專利名稱：低壓下的分子粘附鍵合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在低壓下進行的兩個“晶片”之間的分子粘附鍵合(也被稱為“低壓鍵合” LPB)。
背景技術(shù)：
為了獲得高鍵合能和限制晶片外周的弱鍵合或未鍵合區(qū)域，已知在較低的壓強或部分真空下執(zhí)行兩個晶片之間的分子粘附鍵合，如文件EP 2 200 077中特別描述的那樣。 在分子粘附鍵合過程中，在低壓下，用于引發(fā)兩個晶片之間的鍵合波傳播所需要的力小于環(huán)境壓強下所需要的力。此外，壓強越低，鍵合波在兩個晶片之間傳播的越快。但是，通過兩個晶片之間的低壓鍵合獲得的結(jié)構(gòu)的質(zhì)量是可變的。事實上，中請人觀察到，在低壓下，典型地在小于或等于1毫巴的壓強下，通過分子粘附在兩個晶片之間執(zhí)行的鍵合在晶片變形方面得到非常滿意的結(jié)果和很差的結(jié)果的可能性是均等的，即使是來自于同一批次的晶片也是如此。鍵合后的結(jié)果缺乏重復(fù)性的這種現(xiàn)象的原因在于，由于晶片處于促使引發(fā)鍵合波傳播的低壓環(huán)境，在執(zhí)行實質(zhì)上的鍵合之前的晶片對準(zhǔn)和逐漸接觸的操作過程中，可能會引發(fā)鍵合波的傳播。當(dāng)在這些預(yù)先處理晶片的步驟中引發(fā)鍵合波的傳播時，可能會在一個或兩個晶片上出現(xiàn)不均勻的變形。這些變形會造成問題，因為它們是不可控的和不可逆的。這些不均勻變形的出現(xiàn)會造成問題的一種特殊情況是根據(jù)三維集成(3D集成)技術(shù)制造的多層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)(也被稱為“多層半導(dǎo)體晶片”)，該技術(shù)包括將形成的至少一層從第二晶片轉(zhuǎn)移到被稱為最終襯底的第一晶片上，該層通過分子粘附鍵合到第一晶片上， 并且通常在鍵合之后被減薄，該層對應(yīng)于第二晶片中形成有元件(例如多個微型元件)的部分。其他相應(yīng)的元件可以選擇性地形成在第一晶片中。在用于容納微型元件的第一晶片的情況下，特別是由于指定層上存在的微型元件的非常小的尺寸或者龐大的數(shù)量，每個轉(zhuǎn)移層，即每個包括該層的晶片必須以正確的精度置于最終襯底(第一晶片獨自或者已經(jīng)包括其它的轉(zhuǎn)移層)上，以便符合與下方層的大約 0. 3微米的對準(zhǔn)。此外，在層被轉(zhuǎn)移之后，可能需要對層進行處理，例如為了形成其它微型元件、為了顯露表面上的微型元件、為了產(chǎn)生互連等等，還必須以與層中存在的元件有關(guān)的非常高的精度來執(zhí)行這些處理操作。盡管低壓下的分子粘附鍵合可以獲得高鍵合能，而不需要在高溫下執(zhí)行用于加強鍵合界面的退火，這種退火可能會破壞微型元件，但是如上文所述的晶片中產(chǎn)生的不均勻變形導(dǎo)致形成與轉(zhuǎn)移之前形成的微型元件對準(zhǔn)的另外的微型元件是很難的，甚至是不可能的。即使是在3D集成的范圍之外，也就是說在第一晶片不包括微型元件或者以后不用于容納微型元件的情況下，這類鍵合晶片不均勻變形的問題也仍然存在。在3D集成的特殊情況下，低壓分子鍵合所產(chǎn)生的不均勻變形隨后引起各層的微型元件末對準(zhǔn)的現(xiàn)象。參考圖5描述的也被稱為“重疊(overlay)”的這種未對準(zhǔn)現(xiàn)象以大約50nm的缺陷形式出現(xiàn)，比分子鍵合時襯底的對準(zhǔn)精度低得多。圖5顯示了通過第一晶片或初始襯底410和第二晶片或最終襯底420之間的低壓下的分子粘附鍵合獲得的三維結(jié)構(gòu)400，借助于可以限定用于形成與將要制造的微型元件對應(yīng)的圖案的區(qū)域的掩模，通過光刻在第一晶片或初始襯底410上形成第一系列的微型元件411至419。在鍵合之后減薄初始襯底410，以便去除微型元件411至419那一層上方存在的材料部分，并且與初始襯底410的暴露表面齊平地形成第二層微型元件421至429。但是，即使當(dāng)使用定位工具時，一方面的微型元件411至419中的某一些與另一方面的微型元件421至429中的某一些之間也存在偏移，例如圖5所示的偏移Δη、Δ22、 Δ33、Δ 44 (分別對應(yīng)于在微型元件對411/421、412/422、413/423和414/4 之間觀察到的偏移)。