永久結(jié)合晶圓的方法及裝置與流程

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導(dǎo)航： X技術(shù)> 最新專利>電氣元件制品的制造及其應(yīng)用技術(shù)

本申請是申請?zhí)枮?01280074902.9、申請日為2012-07-24、發(fā)明名稱為“永久結(jié)合晶圓的方法及裝置”的發(fā)明專利申請的分案申請。

本發(fā)明涉及一種使第一襯底的第一接觸面與第二襯底的第二接觸面結(jié)合的方法及裝置。

背景技術(shù)：

襯底永久或不可逆結(jié)合的目的為產(chǎn)生盡可能強(qiáng)且尤其盡可能不可逆的互連，因此要在襯底的兩個(gè)接觸面之間產(chǎn)生高結(jié)合力。在現(xiàn)有技術(shù)中，存在用于此目的的各種途徑及生產(chǎn)方法。

迄今為止遵循的已知生產(chǎn)方法及途徑通常產(chǎn)生不可再生或再生可能不佳且?guī)缀醪荒芴貏e應(yīng)用于改變的條件的結(jié)果。具體來說，目前使用的生產(chǎn)方法通常使用高溫(尤其>400°c)以便確保可重復(fù)結(jié)果。

諸如高能量消耗及襯底上存在的結(jié)構(gòu)可能發(fā)生破壞的技術(shù)問題是因迄今為止高結(jié)合力所必需的在某種程度上遠(yuǎn)高于300°c的高溫產(chǎn)生。

其它需求為以下：

-前段工序兼容性。

此定義為在生產(chǎn)主動(dòng)式電子組件期間的過程兼容性。因此結(jié)合過程必須經(jīng)設(shè)計(jì)以使得已存在于結(jié)構(gòu)晶圓上的主動(dòng)式組件(諸如晶體管)在加工期間既不會(huì)受不利影響，亦不會(huì)被損壞。兼容性準(zhǔn)則主要包括某些化學(xué)元素（主要存在于cmos結(jié)構(gòu)中）的純度及主要受熱應(yīng)力影響的機(jī)械負(fù)載能力。

-低污染。

-不施加力。

-溫度盡可能低，尤其對于具有不同熱膨脹系數(shù)的材料。

結(jié)合力的降低使得處理結(jié)構(gòu)晶圓更謹(jǐn)慎且從而降低由直接機(jī)械負(fù)載導(dǎo)致的故障機(jī)率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

因此本發(fā)明的目的為設(shè)計(jì)一種在盡可能低的溫度下節(jié)約地產(chǎn)生同時(shí)以盡可能高的結(jié)合力永久結(jié)合的方法及裝置。

此目的通過如下所述的方案達(dá)成。本發(fā)明的有利擴(kuò)展方案在本申請其它公開內(nèi)容中給出。本申請中給出的特征中的至少兩者的所有組合亦屬于本發(fā)明的構(gòu)架內(nèi)。在值范圍給定的情況下，位于指示界限內(nèi)的值亦應(yīng)被視為作為邊界值而公開且將以任何組合要求保護(hù)。根據(jù)本發(fā)明的一種使第一襯底的第一接觸面與第二襯底的第二接觸面結(jié)合的方法，其中所述第二襯底具有最少一個(gè)反應(yīng)層，所述方法具有以下流程：

-將所述襯底容納于等離子體腔室中或容納于連接至等離子體腔室的襯底腔室中，其中所述離子體腔室具有至少兩個(gè)能在不同頻率下操作，尤其是在不同頻率下操作以產(chǎn)生等離子體的發(fā)生器，

-通過將在所述離子體腔室中產(chǎn)生的等離子體施加于所述第一接觸面而在該第一接觸面上的儲存器形成層中形成儲存器，

-用第一離析劑或第一組離析劑至少部分填充所述儲存器，

-使所述第一接觸面與所述第二接觸面接觸以形成預(yù)結(jié)合連接，

-通過使所述第一離析劑與所述第二襯底的反應(yīng)層中所含的第二離析劑反應(yīng)來至少部分增強(qiáng)所述第一與第二接觸面之間永久結(jié)合的形成。

所述的方法中所述第一頻率是在1mhz與100mhz之間或所述第二頻率是在在10khz與100mhz之間。填在所述儲存器中的所述第一離析劑與用于形成所述永久結(jié)合的所述第二離析劑反應(yīng)。所述第一離析劑與所述第二離析劑的反應(yīng)將所述第一與第二接觸面之間的至少一個(gè)間隙至少部分地閉合。

根據(jù)本發(fā)明的一種使第一襯底的第一接觸面與第二襯底的第二接觸面結(jié)合的方法，其中所述第二襯底具有最少一個(gè)反應(yīng)層，所述方法具有以下流程：

-將所述襯底容納于電感耦合的等離子體腔室中，

-通過對所述第一接觸面施加借助于線圈的電感耦合所產(chǎn)生的等離子體而在所述第一接觸面上的儲存器形成層中形成儲存器，其中在等離子體產(chǎn)生期間在第一發(fā)生器上施加不同于第二發(fā)生器的第二頻率的第一頻率，

-用第一離析劑或第一組離析劑至少部分填充所述儲存器，

-使所述第一接觸面與所述第二接觸面接觸以形成預(yù)結(jié)合連接，

所述的方法中所述儲存器包括孔隙率在納米范圍內(nèi)的多孔層或具有通道的層，其中通道厚度小于10nm。至少部分填充所述儲存器包括通過用含有第一離析劑的流體沖洗來填充所述儲存器，所述第一離析劑包括h2o、h2o2和nh4oh中的至少一種。

根據(jù)本發(fā)明的一種使第一襯底的第一接觸面與第二襯底的第二接觸面結(jié)合的裝置，其中所述第二襯底具有最少一個(gè)反應(yīng)層，所述裝置具有以下特征：

-結(jié)合腔室，

-第一電極及布置在相對側(cè)的第二電極，

-容納部件，其在所述第一電極與所述第二電極之間用于容納所述襯底，

-儲存器形成部件，其用于通過對所述第一接觸面施加借助于所述電極的電容耦合所產(chǎn)生的等離子體而在所述第一接觸面上的儲存器形成層中形成儲存器，其中在所述離子體產(chǎn)生期間能在所述第一電極上施加不同于所述第二電極的第二頻率的第一頻率，

