaces of the substrate, and thus high bonding force. In the prior art, there are various methods and manufacturing methods for such joining.

今日まで行われてきた既知の製造方法および手法では、再現が不可能であったり、または十分に再現することが不可能であったりすることが多く、特に条件が変わると、ほとんど応用することができない。特に、現在使用されている製造方法では、再現可能な結果を確保するために、特に400℃を超える高温が使用されることが多い。 Known manufacturing methods and methods that have been practiced to date are often impossible or fully reproducible, and can be mostly applied, especially when conditions change. Can not. In particular, currently used manufacturing methods often use high temperatures, especially above 400 ° C., to ensure reproducible results.

エネルギー消費量が高い、および基板上に存在する構造体が破壊する恐れがある、などの技術的問題は、今日まで高い接合力に必要とされてきている、部分的には300℃をはるかに超える高温の結果、生じるものである。下記の特許文献1には低温接合する方法が示されている。さらなる接合方法は、下記の特許文献1〜8に示されている。 Technical problems such as high energy consumption and the risk of destroying the structures present on the substrate have been required for high bonding forces to date, partly well above 300 ° C. It is the result of higher temperatures. The following Patent Document 1 shows a method of low temperature bonding. Further joining methods are shown in Patent Documents 1 to 8 below.

他の要求には、以下のものがある
− ライン前工程(front-end-of-line)の相互適合性
これは、電気的に能動の構成要素の製造中の、工程の相互適合性として定義される。したがって、接合工程は、構造体ウエハ上に既に存在するトランジスタなどの能動構成要素が、処理中に悪影響を受けることなく、また損傷を被ることもないように設計しなければならない。相互適合性の判定基準には、(主にCMOS構造体では)主に化学元素の純度、および主に熱応力による機械的耐荷力が含まれる。
− 低汚染
− 加力なし
Other requirements include-front-end-of-line intercompatibility, which is defined as process intercompatibility during the manufacture of electrically active components. Will be done. Therefore, the joining process must be designed so that active components such as transistors already present on the structure wafer are not adversely affected or damaged during processing. Criteria for intercompatibility include mainly the purity of chemical elements (mainly in CMOS structures) and mainly mechanical load bearing capacity due to thermal stress.
− Low pollution − No force

接合力が低下すると、構造体ウエハをより慎重に取り扱う必要が生じ、したがって直接的な機械的荷重による破損確率が低減する。 The reduced bonding force requires more careful handling of the structural wafers, thus reducing the probability of breakage due to direct mechanical loads.

国際公開第01/61743号パンフレットInternational Publication No. 01/61743 Pamphlet 米国特許出願公開第2003/0089950号明細書U.S. Patent Application Publication No. 2003/809950 米国特許出願公開第2002/0048900号明細書U.S. Patent Application Publication No. 2002/0048900 米国特許出願公開第2008/0006369号明細書U.S. Patent Application Publication No. 2008/0006369 米国特許第5451547号明細書U.S. Pat. No. 5,451,547 欧州特許出願公開第0584778号明細書European Patent Application Publication No. 0584778 米国特許第5427638号明細書U.S. Pat. No. 5,427,638 特開平5‐166690号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 5-166690

したがって、本発明の目的は、できる限り高い接合力を有する永久接合を慎重に製造する方法を考え出すことである。 Therefore, it is an object of the present invention to devise a method for carefully manufacturing a permanent bond having the highest possible bonding force.

この目的は、態様1に記載の特徴によって達成される。本発明の有利な発展形態が、従属する態様に記載されている。本明細書、特許請求の範囲、および図面のうちの少なくとも1つに記載の特徴の少なくとも2つのあらゆる組合せもやはり、本発明の枠組みの範囲内に含まれる。所与の値範囲において、指示された限定範囲内にある値はまた、境界値として開示されるものであり、いかなる組合せでも特許請求されるものである。 This object is achieved by the features described in aspect 1. Advantageous developments of the invention are described in subordinate embodiments. Any combination of at least two of the features described herein, claims, and at least one of the drawings is also within the framework of the invention. Within a given value range, values within the indicated limits are also disclosed as boundary values and are claimed in any combination.

本発明の基礎となる着想は、少なくとも基板の一方の上に、第1の原料を保持するための貯留部を考え出すことであり、その第1の原料を、他方の基板中に存在する第2の原料を有する基板間で接触させた後に、または仮接合させた後に反応させ、それによって基板間で不可逆的な接合、または永久接合を形成することである。第1の接触面上の一表面層中に貯留部を形成する前、または後に、概して基板の洗浄が、特にフラッシングステップによって行われる。この洗浄は、概して、表面上に粒子が確実に存在しないようにするものでなければならず、こうした粒子が存在すると、接合されない箇所が生じることになる。貯留部、および貯留部内に含まれる原料によって、仮接合または可逆接合を形成した後に、接触面上で直接、永久接合を強化し、かつ接合速度を制御した形で増大させる反応が、特に接触面の少なくとも一方、好ましくは貯留部に対向した接触面を前記反応により変形させることによって、誘発されるという技術的可能性が得られる。 The underlying idea of the present invention is to come up with a reservoir for holding the first raw material on at least one of the substrates, and the first raw material is present in the other substrate. The reaction is carried out after the substrates having the raw materials of the above are brought into contact with each other or after being temporarily bonded to form an irreversible bond or a permanent bond between the substrates. Cleaning of the substrate is generally performed, especially by the flushing step, before or after forming the reservoir in one surface layer on the first contact surface. This cleaning should generally ensure that the particles are not present on the surface, and the presence of such particles will result in unbonded spots. After the temporary or reversible junction is formed by the reservoir and the raw materials contained in the reservoir, the reaction that strengthens the permanent junction directly on the contact surface and increases the junction speed in a controlled manner is particularly the contact surface. At least one of the above, preferably, the technical possibility of being induced by deforming the contact surface facing the reservoir by the reaction is obtained.

基板間で仮接合または可逆接合を形成するための仮接合ステップとして、基板の接触面間で弱い相互作用を生じる目的で、様々な可能性がある。仮接合の強度は、永久接合の強度よりも低く、少なくとも1/2から1/3、特に1/5、好ましくは1/15、さらに好ましくは1/25の低さである。指針値として、純粋な非活性化親水性化シリコンの仮接合強度は約100mJ/m2、純粋なプラズマ活性化親水性化シリコンの仮接合強度は約200〜300mJ/m2である。分子濡れ(molecule−wetted)基板間の仮接合は、基板の異なる側の分子間でのファンデルワールス相互作用により実現される。したがって、主に永久双極子モーメントを有する分子が、ウエハ間の仮接合を可能とするのに適している。以下の化学化合物を相互連結剤として例によって挙げるが、それだけに限られるものではない。
− 水
− チオール
− AP3000
− シラン、および/または
− シラノール
There are various possibilities for the purpose of creating a weak interaction between the contact surfaces of the substrates as a temporary bonding step for forming a temporary or reversible bond between the substrates. The strength of the temporary bond is lower than the strength of the permanent bond, which is at least 1/2 to 1/3, particularly 1/5, preferably 1/15, and more preferably 1/25. As a guide value, the provisional bonding strength pure deactivation hydrophilic silicon is about 100 mJ / m 2, the temporary bonding strength of a pure plasma activation hydrophilic silicon is about 200~300mJ / m 2. Temporary bonding between molecular-wetted substrates is achieved by van der Waals interactions between molecules on different sides of the substrate. Therefore, molecules with predominantly permanent dipole moments are suitable for allowing temporary bonding between wafers. The following chemical compounds are given as examples as interconnectors, but are not limited thereto.
− Water − Thiol − AP3000
− Silane and / or − Silanol