這些偏移不是來源于襯底的不精確組裝所產(chǎn)生的初等變換(elementary transformation)(平移、旋轉(zhuǎn)或其組合)。這些偏移是由來自于初始襯底的層在其鍵合到最終襯底的過程中出現(xiàn)的不均勻變形所引起的。具體而言，這些變形引起與某些微型元件 411至419水平的不均勻的局部位移。同樣地，轉(zhuǎn)移之后在襯底的暴露表面上形成的某些微型元件421至4 顯現(xiàn)出關(guān)于這些微型元件411至419的位置變化，這些位置變化可能是幾百納米左右，或者甚至是一微米。這種微型元件的兩層之間的未對準(zhǔn)現(xiàn)象(也稱作“重疊”)可能引起短路、堆疊中的扭曲、或者兩層微型元件之間的連接缺陷。因此，在被轉(zhuǎn)移的微型元件是通過像素形成的成像器并且轉(zhuǎn)移后的處理步驟是用于在這些像素的每一個上形成濾色器的情況下，在這些像素的某一些當(dāng)中觀察到著色功能的損失。未對準(zhǔn)現(xiàn)象還導(dǎo)致所制造的多層半導(dǎo)體晶片的質(zhì)量和價值下降。由于對微型元件小型化以及每一層的集成密度日漸提高的要求，這種現(xiàn)象的影響變得越來越大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種解決方案，其可以限制晶片或襯底在其通過分子粘附鍵合到另一晶片或襯底的過程中出現(xiàn)的不均勻變形，同時寸保留低壓鍵合的優(yōu)點。為此目的，本發(fā)明提供一種至少第一晶片和第二晶片之間的分子粘附鍵合方法， 至少包括機械對準(zhǔn)步驟、使兩個晶片相接觸的步驟以及在兩個晶片之間引發(fā)鍵合波的傳播的步驟，在該方法中，在所述機械對準(zhǔn)步驟和使兩個晶片相接觸的步驟中，所述晶片被置于具有大于或等于預(yù)定壓強閾值的第一壓強的環(huán)境中，在引發(fā)鍵合波的傳播的步驟中，所述晶片被置于具有小于所述預(yù)定壓強閾值的第二壓強的環(huán)境中。憑借本發(fā)明的方法，可以執(zhí)行所有的機械對準(zhǔn)和使晶片相接觸的步驟，而不會有引發(fā)鍵合波的傳播的風(fēng)險，因為晶片的環(huán)境壓強被保持在相應(yīng)地在這些步驟中選擇的預(yù)定閾值以上。因此，通過控制引發(fā)鍵合波的傳播的時刻，即晶片被正確對準(zhǔn)并且完全接觸的時寸刻，避免了所得到的結(jié)構(gòu)中的不均勻變形的風(fēng)險。此外還獲得良好的鍵合，顯現(xiàn)出很少的 “空洞”型缺陷和受控的變形，因為鍵合波傳播的引發(fā)是在小于預(yù)定壓強閾值的第二壓強下發(fā)生的。在3D集成的特殊情況下，這大大降低了后續(xù)形成額外的微型元件層的過程中或者均包括將被手動對準(zhǔn)的微型元件的兩個晶片的鍵合過程中的未對準(zhǔn)或“重疊”的風(fēng)險，。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，所述預(yù)定壓強閾值介于20毫巴和5毫巴之間。例如，在機械對準(zhǔn)和使兩個晶片相接觸的步驟中，兩個晶片被放置在具有大約400 毫巴的第一壓強的環(huán)境中。不過，第一壓強可以接近或超過大氣壓強，而不會脫離本發(fā)明的范圍。根據(jù)本發(fā)明的方法的特殊實施例，在機械對準(zhǔn)和使兩個晶片相接觸的步驟之前， 所述晶片被設(shè)置成彼此相對，同時在兩個晶片之間嵌入至少三個間隔元件，以便保持兩個晶片之間的間隔，機械對準(zhǔn)和使兩個晶片相接觸的步驟包括-撤回(retract)所述間隔元件的其中之一，-通過推動器在所述晶片上施加第一側(cè)力，以便使兩個晶片互相對準(zhǔn)，所述晶片被至少一個保持手指保持，-撤回其他的間隔元件，-撤回所述推動器，-通過所述推動器在兩個晶片上施加第二側(cè)力，以及-撤回所述推動器。根據(jù)本發(fā)明的一方面，在引發(fā)鍵合波的步驟中，晶片被置于具有小于1毫巴 (mbar)的第二壓強的環(huán)境中，以便自然地引發(fā)鍵合波。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，引發(fā)鍵合波的步驟包括在兩個晶片其中之一上施加機械壓強點。