用于靜電力增強半導體接合的裝置、系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本文描述微電子裝置及制造方法的各種實施例。在一個實施例中，一種用于增強晶片接合的方法包含：將襯底組合件定位于單極靜電卡盤上使其與電極直接接觸；將導體電耦合到定位于所述第一襯底的頂部上的第二襯底；及施加電壓到所述電極，由此在所述第一襯底與所述第二襯底之間創(chuàng)造電勢差，所述電勢差在所述第一襯底與所述第二襯底之間產生靜電力。
【專利說明】
用于靜電力増強半導體接合的裝置、系統(tǒng)及方法
技術領域
[0001] 本技術設及半導體裝置、系統(tǒng)及方法。特定來說，本技術的一些實施例設及用于增 強半導體材料之間的接合的裝置、系統(tǒng)及方法。
【背景技術】
[0002] 在半導體制造中，存在用于向半導體襯底添加材料層的若干個工藝，其包含將材 料層從一個半導體襯底轉移到另一半導體襯底。此類包含用于形成絕緣體上娃（"sor)晶 片、絕緣體上半導體金屬（"SMOr )晶片及多晶氮化侶上娃（"S0PAN")晶片的方法。舉例來 說，圖1A到1D是說明用于將娃材料從一個襯底轉移到另一襯底的現(xiàn)有技術方法中的半導體 組合件的部分示意橫截面圖。圖1A說明包含基底材料104及在基底材料104上的氧化物材料 102的第一襯底100。如圖1B中所展示，接著將第二襯底120定位于第一襯底100上W用于接 合(如箭頭A所指示）。第二襯底120也包含娃材料124及在娃材料124上的氧化物材料122。將 第二襯底120定位于第一襯底100上使得第一襯底氧化物材料102接觸第二襯底氧化物材料 122且形成氧化物-氧化物接合。娃材料124具有第一部分124a及由在第一部分124a的面向 下表面下方選定距離處的剝落材料130所描繪的第二部分124b。剝落材料130可為（例如） 氨、棚及/或其它剝落劑的植入區(qū)域。
[0003] 圖1C說明通過將第一襯底100接合到第二襯底120形成的半導體組合件。一旦襯底 100、120接合，那么通過加熱組合件使得剝落材料130切割娃材料124W從第二部分124b移 除半導體材料124的第一部分124a。如圖1D中所展示，第二部分124b保持附接到第一襯底 100,且具有所要的厚度W用于在第二部分124b中及/或上形成半導體組件?？芍匦吕猛?材料124的第一部分124aW對其它第一襯底供應娃材料的額外厚度。
[0004] 將娃材料從一個襯底轉移到另一襯底的一個挑戰(zhàn)是:第一襯底與第二襯底之間的 不良接合可極大地影響工藝的良率及成本。在轉移過程中，"接合"大體上包含使兩個鏡面 拋光的半導體襯底彼此粘附而無需施加任何宏觀粘合層或外力。在層轉移過程期間及/或 之后，不良接合可在兩個接合襯底表面之間造成空隙、島狀物或其它缺陷。舉例來說，某些 材料的材料性質可導致不良接合，例如具有SM0I的金屬的娃或具有S0PAN的娃的聚氮化侶 表面。
[0005] 常規(guī)接合過程還包含在一段時間內施加外部機械力（例如，重量或壓縮力巧Ij第一 及第二襯底。除增加時間、增加成本及減少處理量外，使用外力的接合過程遭受若干個缺 點。第一，施加在第二襯底上的向下力未均勻分布且可在襯底中造成缺陷或甚至使一或兩 個襯底破損。第二，因為力未均勻分布，所W在具有最高力集中度的區(qū)域中，所施加的機械 力的量值被限制于最大允許力，運意味著襯底的其它區(qū)域不經歷最大力。第Ξ，使用外部機 械力可污染半導體組合件。最后，一些半導體裝置可因為由現(xiàn)有化學機械平坦化處理引起 的凹形化而在底層表面構形中具有大凹陷，從而使氧化物層難W彼此接合。
【附圖說明】
[0006] 參考下列圖式可更好地理解本技術的許多方面。圖式中的組件不一定是按比例 的。相反，重點在于清晰地說明本技術的原理。
[0007] 圖1A到1D是根據(jù)現(xiàn)有技術的用于轉移及接合半導體層的方法中的各個階段的示 意橫截面圖。
[0008] 圖2A是根據(jù)本技術配置的接合系統(tǒng)的示意橫截面圖。
[0009] 圖2B是支撐半導體組合件的圖2A中的接合系統(tǒng)的示意橫截面圖。
[0010] 圖3是根據(jù)本技術的另一實施例配置的接合系統(tǒng)的示意橫截面圖。
