TWI536431B - 永久接合晶圓的方法 - Google Patents

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Description

永久接合晶圓的方法
本發明係關於一種用於將第一基板之第一接觸表面接合至第二基板之第二接觸表面的方法，如技術方案1中所主張。
基板之永久或不可逆接合的目標為產生儘可能強且尤其儘可能不可逆之互連，因此要在基板之兩個接觸表面之間產生高接合力。在先前技術中，存在用於此目的之各種途徑及生產方法。
迄今所遵循之已知生產方法及途徑常常導致不能再生或僅可不良地再生且尤其幾乎不能應用於更改之條件的結果。詳言之，目前使用之生產方法常常使用高溫(尤其>400℃)以便確保可再生結果。
由於迄今對於高接合力為必要的在某種程度上遠高於300℃之高溫，導致各種技術問題，諸如，高能量消耗及基板上存在之結構之可能破壞。
其他需求存在於以下方面：
-前段製程相容性。
此經定義為在生產電作用組件期間之製程的相容性。接合製程因此必須經設計以使得已存在於結構晶圓上之作用組件(諸如，電晶體)在處理期間既不會受不利影響，亦不會被損壞。相容性準則主要包括某些化學元素(主要在CMOS結構中)之純度及主要受 熱應力影響之機械負載能力。
-低污染。
-不施加力。
-溫度儘可能低，尤其對於具有不同熱膨脹係數之材料。
接合力之減少導致較謹慎地處理結構晶圓且因此導致減少由直接機械負載導致之故障機率。
本發明之目標因此為設計一種用於以儘可能高之接合力同時在儘可能低之溫度下謹慎地生產永久接合的方法。
此目標藉由技術方案1之特徵達成。本發明之有利發展在附屬技術方案中給出。說明書、申請專利範圍及/或圖中給出之特徵中之至少兩者的所有組合亦落入本發明之架構內。在給定值範圍下，所指示極限內之值亦將被視為作為邊界值而揭示且將在任何組合中主張。
本發明之基本理念為設計至少在基板之一者上之用於保持第一離析劑的儲集器，該離析劑在接觸或產生基板之間的暫時接合之後與另一基板中存在之第二離析劑反應，且因此在基板之間形成不可逆或永久接合。在第一接觸表面上之一儲集器形成層中形成儲集器之前或之後，進行該或該等基板之大體上清潔(尤其藉由沖洗步驟)。此清潔應大體上確保在表面上不存在會導致未接合位點的顆粒。儲集器及儲集器中含有之離析劑產生在以專用方式產生暫時或可逆接合之後尤其藉由經由反應使接觸表面中之至少一 者，較佳為與儲集器相對之接觸表面變形來直接在接觸表面上誘發增加接合速度及加強永久接合的反應(第一離析劑或第一群組與第二離析劑或第二群組)之技術可能性。如本發明中主張，在相對之第二接觸表面上，存在生長層，在該生長層中發生如本發明中所主張的變形且第一離析劑(或第一群組)與第二基板之反應層中存在的第二離析劑(或第二群組)反應。為了加速第一離析劑(或第一群組)與第二離析劑(或第二群組)之間的反應，如本發明中所主張，規定定位於第二基板之反應層與儲集器之間的生長層在基板進行接觸之前被薄化，此係因為以此方式，反應搭配物之間的距離減少且同時如本發明中主張的生長層之變形/形成得到促進。藉由薄化至少部分，尤其大部分，較佳完全移除生長層。即使已完全移除生長層，亦可在第一離析劑與第二離析劑之反應中再次生長生長層。
如本發明中主張，可存在用於在接觸表面接觸之前尤其藉由第二基板之反應層的鈍化，較佳藉由曝露於N2、形成氣體或惰性氛圍或在真空下或藉由非晶形化而抑制生長層之生長的構件。就此而論，藉由含有形成氣體，尤其主要由形成氣體組成之電漿的處理已證明為尤其合適的。此處，形成氣體定義為含有至少2%、較佳4%、理想地10%或15%之氫氣的氣體。混合物之剩餘部分由諸如(例如)氮氣或氬氣之惰性氣體組成。
