直接接合电子学、光学或光电子学使用的两个基板的方法

摘要

本发明涉及一种直接接合用在电子学、光学或光电子学中的两个基板(1、2)的正面(11、21)的方法，所述两个基板中的至少一个基板包括在该基板的正面(11、21)上或在该正面附近延伸的半导体材料层(1、13、2、20、23)。所述方法的特征在于其包括以下步骤：至少使所述包括半导体的基板的所述正面(11、21)、或者如果所述两个基板都包括半导体的话则使所述两个基板的所述正面(11、21)中的至少一个正面，在包含氢气和/或氩气的气体环境中在900℃至1200℃范围内的温度下进行持续时间至少为30秒的接合前预备热处理；以及将所述用于接合在一起的两个基板(1、2)的各自的正面(11、21)直接接合在一起。

说明书

技术领域

本发明涉及用在电子学、光学或光电子学的应用中的混合基板的制造领域。

更准确地说，本发明涉及一种“直接”接合两个基板的方法，即，无需诸如粘合剂层的任何中间层地进行分子键合。所述方法可以在如上所述的制造混合基板的方法中实施。

背景技术

在现有技术中，已知有多种用于获得混合基板的方法，这些方法都基于如下步骤，即将所谓“供体”基板(该基板包括转移用的层)接合到所谓“受体”基板(即为所述层要被转移到的基板)上。通常，这两个基板之间插入有中间层。通过移除供体基板的称作“剩余部”的部分这一步骤来完成转移，以最终获得所述混合基板。

混合基板依次包括：转移层，其厚度在0.01微米(μm)至数μm范围内；中间层，其厚度通常在0.01μm至1μm范围内；以及受体基板，其厚度为数百μm。

例如可以通过研磨和/或化学蚀刻供体基板的露出面来移除供体基板的背面部分。在这种情况下，应注意到，供体基板的背面部分被完全耗掉。

其他技术在于：在接合之前，在供体基板内部形成弱区，然后通过沿所述弱区进行断裂来移除该基板的背面部分。

所述弱区可以通过植入原子种(atomic species)(例如，氢气和/或稀有气体)来获得，该技术以商标SMART CUT^TM而知名。

所述弱区也可以通过实施以商标ELTRAN^TM而知名的方法来获得。

对这些技术更充分的描述可以参考Kluwer Academic Publishers出版的J.P.Colinge的文章：“Silicon-on-insulator technology；materials to VLSI”，第二版，第50页和第51页。

那些制造基板的技术尤其适合并用于形成公知为术语“绝缘体上半导体(SeOI)”类型的基板，其最佳公知形式为“绝缘体上硅(SOI)”基板。

在制造这种基板的过程中，在供体基板的面和/或受体基板的面上形成绝缘层，用于在接合步骤过程中实现紧密接触。

绝缘体层可以通过对基板之一进行处理(例如，通过热氧化作用或实际上通过淀积氧化层)来获得。在最终的基板上，该绝缘体层被掩埋。

在所有那些用于对层进行转移的技术中，接合质量对所得到的基板的最终质量有直接影响。具体地说，用来将两个基板接合在一起的接合能在移除供体基板的背部的后续步骤中尤为重要。

已注意到，在将两个基板进行紧密接触之后，用来将这两个基板接合在一起的能量由基板的平面度、它们的表面上可能存在的微粒或杂质、所述表面的粗糙度或者它们的亲水程度直接决定。

在现有技术中发现，当将厚度足够(即，大于50纳米(nm))的中间层(以下称作“接合层”)放置在两个单晶基板之间时，该中间层用于通过限制接触界面处缺陷(例如，气泡)的出现而便于进行接合。

关于这个主题，可以参见John Wiley&Sons(New York)于1999年出版的Q.Y.Tong和U.Gsele的著作“Semiconductor wafer bondingscience and technology”。