-用于使所述第一接觸面與所述第二接觸面接觸以形成預(yù)結(jié)合連接的部件。

所述的裝置中所述第一頻率是在1mhz與100mhz之間或所述第二頻率是在在10khz與100mhz之間。

-結(jié)合腔室，

-線圈，

-用于容納所述襯底的容納部件，

-儲存器形成部件，用于通過對所述第一接觸面施加借助于第一和第二發(fā)生器的電感耦合所產(chǎn)生的等離子體而在所述第一接觸面上的儲存器形成層中形成儲存器，其中在所述等離子體產(chǎn)生期間能在所述第一發(fā)生器上施加不同于所述第二發(fā)生器的第二頻率的第一頻率，

-用于使所述第一接觸面與所述第二接觸面接觸以形成預(yù)結(jié)合連接的部件。

所述的裝置中所述儲存器包括孔隙率在納米范圍內(nèi)的多孔層或具有通道的層，其中通道厚度小于10nm。所述裝置包括形成儲存器的腔室、分開提供的用以填充所述儲存器的腔室。

-用于產(chǎn)生等離子體的等離子體腔室，所述等離子體腔室具有用于產(chǎn)生所述等離子體的至少兩個(gè)能在不同頻率下操作、尤其是在不同頻率下操作的發(fā)生器，

-連接至所述等離子體腔室的結(jié)合腔室，

-儲存器形成部件，用于通過對所述第一接觸面施加在所述等離子體腔室中產(chǎn)生的等離子體而在所述第一接觸面上的儲存器形成層中形成儲存器，

-用于使所述第一接觸面與所述第二接觸面接觸以形成預(yù)結(jié)合連接的部件。

所述裝置包括形成儲存器的腔室、分開提供的用以填充所述儲存器的腔室。

本發(fā)明的基本思想為使用電容耦合的等離子體或電感耦合的等離子體或來自遠(yuǎn)程等離子體裝置產(chǎn)生等離子體，使用等離子體形成于襯底中容納第一離析劑的儲存器，該離析劑在使襯底之間接觸或產(chǎn)生暫時(shí)結(jié)合之后與存在于其它襯底中的第二離析劑反應(yīng)，且從而形成襯底之間的不可逆或永久結(jié)合。在第一接觸面上的儲存器形成層中形成儲存器之前或之后，一般清潔該一個(gè)或多個(gè)襯底，尤其通過沖洗步驟清潔。此清潔一般應(yīng)確保在表面上不存在會(huì)導(dǎo)致未結(jié)合位點(diǎn)的粒子。儲存器及儲存器中所含有的離析劑在技術(shù)上創(chuàng)造該可能，在接觸面上在產(chǎn)生暫時(shí)或可逆結(jié)合之后以專門方式直接誘導(dǎo)反應(yīng)(第一離析劑或第一組離析劑與第二離析劑或第二組離析劑），該反應(yīng)提高結(jié)合速度且增強(qiáng)永久結(jié)合，尤其通過經(jīng)該反應(yīng)使至少一個(gè)接觸面、優(yōu)選儲存器對面的接觸面發(fā)生變形。如本發(fā)明所主張，在相對的第二接觸面上設(shè)置發(fā)生如本發(fā)明所主張的變形且第一離析劑(或第一組第一離析劑)與第二襯底的反應(yīng)層中存在的第二離析劑(或第二組離析劑)反應(yīng)的生長層。為加速第一離析劑(或第一組離析劑)與第二離析劑(或第二組離析劑)之間的反應(yīng)，如本發(fā)明中的有利實(shí)施例中所主張，提供位于第二襯底的反應(yīng)層與儲存器之間、在接觸襯底之前薄化的生長層，因?yàn)橐源朔绞椒磻?yīng)搭配物之間的距離會(huì)以可調(diào)方式減小且同時(shí)促進(jìn)如本發(fā)明所主張的生長層的變形/形成。通過薄化至少部分，尤其大部分，優(yōu)選完全地移除生長層。即使已完全移除生長層，亦可在第一離析劑與第二離析劑的反應(yīng)中再次生長生長層。薄化此生長層可如本發(fā)明所主張，尤其借助于蝕刻（尤其干式蝕刻）、拋光、濺鍍或還原氧化物來進(jìn)行。優(yōu)選可以設(shè)想這個(gè)方法，尤其濺鍍與氧化物還原的組合。

如本發(fā)明中所主張，可存在用于在接觸面接觸之前尤其通過鈍化第二襯底的反應(yīng)層，優(yōu)選通過施加以n2、成形氣體或惰性大氣或在真空下或通過非晶形化而抑制生長層的生長的部件。在這個(gè)方面，通過含有成形氣體，尤其主要由成形氣體組成的等離子體的處理已證明為尤其合適的。此處，成形氣體定義為含有至少2%、優(yōu)選4%、理想地10%或15%的氫氣的氣體?；旌衔锏氖Ｓ嗖糠钟芍T如氮?dú)饣驓鍤獾亩栊詺怏w組成。

當(dāng)使用成形氣體時(shí)，尤其可通過基于濺鍍及氧化物還原的方法薄化氧化層。

備選地或附加地，如本發(fā)明所主張，最小化薄化與進(jìn)行接觸之間的時(shí)間為有利的，尤其<2小時(shí)、優(yōu)選<30分鐘、甚至更優(yōu)選<15分鐘、理想地<5分鐘。因此，可最小化在薄化之后發(fā)生的氧化物生長。

離析劑通過生長層的擴(kuò)散速率由生長層增加，該生長層已薄化且因此至少在永久結(jié)合形成開始時(shí)或在反應(yīng)開始時(shí)極其薄。由此導(dǎo)致在相同溫度下離析劑的傳輸時(shí)間較短。