替代性地或除了此措施之外，如本發明中主張，最小化薄化與進行接觸之間的時間為有利的，尤其<2小時、較佳 <30分鐘、甚至更佳<15分鐘、理想地<5分鐘。因此，可最小化在薄化之後發生的氧化物生長。
離析劑通過生長層之擴散速率由生長層增加，該生長層已薄化且因此至少在永久接合之形成的開始時或在反應之開始時極其薄。此導致在相同溫度下離析劑之輸送時間較短。
對於預接合步驟，為了在基板之間產生暫時或可逆接合，存在在基板之接觸表面之間產生弱相互作用的各種可能途徑。預接合強度至少為永久接合強度的1/2至1/3、尤其1/5、較佳1/15、又更佳1/25。作為基準值，提及具有約略100 mJ/m2之純非活化親水性矽及具有約略200 mJ/m2至300 mJ/m2之純電漿活化親水性矽的預接合強度。分子潤濕基板之間的預接合主要歸因於不同晶圓側之分子之間的凡得瓦爾相互作用而出現。因此，大體上具有永久偶極矩之分子適合用於實現晶圓之間的預接合。以下化學化合物被提及作為互連劑，其作為實例但不限於此
-水
-硫醇
-AP3000
-矽烷及/或
-矽烷醇。
如本發明中主張，基板為其材料能夠作為離析劑與另一供應之離析劑反應以形成具有較高莫耳體積之產物的基板，作為該反應之結果，導致在基板上形成生長層。以下 組合尤其有利，在箭頭之左側指定離析劑，且在箭頭之右側指定該/該等產物，而無與特定地指定的離析劑反應之供應之離析劑或副產物：
-Si→SiO2、Si3N4、SiNxOy
-Ge→GeO2、Ge3N4
-α-Sn→SnO2
-B→B2O3、BN
-Se→SeO2
-Te→TeO2、TeO3
-Mg→MgO、Mg3N2
-Al→Al2O3、AlN
-Ti→TiO2、TiN
-V→V2O5
-Mn→MnO、MnO2、Mn2O3、Mn2O7、Mn3O4
-Fe→FeO、Fe2O3、Fe3O4
-Co→CoO、Co3O4，
-Ni→NiO、Ni2O3
-Cu→CuO、Cu2O、Cu3N
-Zn→ZnO
-Cr→CrN、Cr23C6、Cr3C、Cr7C3、Cr3C2
-Mo→Mo3C2
-Ti→TiC
-Nb→Nb4C3
-Ta→Ta4C3
-Zr→ZrC
-Hf→HfC
-V→V4C3、VC
-W→W2C、WC
-Fe→Fe3C、Fe7C3、Fe2C
亦可將半導體之以下混合形式設想為基板：
-III-V：GaP、GaAs、InP、InSb、InAs、GaSb、GaN、AlN、InN、AlxGaI-xAs、InxGaI-xN
-IV-IV：SiC、SiGe，
-III-IV：InAlP，
-非線性光學器件：LiNbO3、LiTaO3、KDP(KH2PO4)
-太陽電池：CdS、CdSe、CdTe、CuInSe2、CuInGaSe2、CuInS2、CuInGaS2
-導電氧化物：In2-xSnxO3-y
如本發明中主張，在晶圓中之至少一者上，直接在各別接觸表面上，存在儲集器(或若干儲集器)，用於體積膨脹反應之特定量的所供應離析劑中之至少一者可儲存於儲集器中。離析劑可因此為(例如)O2、O3、H2O、N2、NH3、H2O2等。歸因於尤其由氧化物生長支配之膨脹，基於反應搭配物減少系統能量之傾向，接觸表面之間的可能間隙、孔隙及空腔被最小化，且因此藉由使此等區中之基板之間的距離變窄而接合力增加。在最佳可能狀況下，現有間隙、孔隙及空腔經完全閉合以使得整個接合區域增加且因此如本發明中主張的接合力相應地上升。
接觸表面習知地展示具有0.2 nm之二次粗糙度(Rq)之粗糙度。此對應於在1 nm之範圍中的表面之峰間值。此等經驗值係藉由原子力顯微鏡(AFM)判定。
如本發明中主張，該反應適合用於允許：針對具有1個水單層(ML)之具有200 mm至300 mm之直徑的圓形晶圓的習知晶圓表面，生長層生長0.1 nm至0.3 nm。
