用于跨越键合界面传输电荷的结构、系统和方法技术方案

当界面缺陷被从浅注入扩散到界面的氢钝化时，不含氧化物的低温晶片键合准许电流穿过共价键合界面，而不受陷阱、复合中心和无意的缺陷引起的阻隔屏障的阻碍。包括与钝化界面状态的不含氧化物的低温共价晶片键合的系统和方法用于需要减少界面散射和载流子捕获以及跨越键合界面的有效电荷收集的各种应用中。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于跨越键合界面传输电荷的结构、系统和方法相关申请的交叉引用本申请要求于2016年2月16日提交的美国临时申请号62/295,720的优先权和权益，该临时申请通过引用并入本文。
本专利技术涉及被设计用于跨越低温键合半导体界面传输电荷而不受无意界面阻隔层和缺陷阻碍的结构、提供该结构的方法、以及其中应用这种结构的系统。
技术介绍
半导体晶片的直接键合正成为用于在紧凑的单片单元中组合不同功能的通用技术。最近已经证明，与外延生长相比，特别是不含氧化物的键合提供了质量优异的界面，其中在失配应力的塑性弛豫期间形成的穿透位错经常降低晶格失配的器件层(参见例如，Matthews等人，J.Appl.Phys.41，3800(1970)中，其全部公开内容在此通过引用并入)。在直接晶片键合中，位错仅位于键合界面处，而与键合伙伴的晶格失配无关。例如，形成与硅衬底键合的化合物半导体的单片结构的能力具有Si光子学和高效多结太阳能电池和其他应用的显着潜力，条件是键合工艺在低温下进行以避免由于键合伙伴的不同热膨胀系数而产生的机械应力。例如，K.Tanabe等人例如已经在Sci.Rpts.2，349(2012)中描述了基于GaAs在Si上的低温不含氧化物的直接键合的混合III-V/Si光子器件的最近实例，其中晶格参数失配达到4％，其全部公开内容在此通过引用并入。尽管在这种情况下晶格参数失配甚至高达8.1％，但是已经证明了InP与Si的成功不含氧化物的键合(参见例如，A.Talneau等人在Appl.Phys.Lett.102，212101(2013)中，其全部公开内容在此通过引用并入)。例如，vonKanel在国际专利申请号WO2016/097850中描述了将直接不含氧化物的晶片键合应用于高分辨率、高灵敏度粒子和X射线成像检测器，其全部公开内容在此通过引用并入。这种晶片键合需要例如通过化学机械抛光可实现的异常光滑的表面，其粗糙度通常低于1纳米。另外，晶片表面在键合之前必须是不含氧化物的。特别地，如果一个或两个键合伙伴中的一个或两个键合伙伴经历了器件处理，诸如CMOS处理，不仅需要在通常低于300℃至400℃或优选低于300℃或甚至低于200℃的低温下进行键合而且还需要移除氧化物。主要有两种方法可用于在低温下移除表面氧化物。第一种方法包括干法蚀刻或溅射，随后将干净的晶片在超高真空(“UHV”)下转移到键合腔室。超高真空是真空体系，其特征在于压力低于约10-7帕斯卡或100纳帕(10-9毫巴，～10-9托)。UHV需要使用不寻常的设备材料，并将整个系统加热到100℃以上数小时(“烘烤”)，以移除吸附在腔室表面上的水和其他微量气体。在这些低压下，气体分子的平均自由程约为4km，因此气体分子在相互碰撞之前会与腔室壁碰撞很多次。因此，几乎所有的相互作用都发生在腔室的各个表面上。在UHV条件下的室温键合最初例如由H.Kakagi等人在Jap.J.Appl.Phys.38，1589(1999)中和M.M.R.Howlader等人在J.Vac.Sci.Technol.B19，2114(2001)中在小样品上测试，其全部公开内容在此通过引用并入。最近，C.Flotgen等人在ECSTransactions64，103(2014)中已经证明了通过干蚀刻移除氧化物以在200mm晶片的尺度下进行不含氧化物的键合，其全部公开内容在此通过引用并入。由于这种干蚀刻工艺涉及高能粒子的表面轰击，因此它们不可避免地导致一些表面非晶化，并因此在通常为几纳米的厚度键合之后导致无定形界面区域(参见例如，H.Takagi等人，在Jap.J.Appl.Phys.38，1589(1999)；M.M.R.Howlader等人，在J.ofVac.Sci.Technol.19，2114(2001)；C.Flotgen等人在ECSTransactions64，103(2014)中，其全部公开内容在此通过引用并入)。无定形界面的后果之一是悬空键的存在，其可以充当载流子陷阱和复合中心并且导致费米能级钉扎。