對于預(yù)結(jié)合步驟而言，為產(chǎn)生襯底之間的暫時(shí)或可逆結(jié)合，存在各種可能性以達(dá)到在襯底的接觸面之間產(chǎn)生弱相互作用的目的。預(yù)結(jié)合強(qiáng)度至少為永久結(jié)合強(qiáng)度的1/2至1/3、尤其1/5、優(yōu)選1/15、又更優(yōu)選1/25。作為基準(zhǔn)值，提及具有約100mj/m²的非活化親水化純硅及具有約200-300mj/m²的純等離子體活化親水化硅的預(yù)結(jié)合強(qiáng)度。分子潤濕襯底之間的預(yù)結(jié)合主要?dú)w因于不同晶圓側(cè)的分子之間的凡得瓦爾相互作用（van-der-waalswechselwirkungen)而出現(xiàn)。與之相應(yīng)地，主要具有永久偶極矩的分子適用于實(shí)現(xiàn)晶圓之間的預(yù)結(jié)合。提及以下化合物作為互連劑，例如(但不限于）：

-水

-硫醇

-ap3000

-硅烷及/或

-硅烷醇。

如本發(fā)明所主張，適當(dāng)襯底為材料能夠作為離析劑與另一所提供離析劑反應(yīng)以形成具有較高摩爾體積的產(chǎn)物的襯底，作為該反應(yīng)的結(jié)果致使在襯底上形成生長層。以下組合尤其有利，其中在箭頭的左側(cè)指定離析劑且在箭頭的右側(cè)指定該一個(gè)或多個(gè)產(chǎn)物，而與離析劑反應(yīng)的所提供離析劑或副產(chǎn)物不詳細(xì)指定：

此外，設(shè)想以下混合形式的半導(dǎo)體為襯底：

如本發(fā)明所主張，在至少一個(gè)晶圓上且直接在各自接觸面上，存在儲存器(或若干儲存器），用于體積膨脹反應(yīng)的一定量的至少一種所提供離析劑可儲存于儲存器中。因此，離析劑可為例如o2、o3、h2o、n2、nh3、h2o2等。歸因于尤其由氧化物生長支配的膨脹，基于反應(yīng)搭配物減少系統(tǒng)能量的期望，使接觸面之間的可能間隙、孔隙及腔室減至最小，且結(jié)合力因此通過使這個(gè)區(qū)中的襯底之間的距離變窄而增加。在最佳可能狀況下，將現(xiàn)有間隙、孔隙及腔室完全閉合以便使整個(gè)結(jié)合區(qū)域增加且因此如本發(fā)明所主張的結(jié)合力相應(yīng)地上升。

接觸面通常展示二次粗糙度(rq)為0.2nm的粗糙度。此情況與1nm范圍內(nèi)的表面的峰間（scheitel-scheitel）值對應(yīng)。此等實(shí)驗(yàn)值由原子力顯微術(shù)(afm)測定。

如本發(fā)明所主張，對于具有1個(gè)單層(ml)水的直徑為200mm至300mm的圓形晶圓的標(biāo)準(zhǔn)晶圓表面，該反應(yīng)適用于允許生長層生長0.1至0.3nm。

如本發(fā)明所主張，因此尤其規(guī)定儲存器中儲存至少2個(gè)ml、優(yōu)選至少5個(gè)ml、甚至更優(yōu)選至少10個(gè)ml的流體(尤其為水）。

通過施加等離子體形成儲存器尤其優(yōu)選，因?yàn)榈入x子體施加此外會(huì)促使接觸面平滑及親水化作為協(xié)同效應(yīng)。表面主要通過儲存器形成層及可能的反應(yīng)層的材料的黏性流通過等離子體活化而平滑。親水性尤其通過增加硅羥基化合物而增加，優(yōu)選通過表面上存在的si-o化合物(諸如si-o-si)的裂解，尤其根據(jù)以下反應(yīng)：

另一副效應(yīng)(尤其作為上述效應(yīng)的結(jié)果）為預(yù)結(jié)合強(qiáng)度提高尤其2至3倍。

第一襯底的第一接觸面上的儲存器形成層（及視情況存在的第二襯底的第二接觸面上的儲存器形成層）中的儲存器例如通過已涂有熱氧化物的第一襯底的等離子體活化形成。等離子體活化是在真空腔室中進(jìn)行以便能夠設(shè)定等離子體所需的條件。如本發(fā)明所主張，等離子體放電是使用離子能在0至2000ev（幅度）范圍內(nèi)的n2氣體、o2氣體或氬氣，從而產(chǎn)生經(jīng)處理表面(在此狀況下為第一接觸面)的深度至多20nm、優(yōu)選至多15nm、更優(yōu)選至多10nm、最優(yōu)選至多5nm的儲存器。

通過設(shè)定真空腔室中的某個(gè)壓力，可以可設(shè)想的方式影響或設(shè)定等離子體離子的平均自由行程長度，如本發(fā)明所主張。

該一個(gè)或多個(gè)接觸面上產(chǎn)生儲存器的可再生結(jié)果可通過本發(fā)明的在相對電極上使用兩種不同頻率產(chǎn)生等離子體來產(chǎn)生，該電極尤其經(jīng)由施加交流電流或交流電壓及/或通過使用電感耦合的等離子體源及/或遠(yuǎn)程等離子體來加速等離子體離子。

在電容耦合的情況下，若電極布置在等離子體腔室內(nèi)，則為有益的。

此處，接觸面的最佳安置及因此產(chǎn)生尤其在體積及/或深度方面經(jīng)精確界定的儲存器是通過設(shè)定(不同)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)：電極的頻率、振幅，尤其，完全優(yōu)選地為施加于第二電極上的偏壓及腔室壓力。

運(yùn)作如電容耦合的倍頻等離子體裝置的等離子體活化裝置宜能分開設(shè)定離子密度及加速離子達(dá)到晶圓表面上。因此可得到的過程結(jié)果可設(shè)定在寬窗口內(nèi)且可與應(yīng)用需求最佳相配。

偏壓，尤其呈第二電極、尤其下電極的基極電壓形式的偏壓，是用于影響電極對容納于第二電極上的襯底的接觸面的沖擊(速度），尤其使其減弱或加速。

具體來說，儲存器中的孔隙密度分布通過前述參數(shù)（其中尤其下文所述的有利實(shí)施例）而可調(diào)。

在電感耦合的等離子體源中，可采用關(guān)于與用以產(chǎn)生磁場的交流電流電容耦合的交流電壓的相應(yīng)類似考慮。如本發(fā)明所主張，可設(shè)想通過變化強(qiáng)度及/或頻率的交流電流或交變磁場操縱電感耦合的等離子體源的等離子體，以便等離子體具有如本發(fā)明所主張的相應(yīng)特性。