如本發明中主張，因此尤其規定流體(尤其為水)的至少2個ML、較佳至少5個ML、甚至更佳至少10個ML儲存於儲集器中。
藉由曝露於電漿而形成儲集器尤其較佳，此係因為電漿曝露另外導致作為綜效效應的接觸表面之平滑化及親水性。表面係主要藉由儲集器形成層及視情況反應層之材料之黏性流藉由電漿活化而平滑化。親水性之增加尤其由於氫氧化矽化合物之增加，較佳由於存在於表面上之Si-O化合物(諸如，Si-O-Si)之裂解，尤其根據以下反應而發生：
另一副效應(尤其作為上述效應之結果)在於預接合強度尤其提高2倍至3倍。
第一基板之第一接觸表面上之儲集器形成層(及視情況第二基板之第二接觸表面上之儲集器形成層)中的儲集器係(例如)藉由已經熱氧化物塗佈之第一基板之電漿活化而形成。在真空腔室中執行電漿活化以便能夠調整電漿所需之條件。如本發明中主張，對於電漿放電，使用離子能量 在自0 eV至2000 eV之範圍中的N2氣體、O2氣體或氬氣，結果產生經處理表面(在此狀況下為第一接觸表面)之儲集器，其深度高達20 nm、較佳高達15 nm、更佳高達10 nm、最佳高達5 nm。如本發明中主張，可使用適合用於產生儲集器之任何粒子類型(原子及/或分子)。較佳地，使用產生具有所要性質的儲集器之彼等原子及/或分子。相關性質主要為孔隙大小、孔隙分佈及孔隙密度。或者，如本發明中主張，可使用氣體混合物，諸如空氣或由95% Ar及5% H2組成的形成氣體。取決於所使用之氣體，在儲集器中在電漿處理期間尤其存在以下離子：N+、N2+、O+、O2+、Ar+。第一離析劑可容納於該/該等儲集器之未佔用的自由空間中。儲集器形成層及因此儲集器可延伸至反應層中。
有利地，存在可與反應層反應且至少部分、較佳大部分由第一離析劑組成之不同類型的電漿物質。就第二離析劑為Si/Si而言，Ox電漿物質將為有利的。
基於以下考慮形成該/該等儲集器：孔隙大小小於10 nm、較佳小於5 nm、更佳小於1 nm、甚至更佳小於0.5 nm、最佳小於0.2 nm。
孔隙密度較佳與藉由衝擊作用產生孔隙之粒子的密度成正比例，最佳可甚至由於衝擊物質之分壓而變化，且取決於處理時間及尤其所使用之電漿系統的參數。
孔隙分佈較佳在表面下方具有至少一最大孔隙密集度區，此係藉由疊加至較佳平台形區(見圖7)中之若干此等區 之參數的變化達成。孔隙分佈隨著深度增加向零收斂。在轟擊期間在表面附近之區具有與表面附近之孔隙密度幾乎相同的孔隙密度。在電漿處理結束之後，作為應力鬆弛機制之結果，表面上之孔隙密度可減少。在厚度方向上之孔隙分佈相對於表面具有一陡峭側翼且相對於塊體具有較為平坦但持續降低之側翼(見圖7)。
對於孔隙大小、孔隙分佈及孔隙密度，類似考慮應用於未藉由電漿產生之所有方法。
可藉由受控地使用及組合製程參數來設計儲集器。圖7展示藉由電漿注入之氮原子的濃度隨至氧化矽層中之穿透深度而變的表示。有可能藉由變化該等實體參數產生兩個剖面。第一剖面11藉由氧化矽中較深處之加速得較快的原子產生，相反地剖面12在更改製程參數之後在較低密度下產生。兩個剖面之疊加產生總和曲線13，總和曲線13表證儲集器之特性。注入原子及/或分子物質之濃度之間的關係為明顯的。較高濃度指示具有較高缺陷結構，因此具有容納後續離析劑之較多空間的區。在電漿活化期間尤其以專用方式控制之製程參數的連續改變使得可能實現在深度上離子分佈增加之儲集器，該(分佈)為儘可能均一的。
作為藉由電漿產生之儲集器之替代的儲集器，可設想在基板之至少一者(至少第一基板)上使用TEOS(正矽酸四乙酯)氧化物層。此氧化物一般而言比熱氧化物較鬆散，出於此理由，壓實係有利的，如本發明中所主張。壓實藉由熱處理發生，其目標為設定儲集器之規定孔隙度。
