KR102287572B1 - 웨이퍼의 공융 본딩 방법 및 웨이퍼 결합체 - Google Patents

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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 (a) 제1 본딩 층(310)을 구비한 제1 웨이퍼(10)와, 제2 본딩 층(320) 및 스페이서(400)를 구비한 제2 웨이퍼(20)의 준비 단계와; (b) 제2 웨이퍼(20)에 대한 제1 웨이퍼(10)의 상호 인접 배치 단계이며, 이때 스페이서(400)는 제1 본딩 층(310)에 접하는, 상호 인접 배치 단계와; (c) 제2 본딩 층(320)에 제1 본딩 층(310)이 접할 때까지의 제1 웨이퍼(10) 및 제2 웨이퍼(20)의 상호 가압 단계이며, 이때 스페이서(400)는 제1 본딩 층(310) 내로 밀려들어가는, 상호 가압 단계와; (d) 제1 본딩 층(310) 및 제2 본딩 층(320)의 하나 이상의 부분들로 이루어진 공융 합금의 형성을 통한 제1 웨이퍼(10)와 제2 웨이퍼(20)의 공융 본딩 단계;를 포함하는, 웨이퍼의 공융 본딩 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 공융 본딩된 웨이퍼 결합체와, 이러한 공융 본딩된 웨이퍼 결합체를 포함하는 미소 기계 장치에 관한 것이다.

Description

웨이퍼의 공융 본딩 방법 및 웨이퍼 결합체
본 발명은 웨이퍼의 공융 본딩 방법에 관한 것이다.
MEMS-관성 센서에서 구조는 종종 2개 웨이퍼의 결합체로 이루어진다. 이 경우, 통상적인 방법에서는 센서 웨이퍼 및 캡 웨이퍼(cap wafer)가 사용된다. 센서 웨이퍼는 민감한 가동 구조를 포함하고 캡 웨이퍼는 이의 보호에 사용된다. 접합은 예를 들어 씰글래스(seal glass) 본딩 또는 공융 본딩(예를 들어, 실리콘/금 또는 알루미늄/게르마늄) 형태의 웨이퍼 본딩에 의해 달성된다. 이는 센서 코어를 포함하는, 센서 웨이퍼 및 캡 웨이퍼에 의해 둘러싸인 공동 내에서 의도하는 내부 분위기를 설정 가능하게 하는 밀폐 결합을 형성한다. 이러한 본딩 공정은 이를 위해 제공된 전용 기기에서 실행된다. 종래에는 두 개의 웨이퍼들이 별도의 조정 유닛에서 서로에 대해 조정되었다. 두 개의 웨이퍼들은 소위 본딩 툴(bonding tool)에 고정되고, 이후 이러한 본딩 툴은 또한 본더(bonder)에 삽입되며, 공정 종료 후에야 재차 웨이퍼 결합체로부터 분리된다. 웨이퍼 표면들은 공구 내에서 이미 서로 접촉하고 있는 것이 일반적이다.
공융 본딩의 공정 자체에 실질적으로 하기 제어 변수들이 있다.
온도
조정된 웨이퍼를 본더 내로 적재한 이후, 규정된 온도 구배가 구현된다. 통상적으로, 두 개의 웨이퍼들은 공융점 아래에서 먼저 균일한 온도가 되고(예비 단계), 이후 온도는 상승되고, 공융점의 통과가 실행된다(메인 단계). 마지막 단계에서, 웨이퍼 결합체는 냉각된다.
가스 압력
원하는 내부 분위기(예를 들어, 회전 속도 센서를 위한 진공 상태)가 설정되기 전에, 세척 주기가 실행된다. 따라서, 예를 들어 본딩 챔버의 분술물 또는 원하지 않는 재료의 여타 잔류물들이 씻겨져서 펌핑 배출된다.
가압력
가압력은 온도 이외에 본딩의 본질적인 접합 메카니즘에 사용된다. 본딩 시 가압력은 100kN까지 도달할 수 있다. 이러한 힘은 상응하는 시작 온도에 도달하고 원하는 내부 분위기가 보장될 때에야 인가된다.
이러한 방식으로 양호한 본딩 결과를 달성할 수 있다. 양호한 본딩 결합에 대한 기준은 최소의 가스 방출 또는 탈가스, (접합 형상 및 견고성의 관점에서) 재현 가능한 본딩 결합, 및 (특히 회전 속도 센서 및 가속도 센서와 관련한) 밀봉력이다. 예비 단계에서 온도가 확실히 공융점 아래에 있도록 주의해야 한다.
종래 기술에서의 공융 본딩의 일 실시예에서, "플래그(flag)"라 불리는 스페이서 공구도 사용되며, 이러한 공구는 두 개의 웨이퍼들 사이에 위치하고, 본딩 공정에서 예비 단계 동안 제거된다. 그러나, 이러한 공구는 플래그의 제거 시에 웨이퍼들 사이의 추가 오프셋, 즉 후속적인 조정 불량이 발생될 수 있다는 단점이 있다.