在遠(yuǎn)程等離子體中，實(shí)際上使用的等離子體是在外部來源中產(chǎn)生且引入樣本空間中。具體來說，將這個(gè)離子體的組分（尤其離子）傳輸至樣本空間中。等離子體自源空間通入襯底空間中可通過不同組件來確保，諸如鎖、加速器、磁性及/或電透鏡、膜片等。就電場及/或磁場的頻率及/或強(qiáng)度而言，適用于電容及/或電感耦合的等離子體的所有考慮將適用于確保等離子體產(chǎn)生及/或等離子體自源空間通人襯底空間中的所有組件。舉例而言，可設(shè)想等離子體在源空間中通過如本發(fā)明所主張的參數(shù)、通過電容或電感耦合產(chǎn)生且之后經(jīng)前述組件滲入襯底空間中。

如本發(fā)明所主張，可使用適用于產(chǎn)生儲存器的任何粒子類型(原子及/或分子）。優(yōu)選使用產(chǎn)生具有所要特性的儲存器的那些原子及/或分子。相關(guān)特性主要為孔隙大小、孔隙分布及孔隙密度?；蛘?，如本發(fā)明所主張，可使用氣體混合物，諸如空氣或由95%的ar及5%的h2組成的成形氣體。視所用氣體而定，在儲存器中在等離子體處理期間尤其存在以下離子：n+、n2+、o+、o2+、ar+。第一離析劑可容納于該一個(gè)或多個(gè)儲存器的未占用的自由空間中。儲存器形成層及因此儲存器可延伸至反應(yīng)層中。

有利地在此存在可與反應(yīng)層反應(yīng)且至少部分、優(yōu)選大部分由第一離析劑組成的不同類型的等離子體物質(zhì)。就第二離析劑為si/si而言，ox等離子體物質(zhì)為有利的。

儲存器基于以下考慮形成：孔隙大小小于10nm、優(yōu)選小于5nm、更優(yōu)選小于1nm、甚至更優(yōu)選小于0.5nm、最優(yōu)選小于0.2nm。

孔隙密度優(yōu)選與通過沖擊作用產(chǎn)生孔隙的粒子的密度成正比，最佳可甚至由于沖擊物質(zhì)的分壓而變化，且取決于處理時(shí)間及尤其所用等離子體系統(tǒng)的參數(shù)。

孔隙分布優(yōu)選在表面下方具有至少一個(gè)最大孔隙密集度的區(qū)，此是通過迭加至優(yōu)選平臺形區(qū)（見圖8)中的若干這樣的區(qū)的參數(shù)的變化達(dá)成。孔隙分布隨厚度增加降至零。在轟擊期間在表面附近的區(qū)域具有與表面附近的孔隙密度幾乎相同的孔隙密度。在等離子體處理結(jié)束之后，由于應(yīng)力松弛機(jī)制，表面上的孔隙密度可降低。在厚度方向上的孔隙分布相對于表面具有陡峭側(cè)翼且相對于塊體具有較為平坦但持續(xù)降低的側(cè)翼(見圖8)。

對于孔隙大小、孔隙分布及孔隙密度，類似考慮應(yīng)用于未通過等離子體產(chǎn)生的所有方法。

可通過控制使用及組合過程參數(shù)來設(shè)計(jì)儲存器。圖8展示通過等離子體注入的氮原子的濃度隨氧化硅層中的穿透深度而變的圖示。有可能通過改變該物理參數(shù)產(chǎn)生兩個(gè)曲線。第一曲線11是由氧化硅中較深處的加速得較快的原子產(chǎn)生，相反，曲線12是在改變過程參數(shù)之后在較低密度下產(chǎn)生。兩個(gè)曲線的迭加產(chǎn)生儲存器所特有的總和曲線13。注入原子及/或分子物質(zhì)的濃度之間的關(guān)系為明顯的。較高濃度指示具有較高缺陷結(jié)構(gòu)的區(qū)域，因此有更多空間容納后續(xù)離析劑。在等離子體活化期間尤其以專門方式控制的過程參數(shù)的連續(xù)變化可使儲存器達(dá)成所添加離子在深度上盡可能均勻分布。

作為通過等離子體產(chǎn)生的儲存器的替代方案，設(shè)想在至少一個(gè)襯底、至少第一襯底上使用teos(正硅酸四乙酯）氧化物層作為儲存器。此氧化物的密度一般低于熱氧化物，由此如本發(fā)明所主張，壓緊為有利的。壓緊通過熱處理發(fā)生以達(dá)到設(shè)定所定義的儲存器孔隙率的目的。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，填充儲存器可尤其有利地與通過將儲存器作為涂層涂覆至第一襯底而形成儲存器同時(shí)發(fā)生，其中該涂層已包含第一離析劑。

可將儲存器設(shè)想為具有孔隙率在納米范圍內(nèi)的多孔層或具有通道的層，其中通道厚度小于10nm、更優(yōu)選小于5nm、甚至更優(yōu)選小于2nm、最優(yōu)選小于1nm、尤其最優(yōu)選小于0.5nm。

對于用第一離析劑或第一組離析劑填充儲存器的步驟，如本發(fā)明所主張，可設(shè)想以下實(shí)施例(亦為組合）：

-將儲存器暴露于環(huán)境大氣，

-通過尤其去離子水沖洗，

-通過含有離析劑(尤其為h2o、h2o2、nh4oh)或由離析劑組成的流體沖洗，

-使儲存器暴露于任何氣體環(huán)境，尤其原子氣體、分子氣體、氣體混合物，

-將儲存器暴露于含有水蒸氣或含有過氧化氫蒸氣的環(huán)境，及

-將已填充有離析劑的儲存器作為儲存器形成層沉積沉積于第一襯底。

以下化合物可作為離析劑：ox⁺、o2、o3、n2、nh3、h2o、h2o2及/或nh4oh。

上述過氧化氫蒸氣的使用被視為除了使用水之外的優(yōu)選變體方案。過氧化氫另外擁有較大的氧氫比的優(yōu)點(diǎn)。另外，過氧化氫在某些溫度以上及/或經(jīng)由使用mhz范圍內(nèi)的高頻場而解離為氫及氧。

