CN102017125A - 起动分子键合的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种起动分子键合的方法，包括使第一晶片(30)的一个表面(31)面对第二晶片(20)的一个表面(21)，并起动两个面对的表面之间的接触点。例如使用工具(50)的支承元件(51)，通过向两个晶片之一施加在0.1MPa到33.3MPa的范围内的机械压力起动接触点。

Description

起动分子键合的方法

技术领域

本发明涉及通过将由初始衬底形成的至少一个层转移到最终衬底上而制造多层半导体晶片或衬底的领域，其中被转移的层对应于初始衬底的一部分。被转移的层还可以包括部件的全部或一部分，或者多个微部件。

背景技术

更具体而言，本发明涉及在层从被称为“施主衬底”的衬底转移到被称为“接收衬底”的最终衬底上的过程中出现的各向异性变形问题。特别是在需要将一层或多层微部件转移到最终支撑衬底上的三维部件合成技术(3-D合成)中已经观察到这样的变形，此外，在电路转移或者背光成像器的制造中也观察到这样的变形。被转移的一个或多个层包括至少部分地制造在初始衬底上的微部件(电子器件、光电器件等)，所述层之后被堆叠在自身也可能包括部件的最终衬底上。首先，由于单层上出现的微部件的极小尺寸和巨大数量，每个被转移的层都必须以高精度定位在最终衬底上，以便与下方的层严格对准。此外，还需要在层被转移之后对其进行处理，例如形成其他微部件、暴露微部件的表面、产生互连等。

但是申请人已发现，转移之后，在有些情况下虽然可以但是很难形成与转移之前形成的微部件对准的额外的微部件。

下面参考显示三维结构的示例性实施例的图1A至1E来描述这种非对准现象，其中该三维结构包括形成在初始衬底上的微部件层至最终衬底上的转移，以及键合之后在初始衬底的暴露表面上形成额外的微部件层。图1A和图1B显示初始衬底10，初始衬底10上形成有第一系列微部件11。通过光刻法利用能够定义与待制造的微部件11相对应的图案形成区的掩膜来形成微部件11。

从图1C可见，包括微部件11的初始衬底10的表面再与最终衬底20的一个表面紧密接触。通常通过分子键合来实现初始衬底10和最终衬底20之间的键合。这样，在衬底10和20之间的键合界面处形成微部件11的埋入层。键合之后，如图1D所示，初始衬底10被减薄以便去除微部件11的层上出现的材料的一部分。这样，通过最终衬底20和对应于初始衬底10的剩余部分的层10a形成复合结构30。

从图1E可以看出，制造三维结构的下一步骤包括在减薄的初始衬底10的暴露表面上形成第二层微部件12，或者执行额外的技术步骤以使暴露的表面与层10a中包含的部件(触点、互连等)对准。出于简化的目的，在本文的剩余部分中，术语“微部件”用于定义通过在必须精确定位的层上或层中执行的技术步骤而获得的器件或任何其他图案。因此，微部件可以是有源部件或无源部件，或者仅仅是触点或互连。

为了形成与埋入的微部件11对准的微部件12，使用与用于形成微部件11的光刻掩膜类似的掩膜。类似于层10a，被转移的层通常在微部件和形成层的部分上包括标记，在诸如光刻法所执行的技术处理步骤中，所述标记特别被定位和对准工具所使用。

但是，即使使用定位工具，在一些微部件11和12之间仍然会出现偏移，例如图1E中显示的偏移Δ₁₁，Δ₂₂，Δ₃₃，Δ₄₄(分别对应于微部件对11₁/12₁、11₂/12₂、11₃/12₃和11₄/12₄之间观察到的偏移)。

这些偏移并不是可能来自于衬底的非准确组装的基本变换(平移、旋转或其组合)的结果。这些偏移来自于在初始衬底与最终衬底组装时初始衬底的层中出现的非均匀变形。实际上，这样的变形涉及某些微部件11的局部及非均匀位移。此外，形成在转移后的衬底的暴露表面上的某些微部件12表现出相对于微部件11的位置变化，该位置变化可以在几百纳米的数量级，甚至达到毫米的数量级。