根據本發明之一實施例，填充儲集器可尤其有利地與藉由將儲集器作為塗層塗覆至第一基板而形成儲集器同時發生，該塗層已包含第一離析劑。
可將儲集器設想為具有在奈米範圍中之孔隙度的多孔層或具有通道之層，其中通道密度小於10 nm、更佳小於5 nm、甚至更佳小於2 nm、最佳小於1 nm、尤其最佳小於0.5 nm。
對於藉由第一離析劑或離析劑之第一群組填充儲集器之步驟，如本發明中主張，可設想以下實施例(亦為組合)：-將儲集器曝露於環境氛圍，-藉由尤其去離子水沖洗，-藉由含有離析劑(尤其為H2O、H2O2、NH4OH)或由離析劑組成之流體沖洗，-將儲集器曝露於任何氣體氛圍，尤其原子氣體、分子氣體、氣體混合物，-將儲集器曝露於含有水蒸氣或過氧化氫蒸氣之氛圍及-將已藉由離析劑填充之儲集器作為儲集器形成層沈積於第一基板上。
以下化合物可能作為離析劑：Ox +、O2、O3、N2、NH3、H2O、H2O2及/或NH4OH。
上述過氧化氫蒸氣之使用被視為除了使用水之外的較佳版本。此外過氧化氫擁有具有較大的氧與氫之比的優點。此外，過氧化氫在某些溫度以上及/或經由使用在MHz範圍中之高頻場解離為氫及氧。
主要在使用具有不同熱膨脹係數之材料時，使用不導致任何值得注意的溫度增加或充其量導致局部/特定溫度增加的用於解離上述物質之方法為有利的。詳言之，存在至少促進，較佳導致解離之微波輻射。
根據本發明之一有利實施例，規定生長層之形成及不可逆接合之強化藉由第一離析劑至反應層中的擴散而發生。
根據本發明之另一有利實施例，規定不可逆接合之形成在通常小於300℃之溫度、有利地小於200℃之溫度、更佳小於150℃之溫度、甚至更佳小於100℃之溫度、最佳在室溫下，尤其在最多12天、更佳最多1天、甚至更佳最多1小時、最佳最多15分鐘期間發生。另一有利熱處理方法為藉由微波之介電加熱。
此處，若不可逆接合具有大於1.5 J/m2、尤其大於2 J/m2、較佳大於2.5 J/m2之接合強度則尤其有利。
可尤其有利地增加接合強度，此係因為在反應期間，如本發明中主張，具有比第二離析劑之莫耳體積大的莫耳體積之產物形成於反應層中。以此方式，實現在第二基板上之生長，作為其結果，接觸表面之間的間隙可藉由化學反應閉合，如本發明中主張。結果，接觸表面之間的距離(因此平均距離)減少，且死空間經最小化。
就藉由電漿活化形成儲集器而言，尤其在活化頻率在10 kHz與600 kHz之間及/或功率密度在0.075瓦特/cm2與0.2瓦特/cm2之間及/或壓力在0.1毫巴與0.6毫巴之間的加壓之情況下，實現諸如接觸表面之平滑化以及接觸表面之親水 性明顯增加之額外效應。
作為其替代，如本發明中主張，可藉由將以受控方式壓實至某一孔隙度的四乙氧基矽烷氧化物層用作儲集器形成層而形成儲集器。
根據本發明之另一有利實施例，規定儲集器形成層主要、尤其基本上完全由尤其非晶形二氧化矽(尤其為藉由熱氧化產生之非晶形二氧化矽)組成，且反應層由可氧化材料，尤其主要、較佳基本上完全由Si、Ge、InP、GaP或GaN(或上文替代性地提及之另一材料)組成。尤其有效地閉合現存間隙之尤其穩定的反應係藉由氧化實現。
此處，如本發明中主張，規定在第二接觸表面與反應層之間存在尤其主要為原生二氧化矽(或上文替代性地提及之另一材料)之生長層。如本發明中主張，生長層經受由反應導致之生長。尤其在與反應層之界面上，且尤其在第一接觸表面與第二接觸表面之間的間隙之區中，藉由非晶形SiO2之重新形成及由此導致之生長層之變形(尤其凸出)，生長由轉變Si-SiO2(7)產生。此導致兩個接觸表面之間的距離減少或死空間減少，作為其結果，兩個基板之間的接合強度增加。在200℃與400℃之間的溫度、較佳約略200℃與150℃之間的溫度、更佳150℃與100℃之間的溫度、最佳100℃與室溫之間的溫度尤其有利。生長層可劃分為若干生長區。生長層可同時為第二基板之儲集器形成層，在該儲集器形成層中形成加速反應之另一儲集器。