本発明に係る適切な基板は、その材料が、原料として、別に供給された原料と反応して、より高いモル体積を有する生成物を形成することが可能であり、その結果基板上に成長層が形成される基板である。以下の組合せが特に有利であり、矢印の左側は原料が挙げられており、矢印の右側は生成物が挙げられているが、挙げた原料と反応する供給された原料、または副生成物は個別に挙げていない。
− Si→SiO2、Si34、SiNxy
− Ge→GeO2、Ge34
− α−Sn→SnO2
− B→B23、BN
− Se→SeO2
− Te→TeO2、TeO3
− Mg→MgO、Mg32
− Al→Al23、AlN
− Ti→TiO2、TiN
− V→V25
− Mn→MnO、MnO2、Mn23、Mn27、Mn34
− Fe→FeO、Fe23、Fe34
− Co→CoO、Co34
− Ni→NiO、Ni23
− Cu→CuO、Cu2O、Cu3
− Zn→ZnO
− Cr→CrN、Cr236、Cr3C、Cr73、Cr32
− Mo→Mo32
− Ti→TiC
− Nb→Nb43
− Ta→Ta43
− Zr→ZrC
− Hf→HfC
− V→V43、VC
− W→W2C、WC
− Fe→Fe3C、Fe73、Fe2
A suitable substrate according to the present invention is capable of reacting the material as a raw material with a separately supplied raw material to form a product having a higher molar volume, resulting in a growth layer on the substrate. Is the substrate on which is formed. The following combinations are particularly advantageous, with raw materials listed on the left side of the arrow and products listed on the right side of the arrow, but the supplied raw materials or by-products that react with the listed raw materials are individual. Not listed in.
− Si → SiO 2 , Si 3 N 4 , SiN x O y
− Ge → GeO 2 , Ge 3 N 4
− Α − Sn → SnO 2
− B → B 2 O 3 , BN
− Se → SeO 2
− Te → TeO 2 , TeO 3
− Mg → MgO, Mg 3 N 2
− Al → Al 2 O 3 , Al N
− Ti → TIO 2 , TiN
− V → V 2 O 5
− Mn → MnO, MnO 2 , Mn 2 O 3 , Mn 2 O 7 , Mn 3 O 4
− Fe → FeO, Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4
− Co → CoO, Co 3 O 4
− Ni → NiO, Ni 2 O 3
− Cu → CuO, Cu 2 O, Cu 3 N
− Zn → ZnO
− Cr → CrN, Cr 23 C 6 , Cr 3 C, Cr 7 C 3 , Cr 3 C 2
− Mo → Mo 3 C 2
− Ti → TiC
− Nb → Nb 4 C 3
− Ta → Ta 4 C 3
− Zr → ZrC
− Hf → HfC
− V → V 4 C 3 , VC
− W → W 2 C, WC
− Fe → Fe 3 C, Fe 7 C 3 , Fe 2 C

基板として、以下の半導体の混合形式もやはり考えられる。
− III−V:GaP、GaAs、InP、InSb、InAs、GaSb、GaN、AlN、InN、AlxGa1-xAs、InxGa1-x
− IV−IV:SiC、SiGe
− III−IV:InAlP
− 非線形光学系:LiNbO3、LiTaO3、KDP(KH2PO4
− 太陽電池:CdS、CdSe、CdTe、CuInSe2、CuInGaSe2、CuInS2、CuInGaS2
− 導電酸化物:In2-xSnx3-y
As a substrate, a mixed type of the following semiconductors is also conceivable.
-III-V: GaP, GaAs, InP, InSb, InAs, GaSb, GaN, AlN, InN, Al x Ga 1-x As, In x Ga 1-x N
-IV-IV: SiC, SiGe
-III-IV: InAlP
-Nonlinear optics: LiNbO 3 , LiTaO 3 , KDP (KH 2 PO 4 )
-Solar cells: CdS, CdSe, CdTe, CuInSe 2 , CuInGaSe 2 , CuInS 2 , CuInGaS 2
-Conductive oxide: In 2-x Sn x O 3-y

本発明で特許請求するように、ウエハの少なくとも一方の上、かつそれぞれの接触面上に直接、体積膨張反応のために供給される原料の少なくとも1つをある量で貯留することができる貯留部がある。したがって、原料は、例えばO2、O3、H2O、N2、NH3、H22などでよい。特に酸化物成長によって生じる膨張のため、系のエネルギーを低減させる反応パートナの傾向に基づいて、接触面間の考えられ得る間隙、孔、およびキャビティが最小化され、したがってこれらの領域における基板間の距離が狭くなることによって、接合力が増大する。考えられ得る最良のケースでは、既存の間隙、孔、およびキャビティは完全に閉じ、その結果、全体的な接合面積が増大し、それに応じて接合力が本発明で特許請求するように高まる。 As claimed in the present invention, a storage unit capable of storing at least one of the raw materials supplied for the volume expansion reaction directly on at least one of the wafers and on each contact surface in a certain amount. There is. Therefore, the raw material may be, for example, O 2 , O 3 , H 2 O, N 2 , NH 3 , H 2 O 2 , or the like. Possible gaps, holes, and cavities between contact surfaces are minimized, and thus between substrates in these regions, based on the tendency of reaction partners to reduce the energy of the system, especially due to the expansion caused by oxide growth. As the distance decreases, the bonding force increases. In the best possible case, the existing gaps, holes, and cavities are completely closed, resulting in an increase in the overall bonding area and correspondingly increased bonding force as claimed in the present invention.

接触面は通常、二乗平均平方根粗さ(Rq)0.2nmの粗さを示す。これは、1nmの範囲の表面のピーク対ピーク値に対応する。これらの経験値は、原子間力顕微鏡法(AFM)を用いて求められた。 The contact surface usually exhibits a root mean square roughness (Rq) of 0.2 nm. This corresponds to a peak-to-peak value on the surface in the 1 nm range. These empirical values were determined using atomic force microscopy (AFM).

本発明で特許請求する反応は、直径が200から300mmの、水の単分子層(ML)を1層有する従来の円形ウエハのウエハ表面で、成長層を0.1から0.3nmまでだけ成長させることを可能とするのに適している。 The reaction claimed in the present invention is the wafer surface of a conventional circular wafer having a diameter of 200 to 300 mm and having one single molecular layer (ML) of water, in which the growth layer is grown only from 0.1 to 0.3 nm. Suitable for making it possible.

したがって、本発明で特許請求するように、特に、少なくとも2ML、好ましくは少なくとも5ML、さらに好ましくは10MLの流体、特に水が、貯留部内に貯留される。 Therefore, as claimed in the present invention, in particular, at least 2 ML, preferably at least 5 ML, more preferably 10 ML of fluid, particularly water, is stored in the reservoir.

プラズマ曝露によって貯留部を形成することが特に好ましく、その理由は、プラズマ曝露によって、相乗効果として、接触面の平滑化、および親水性化がさらに生じるからである。表面は、プラズマ活性化により、主に表面層の材料の粘性流動によって平滑化される。親水性の増大は、特にシリコン水酸基結合の増大、好ましくはSi−O−Siなどの表面上に存在するSi−O結合が、特に下記の化学式(1)に示す反応に従って分解することによって、生じる。 It is particularly preferable to form the reservoir by plasma exposure, because plasma exposure further results in smoothing and hydrophilicization of the contact surface as a synergistic effect. The surface is smoothed by plasma activation, mainly by the viscous flow of the surface layer material. The increase in hydrophilicity is caused by an increase in silicon hydroxyl group bonds, particularly by decomposition of Si—O bonds present on the surface of Si—O—Si or the like, particularly according to the reaction represented by the following chemical formula (1). ..

Figure 0006986105
Figure 0006986105

特に上述の作用の結果として得られる別の副次的作用は、仮接合強度が特に2から3倍だけ向上することにある。 In particular, another side effect obtained as a result of the above-mentioned action is that the temporary bonding strength is particularly improved by 2 to 3 times.