因此，在SeOI型基板的情况下，埋入绝缘层用来便于进行接合并限制接合缺陷。

遗憾的是，存在如下情况：为了将供体基板的工作层直接转移到受体基板上，优选的是，将该埋入绝缘层的厚度限制到小于约50 nm的值，乃至完全去除该绝缘层。

这例如应用在如下情况中：为了最大量地排出(dump)微电子元件在其使用时产生的热，期望优化受体基板与其中要形成微电子元件的转移层之间的热传导。

无埋入绝缘层的接合还用于改善转移层与受体基板之间的电导，并至少用于获得导电接触。

还期望结合呈现出各自不同的晶体取向的转移层和受体基板，例如以便优化分别制造在混合基板的这两个部分中的晶体管的性能。

作为示例，对于互补金属氧化物半导体(CMOS)型元件，可以构想，分别在用(100)定向硅制成的转移层或受体基板上制造NMOS晶体管，并且分别在用(110)定向硅制成的受体基板或转移层上制造PMOS晶体管。

以下文章阐述了硅取决于其晶体取向的不同电特性：K.L.Saenger等人的“Amorphization/templated recrystallization method for changing theorientation of single-crystal silicon：an alternative approach to hybridorientation substrates”，Appl.Phys.Lett.，87，221911(2005)；以及C.Y.Sung等人的“High performance CMOS bulk technology using direct silicon bond(DSB)mixed crystal orientation substrates”，Tech.Dig.-Int.ElectronDevices Meet.，2005，236。

制造以下混合基板也是有用的：该混合基板包括固态硅的受体基板，该受体基板被硅或锗或硅-锗的转移层所覆盖，该转移层受到拉或压弹性应力。

接合技术已经存在。然而，当接合是所谓的“直接”接合(即，无需任何附加中间接合层)时，或者当所涉及的技术使用厚度受限(小于约50nm)的接合层时，就对层进行转移的应用所需的质量而言，难以在工业上实施这些技术。

关于这个主题，可以参考S.L.Holl等人的文章“UV activationtreatment for hydrophobic wafer bonding”，Journal of the ElectrochemicalSociety，153(7)，G613-G616(2006)，该文章指出了在获得无缺陷接合方面的困难。

那些现有技术是亲水键合和疏水键合。

作为示例，硅上硅的亲水键合在于：在将基板紧密接触之前，对它们进行亲水清洁。

这种清洁通常通过被称作“RCA”方法的方法来进行，该“RCA”方法在于依次利用以下浴来对接合用的表面进行处理：

包含氢氧化铵(NH₄OH)、过氧化氢(H₂O₂)和去离子水的混合物的称作标准清洁1(SC1)的溶液的第一浴；然后

包含盐酸(HCL)、过氧化氢(H₂O₂)和去离子水的混合物的称作标准清洁2(SC2)的溶液的第二浴。

关于这个主题，还可以阅读C.Maleville、O.Rayssac、H.Moriceau等人的文章：Proc.4th Internat.Symposium on Semiconductor WaferBonding：PV 97-36，ECS publications，p.46，1997。

疏水键合通常通过在将表面紧密接触之前在氢氟酸(HF)浴中清洁这些表面来实现，所述清洁对于本领域技术人员公知为“HF last”清洁。这种清洁方法之后通常进行特定清洗和干燥步骤，这使得过程相当复杂。另外，以该方式处理的表面对于金属杂质和微粒非常易起反应，这意味着必须采取特殊预防措施。因此不易于使该技术工业化。

存在其他疏水键合方法，例如，在氢氟酸(HF)蒸气中进行清洁或在超高真空(UHV)中进行退火。关于这个主题，可以参考M.J.Kim和R.W.Carpenter的文章：“Heterogeneous silicon integration by ultra-highvacuum wafer bonding”，Journal of Electrochemical Materials，Vol.32，No.8，2003。

上述方法的主要局限之一是难于对它们加以实施，特别是要求进行超高真空退火，而这需要使用昂贵的设备。

此外，上述亲水键合方法和疏水键合方法之后通常在200℃至1200℃的范围中进行热退火数小时(例如，2个小时)。遗憾的是，在200℃至1100℃的范围中进行退火之后，使用红外传输技术在接合界面中观察到气泡。这种脱气可能是由于对存在于接合界面处的种的解吸所导致的，而与键合是亲水还是疏水无关。

此外，在1100℃至1200℃的范围中进行退火之后，通过红外传输未必再能够观察到这些气泡。然而，不存在可见气泡并不意味着键合是完美的(即，呈现高的键合能)。关于这个主题，例如可以参考R.D.Horning和R.R.Martin的文章“Wafer-to-wafer bond characterization by defectdecoration etching”，Second International Symposium on SemiconductorWafer Bonding：Science Technology and Applications，PV 93-29，pp.199，1993。