此處，若在形成不可逆接合之前生長層具有在0.1 nm與 5 nm之間的平均厚度A，則尤其有利。生長層愈薄，經由生長層，尤其藉由第一離析劑通過生長層至反應層之擴散的在第一離析劑與第二離析劑之間的反應愈迅速及容易發生。離析劑通過生長層之擴散速率由生長層增加，該生長層已薄化且因此至少在永久接合之形成的開始時或在反應之開始時極其薄。此導致在相同溫度下離析劑之輸送時間較少。
此處，如本發明中主張，薄化可起決定性作用，此係因為反應可藉此進一步加速及/或溫度可進一步減少。薄化可尤其藉由蝕刻，較佳在潮濕氛圍中，又更佳原位進行。或者，薄化尤其藉由乾式蝕刻，較佳原位發生。此處，原位意謂在同一腔室中執行，在該腔室中進行至少一先前步驟及/或一隨後步驟。包括於此處所使用之原位之概念中的另一系統配置為一系統，在該系統中個別製程腔室之間的基板之輸送可在可以受控方式調整(例如，使用惰性氣體)之氛圍中但尤其在真空環境中發生。濕式蝕刻藉由呈蒸氣相之化學品發生，而乾式蝕刻藉由呈液態之化學品發生。就生長層由二氧化矽組成而言，可進行藉由氫氟酸或稀釋之氫氟酸之蝕刻。就生長層由純Si組成而言，可藉由KOH進行蝕刻。
根據本發明之一實施例，有利地規定在真空中執行儲集器之形成。因此，可避免藉由不想要之材料或化合物污染儲集器。
在本發明之另一實施例中，有利地規定藉由以下所述之 步驟中的一或多者發生儲集器之填充：-將第一接觸表面曝露於大氣，以用於藉由空氣中含有之大氣濕度及/或氧氣填充儲集器，-將第一接觸表面曝露於尤其主要(較佳幾乎完全)由尤其去離子之H2O及/或H2O2組成的流體，-將第一接觸表面曝露於尤其具有在自0 eV至2000 eV之範圍中的離子能量之N2氣體及/或O2氣體及/或Ar氣體及/或尤其由95%之Ar及5%之H2組成的形成氣體，-氣相沈積以用於藉由任何已指定離析劑填充儲集器。
若儲集器較佳以在0.1 nm與25 nm之間、更佳在0.1 nm與15 nm之間、甚至更佳在0.1 nm與10 nm之間、最佳在0.1 nm與5 nm之間的厚度R形成，則對製程序列尤其有效。此外，根據本發明之一實施例，若緊接在形成不可逆接合之前在儲集器與反應層之間的平均距離B在0.1 nm與15 nm之間，尤其在0.5 nm與5 nm之間，較佳在0.5 nm與3 nm之間，則為有利的。如本發明中主張，距離B藉由薄化影響或產生。
如本發明中主張，形成一種用於執行方法之器件，該器件具有：一腔室，其用於形成儲集器；一腔室，其被尤其單獨地提供以用於填充儲集器；及一尤其單獨提供之腔室，其用於形成預接合，所有腔室經由真空系統直接連接至彼此。
在另一實施例中，儲集器之填充亦可直接經由大氣發生，因此在可對大氣開放之腔室中抑或簡單地在不具有護封但可半自動及/或完全自動地處置晶圓之結構上發生。
自較佳例示性實施例之以下描述且使用圖式，本發明之其他優點、特徵及細節將變得顯而易見。
在圖中，相同或等效特徵以相同參考數字識別。
在圖1中所展示及在第一基板1之第一接觸表面3與第二基板2之第二接觸表面4之間的預接合步驟期間或緊接在預接合步驟之後進行的化學反應之僅一萃取物經展示的情形中[原文如此]。表面以極性OH基封端且因此為親水性的。第一基板1及第二基板2由介於表面上存在之OH基與H2O分子之間且亦介於單獨H2O分子之間的氫橋之引力固持。至少第一基板1之親水性已藉由先前步驟中之電漿處理增加。
根據替代實施例，尤其與對第一基板1之電漿處理同時，另外使第二基板2或第二接觸表面4經受電漿處理尤其有利。
