TW200847240A - Double plasma utbox - Google Patents

Description

200847240 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種使以選自半導體材料之材料所完成之 兩基板結合的方法，該方法係執行： -熱處理以使兩基板結合之步驟； _電漿活化各基板之待結合表面，該兩基板中之第一基板 之待結合表面包含一氧化層。 【先前技術】 此類型方法已為人所知。 本文中，應瞭解”結合”係指藉由分子附著力結合，其中 兩個完整平滑表面彼此間附著而無需使用黏附劑，此可在 室溫下進行。 結合品質尤其可藉由黏結能表徵，黏結能表示兩結合在 一起之基板之間的結合強度。 為it由刀子附耆力結合強化兩基板，所組裝之基板必須 經歷熱處理。此熱處理讓該兩基板之結合能達到約至少 5 00 mJ/m2之值’此可相當於典型期望值。 此熱處理習知通常在約至少90(rc之溫度下執行（其在本 文之範疇中定義”高溫”領域）。在結合介於si基板與以或 Si〇2基板之間的情況下，結合能可經由在約⑽。◦之 溫度下執行處理來最大化。 電桌活化待結合表面定義為，在使待結合表面接觸之 如’將此表面暴露於電漿（此尤其可在真空下或在大氣壓 下進行）。 125715.doc 200847240 更確切而言，在已知活化技術中，待活化之基板表面係 在暴露步驟期間暴露於電漿，其中控制暴露參數以便將其 各設定於個別給定值，在電漿活化期間保持不變。 ”暴露參數π依重要順序為： -功率岔度。此為供給電漿之功率之密度，其對應於每單 位表面之功率密度（w/cm2)，且在本文中，其亦由簡單 術語”功率π指明。 -壓力（含有電漿之腔室内之壓力，以毫托（mTorr)表示）。 -供給此腔室之氣體之性質及流量（以sccni :標準立方公 分/分鐘表示）。 此活化尤其容許藉由分子附著力之結合待經由獲得高結 合能來執行，而無需高溫下之熱處理。 事實上’電漿活化可使兩基板之間產生高結合能，在相 對低之溫度（例如約600°C或低於600°C)下、在相對短之時 間内（例如約2小時）執行熱處理之後，至少一基板已在結合 之前被活化。 因此’在希望避免使該結構經受過高溫度的情況下（尤 其在異質結構的情況下，異質結構定義為包含由熱膨脹係 數大體上不同之材料所製成之層的結構），此活化有利於 使包含兩結合基板的結構穩定。 此活化亦有利於在給定溫度下獲得高結合強度。 因此’此活化有利於例如藉由使兩基板結合來製造多層 結構。 轉移方法（尤其Smart Cut™類型方法，其一般說明可見 125715.doc 200847240 於著作 SILICON-ON_INSULATOR TECHN〇l〇gY: Materials to VLSI，第 2版（Jean-Pietre C〇linge);或抓8〇1(絕緣層上 之結合#刻矽）類型方法’其中使兩基板結合且接著藉由 餘刻去除其中一基板之剩餘材料）為可受益於電漿活化以 便結合之實例。 為充分利用電漿處理對各種結合的作用，文獻（尤其文 獻 Effects of plasma activation on hydrophilic bonding 〇f Si and Si02，T. Suni及 I.J. Electroch· Soc·第 149卷，第 6 期，第348頁（2002)及Farrens等人之美國專利us 6 645 828)中所見之習知方法係由電漿活化兩待結合之基板組 成。 較為罕見地，因黏結能低，所以使兩表面中僅一者暴露 於電漿。在Si/Si〇2結合之情況下，通常是氧化物藉由電漿 處理（參見 Effects of plasma activati〇ll hydrophilic bonding of Si and Si02) 〇 在晶圓接觸之前活化其表面的電漿處理中，現今使用不 同氣體，例如氧氣、氮氣及氬氣。 