또한, 상술한 종래 기술에서의 본딩 방법은 예비 단계에서 온도의 명확한 제한이 있다는 단점이 있다. 또한, 2개의 웨이퍼 표면들과 이로 인한 2개의 본딩 상대제들이 이미 접촉하고 있다는, 처음부터 직면하게 되는 문제는 웨이퍼에 걸친 가스 교환과, 경우에 따라서는 균일한 표면 변화(예: 물 또는 여타 흡착물의 탈가스)에 부정적 영향을 미친다.
본 발명은
(a) 제1 본딩 층을 구비한 제1 웨이퍼와, 제2 본딩 층 및 스페이서를 구비한 제2 웨이퍼의 준비 단계와,
(b) 제2 웨이퍼에 대한 제1 웨이퍼의 상호 인접 배치 단계이며, 이때 스페이서는 제1 온도에서 제1 본딩 층에 접하는, 상호 인접 배치 단계와,
(c) 제2 본딩 층에 제1 본딩 층이 접할 때까지 가압력에 의한 제1 웨이퍼 및 제2 웨이퍼의 상호 가압 단계이며, 이때 스페이서는 제1 본딩 층 내로 밀려들어가는, 상호 가압 단계와,
(d) 제1 본딩 층 및 제2 본딩 층의 하나 이상의 부분들로 이루어진 공융물의 형성을 통한 제1 웨이퍼와 제2 웨이퍼의 공융 본딩 단계 및 이로 인한 웨이퍼 결합체 형성 단계를 포함하는, 웨이퍼의 공융 본딩 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 일 실시예에 따라, 단계(b) 이후, 단계(c) 이전의 단계(e)에서는 제1 웨이퍼 및 제2 웨이퍼가 공융 온도 부근의 온도에서 어닐링된다.
이 경우, 특히 바람직하게, 단계(e)에서는 제1 웨이퍼 및 제2 웨이퍼가 공융 온도 부근의 제4 온도에서 어닐링되고, 이어서 제1 웨이퍼 및 제2 웨이퍼는 제4 온도에는 미달하지만 제1 온도는 초과하는 제5 온도로 냉각된다.
특히 바람직하게, 다른 일 실시예에서, 단계(e)에서는 제1 웨이퍼 및 제2 웨이퍼(20)가 공융 온도 부근의 제7 온도에서 어닐링되고, 단계(d)까지 제7 온도로 유지된다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 일 실시예에 따라, 단계(a)에서는 제1 본딩 층을 구비한 제1 웨이퍼가 준비되며, 이때 제1 본딩 층은 본딩 영역 및 지지 영역 내에 배치되고; 단계(a)에서는 제2 본딩 층을 구비한 제2 웨이퍼가 준비되며, 이때 제2 본딩 층은 본딩 영역 및 지지 영역 내에 배치되고, 스페이서는 지지 영역 내에 배치되고; 단계(c)에서는 제2 본딩 층에 제1 본딩 층이 접할 때까지의 제1 웨이퍼 및 제2 웨이퍼의 상호 가압이 본딩 영역뿐만 아니라 지지 영역에서도 실행되고; 단계(d)에서는 공융물이 본딩 영역뿐만 아니라 지지 영역에서도 형성되고, 특히 스페이서는 공융물 내로 가라앉는다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 일 실시예에 따라, 단계(a)에서는 제1 본딩 층을 구비한 제1 웨이퍼가 준비되며, 이때 제1 본딩 층은 본딩 영역 및 지지 영역 내에 배치되고; 단계(a)에서는 제2 본딩 층을 구비한 제2 웨이퍼가 준비되며, 이때 제2 본딩 층은 본딩 영역 내에 배치되고, 스페이서는 지지 영역 내에 배치되고; 단계(c)에서는 제2 본딩 층에 제1 본딩 층이 접할 때까지의 제1 웨이퍼 및 제2 웨이퍼의 상호 가압이 본딩 영역에서 실행되고; 단계(d)에서는 공융물이 본딩 영역에서 형성되고, 특히 스페이서는 제1 본딩 층 내로 압입된다.
또한, 본 발명은 공융물에 의해 서로 결합되는 제1 웨이퍼 및 제2 웨이퍼를 갖는 공융 본딩된 웨이퍼 결합체에 관한 것이며, 이러한 웨이퍼 결합체는 제1 웨이퍼 및 제2 웨이퍼 사이에 스페이서가 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 공융 본딩된 웨이퍼 결합체의 바람직한 일 실시예에 따라, 스페이서는 공융물 옆에 배치되거나, 공융물에 의해 적어도 부분적으로 직접 둘러싸인다.
본 발명에 따른 공융 본딩된 웨이퍼 결합체의 바람직한 일 실시예에 따라, 제1 웨이퍼에는 제1 본딩 층이 배치되고, 스페이서는 제1 본딩 층 내로 압입된다.
본 발명에 따른 공융 본딩된 웨이퍼 결합체의 바람직한 일 실시예에 따라, 스페이서는 제1 본딩 층보다 더 두꺼운 두께를 갖는다.