如本發明中所主張，已藉由電漿處理形成由熱二氧化矽組成之儲集器形成層6中的儲集器5以及在根據圖1b之替代實施例中在儲集器形成層6'中之第二相對儲集器5'。在儲集器形成層6、6'下方，含有第二離析劑或離析劑之第二群組的反應層7、7'直接鄰接。藉由離子能量在0 eV與2000 eV之間的範圍中之O2離子的電漿處理產生約略15 nm之儲集器5的平均厚度R，離子在儲集器形成層6中形成通道或 孔隙。
在儲集器形成層6與反應層7之間，在第二基板2上存在生長層8，生長層8可同時至少部分為儲集器形成層6'。因此，在儲集器形成層6'與反應層7'之間可另外存在另一生長層。
同樣地，在圖1中所展示之步驟之前且在電漿處理之後至少主要以作為第一離析劑之H2O填充儲集器5(及視情況儲集器5')。電漿製程中存在之經減少的離子物質亦可位於儲集器中，尤其係O2、N2、H2、Ar。
在形成該/該等儲集器5、5'之前或之後，在任何狀況下在基板1、2接觸之前，藉由蝕刻使生長層8(及視情況其他生長層)薄化(此處在形成儲集器5之後，見圖2)。以此方式，第二接觸表面4與反應層7之間的平均距離B經減小。同時，第二接觸表面4有利地較平坦。
在圖1a及圖1b中所展示之階段中進行接觸之後，接觸表面3、4仍具有相對寬間隙，其尤其由在接觸表面3、4之間存在的水支配。因此，現有接合強度相對低且約略在100 mJ/cm2與300 mJ/cm2之間，尤其係大於200 mJ/cm2。就此而論，先前電漿活化起決定性作用，尤其歸因於經電漿活化之第一接觸表面3之增加的親水性及由電漿活化所引起之平滑化效應。
圖1中所展示且稱作預接合之製程可較佳在環境溫度或最大攝氏50°下進行。圖3a及圖3b展示親水性接合，Si-O-Si橋隨著藉由-OH封端表面來分裂水而出現。圖3a及圖3b 中之製程在室溫下持續約略300 h。在50℃下約略60 h。圖3b中之狀態在所指示溫度下發生而不產生儲集器5(或儲集器5、5')。
在接觸表面3、4之間，形成H2O分子，且H2O分子至少部分用於進一步在儲集器5中填充至仍存在自由空間之範圍。其他H2O分子經移除。在根據圖1之步驟中，存在約略3至5個個別OH基或H2O層，且自根據圖1之步驟至根據圖3a之步驟，1至3個H2O單層被移除或容納於儲集器5中。
在圖3a中所展示之步驟中，氫橋鍵現直接形成於矽氧烷基之間，作為其結果，較大接合力出現。此更強力地將接觸表面3、4牽引至彼此且減少接觸表面3、4之間的距離。因此，在接觸表面1、2之間僅存在1至2個個別OH基層。
在圖3b中所展示之步驟中，又隨著根據下文插入之反應分離H2O分子，呈矽烷醇基之形式的共價化合物現形成於接觸表面3、4之間，此導致強得多之接合力且要求較少空間，以使得接觸表面3、4之間的距離進一步減少直至基於接觸表面3、4直接與彼此相會而最終達到圖3中所展示的最小距離：
直到階段3，尤其歸因於儲集器5(及視情況額外儲集器5')之形成，不必不適當地增加溫度，實情為，允許其甚至在室溫下進行。以此方式，根據圖1a或圖1b至圖4之製程步驟的尤其謹慎進行為可能的。
在圖5中所展示之方法步驟中，溫度較佳增加至最高攝氏500℃，更佳至最高300℃，甚至更佳至最高200℃，最佳至最高100℃，尤其最佳不超過室溫以便在第一接觸表面與第二接觸表面之間形成不可逆或永久接合。與先前技術相比此等相對低之溫度為可能的唯一原因係儲集器5(及視情況另外儲集器5')包含用於圖6及圖7中所展示之反應的第一離析劑：Si+2H2O → SiO2+2H2