两层微部件11和12之间的非对准现象(也被称为“覆盖”)可能引起两层微部件之间的短路、堆叠扭曲或连接缺陷。因此，当被转移的微部件是由像素形成的成像器时，转移后处理步骤用于在每个像素上形成彩色滤光器，而在某些像素上观察到色彩功能受损(loss of colorizing function)。

因此，覆盖现象导致所制造的多层半导体晶片的质量和价值下降。由于对于微部件小型化的需求不断增长以及由于微部件每层的集成密度增大，该现象的影响增大。

三维结构制造过程中的对准问题是已知的。Burns等的文献″A Wafer-Scale 3-D Circuit Integration Technology″，IEEE Transactions On Electron Devices，vol 53，No 10，Oct 2006描述了一种检测键合衬底之间的对准变化的方法。Haisma等的文献″Silicon-Wafer Fabrication and (Potential)Applications of Direct-Bonded Silicon″，Philips Journal of Research，vol 49，No 1/2，1995强调了晶片平面度的重要性，特别是在抛光步骤中，为了获得高质量的最终晶片，要尽可能地减小微部件之间的偏移。但是，这些文献仅涉及组装晶片时晶片的定位问题。如上所述，申请人已发现即使两个晶片在接触时完全相互对准(使用为此设置的标记)，但是在键合波起动之后仍会出现某些微部件的非均匀位移。

发明目的

本发明用于提供一种方案，其能够限制一个衬底转移到另一衬底上时该一个衬底中出现的非均匀变形。

为此，本发明提出一种起动分子键合(initiating molecular bonding)的方法，包括：使第一晶片或衬底的一个表面面对第二晶片或衬底的一个表面，并起动两个面对的表面之间的接触点，所述方法的特征在于，通过对两个晶片之一施加机械压力起动接触点，所述压力在0.1MPa(兆帕)至33.3MPa的范围内。

这样，在起动接触点的过程中，通过限制施加在两个衬底之一上的压力，减小晶片中产生的非均匀变形，同时通过分子键合执行接触的两个晶片的整个表面的键合。

通过最小化通常由应用接触点而引起的变形从而通过分子键合来产生键合，可以显著减小随后形成微部件的附加层的过程中出现覆盖的风险。

根据本发明的第一方面，机械压力施加在1mm²(平方米)或更小的表面积上。

根据本发明的特别方面，通过在两个衬底之一上应用工具来实现接触点的起动，所述工具在衬底上的接触表面积在0.3mm²到1mm²的范围内，且工具施加在衬底上的支承力在0.1N(牛顿)至10N的范围内。

本发明还提供一种制造复合三维结构的方法，包括以下步骤：在第一晶片或衬底的一个表面上制造第一层微部件，将包括该层微部件的第一晶片的表面键合到第二晶片或衬底上，所述方法的特征在于，在键合步骤中，根据本发明的分子键合起动方法起动分子键合。

本发明的分子键合起动方法的使用可以在转移微部件层的过程中消除或限制覆盖现象，从而制造高质量的多层半导体晶片。特别地，微部件层可以包括图像传感器。

附图说明

图1A至1E是显示现有技术的三维结构的制造的示意图；

图2是根据本发明的一个实施例的分子键合起动方法的示意图；

图3A至3D是显示利用本发明的分子键合起动方法制造三维结构的示意图；

图4是图3A至3D中显示的三维结构的制造过程中执行的步骤的流程图；

图5至图7显示本发明的分子键合起动方法的实施方式的高度简化图。

具体实施方式

本发明通常应用于复合结构的制造，其至少包括通过分子键合将第一衬底或晶片键合到第二衬底或晶片上。

通过分子键合进行键合的技术实际上是已知的。可以回想，通过分子键合进行键合的原理是基于不使用特殊材料(粘合剂、蜡、钎焊材料等)使两个表面直接接触。这样的操作需要键合表面足够光滑，不存在颗粒或污染物，从而键合表面足够接近能够起动接触，通常距离小于几纳米。然后，两个表面之间的吸引力很高足以引起分子键合(待键合的两个表面的原子或分子之间的电子相互作用的一组吸引力(范德瓦尔斯力)引起的键合)。