另一方面，h2o提供分子尺寸小的優(yōu)點(diǎn)。h2o分子尺寸甚至小于o2分子，由此h2o提供能更容易插入孔隙中及能更容易擴(kuò)散于整個(gè)生長層中的優(yōu)點(diǎn)。

主要在使用具有不同熱膨脹系數(shù)的材料時(shí)，有利地使用不導(dǎo)致任何顯著溫度增加或充其量導(dǎo)致局部/特定溫度增加之前述物質(zhì)解離方法。具體來說，存在至少促進(jìn)，優(yōu)選導(dǎo)致解離的微波輻射。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)有利實(shí)施例，規(guī)定生長層的形成及不可逆結(jié)合的強(qiáng)化是通過第一離析劑擴(kuò)散至反應(yīng)層中而發(fā)生。

根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)有利實(shí)施例，規(guī)定不可逆結(jié)合的形成是在通常小于300°c、優(yōu)選地小于200°c、更優(yōu)選地小于150°c、甚至更優(yōu)選地小于100°c的溫度下、最優(yōu)選地在室溫下，尤其在最多12天、更優(yōu)選地最多1天、甚至更優(yōu)選地最多1小時(shí)、最優(yōu)選地最多15分鐘期間發(fā)生。另一有利熱處理方法為通過微波進(jìn)行介電加熱。

此處，若不可逆結(jié)合的結(jié)合強(qiáng)度大于1.5j/m²、尤其大于2j/m²、優(yōu)選大于2.5j/m²，則尤其有利。

增加結(jié)合強(qiáng)度尤其有利的處在于，在反應(yīng)期間，如本發(fā)明所主張，在反應(yīng)層中形成摩爾體積比第二離析劑大的產(chǎn)物。以此方式，實(shí)現(xiàn)在第二襯底上的生長，作為其結(jié)果，接觸面之間之間隙可通過化學(xué)反應(yīng)閉合，如本發(fā)明所主張。因而，接觸面之間的距離，因此平均距離減小，且死空間減至最小。

就通過等離子體活化形成儲存器而言，尤其在活化頻率在10khz與20000khz之間、優(yōu)選在10khz與5000khz之間、甚至更優(yōu)選在10khz與1000khz之間、最優(yōu)選在10khz與600khz之間及/或功率密度在0.075與0.2watt/cm²之間及/或以0.1與0.6毫巴之間的壓力加壓的情況下，產(chǎn)生諸如使接觸面平滑以及明確增加接觸面的親水性的其它作用。

備選地，如本發(fā)明所主張形成儲存器可通過使用已以特定控制方式壓緊達(dá)某一孔隙率的四乙氧基硅烷氧化物層作為儲存器形成層進(jìn)行。

根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)有利實(shí)施例，規(guī)定儲存器形成層主要、尤其基本上完全由尤其非晶形二氧化硅、尤其通過熱氧化產(chǎn)生的二氧化硅組成，且反應(yīng)層由可氧化材料、尤其主要、優(yōu)選基本上完全由si、ge、inp、gap或gan(或上文作為替代方案提及的另一材料)組成。尤其有效地閉合現(xiàn)存間隙的尤其穩(wěn)定的反應(yīng)是通過氧化實(shí)現(xiàn)。

此處，如本發(fā)明所主張，規(guī)定在第二接觸面與反應(yīng)層之間存在生長層，尤其主要為原生二氧化硅（或上文作為替代方案提及的另一材料）的生長層。如本發(fā)明所主張，生長層經(jīng)受由反應(yīng)導(dǎo)致的生長。尤其在與反應(yīng)層的界面上，且尤其在第一接觸面與第二接觸面之間間隙的區(qū)域中，通過非晶形sio2的重新形成及由此導(dǎo)致的生長層的變形(尤其凸出），生長發(fā)生于轉(zhuǎn)變si-sio2(7)。由此導(dǎo)致兩個(gè)接觸面之間的距離減少或死空間減少，作為其結(jié)果，兩個(gè)襯底之間的結(jié)合強(qiáng)度增加。在200°c與40°c之間、優(yōu)選約200°c與150°c之間的溫度、更優(yōu)選在150°c與100°c之間的溫度、最優(yōu)選在100°c與室溫之間的溫度尤其有利。生長層可分為若干生長區(qū)。生長層可同時(shí)為第二襯底的儲存器形成層，在該儲存器形成層中形成加速反應(yīng)的另一儲存器。

此處，若在形成不可逆結(jié)合之前，生長層的平均厚度a在0.1nm與5nm之間，則尤其有利。生長層愈薄則第一離析劑與第二離析劑之間的反應(yīng)經(jīng)由生長層，尤其通過第一離析劑通過生長層擴(kuò)散至反應(yīng)層中而愈迅速且愈容易發(fā)生。離析劑通過生長層的擴(kuò)散速率由生長層增加，該生長層已薄化且因此至少在永久結(jié)合形成開始時(shí)或在反應(yīng)開始時(shí)極其薄。由此縮短離析劑在相同溫度下的傳輸時(shí)間。

此處，如本發(fā)明所主張，薄化起決定性作用，因?yàn)榉磻?yīng)可通過薄化進(jìn)一步加速及/或溫度可進(jìn)一步降低。薄化可尤其通過蝕刻，優(yōu)選在潮濕環(huán)境中，又更優(yōu)選原位進(jìn)行?；蛘?，薄化尤其通過干式蝕刻，優(yōu)選原位進(jìn)行。此處，原位意謂在同一腔室中進(jìn)行，在該腔室中進(jìn)行至少一個(gè)先前及/或以下步驟。歸入此處所用的原位概念的另一裝置排列為襯底的傳輸在可以控制方式調(diào)節(jié)的環(huán)境中（例如使用惰性氣體），但尤其在真空環(huán)境中在個(gè)別過程腔室之間進(jìn)行的裝置。濕式蝕刻通過呈氣相的化學(xué)品進(jìn)行，而干式蝕刻通過呈液態(tài)的化學(xué)品進(jìn)行。就生長層由二氧化硅組成而言，可通過氫氟酸或稀氫氟酸進(jìn)行蝕刻。就生長層由純si組成而言，可通過koh進(jìn)行鈾刻。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，有利地規(guī)定在真空中進(jìn)行儲存器的形成。因此，可避免不需要的材料或化合物污染儲存器。