第1の基板の第1の接触面上の表面層中の貯留部は、例えば熱酸化物でコーティングされた第1の基板のプラズマ活性化によって形成される。プラズマ活性化は、プラズマに必要となる条件を調節することができるように、真空チャンバ内で実行される。本発明で特許請求するように、プラズマ放電として、N2ガス、O2ガス、またはアルゴンガスが、イオンエネルギーが0から2000eVの範囲で使用され、その結果、貯留部が、処理表面、この場合は第1の接触面の深さ20nmまで、好ましくは15nmまで、より好ましくは10nmまで、最も好ましくは5nmまでに形成される。本発明で特許請求するように、貯留部を形成するのに適したそれぞれの粒子タイプ、原子、および分子のうちの少なくとも1つを使用することができる。好ましくは、貯留部が必要な特性を備えるように形成することができる原子若しくは分子、またはその両方が使用される。関連する特性には、主に孔径、孔分布、および孔密度がある。あるいは、本発明で特許請求するように、例えば空気、または95%のArと5%のH2とからなるフォーミングガス等のような混合ガスを使用することができる。使用されるガスに依存して、プラズマ処理中の貯留部内にはとりわけN+、N2 +、O+、O2 +、Ar+のイオンが存在する。第1の原料は、占有されていないフリースペースに収容することができる。 The reservoir in the surface layer on the first contact surface of the first substrate is formed, for example, by plasma activation of the first substrate coated with a thermal oxide. Plasma activation is performed in a vacuum chamber so that the conditions required for the plasma can be adjusted. As patented in the present invention, N 2 gas, O 2 gas, or argon gas is used as the plasma discharge in the range of 0 to 2000 eV ionic energy, resulting in the reservoir being the treated surface, in this case. Is formed up to a depth of 20 nm on the first contact surface, preferably up to 15 nm, more preferably up to 10 nm, and most preferably up to 5 nm. As claimed in the present invention, at least one of the respective particle types, atoms, and molecules suitable for forming the reservoir can be used. Preferably, atoms and / or molecules that can be formed so that the reservoir has the required properties are used. Related properties are primarily pore size, pore distribution, and pore density. Alternatively, as claimed in the present invention, air or a mixed gas such as a forming gas consisting of 95% Ar and 5% H 2 can be used, for example. Depending on the gas used, there are especially N + , N 2 + , O + , O 2 + , and Ar + ions in the reservoir during the plasma treatment. The first raw material can be accommodated in an unoccupied free space.

貯留部は、以下の考慮事項に基づいて形成される。孔径は、10nm未満、好ましくは5nm未満、より好ましくは1nm未満、さらに好ましくは0.5nm未満、最も好ましくは0.2nm未満である。 The reservoir is formed based on the following considerations. The pore diameter is less than 10 nm, preferably less than 5 nm, more preferably less than 1 nm, still more preferably less than 0.5 nm, and most preferably less than 0.2 nm.

孔密度は、好ましくは衝突作用によって孔を生じる粒子の密度に正比例し、最も好ましくは、衝突種の部分圧力によって、また、処理時間、および特に使用されるプラズマシステムのパラメータに依存して変動させることもできる。 The pore density is preferably directly proportional to the density of the particles that produce pores by impact, and most preferably varies depending on the partial pressure of the impact species and also depending on the processing time and, in particular, the parameters of the plasma system used. You can also do it.

孔分布は、好ましくは表面下で最も高い孔密度の少なくとも一領域を有し、いくつかのかかる領域のパラメータを変動させることによって、かかる領域は重なり合って、好ましくは平坦な形の領域になる(図7参照)。孔分布は、厚さが増すにつれてゼロへと低減していく。衝撃中の表面付近の領域は、表面付近の孔密度とほぼ同一の孔密度を有する。プラズマ処理の完了後、表面上の孔密度は、応力緩和機構の結果、低減し得る。厚さ方向の孔分布は、表面に対しては急勾配の側面を有し、バルクに対してはむしろより平坦であるが、連続的に低減している側面を有する(図7参照)。 The pore distribution preferably has at least one region with the highest pore density under the surface, and by varying the parameters of some such regions, the regions overlap to form a preferably flat-shaped region (preferably flat-shaped regions). See FIG. 7). The pore distribution decreases to zero as the thickness increases. The region near the surface during impact has a pore density approximately the same as the pore density near the surface. After the plasma treatment is complete, the pore density on the surface can be reduced as a result of the stress relaxation mechanism. The pore distribution in the thickness direction has steep sides to the surface and is rather flatter to the bulk, but has continuously diminishing sides (see FIG. 7).

孔径、孔分布、および孔密度に関しては、プラズマを用いて実施されないあらゆる方法にも同様の考慮事項があてはまる。 Similar considerations apply to any method that is not performed with plasma in terms of pore size, pore distribution, and pore density.

貯留部は、工程パラメータを制御して使用し、かつ組み合わせることによって設計することができる。図7は、プラズマによって注入された窒素原子の濃度を、酸化シリコン層中への浸透深さの関数として表示している。物理的パラメータを変動させることによって、2つのプロファイルを得ることが可能であった。第1のプロファイル11は、より高速に加速した原子が酸化シリコン内により深く入り込んだことによって形成され、これに対してプロファイル12は、工程パラメータをより低い密度に変更した後に形成されたものである。2つのプロファイルを重ね合わせると、曲線の和13が得られ、この曲線が貯留部の特性となる。注入された原子種若しくは分子種、またはその両方の濃度間の関係は、明白である。より高い濃度は、より欠陥の多い構造体の領域を示し、したがって後続の原料を収容する空間がより多くある。プラズマ活性化中、工程パラメータを専用の形で制御することによって、連続して変更することで、加えたイオンが深さにわたってできる限り一様に分布した貯留部を実現することが可能となる。 Reservoir can be designed by controlling, using and combining process parameters. FIG. 7 shows the concentration of nitrogen atoms injected by plasma as a function of the penetration depth into the silicon oxide layer. It was possible to obtain two profiles by varying the physical parameters. The first profile 11 is formed by the faster accelerated atoms penetrating deeper into the silicon oxide, whereas the profile 12 is formed after changing the process parameters to a lower density. .. By superimposing the two profiles, the sum 13 of the curves is obtained, and this curve becomes the characteristic of the reservoir. The relationship between the concentrations of the injected atomic and / or molecular species is clear. Higher concentrations indicate areas of the structure with more defects and therefore more space to accommodate subsequent raw materials. By controlling the process parameters in a dedicated manner during plasma activation, it is possible to realize a reservoir in which the added ions are distributed as uniformly as possible over the depth by continuously changing the process parameters.

貯留部として、あるいはプラズマによって形成される貯留部の代わりに、基板の少なくとも一方、少なくとも第1の基板上に、TEOS(テトラエチルオルソシリケート)酸化物層を使用することが考えられる。この酸化物は一般に熱酸化物ほど密ではなく、この理由で、本発明で特許請求するように圧縮するのに有利である。圧縮は、貯留部の規定された多孔率に調節する目的で、熱処理によって行われる。 It is conceivable to use a TEOS (tetraethyl orthosilicate) oxide layer on at least one of the substrates, at least on the first substrate, as a reservoir or instead of a reservoir formed by plasma. This oxide is generally not as dense as a thermal oxide, which is why it is advantageous to compress as claimed in the present invention. The compression is performed by heat treatment for the purpose of adjusting the porosity of the reservoir to the specified porosity.

本発明の一実施形態によれば、貯留部の充填は、特に有利には、第1の基板に対するコーティングとして貯留部を塗布することによって、貯留部の形成と同時に行うことができ、そのコーティングには第1の原料が既に含まれている。 According to one embodiment of the present invention, the filling of the reservoir can be performed at the same time as the formation of the reservoir by applying the reservoir as a coating to the first substrate, particularly advantageously, for the coating. Already contains the first raw material.

貯留部は、ナノメートル範囲の多孔率を有する多孔性層として、または10nm未満、より好ましくは5nm未満、さらに好ましくは2nm未満、最も好ましくは1nm未満、全ての中で最も好ましくは0.5nm未満のチャネル幅のチャネルを有する層として考えられる。 The reservoir is as a porous layer with porosity in the nanometer range, or less than 10 nm, more preferably less than 5 nm, even more preferably less than 2 nm, most preferably less than 1 nm, most preferably less than 0.5 nm of all. Can be considered as a layer having channels with a channel width of.