또한 본 발명은 상술한 바와 같은 공융 본딩된 웨이퍼 결합체를 포함하는 미소 기계 장치에 관한 것이다.
추후에 제거되는 스페이서 공구["플래그(flag)"]에 의한 공융 본딩과 비교하여, 본 발명에 따른 내부 스페이서에 의한 본딩의 장점은 다음과 같다:
바람직하게 스페이서 공구의 제거 시 제1 웨이퍼와 제2 웨이퍼 서로의 후속적인 조정 불량의 위험이 제거된다. 또한, 바람직하게 내부 스페이서는 종래 기술의 스페이서 공구보다 제1 웨이퍼와 제2 웨이퍼의 웨이퍼 보우(wafer bow) 오차에 대해 더 관대하다.
스페이서가 없는 종래 기술의 공융 본딩과 비교한, 어닐링이 수행되는, 내부 스페이서를 갖는 본 발명에 따른 본딩의 이점들은 다음과 같다:
본 발명에 의해서는, 종래 기술에서의 온도 제한, 즉 예비 단계에서의 온도가 공융점보다 훨씬 더 낮게 유지되어야 한다는 온도 제한은 해제되고, 또한 웨이퍼 표면에 대한 접근성은 향상된다. 이로 인해, 표면들은 본딩 이전에 더 양호하게 세척될 수 있다. 따라서, 완성 장치 내에서의 추후의 가스 방출 또는 탈가스가 감소하고, 즉 예를 들어 회전 속도 센서의 더 높은 성능이 달성 가능하거나 정확하게 규정된 내부 분위기의 설정이 가능한데, 이는 재차 더 낮은 품질 산포를 유도한다. 일반적으로 불순물이 감소되고, 만일의 오염물로부터 초래될 수 있는 원하지 않는 효과들이 방지되거나 매우 감소된다.
센서 웨이퍼의 제1 본딩 층의 알루미늄에 대한 지지면을 형성하는, 특히 구조화된 산화물 층으로 이루어진 스페이서를 사용하는 것이 바람직하다. 캡 상에 위치하는, 제2 본딩 층의 게르마늄은 더 얇은 층으로서 증착되므로, 2개 본딩 재료들, 즉 알루미늄과 게르마늄 간의 간격이 형성된다. 스페이서는 제거될 필요가 없는 플래그와 유사하게 작용한다. 후속 본딩 공정에서, 가압력의 인가 시 스페이서는 알루미늄 내로 밀려들어가 이를 변위시키므로, 알루미늄과 게르마늄의 접촉 시 상응하는 온도에서 공융물이 기존과 같이 생성된다. 본딩 재료들이 간격을 두고 유지되는 한, 조정된 상태에서 심지어는 공융점을 초과하는 온도도 가능하다.
도 1a 내지 도 1e는 종래 기술에서의 웨이퍼 공융 본딩 방법 및 웨이퍼 결합체를 도시한 도면들이다.
도 2a 내지 도 2f는 제1 실시예에서의 본 발명에 따른 웨이퍼 공융 본딩 방법을 도시한 도면들이다.
도 3a 내지 도 3c는 종래 기술에서의 공융 본딩 시 온도 프로파일과 본 발명에 따른 방법에서의 공융 본딩 시 온도 프로파일을 비교한 도면들이다.
도 4a 내지 도 4c는 제2 실시예에서의 본 발명에 따른 웨이퍼 공융 본딩 방법을 도시한 도면들이다.
도 1a 내지 도 1e 그리고 도 2a 및 도 2b에는 종래 기술에서의 웨이퍼 공융 본딩 방법 및 웨이퍼 결합체가 도시되어 있다.
도 1a에는 제1 웨이퍼(10) 및 제2 웨이퍼(20)의 준비가 개략적으로 도시되어 있다. 이 경우, 제1 웨이퍼(10)는 본딩 영역(100) 내에 제1 재료(311)로 이루어진 제1 본딩 층(310)을 포함한다. 제2 웨이퍼(20)는 본딩 영역(100) 내에 제2 재료(322)로 이루어진 제2 본딩 층(320)을 포함한다. 이 경우, 제1 재료(311) 및 제2 재료(322)는 서로 공융 합금을 형성할 수 있도록 선택된다. 이 경우, 제1 재료(311)는 예를 들어 알루미늄일 수 있다. 이때, 제2 재료(322)는 예를 들어 게르마늄이다.
도 1b에는 제1 단계에서의 제1 웨이퍼(10) 및 제2 웨이퍼(20)의 서로에 대한 배열이 개략적으로 도시되어 있다. 제1 웨이퍼(10) 및 제2 웨이퍼(20)는 별도의 조정 유닛 내에서 서로에 대해 조정되고 고정 상태로, 예를 들어 본딩 툴 내에 클램핑되어 본더에 삽입된다. 일반적으로 웨이퍼 표면들은 본딩 툴 내에서 이미 서로 접촉하고 있다.