通常，兩個待結合表面係經由相同電漿處理、以同樣方 式處理。 【發明内容】 本發明之一目標係改良執行電漿活化的已知結合技術。 本t明之另一目標係減少存在於基板上之缺陷數，或乃 至完全消除該等缺陷。 特疋δ之’本發明之_目標係提高電漿活化後所獲得的 125715.doc 200847240 結合能。 為達成該等目標，麻 選自 據弟一悲樣，本發明提出一種使由 、¥體材料之材科所製成之兩基板結合的 法係執行·· &人乃 -藉由熱處理使該兩基板結合之步驟； ^士化各基板之待結合表面，兩基板中之第-基板之 待：口表面包含—氧化層，該方法特徵在於，電聚活化 $氧化層係在含氧氣氣氛下執行，且電漿活化第二基板 之待結合表面係在惰性氣氛下執行。 該方法之較佳但非限制性態樣係如下： :表面包含一氧化層之基板為供體基板，以便層轉移至 受體基板； 广氧化層係藉由熱氧化供體基板而獲得； -該氧化層係沈積於供體基板上； -此轉移可容許獲得SOI(絕緣層上覆矽）型結構； 忒SOI包含UTB〇x(超薄埋藏氧化層）型薄層，其厚度小 於500人； -受體基板為矽； 中性氣體為氬氣； 在匕3氬氣之氣氛下電漿活化期間的功率密度為〇.4 W/cm2 ; -中性軋體為氮氣； 在匕a氮氣之氣氛下電漿活化期間的功率密度為〇·8 W/cm2 ; 125715.doc 200847240 -在電漿活化步驟之前，使受體基板經受清潔步驟； -在電漿活化步驟之前，使供體基板經受清潔步驟； -結合熱處理係低溫下執行； -結合熱處理係在200°C與600°c之間執行；， "結合熱處理係在短時間内執行； -結合熱處理係執行約2小時。 根據第二態樣，本發明亦提出如下所獲得之s〇i型釺 構··在根據上述類型之方法電漿活化獲得結合後，將自供 體基板所移除之薄層轉移至受體基板上，該結構特徵在於 本發明具有UTBOX(超薄埋藏氧化層）型層。 該結構之較佳但非限制性態樣係如下： -埋藏氧化層之厚度介於50人與1000 A之間，較佳小於 500 A ； 、 -若埋藏氧化層之厚度為約250 A，則此層具有的缺陷數 介於〇與10之間； •若埋藏氧化層之厚度為約125 A，則此層具有的缺陷數 介於0與310之間； -若埋藏氧化層之厚度為約1000 A且電漿活化係以氬氣在 中性氣氛下執行，則室溫下之結合能為約0.175 J/m2 ; 若埋藏氧化層之厚度為約5〇〇 A且電漿活化係以氬氣在 中性氣氛下執行，則室溫下之結合能為約0.180 J/m2 ; 若埋藏氧化層之厚度為約250 A且電漿活化係以氬氣在 中〖生氣氛下執行，則室溫下之結合能為約0.200 J/m2 ; ’右埋藏氧化層之厚度為約125 A且電漿活化係以氬氣在 125715.doc 200847240 中性氣氛下執行，則室溫下之結合能為約0.200 J/m2 ; -若埋藏氧化層之厚度為約100〇 A且電漿活化係以氮氣在 中性氣氛下用執行，則室溫下之結合能為約0.235 J/m2 ; • _若埋藏氧化層之厚度為約500 A且電漿活化係以氮氣在 中性氣氛下執行，則室溫下之結合能為約〇.258 J/m2 ; -若埋藏氧化層之厚度為約250 A且電漿活化係以氮氣在 中性氣氛下執行，則室溫下之結合能為約〇27〇 J/m2; ί ^ < _若埋藏氧化層之厚度為約125 A且電漿活化係以氮氣在 中性氣氛下執行，則室溫下之結合能為約0.262 J/m2 ; 若製造SOI(絕緣層上覆矽）型基板，則可執行本發明之 結合方法用於將薄層轉移，該等類型基板係藉由分子附著 力結合、經由執行層轉移來製造（例如藉由Smart CutTM或 其他類型轉移方法）。 