在与另一个晶片紧密接触的一个晶片上起动接触点以便触发来自于该接触点的键合波的传播，从而执行分子键合。在此使用的术语“键合波”是从起动点传播以及对应于吸引力(范德瓦尔斯力)从接触点向紧密接触的两个晶片之间的整个表面积(键合交界面)扩散的键合或分子键合波前(bonding or molecular bonding front)。通过在两个晶片之一上施加机械压力起动接触点。

申请人已经证实，同一晶片中的某些图案或微部件之间的相对位移是由该晶片在另一晶片上的分子键合步骤导致的。更具体而言，申请人进行的试验证实在接触点(即施加机械压力的区域)产生(拉伸和/或压缩)应力。这些应力导致在晶片中出现非均匀变形，并且这些应力是某些图案或微部件的彼此的相对及不等位移的结果。

申请人已发现，变形主要位于接触点处和附近，且这些变形是弹性的。这些变形的半径可以环绕压力施加点延伸15cm(厘米)。

因此，本发明提出控制施加在接触点的机械压力，以便限制该区域中的应力，同时允许键合波在接触的两个晶片之间起动和传播。根据本发明，施加在接触点的压力在0.1MPa到33.3MPa的范围内。起动点可以位于晶片上的任何位置。优选地，起动点靠近晶片的边缘。压力施加区的表面积通常小于几平方毫米，例如1mm²。更大的施加表面积也可能不会产生风险，但是太大的接触表面积(例如超过5mm²)会导致变形(覆盖)加剧。

施加这样的机械压力足以起动两个晶片之间的接触点，并因此允许键合波在晶片之间的整个接触表面上传播而不引起太高的应力。因此，通过控制施加的机械压力来起动接触点，可以减小晶片中出现的变形。优选地，施加在接触点的压力小于10MPa；更优选地，该压力在0.1MPa到5MPa的范围内。

施加机械压力的周期至少对应于能够触发键合波的传播现象的最小周期。该最小周期基本上对应于键合波在晶片之间的接触表面上传播所需的周期。机械压力施加周期通常在1到10秒之间，通常是5秒，以便组装直径为200mm的晶片。

可以使用工具执行机械压力的受控施加。在图2中，第一晶片或衬底60被放置在包括衬底支撑设备40的键合机中。衬底支撑设备40包括支撑盘40a，支撑盘40a的平面度缺陷优选地小于15微米(μm)。支撑盘40a例如通过静电或与支撑盘40a相连的吸取系统或者仅通过重力支撑第一晶片60，以便通过分子键合将其与第二晶片或衬底70组装。只要能够确定用于支撑晶片的相关系统(静电或通过吸取)不会导致晶片变形从而不会加重覆盖问题，就可以使用所述的系统。

如上所述以及如现有技术中已知，分别制备(抛光、清洁、疏水/亲水处理等)晶片60和70的待键合表面61和71以便允许分子键合。

然后，使晶片60和70的表面61和71彼此紧密接触。通过工具50执行用于分子键合的接触点的起动。如图2中以高度简化的方式所显示的，工具50包括诸如触针的支承元件51和测力计53。支承元件51与测力计53相连并包括自由端52，通过自由端52，机械压力被施加在晶片70上从而起动两个晶片60和70之间的接触点。端52具有在0.3mm²到1mm²范围内的接触表面积52a。已知工具50与晶片70的接触表面52a的面积，就可以通过控制由工具施加在晶片上的支承力F来施加在0.1MPa到33.3MPa范围内的机械压力(支承力＝机械压力×支承表面积)。端52施加在晶片70上的支承力由测力计53控制。该力在0.1N到10N的范围内。