有时候，通过使用声学显微镜技术，甚至可能在1100℃以上进行退火之后仍观察到缺陷。

可以通过在高于或等于1100℃的温度进行热处理来消除这些键合缺陷或防止它们出现。然而，取决于计划的后续应用，不总是可以构想在如此高的温度下进行热处理。有时甚至可能期望不超过200℃。

文献中描述了使得能够对在直接接合过程观察到的缺陷加以限制的方法。这些方法在于在接合之前在表面上创建沟槽或对表面进行解吸。然而，如以下文章所提及的，那些方法并不完全令人满意，该文章即R.H.Esser、K.D.Hobart和F.J.Kub的“Improved low temperature Si-Sihydrophilic wafer bonding”，Journal of the Electrochemical Society，150(3)，G228-G231(2003)。另外，这种具有沟槽的基板不总是适用在用于制造电子元件的某些应用中。

发明内容

本发明致力于消除现有技术的上述缺点。

本发明的具体目的是提供一种无需任何附加接合层而能够使两个基板彼此直接接合的方法，所述两个基板中的至少一个基板在其一个面上或该面附近包括有半导体材料层，并以令人满意的质量完成该直接接合，而不出现肉眼可见的诸如气泡的接合缺陷。

为此，本发明涉及一种直接接合用于电子学、光学或光电子学领域的应用中的两个基板的所谓“正”面的方法，所述两个基板中的至少一个被称作“包括半导体的基板”的基板包括在该基板的正面上或在该正面附近延伸的半导体材料层。

根据本发明，所述方法包括以下步骤：

至少使所述包括半导体的基板的所述正面、或者如果所述两个基板都包括半导体的话则使所述两个基板的正面中的至少一个正面，在包含氢气和/或氩气的气体环境中在900℃至1200℃范围内的温度下进行持续时间至少为30秒的被称作“接合前预备处理”的热处理；以及

将所述用于接合在一起的两个基板的各自的正面直接接合在一起。

该方法使得可以去除经处理的表面上存在的原生氧化物，并且还使得可以通过氢原子来钝化所述表面。

与现有技术相反的是，即使基板不具有绝缘层，或者即使基板确实具有绝缘层但绝缘层的厚度小于约50nm，使用所述方法也可以获得好的结果。

另外，所述接合前预备处理使得可以获得非常低的粗糙度级。已可以在扫描的2μm×2μm的样品上测量到0.7埃()的均方根(rms)粗糙度，而硅基板的表面通常呈现2量级的rms粗糙度，并且一般的接合前表面预备处理(例如，SC1型清洁)趋向使表面更加粗糙。