本發(fā)明還涉及一種用于制造三維復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法，包括在第一晶片的一個面上制造第一層微型元件的步驟，至少機械對準(zhǔn)的步驟，以及使所述第一晶片的包括該層微型元件的面與第二晶片的面相接觸的步驟，以及之后的在兩個晶片之間引發(fā)鍵合波的傳播的步驟，其特征在于，根據(jù)本發(fā)明的鍵合方法來執(zhí)行機械對準(zhǔn)步驟、使晶片相接觸的步驟以及在晶片之間弓I發(fā)鍵合波的傳播的步驟。使用本發(fā)明的方法來在低壓下執(zhí)行分子粘附鍵合可以在微型元件的層的轉(zhuǎn)移過程中消除或限制未對準(zhǔn)(“重疊”)現(xiàn)象，并且產(chǎn)生非常優(yōu)質(zhì)的多層半導(dǎo)體晶片。微型元件的層可以特別包括圖像傳感器。本發(fā)明還涉及一種三維復(fù)合結(jié)構(gòu)，包括晶片和通過分子粘附鍵合到所述晶片上的半導(dǎo)體晶體材料層，所述半導(dǎo)體晶體材料層具有位于所述半導(dǎo)體晶體材料層和所述晶片之間的鍵合界面附近的第一面以及與所述第一面相對的第二面，所述半導(dǎo)體晶體材料層在其第一面上包括第一系列微型元件并且在其第二面上包括與第一系列微型元件對準(zhǔn)的第二系列微型元件，其中第一系列微型元件與第二系列微型元件之間的殘余對準(zhǔn)偏移在所述結(jié)構(gòu)的整個表面上均勻地小于lOOnm。通過這種有限的殘余對準(zhǔn)，大大減少了制造缺陷的出現(xiàn)，例如短路、扭曲或兩個系列的微型元件的微型元件之間的連接缺陷。在第一系列的微型元件包括通過像素形成的成像器而第二系列的微型元件包括將與每個像素對準(zhǔn)的濾色器的情況下，可以確保所有像素的著色功能。根據(jù)本發(fā)明的一方面，第一系列微型元件與第二系列微型元件之間的殘余對準(zhǔn)偏移在所述結(jié)構(gòu)的至少50%的表面上小于50nm。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述結(jié)構(gòu)具有300mm或更大的直徑。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述微型元件中的至少一些是圖像傳感器。


通過接下來參考附圖通過非限制性示例給出的本發(fā)明的特殊實施例的描述，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點將得以顯現(xiàn)，其中圖1是圖2A至圖21所顯示的本發(fā)明的分子粘附鍵合方法的步驟的流程圖，圖2A至圖21是根據(jù)本發(fā)明的實施例的分子粘附鍵合方法的示意圖，圖3A至圖3D是顯示使用根據(jù)本發(fā)明的分子粘附鍵合方法的三維結(jié)構(gòu)制造的示意圖，圖4是圖3A至圖3D中所顯示的三維結(jié)構(gòu)制造過程中所執(zhí)行的步驟的流程圖，圖5是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的低壓下分子粘附鍵合之后的三維結(jié)構(gòu)的示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明一般應(yīng)用于至少包括第一襯底或晶片到第二襯底或晶片的分子粘附鍵合的復(fù)合結(jié)構(gòu)的制造。分子粘附鍵合本身是公知的技術(shù)。在此提醒，分子粘附鍵合的原理是基于使兩個表面直接接觸，即不使用特殊材料(粘合劑、蠟、釬焊等等)。這種操作要求待鍵合的表面足夠光滑，沒有顆?；蛭廴疚?，并將它們靠得足夠近，以便可以引發(fā)接觸，典型的距離小于幾納米。在這種情況下，兩個表面之間的吸引力足夠高，能夠使引起分子粘附(兩個待鍵合表面的原子或分子之間的電子相互作用的全部吸引力(范德華力)所引起的鍵合)的鍵合波傳播。在一個與另一晶片緊密接觸的晶片上引發(fā)至少一個接觸點，以便觸發(fā)鍵合波從該接觸點傳播，通過這種方式實現(xiàn)分子粘附。這里，“鍵合波”是指從引發(fā)點傳播并對應(yīng)于吸引力(范德華力)從接觸點開始在兩個晶片之間的緊密接觸的整個表面(鍵合界面)上的擴散的連接或分子粘附的前緣(front)。通常通過對兩個晶片之一的暴露表面施加機械壓強來引發(fā)接觸點。