【具體實施方式】
[0011] 下文參考用于增強襯底到襯底接合的工藝描述本技術的若干個實施例。下文參考 半導體裝置及襯底描述某些實施例的許多細節(jié)。全文使用術語"半導體裝置"、"半導體襯 底"或"襯底包含多種制品，其包含(例如)具有適用于半導體制造工藝的形狀因子的其 它材料的半導體晶片或襯底。可使用下文所描述的工藝的若干者W改進襯底上及/或之間 的接合。
[0012] 圖2A到3是根據(jù)本技術的實施例的增強接合系統(tǒng)及方法的部分示意橫截面圖。在 下列描述中，共同動作及結構由相同的元件符號識別。盡管圖2A到3中所說明的處理操作及 相關聯(lián)結構設及基于SOI的轉移，但在某些實施例中，可使用工藝W增強基于其它材料的轉 移層方法(例如基于SM0I的轉移、基于S0PAN的轉移及類似者）中的接合。
[0013] 圖2A是隔離接合系統(tǒng)300Γ系統(tǒng)300")的一個實施例的橫截面?zhèn)纫晥D，且圖2B是支 撐襯底組合件307的系統(tǒng)300的橫截面?zhèn)纫晥D。如圖2B中所展示，襯底組合件307包含第一襯 底303(例如，處置襯底)及在處置襯底303上的第二襯底305(例如，供體襯底）。第一襯底303 可具有基底材料306及第一氧化物層308，且第二襯底305可包含半導體材料310及第二氧化 物層309?；撞牧?06可為絕緣體、多晶娃氮化侶、半導體材料(例如，娃(1,0,0)、碳化娃等 等）、金屬或另一合適的材料。半導體材料310可包含（例如)娃晶片，所述娃晶片由娃（1，1， 1)或尤其適用于外延形成半導體組件或其它類型的組件的其它半導體材料制成。在其它實 施例中，僅第一襯底303或第二襯底305中的一者可包含氧化物層。另外，可相對于圖2B中所 展示的定向將第一襯底303及第二襯底305的定向反轉。
[0014] 如圖2B中所展示，可將第二襯底305定位于第一襯底303上使得第二襯底305的第 二氧化物層309接觸第一襯底303的第一氧化物層308。因而，第一氧化物層308及第二氧化 物層309所共享的接觸表面在第一襯底303與第二襯底305之間形成接合界面322。另外，第 一氧化物層308及第二氧化物層309在第一襯底303與第二襯底305之間形成電介質屏障 320。電介質屏障320可具有大約Inm與大約20WI1之間的厚度d。在特定實施例中，電介質屏障 320可具有大約Iwii與大約lOwii之間的厚度d。
[0015] 一起參考圖2A及2B，系統(tǒng)300可包含具有電極304、導體312及電力供應器314的單 極靜電卡盤化SC)301。在一些實施例中，ESC 301包含承載電極304的電介質基底302。電極 304可包含經配置W接納第一襯底303及/或襯底組合件307的支撐表面316。電力供應器341 禪合到電極304且經配置W將電壓供應到電極304,且導體312電禪合到接地源G?？蓪⒁r底 組合件307定位于電極304的支撐表面316上，且導體312可接觸襯底組合件307與電介質屏 障320相對的部分。在圖2B中所展示的實施例中，第一襯底303接觸電極304且第二襯底305 接觸導體312。
[0016] 導體312可為經由連接器318連接到接地源G的單個接觸引腳或墊。導體312可經配 置W曬合襯底組合件307背對ESC 301的表面的全部或一部分。舉例來說，如圖2B中所展示， 導體312可為覆蓋第二襯底305的表面的僅一部分的墊，且可將導體312定位于第二襯底305 的中屯、處。在其它實施例中，導體312可接觸第二襯底305的任何其它部分，且/或導體312可 具有與第二襯底相同的尺寸虛線展示）。盡管在圖2B中所展示的實施例中，導體312包含 僅單個接觸墊，但在其它實施例中，導體312可具有W跨越第二襯底305提供所要電流分布 的模式配置的多個引腳、墊或其它導電特征。在其它實施例中，導體312可具有任何尺寸、形 狀及/或配置，例如同屯、環(huán)、多邊形墊陣列等等。
