直接结合方法中的氮－等离子体表面处理技术

通过如下将两块各自在其表面上具有硅或氧化硅薄膜的晶片结合：对至少一块晶片的薄膜进行表面处理，该表面处理形成厚度小于５ｎｍ的氧氮化硅表面薄膜。所述薄膜是通过由电感耦合等离子体源产生的基于氮的等离子体形成的。另外，在所述表面处理期间，所述等离子体与支撑所述晶片的基材支持器之间的电势差小于５０Ｖ、有利地小于１５Ｖ和优选为零。这使得可获得无缺陷的结合界面，而不管在接触步骤之后实施的任何热处理的温度如何。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及两块各自在其表面包含硅或氧化硅薄层的板的直接结合(bonding) 方法。
技术介绍
通过分子粘附或直接结合进行结合的原理是基于两个表面之间的直接接触，而不 使用特殊的材料例如粘合剂、蜡、低熔融温度金属等。被设计为接触在一起的表面可以是亲 水的或疏水的。疏水表面可例如为两块硅晶片(或基材)的不含氧化硅的自由表面，而亲水表面 可例如为两块硅晶片的各自包含氧化硅薄层的自由表面。分子结合方法还要求待结合的表面充分光滑、没有颗粒或污染物，呈现出合适的 表面化学和彼此充分地接近以使得能够引发接触。在这种情况下，两个表面之间的吸引力 高到足以引起分子结合。结合过程通常在表面的化学清洁之后在环境温度下和在环境压力下进行。然而， 常常进行后续的热处理，例如在约1000°c的温度下的热处理，以增强结合能。然而，在非常 大量的应用中，在这样的温度下的热处理步骤是不能允许的。已经提出了不需要高温热处理的结合方法。它们通常包括表面活化步骤。例 如，P. Amirfeiz 等在文 章 “Formation of Silicon structures by plasma-activated wafer bonding，， (Journal of the Electrochemical Society, 147(7)2693-2698)中研究了硅、氧化硅和晶体石英通过氧等离子体或通过氩等离子体进 行的活化对实现在环境温度下的直接结合的影响。结合的通过氧等离子体或氩等离子体 活化的结构体呈现出可与在结合之前通过常规的湿法进行活化并且在接触之后在高温 (600°C 800°C)下进行热处理的结合结构体所获得的表面能相比的高的表面能。通过 RIE/ICP (反应性离子蚀刻/电感耦合等离子体)型设备进行暴露于氧等离子体或氩等离子 体。在 T. Suni 等的文章 “Effects of Plasma Activation on Hydrophilic Bonding of Si and SiO2” (Journal of the Electrochemical Society,149(6)G348-G651(2002)) 中，反应性离子蚀刻模式(也称作RIE)与通过氮、氩或氧等离子体进行的活化联合使用以 进行硅晶片的低温结合。在活化期间，在硅晶片与接地(ground)之间测得在125￥与观抓 之间变化的极化电压。该电压的存在造成等离子体的带电物种朝所述晶片的方向的加速和 这些带电物种对晶片表面的轰击。此外，在活化处理之后且在结合之前，在RCA-I型溶液 (NH3 H2O2 H20，70°C)中和/或在去离子水中清洁晶片，并将其干燥。在它们已经接触 之后，对结合的结构体在100°C的温度下进行热处理2小时。该文章中报道的结果显示，根 据包括在先的与反应性离子蚀刻联用的等离子体处理步骤的方法结合的结构体的表面能 高于在化学清洁之后直接结合的结构体的表面能。在专利US5503704中，通过如下获得两个表面的结合在两个表面中的一个表面上形成氮化物层以使该表面是亲水的并且在低温下是反应性的。当表面材料为基于非氮的 材料，例如为硅时，通过在RCA型的标准清洁、用去离子水清洗和干燥之后进行NH3等离子 体增强化学气相沉积(PECVD)而形成氮化物层。然后使以这种方式处理的材料与另一亲水 且反应性的表面接触，然后整个在约300°C的温度下进行热处理。虽然以上提及的活化技术使得能够获得内聚能(cohesion energies)至少与高 温结合方法的内聚能相等的低温结合方法，但是它们未使得能够获得无缺陷的分子结合界 面。特别地，专利US5503704提到了基材中由Si3N4膜的沉积产生的缺陷的存在。