貯留部に第1の原料、または第1の原料群を充填するステップに関して、本発明で特許請求するように、以下の実施形態、またその組合せが考えられる。
− 貯留部を周囲雰囲気にさらすステップ
− 特に脱イオン化水でフラッシングするステップ
− 原料、特にH2O、H22、NH4OHを含有する流体、またはそれらの原料からなる流体でフラッシングするステップ
− 貯留部を任意のガス雰囲気、特に原子ガス、分子ガス、混合ガスにさらすステップ
− 貯留部を水蒸気、または過酸化水素蒸気を含有する雰囲気にさらすステップ、および
− 原料が既に充填された貯留部を、表面層として第1の基板上に堆積するステップ
Regarding the step of filling the reservoir with the first raw material or the first raw material group, the following embodiments and combinations thereof can be considered as claimed in the present invention.
− The step of exposing the reservoir to the surrounding atmosphere − The step of flushing with deionized water in particular − The step of flushing with the raw material, especially the fluid containing H 2 O, H 2 O 2 and NH 4 OH, or the fluid consisting of those raw materials. -Steps to expose the reservoir to any gas atmosphere, especially atomic gas, molecular gas, mixed gas-Steps to expose the reservoir to an atmosphere containing steam or hydrogen vapor, and-A reservoir already filled with raw materials. Is deposited on the first substrate as a surface layer.

化合物O2、O3、N2、NH3、H2O、H22、およびNH4OHのうちの少なくとも1つが、原料として考えられ得る。 At least one of the compounds O 2 , O 3 , N 2 , NH 3 , H 2 O, H 2 O 2 , and NH 4 OH can be considered as raw materials.

上記で述べた過酸化水素蒸気の使用は、水の使用に加えた好ましいバージョンとみなされる。過酸化水素は、より高い酸素対水素比率を有するという利点をさらに有する。さらに、過酸化水素は、ある温度を上回り、かつ/またはMHz範囲の高周波電磁界を使用すると、水素と酸素に解離する。 The use of hydrogen peroxide vapor mentioned above is considered a preferred version in addition to the use of water. Hydrogen peroxide further has the advantage of having a higher oxygen to hydrogen ratio. Furthermore, hydrogen peroxide dissociates into hydrogen and oxygen when a high frequency electromagnetic field above a certain temperature and / or in the MHz range is used.

本発明の有利な一実施形態によれば、成長層の形成、および不可逆的な接合の強化は、第1の原料が反応層に拡散することによって行われる。 According to one advantageous embodiment of the present invention, the formation of the growth layer and the strengthening of the irreversible bonding are carried out by diffusing the first raw material into the reaction layer.

本発明の別の有利な実施形態によれば、不可逆的な接合の形成は、典型的には300℃未満、有利には200℃未満、より好ましくは150℃未満、さらに好ましくは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、さらに好ましくは最大1時間、最も好ましくは最大15分間行われることが意図されている。 According to another advantageous embodiment of the invention, the formation of irreversible junctions is typically less than 300 ° C, preferably less than 200 ° C, more preferably less than 150 ° C, even more preferably less than 100 ° C. It is intended to be carried out most preferably at room temperature, in particular up to 12 days, more preferably up to 1 day, even more preferably up to 1 hour, most preferably up to 15 minutes.

本明細書では、不可逆的な接合が1.5J/m2超、特に2J/m2超、好ましくは2.5J/m2超の接合強度を有すると特に有利である。 In this specification, irreversible joining 1.5 J / m 2, greater than especially 2J / m 2 greater, preferably particularly advantageous with a bonding strength of 2.5 J / m 2 greater.

接合強度は、反応中に、本発明で特許請求するように、第2の原料のモル体積よりも大きいモル体積を有する生成物が、反応層中に形成されることによって、特に有利には増大させることができる。このようにして、第2の基板上で成長が引き起こされ、その結果、接触表面間の間隙を、本発明で特許請求するような化学反応によって閉じることができる。その結果、接触面間の距離、したがって平均距離が低減し、デッドスペースが最小限に抑えられる。 Bonding strength is particularly advantageously increased during the reaction by forming in the reaction layer a product having a molar volume greater than the molar volume of the second raw material, as claimed in the present invention. Can be made to. In this way, growth is triggered on the second substrate, and as a result, the gaps between the contact surfaces can be closed by a chemical reaction as claimed in the present invention. As a result, the distance between the contact surfaces, and thus the average distance, is reduced and dead space is minimized.

貯留部の形成が、プラズマ活性化によって、特に10から600kHzの間の活性化周波数、かつ/または0.075から0.2ワット/cm2の間の出力密度、かつ/または0.1から0.6mbarの間の圧力による加圧で行われる限り、接触面の平滑化、さらには接触面の親水性の明らかな増大などの追加の効果が得られる。 The formation of the reservoir is by plasma activation, especially with an activation frequency between 10 and 600 kHz, and / or an output density between 0.075 and 0.2 watts / cm 2 , and / or 0.1 to 0. Additional effects such as smoothing of the contact surface and a clear increase in the hydrophilicity of the contact surface can be obtained as long as it is carried out under pressure with a pressure of between .6 mbar.

あるいはその代わりに、本発明で特許請求する貯留部の形成は、特にある多孔率まで制御された形で圧縮された、テトラエトキシシラン酸化物層を表面層として用いることによって行うこともできる。 Alternatively, the formation of the reservoir claimed in the present invention can also be performed by using, in particular, a tetraethoxysilane oxide layer compressed in a controlled form to a certain porosity as the surface layer.

本発明の別の有利な実施形態によれば、表面層は、主に、特に本質的に完全に、特にアモルファス、特に熱酸化によって生成された二酸化シリコンからなり、反応層は、酸化可能材料、特に主に、好ましくは本質的に完全に、Si、Ge、InP、GaP、またはGaNからなることが意図されている。特に効果的に既存の間隙を閉じる特に安定した反応は、酸化によって可能となる。 According to another advantageous embodiment of the invention, the surface layer is mainly composed of silicon dioxide produced, especially essentially completely, especially amorphous, especially by thermal oxidation, and the reaction layer is an oxidizable material. In particular, it is intended primarily and preferably composed entirely of Si, Ge, InP, GaP, or GaN. A particularly stable reaction that closes existing gaps particularly effectively is made possible by oxidation.

本明細書では、本発明で特許請求するように、第2の接触面と反応層との間に、特に主に自然二酸化シリコンの成長層があると、特に有利である。この成長層は、本発明で特許請求する反応によって生じる成長を受ける。この成長は、遷移Si−SiO2(7)から、アモルファスSiO2の再形成によって進行し、それによって成長層の、特に反応層との境界面上で、かつ特に第1の接触面と第2の接触面との間の間隙領域での変形、特に膨れが生じる。このため、2つの接触面間の距離が低減し、またはデッドスペースが低減し、その結果、2つの基板間の接合強度が増大する。200から400℃の間の温度、好ましくは約200℃から150℃、より好ましくは150℃から100℃の間の温度、最も好ましくは100℃から室温の間の温度が特に有利である。 As claimed herein, it is particularly advantageous to have a growth layer of predominantly natural silicon dioxide between the second contact surface and the reaction layer. This growth layer undergoes growth caused by the reaction claimed in the present invention. This growth proceeds from the transition Si-SiO 2 (7) by the reformation of the amorphous SiO 2 , whereby on the interface of the growing layer, especially with the reaction layer, and especially with the first contact surface and the second. Deformation, especially swelling, occurs in the gap region between the contact surface of the silicon. Therefore, the distance between the two contact surfaces is reduced or the dead space is reduced, and as a result, the bonding strength between the two substrates is increased. Temperatures between 200 and 400 ° C., preferably between about 200 ° C. and 150 ° C., more preferably between 150 ° C. and 100 ° C., most preferably between 100 ° C. and room temperature are particularly advantageous.

本明細書では、不可逆的な接合を形成する前に、成長層が0.1nmから5nmの間の平均厚さAを有すると特に有利である。成長層が薄いほど、成長層を介した第1の原料と第2の原料との間の反応が、特に第1の原料が成長層を介して反応層に拡散することによって、より迅速かつ容易に行われる。 It is particularly advantageous herein that the growth layer has an average thickness A between 0.1 nm and 5 nm before forming an irreversible bond. The thinner the growth layer, the faster and easier the reaction between the first and second raw materials via the growth layer, especially by diffusing the first raw material into the reaction layer via the growth layer. Will be done in.