在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，有利地規(guī)定通過一或多個(gè)下述步驟進(jìn)行儲存器的填充：

-將第一接觸面暴露于大氣，以用空氣濕度及/或空氣中所含的氧氣填充儲存器，

-對第一接觸面施加尤其主要、優(yōu)選幾乎完全由尤其去離子h2o及/或h2o2組成的流體，

-對第一接觸面施加以尤其具有0至2000ev范圍內(nèi)的離子能的n2氣體及/或o2氣體及/或ar氣體及/或尤其由95%的ar及5%的組成的成形氣體，

-氣相沉積以用任何已指定離析劑填充儲存器。若形成厚度r優(yōu)選在0.1mn與25nm之間、更佳在0.1nm與15nm之間、甚至更佳在0.1nm與10nm之間、最佳在0.1nm與5nm之間的儲存器，則對過程順序尤其有效。此外，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，若在即將形成不可逆結(jié)合之前，儲存器與反應(yīng)層之間的平均距離b在0.1nm與15nm之間、尤其在0.5nm與5nm之間優(yōu)選在0.5nm與3nm之間，則為有利的。如本發(fā)明所主張，距離b受薄化影響或通過薄化產(chǎn)生。

如本發(fā)明所主張，執(zhí)行該方法的裝置經(jīng)制造而具有用以形成儲存器的腔室、尤其與其分別提供的用以填充儲存器的腔室及尤其分別提供的用于形成預(yù)結(jié)合的腔室，所有該腔室均直接經(jīng)由真空系統(tǒng)彼此連接。

在另一個(gè)實(shí)施例中，儲存器的填充亦可直接經(jīng)由大氣進(jìn)行，因此在可對大氣開放的腔室中或簡單地在不具有夾套但可半自動(dòng)及/或完全自動(dòng)地處理晶圓的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行。

附圖說明

本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)、特征及細(xì)節(jié)將自優(yōu)選例示性實(shí)施例的以下描述且使用附圖變得顯而易見。

圖la展示在使第一襯底與第二襯底接觸之后立即進(jìn)行的如本發(fā)明所主張的方法的第一步驟，

圖lb展示在使第一襯底與第二襯底接觸之后立即進(jìn)行的如本發(fā)明所主張的方法的替代性第一步驟，

圖2展示在進(jìn)行接觸之前進(jìn)行的如本發(fā)明所主張的方法的步驟，也就是說薄化第二襯底，

圖3a及圖3b展示用于形成較高結(jié)合強(qiáng)度的如本發(fā)明中主張的方法的其它步驟，

圖4展示如本發(fā)明所主張的方法的另一步驟，其在圖la或lb，圖2及圖3a及3b的步驟之后，其中襯底接觸面處于接觸狀態(tài)，

圖5展示用于在襯底之間形成不可逆/永久結(jié)合的如本發(fā)明所主張的步驟，

圖6展示在圖4及圖5的步驟期間在兩個(gè)接觸面上進(jìn)行的化學(xué)/物理過程的放大圖，

圖7展示在圖4及圖5的步驟期間在兩個(gè)接觸面之間的界面上進(jìn)行的化學(xué)/物理過程的另一放大圖，

圖8展示如本發(fā)明中主張的產(chǎn)生儲存器的圓。

圖9展示可施加以真空的電容等離子體腔室的示意圖，

圖10展示可施加以真空的電感等離子體腔室的示意圖，

圖11展示可施加以真空的遠(yuǎn)程等離子體腔室的示意圖，及

圖12展示兩個(gè)電極的頻率的頻率特性的圖。

在附圖中，相同或等效特征以相同附圖標(biāo)記。

具體實(shí)施方式

圖1中的情形僅展示在第一襯底1的第一接觸面3與第二襯底2的第二接觸面4之間的預(yù)結(jié)合步驟期間或之后立即進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)的一個(gè)片段。表面以極性oh基終止且因此具有親水性。第一襯底1及第二襯底2由介于表面上存在的oh基與h2o分子之間且亦介于單獨(dú)h2o分子之間的氫橋的引力固持。至少第一襯底的親水性已通過先前步驟中的等離子體處理增加。

等離子體處理是在圖9的可施加以等離子體及真空及/或規(guī)定氣體環(huán)境的等離子體腔室20中進(jìn)行。施加以真空及/或規(guī)定氣體環(huán)境表示可設(shè)定且控制壓力低于1毫巴。在本文所述的例示性實(shí)施例中，氣體為壓力為0.3毫巴的n2。在如本發(fā)明所主張的電容及電感耦合的實(shí)施例中，等離子體腔室20與襯底腔室相同。在圖11的如本發(fā)明所主張的遠(yuǎn)程等離子體的實(shí)施例中，等離子體腔室20"(更好為：等離子體產(chǎn)生腔室)與容納襯底的襯底腔室27分開。

圖9中所示的電容等離子體腔室20具有用于離子化氣體體積的第一電極21(其位于頂部或作為上電極），該氣體體積的離子化是在頻率f21在0.001khz與100000khz之間、優(yōu)選0.01khz與10000khz之間、甚至更優(yōu)選0.1khz與1000khz之間、最優(yōu)選250與550khz之間及振幅在1v與1000v之間、尤其100v與800v之間、優(yōu)選200v與600v之間、甚至更優(yōu)選300v與500v之間的情況下由第一電極21上的交流電壓產(chǎn)生。一個(gè)重要因素為通過上述真空所界定的平均自由行程長度。