도 1c에는 제2 단계에서의 본딩 예비 단계가 개략적으로 도시되어 있다. 조정된 웨이퍼를 본더 내로 적재한 이후, 규정된 온도 구배가 구현된다. 통상적으로, 두 개의 웨이퍼들은 공융점 아래에서 먼저 균일한 온도가 되고(예비 단계), 이후 예비 정체기를 통과하며, 이때 요철에 기인한 간극들을 통해 웨이퍼 상에서의 가스 교환이 가능하다. 이 경우, 공융점을 초과한 어닐링은 실행되지 않는다.
도 1d에는 제3 단계에서의 본딩의 메인 단계, 즉 본질적인 공융 본딩 과정이 도시되어 있다. 이 경우, 가압력의 인가와, 공융점을 초과하는 온도 상승이 실행된다.
도 1e에는 제4 단계에서의 본딩 종료 단계가 개략적으로 도시되어 있다. 이 단계에서, 본딩된 웨이퍼의 냉각 및 후속하는 외부 반출이 실행된다.
도 2a 내지 도 2f에는 제1 실시예에서의 본 발명에 따른 웨이퍼 공융 본딩 방법이 도시되어 있다.
도 2a에는 본 발명에 따른 방법의 제1 실시예에서의 제1 웨이퍼(10) 및 제2 웨이퍼(20)의 준비가 개략적으로 도시되어 있다. 이 경우, 제1 웨이퍼(10)는 본딩 영역(100) 내에 제1 본딩 재료(311)로 이루어진 제1 본딩 층(310)을 포함한다. 제2 웨이퍼(20)는 본딩 영역(100) 내에 제2 본딩 재료(322)로 이루어진 제2 본딩 층(320)을 포함한다. 이 경우, 제1 본딩 재료(311)는 예를 들어 알루미늄이다. 이때, 제2 본딩 재료(322)는 예를 들어 게르마늄이다. 상술한 종래 기술과는 달리, 제1 웨이퍼(10) 및 제2 웨이퍼(20)는 각각 지지 영역(200)을 포함한다. 제1 웨이퍼(10)는 지지 영역(200) 내에 마찬가지로 알루미늄으로 이루어진 제1 본딩 층(310)을 포함한다. 제2 웨이퍼(20)는 지지 영역(200) 내에 게르마늄으로 이루어진 제2 본딩 층(320)과 스페이서(400)를 포함한다. 이 경우, 스페이서(400)는 제2 웨이퍼(20) 상에 증착되거나 생성된, 예를 들어 산화물로 이루어진 층으로서 형성된다. 본 실시예에서는 열 산화물로 이루어진 스페이서(400)가 제2 웨이퍼(20) 상에, 이 경우 실리콘 웨이퍼 상에 형성된다. 이 경우, 스페이서(400)는 제2 본딩 층(320)보다 더 두꺼운 층 두께를 갖는다. 제1 웨이퍼(10), 이 경우 마찬가지로 실리콘 웨이퍼는 예를 들어 MEMS 구조가 노출된 후에 미소 기계식 센서를 포함한다. 제2 웨이퍼(20)는 예를 들어 미소 기계식 센서를 위한 캡이다.
도 2b에는 본 발명에 따른 방법의 제1 단계에서의 제1 웨이퍼(10) 및 제2 웨이퍼(20)의 서로에 대한 배열이 개략적으로 도시되어 있다. 제1 웨이퍼(10) 및 제2 웨이퍼(20)는 별도의 조정 유닛 내에서 서로에 대해 조정되고 고정 상태로, 예를 들어 본딩 툴 내에 클램핑되어 본더에 삽입된다. 이 경우, 제2 웨이퍼(20)는 지지 영역(200)에서 스페이서(400)에 의해 제1 웨이퍼(10)의 제1 본딩 층(310) 상에 놓인다.
도 2c에는 본 발명에 따른 방법의 제2 단계에서의 본딩 예비 단계가 개략적으로 도시되어 있다. 본더 내에서는 서로에 대해 조정된 웨이퍼들(10 및 20)이 가압력의 인가없이 예비 단계에서 어닐링된다. 스페이서(400)에 의해 보장되는 웨이퍼 표면들 간의 간격은 가스 교환, 탈착 효과, 또는 흡착 효과를 개선시킨다. 공융점 부근 또는 그를 초과하는 어닐링 온도가 가능하다.
도 2d에는 본 발명에 따른 방법의 제1 실시예의 제3 단계에서의 가압력 인가가 개략적으로 도시되어 있다.
어닐링 이후에는 본질적인 본딩 공정이 실행된다. 이 경우, 본 발명에 따라 2가지 공정 변형예들(a 및 b)이 가능하다.