例如，如果通过一端的接触表面积为1mm²的工具施加3.5MPa的机械压力(足以起动接触点以及由此起动两个晶片之间的键合波的压力)，3.5N的支承力被施加例如大约6秒。

支承元件，更具体而言，支承元件将与晶片接触的一端可以通过例如Teflon

、硅树脂或聚合物的材料制成，或者被这样的材料覆盖。通常，支承元件的上述端由具有足够高的刚性从而能够以受控方式施加压力的材料制成或覆盖。太柔软的材料会变形，并由于施加的压力精度不高而导致不精确的接触表面。相反，太硬的材料将导致在晶片的表面上形成缺陷(压痕)。

可以在键合机中自动执行本发明的分子键合起动方法。该键合机包括连接到致动器(例如气缸或机械臂)的支承元件。在一些实施例中，键合机能够在晶片表面上的任何位置或者沿着由键合晶片形成的堆叠的直径或半径定位支承元件。键合机还包括力传感器(测力计、应力计等)和用于驱动致动器的伺服控制装置。伺服控制装置通过控制支承元件施加的机械压力的方式驱动致动器。更具体而言，伺服控制装置从力传感器接收数据，并比较该数据与支承力的预定值，所述支承力的预定值是应施加的机械压力和支承元件的端部的表面积的函数。键合机还可以包括用于确定晶片变形(例如弯曲和缠绕测量值)的测量系统。通过以下的讨论可以理解，如果起动位置位于预定的特定位置，可以获得用于起动键合波的较低压力(例如低于1MPa)。

优选地，晶片具有有限的弯曲变形。通过本发明的有限的压力(特别是当选择的压力小于10MPa或者在0.1至5MPa的范围内时)，可能难以以可重复的方式起动键合波的传播。使用接触表面积大约为1mm²的触针在晶片边缘附近施加3.7N的力而执行的测试显示，为了保证良好的键合，对于直径为200mm的最终衬底或晶片(支撑衬底)，晶片或衬底的可接受的变形应在-10μm到+10μm的范围内，对于包括部件的初始衬底或晶片，晶片或衬底的可接受的变形应在-45μm到+45μm的范围内(为了促进分子键合步骤，在部件上沉积氧化物或具有任何其他性质的物质，从而引入额外的变形，因此这种晶片具有更宽范围的容许变形)。通过使用来自于KLA-Tencor公司的ADE型设备的电容测量来执行上述测量。保证良好键合的有限的变形值对应于恒定的弯曲与晶片直径的比值。因此，对于具有较大直径的晶片(例如300mm)，通过考虑较大直径值的适当校正，所述有限的变形值也是有效的。

当一个或两个晶片变形时，有利地，以相接触的晶片的形状为函数选择起动接触点的位置(施加机械压力的位置)，以便进一步使分子键合所需的机械压力最小化。如果待键合的两个晶片不是严格的平面，面对晶片的表面的局部相互分离不是不变的。因此，如图5中以高度简化方式显示的，晶片520(例如具有凹入变形的电路板)必须通过分子键合被键合到平面晶片510上(例如已被氧化的体晶片)。因此，通过施加机械压力Pm起动的接触点优选地位于点A，即位于凹入变形的中心，而不是点B，因为为了起动键合而必须施加的机械压力的绝对值在点B高于点A，以及因此将产生更大的变形。通过类似于图5所示的晶片或衬底执行测试。在该测试中，在与基本上为平面的晶片或衬底510接触的基本上为凹入的晶片或衬底520的中心施加0.3N的力大约2秒钟。基本上为平面的晶片或衬底510自定位在键合机的平面晶片/衬底支撑设备上。在该特别配置中，有限的力足以起动键合波，同时最小化晶片变形。