存在另一與第一電極21相對(其位于下面或?yàn)橄码姌O）的第二電極22，不僅用于施加第一接觸面3(該施加與第一電極21的頻率耦合），而且具有加速或減弱等離子體離子沖擊的偏壓作為基極電壓。偏壓一般為交流電壓或直流電壓。有利地使用直流電壓，其在等離子體活化過程中可隨儲存/預(yù)定形狀(規(guī)則)界定的曲線發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。此處，實(shí)施例中的第二電極22展示在頻率f22在0.001khz與100000khz之間、優(yōu)選在0.01khz與10000khz之間，甚至更優(yōu)選在0.1kmz與1000khz之間、最優(yōu)選15khz至55khz且振幅在1v與1000v之間、尤其在100v與800v之間、優(yōu)選在200v與600v之間，甚至更優(yōu)選在300v且500v之間的情況下工作。此第二交流電壓還導(dǎo)致沖擊表面3的離子的離子能發(fā)生變化，由此可獲得離子的均勻深度分布。

另外第二電極21用作第一襯底1的容納器，其容納側(cè)背向第一接觸面3。因此，第一襯底1(在無第二襯底2的情況下)位于第一電極21與第二電極22之間。電極21、22的固持器未圖示。

電極21、22各自優(yōu)選連接至其自身電源，自身電源的形式對于第一電極21而言為發(fā)生器23且對于第二電極22而言為可與發(fā)生器23分別控制的第二發(fā)生器24。第一發(fā)生器23的功率尤其在1瓦特與100000瓦特之間、優(yōu)選在25瓦特與10000瓦特之間、更優(yōu)選在30瓦特與1000瓦特之間、最優(yōu)選在50瓦特與200瓦特之間、尤其最優(yōu)選在70瓦特與130瓦特之間。第二發(fā)生器24同樣提供1瓦特與100000瓦特之間、優(yōu)選25瓦特與10000瓦特之間、更優(yōu)選30瓦特與1000瓦特之間、最優(yōu)選50瓦特與200瓦特之間、最優(yōu)選70瓦特與130瓦特之間的功率。

圖10的電感等離子體腔室20'具有圍繞其且允許具有該振幅的電流流經(jīng)的線圈26。襯底1擱置于樣本固持器25上。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，等離子體腔室20'恰好具有兩個(gè)發(fā)生器23及24。

電感等離子體腔室20'在線圈26的一側(cè)具有第一電流發(fā)生器23。第一發(fā)生器23產(chǎn)生的流經(jīng)線圈26的電流的頻率f21在0.001khz與100000khz之間、優(yōu)選在0.01khz與10000khz之間、甚至更優(yōu)選在0.1khz與1000khz之間、最優(yōu)選恰好為400khz且振幅在0.001a與10000a之間、優(yōu)選在0.01a與1000a之間、更優(yōu)選在0.1a與100a之間、最優(yōu)選在1a與10a之間。

線圈26或等離子體腔室20’優(yōu)選具有第二電流發(fā)生器24。第二電流發(fā)生器m的頻率f22在0.001khz與100000khz之間、優(yōu)選在0.01khz與10000khz之間、甚至更優(yōu)選在0.1khz與1000khz之間、最優(yōu)選恰好為400khz且振幅在0.001a與10000a之間、優(yōu)選在0.01a與1000a之間、更優(yōu)選在0.1a與100a之間、最優(yōu)選在1a與10a之間。

在根據(jù)圖11的另一個(gè)實(shí)施例中，待產(chǎn)生的等離子體是在(遠(yuǎn)程)等離子體腔室20”中產(chǎn)生。用于電容及/或電感耦合的等離子體的所有所揭示參數(shù)均類似地應(yīng)用。

圖12示意性地展示對于兩個(gè)不同頻率如本發(fā)明所主張產(chǎn)生的等離子體的孔隙密度隨深度的變化。顯然密度曲線可以專門方式通過改變頻率來調(diào)節(jié)。

根據(jù)備選實(shí)施例，尤其在等離子體處理第一襯底1的同時(shí)，另外對第二襯底2或第二接觸面4進(jìn)行等離子體處理為尤其有利的。

如本發(fā)明所主張，由熱二氧化硅組成的儲存器形成層6中的儲存器5，以及在圖lb的替代實(shí)施例中，儲存器形成層6中的第二相對儲存器5'已通過等離子體處理形成。儲存器形成層6、6’下的含有第二離析劑或第二組離析劑的反應(yīng)層7、7’彼此直接鄰接。用具有前述離子能的n2離子進(jìn)行等離子體處理產(chǎn)生平均厚度r約15nm的儲存器5，其中儲存器形成層6中的離子形成通道或孔隙。

在儲存器形成層6與反應(yīng)層7之間，在第二襯底2上存在生長層8，生長層8可同時(shí)至少部分為儲存器形成層6'。因此，在儲存器形成層6'與反應(yīng)層7'之間可另外存在另一生長層。

同樣地，在圖1中所展示的步驟之前且在等離子體處理之后，至少主要用作為第一離析劑的樂0填充儲存器5(及視情況存在的儲存器5’）。等離子體過程中存在的減少的離子種類也可位于儲存器中，尤其o2、n2、h2、ar。

在該一個(gè)或多個(gè)儲存器5、5’形成之前或之后，在任何情況下，在襯底1、2進(jìn)行接觸之前，通過蝕刻薄化生長層8(及視情況存在的另一生長層）（此處為在儲存器5形成之后，參見圖2)。以此方式，第二接觸面4與反應(yīng)層7之間的平均距離b減小。同時(shí)，第二接觸面4宜變得更平坦。

在圖la或lb中所示的階段接觸之后，接觸面3、4仍具有相對寬距離，尤其由存在于接觸面3、4之間的水所示。因此，現(xiàn)有結(jié)合強(qiáng)度相對低且大約在100mj/cm²與300mj/cm²之間，尤其大于200mj/cm²。就此而言，先前等離子體活化起決定性作用，尤其歸因于等離子體活化的第一接觸面3的親水性增加及由等離子體活化引起的平滑化效應(yīng)。

圖1中所示且稱為預(yù)結(jié)合的過程優(yōu)選可在環(huán)境溫度或最大50°c下進(jìn)行。圖3a及圖3b展示親水性結(jié)合，其中si-o-si橋通過-oh終止表面分裂水而出現(xiàn)。圖3a及圖3b中的過程在室溫下持續(xù)約300小時(shí)。在50°c下約60小時(shí)。圖3b中的狀態(tài)在指定溫度下存在，且不會(huì)產(chǎn)生儲存器5(或儲存器5,5’）。