不過，通過令兩個相接觸的晶片承受非常低的壓強(典型地小于5毫巴 (mbar))和/或通過一個晶片對另一個晶片的重力作用，可以自然產(chǎn)生該接觸點。盡管低壓下的分子粘附鍵合可以改善鍵合的質(zhì)量，但申請人觀察到，如果在機械對準(zhǔn)和使晶片相接觸的階段中引發(fā)鍵合，更確切地說是鍵合波的傳播，則可能在晶片中產(chǎn)生不均勻變形。為此目的，本發(fā)明提出通過將晶片置于具有高于預(yù)定壓強閾值的壓強的環(huán)境中來執(zhí)行機械對準(zhǔn)和使晶片接觸的操作，當(dāng)?shù)陀陬A(yù)定壓強閾值時，在晶片處理過程中存在引發(fā)鍵合波在兩個晶片之間傳播的風(fēng)險。術(shù)語“環(huán)境壓強”用于表示鍵合腔中自然存在(即不使用泵裝置)的壓強，該壓強對應(yīng)于鍵合機所在的環(huán)境的大氣壓強。壓強閾值小于大氣壓強。一旦這些操作已經(jīng)執(zhí)行，則可以將腔的壓強降到所限定的壓強閾值以下，以便能夠弓I發(fā)鍵合波在兩個晶片之間的傳播?，F(xiàn)在參考圖1和圖2A至圖21來描述根據(jù)本發(fā)明的方法的實施例的兩個晶片之間的分子粘附鍵合的示例。在圖2A中，將第一晶片或襯底20置于鍵合機100的腔110中，所述腔包括襯底保持裝置40 (步驟Si)。襯底保持裝置40包括具有優(yōu)選小于15微米的平面度缺陷(planarity defect)的支撐板40a。為了通過分子粘附將第一晶片20與第二晶片或襯底30組裝，支撐板40a例如通過與支撐板40a聯(lián)合的靜電或抽吸系統(tǒng)或者通過簡單的重力的方式保持第一晶片20。只要確認用于保持晶片的聯(lián)合系統(tǒng)(靜電或抽吸)不使晶片變形，從而不導(dǎo)致未對準(zhǔn)問題(“重疊”)的增加，就可以使用。一旦晶片20被保持在支撐板上，在適當(dāng)?shù)奈恢蒙戏派先齻€用于暫時防止兩個晶片之間的接觸的隔離元件41至43。此外，鍵合機包括推動器44，推動器44包括頭部441。 將推動器44置于撤回位置和機械對準(zhǔn)位置之間，在撤回位置上，頭部441離晶片20和晶片 30的邊緣有一距離，不在晶片上施加力(如圖2A所示)，在機械對準(zhǔn)位置上，頭部441緊靠晶片20和晶片30的邊緣并且主要在徑向方向上對被兩個保持手指45和46保持在相反側(cè)的兩個晶片施加對準(zhǔn)力，于指45用于與在晶片20和30分別的“凹口”21和31形式制作的對準(zhǔn)標(biāo)記相互作用(如圖2B所示)。在其對準(zhǔn)位置上，推動器44的頭部441對晶片施加推力，從而能夠?qū)⒕糜诰o靠保持手指45和保持手指46的位置，并且確保它們的對準(zhǔn)。然后將晶片30放置到間隔元件41至43上，從而將晶片30的下表面或面32設(shè)置成面對晶片20的上表面22 (圖2B，步驟S》。此時，推動器44處于其機械對準(zhǔn)位置，并且對晶片施加抵靠手指45和46的保持力。以公知的方式制備晶片20和晶片30分別的將被鍵合的表面22和表面32 (拋光、 清洗、疏水/親水處理等等)，以便允許分子鍵合。在后續(xù)的操作過程中，將間隔元件41撤回，并將推動器44置于其撤回位置(圖 2C，步驟S3)，使得晶片30的處于間隔元件41和保持手指45的位置的部分下降到晶片20上。然后再次將推動器44置于其對準(zhǔn)位置上，以便保持晶片對準(zhǔn)(圖2D，步驟S4)。撤回兩個晶片之間仍存在的間隔元件，在這種情況下即間隔元件42和43，而推動器44仍處在其保持晶片對準(zhǔn)的位置上(圖2E，步驟S5)，此時晶片20和晶片30經(jīng)歷壓縮應(yīng)力。然后將推動器44放置到其撤回位置上，以便使施加到晶片上的應(yīng)力松弛，并且釋放被保持抵靠在手指45和46上的晶片33，允許其下表面完全靠在晶片20的上表面上(圖2F，步驟S6)。再次將推動器44放置在其機械對準(zhǔn)位置上，以便確保在引發(fā)鍵合波的傳播之前， 晶片20和晶片30完全對準(zhǔn)(圖2G，步驟S7)。然后將推動器放置在其撤回位置上，以便使施加到晶片20和晶片30上的應(yīng)力松弛(圖2H，步驟S8)。根據(jù)本發(fā)明，執(zhí)行上文所描述的步驟Sl至步驟S8時將晶片置于第一壓強Pl下的環(huán)境當(dāng)中。