藉由增加尤其在儲集器形成層6'與反應層7之間的界面上(及視情況另外在儲集器形成層6與反應層7'之間的界面上)之H2O分子的莫耳體積及擴散，歸因於最小化在區(在該等區中，間隙9在接觸表面3、4之間存在)中發生之自由吉布斯焓增強型生長之目標，呈生長層8之形式的體積增加。藉由生長層8之體積的增加而閉合間隙9。更確切地：在上述輕微增加之溫度下，H2O分子作為第一離析劑自儲集器5(或儲集器5、5')擴散至反應層7(及視情況7')。此擴散可經由作為氧化物層形成的儲集器形成層6、6'與各別反應層7、7'(或生長層8)之直接接觸或經由存在於氧化物層之間的間隙9或自間隙9而發生。該處，氧化矽(因此為相比於純矽具有較大莫耳體積之化學化合物)被形成為來自反應層7之上述反應的反應產物10。二氧化矽在反應層7與生長層8及/或儲集器形成層6、6'之界面上生長，且因此形成生長層8，生長層8尤其作為原生氧化物在間隙9之方 向上製成。此處亦需要來自儲集器之H2O分子。
歸因於在奈米範圍中之間隙的存在，存在生長層8凸出的可能性，作為其結果，接觸表面3、4上之應力可減少。以此方式，接觸表面3、4之間的距離減少，作為其結果，作用接觸表面及因此接合強度進一步增加。與部分未熔接之先前技術中的產物形成對比，以此方式出現的閉合所有孔隙且在整個晶圓上形成之熔接連接從根本上促成增加接合力。熔接至彼此之兩個非晶形氧化矽表面之間的接合之類型為共價及離子部分之混合形式。
第一離析劑(H2O)與第二離析劑(Si)之上述反應在反應層7中尤其迅速或在儘可能低之溫度下發生，至第一接觸表面3與反應層7之間的平均距離B儘可能小之程度。
因此，第一基板1之預處理及第二基板2之選擇/預處理係決定性的，第二基板2由矽之反應層7及作為生長層8之儘可能薄的原生氧化物層組成。出於兩個理由存在儘可能薄之原生氧化物層。生長層8極其薄(尤其歸因於所提供之薄化，如本發明中主張)，以使得歸因於反應層7上之新形成的反應產物10，生長層8可朝著相對基板1之儲集器形成層6凸出，該儲集器形成層經製成為氧化物層，主要在奈米間隙9之區中。此外，需要儘可能短之擴散路徑以便儘可能快且以儘可能低之溫度達成所要效應。第一基板1同樣由矽層及在其上作為儲集器形成層6而產生之氧化物層組成，儲集器5至少部分或完全形成於儲集器形成層6中。
如本發明中主張，儲集器5(或儲集器5、5')至少以閉合 奈米間隙9所必要之第一離析劑的量來填充，以使得生長層8之最佳生長可在儘可能短之時間內及/或在儘可能低之溫度下發生以閉合奈米間隙9。
1‧‧‧第一基板
2‧‧‧第二基板
3‧‧‧第一接觸表面
4‧‧‧第二接觸表面
5‧‧‧儲集器
5'‧‧‧儲集器
6‧‧‧儲集器形成層
6'‧‧‧儲集器形成層
7‧‧‧反應層
7'‧‧‧反應層
8‧‧‧生長層
9‧‧‧奈米間隙
10‧‧‧反應產物
11‧‧‧第一剖面
12‧‧‧第二剖面
13‧‧‧總和曲線
A‧‧‧平均厚度
B‧‧‧平均厚度
R‧‧‧平均厚度
圖1a展示緊接在第一基板與第二基板接觸之後的如本發明中主張之方法之第一步驟，圖1b展示緊接在第一基板與第二基板接觸之後的如本發明中主張之方法之替代第一步驟，圖2展示如本發明中主張之製程之在接觸之前發生的步驟，特定而言為第二基板之薄化，圖3a及圖3b展示如本發明中主張之方法之用於形成較高接合強度的其他步驟，圖4展示在根據圖1a或圖1b、圖2以及圖3a及圖3b之步驟之後的如本發明中主張之方法的另一步驟，其中基板接觸表面相接觸，圖5展示如本發明中主張之用於在基板之間形成不可逆/永久接合的步驟，圖6展示在根據圖4及圖5之步驟期間在兩個接觸表面上進行的化學/物理製程之放大，圖7展示在根據圖4及圖5之步驟期間在兩個接觸表面之間的界面上進行之化學/物理製程之另一放大，及圖8展示如本發明中主張之儲集器之產生的圖。
1‧‧‧第一基板
2‧‧‧第二基板
6‧‧‧儲集器形成層
7‧‧‧反應層
7'‧‧‧反應層
8‧‧‧生長層

Claims (21)

