JP7430568B2 - 低密度ケイ素酸化物の溶融結合および脱着の方法および構造 - Google Patents

低密度ケイ素酸化物の溶融結合および脱着の方法および構造 Download PDF

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Description

本願は、2019年4月24日に出願された「低密度ケイ素酸化物の溶融結合および脱着の方法および構造」という題目の米国仮特許出願第62／837，993号、ならびに2019年9月17日に出願された「低密度ケイ素酸化物の溶融結合および脱着の方法および構造」という題目の米国特許出願第16／573，775号の優先権を主張するものであり、これらの開示内容は、本願の参照として明確に取り入れられる。
本願は、基板の処理プロセスに関する。特に、本願は、基板を結合および脱着する新たな方法を提供する。
基板の結合には、基板を処理するための各種処理フローが利用される。例えば、基板の結合は、微小電気機械システム（MEMS）、ナノ電気機械システム（NEMS）、オプトエレクトロニクス、シリコンオンインシュレータ基板、多層デバイス、三次元装置、および他の半導体装置を形成する際の、処理フローの一部として利用され得る。基板結合法では、通常、2つの基板が相互に結合される。図1には、多基板構造100の基板結合構造の一例を示す。図1に示すように、上部基板105および下部基板110が提供される。
図1に示すように、2つの基板が相互に結合される。図1において、上部基板105（例えば上部ウェハ）は、前側装置領域112および後ろ側装置領域114と、追加の後ろ側領域115とを有する。ある例の処理フローでは、上部ウェハは、前側装置を形成するための処理に供され、その後上部ウェハは、下部ウェハと反転、結合され、両後ろ側装置領域の処理が可能となってもよい。ただし、そのような処理フローは、単なる一例であり、従来から知られている、基板結合の多くの他の処理フローおよび使用が存在する。
基板を相互に結合することに利用される多くの技術があり、これには、溶融結合（直接結合としても知られている）、陽極結合、共晶結合、熱圧縮結合、表面活性化結合、プラズマ活性化結合、接着剤結合などが含まれる。従来の接着剤結合法では、しばしば、約30μmまたはそれ以上の厚さののりが使用される。そのような技術は、接着剤結合法では、機械的に、熱的に、またはレーザ技術を用いて、脱着することが容易である点で有意である。しかしながら、接着剤結合法で使用される厚い膜は、大きな全体厚さ変動（TTV）を示し、後続の微細ピッチのリソグラフィーパターン化処理が難しくなる。また、ポスト結合処理条件は、接着剤の熱特性により制限された温度となる。溶融（または直接）結合法は、一つの広く使用されているタイプの結合法である。溶融結合法では、2つの基板の2つの表面の間に、化学結合が形成される。通常、溶融結合プロセスは、基板表面を清浄化するステップと、基板を揃えるステップと、を有し、その後、（高温または低温で）基板にある形態の熱処理を使用して、化学結合が完遂される。溶融結合法のある技術は、シリコンである2つの基板の表面を有するが、溶融結合用の他の材料を使用してもよい。
ある有意な基板処理フローでは、基板の一方の後ろ側処理が完遂した後、基板を脱着することが望ましい。ただし、溶融結合法を用いた場合、溶融結合法の強い結合特性のため、脱着は難しい。
良好な結合特性を示す一方で、脱着が容易となる結合処理技術を提供することが望ましい。
本願の開示は、基板を結合および／または脱着する、新たな方法に関する。ある実施例では、被結合基板の表面の少なくとも一つは、酸化物を有する。ある実施例では、両方の基板の表面が、酸化物を有する。次に、基板の溶融結合が実施され得る。その後、湿式エッチングを用いて、結合された層をエッチング除去することにより、基板が脱着される。ある実施例では、溶融結合処理プロセスは、2つの基板の結合に利用され、少なくとも一つの基板は、ケイ素酸化物表面を有する。ある実施例では、希釈フッ化水素酸（DFH）エッチングを用いて、結合されたケイ素酸化物表面がエッチングされ、これにより、2つの結合された基板が脱着される。ある実施例では、ケイ素酸化物は、低密度ケイ素酸化物であってもよい。ある実施例では、両方の基板が低密度ケイ素酸化物の表面層を有し、これらが相互に溶融結合されてもよい。