因此，即使在不含氧化物的情况下，跨越这种键合界面的电传输特性也可能是不理想的(参见例如，S.Bengtsson等人，在J.Appl.Phys.66，1231(1989)；M.M.R.Howlader等人，在J.Vac.Sci.Technol.19，2144(2001)中，其全部公开内容在此通过引用并入)。移除表面氧化物的第二种方法是通过湿化学蚀刻，通常在稀HF槽中。硅表面通过这种处理变成氢钝化，因此即使在空气中也会缓慢地发生再氧化(参见例如，G.W.Trucks等人，在Phys.Rev.Lett.65，504(1990)中，其全部公开内容在此通过引用并入)。两个H端接的晶片之间的键合过程被称为疏水键合。然而，它导致非常弱的键，因此需要进行后键合退火以便驱除界面氢并建立共价键。不幸的是，后键合退火经常导致在界面处形成不希望的氢气泡，即使在低至300℃的温度下也是如此。当退火进行足够长的时间时，可以进一步降低形成氢气泡的温度。达到体积断裂强度要求退火温度在700℃左右(参见例如，Q.-Y.Tong等人，在Appl.Phys.Lett.64,625(1994)中，其全部公开内容在此通过引用并入)。在疏水键合的Si晶片退火期间的气泡形成可以通过例如提供用于氢逃逸的凹槽形式的逸出路径来避免(参见例如，Esser的美国专利号6,787,885，其全部公开内容通过引用并入)。然而，Esser不适用于整个键合界面区域需要导电的应用。在本公开中，导电界面被定义为电荷载流子可以自由流动的界面。换句话说，它不是诸如金属片的导电平面。在没有晶片图案化的情况下，即使在室温下也能避免氢气泡和形成强共价键的唯一方式似乎是在键合之前通过某种方式驱除表面氢并在UHV下进行键合。从钝化的Si表面移除氢的最常用方法是热解吸，对于SiH2物质在约370℃开始，对于SiH物质从450℃开始(参见例如，P.Gupta等人在Phys.Rev.B37，8234(1988)中，其全部公开内容在此通过引用并入)。由于450℃的退火温度对于大多数CMOS加工的晶片来说已经太高，因此优选通过其他途径解吸氢，诸如光热解吸(参见例如，A.M.Fecioru等人，在Appl.Phys.Lett.89，192109(2006)，其全部公开内容通过引用并入)或He离子轰击(参见例如，M.R.Tesauro等人，在Surf.Sci.415，37(1998)中，其全部公开内容在此通过引用并入)。通过键合和随后的退火获得的不含氧化物的Si-Si界面的特征在于由于不可避免的晶片扭曲和倾斜而形成致密的界面位错网络(参见例如，A.Reznicek等人，在Mat.Chem.Phys.81，277(2003)中和T.Akatsu等人，在J.Mat.Sci.39，3031(2004)中，其全部公开内容在此通过引用并入)。即使在没有氧和非晶层的情况下，键合界面也不是没有缺陷的，因为位错通常与影响光学性质和电学性质的深陷阱和复合中心相关联。因此，为了最小化界面缺陷对跨越键合界面的电传输的影响，键合伙伴的表面通常是重掺杂的(参见例如，Zahler的美国专利申请号200本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种形成共价键合晶片对的方法，包括以下步骤：在键合之前在至少一个晶片中形成浅(深度为1nm至500nm)氢注入，以及在低温(100℃至400℃)下对键合晶片进行退火，使得所述注入的氢扩散到所述键合界面。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.02.16 US 62/295,7201.一种形成共价键合晶片对的方法，包括以下步骤：在键合之前在至少一个晶片中形成浅(深度为1nm至500nm)氢注入，以及在低温(100℃至400℃)下对键合晶片进行退火，使得所述注入的氢扩散到所述键合界面。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法包括在键合之前从所述两个晶片的所述表面移除所述表面氧化物的步骤，所述方法钝化陷阱和复合中心并减少两个共价键合半导体晶片之间的共价键合界面处的缺陷引起的界面势垒，以准许电流不受阻碍地流过所述键合界面。3.一种形成共价键合晶片对(111，211，211'，211”，211”'，311，311'，311”，311”'，411，411')的方法，所述方法包括以下步骤：a.提供两个半导体晶片(110，120；210，220；210'，220'；210”，220”；310，310'，320'；410，420)，每个半导体晶片包括至少一个具有表面粗糙度足够低以供晶片键合的干净键合表面；b.用浅氢注入注入注入所述半导体晶片的所述至少一个键合表面中的至少一个键合表面；c.