  1. 一種藉由以下步驟將第一基板(1)之第一接觸表面(3)接合至第二基板(2)之第二接觸表面(4)的方法，該第二基板(2)具有至少一反應層(7)，該反應層(7)包含第二離析劑或該離析劑之第二群組：在該第一接觸表面(3)上之儲集器形成層(6)中形成儲集器(5)，以第一離析劑或離析劑之第一群組至少部分填充該儲集器(5)，薄化該第二基板(2)，在薄化該第二基板(2)之後，使該第一接觸表面(3)與該第二接觸表面(4)接觸以形成預接合連接，及在該第一接觸表面與該第二接觸表面(3、4)之間形成永久接合，該永久接合至少部分藉由該第一離析劑或該離析劑之第一群組與該第二基板(2)之該反應層(7)中所含的第二離析劑或該離析劑之第二群組之反應強化。
  2. 如請求項1之方法，其中該薄化該第二基板(2)之步驟係藉由蝕刻進行。
  3. 如請求項2之方法，其中該薄化該第二基板(2)之步驟包括在潮濕氛圍中進行蝕刻。
  4. 如請求項1之方法，其中該薄化該第二基板(2)之步驟係藉由乾式蝕刻進行。
  5. 如請求項1至4中任一項之方法，其中該方法進一步包括在該第二基板(2)之該第二接觸表面(4)上的儲集器形成 層(6')中形成額外儲集器(5')。
  6. 如請求項5之方法，其中該第二接觸表面(4)上的儲集器形成層(6')係藉由電漿活化形成。
  7. 如請求項5之方法，其中該第二接觸表面(4)上的儲集器形成層(6')中的額外儲集器(5')係藉由使用經壓實之四乙氧基矽烷氧化物層作為該儲集器形成層(6')而形成。
  8. 如請求項1至4中任一項之方法，其中在該反應期間，於該反應層(7)中形成具有比該第二離析劑之莫耳體積大之莫耳體積的反應產物(10)。
  9. 如請求項1至4中任一項之方法，其中該/該等儲集器(5、5')係藉由電漿活化形成。
  10. 如請求項1至4中任一項之方法，其中該等儲集器(5、5')係藉由使用經壓實之四乙氧基矽烷氧化物層作為該儲集器形成層(6)而形成。
  11. 如請求項1至4中任一項之方法，其中該儲集器形成層(6)係由非晶形材料組成，且該反應層(7)係由可氧化材料組成。
  12. 如請求項1之方法，其中在該第二接觸表面(4)與該反應層(7)之間存在生長層(8)，該生長層(8)藉由該薄化部分地或完全地移除。
  13. 如請求項12之方法，其中該生長層(8)係原生二氧化矽。
  14. 如請求項12或13之方法，其中在該形成永久接合之前且在該薄化之後，該生長層(8)具有在1埃與10nm之間的平均厚度A。
  15. 如請求項1至4中任一項之方法，其中在真空中執行該儲集器之該形成。
  16. 如請求項1至4中任一項之方法，其中該儲集器係藉由下文所述之一或多個步驟填充：將該第一接觸表面(3)曝露於具有高氧及/或水含量之氛圍，將該第一接觸表面(3)曝露於由去離子H2O及/或H2O2組成的流體，將該第一接觸表面(3)曝露於N2氣體及/或O2氣體及/或Ar氣體及/或由95% Ar及5% H2組成的形成氣體。
  17. 如請求項1至4中任一項之方法，其中該儲集器(5)係以在0.1nm與25nm之間的平均厚度(R)形成。
  18. 如請求項1至4中任一項之方法，其中緊接在形成該永久接合之前，在該儲集器(5)與該反應層(7)之間的平均距離(B)係在0.1nm與15nm之間。
  19. 如請求項18之方法，其中該平均距離(B)係在0.5nm與5nm之間。
  20. 如請求項19之方法，其中該平均距離(B)係在0.5nm與3nm之間。
  21. 如請求項1至4中任一項之方法，其中該永久接合具有包含該預接合強度之兩倍之接合強度。
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