변형예a:
우선 공융점을 초과하지 않는 조건에서, "T5"의 온도에서 가압력(500)이 상승된다. 이 경우, 스페이서(400)는 제1 본딩 층(310)의 알루미늄 내로 압착된다. 알루미늄은 ">> 300°C"의 온도에서 매우 연성이다. 공융 본딩을 위해 적합한 다른 연성 재료들은 예를 들어 금 또는 주석이다. 스페이서(400)는 항상 더 연질의 본딩 재료 반대편에 배치되어야 한다. 스페이서(400)는 제1 웨이퍼(10) 또는 제2 웨이퍼(20) 상에 위치할 수 있다. 이에 상응하게, 더 연질의 본딩 재료의 위치는 교체되어야 한다.
변형예b:
공융점 부근 또는 그를 초과하는 온도 영역 내 온도 "T7"에서 가압력(500)이 인가된다. 이에 따라, 알루미늄과 게르마늄이 접촉하는 즉시, 용융물 형성이 실행되고, 후속 제4 단계로의 직접적인 전환이 실행된다.
도 2e에는 본 발명에 따른 방법의 제1 실시예의 제4 단계에서의, 공융점을 초과하는 온도 상승과 이로 인한 본딩의 메인 단계가 개략적으로 도시되어 있다. 제1 웨이퍼(10)와 제2 웨이퍼(20)를 서로 가압하는 가압력(500)의 인가 시에는 공융점을 초과하는 온도 조절이 실행된다. 알루미늄과 게르마늄이 접촉하자마자, 용융물, 즉 공융물(350)이 형성된다. 본딩 결합의 형성은 종래 기술에 공지된 바와 같이 실행된다. 본 발명에 따른 방법의 여기 설명된 제1 실시예에서, 스페이서(400)는 상응하게 공융 합금(350)의 재료로 둘러싸여진다. 상황에 따라 발생 가능한 변형력은 감소한다.
도 2f에는 본 발명에 따른 방법의 제5 단계에서의 본딩 종료 단계가 개략적으로 도시되어 있다. 최종의 제5 단계에서는 웨이퍼 결합체의 냉각이 실행된다. 이어서, 웨이퍼 스택이 외부 반출되어 추가 처리된다.
도 3a 내지 도 3c에는 종래 기술에서의 공융 본딩 시 온도 프로파일과 본 발명에 따른 방법에서의 공융 본딩 시 온도 프로파일이 비교 도시된다. 시간에 걸친 공정 온도의 추이가 개략적으로 도시되어 있다.
도 3a에는 종래 기술에서의 공융 본딩에 대한 전형적인 온도 프로파일이 도시되어 있다. 이 경우, 2개 웨이퍼들은 조정된 상태에서 우선 제1 온도(T1)로부터 제2 온도(T2)로 가열된다. 이러한 제2 온도(T2)에서 2개 웨이퍼들은 정체 단계를 통과한다. 제2 온도(T2)에서의 예비 단계는 조정된 웨이퍼들의 균일한 온도 조절을 설정하는데 사용된다. 이러한 단계에서는 내부 분위기의 설정도 실행된다. 이어서, 2개 웨이퍼들은 가압력(500)의 인가 시에 공융 온도(TE)를 초과하여 제3 온도(T3)로 가열된다. 이 경우, 공융 합금의 형성과, 이에 따라 공융 본딩 결합의 형성이 야기된다. 이어서, 공융 본딩된 웨이퍼 결합체는 냉각된다.
도 3b에는 어닐링이 수행되는 변형예a에서의 본 발명에 따른 공융 본딩 방법의 온도 프로파일이 도시되어 있다. 이 경우, 2개 웨이퍼들은 조정된 상태에서 우선 제1 온도(T1)로부터 "TE" 부근의 제4 온도(T4)로, 즉 공융 온도(TE)에 대해 수 캘빈만큼 미달하거나 초과하는 온도까지 가열된다. 이어서 2개 웨이퍼들은, 제4 온도(T4)에는 미달하지만 제1 온도(T1)는 초과하는 제5 온도(T5)로 냉각된다. 또한, 예비 단계 이전에는 공융 온도(TE) 부근 또는 그를 초과하는 제4 온도(T4)에서의 어닐링이 선행된다. 온도 "T5"는 본질적인 본딩 과정을 위한 초기값으로서 쓰여진다. 가압력(500)의 인가 시에는 아직 본딩이 실행되지 않는다. 후속적으로 2개 웨이퍼들은 가압력 하에, 공융 온도(TE)를 초과하는 제6 온도(T6)로 가열된다. 이 경우, 공융 본딩 결합이 생성된다. 이어서, 공융 본딩된 웨이퍼 결합체는 냉각된다.
도 3c에는 어닐링이 수행되는 변형예b에서의 본 발명에 따른 공융 본딩 방법의 온도 프로파일이 도시되어 있다. 이 경우, 2개 웨이퍼들은 조정된 상태에서 우선 제1 온도(T1)로부터 "TE" 부근의 제7 온도(T7)로, 즉 공융 온도(TE)에 대해 수 캘빈만큼 미달하거나 초과하는 온도까지 가열된다. 예비 단계는 공융 온도(TE) 부근 또는 그를 초과하는 제7 온도(T7)에서 실행된다. 본질적인 본딩 과정은 매끄럽게 이어진다. "T7>TE"일 때는 가압력(500)이 인가되는 즉시, 공융물이 생성되고, 이에 따라 본딩이 시작된다. "T7<TE"일 때는 2개 웨이퍼들의 추가 가열 및 제8 온도(T8)로의 전환 시에야 비로소 공융물이 형성된다.