在接觸面3,4之間，形成h2o分子且可至少部分地進(jìn)一步填充于仍有自由空間的儲存器5中。移除其它h2o分子。在圖1的步驟中，存在oh基或h2o的約3至5個(gè)單個(gè)層，且利用圖1的步驟至圖3a的步驟將1至3個(gè)h2o單層移除或容納于儲存器5中。

在圖3a所示的步驟中，硅氧烷基之間現(xiàn)直接形成氫橋鍵，作為其結(jié)果，出現(xiàn)更強(qiáng)結(jié)合力。由此使接觸面3、4更強(qiáng)烈地彼此吸引且減小接觸面3、4之間的距離。因此，在接觸面1、2之間僅存在1至2個(gè)單個(gè)oh基層。

在圖3b中所示的步驟中，又在根據(jù)下文插入的反應(yīng)沉積h2o分子的情況下，由于接觸面3、4彼此直接接觸，因此接觸面3、4之間現(xiàn)形成呈硅烷醇基團(tuán)形式的共價(jià)化合物，由此產(chǎn)生更強(qiáng)結(jié)合力且需要的空間更少，以便接觸面3、4之間的距離進(jìn)一步減小直至最終達(dá)到圖3中所示的最小距離：

直至階段3，尤其歸因于儲存器5(及視情況存在的附加儲存器5’的形成)，故不必不適當(dāng)?shù)卦黾訙囟?，而是允許其甚至在室溫下進(jìn)行。以此方式，圖la或圖lb至圖4的過程步驟尤其可節(jié)約地進(jìn)行。

在圖5中所示的方法步驟中，溫度優(yōu)選增至最大500°c、更優(yōu)選最大300°c、甚至更優(yōu)選最大200°c、最優(yōu)選最大100°c、尤其最優(yōu)選不超過室溫以形成第一與第二接觸面之間的不可逆或永久結(jié)合。與現(xiàn)有技術(shù)相比，這個(gè)溫度相對較低僅可能，時(shí)因?yàn)閮Υ嫫?(及視情況附加儲存器5’)包括用于圖6及圖7中所示的反應(yīng)的第一離析劑：

通過增加摩爾體積及h2o分子的擴(kuò)散，尤其在儲存器形成層6’與反應(yīng)層7之間的界面(及另外視情況存在的儲存器形成層6與反應(yīng)層7’之間的界面)上的擴(kuò)散，呈生長層8形式的體積生長，其中歸因于使在接觸面3、4之間存在間隙9的區(qū)域中進(jìn)行的自由吉布斯焓（gibb'schenenthalpie)強(qiáng)化生長減至最小的目的。間隙9通過生長層8的體積增加閉合。更確切地說：

在前述輕微增加的溫度下，h2o分子作為第一離析劑自儲存器5(或儲存器5、5’)擴(kuò)散至反應(yīng)層7(及視情況存在的7')。此擴(kuò)散可經(jīng)由已形成為氧化物層的儲存器形成層6、6'與相應(yīng)反應(yīng)層7、7'(或生長層8)的直接接觸，或經(jīng)由氧化物層之間存在之間隙9或自間隙9進(jìn)行。在那里，自反應(yīng)層7形成二氧化硅（因此為摩爾體積大于純硅的化合物）作為前述反應(yīng)的反應(yīng)產(chǎn)物10。二氧化硅在反應(yīng)層7與生長層8及/或儲存器形成層6、6’的界面上生長，且因此使已尤其以原生氧化物形式形成的生長層8沿間隙9方向成形。此處，亦需要來自儲存器的h2o分子。

歸因于納米范圍內(nèi)之間隙的存在，存在生長層8凸出的可能性，通過這種方式，接觸面3,4上的應(yīng)力可減小。以此方式，接觸面3,4之間的距離會(huì)減小，通過這種方式，活性接觸面及因此結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)一步增加。與部分未焊接的現(xiàn)有技術(shù)產(chǎn)物形成對比，以此方式出現(xiàn)的閉合所有孔隙且在整個(gè)晶圓上形成的焊接連接在根本上有助于結(jié)合力增加。彼此焊接的兩個(gè)非晶形氧化硅表面之間的結(jié)合類型為共價(jià)及離子部分的混合形式。

第一離析劑(h2o)與第二離析劑(si)之前述反應(yīng)是在反應(yīng)層7中尤其迅速或在盡可能低的溫度下進(jìn)行，達(dá)到第一接觸面3與反應(yīng)層7之間的平均距離b盡可能小的程度。

因此，第一襯底1的預(yù)處理及由硅反應(yīng)層7及盡可能薄的原生氧化物層作為生長層8組成的第二襯底2的選擇/預(yù)處理具有決定性作用。如本發(fā)明所主張，出于兩個(gè)理由提供盡可能薄的原生氧化物層。生長層8極薄，尤其歸因于如本發(fā)明所主張?zhí)峁┑谋』?，以便其可穿過反應(yīng)層7上的新形成反應(yīng)產(chǎn)物10朝向相對襯底1的儲存器形成層6凸出，該儲存器形成層主要在納米間隙9的區(qū)域中以氧化物層形式制得。此外，需要盡可能短的擴(kuò)散路徑以盡可能快且在盡可能低的溫度下獲得所需效應(yīng)。第一襯底1同樣由硅層及其上所產(chǎn)生的呈儲存器形成層6形式的氧化物層組成，在該儲存器形成層中至少部分或完全形成儲存器5。

如本發(fā)明所主張，儲存器5(或儲存器5,5')至少以閉合納米間隙9所需量的第一離析劑來填充，以便生長層8的最佳生長可在盡可能短的時(shí)間內(nèi)及/或在盡可能低的溫度下進(jìn)行以閉合納米間隙9。

附圖標(biāo)記列表

1第一襯底

2第二襯底

3第一接觸面

4第二接觸面

5、5'儲存器

6、6'儲存器形成層

7、7'反應(yīng)層

8生長層

9納米間隙

10反應(yīng)產(chǎn)物