本発明の一実施形態によれば、貯留部の形成は、真空中で実行されると有利である。したがって、望ましくない材料または化合物によって貯留部が汚染されるのを回避することができる。 According to one embodiment of the invention, the formation of reservoirs is advantageous if carried out in vacuum. Therefore, it is possible to prevent the reservoir from being contaminated by unwanted materials or compounds.

本発明の別の実施形態では、貯留部の充填は、
− 雰囲気中の湿気若しくは空気中に含まれる酸素、またはその両方を貯留部に充填するために、第1の接触面を雰囲気にさらすステップ、
− 第1の接触面を、特に主に、好ましくはほぼ完全に、特に脱イオン化H2O若しくはH22、またはその両方からなる流体にあてるステップ、
− 第1の接触面を、N2ガス、O2ガス、Arガス、およびフォーミングガス、特に95%のArと5%のH2とからなるフォーミングガスのうちの少なくとも1つに、特にイオンエネルギーが0から2000eVの範囲であてるステップ、
− 貯留部を充填するために、先に名前を挙げたいずれかの原料を蒸発させるステップ
のうちの1つまたは複数のステップによって行われる。
In another embodiment of the invention, the filling of the reservoir is
-A step of exposing the first contact surface to the atmosphere in order to fill the reservoir with moisture in the atmosphere and / or oxygen contained in the air.
-A step in which the first contact surface is exposed to a fluid consisting particularly primarily, preferably almost completely, particularly deionized H 2 O and / or H 2 O 2.
-First contact surface with at least one of N 2 gas, O 2 gas, Ar gas, and forming gas, especially forming gas consisting of 95% Ar and 5% H 2 , especially ion energy. Steps in the range of 0 to 2000 eV,
-Performed by one or more of the steps of evaporating any of the previously named raw materials to fill the reservoir.

貯留部は、好ましくは0.1nmから25nmの間、より好ましくは0.1nmから15nmの間、さらには好ましくは0.1nmから10nmの間、最も好ましくは0.1nmから5nm間の厚さRで形成すると、特に工程順序のために有効である。さらに、本発明の一実施形態によれば、不可逆的な接合を形成する直前の貯留部と反応層との間の平均距離Bが、0.1nmから15nmの間、特に0.5nmから5nmの間、好ましくは0.5nmから3nmの間であると、有利である。 The reservoir is preferably between 0.1 nm and 25 nm, more preferably between 0.1 nm and 15 nm, more preferably between 0.1 nm and 10 nm, and most preferably between 0.1 nm and 5 nm. Formed in, is particularly useful for process sequences. Further, according to one embodiment of the present invention, the average distance B between the reservoir and the reaction layer immediately before forming an irreversible junction is between 0.1 nm and 15 nm, particularly between 0.5 nm and 5 nm. Between, preferably between 0.5 nm and 3 nm, is advantageous.

本発明で特許請求する本方法を実施するための装置は、貯留部を形成するためのチャンバ、貯留部を充填するために特に別途設けられたチャンバ、および仮接合を形成するために特に別途設けられたチャンバで形成され、これらのチャンバは全て、真空システムを介して互いに直接連結されている。 The device for carrying out the method claimed in the present invention is provided in particular for forming a reservoir, a chamber specifically provided for filling the reservoir, and a temporary junction. The chambers are formed and all of these chambers are directly connected to each other via a vacuum system.

別の実施形態では、貯留部の充填はまた、雰囲気によって直接行うこともでき、したがって雰囲気に開放することができるチャンバ内で行うことも、または外被を有しないが、半自動的、かつ/または完全に自動的にウエハを扱うことができる構造体上で簡単に行うこともできる。 In another embodiment, the reservoir filling can also be done directly by the atmosphere and thus in a chamber that can be open to the atmosphere, or without a wafer, but semi-automatically and / or. It can also be easily done on a structure that can handle the wafer completely automatically.

本発明の他の利点、特徴、および詳細は、例示的な好ましい実施形態の以下の説明、および図面を用いることによって明白となるであろう。 Other advantages, features, and details of the invention will be apparent by using the following description and drawings of exemplary preferred embodiments.

第1の基板を第2の基板と接触させた直後の、本発明で特許請求する方法の第1のステップを示す図である。It is a figure which shows the 1st step of the method of claiming a patent in this invention immediately after contacting a 1st substrate with a 2nd substrate. より高い接合強度を形成するための、本発明で特許請求する方法の他のステップを示す図である。It is a figure which shows the other step of the method of claiming a patent in this invention for forming a higher bond strength. より高い接合強度を形成するための、本発明で特許請求する方法の他のステップを示す図である。It is a figure which shows the other step of the method of claiming a patent in this invention for forming a higher bond strength. 図1、図2aおよび図2bに記載のステップに続く、基板の接触面が接触している、本発明で特許請求する方法の別のステップを示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating another step of the method of claiming the invention, in which the contact surfaces of the substrates are in contact, following the steps described in FIGS. 1, 2a and 2b. 基板間で不可逆的な接合/永久接合を形成するための、本発明で特許請求するステップを示す図である。It is a figure which shows the step which claims the patent in this invention for forming an irreversible bond / permanent bond between substrates. 図3および図4に記載のステップ中に、2つの接触面上で進行している化学/物理的工程の拡大図である。3 is an enlarged view of a chemical / physical process going on on two contact surfaces during the steps described in FIGS. 3 and 4. 図3および図4に記載のステップ中に、2つの接触面の間の境界面上で進行している化学/物理的工程の別の拡大図である。3 is another magnified view of the chemical / physical process proceeding on the interface between the two contact surfaces during the steps described in FIGS. 3 and 4. 本発明で特許請求する貯留部の製造を示すグラフである。It is a graph which shows the manufacture of the storage part which claims the patent in this invention.

図中、同じ構成要素/機構、および同じ作用を有する構成要素/機構は、同じ参照番号で識別する。 In the figure, the same component / mechanism and the component / mechanism having the same action are identified by the same reference number.

図1に示す状況では、仮接合ステップ中、またはその直後に、第1の基板1の第1の接触面3と、第2の基板2の第2の接触面4との間で進行する化学反応の一部のみを示す。この表面は、終端が極性OH基であり、したがって親水性である。第1の基板1と、第2の基板2とは、表面上に存在するOH基と、H2O分子との間の水素結合による引力、およびH2O分子単独間での水素結合による引力によって保持されている。少なくとも第1の接触面3の親水性は、先行するステップにおける第1の接触面3のプラズマ処理によって増大している。 In the situation shown in FIG. 1, the chemistry that progresses between the first contact surface 3 of the first substrate 1 and the second contact surface 4 of the second substrate 2 during or immediately after the temporary joining step. Only part of the reaction is shown. This surface has polar OH groups at the ends and is therefore hydrophilic. The first substrate 1 and the second substrate 2 have an attractive force due to a hydrogen bond between an OH group existing on the surface and an H 2 O molecule, and an attractive force due to a hydrogen bond between the H 2 O molecule alone. Held by. At least the hydrophilicity of the first contact surface 3 is increased by the plasma treatment of the first contact surface 3 in the preceding step.

熱二酸化シリコンからなる表面層6中の貯留部5が、本発明で特許請求するようにプラズマ処理によって形成されている。O2イオンを用い、イオンエネルギーが0から2000eVの間の範囲でプラズマ処理することによって、貯留部5の平均厚さRが約15nmとなり、イオンによって、表面層6中にチャネルまたは孔が形成される。 The reservoir 5 in the surface layer 6 made of hot silicon dioxide is formed by plasma treatment as claimed in the present invention. Plasma treatment with O 2 ions in the ion energy range of 0 to 2000 eV results in an average thickness R of the reservoir 5 of approximately 15 nm, and the ions form channels or pores in the surface layer 6. To.

同様に、図1に示すステップの前、かつプラズマ処理の後に、貯留部5に、H2Oが第1の原料として充填される。プラズマ工程中に存在するイオンの還元種、特にO2、N2、H2、Arはまた、貯留部内にも位置することができる。 Similarly, before the step shown in FIG. 1 and after the plasma treatment, the reservoir 5 is filled with H 2 O as a first raw material. The reduced species of ions present during the plasma process, especially O 2 , N 2 , H 2 , Ar, can also be located within the reservoir.