為此目的，如圖2A至圖2H所示，在腔110中執(zhí)行對準(zhǔn)和逐漸使晶片20和晶片30 接觸的步驟S3至步驟S8，腔110中的壓強可以等于或大于環(huán)境壓強，或者是小于環(huán)境壓強但大于預(yù)定壓強閾值的壓強。在第二種情況下，腔包括部分抽空裝置(partial evacuation means)，例如真空泵等等(圖2A至圖2H中未表示)。更確切地說，如上文所述，第一壓強Pl大于例如介于20毫巴和5毫巴之間的預(yù)定壓強閾值，以便防止在機械對準(zhǔn)和使晶片相接觸的步驟中引發(fā)鍵合傳播。具體而言，從步驟 S3起，晶片30的鍵合面31的一部分與晶片20的鍵合面21接觸。因此，從這一刻起，如果晶片被放置到壓強小于壓強閾值的環(huán)境當(dāng)中，則在晶片處理過程中，特別是在推動器與晶片之間的接觸過程中或者當(dāng)推動器撤回以使晶片30下降到晶片20上時，任何接觸或施加到晶片上的振動都容易弓I發(fā)鍵合波的傳播。通過采用高于閾值的壓強P1，在方法的這一階段中，可以避免觸發(fā)可能引起晶片中的不均勻變形和后續(xù)的未對準(zhǔn)現(xiàn)象(“重疊”)的鍵合波的傳播。在步驟Sl至步驟S8中晶片所處的環(huán)境的壓強Pl可以是恒定的，也可以不是恒定的(即在對準(zhǔn)和接觸步驟中，壓強Pl可能是可變的)。在機械對準(zhǔn)和使晶片相接觸的步驟之后，執(zhí)行分子粘附鍵合(步驟S9)。為此目的，將腔110的壓強降低到小于壓強閾值的第二壓強P2，即典型地小于20毫巴、優(yōu)選地小于 5毫巴的壓強。通過將腔中的壓強P2降低到非常低的值，典型地小于5毫巴，可以在晶片20和晶片30之間自然地開始引發(fā)鍵合波傳播。晶片在步驟S9中所處的環(huán)境的壓強P2可以是恒定的，也可以不是恒定的(即在引發(fā)步驟中，壓強P2可能是可變的)。如圖21所示，另一選擇是可以通過裝備有可以在晶片30上施加機械接觸點的探針51的工具50來執(zhí)行鍵合波的傳播的引發(fā)。有利地但并非強制性地，可以控制探針51施加到晶片30上的機械壓強，以便限制接觸點水平上的變形。如圖21中示意性地顯示的，工具50可以包括測力計(dynamometer) 53。探針51連接到測力計53并且包括自由端52，通過自由端52在晶片30上施加機械壓強，以便引發(fā)兩個晶片20和晶片30之間的接觸點。 已知工具50與晶片30的接觸面積52a的值，可以通過控制工具施加到晶片上的承載力 (bearing force) F來施加介于IMPa和33. 3MPa之間的機械壓強(承載力=機械壓強χ承載面)。在引發(fā)接觸點的過程中，通過這樣限制施加到兩個襯底其中之一上的壓強，可以降低晶片中產(chǎn)生的不均勻變形，同時在兩個晶片相接觸的全部表面上執(zhí)行分子粘附鍵合。通過測力計53來監(jiān)測端部52在晶片30上施加的承載力。承載元件，更特別地，承載元件用于與晶片相接觸的端部可由諸如Teflon 、硅樹脂或聚合物的材料制成或覆蓋。一般而言，承載元件的端部是由足夠剛硬的材料制成或覆蓋，以便能夠以受控方式施加壓強。具體而言，過于柔軟的材料可能變形或?qū)е虏痪_的接觸面，因此導(dǎo)致所施加的壓強喪失精確性。此外，過于剛硬的材料可能導(dǎo)致在晶片表面上形成缺陷(痕跡)。此外，可以在機械對準(zhǔn)和使晶片相接觸的步驟和引發(fā)鍵合波傳播的步驟之間的過渡階段中再次提高壓強。本發(fā)明的方法適用于組裝適用于分子鍵合的任何類型的材料，特別是半導(dǎo)體材料，例如硅或鍺、玻璃、石英、藍寶石等等。待組裝的晶片可以特別具有100mm、150mm、200mm、 300mm或450mm的直徑。晶片還可以在其大部分表面上或者只在有限的區(qū)域上包括微型元件。本發(fā)明的鍵合方法的一個特殊的但并非唯一的領(lǐng)域是三維結(jié)構(gòu)的制造領(lǐng)域?，F(xiàn)在參考圖3A至圖3D和圖4來描述根據(jù)本發(fā)明的實施例通過將形成在初始襯底上的微型元件的層轉(zhuǎn)移到最終襯底上來制造三維結(jié)構(gòu)的方法。三維結(jié)構(gòu)的制造開始是在優(yōu)選地由半導(dǎo)體晶體材料制成的初始晶片或襯底100的表面上形成第一系列的微型元件110(圖3A，步驟S10)。微型元件110可以是完整的元件和/或只是元件的一部分。初始襯底100可以是單層結(jié)構(gòu)，例如一層硅，或者可以是多層結(jié)構(gòu)，例如SOI型結(jié)構(gòu)。