ある実施例では、第1の基板と第2の基板を処理する方法が開示される。当該方法は、第1の基板と第2の基板の少なくとも一つに、酸化物表面層を提供するステップを有する。当該方法は、さらに、第1の基板と第2の基板を溶融結合するステップを有する。当該方法は、さらに、酸化物エッチャントの使用を介して、第1の基板と第2の基板を脱着するステップを有する。
当該方法のある実施例では、酸化物表面層は、ケイ素酸化物を有する。ある実施例では、酸化物エッチャントは、湿式酸化物エッチャントを有する。酸化物エッチャントは、フッ化水素酸を有してもよい。ある実施例では、酸化物エッチャントは、希釈フッ化水素酸を有してもよい。別の実施例では、第1の基板は、第1の酸化物表面層を有し、第2の基板は、第2の酸化物表面層を有する。ある実施例では、第1の酸化物表面層は、ケイ素酸化物を有し、第2の酸化物表面層は、ケイ素酸化物を有する。ある実施例では、溶融結合は、Si-O-Si結合を形成する。
別の実施例では、マルチ基板構造が開示される。マルチ基板構造は、第1の半導体ウェハと、第2の半導体ウェハとを有してもよい。マルチ基板構造は、さらに、第1の半導体ウェハと第2の半導体ウェハの間に、ケイ素酸化物層を有し、第1の半導体ウェハおよび第2の半導体ウェハは、ケイ素酸化物層により、相互に溶融結合される。
マルチ基板構造のある実施例では、第1の半導体ウェハと第2の半導体の一つは、第1の半導体ウェハと第2の半導体ウェハとが溶融結合される前に、ケイ素酸化物層表面を有する。別の実施例では、第1の半導体ウェハと第2の半導体ウェハとが溶融結合される前に、第1の半導体ウェハは、第1のケイ素酸化物表面を有し、第2の半導体ウェハは、第2のケイ素酸化物表面を有する。さらに別の実施例では、ケイ素酸化物層は、第1の半導体ウェハと第2の半導体ウェハの間に、Si-O-Si結合を形成する。マルチ基板構造のさらに別の実施例では、ケイ素酸化物層の少なくとも第1の部分は、第1の半導体ウェハの一部であり、ケイ素酸化物層の第2の部分は、第2の半導体ウェハの一部である。さらに別の実施例では、第1の半導体ウェハと第2の半導体ウェハの少なくとも一つは、前側処理領域および後ろ側処理領域を有する。
本発明およびその利点のより完全な理解は、添付の図面とともに以下の記載を参照することにより得られる。図面において、同様の参照符号は、同様の特徴物を表す。ただし、添付図面は、単に開示された概念の一実施例を示すためのものであり、従って、範囲を限定するものと解してはならないにことに留意する必要がある。開示の概念は、他の同等に有効な実施例でも得られるためである。
一例としてのマルチ基板構造を示した図である。 本願に開示の技術による、結合する前の2つの基板を示した図である。 結合後の図2Aの2つの基板を示した図である。 本願に開示の技術による、一例としてのマルチ基板構造を示した図である。 本願に開示の技術による、一例としてのマルチ基板構造を示した図である。 本願に開示の技術による、一例としての結合および脱着プロセスを示した図である。 本願に開示の技術による、一例としての結合および脱着プロセスを示した図である。 本願に開示の技術による、一例としての結合および脱着プロセスを示した図である。 本願に開示の技術による、一例としての結合および脱着プロセスを示した図である。 本願に開示の技術による、一例としての結合および脱着プロセスを示した図である。 本願に開示の結合技術を用いた一例としての方法を示した図である。
本願では、基板を結合および／または脱着する、新規な方法が開示される。ある実施例では、結合される2つの基板の表面の少なくとも一つは、酸化物で構成される。ある実施例では、両方の基板の表面が酸化物を有する。その後、表面の溶融結合が実施され得る。次に、湿式エッチングを用いて、結合されていた層がエッチング除去され、基板が脱着される。ある実施例では、溶融結合処理プロセスを用いて、2つの基板が結合され、少なくとも一つの基板は、ケイ素酸化物表面を有する。ある一例としてのエッチングでは、希釈フッ化水素酸（DHF）エッチングが使用され、結合されたケイ素酸化物がエッチングされ、これにより、2つの結合された基板が脱着される。ある実施例では、ケイ素酸化物は、低密度ケイ素酸化物であってもよい。ある実施例では、両方の基板は、低密度ケイ素酸化物の表面層を有し、これらが相互に溶融結合されてもよい。