从所述两个半导体晶片的所述至少一个键合表面上移除所述表面氧化物；以共价的不含氧化物的晶片键永久键合所述两个半导体晶片的所述至少一个键合表面，从而提供键合界面；以及d.在低温下退火所述键合晶片，以使注入的氢扩散到所述键合界面并钝化陷阱和复合中心，从而消除缺陷引起的界面势垒，其阻止电流跨越所述键合界面的所述无阻碍流动。4.根据权利要求3所述的方法，其中形成所述共价键合晶片对包括以下步骤：使所述至少一个键合表面进行化学机械抛光步骤，所述化学机械抛光步骤提供足够低的表面粗糙度以用于选自包括由以下各项组成的粗糙度范围组中的一个粗糙度范围的晶片键合：a.0.5nm至1nm，以及b.0.2nm至0.5nm，其中另一键合表面能够被预先抛光以具有上述表面粗糙度。5.根据权利要求3所述的方法，其中形成所述浅氢注入包括：在选自由1nm至10nm、10nm至100nm、100nm至200nm和200nm至500nm组成的深度范围组中的一个深度范围的范围内的深度注入氢。6.根据权利要求3所述的方法，其中所述退火在选自由100℃至150℃、150℃至200℃、200℃至300℃和300℃至400℃组成的温度范围组中的一个温度范围组的温度范围内进行。7.根据权利要求3所述的方法，其中形成所述共价键合晶片对包括以下步骤：提供具有电气器件的所述两个半导体晶片(110，120；210，220；210'，220'；210”，220”；310'，320'；410，420)中的至少一个半导体晶片的步骤。8.根据权利要求3所述的方法，其中形成所述键合晶片包括以下步骤：提供所述两个半导体晶片中的至少一个半导体晶片作为包括集成电路的CMOS处理后的硅晶片。9.根据权利要求3所述的方法，其中形成所述共价键合的晶片对包括以下步骤：a.提供键合到处置晶片的所述半导体晶片中的至少一个半导体晶片；b.将所述至少一个半导体晶片减薄到选自厚度范围列表的厚度范围内的厚度，所述厚度范围包括：i.50μm至200μm，ii.20μm至50μm，以及iii.10μm至20μm；c.使所述至少一个半导体晶片进行化学机械抛光步骤；d.使所述至少一个半导体晶片进行清洁步骤，从而提供适合于晶片键合的干净键合表面；e.使用浅氢注入注入所述半导体晶片中的至少一个半导体晶片的所述键合表面；f.从所述两个半导体晶片的所述键合表面移除所述表面氧化物；g.以共价的不含氧化物的晶片键永久键合所述两个半导体晶片的所述键合表面，从而提供共价键合界面；以及h.在低温下退火所述键合晶片以使注入的氢扩散到所述共价键合界面并钝化陷阱和复合中心，从而消除缺陷引起的界面势垒，所述界面势垒妨碍了电流跨越所述共价键合界面的所述无阻碍流动。10.根据权利要求9所述的方法，其中形成所述共价键合晶片对包括：剥离所述处置晶片。11.根据权利要求3所述的方法，其中形成所述共价键合晶片对包括以下步骤：a.提供永久键合(630)到处置晶片(620)的所述两个半导体晶片中的至少一个半导体晶片；b.将键合到所述处置晶片的所述至少一个半导体晶片减薄到选自厚度范围列表的厚度范围内的厚度，所述厚度范围列表包括：i.50μm至200μm，ii.20μm至50μm，以及iii.10μm至20μm；c.使所述至少一个减薄的半导体晶片进行化学机械抛光步骤；d.使所述至少一个减薄的半导体晶片进行清洁步骤，从而提供适合于共价晶片键合的干净键合表面；e.使用浅氢注入注入所述两个半导体晶片中的至少一个半导体晶片的所述键合表面；f.从所述两个半导体晶片的所述键合表面移除所述表面氧化物；g.以共价的不含氧化物的晶片键永久键合所述两个半导体晶片的所述键合表面，从而提供共价键合界面；以及h.在低温下退火所述键合晶片以使注入的氢扩散到所述键合界面并钝化陷阱和复合中心，从而消除缺陷引起的界面势垒，其阻止了电流跨越所述键合界面的所述无阻碍流动。12.根据权利要求7至8和11所述的方法，其中形成所述共价键合晶片对包括以下步骤：在所述永久键合处置晶片(620)中提供硅通孔(650)以接触与电路(616)连通的金属焊盘(613)，以及提供与TSV(650)和外界连通的金属焊盘(652)。13.根据权利要求1至12中的任一项所述的方法，其中形成所述共价键合晶片对包括：选择所述半导体晶片中的至少一个半导体晶片，所述至少一个半导体晶片要由至少一种材料制成，所述材料选自由以下各项组成的材料组中的一种材料：Si；Si...

【专利技术属性】
技术研发人员：汉斯·凡肯尼尔，
申请(专利权)人：G射线瑞士公司，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH