用于静电力增强半导体接合的装置、系统及方法

摘要

本文描述微电子装置及制造方法的各种实施例。在一个实施例中，一种用于增强晶片接合的方法包含：将衬底组合件定位于单极静电卡盘上使其与电极直接接触；将导体电耦合到定位于所述第一衬底的顶部上的第二衬底；及施加电压到所述电极，由此在所述第一衬底与所述第二衬底之间创造电势差，所述电势差在所述第一衬底与所述第二衬底之间产生静电力。

说明书

技术领域

本技术涉及半导体装置、系统及方法。特定来说，本技术的一些实施例涉及用于增强半导体材料之间的接合的装置、系统及方法。

背景技术

在半导体制造中，存在用于向半导体衬底添加材料层的若干个工艺，其包含将材料层从一个半导体衬底转移到另一半导体衬底。此类包含用于形成绝缘体上硅(“SOI”)晶片、绝缘体上半导体金属(“SMOI”)晶片及多晶氮化铝上硅(“SOPAN”)晶片的方法。举例来说，图1A到1D是说明用于将硅材料从一个衬底转移到另一衬底的现有技术方法中的半导体组合件的部分示意横截面图。图1A说明包含基底材料104及在基底材料104上的氧化物材料102的第一衬底100。如图1B中所展示，接着将第二衬底120定位于第一衬底100上以用于接合(如箭头A所指示)。第二衬底120也包含硅材料124及在硅材料124上的氧化物材料122。将第二衬底120定位于第一衬底100上使得第一衬底氧化物材料102接触第二衬底氧化物材料122且形成氧化物-氧化物接合。硅材料124具有第一部分124a及由在第一部分124a的面向下表面下方选定距离处的剥落材料130所描绘的第二部分124b。剥落材料130可为(例如)氢、硼及/或其它剥落剂的植入区域。

图1C说明通过将第一衬底100接合到第二衬底120形成的半导体组合件。一旦衬底100、120接合，那么通过加热组合件使得剥落材料130切割硅材料124以从第二部分124b移除半导体材料124的第一部分124a。如图1D中所展示，第二部分124b保持附接到第一衬底100，且具有所要的厚度以用于在第二部分124b中及/或上形成半导体组件。可重新利用硅材料124的第一部分124a以对其它第一衬底供应硅材料的额外厚度。

将硅材料从一个衬底转移到另一衬底的一个挑战是：第一衬底与第二衬底之间的不良接合可极大地影响工艺的良率及成本。在转移过程中，“接合”大体上包含使两个镜面抛光的半导体衬底彼此粘附而无需施加任何宏观粘合层或外力。在层转移过程期间及/或之后，不良接合可在两个接合衬底表面之间造成空隙、岛状物或其它缺陷。举例来说，某些材料的材料性质可导致不良接合，例如具有SMOI的金属的硅或具有SOPAN的硅的聚氮化铝表面。

常规接合过程还包含在一段时间内施加外部机械力(例如，重量或压缩力)到第一及第二衬底。除增加时间、增加成本及减少处理量外，使用外力的接合过程遭受若干个缺点。第一，施加在第二衬底上的向下力未均匀分布且可在衬底中造成缺陷或甚至使一或两个衬底破损。第二，因为力未均匀分布，所以在具有最高力集中度的区域中，所施加的机械力的量值被限制于最大允许力，这意味着衬底的其它区域不经历最大力。第三，使用外部机械力可污染半导体组合件。最后，一些半导体装置可因为由现有化学机械平坦化处理引起的凹形化而在底层表面构形中具有大凹陷，从而使氧化物层难以彼此接合。

附图说明

参考下列图式可更好地理解本技术的许多方面。图式中的组件不一定是按比例的。相反，重点在于清晰地说明本技术的原理。

图1A到1D是根据现有技术的用于转移及接合半导体层的方法中的各个阶段的示意横截面图。

图2A是根据本技术配置的接合系统的示意横截面图。

图2B是支撑半导体组合件的图2A中的接合系统的示意横截面图。

图3是根据本技术的另一实施例配置的接合系统的示意横截面图。

具体实施方式

下文参考用于增强衬底到衬底接合的工艺描述本技术的若干个实施例。下文参考半导体装置及衬底描述某些实施例的许多细节。全文使用术语“半导体装置”、“半导体衬底”或“衬底”以包含多种制品，其包含(例如)具有适用于半导体制造工艺的形状因子的其它材料的半导体晶片或衬底。可使用下文所描述的工艺的若干者以改进衬底上及/或之间的接合。