도 3b 및 도 3c에 따른 본 발명에 따른 방법의 2개 변형예들(a 및 b)은 도 3a에 따른 종래 기술에서의 공융 본딩보다 더 짧은 본딩 시간, 즉 더 짧은 공정 지속 시간을 갖는다.
도 4a 내지 도 4c에는 제2 실시예에서의 본 발명에 따른 웨이퍼 공융 본딩 방법이 도시되어 있다. 하기에는 실질적으로 제1 실시예와의 차이점이 설명된다.
도 4a에는 제1 웨이퍼(10) 및 제2 웨이퍼(20)의 준비가 개략적으로 도시되어 있다. 이 경우, 제1 웨이퍼(10)는 본딩 영역(100) 내에 제1 본딩 재료(311)로 이루어진 제1 본딩 층(310)을 포함한다. 제2 웨이퍼(20)는 본딩 영역(100) 내에 제2 본딩 재료(322)로 이루어진 제2 본딩 층(320)을 포함한다. 이 경우, 제1 본딩 재료(311)는 재차 예를 들어 알루미늄이다. 이때, 제2 본딩 재료(322)는 예를 들어 게르마늄이다. 상술한 제1 실시예와는 달리, 제1 웨이퍼(10) 및 제2 웨이퍼(20)는 각각 지지 영역(200)을 포함한다. 제1 웨이퍼(10)는 지지 영역(200) 내에 마찬가지로 알루미늄으로 이루어진 제1 본딩 층(310)을 포함한다. 상술한 제1 실시예와는 달리, 제2 웨이퍼(20)는 지지 영역(200) 내에 스페이서(400)만을 포함한다. 이 경우, 스페이서(400)는 제2 웨이퍼(20) 상에 증착되거나 생성된, 예를 들어 산화물로 이루어진 층으로서 형성된다. 이 경우, 스페이서(400)는 제2 본딩 층(320)보다 더 두꺼운 층 두께를 갖는다.
제1 방법 단계 및 제2 방법 단계는 도 2b 및 도 2c에 따른 제1 실시예와 유사하게 진행된다.
도 4b에는 제3 단계에서의 가압력 인가가 개략적으로 도시되어 있다. 가압력(500)은 화살표를 따라 작용한다. 어닐링 이후에는 본질적인 본딩 공정이 실행된다. 이 경우, 재차 2가지 공정 변형예들(a 및 b)이 가능하다.
변형예a:
우선 공융점을 초과하는 일없이, 제5 온도(T5)에서 가압력(500)이 상승된다. 이는 스페이서(400)가 제1 본딩 층(310)의 알루미늄 내로 압착되도록 한다. 이 경우, 알루미늄은 옆으로 밀린다. 알루미늄은 >> 300 °C의 온도에서 매우 연성이다. 최종적으로 제1 본딩 층(310)과 제2 본딩 층(320)은 서로 접촉한다. 이러한 온도 프로파일은 도 3b에 도시된 것에 상응한다.
변형예b:
공융점 부근 또는 그를 초과하는 온도 영역 내 온도 "T7"에서 가압력(500)이 인가된다. 이에 따라, 알루미늄과 게르마늄이 접촉하는 즉시, 용융물 형성(제4 단계 참조)이 실행되지만, 스페이서(400)의 영역에서는 용융물 형성이 실행되지 않는다. 이러한 온도 프로파일은 도 3c에 도시된 것에 상응한다.
도 4c에는 제4 단계에서의, 공융점을 초과하는 온도 상승과 이로 인한 본딩의 메인 단계가 개략적으로 도시되어 있다. 가압력(500)의 인가 시에는 공융점을 초과하여 온도 조절이 실행되며, 알루미늄과 게르마늄이 접촉하자마자, 용융물, 즉 공융물(350)이 형성된다. 본딩은 통상적으로 실행되지만, 스페이서(400)의 영역에서는 실행되지 않는다. 여기서는 제1 본딩 층(310)의 알루미늄 변위가 실행된다. 스페이서(400)는 알루미늄에 의해 둘러싸인다.
후속적으로 최종의 제5 단계에서는 웨이퍼 결합체의 냉각이 실행된다.
실험에 따라, 하기의 층 두께가 시험 및 검증되었다. 즉 제1 본딩 재료(311)인 알루미늄으로 이루어진 제1 본딩 층(310)은 1.35㎛이고, 제2 본딩 재료(322)인 게르마늄으로 이루어진 제2 본딩 층(320)은 0.75㎛이며, 스페이서(400)는 1.6㎛이다. 따라서, 본딩 재료들 간의 간격은 약 1㎛이다. 원칙적으로 이러한 간격은 더 크게 형성될 수도 있지만, 상응하는 본딩 상대제들을 상응하게 조정해야 한다. 2가지 실시예들은 구별될 수 있다(둘 다 실험으로 검증됨).