还可以选择接触点使其对应于晶片支撑设备与被支撑的晶片紧密接触或彼此距离最短的位置，特别是当被支撑的晶片表现出至少凹入变形或凸起变形时。

上述最后两个要求保证起动键合而需要施加的压力将导致晶片的最小垂直位移，从而导致最小的晶片变形。

类似地，如图6所示，当晶片620(例如电路晶片)具有复杂变形时，即具有相对于另一个平面晶片610的多个凹入和凸起部分，则优选地，在晶片620的凹入区域的中心起动接触点以及机械压力Pm的施加。凹入区域的中心对应于晶片的如下区域：这些区域和平面晶片610之间的距离最小，从而要求比晶片上的其他区域施加更低的机械压力。优选地，在如下位置施加机械压力：衬底支撑设备与晶片610紧密相邻，从而在键合波移动时避免键合的堆叠的垂直位移。

在图7中，待组装的两个晶片710和720均具有自身变形。以两个晶片彼此相对放置时两个晶片的位置为函数确定用于起动两个晶片之间的接触点的机械压力Pm的施加点的选择。

可以使用从晶片变形测量系统采集的晶片形状信息来确定最合适的位置。

在变化例中，例如，当用于起动接触点的工具(触针)不能相对于晶片移动时，可能在一个或两个晶片上出现预定变形，从而工具下方出现的晶片区域对应于需要最小机械压力的点。在这种情况下，通过其中工具位于晶片中心上方的固定位置的键合机，能够例如在上晶片上产生类似于图5的变形。

本发明的过程适用于组装适合分子键合的任何类型的材料，特别是半导体材料，例如硅、锗、玻璃、石英、蓝宝石等。待组装的晶片的直径特别是100mm，150mm，200mm或300mm。晶片还可以在其大部分表面上或者仅在有限的区域内包括微部件。

本发明的组装方法的一个特别但是非专用领域是制造三维结构的领域。

参考图3A至3D以及图4描述根据本发明的实施例的通过将形成在初始衬底上的微部件层转移到最终衬底上而制造三维结构的方法。

对于三维结构的制造，首先在晶片或初始衬底100的表面上形成第一系列微部件110(图3A，步骤S1)。微部件110可以是完整的部件和/或仅是其一部分。初始衬底100可以是单层结构，例如硅层，或者多层结构，例如SOI型结构。利用能够定义与待制造的微部件110相对应的图案形成区的掩膜、通过光刻法形成微部件110。在通过光刻法形成微部件110的过程中，初始衬底100被固定在衬底支撑设备120上。衬底支撑设备包括支撑盘120a，例如通过静电或与支撑盘120a相关联的吸取系统，初始衬底100与支撑盘120a平齐。

然后，包括微部件110的初始衬底100的表面与最终晶片或衬底200的一个表面接触(步骤S2)，从而通过分子键合进行键合。还可以在包括微部件110的初始衬底100的表面上和/或将紧密接触的最终衬底200的表面上形成氧化物(例如SiO₂)层。

根据本发明，通过在衬底200上(优选地在其边缘附近)施加机械压力Pm起动两个衬底之间的接触点(图3B，步骤S3)。如上所述，压力Pm在0.1MPa到33.3MPa的范围内，并被施加到面积为1mm²或更小的支承表面上。

接触点的起动涉及在初始衬底100和最终衬底200之间的交界面上传播键合波。然后，通过它们的整个接触表面(键合交界面)上的分子键合，两个衬底被键合在一起，包括微部件110的初始衬底100中没有或几乎没有变形。从而这在衬底100和200之间的键合交界面处产生了微部件110的埋入层。

键合之后，如图3C可见，初始衬底100被减薄，以便去除微部件110层上方出现的材料的一部分(步骤S4)。当衬底100是SOI型衬底时，有利地，可以使用埋入的绝缘层来限定剩余层100a的厚度。这样，制造由最终衬底200和对应于初始衬底100的剩余部分的层100a形成的复合结构300。特别地，可以通过化学机械抛光(CMP)、化学蚀刻、或者通过沿着由原子注入在衬底中形成的弱化平面分离或断裂来减薄初始衬底100。