图2A到3是根据本技术的实施例的增强接合系统及方法的部分示意横截面图。在下列描述中，共同动作及结构由相同的元件符号识别。尽管图2A到3中所说明的处理操作及相关联结构涉及基于SOI的转移，但在某些实施例中，可使用工艺以增强基于其它材料的转移层方法(例如基于SMOI的转移、基于SOPAN的转移及类似者)中的接合。

图2A是隔离接合系统300(“系统300”)的一个实施例的横截面侧视图，且图2B是支撑衬底组合件307的系统300的横截面侧视图。如图2B中所展示，衬底组合件307包含第一衬底303(例如，处置衬底)及在处置衬底303上的第二衬底305(例如，供体衬底)。第一衬底303可具有基底材料306及第一氧化物层308，且第二衬底305可包含半导体材料310及第二氧化物层309。基底材料306可为绝缘体、多晶硅氮化铝、半导体材料(例如，硅(1,0,0)、碳化硅等等)、金属或另一合适的材料。半导体材料310可包含(例如)硅晶片，所述硅晶片由硅(1,1,1)或尤其适用于外延形成半导体组件或其它类型的组件的其它半导体材料制成。在其它实施例中，仅第一衬底303或第二衬底305中的一者可包含氧化物层。另外，可相对于图2B中所展示的定向将第一衬底303及第二衬底305的定向反转。

如图2B中所展示，可将第二衬底305定位于第一衬底303上使得第二衬底305的第二氧化物层309接触第一衬底303的第一氧化物层308。因而，第一氧化物层308及第二氧化物层309所共享的接触表面在第一衬底303与第二衬底305之间形成接合界面322。另外，第一氧化物层308及第二氧化物层309在第一衬底303与第二衬底305之间形成电介质屏障320。电介质屏障320可具有大约1nm与大约20μm之间的厚度d。在特定实施例中，电介质屏障320可具有大约1μm与大约10μm之间的厚度d。

一起参考图2A及2B，系统300可包含具有电极304、导体312及电力供应器314的单极静电卡盘(ESC)301。在一些实施例中，ESC 301包含承载电极304的电介质基底302。电极304可包含经配置以接纳第一衬底303及/或衬底组合件307的支撑表面316。电力供应器341耦合到电极304且经配置以将电压供应到电极304，且导体312电耦合到接地源G。可将衬底组合件307定位于电极304的支撑表面316上，且导体312可接触衬底组合件307与电介质屏障320相对的部分。在图2B中所展示的实施例中，第一衬底303接触电极304且第二衬底305接触导体312。

导体312可为经由连接器318连接到接地源G的单个接触引脚或垫。导体312可经配置以啮合衬底组合件307背对ESC 301的表面的全部或一部分。举例来说，如图2B中所展示，导体312可为覆盖第二衬底305的表面的仅一部分的垫，且可将导体312定位于第二衬底305的中心处。在其它实施例中，导体312可接触第二衬底305的任何其它部分，且/或导体312可具有与第二衬底相同的尺寸(以虚线展示)。尽管在图2B中所展示的实施例中，导体312包含仅单个接触垫，但在其它实施例中，导体312可具有以跨越第二衬底305提供所要电流分布的模式配置的多个引脚、垫或其它导电特征。在其它实施例中，导体312可具有任何尺寸、形状及/或配置，例如同心环、多边形垫阵列等等。

不同于常规ESC，本技术的ESC 301不具有将电极304与第一衬底303及/或衬底组合件307分隔的电介质层。换句话来说，当第一衬底303在支撑表面316上时，第一衬底303直接接触电极304而没有附接到电极304的支撑表面316的电介质材料。尽管在一些情况下，第一衬底303的底部表面可包含原生氧化物膜，但所述膜非常薄(例如，10到)且因此在电极304与第一衬底303之间提供可忽略的电阻。因此，施加到电极304的电压直接传到第一衬底303。因为第一衬底303直接接触电极304且具有可忽略的内部电阻，所以常规的双极或多极ESC不可与系统300一起使用，这是因为第一衬底将在电极之间提供直接电连接且使系统短路。

在操作中，将第一衬底303定位于支撑表面316上使其与电极304直接电接触。如果仍未将第二衬底305定位于第一衬底303上，那么可手动地或由机器人将第二衬底305放置于第一衬底303上。举例来说，如图2B中所展示，连接器318可呈可支撑第二衬底305且在第一衬底303上移动第二衬底305的导电机器人臂的形式。机器人臂在一个端可包含负压源(未展示)，其啮合且固持第二衬底305直到实现所要的定位。