순수 가압
이 경우, 스페이서(400)는 제1 본딩 층(310)의 알루미늄 내로 밀려들어 간다. 높은 가압력(500)은 양호한 본딩이 달성될 정도로 알루미늄의 변위가 실행되도록 한다.
공융물 내로의 "가라앉음"
여기서는 가압에 의한 알루미늄의 변위가 실행되는 한, 제1 본딩 재료 및 제2 본딩 재료(311, 322)가 서로 접촉할 때까지 실행된다. 이러한 지점에 도달하자마자, 상응하는 온도에서 스페이서(400) 주변에는 스페이서(400)를 둘러싸며 발생 변형력을 완화시키는 공융물이 형성된다. 이러한 경우, 게르마늄 층은 스페이서(400)에 매우 근접하지만, 최소 간격을 유지해야 한다. 스페이서(400)의 기하 구조는 유연하다. 스페이서 표면이 변위에 비례하며, 이에 유의해야 한다는 점은 자명하다. 웨이퍼 상에 스페이서(400)를 규칙적으로 분배하는 것은 웨이퍼 보우(wafer bow) 현상을 예방하기 위함이다. 스크라이브 라인(scribe line) 내 배치, 즉 차후에 웨이퍼 결합체가 개별 장치들로 분할되는 영역들 내 배치가 공간 상 이유로 바람직해 보인다.
따라서, 더 복잡한 본딩 공정을 진행할 수 있는 가능성이 얻어진다. 이와 같이, 예비 단계는 공융점 부근 또는 그를 초과하는 온도로 실행될 수 있다. 더욱이, (예를 들어, 구성 요소들의 탈착, 흡착 또는 치환을 위한) 표면 반응성 가스 또는 화학 약품에 의한 세척이 스페이서 덕택에 더 효과적으로 실행될 수 있다.
원칙적으로, 본 발명은 예를 들어 센서 웨이퍼 및 ASIC 웨이퍼["캡(cap)으로서의 ASIC"]로 이루어진 다른 웨이퍼 쌍들에 대해서도 고려될 수 있다.
10 제1 웨이퍼
20 제2 웨이퍼
100 본딩 영역(본딩 프레임)
200 지지 영역(조정 영역)
310 제1 본딩 층(Al)
311 제1 본딩 재료(Al)
320 제2 본딩 층(Ge)
322 제2 본딩 재료(Ge)
350 제1 본딩 재료 및 제2 본딩 재료의 공융물(AlGe)
400 스페이서
500 가압력
T1 제1 온도
T2 제2 온도
T3 제3 온도
T4 제4 온도
T5 제5 온도
T6 제6 온도
T7 제7 온도
T8 제8 온도
TE 공융 온도

Claims (11)

  1. 웨이퍼의 공융 본딩 방법이며,
    (a) 제1 본딩 층(310)을 구비한 제1 웨이퍼(10)와, 제2 본딩 층(320) 및 스페이서(400)를 구비한 제2 웨이퍼(20)의 준비 단계와,
    (b) 제2 웨이퍼(20)에 대한 제1 웨이퍼(10)의 상호 인접 배치 단계이며, 이때 스페이서(400)는 제1 온도(T1)에서 제1 본딩 층(310)에 접하는, 상호 인접 배치 단계와,
    (c) 제2 본딩 층(320)에 제1 본딩 층(310)이 접할 때까지 가압력(500)에 의한 제1 웨이퍼(10) 및 제2 웨이퍼(20)의 상호 가압 단계이며, 이때 스페이서(400)는 제1 본딩 층(310) 내로 밀려들어가는, 상호 가압 단계와,
    (d) 제1 본딩 층(310) 및 제2 본딩 층(320)의 하나 이상의 부분들로 이루어진 공융물(350)의 형성을 통한 제1 웨이퍼(10)와 제2 웨이퍼(20)의 공융 본딩 단계 및 이로 인한 웨이퍼 결합체 형성 단계를 포함하고,
    단계(b) 이후, 단계(c) 이전의 단계(e)에서는 제1 웨이퍼(10) 및 제2 웨이퍼(20)가 공융 온도(TE)에 대해 수 캘빈만큼 미달하거나 초과하는 온도(T4, T7)에서 어닐링되는, 웨이퍼의 공융 본딩 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    - 단계(e)에서는 제1 웨이퍼(10) 및 제2 웨이퍼(20)가 공융 온도(TE)에 대해 수 캘빈만큼 미달하거나 초과하는 제4 온도(T4)에서 어닐링되고,
    - 이어서 제1 웨이퍼(10) 및 제2 웨이퍼(20)는 제4 온도(T4)에는 미달하지만 제1 온도(T1)는 초과하는 제5 온도(T5)로 냉각되는, 웨이퍼의 공융 본딩 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    - 단계(e)에서는 제1 웨이퍼(10) 및 제2 웨이퍼(20)가 공융 온도(TE)에 대해 수 캘빈만큼 미달하거나 초과하는 제7 온도(T7)에서 어닐링되고, 단계(d)까지 제7 온도(T7)로 유지되는, 웨이퍼의 공융 본딩 방법.