因此，本发明提供了将呈现非常小的粗糙度的表面相接触的附加优点。

根据本发明的其他有利且非限制性的特性，单独地或结合地给出如下：

所述接合前预备处理在排它地包含氩气或排它地包含氢气的气体环境中进行；

所述接合前预备处理在快速热退火(RTA)型室或在传统室或在外延生长室中进行；

所述直接接合紧随所述接合前预备处理之后执行；

在所述直接接合之前，将进行了所述接合前预备处理的基板暂时存放在受控的惰性气体环境下的室中；

在所述直接接合之后，在200℃至1200℃的范围内的温度下进行接合固结热处理约至少一小时，优选的是少于三小时；

接合用的两个基板都包括半导体，并且对所述两个基板的所述正面都进行所述接合前预备处理；以及

所述半导体材料是从(100)硅、(110)硅和(111)硅中选出的。

本发明还提供了一种适合于在电子学、光学或光电子学领域的应用中使用的混合基板的制造方法，所述制造方法包括以下步骤：

选择其一面被称作“正”面的所谓“受体”基板；

选择包括有转移用材料层、而其他部分被称作其“剩余部”的所谓“供体”基板，所述转移用层在所述供体基板的面中的被称作其“正”面的面上延伸；

所述受体基板和所述供体基板中的至少一个包括在其正面上或在该正面附近延伸的半导体材料层；

根据上述方法，将所述供体基板和所述受体基板的两个各自的正面进行直接接合；以及

从所述供体基板移除所述剩余部，以获得包括所述受体基板和所述转移层的所述混合基板。

根据其他有利特征，单独地或结合地给出如下：

所述供体基板和所述受体基板中的至少一个包括在所述半导体材料层上的绝缘材料层，并且所述绝缘材料层在所述基板的所述正面上延伸；

所述绝缘材料层的厚度小于或等于50nm；

所述绝缘材料层是原生氧化物层；

通过机械和/或化学减薄来移除所述供体基板的所述剩余部；

在所述直接接合之前，在所述供体基板内形成弱区，并且通过施加机械、化学和/或热应力来沿所述弱区移除所述供体基板的所述剩余部的至少一部分；

所述弱区是通过注入原子种而形成的，所述受体基板包括半导体材料层，并且仅对所述受体基板进行所述接合前预备处理；以及

所述弱区是多孔区。

附图说明

本发明的其他特性和优点将从以下参照附图给出的描述中变得显见，附图通过非限制性表示示出了一个可能的实施方式。

在附图中：

图1A至图1C示出了实施根据本发明的直接接合方法而制造混合基板的方法的多个步骤；以及

图2A至图2C、图3A至图3D及图4A至图4C分别示出了以上方法的三个变型实施方式。

具体实施方式

本发明涉及一种将供体基板直接接合在受体基板上的方法。

在附图中，受体基板标有标号1。其具有要与供体基板2相接触的所谓“正”面11，及相对的所谓“背”面12。

类似的是，供体基板2具有正面21和背面22。

供体基板2和受体基板1可以是单层或多层基板。

供体基板2和受体基板1中的至少一个包括半导体材料层。

换言之，它们中的一个可以由不是半导体材料的材料制成，例如绝缘体材料，诸如蓝宝石或氧化基板。

术语“它们中的至少一个包括半导体材料层”意味着两个基板1和2中的一个、或它们两个，在单层基板的情况下完全由半导体材料制成，或者在多层基板的情况下至少部分地是由半导体材料制成的。

对于多层基板，半导体材料层沿基板的正面(例如参见图2A)或在该正面附近(例如参见图4A)延伸。术语“在附近”意味着半导体材料层可以覆盖有厚度小于约10nm的第三绝缘(例如，氧化)层，或者甚至覆盖有厚度为数(1nm＝10)量级的非常细薄的绝缘层(例如，原生氧化物层)。

按类似的方式，单层半导体材料基板也可以被如以上段落所描述的绝缘层所覆盖。

所述半导体材料是一般经常用在微电子领域中的材料，即，例如(100)硅、(110)硅或(111)硅，其中，标号指定结晶类型。

本发明在于：在包含氢气和/或氮气(而没有氧气)的气体环境中在900℃至1200℃的范围内的温度下对接合用的面中的至少一个面(即，正面11和/或21中的至少一个)进行热处理。

当两个基板都包括半导体材料时，优选的是，对它们的正面中的每一个都进行该处理。

因此，可以对气体环境进行选择以使其：排它地包含氢气、或排它地包含氩气、或包含氢气和氩气两者的混合物、或者甚至它们中的与某些其他气体(除氧气之外)关联的一个或另一个。

处理的持续时间至少为30秒，而且优选的是，不超过数分钟(min)。

氢气和/或氩气的作用是用于去除在经处理的正面上可能存在的任何原生氧化物并利用氢原子钝化所述表面。其还用于获得非常小的表面粗糙度。

该接合前预备处理还具有使接合的表面疏水的效果。这已通过测量水滴的接触角进行了论证，该测量给出了80°的值。该值与在“HF last”型处理后获得的值(通常为70°)相比大得多，参见Y.Bcklünd、KarinHermasson、L.Smith的文章：“Bond-strength measurements related to siliconsurface hydrophilicity”，J.Electrochem.Soc.，Vol.1398，No.8，1992。

根据本发明的方法的优点在于表面上未吸收任何种。由于氢原子非常小，因此在其被解吸以创建相面对的正面11与12之间的共价键时，它们不会继续被捕获在界面处，而是扩散到材料中，由此不产生脱气缺陷。