更確切而言’本發明之有利應用係關於S0I基板之製 ^ ^ ’更確切而έ係關於具有極薄絕緣層（其厚度小於500 埃，例如約一百埃）2UTB〇x(超薄埋藏氧化層）基板之製 造。本發明之一特定非限制性實例係關於已獲得良好結果 之UTB0X基板。然而，應瞭解本發明亦可應用於厚 BOX(埋藏氧化層），亦即厚度大於5〇〇人之Βοχ。 實際上’當该等結構之埋藏氧化層極薄時，可觀測到在 所轉移之層内之缺陷問題（未轉移區、空隙、起泡及鼓 泡）。 本發明通常應用於為半導體材料之兩基板之結合。該等 125715.doc -11 - 200847240 材料中之每—者可切或另-種半導體材料。 此外’兩基板之待牡人志 行、、〇 口表面之一可在活化之前已經氧 化。 正如所見’活化係對兩待結合表面之每—者執行。 亦可瞭解本發明容許結合尤其可錢轉料料之薄層 由开ν成供體基板之"頂部”晶圓轉移至形成受體基板之"基 底”晶圓之轉移方法之範圍中執行。薄層係指厚度為數百 至數千埃之層。 在對轉移方法之此應用中’結合係在活化之後執行於該 供體基板之表面與該受體基板之表面之間。 忒轉移方法尤其可根據Smart CutTM方法執行，

CutTM方法係在結合之前執行原子或離子物質之植入以在 供體基板之厚度内形成弱化區且在結合之後在該弱化區之 層次上執行脫離。 【實施方式】 如在某些已知方法之情況下，本發明藉由電漿達成待結 合之兩基板表面之活化。 在本發明中，對各基板之待結合表面執行特定電漿活 化兩基板中僅第一基板之待結合表面包含氧化層。電漿 活化該氧化層係在含氧氣氣氛下執行，且電漿活化第二基 板之待結合表面係在惰性氣氛下執行。 以下說明闡明使層自供體基板轉移至受體基板之結合方 法之貧例，该層係根據Smart Cut™類型方法脫離。然而， 應瞭解本發明係關於結合步驟本身且層轉移僅為特定性說 125715.doc •12- 200847240 明。 處理受體基板 通常，以下說明中所規定之功率值係針對具有約200 mm直徑之晶圓之應用給定。然而，本發明藉由調適電漿 功率（或功率密度值）亦適用於具有約300 mm直徑之晶圓。 因此，通常，功率密度介於0.035 W/cm2與10 W/cm2之 間，較佳地，對於氬氣為0.4 W/cm2，且對於氮氣為0.8 W/cm2，且對於氧氣為0_8 W/cm2。 受體基板之表面不包含氧化層且較佳為矽。 在電漿活化之前，基板之待結合表面可已經例如臭氧及/ 或RCA之混合物清潔。 接著在中性氣氛（例如含氬氣或氮氣之中性氣氛）下、在 以下特定實驗條件下使受體基板之表面經受電漿活化： 若在含氬氣氣氛下處理，則： -強度介於25 W與2500 W之間，較佳地，對於200 mm晶 圓為125 W或對於300 mm晶圓為約200 W(對應於0.4 W/cm2之功率密度）； -壓力介於20毫托與100毫托之間，較佳為50毫托； -氣體流量介於0與100 seem之間，較佳為100 seem ; -暴露時間介於5秒與5分鐘之間，較佳為30秒。 若在含氮氣氣氛下處理，則： -功率介於25 W與2500 W之間，較佳為250 W(對應於0.8 W/cm2之功率密度）； -壓力介於20毫托與100毫托之間，較佳為50毫托； 125715.doc -13- 200847240 ’較佳為100 seem 較佳為30秒。 氣體流量介於〇與10〇 sccm之間 暴露時間介於5秒與5分鐘之間 在電漿活化期間，供淡雷將 仏、、σ電漿之功率密度應適於所用氣 體。事實上’由於氬原子大於氮原子，因此與氮氣電聚相 比’執行氬氣«所維持之功率將受到更多限制，以防止 氬氣之喷霧效應。 處理供體基板之待結合表面 f'