一旦第二衬底305在与第一衬底303接合的适当位置中，那么可将导体312放置成与第二衬底305接触。接着激活电力供应器314以施加电压到电极304。如先前所论述，第一衬底303作为电极304的延续操作，这是因为第一衬底303直接接触电极304而在两者之间无电介质材料。因此，电荷在第一衬底303的顶部表面303a上或附近积累，由此引起相反的电荷在第二衬底305的底部表面305a上或附近积累。因此，跨越电介质屏障320在第一衬底303与第二衬底305之间建立电势。所述电势创造将第二衬底305拉向第一衬底303且增强第一衬底303与第二衬底305之间的接合的静电力F。

由系统300所产生的静电力F显著大于常规系统的静电力，这是因为其改进与第一衬底的电接触且减小第一衬底303与第二衬底305之间的电介质距离。静电力F的量值可由下列方程式(1)确定：

(1)其中

k为电介质常数；

d为电介质层厚度；及

V为所施加的电压。

如方程式(1)所指示，电介质层厚度d越小及/或所施加的电压V越大，静电力F越大。因而，可通过调整所施加的电压V及/或电介质层厚度d控制静电力F的量值。在一些实施例中，系统300可包含通过调整所施加的电压V自动控制静电力F的量值、持续时间及/或时序的控制器(未展示)。

相比于施加外部机械力的用于增强衬底接合的常规方法，预期系统300及相关联的方法会提供若干个优势。第一，由系统300实现的静电力F的量值显著大于由常规机械力应用所施加的压缩力。通过实例，在6英寸晶片上，机械力产生装置可施加100kN的最大力，而当前系统可产生大于200kN的静电力F。此外，与常规方法及系统相比，系统300可跨越衬底303、305均匀地分布静电力F。如由上文方程式(1)所证明，静电力F的量值仅取决于两个变量：所施加的电压V及电介质层厚度d。跨越衬底303、305的横截面区域，所施加的电压V及电介质层厚度d两者本质上恒定。另外，在利用机械压缩力的常规方法中，将需使处置衬底及/或衬底组合件从一个机器移动到下一机器及/或将需使力产生机器移动到处置衬底及/或衬底组合件附近。然而，本系统不需要机器或衬底的任何移动且可通过调整所施加的电压实现增强接合。因而，本技术的系统300可以更低成本及更高处理量操作。

图3是根据本技术配置的接合系统400(“系统400”)的另一实施例的横截面侧视图。第一衬底403、第二衬底405及ESC 401可大体上与图2A及2B中所描述的第一衬底303、第二衬底305及ESC 301类似，且相似元件符号指代所述组件。然而，替代具有如图3中所展示的呈导电引脚或垫形式的导体，系统400包含等离子源424、填充有界定电耦合到等离子气体P的导体423的等离子气体P的等离子腔室422。等离子气体P导电使得等离子气体P也为导体。导体423(例如)可经由电元件412(例如，天线、电极等等)电连接到接地源G。如图3中所展示，等离子腔室422围绕第二衬底405的至少一部分延伸。因而，第一衬底403及/或电极404与等离子腔室422电隔离。

等离子气体P可为稀有、易离子化的等离子气体，例如氩气(Ar)、氦气(He)、氮气(N₂)及其它气体。等离子源424可为电感耦合等离子(“ICP”)源、微波、射频(“RF”)源及/或其它合适的源。主体中的等离子气体用作虚拟导体。当将等离子气体P释放到等离子腔室422中时，等离子气体P使第二衬底405充电。电力供应器414的激活跨越电介质屏障420创造电势差，由此在衬底403、405之间产生静电力F。

在一些实施例中，系统400还可包含连接到等离子腔室422的真空源426，真空源426向下吸取等离子气体。系统400还可包含通常与真空腔室系统相关联的额外特征，例如电力调节器(例如，整流器、滤波器等等)、压力传感器及/或其它合适的机械/电子组件。

相比于常规系统，系统400提供若干个优势，其包含上文参考系统300所论述的所述优势。另外，系统400可减少污染，这是因为在加压、密封等离子腔室422中实施增强接合。

上文所描述的系统及方法的任一者可包含用于加速衬底处理的额外特征。举例来说，上文系统的任一者可包含用于自动化接合及/或层转移过程的一或多个特征，例如用于从系统加载及卸载衬底的顶升引脚及/或机器人转移臂。

由上所述，将了解本文已出于说明的目的描述本发明的特定实施例，但在不偏离本发明的范围的情况下，可进行各种修改。因此，仅由随附权利要求书限制本发明。