したがって、接触面3、4はなおも、比較的広い間隙を有し、この間隙は特に接触面3と4との間に存在する水によって占められている。したがって、既存の接合強度は比較的小さく、約100mJ/cm2から300mJ/cm2の間、特に200mJ/cm2超である。この点について、事前のプラズマ活性化は、特にプラズマ活性化によって第1の接触面3の親水性が増大し、プラズマ活性化によって平滑化効果が得られるため、決定的な役割を果たしている。 Therefore, the contact surfaces 3 and 4 still have a relatively wide gap, which is particularly occupied by the water present between the contact surfaces 3 and 4. Therefore, the existing bonding strength is relatively small, between about 100 mJ / cm 2 and 300 mJ / cm 2 , especially over 200 mJ / cm 2 . In this regard, the prior plasma activation plays a decisive role because the hydrophilicity of the first contact surface 3 is increased by the plasma activation and the smoothing effect is obtained by the plasma activation.

図1に示す、仮接合と呼ばれる工程は、好ましくは周囲温度で、または最大50℃で進行させることができる。図2aおよび図2bは、親水性結合を示し、ここでは−OH終端表面による水の脱離の結果、Si−O−Si架橋が生じている。図2aおよび図2bの工程は、室温で約300時間持続する。50℃では約60時間持続する。図2bの状態は、指示された温度では、貯留部を製造することなく生じる。 The step, referred to as temporary joining, shown in FIG. 1 can preferably proceed at ambient temperature or up to 50 ° C. 2a and 2b show hydrophilic bonds, where Si—O—Si cross-linking occurs as a result of water desorption by the —OH termination surface. The steps of FIGS. 2a and 2b last for about 300 hours at room temperature. It lasts for about 60 hours at 50 ° C. The condition of FIG. 2b occurs at the indicated temperature without manufacturing the reservoir.

接触面3と4との間でH2O分子が形成され、フリースペースがなおも存在する限り、貯留部5をさらに充填するようにH2O分子の少なくとも一部が供給される。他のH2O分子は、除去される。図1に記載のステップでは、約3から5層の個々のOH基層またはH2O層が存在し、図1に記載のステップから図2aに記載のステップでは、1から3層のH2O単分子層が除去されるか、または貯留部5内に収容される。 H 2 O molecules are formed between the contact surfaces 3 and 4, and as long as free space is still present, at least a portion of the H 2 O molecules is supplied to further fill the reservoir 5. Other H 2 O molecules are removed. In the step shown in FIG. 1, there are about 3 to 5 individual OH base layers or H 2 O layers, and from the step shown in FIG. 1 to the step shown in FIG. 2a, 1 to 3 layers of H 2 O are present. The monolayer is removed or housed in the reservoir 5.

図2aに示すステップでは、水素架橋結合がシロキサン基間で直接形成されており、その結果より高い接合力が生じている。この接合力によって、接触面3、4は互いにより強く引きつけられ、接触面3と4との間の距離が低減している。したがって、接触面3と4との間には、個々のOH基層が1から2層しか存在しない。 In the step shown in FIG. 2a, hydrogen cross-linking bonds are directly formed between the siloxane groups, resulting in higher bonding strength. Due to this bonding force, the contact surfaces 3 and 4 are attracted more strongly to each other, and the distance between the contact surfaces 3 and 4 is reduced. Therefore, there are only one or two individual OH base layers between the contact surfaces 3 and 4.

図2bに示すステップでは、下記の化学式(2)に示す反応に従ったH2O分子の分離によって、接触面3と4との間でシラノール基の形の共有結合が形成され、それによってはるかに強固な接合力が生じ、かつ必要となる空間がより少なくなり、したがって接触面3と4との間の距離がさらに低減し、最終的には図3に示す、接触面3と4とが互いに接する最小距離にまで達する。 In the step shown in FIG. 2b, the separation of H 2 O molecules according to the reaction shown in the following chemical formula (2) forms a covalent bond in the form of a silanol group between the contact surfaces 3 and 4, thereby far. A strong bonding force is generated and less space is required, so that the distance between the contact surfaces 3 and 4 is further reduced, and finally the contact surfaces 3 and 4 shown in FIG. 3 are formed. Reach the minimum distance to touch each other.

Figure 0006986105
Figure 0006986105

ステップ3までは、特に貯留部5が形成されているため、温度を過度に増大させる必要はなく、むしろ室温で進行させることが可能である。このようにすると、図1から図3に記載の工程ステップを特に慎重に進行させることが可能である。 Up to step 3, since the reservoir 5 is particularly formed, it is not necessary to raise the temperature excessively, but rather it is possible to proceed at room temperature. In this way, it is possible to proceed with the process steps shown in FIGS. 1 to 3 with particular care.

図4に示す方法ステップでは、第1の接触面と第2の接触面との間で不可逆的な接合または永久接合を形成するために、好ましくは最大500℃、より好ましくは最大300℃、さらに好ましくは最大200℃、最も好ましくは最大100℃、全ての中で最も好ましくは室温を超えない温度まで温度を上昇させる。これらの温度は、従来技術とは異なり比較的低く、貯留部5が、図5および図6に示す、下記の化学式(3)に示す反応のための第1の原料を収容している場合のみ可能である。 In the method step shown in FIG. 4, the temperature is preferably up to 500 ° C., more preferably up to 300 ° C., to form an irreversible or permanent bond between the first contact surface and the second contact surface. The temperature is preferably raised to a maximum of 200 ° C., most preferably a maximum of 100 ° C., and most preferably a temperature not exceeding room temperature. These temperatures are relatively low, unlike in the prior art, only when the reservoir 5 contains the first raw material for the reaction represented by the following chemical formula (3), shown in FIGS. 5 and 6. It is possible.

Figure 0006986105
Figure 0006986105

上述の僅かな温度上昇によって、H2O分子が、第1の原料として貯留部5から反応層7へと拡散する。この拡散は、酸化物層として形成された表面層6と成長層との直接接触によって、または酸化物層間に存在する間隙9を介して、または間隙9から行うことができる。そこでは、二酸化シリコン、すなわち純粋なシリコンよりも大きいモル体積を有する化学化合物が、反応層7から、上述の反応による反応生成物10として形成される。この二酸化シリコンは、反応層7と成長層8との境界面で成長し、したがって自然酸化物として形成された成長層8の層を、間隙9の方向に変形させる。ここでもやはり、貯留部からのH2O分子が必要となる。 By a slight temperature rise of the above, H 2 O molecules diffuse from the reservoir 5 to the reaction layer 7 as the first material. This diffusion can be done by direct contact between the surface layer 6 formed as the oxide layer and the growth layer, through the gaps 9 present between the oxide layers, or from the gaps 9. There, silicon dioxide, a chemical compound having a larger molar volume than pure silicon, is formed from the reaction layer 7 as the reaction product 10 of the above reaction. This silicon dioxide grows at the interface between the reaction layer 7 and the growth layer 8, and thus deforms the layer of the growth layer 8 formed as a natural oxide in the direction of the gap 9. Again, H 2 O molecules from the reservoir are needed.

ナノメートル範囲の間隙が存在するため、自然酸化物層8が膨らむ可能性があり、その結果、接触面3、4に対する応力を低減させることができる。このようにすると、接触面3と4との間の距離が低減し、その結果有効な接触面、したがって接合強度がさらに増大する。このようにして行われる溶接連結では、部分的に溶接されない従来技術の製品とは異なり、全ての孔が閉じ、ウエハ全体にわたって溶接連結が形成され、したがって基本的に接合力の増大に寄与する。互いに溶接される2つのアモルファス酸化シリコン表面間の接合のタイプは、共有結合部とイオン結合部の混合形である。 Since there are gaps in the nanometer range, the natural oxide layer 8 may swell, and as a result, the stress on the contact surfaces 3 and 4 can be reduced. In this way, the distance between the contact surfaces 3 and 4 is reduced, resulting in a further increase in the effective contact surface, and thus the bonding strength. The welded connection thus performed, unlike prior art products that are not partially welded, closes all holes and forms a welded connection over the entire wafer, thus essentially contributing to an increase in bonding force. The type of bond between two amorphous silicon oxide surfaces that are welded together is a mixed form of covalent and ionic bonds.

第1の原料(H2O)と第2の原料(Si)との反応層7中での上述の反応は、第1の接触面3と反応層7との間の平均距離Bができる限り小さくなると、特に迅速に、またはできる限り低い温度で行われる。 The above-mentioned reaction in the reaction layer 7 between the first raw material (H 2 O) and the second raw material (Si) is performed as long as the average distance B between the first contact surface 3 and the reaction layer 7 is as large as possible. When smaller, it is done especially quickly or at the lowest possible temperature.

したがって、第1の基板1の前処理、並びにシリコンの反応層7、および成長層8としてのできる限り薄い自然酸化物層からなる第2の基板2の選択が決め手となる。本発明で特許請求する、できる限り薄い自然酸化物層は、以下の2つの理由で設けられている。成長層8は非常に薄いため、反応層7上で新たに形成される反応生成物10によって、成長層8が対向する基板1の酸化物層として形成されている表面層6の方に、しかも主にナノ間隙9の領域内で、膨らむことができる。さらに、所望の効果をできる限り迅速に、かつできる限り低い温度で達成するために、できる限り短い拡散経路が望ましい。第1の基板1も同様に、シリコン層と、その上に表面層6として形成された酸化物層とからなり、この表面層6中に貯留部5が少なくとも部分的に、または完全に形成される。 Therefore, the pretreatment of the first substrate 1 and the selection of the second substrate 2 composed of the reaction layer 7 of silicon and the thinnest possible natural oxide layer as the growth layer 8 are decisive factors. The thinnest possible natural oxide layer claimed in the present invention is provided for the following two reasons. Since the growth layer 8 is very thin, the reaction product 10 newly formed on the reaction layer 7 is directed toward the surface layer 6 formed as the oxide layer of the substrate 1 on which the growth layer 8 faces. It can swell mainly within the region of the nanogap 9. In addition, the shortest possible diffusion path is desirable in order to achieve the desired effect as quickly as possible and at the lowest possible temperature. Similarly, the first substrate 1 is composed of a silicon layer and an oxide layer formed as a surface layer 6 on the silicon layer, and a reservoir 5 is formed in the surface layer 6 at least partially or completely. To.

したがって、本発明で特許請求する貯留部5は、少なくともナノ間隙9を閉じるのに必要な量の第1の原料が充填され、したがって成長層8を、できる限り短時間で、かつ/またはできる限り低い温度でナノ間隙9を閉じるように最適に成長させることができる。 Therefore, the reservoir 5 claimed in the present invention is filled with at least the amount of the first raw material required to close the nanogap 9, and thus the growth layer 8 is packed in the growth layer 8 in the shortest possible time and / or as much as possible. It can be optimally grown to close the nanogap 9 at low temperatures.

本発明の実施態様を、以下に記す。
・態様1
第1の基板(1)の第1の接触面(3)を、第2の基板(2)の第2の接触面(4)に接合する方法であって、
前記第1の接触面(3)上の表面層(6)中に貯留部(5)を形成するステップと、
前記貯留部(5)に第1の原料、または第1の原料群を少なくとも部分的に充填するステップと、
仮接合連結を形成するために、前記第1の接触面(3)を前記第2の接触面(4)と接触させるステップと、
前記第1の接触面(3)と前記第2の接触面(4)との間の永久接合を形成するステップであって、前記第1の原料と、前記第2の基板(2)の反応層(7)中に含まれた第2の原料とを反応させることによって前記永久接合を少なくとも部分的に強化するステップと、
を特に上記の順序で含む、方法。
・態様2
前記永久接合の形成若しくは強化、またはその両方が、前記第1の原料が前記反応層(7)に拡散することによって行われる、前記態様1に記載の方法。
・態様3
前記永久接合の形成が、室温から200℃の間の温度で、特に最大12日、より好ましくは最大1日、さらに好ましくは最大1時間、最も好ましくは最大15分間行われる、前記態様1または2に記載の方法。
・態様4
不可逆的な前記接合が、1.5J/m2より大きい、特に2J/m2より大きい、好ましくは2.5J/m2より大きい接合強度を有する、前記態様1から3のいずれかに記載の方法。
・態様5
前記反応中に、前記第2の原料のモル体積よりも大きいモル体積を有する反応生成物(10)が前記反応層(7)中に形成される、前記態様1から4のいずれかに記載の方法。
・態様6
前記貯留部(5)が、プラズマ活性化によって形成される、前記態様1から5のいずれかに記載の方法。
・態様7
前記貯留部(5)の前記形成が、特に圧縮されたテトラエトキシシラン酸化物層を前記表面層(6)として用いて行われる、前記態様1から6のいずれかに記載の方法。
・態様8
前記表面層(6)が、主に、特に本質的に完全に、特にアモルファス材料、特に熱酸化によって生成された二酸化シリコンからなり、前記反応層(7)が、酸化可能材料、特に主に、好ましくは本質的に完全にSi、Ge、InP、GaP、またはGaNからなる、前記態様1から7のいずれかに記載の方法。
・態様9
前記第2の接触面(4)と前記反応層(7)との間に、特に主に自然二酸化シリコンの成長層(8)がある、前記態様1から8のいずれかに記載の方法。
・態様10
永久接合を形成する前に、前記成長層(8)が、1オングストロームから10nmの間の平均厚さAを有する、前記態様9に記載の方法。
・態様11
前記貯留部が真空中で形成される、前記態様1から10のいずれかに記載の方法。
・態様12
前記貯留部が、
前記第1の接触面(3)を、特に酸素若しくは水、またはその両方の含有量が高い雰囲気にさらすステップ、
前記第1の接触面(3)を、特に主に、好ましくはほぼ完全に、特に脱イオン化H2O若しくはH22、またはその両方からなる流体にあてるステップ、
前記第1の接触面(3)をN2ガス、O2ガス、Arガス、およびフォーミングガス、特に95%のArと5%のH2とからなるフォーミングガスのうちの少なくとも1つに、特にイオンエネルギーが0から2000eVの範囲であてるステップ、
のうちの1つまたは複数のステップによって充填される、前記態様1から11のいずれかに記載の方法。
・態様13
前記貯留部(5)が、0.1nmから25nmの間、特に0.1nmから20nmの間の平均厚さ(R)で形成される、前記態様1から12のいずれかに記載の方法。
・態様14
前記永久接合を形成する直前の前記貯留部(5)と前記反応層(7)との間の平均距離(B)が、0.1nmから15nmの間、特に0.5nmから5nmの間、好ましくは0.5nmから3nmの間である、前記態様1から13のいずれかに記載の方法。
・態様15
前記不可逆的な接合が、前記仮接合の強度の2倍、好ましくは4倍、より好ましくは10倍、最も好ましくは25倍の接合強度を有する、前記態様1から14のいずれかに記載の方法。
Embodiments of the present invention will be described below.
-Aspect 1
A method of joining the first contact surface (3) of the first substrate (1) to the second contact surface (4) of the second substrate (2).
A step of forming a reservoir (5) in the surface layer (6) on the first contact surface (3),
A step of at least partially filling the storage portion (5) with the first raw material or the first raw material group.
A step of bringing the first contact surface (3) into contact with the second contact surface (4) in order to form a temporary joint connection.
A step of forming a permanent bond between the first contact surface (3) and the second contact surface (4), which is a reaction between the first raw material and the second substrate (2). A step of at least partially strengthening the permanent bond by reacting with a second raw material contained in the layer (7).
Especially in the above order, the method.
-Aspect 2
The method according to aspect 1, wherein the formation and / or reinforcement of the permanent bond is carried out by diffusing the first raw material into the reaction layer (7).
-Aspect 3
The formation of the permanent bond is carried out at a temperature between room temperature and 200 ° C., in particular up to 12 days, more preferably up to 1 day, even more preferably up to 1 hour, most preferably up to 15 minutes, said embodiment 1 or 2. The method described in.
-Aspect 4
Irreversible said junction is greater than 1.5 J / m 2, greater in particular 2J / m 2, preferably has a 2.5 J / m 2 greater than the bonding strength, according to any of 3 from the embodiment 1 Method.
-Aspect 5
The reaction product (10) having a molar volume larger than the molar volume of the second raw material is formed in the reaction layer (7) during the reaction, according to any one of the above embodiments 1 to 4. Method.
-Aspect 6
The method according to any one of aspects 1 to 5, wherein the reservoir (5) is formed by plasma activation.
-Aspect 7
The method according to any one of aspects 1 to 6, wherein the formation of the reservoir (5) is performed using a particularly compressed tetraethoxysilane oxide layer as the surface layer (6).
-Aspect 8
The surface layer (6) is predominantly, in particular essentially completely, made of an amorphous material, particularly silicon dioxide produced by thermal oxidation, and the reaction layer (7) is an oxidizable material, particularly predominantly. The method according to any one of aspects 1 to 7, preferably comprising essentially entirely Si, Ge, InP, GaP, or GaN.
-Aspect 9
The method according to any one of aspects 1 to 8, wherein there is a growth layer (8) mainly of natural silicon dioxide between the second contact surface (4) and the reaction layer (7).
Aspect 10
9. The method of aspect 9, wherein the growth layer (8) has an average thickness A between 1 angstrom and 10 nm prior to forming a permanent bond.
Aspect 11
The method according to any one of aspects 1 to 10, wherein the reservoir is formed in vacuum.
Aspect 12
The storage section
The step of exposing the first contact surface (3) to an atmosphere particularly high in oxygen and / or water.
A step of exposing the first contact surface (3) to a fluid consisting particularly primarily, preferably almost completely, particularly deionized H 2 O and / or H 2 O 2.
The first contact surface (3) is attached to at least one of N 2 gas, O 2 gas, Ar gas, and a forming gas, particularly a forming gas consisting of 95% Ar and 5% H 2. Steps where the ion energy is in the range of 0 to 2000 eV,
The method according to any one of embodiments 1 to 11, wherein the method is filled by one or more of the steps.
Aspect 13
The method according to any one of embodiments 1 to 12, wherein the reservoir (5) is formed with an average thickness (R) of between 0.1 nm and 25 nm, particularly between 0.1 nm and 20 nm.
Aspect 14
The average distance (B) between the reservoir (5) and the reaction layer (7) immediately before forming the permanent bond is preferably between 0.1 nm and 15 nm, particularly between 0.5 nm and 5 nm. The method according to any one of aspects 1 to 13, wherein is between 0.5 nm and 3 nm.
Aspect 15
The method according to any one of aspects 1 to 14, wherein the irreversible bond has a bonding strength of 2 times, preferably 4 times, more preferably 10 times, and most preferably 25 times the strength of the temporary bonding. ..