借助于可以限定用于形成與將要制造的微型元件110對應(yīng)的圖案的區(qū)域的掩模，通過光刻來形成微型元件110。在通過光刻形成微型元件110的過程中，初始襯底100被保持在襯底保持裝置120上。襯底保持裝置包括支撐板120a，例如通過與支撐板120a聯(lián)合的靜電或抽吸系統(tǒng)將初始襯底100壓在支撐板120a上。然后，為了通過分子粘附鍵合，將初始襯底100的包括微型元件110的面101放置成面對并接觸最終晶片或襯底200的面201 (步驟S20，圖3B)。根據(jù)本發(fā)明，在壓強大于5 毫巴的罩或腔(圖6B中未表示)中執(zhí)行機械對準(zhǔn)和使初始襯底100與最終襯底200相接觸的步驟S20，例如上文所述的步驟S3至S8，以便避免在這些步驟中引發(fā)任何鍵合波傳播。 根據(jù)可選實施例，被襯底保持裝置保持的是沒有微型元件的最終襯底200，而初始襯底100 被置于最終襯底200的頂部。此外，可以在初始襯底100的包括微型元件110并且位于初始襯底100與最終襯底200之間的鍵合界面附近的面101上和/或最終襯底200的將被鍵合到面101上的面 201上形成諸如SiO2的氧化物層。根據(jù)本發(fā)明，將容納彼此相接觸的對準(zhǔn)襯底100和200的腔或罩(圖3A至圖3D 中未表示)中的壓強降至小于5毫巴的值，如上文所述，該值能夠自然地引發(fā)襯底之間的鍵合(步驟S30，圖3B)。實際上在多數(shù)情況下已經(jīng)觀察到，腔內(nèi)壓強下降到小于5毫巴、優(yōu)選地小于3毫巴的值，會自然地發(fā)生接觸點和鍵合波傳播的引發(fā)，也就是說不需要在晶片上施加額外的機械壓強。將腔或罩中的壓強降至低于5毫巴足以自然地觸發(fā)該引發(fā)。目前相信，在這些低壓條件下，下方襯底上的襯底的重量足以自然地引發(fā)分子鍵合。在腔內(nèi)壓強沒有降至小于5毫巴或者在任何情況下確保接觸點的引發(fā)的情況下， 也可以通過在襯底200上施加機械壓強Rn，優(yōu)選地在其邊緣附近機械壓強Rn，在兩個襯底之間引發(fā)接觸點。如上文所述，壓強Rii可以介于IMPa和33. 3MPa之間，并且施加在小于或等于Imm2的承載面上。接觸點的引發(fā)導(dǎo)致鍵合波在初始襯底100與最終襯底200之間的界面上傳播。然后兩個襯底在其整個相接觸的表面(鍵合界面)上通過分子粘附鍵合到一起。因此在襯底100和襯底200之間的鍵合界面處獲得微型元件100的埋入層。在鍵合之后，如圖3C所示，減薄初始襯底100，以便去除第一系列微型元件110上方存在的材料部分，形成半導(dǎo)體晶體材料IlOa的層(步驟S40)。在襯底100為SOI型襯底的情況下，可以有利地使用埋入絕緣層，以便劃定余留層IOOa的厚度。然后獲得通過最終襯底200和與初始襯底100的余留部分對應(yīng)的層IOOa形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)300。可以特別通過化學(xué)機械拋光(CMP)、通過化學(xué)蝕刻、或者通過沿事先通過原子注入在襯底中形成的脆弱面劈開或斷裂來減薄初始襯底100。如圖3D所示，三維結(jié)構(gòu)的制造的下一個步驟是在層IOOa的暴露面102上形成第二系列的微型元件140(圖3D，步驟S50)。微型元件140可以對應(yīng)于微型元件110的補充部分，以便形成完成的元件和/或?qū)⑵鹱饔玫脑c微型元件140分開。為了對準(zhǔn)埋入微型元件110形成微型元件140，使用光刻掩模，該光刻掩膜類似于形成微型元件110所使用的光刻掩模。就像形成微型元件110時一樣，通過最終襯底200和層IOOa形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)300被保持在與裝置120相同的襯底保持裝置130的支撐板130a上。然后將光刻掩模施加層IOOa的自由表面上。在一種變形中，通過層的堆疊來形成三維結(jié)構(gòu)，通過本發(fā)明的組裝方法來添加每一層，每一層與直接相鄰的層對準(zhǔn)。在另一種變形中，最終襯底200本身還包括微型元件。憑借本發(fā)明的分子粘附鍵合方法，可以將初始襯底100鍵合到最終襯底上，而不會發(fā)生變形，或者至少可以減小變形，從而在初始襯底100轉(zhuǎn)移到最終襯底200之前和之后不再觀察到微型元件110的明顯的殘余對準(zhǔn)偏移。