本願に記載の技術は、基板の広範な処理の間に利用されてもよい。基板は、結合および／または脱着の使用が望まれる、いかなる基板であってもよい。ある実施例では、少なくとも一つの基板は、多様な構造および層を提供する、複数の半導体処理ステップに供される基板であってもよい。これらは全て、基板処理技術において良く知られており、基板の一部と見なされ得る。例えば、ある実施例では、基板は、上部に形成された、1または2以上の半導体処理層を有する半導体ウェハであってもよい。本願の概念は、例えば、フロントエンドオブライン（FEOL）処理ステップ、および／またはバックエンドオブライン（BEOL）処理ステップなど、基板処理フローのいかなるステージに利用されてもよい。ある実施例では、基板の一つは、単なるキャリア基板であってもよい。ある実施例では、キャリア基板は、他の基板が処理される間、他の基板の保持に用いられてもよい（例えば背面処理）。
ある実施例では、上部基板（例えば上部ウェハ）と下部基板（例えば下部ウェハ）の両方が、露出酸化物表面（例えばケイ素酸化物表面）を有する。図2Aには、そのような配置を示す。図において、上部基板205は、上部基板酸化物表面206を有し、下部基板210は、下部基板酸化物表面211を有する。図2Bには、上部基板205と下部基板210の溶融結合を示す。特に、図2Aには、結合前の各基板と、暴露表面とを示す。図2Bに示すように、溶融結合脱水縮合プロセスの後、2つの基板の間にSi-O-Si結合が形成されることにより、2つの基板が結合される。示された一実施例では、上部基板と下部基板の両方が酸化物層を有する。しかしながら、示された技術は、一つの表面しか露出酸化層を有しない場合においても、利用され得ることが理解される。また、示された一実施例では、基板の結合に、ケイ素酸化物層が利用される。示された技術は、例えば、これに限られるものではないが、ケイ素酸化物カーバイド（SiOC）、SiCOH、ケイ素酸窒化物（SiON）等を含む、他の酸化物を用いてもよいことが理解される。
図3Aには、マルチ基板構造300と、図2Aおよび図2Bに示すような処理の結果得られる結合基板の一実施例を示す。
図3Aに示すように、マルチ基板構造300の上部基板305（例えば上部ウェハ）は、前側装置領域316と、基板本体318（例えばシリコン）と、後ろ側装置領域320とを有する。また、下部基板310（例えば下部ウェハ）も提供される。上部基板350および下部基板310は、結合ケイ素酸化物層314により、相互に結合される。図3Aに示した実施例では、2つの基板の間のケイ素酸化物は、低密度ケイ素酸化物であってもよい。結合ケイ素酸化物層314は、上部基板、下部基板、または双方の一部と見なされ得る。結合ケイ素酸化物層314は、前述の結合処理プロセスにより形成されてもよく、結合前の一つのまたは両方の基板の露出表面上のケイ素酸化物層を用いて、基板が相互に結合される。
図3Aの2つの基板を脱着したい場合、基板は、湿式希釈フッ化水素酸（DHF）に暴露されてもよい。DHFは、結合ケイ素酸化物層314の高速のエッチングを提供する。従って、図3Bに示すように、結合された基板は、DHF湿式エッチングに晒されてもよい。結合ケイ素酸化物層314の低密度ケイ素酸化物は、DHFに対して高いエッチング速度を示し、DHFは、結合ケイ素酸化物層314を除去するように作用する。結合ケイ素酸化物層が除去されると、その後、上部基板305および下部基板310は、容易に分離され得る。エッチャントは、湿式エッチャントである必要はないことが理解される。例えば、HF気相エッチングを使用してもよい。あるいは、他のケイ素酸化物エッチャントを使用してもよい。また、使用される酸化物に応じて、エッチャントは、リン酸を含んでもよい。
2つの基板の相互の結合に使用される酸化物層の厚さは、本願に記載の技術が使用される特定の用途に応じて変化し得ることが理解される。ある実施例では、上部基板および下部基板の各々は、10μm未満の厚さの酸化物を有してもよく、特に5μmから10nmの範囲、さらには500nmから100nmの範囲であってもよい。