  4. 웨이퍼의 공융 본딩 방법이며,
    (a) 제1 본딩 층(310)을 구비한 제1 웨이퍼(10)와, 제2 본딩 층(320) 및 스페이서(400)를 구비한 제2 웨이퍼(20)의 준비 단계와,
    (b) 제2 웨이퍼(20)에 대한 제1 웨이퍼(10)의 상호 인접 배치 단계이며, 이때 스페이서(400)는 제1 온도(T1)에서 제1 본딩 층(310)에 접하는, 상호 인접 배치 단계와,
    (c) 제2 본딩 층(320)에 제1 본딩 층(310)이 접할 때까지 가압력(500)에 의한 제1 웨이퍼(10) 및 제2 웨이퍼(20)의 상호 가압 단계이며, 이때 스페이서(400)는 제1 본딩 층(310) 내로 밀려들어가는, 상호 가압 단계와,
    (d) 제1 본딩 층(310) 및 제2 본딩 층(320)의 하나 이상의 부분들로 이루어진 공융물(350)의 형성을 통한 제1 웨이퍼(10)와 제2 웨이퍼(20)의 공융 본딩 단계 및 이로 인한 웨이퍼 결합체 형성 단계를 포함하고,
    - 단계(a)에서는 제1 본딩 층(310)을 구비한 제1 웨이퍼(10)가 준비되며, 이때 제1 본딩 층(310)은 본딩 영역(100) 및 지지 영역(200) 내에 배치되고,
    - 단계(a)에서는 제2 본딩 층(320)을 구비한 제2 웨이퍼(20)가 준비되며, 이때 제2 본딩 층(320)은 본딩 영역(100) 및 지지 영역(200) 내에 배치되고, 스페이서(400)는 지지 영역 내에 배치되고,
    - 단계(c)에서는 제2 본딩 층(320)에 제1 본딩 층(310)이 접할 때까지의 제1 웨이퍼(10) 및 제2 웨이퍼(20)의 상호 가압이 본딩 영역(100)뿐만 아니라 지지 영역(200)에서도 실행되고,
    - 단계(d)에서는 공융물(350)이 본딩 영역(100)뿐만 아니라 지지 영역(200)에서도 형성되는, 웨이퍼의 공융 본딩 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    - 단계(d)에서는 스페이서(400)는 공융물(350) 내로 가라앉는, 웨이퍼의 공융 본딩 방법.
  6. 웨이퍼의 공융 본딩 방법이며,
    (a) 제1 본딩 층(310)을 구비한 제1 웨이퍼(10)와, 제2 본딩 층(320) 및 스페이서(400)를 구비한 제2 웨이퍼(20)의 준비 단계와,
    (b) 제2 웨이퍼(20)에 대한 제1 웨이퍼(10)의 상호 인접 배치 단계이며, 이때 스페이서(400)는 제1 온도(T1)에서 제1 본딩 층(310)에 접하는, 상호 인접 배치 단계와,
    (c) 제2 본딩 층(320)에 제1 본딩 층(310)이 접할 때까지 가압력(500)에 의한 제1 웨이퍼(10) 및 제2 웨이퍼(20)의 상호 가압 단계이며, 이때 스페이서(400)는 제1 본딩 층(310) 내로 밀려들어가는, 상호 가압 단계와,
    (d) 제1 본딩 층(310) 및 제2 본딩 층(320)의 하나 이상의 부분들로 이루어진 공융물(350)의 형성을 통한 제1 웨이퍼(10)와 제2 웨이퍼(20)의 공융 본딩 단계 및 이로 인한 웨이퍼 결합체 형성 단계를 포함하고,
    - 단계(a)에서는 제1 본딩 층(310)을 구비한 제1 웨이퍼(10)가 준비되며, 이때 제1 본딩 층(310)은 본딩 영역(100) 및 지지 영역(200) 내에 배치되고,
    - 단계(a)에서는 제2 본딩 층(320)을 구비한 제2 웨이퍼(20)가 준비되며, 이때 제2 본딩 층(320)은 본딩 영역(100) 내에 배치되고, 스페이서(400)는 지지 영역 내에 배치되고,
    - 단계(c)에서는 제2 본딩 층(320)에 제1 본딩 층(310)이 접할 때까지의 제1 웨이퍼(10) 및 제2 웨이퍼(20)의 상호 가압이 본딩 영역(100)에서 실행되고,
    - 단계(d)에서는 공융물(350)이 본딩 영역(100)에서 형성되는, 웨이퍼의 공융 본딩 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    - 단계(d)에서는 스페이서(400)는 제1 본딩 층(310) 내로 압입되는, 웨이퍼의 공융 본딩 방법.
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