因此可以在晶片的整個表面上均勻地將殘余偏移限制在小于IOOnm的值。在圖3的特殊實施例中，首先將在其面101上包括第一系列微型元件110的初始襯底100放置到鍵合支撐件上。然后將最終晶片或襯底200放置到初始襯底100上，其面201面對并接觸襯底100的面101。當(dāng)壓強被降低到小于5毫巴、或者優(yōu)選地小于3毫巴的值時觀察到的自發(fā)鍵合(即不需要施加額外的機械壓強)導(dǎo)致將第一系列微型元件110和第二系列微型元件140的微型元件對準(zhǔn)對之間的殘余對準(zhǔn)偏移Δμ。 在晶片的整個表面上均勻地限制在小于IOOnm的值，并且在晶片的至少50%的表面上限制在小于50nm的值。然后很容易與微型元件110對準(zhǔn)形成微型元件140，即使微型元件140是很小的尺寸(例如< 1 μ m)，甚至是在轉(zhuǎn)移初始襯底之后。這樣就例如可以通過金屬連接使存在于兩層中或者相同層的兩個分離的面上的微型元件彼此互連，同時使互連不良的風(fēng)險最小化。因此，本發(fā)明的鍵合方法可以限制晶片在其低壓下的分子鍵合過程中不均勻變形的現(xiàn)象。在晶片包括微型元件的特殊情況下，方法最終可以消除一個電路層到另一層或到支撐襯底的轉(zhuǎn)移過程中的未對準(zhǔn)(“重疊”)現(xiàn)象，并且制造非常優(yōu)質(zhì)的多層半導(dǎo)體晶片。
權(quán)利要求
1.一種至少第一晶片Co)和第二晶片(30)之間的分子粘附鍵合方法，至少包括機械對準(zhǔn)步驟、使兩個晶片(20，30)相接觸的步驟以及在兩個晶片之間引發(fā)鍵合波的傳播的步驟，其特征在于，在所述機械對準(zhǔn)步驟和使兩個晶片相接觸的步驟中，所述晶片被置于具有大于或等于預(yù)定壓強閾值的第一壓強(Pi)的環(huán)境中，在引發(fā)鍵合波的傳播的步驟中，所述晶片(20，30)被置于具有小于所述預(yù)定壓強閾值的第二壓強(P》的環(huán)境中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的至少第一晶片00)和第二晶片(30)之間的分子粘附鍵合方法，其特征在于，所述預(yù)定壓強閾值介于20毫巴和5毫巴之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的至少第一晶片00)和第二晶片(30)之間的分子粘附鍵合方法，其特征在于，在機械對準(zhǔn)和使兩個晶片(20，30)相接觸的步驟之前，所述晶片被設(shè)置成彼此相對，同時在兩個晶片之間嵌入至少三個間隔元件(41，42，43)，以便保持兩個晶片之間的間隔，機械對準(zhǔn)和使兩個晶片相接觸的步驟包括-撤回所述間隔元件的其中之一 G1)，-通過推動器G4)在所述晶片(20，30)上施加第一側(cè)力，以便使兩個晶片互相對準(zhǔn)，所述晶片被至少一個保持手指G5 ；46)保持，-撤回其他的間隔元件G2，43)，-撤回所述推動器G4)，-通過所述推動器G4)在兩個晶片(20，30)上施加第二側(cè)力，以及-撤回所述推動器G4)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的至少第一晶片00)和第二晶片(30)之間的分子粘附鍵合方法，其特征在于，在引發(fā)鍵合波的步驟中，晶片被置于具有小于1毫巴的第二壓強的環(huán)境中，以便自然地引發(fā)鍵合波。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的至少第一晶片00)和第二晶片(30)之間的分子粘附鍵合方法，其特征在于，引發(fā)鍵合波的步驟包括在兩個晶片之一上施加機械壓強點。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的至少第一晶片00)和第二晶片(30)之間的分子粘附鍵合方法，其特征在于，通過機械壓強點施加到兩個晶片之一上的機械壓強介于IMPa和33. 3MPa 之間。