如图3D所示，制造三维结构的下一步骤包括在减薄的初始衬底100的暴露表面上形成第二层微部件140(图3D，步骤S5)。微部件140可以对应于微部件110的互补部分，以便形成完整的部件和/或将与微部件140一起工作的不同部件。为了形成与埋入的微部件110对准的微部件140，使用与形成微部件110所使用的光刻掩膜类似的掩膜。在形成微部件110的过程中，由最终衬底200和层100a形成的复合结构300固定在与设备120相同的衬底支撑设备130的支撑盘130a上。然后光刻掩膜被应用到层100a的自由表面。

在变化例中，通过层的堆叠形成三维结构，其中每个层通过本发明的组装方法被转移，并且每个层与直接相邻的层对准。

通过使用本发明的分子键合起动方法，初始衬底100可以被键合到最终衬底上，而没有或至少减小了变形，换言之，在初始衬底100转移到最终衬底200之前和之后，不再能观察到微部件110的显著偏移。这样，可以在晶片的整个表面上以均匀的方式将残留的偏移限制为小于200纳米(nm)或者甚至100nm的值。即使在初始衬底转移之后，微部件140，即使其具有极小的尺寸(例如＜1μm)，也能够容易地与微部件110对准。这例如意味着可以通过金属连接互连两层中出现的微部件或者单层的两个不同表面上出现的微部件，从而最小化不良互连的风险。

因此，本发明的组装方法可以消除在一个电路层转移到另一个电路层上或者支撑衬底上的过程中出现的覆盖现象，并且制造很高质量的多层半导体晶片。

Claims (18)

1.一种起动分子键合的方法，包括使第一晶片(30)的一个表面(31)面对第二晶片(20)的一个表面(21)，并起动两个面对的表面之间的接触点，其特征在于，通过向两个晶片之一施加机械压力起动接触点，所述压力在0.1MPa到33.3MPa的范围内。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所施加的机械压力小于10MPa。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所施加的机械压力在2MPa到5MPa的范围内。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，机械压力被施加在1mm²或更小的接触表面积上。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过在两个衬底之一上应用工具(51)来执行接触点的起动，所述工具在衬底上的接触表面积(52a)在0.3mm²到1mm²的范围内，且工具施加在衬底上的支承力在0.1N至10N的范围内。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，待支承在两个衬底之一上的工具(51)的至少一端(52)包括位于其表面(52a)上的至少选自Teflon硅树脂或聚合物的材料。

7.一种制造复合三维结构(300)的方法，包括以下步骤：在第一衬底(100)的一个表面上制造第一层微部件(110)，通过分子键合将包括该层微部件的第一衬底的表面键合到第二衬底(200)上，其特征在于，在键合步骤中，通过根据权利要求1至6中任一项所述的分子键合起动方法起动分子键合。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法包括键合步骤之后的减薄第一衬底(100)的步骤。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括在第一衬底的与包括第一层微部件的表面相对的表面上制造第二层微部件(140)的步骤。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括键合步骤之前的在第一衬底(100)的包括第一层微部件(110)的表面上形成氧化物层的步骤。

11.根据权利要求7至10中任一项所述的方法，其特征在于，第一衬底(100)是SOI型结构。

12.根据权利要求7至11中任一项所述的方法，其特征在于，至少第一层微部件包括图像传感器。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其特征在于，包括第一层微部件(110)和氧化物层的第一衬底(100)的变形在-40μm到+40μm的范围内。

14.根据权利要求7至13中任一项所述的方法，其特征在于，第二衬底(200)的变形在-10μm到+10μm的范围内。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其特征在于，以至少一个晶片的变形为函数确定施加机械压力的区域。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，第一衬底具有凹入变形，接触点位于所述凹入变形的中心，以及第二晶片是平面晶片。

17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，第二晶片至少表现出凹入或凸出变形，所述第二晶片位于晶片支撑设备上，以及接触点位于晶片支撑设备与第二晶片紧密接触或者彼此距离最短的位置。

18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，在一个或两个晶片上施加预定变形，从而出现在工具下方的晶片区域对应于需要最小机械压力的点。

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