供體基板之待結合表面包含厚度約1〇〇入至测入、較 仏J於250 Α之薄氧化層（尤其在意欲構成 極薄層之情況下）。 I。構之 在電漿活化之前，基板之待結合表面可已經例如臭氧及/ 或RCA之混合物清潔。 電漿活化處理可使用氧氣、根據以下實驗條件執行·· -功率介於25霄與25〇〇|之間，較佳為25〇界； -壓力為20耄托，較佳為5〇毫托； -氣體流ϊ介於〇與1〇〇 sccm之間，較佳為乃swm ; _暴露時間介於5秒與5分鐘之間，較佳為30秒至45秒。 兩晶圓之結合步驟 使兩晶圓接觸，且接著經受低溫熱處理（介於25t與 11〇〇°C之間，較佳介於2〇〇°C與600°c之間）歷時3〇分鐘至5 小時，以增強結合能，暴露時間較佳為2小時。 所提供之方法之研究目標實際上為使待結合之基板表面 之活化最佳化。 此方法之一優點在於減少或乃至消除薄層内之缺陷（未 125715.doc -14- 200847240 轉移區、空隙、起泡及鼓泡），該等缺陷在此層轉移之後 可存在於基板上。 此外’ 一旦結合步驟執行後，即例如根據Smart CutTM方 法或甚至藉由蝕刻供體基板來執行供體基板之減薄步驟。 實際上’本發明適用於不僅可藉由Smart Cut™類型方 法、而且可藉由BES〇U|型方法製造複雜基板（例如s〇i型 基板）。本發明亦適用於不能經歷高溫熱處理而因此需要 電漿結合之包含積體電路的基板。 圖式說明 以下為執行結合之實驗條件以便獲得圖式中所提供之結 果： -氧化（例如藉由加熱），以在供體基板之待處理表面上獲 得具有給定厚度之氧化層； -僅將氫（能量80 keV，用量7.6xl016個原子/平方公分）橫 越待結合表面植入供體基板； -藉由臭氧及/或RCA型清潔法清潔兩待結合表面； -在包含氧氣之氣氛（75 seem流量，50毫托壓力，25〇 w 功率密度，30秒時間）下，電漿活化供體基板之待結合 表面； -在含氩氣之氣氛（100 sccm流量，50毫托壓力，125冒功 率拴度，3 0秒時間）下，電聚活化受體基板之待結合表 面； -藉由分子附著力使兩待結合表面結合； -介於200°C與600°C之間退火，以穩定結合。 125715.doc -15- 200847240 如圖1中所見’若受體基板未經電漿活化，則 CutTM方法之後，可偵測到轉移層上之約15個缺陷（未轉移 區、空隙、起泡及鼓泡），而在氬氣電漿活化之情況下計 得4個缺陷且在氮氣電漿活化之情況下無缺陷。 因此，當受體基板在含惰性氣體之氣氛下經受電漿活化 時，缺陷數大大減少。 圖2展不類似結果。在受體基板未經電漿活化之情況下 偵測到1000個以上的缺陷，而在含氬氣氣氛下經電漿處理 之情況下僅計得約300個缺陷，且在含氮氣氣氛下經電漿 處理之情況下計得約三十個缺陷。 在圖2之情況下存在更高缺陷數的原因在於，與圖2之情 況相比，氧化層具有薄的多的厚度。然而，當受體基板之 待結合表面預先在中性氣氛下接受電漿處理時，可大大降 低總缺陷數。 圖3展示，當經氧化之供體基板之表面藉由氧化電漿活 化時，無論供體基板之氧化層之厚度如何，在受體基板之 待結合表面預先被電漿活化（藉由中性氣體）處理以黏結時 的結合能均比其未經電漿活化時的結合能高。然而，此電 聚活化之效果視層厚度以及所用中性氣體（氬氣或氮氣）而 定。 然而，極薄氧化層不存在結合能之降低（反之亦然）。 圖4展示，藉由氧化電漿活化供體基板之氧化表面，使 ^體基板失活，可在缺陷數方面提供比藉由氬氣及氮氣電 漿處理更好的結果，此說明應選擇氧化電漿活化供體基 125715.doc • 16 - 200847240 板。 本文中供體基板表面之氧化層具有250 A之厚度。 實際上，當供體基板之氧化表面被氧化電漿活化時，計 得十一個缺卩曰，當供體基板之氧化表面在包含氮氣之氣氛 下被電漿活化時計得約十五個缺陷；且當供體基板之氧化 表面在包含氬氣之氣氛下被電漿活化時計得約25個缺陷。 此外，藉由氧化電漿活化供體基板之氧化表面後所獲得 之…果在缺陷數方面亦好於表面未經預先活化時所獲得之 彼等結果。 