7.一種用于制造三維復(fù)合結(jié)構(gòu)(300)的方法，包括在第一晶片(100)的第一面(101) 上制造第一系列微型元件(110)的步驟，至少機械對準(zhǔn)的步驟，使所述第一晶片(100)的包括第一系列微型元件的第一面與第二晶片O00)的面相接觸的步驟，以及之后的在兩個晶片(100，200)之間引發(fā)鍵合波的傳播的步驟，其特征在于，根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的鍵合方法來執(zhí)行機械對準(zhǔn)步驟、使晶片相接觸的步驟以及在晶片之間引發(fā)鍵合波的傳播的步驟。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于制造三維復(fù)合結(jié)構(gòu)(300)的方法，其特征在于，在鍵合步驟之后，包括減薄所述第一晶片(100)以形成層(IOOa)的步驟。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于制造三維復(fù)合結(jié)構(gòu)(300)的方法，其特征在于，還包括在所述層(IOOa)的包括第一系列微型元件(110)的面的相對面(10 上制造第二系列微型元件(140)的步驟。
10.根據(jù)權(quán)利要求7至9中任一項所述的用于制造三維復(fù)合結(jié)構(gòu)(300)的方法，其特征在于，在鍵合步驟之前，包括在所述第一襯底(100)的包括第一系列微型元件(110)的面上形成氧化物層的步驟。
11.根據(jù)權(quán)利要求7至10中任一項所述的用于制造三維復(fù)合結(jié)構(gòu)(300)的方法，其特征在于，所述第一襯底(100)為SOI型結(jié)構(gòu)。
12.根據(jù)權(quán)利要求7至11中任一項所述的用于制造三維復(fù)合結(jié)構(gòu)(300)的方法，其特征在于，至少第一系列微型元件(110)包括圖像傳感器。
13.—種三維復(fù)合結(jié)構(gòu)(300)，包括晶片(200)和通過分子粘附鍵合到所述晶片上的半導(dǎo)體晶體材料層，所述半導(dǎo)體晶體材料層具有位于所述半導(dǎo)體晶體材料層和所述晶片之間的鍵合界面附近的第一面以及與所述第一面相對的第二面，所述半導(dǎo)體晶體材料層在其第一面上包括第一系列微型元件并且在其第二面上包括與第一系列微型元件對準(zhǔn)的第二系列微型元件，其中第一系列微型元件與第二系列微型元件之間的殘余對準(zhǔn)偏移在所述結(jié)構(gòu)的整個表面上均勻地小于lOOnm。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的三維復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中第一系列微型元件與第二系列微型元件之間的殘余對準(zhǔn)偏移在所述結(jié)構(gòu)的至少50%的表面上小于50nm。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的三維復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中所述結(jié)構(gòu)具有300mm或更大的直徑。
16.根據(jù)權(quán)利要求13至15中任一項所述的三維復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中所述微型元件中的至少一些是圖像傳感器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種低壓下的分子粘附鍵合方法，這種至少第一晶片(20)和第二晶片(30)之間的分子粘附鍵合方法至少包括機械對準(zhǔn)步驟、使兩個晶片(20，30)相接觸的步驟以及在兩個晶片之間引發(fā)鍵合波的傳播的步驟。在機械對準(zhǔn)步驟和使兩個晶片相接觸的步驟中，所述晶片被置于具有大于或等于預(yù)定壓強閾值的第一壓強(P1)的環(huán)境中。在引發(fā)鍵合波的傳播的步驟中，所述晶片(20，30)被置于具有小于所述預(yù)定壓強閾值的第二壓強(P2)的環(huán)境中。
文檔編號H01L21/762GK102376623SQ201110229518
公開日2012年3月14日 申請日期2011年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月11日
發(fā)明者M·布魯卡特 申請人:S.O.I.Tec絕緣體上硅技術(shù)公司