另外，由于根据本发明的方法是干燥处理，这与例如上述“HF last”处理不同，因此由于根据本发明的方法无需进行干燥故而更易于实施。

根据本发明的方法可以在使得能够在受控的大气环境下进行高温退火的室中实施，这种室例如有单片快速热退火(RTA)型室或实际上是外延生长室。

还可以构想使用在其中成批地处理基板的传统室。

在上述表面处理之后，必须非常快速地进行接合，以将经处理的正面被周围大气污染的风险最小化。图1B、图2B、图3B和图4B中示出了该接合步骤。

接合界面标有标号3。

有利的是，还可以将经处理的基板存放在其中大气环境被控制为仅包含惰性气体(通常是氩气或氮气)的室中。这种处理使得可以延长在供体基板2和受体基板1被接合在一起之前的等待时间。

还应注意到，应用本发明的方法所制备的表面远比通过上述“HFlast”方法所制备的表面不易起反应，由此限制了这种表面的微粒污染。这使得工业化更加容易。

有利的是，在接合之后，如果期望完全固结界面，则还可以继续在位于200℃至1200℃的范围内(优选的是，在至少1100℃左右)的温度下进行预固结或固结热处理。

优选的是，该处理持续至少一小时并且优选地少于三小时，以加强接合。该预固结或固结步骤在不形成气泡的情况下进行，由此确保晶片的所有位置处都具有良好的接合能。

直接接合方法可以实施在混合基板的制造方法中。

混合基板的制造方法包括以下步骤：

选择以上指定类型的供体基板2和受体基板1；

进行根据上述直接接合方法的表面处理和接合步骤；以及

移除供体基板的一部分，以获得包括具有从接合到其的供体基板得到的转移层的受体基板1的混合基板。

参照图1A至图1C，可以看到从两者都是单层基板的供体基板2和受体基板1制备混合基板4的示例。

在根据本发明的表面处理以及接合之后，通过研磨和抛光型的机械减薄移除供体基板的被称作“剩余部”的部分以获得转移层20。

图2A至图2C示出了以下变型实施方式：其中，供体基板2包括弱区25。

在该示例中，弱区25是通过使用以名称SMART CUT^TM而知名的方法注入原子种(例如，氢离子)而获得的。弱区25将用于转移的层23与源基板2的剩余部24限定开。

在这种情况下，应注意的是，随后不能对供体基板进行上述接合前预备处理。本发明的热处理将带来使得在正面21处形成气泡的风险。仅对受体基板1进行这种处理。

基板1包括半导体材料(例如，硅)层13，并且在其表面上可以包括原生氧化物的细薄层。

可以使用上述“HF last”方法或某些使得能够获得疏水或亲水表面的其他技术来可选择地对源基板2进行处理。源基板可以在其正面上包括非半导体层(13)。

在图中未示出的变型实施方式中，该弱区25还可以是例如使用以商标ELTRAN而知名的方法获得的多孔层。

在对两个基板1和2进行表面处理和直接接合之后，根据在实施SMART CUT^TM方法中通常使用的技术，通过施加机械、化学和/或热型的应力来移除供体基板2的剩余部24。