図4Aには、本願に記載の技術を用いるための、一例としてのプロセス処理フローを示す。図4Aに示すように、第1の基板405は、各種処理プロセスに供され、上部に構造および装置が形成される。例えば、基板は、標準的なフロントエンドオブライン（FEOL）および／またはバックエンドオブライン（BEOL）の半導体プロセスに供され、第1の基板410のFEOL／BEOL領域410が形成されてもよい。第1の基板405は、図2A乃至図3Bの例における上部基板であってもよい。次に、第1の基板405は、その上に形成されたケイ素酸化物層を有してもよい。これは、ある実施例では、低密度ケイ素酸化物（図示されていない）である。次に、図4Bに示すように、第1の基板405は、反転され、キャリア基板415に結合されてもよい（キャリア基板は、図2乃至図3Bの下部基板であってもよい）。また、キャリア基板は、前述のように、ケイ素酸化物の表面を有してもよい。次に2つの基板は、図2Aに示すように、溶融結合され、2つの基板の間にSi-O-Si結合接続が提供される。次に、第1の基板405は、いかなる多様な基板処理ステップに供されてもよい。例えば、第1の基板405は、端部のトリム、研磨、および／または化学的機械的平坦化（CMP）処理ステップに供され、図4Cに示すように、第1の基板405が、薄い第1の基板405Aに薄肉化される。次に、任意の追加の後ろ側処理プロセスが実施され、図4Dに示すように、後ろ側処理領域420が形成される。最後に、本願に記載の酸化物エッチング脱着技術を用いて、キャリア基板415から、第1の基板405が脱着され、図4Eに示すように、第1の基板405がダイス化される。
図4A乃至4Eに示すように、溶融処理の利点が得られ、後に脱着が望まれ得る基板に対しても利用され得る処理プロセスが提供される。図4A乃至4Eの例では、基板の前側処理が実施され、その後キャリアウェハに対して、その基板の結合が実施される。その後、基板の後ろ側処理が行われてもよい。示された例では、前側処理された基板は、キャリア基板に結合され、その後、後ろ側処理の後、基板が脱着される。
結合および脱着技術は、多くの用途に利用されることが有意である。これは、図4A乃至4Eの例に限定されない。従って、ケイ素酸化物溶融結合と、その後のケイ素酸化物をエッチングする脱着処理の使用は、他の多くの用途に使用されてもよい。実際には、2つの基板を溶融結合するものの、その後基板を脱着することが望ましい、多くの処理プロセスに、本願の技術が利用され得る。また、本願では、ケイ素酸化物層とDHFエッチングに関して示したが、他の酸化物と他のエッチャントを利用してもよいことが理解される。従って、例えば、結合プロセスに、ケイ素酸化物以外の酸化物を使用し、その酸化物に適したエッチャントを使用してもよい。また、ケイ素酸化物の溶融結合の場合であっても、エッチャントはDHFに限られず、他のケイ素酸化物のエッチャントを利用してもよい。脱着プロセスの後、さらなる処理の前に、基板は、清浄化プロセスに供されてもよいことが理解される。
前述のように、ある実施例では、溶融結合プロセスの一部として、低密度酸化物が使用されてもよい。ある特定の実施例では、酸化物は低密度ケイ素酸化物であってもよい。本願で使用されているように、低密度ケイ素酸化物は、2ｇ／cm3またはそれ以下の密度を有する酸化物であってもよい。低密度酸化物の使用は、酸化物がより迅速かつ容易に除去されるという、低密度酸化物のエッチング特性の点で有意である。例えば、低密度ケイ素酸化物は、DHFで比較的容易に除去することができる。
図5には、本願に記載の処理技術を使用する方法の一例を示す。図5の実施例は、単なる一例であり、本願に記載の技術を利用する、追加の方法を用いてもよいことが理解される。また、示されたステップは、限定的なものではなく、図5に示した方法に、追加の処理ステップが加えられてもよい。さらに、ステップの順番は、図に示された順番に限られるものではなく、異なる順番が生じ、および／または各種ステップが同時に、または組み合わされて、実施されてもよい。
図5には、第1の基板および第2の基板を処理する方法を示す。当該方法は、第1の基板および第2の基板の少なくとも一つに、酸化物表面層を提供する、第1のステップ505を有する。当該方法は、さらに、第1の基板と第2の基板を溶融結合するステップ510を有する。さらに、当該方法は、酸化物エッチャントの使用を介して、第1の基板と第2の基板を脱着するステップ515を有する。
本開示から、当業者には、本発明の別の修正および代替実施例が明らかである。従って、本記載は、当業者に本発明を実施する方法を示唆するための、単なる一例と解される。示され、記載された本発明の形態および方法は、現在の好適実施例として取り入れられることが理解される。これらの示され、記載された技術は、等価な技術と置換されてもよく、本発明のある特徴は、他の特徴の使用と独立に利用されてもよい。これは、本発明のこの記載の利益を得た当業者には明らかである。
100 多基板構造
105 上部基板
110 下部基板
112 前側装置領域
114 後ろ側装置領域