本發明中所述方法之實施例之實驗條件係藉助於非限制 性實例給出。 【圖式簡單說明】 圖1為，對於250 Λ之氧化層，在層自與受體基板所結合 之供體基板轉移脫離之後，所計得之缺陷數的比較圖，此 結合已在以下期間經由電漿活化執行： -表面經氧化之供體基板係藉由氧化電漿活化； -及矽受體基板在包含惰性氣體（氮氣或氬氣）之氣氛下藉 由兩種類型電漿中之一種類型電聚活化，或未經活化。9 圖2為，對於125 Α之氧化層，在層自與受體基板所結合 之供體基板轉移之範圍内脫離之後，所計得之缺陷數的比 較圖，此結合已在以下期間經由電漿活化執行： -表面經氧化之供體基板係藉由氧化電漿活化； -及矽受體基板在包含惰性氣體（氮氣或氬氣）之氣氛下藉 由兩種類型電漿中之一種類型電漿活化，或未經活化。 125715.doc -17- 200847240 圖3比較使用以下條件獲自結合在-起之兩基板之間的 、”。口月匕’其中-基板被—氧化層覆蓋且在結合之前已藉由 氧化電漿活化： -不同製備類型之非氧化基板（藉由氮氣或氬氣電漿活 化’及未電漿活化）； -不同厚度之覆蓋氧化基板表面之氧化層（1〇〇〇 A、5〇〇 A、250 人及 125 人）。 圖4為’對於250 A之氧化層，在一層自與受體基板所結 合之供體基板轉移脫離之後，所計得之缺陷數的比較圖， 此結合已在以下期間經由電漿活化執行： -供體基板之氧化表面係在中性氣氛（氮氣或氬氣）下藉由 兩種類型電漿中之一種類型電漿活化，或藉由氧化電漿 活化，或未經活化； -及非氧化矽之受體基板未經活化。 125715.doc

Claims (1)

1. 200847240 、申請專利範圍： 1. 一種使以選自半導體材料之 ..^ ^ τ+所凡成之兩基板結合的 方法，该方法係執行： •藉由熱處理使兩基板結合之步騾，· _電漿活化各基板之待結合表 衣曲該兩基板中之第一基 板之待結合表面由一氧化層構成，· =法特徵在於，電⑽㈣氧化㈣在—含氧氣氣氛 下執行’μ漿活化該第二基板之待結合表面係在-惰 性氣氛下執行。 2·如明求項1之方法，JL转微a认* 〃特铽在於表面由氧化層構成之基 板為供體基板以便讓一層轉移至受體基板。 3·如請求項2之方法，其特徵在於該氧化層係藉由熱氧化 該供體基板而獲得。 4.如請求項2之方法’其特徵在於該氧化層係沈積於該供 體基板上。 月长項2、3或4之方法’其特徵在於該轉移可容許獲 得SOI(絕緣層上覆矽）型結構。 6·如請求項5之方法，其特徵在於該s〇i包含一厚度小於 5〇〇 A的UTB0X(超薄埋藏氧化層）型薄層。 7·如明求項2、3或4之方法，其特徵在於該受體基板 矽。 其特被在於該中性氣體 8 ·如請求項1至4中任一項之方法 為藏I氧J。 9.如吻求項8之方法，其特徵在於電漿活化期間功率密度 125715.doc 200847240 為 0.4 W/cm2。 l〇.如請求項1至4中任一項之方法，其特徵在於該中性氣體 為氮氣。 11.如請求項10之方法，其特徵在於電漿活化期間功率密度 為 0.8 W/cm2。 12. 如請求項丨至4中任一項之方法，其特徵在於在該電漿活 化步驟之前使該受體基板經受一清潔步驟。 13. 如請求項丨至4中任一項之方法，其特徵在於在該電聚活 化步驟之前使該供體基板經受一清潔步驟。 其特徵在於該熱結合處 其特徵在於該熱結合處 〇 其特徵在於該熱結合處 其特徵在於該熱結合處 14_如睛求項1至4中任一項之方法， 理係在低溫下執行。 1 5 ·如睛求項1至4中任一項之方法， 理係介於200°C與60(TC之間執行 16 ·如請求項1至4中任一項之方去， 理係在短時間内執行。 1 7 ·如請求項1至4中任—項之方、去， 理係執行約2小時。 125715.doc