如图2所示地获得包括半导体材料的层13和层23以及受体基板1的层14的混合基板5。

图3A至图3C示出了根据本发明的混合基板的另一实施例，其中，供体基板2是“绝缘体上半导体”型的基板。受体基板1与图1A中所描述的受体基板相同。

供体基板2包括两个半导体材料层26和272，以及绝缘层271。

在图3B中所示的接合步骤之后，按两个阶段移除剩余部27。

图3C中所示的第一步骤在于：通过研磨并接着抛光而机械地移除层272。

第二步骤在于：例如通过化学蚀刻来移除绝缘层271。

最终获得的基板包括转移层26接合到其的受体基板1，将它们整体标以标号6。

如上所述的用于移除源基板2的剩余部的各种技术也可以根据供体基板2的性质而结合地加以使用。

最后，下面参照图4A至图4C来描述本发明的第四变型实施方式。

受体基板1是单个层，并且不是半导体。

供体基板2与图2A的供体基板类似，只是图2A中的供体基板没有被绝缘层28所覆盖。

在根据本发明的接合前预备处理之后，在如上所述并在图4B中示出的接合步骤(以及可能的固结步骤)之后，并且在移除了剩余部24之后，获得混合基板7。

混合基板7包括受体基板1、转移绝缘体层28和半导体层23。

下面描述制造硅-硅混合基板的五个示例。

示例1，揭示原理

源基板2和受体基板1是具有(100)晶体取向且直径为300毫米(mm)的硅基板。

基板1和基板2都在包含100％氢气的大气环境中在1060℃的温度下进行了持续时间为3分钟的热处理。

该处理在外延生长室中进行。预先，使用臭氧+SC1溶液的浴来清洁这些基板，接着将它们在去离子水中进行清洗。

附加微粒的数量通过供应商KLA-Tencor提供的以商标Surfscan SP1销售的这种激光表面扫描设备来测量。该测量是在表面处理之前进行，并接着在接合之后进行。已发现，根据本发明的处理导致增加了少于50个尺寸为0.13μm以上的微粒。

然后对供体基板和受体基板的各自的正面进行直接接合。

在接近1100℃的温度下对所得堆叠物进行固结热处理2小时。

接合的质量是通过声学显微镜来测量的：未检测到接合缺陷。

比较示例1

通过与示例1中所执行的清洁相类似的清洁来制备硅晶片(基板)，然后对其进行“HF last”处理。

在接合之前，对尺寸为0.13μm以上的附加微粒的数量进行计数，并发现其超过800个。

在接合并在1100℃下固结退火2小时后，通过使用声学显微镜可观察到接合缺陷。

因此，根据本发明的方法更加有效，参见示例1。

示例2：分析多种类型的预固结或固结热退火之后的疏水接合

该过程与示例1中相同，只是接合步骤之后进行如下列出的多种不同的热退火步骤：

a)退火温度：200℃；持续时间2小时；

b)退火温度/持续时间：350℃持续2小时，接着以5℃/min的速率上升到500℃，接着在500℃的平台持续1小时；

c)退火温度/持续时间：与b)中的退火相同，只是升高到700℃的平台；以及

d)退火温度/持续时间：与b)中的退火相同，只是升高到900℃的平台。

在接合之后，分别在退火热处理之前和之后，使用声学显微镜观察基板。

都不存在任何气泡。

此外，通过在RTA型室中、在包含20％氢气和80％氧气的大气环境中、在1100℃下退火60秒来制备这些基板，其后，将这些基板进行接合并对其进行相同的固结退火。

观察到同样良好的结果，即，没有诸如气泡的接合缺陷。

示例3

该示例对应于以上示例的变型例，其中，供体基板2是SOI型基板，且其硅表面层构成转移用的层。分别通过抛光和氢氧化四甲基铵(TMAH)、以及使用氢氟酸(HF)进行化学蚀刻来移除硅层和二氧化硅层。获得被硅转移层所覆盖的受体基板1。

重复测试，并接着进行示例2中所提及的多种预固结或固结处理。

所获得的混合基板不存在任何气泡。

示例4

该示例构成示例1的变型例，其中，对源基板进行原子种的注入，以在其中形成弱区。

在这种情况下，可以在注入步骤之前对源基板进行氧化。氧化层可以由厚度为数纳米的原生氧化物构成，或者该氧化层可以自发地形成并达到接近50nm的厚度。

该注入步骤在于：注入剂量为5×10¹⁶H²/cm²、能量为60千电子伏(keV)的氢离子，使得氢浓度峰值位于由埋入的缺陷构成的弱区中。

如上所述，无需对供体基板进行根据本发明的处理。可以对其进行常规亲水或疏水表面处理，例如，上述RCA型处理。

对硅受体基板进行根据本发明的处理。

然后，使供体基板和受体基板通过它们各自的正面相接触，并且接着在200℃下对它们进行预固结处理。

通过施加热应力(即，在约400℃至约600℃的温度下进行持续时间为2小时至8小时的处理)或通过施加机械应力来除离源基板的剩余部。

由于最终基板的自由表面在沿弱区进行除离的过程中会轻微损伤，因此有利的是，接着对最终基板进行修整步骤。该修整步骤可以通过修平热处理、通过牺牲氧化和/或通过抛光来进行。

在接合界面处未观察到气泡。

为了提高接合的机械强度，可以提供对用于接触的一个表面或两个表面进行等离子激活的附加步骤。