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供将两块各自在其表面包含氧化硅或硅薄层的板直接结合的 方法，以便能够获得与根据现有技术的结合方法相比呈现出显著减少数量的缺陷的结合表 面，有利地获得无缺陷的表面，特别是不论施加到由两块结合的板所形成的结构体上的温 度如何(特别地包括在环境温度与1300°C之间)。根据本专利技术，该目的通过所附权利要求实现。特别地，该目的通过如下事实实现 在两块板各自的薄层的接触步骤之前，通过由电感耦合等离子体源产生的基于氮的等离子 体和在所述等离子体与支撑所述板的基材支持器(substrate holder)之间的小于50V的 电势差的存在下，对至少一块板的薄层进行单一的表面处理步骤，该表面处理步骤形成具 有小于5nm的厚度的氧氮化硅表面薄膜。附图说明由本专利技术的具体实施方式的下列描述，其它优点和特征将变得更清楚明晰，本发 明的具体实施方式只是给出用于非限制性例子的目的并且示于附图中，其中-图1以方块图形式表示根据本专利技术的结合方法的具体实施方式的不同步骤。-图2 4以横截面示意性地表示根据图1中所示的具体实施方式制造结合结构 体的不同步骤。-图5和6分别表示在通过根据本专利技术的结合的具体实施方式和通过根据现有技 术的结合方法获得的两块硅晶片的结合结构体中，在环境温度下，Δ ρ /p Si随深度ζ的变 化。-图7表示在根据本专利技术的具体实施方式中形成的氧氮化硅薄膜在环境温度下的 红外光谱和以根据现有技术的结合方法形成的氧化硅薄膜在环境温度下的红外光谱。具体实施例方式根据图1 4中所示的具体实施方式，通过相继进行下列步骤将两块硅基材1和 1，(也称作硅晶片)结合-步骤F1，由此在基材1和1’的表面通过湿法形成氧化硅薄层2和2’；-表面处理步骤F2，其将之前在步骤Fl中形成的氧化硅薄层的至少一部分转化为 氧氮化硅表面薄膜3和3’ ；和-步骤F3，其使两个基材1和1’接触。各表面薄层2和2’的形成通过如下有利地进行进行CARO型清洁，随后进行RCA型清洁，RCA型清洁包括SCl型的第一阶段和SC2型的第二阶段。CARO清洁是在称作CARO 的酸浴(H2S04+H202)中的清洁。RCA清洁的第一阶段(SCl或标准清洁1)和第二阶段(SC2 或标准清洁2、分别在于通过碱性溶液例如ΝΗ40Η+Η202+Η20进行清洁和通过强氧化剂例如 HC1+H202+H20进行清洁。由此形成的氧化硅薄层2和2’呈现出这样的优点没有缺陷。在 所述方法的该阶段，各基材1和1’的由氧化硅层2和2’的自由表面形成的表面因而是亲 水的。如图1和3中所示，在清洁步骤Fl与使基材1和1’接触的步骤F3之间进行处理 所述表面的单一步骤F2，其也称作活化步骤。这使得能够在各基材1和1’的氧化硅薄层2 和2’中形成厚度小于5nm、和有利地为约2nm的氧氮化硅表面薄膜3和3’。为此，将各基材1和1’的氧化硅薄层2和2’的自由表面以单一步骤暴露于由电 感耦合等离子体源(也称作ICP)产生的氮等离子体。基材1和1’可同时或者相继暴露于氮等离子体。在后一种情况下，两个基材1和 1’所经历的表面处理条件可相同或不同。此外，一个或多个基材1和1’暴露于氮等离子体 可以一个或多个步骤进行。氮等离子体是指纯的氮等离子体。然而，在更一般的意义上，基材2和2’暴露于其 的等离子体也可以是基于氮的等离子体，即，这样的等离子体，其反应性气体为氮气，其不 排除残余量的载气例如氩气或另外的气体在该等离子本文档来自技高网...

【技术保护点】
将两块各自在其表面包含由氧化硅或硅构成的薄层的板直接结合的方法，其特征在于，在所述两块板各自的薄层之间的接触步骤之前，通过由电感耦合等离子体源产生的基于氮的等离子体和在所述等离子体与支撑所述板的基材支持器之间的小于５０Ｖ的电势差的存在下，对至少一块板的薄层进行单一的表面处理步骤，该表面处理步骤形成具有小于５ｎｍ的厚度的氧氮化硅表面薄膜。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：休伯特莫里西奥，克里斯托夫莫拉尔斯，弗朗索瓦里乌托德，卡罗琳文托萨，蒂里切沃利奥，劳尔利布拉尔索，
申请(专利权)人：原子能和代替能源委员会，
类型：发明
国别省市：FR[法国]