115 追加の後ろ側領域
205 上部基板
206 上部基板酸化物表面
210 下部基板
211 下部基板酸化物表面
300 マルチ基板構造
305 上部基板
310 下部基板
314 結合ケイ素酸化物層
316 前側装置領域
318 基板本体
320 後ろ側装置領域
350 上部基板

Claims (15)

  1. 第1の基板と第2の基板を処理する方法であって、
    前記第1の基板の第1の側を処理するステップと、
    前記第1の基板の前記第1の側または前記第2の基板の第1の側の少なくとも一つの上に、酸化物表面層を提供するステップと、
    前記第1の基板の前記第1の側が前記第2の基板の前記第1の側と面し、前記第1の基板の第2の側が露出されるように、前記第1の基板を反転し、前記第1の基板の前記第1の側を前記第2の基板の前記第1の側に溶融結合するステップと、
    前記溶融結合の後に、前記第1の基板の前記第2の側を処理するステップと、
    前記第1の基板の前記第2の側を処理した後、酸化物エッチャントの使用を介して、前記第1の基板と前記第2の基板を脱着するステップと、
    を有し、
    前記酸化物表面層は、密度が2g／cm 3 以下のケイ素酸化物を有する、方法。
  2. 前記酸化物エッチャントは、フッ化水素酸を有する、請求項1に記載の方法。
  3. 前記酸化物エッチャントは、希釈フッ化水素酸を有する、請求項2に記載の方法。
  4. 前記第1の基板の前記第1の側は、第1の酸化物表面層を有し、前記第2の基板の前記第1の側は、第2の酸化物表面層を有する、請求項1に記載の方法。
  5. 前記溶融結合するステップは、前記第1の基板の前記第1の側と前記第2の基板の前記第1の側の間に、Si-O-Si結合を形成する、請求項1に記載の方法。
  6. 前記酸化物エッチャントは、湿式酸化物エッチャントを有する、請求項5に記載の方法。
  7. 前記酸化物エッチャントは、フッ化水素酸を有する、請求項6に記載の方法。
  8. 前記酸化物エッチャントは、湿式酸化物エッチャントを有する、請求項1に記載の方法。
  9. 前記第1の基板の前記第2の側を処理するステップは、前記第1の基板を薄肉化する、請求項1に記載の方法。
  10. 前記第1の基板の前記第2の側を処理するステップは、端部のトリム、研磨、および／または化学的機械的平坦化の少なくとも一つを含む、請求項1に記載の方法。
  11. 前記第1の基板の前記第1の側は、前側であり、前記第2の側は、後ろ側であり、
    前記酸化物表面層は、密度が2g／cm3以下のケイ素酸化物であり、前記酸化物表面層は、10μm以下の厚さを有し、
    前記ケイ素酸化物は、前記第1の基板の前記前側および前記第2の基板の前記第1の側の両側に提供される、請求項1に記載の方法。
  12. 基板を処理する方法であって、
    前側および後ろ側を有する第1の基板を提供するステップであって、前記前側は、1または2以上の半導体処理層を有する、ステップと、
    前記第1の基板に結合される一つの側を有する第2の基板を提供するステップと、
    前記第1の基板または前記第2の基板の少なくとも一つに結合層を提供するステップであって、前記結合層は、ケイ素および酸素を含み密度が2g／cm3以下の材料で形成される、ステップと、
    前記結合層を用いて、前記第1の基板の前記前側を前記第2の基板の前記一つの側に溶融結合するステップと、
    前記第1の基板の前記後ろ側を処理するステップと、
    前記第1の基板の前記前側を、前記第2の基板の前記一つの側から脱着するステップと、
    を有する、方法。
  13. 前記結合層は、密度が2g／cm3以下のケイ素酸化物であり、厚さは、10μm以下であり、前記第2の基板の前記一つの側および前記第1の基板の前記前側の各々に提供される、請求項12に記載の方法。
  14. 前記第1の基板の前記後ろ側を処理するステップは、前記第1の基板を薄肉化する、請求項13に記載の方法。
  15. さらに、前記結合層を提供するステップの後であって、前記溶融結合するステップの前に、前記第1の基板を反転するステップを有し、
    前記第1の基板の前記後ろ側を処理するステップは、端部のトリム、研磨、および／または化学的機械的平坦化の少なくとも一つを有する、請求項13に記載の方法。
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