1 第1の基板
2 第2の基板
3 第1の接触面
4 第2の接触面
5 貯留部
6 表面層
7 反応層
8 成長層
9 ナノ間隙
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 曲線の和
A 平均厚さ
B 平均距離
R 平均厚さ
1 1st substrate 2 2nd substrate 3 1st contact surface 4 2nd contact surface 5 Reservoir 6 Surface layer 7 Reaction layer 8 Growth layer 9 Nano gap 10 Reaction product 11 1st profile 12 2nd Profile 13 Sum of curves A Average thickness B Average distance R Average thickness

Claims (14)

第1の基板の第1の接触面を、第2の基板の第2の接触面に接合する方法であって、
前記第1の接触面をN2ガス、O2ガス、Arガス、および95%のArと5%のH2とからなるフォーミングガスのうちの少なくとも1つにあてることによって、前記第1の接触面上の表面層中に貯留部を形成するステップと、
前記貯留部に、第1の原料または第1の原料群を少なくとも部分的に充填するステップと、
仮接合連結を形成するために、前記第1の接触面を前記第2の接触面と接触させるステップと、
前記第1の接触面と前記第2の接触面との間の永久接合を形成するステップであって、前記第1の原料と前記第2の基板の反応層中に含まれた第2の原料とを反応させることによって前記永久接合を少なくとも部分的に強化するステップと、
を含み、前記貯留部が、
前記第1の接触面を、水または酸素および水の含有量が高い雰囲気にさらすステップ、
前記第1の接触面を、H 2 O若しくはH 2 2 、またはその両方からなる流体にあてるステップ、
前記第1の接触面をN 2 ガス、Arガス、および95%のArと5%のH 2 とからなるフォーミングガスのうちの少なくとも1つにあてるステップ、
のうちの1つまたは複数のステップによって充填される、方法。
A method of joining the first contact surface of the first substrate to the second contact surface of the second substrate.
The first contact is made by hitting the first contact surface with at least one of N 2 gas, O 2 gas, Ar gas, and a forming gas consisting of 95% Ar and 5% H 2. The step of forming a reservoir in the surface layer on the surface,
A step of at least partially filling the reservoir with the first raw material or the first group of raw materials.
A step of bringing the first contact surface into contact with the second contact surface in order to form a temporary joint connection.
A step of forming a permanent bond between the first contact surface and the second contact surface, which is a second raw material contained in the reaction layer of the first raw material and the second substrate. And the step of at least partially strengthening the permanent bond by reacting with
Including, the storage part
A step of exposing the first contact surface to water or an atmosphere high in oxygen and water.
The step of applying said first contact surface, H 2 O or H 2 O 2 or the fluid consisting both,
A step of applying the first contact surface to at least one of N 2 gas, Ar gas, and a forming gas consisting of 95% Ar and 5% H 2.
A method of being filled by one or more steps of.
前記永久接合の形成若しくは強化、またはその両方が、前記第1の原料を前記反応層に拡散させることによって行われる、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the formation and / or reinforcement of the permanent bond is performed by diffusing the first raw material into the reaction layer. 前記永久接合の形成が、室温から200℃の間の温度で行われる、請求項1または2に記載の方法。 The method of claim 1 or 2, wherein the formation of the permanent bond is carried out at a temperature between room temperature and 200 ° C. 前記永久接合が、1.5J/m2より大きい接合強度を有する、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the permanent bond has a bond strength greater than 1.5 J / m 2. 前記反応中に、前記第2の原料のモル体積よりも大きいモル体積を有する反応生成物が前記反応層中に形成される、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 4, wherein a reaction product having a molar volume larger than the molar volume of the second raw material is formed in the reaction layer during the reaction. 前記貯留部が、プラズマ活性化によって形成される、請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the reservoir is formed by plasma activation. 前記貯留部の前記形成が、テトラエトキシシラン酸化物層を前記表面層として用いて行われる、請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 6, wherein the formation of the reservoir is performed using the tetraethoxysilane oxide layer as the surface layer. 前記表面層が、アモルファス材料からなり、前記反応層が、酸化可能材料からなる、請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 7, wherein the surface layer is made of an amorphous material and the reaction layer is made of an oxidizable material. 前記第2の接触面と前記反応層との間に、成長層がある、請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 8, wherein there is a growth layer between the second contact surface and the reaction layer. 永久接合を形成する前に、前記成長層が、1オングストロームから10nmの間の平均厚さAを有する、請求項9に記載の方法。 9. The method of claim 9, wherein the growth layer has an average thickness A between 1 angstrom and 10 nm prior to forming a permanent bond. 前記貯留部が真空中で形成される、請求項1から10のいずれか一項に記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 10, wherein the reservoir is formed in a vacuum. 前記貯留部が、0.1nmから25nmの間の平均厚さ(R)で形成される、請求項1から11のいずれか一項に記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 11 , wherein the reservoir is formed with an average thickness (R) between 0.1 nm and 25 nm. 前記永久接合を形成する直前の前記貯留部と前記反応層との間の平均距離(B)が、0.1nmから15nmの間である、請求項1から12のいずれか一項に記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 12 , wherein the average distance (B) between the reservoir and the reaction layer immediately before forming the permanent bond is between 0.1 nm and 15 nm. .. 前記永久接合が、前記仮接合の強度の2倍の接合強度を有する、請求項1から13のいずれか一項に記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 13 , wherein the permanent bond has a bond strength twice that of the temporary bond.
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