[0017] 不同于常規(guī)ESC，本技術的ESC 301不具有將電極304與第一襯底303及/或襯底組 合件307分隔的電介質層。換句話來說，當?shù)谝灰r底303在支撐表面316上時，第一襯底303直 接接觸電極304而沒有附接到電極304的支撐表面316的電介質材料。盡管在一些情況下，第 一襯底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20 Λ )且因此在 電極304與第一襯底303之間提供可忽略的電阻。因此，施加到電極304的電壓直接傳到第一 襯底303。因為第一襯底303直接接觸電極304且具有可忽略的內部電阻，所W常規(guī)的雙極或 多極ESC不可與系統(tǒng)300-起使用，運是因為第一襯底將在電極之間提供直接電連接且使系 統(tǒng)短路。
[0018] 在操作中，將第一襯底303定位于支撐表面316上使其與電極304直接電接觸。如果 仍未將第二襯底305定位于第一襯底303上，那么可手動地或由機器人將第二襯底305放置 于第一襯底303上。舉例來說，如圖2B中所展示，連接器318可呈可支撐第二襯底305且在第 一襯底303上移動第二襯底305的導電機器人臂的形式。機器人臂在一個端可包含負壓源 (未展示），其曬合且固持第二襯底305直到實現(xiàn)所要的定位。
[0019] 一旦第二襯底305在與第一襯底303接合的適當位置中，那么可將導體312放置成 與第二襯底305接觸。接著激活電力供應器314W施加電壓到電極304。如先前所論述，第一 襯底303作為電極304的延續(xù)操作，運是因為第一襯底303直接接觸電極304而在兩者之間無 電介質材料。因此，電荷在第一襯底303的頂部表面303a上或附近積累，由此引起相反的電 荷在第二襯底305的底部表面305a上或附近積累。因此，跨越電介質屏障320在第一襯底303 與第二襯底305之間建立電勢。所述電勢創(chuàng)造將第二襯底305拉向第一襯底303且增強第一 襯底303與第二襯底305之間的接合的靜電力F。
[0020] 由系統(tǒng)300所產生的靜電力F顯著大于常規(guī)系統(tǒng)的靜電力，運是因為其改進與第一 襯底的電接觸且減小第一襯底303與第二襯底305之間的電介質距離。靜電力F的量值可由 下列方程式(1)確定：
[0021]
其中
[0022] k為電介質常數(shù)；
[0023] d為電介質層厚度;及
[0024] V為所施加的電壓。
[0025] 如方程式（1)所指示，電介質層厚度d越小及/或所施加的電壓V越大，靜電力F越 大。因而，可通過調整所施加的電壓V及/或電介質層厚度d控制靜電力F的量值。在一些實施 例中，系統(tǒng)300可包含通過調整所施加的電壓V自動控制靜電力F的量值、持續(xù)時間及/或時 序的控制器(未展示）。
[0026] 相比于施加外部機械力的用于增強襯底接合的常規(guī)方法，預期系統(tǒng)300及相關聯(lián) 的方法會提供若干個優(yōu)勢。第一，由系統(tǒng)300實現(xiàn)的靜電力F的量值顯著大于由常規(guī)機械力 應用所施加的壓縮力。通過實例，在6英寸晶片上，機械力產生裝置可施加 lOOkN的最大力， 而當前系統(tǒng)可產生大于200kN的靜電力F。此外，與常規(guī)方法及系統(tǒng)相比，系統(tǒng)300可跨越襯 底303、305均勻地分布靜電力F。如由上文方程式（1)所證明，靜電力F的量值僅取決于兩個 變量:所施加的電壓V及電介質層厚度d?？缭揭r底303、305的橫截面區(qū)域，所施加的電壓V及 電介質層厚度d兩者本質上恒定。另外，在利用機械壓縮力的常規(guī)方法中，將需使處置襯底 及/或襯底組合件從一個機器移動到下一機器及/或將需使力產生機器移動到處置襯底及/ 或襯底組合件附近。然而，本系統(tǒng)不需要機器或襯底的任何移動且可通過調整所施加的電 壓實現(xiàn)增強接合。因而，本技術的系統(tǒng)300可W更低成本及更高處理量操作。
[0027] 圖3是根據(jù)本技術配置的接合系統(tǒng)400Γ系統(tǒng)400")的另一實施例的橫截面?zhèn)纫?圖。第一襯底403、第二襯底405及ESC 401可大體上與圖2A及2B中所描述的第一襯底303、第 二襯底305及ESC 301類似，且相似元件符號指代所述組件。然而，替代具有如圖3中所展示 的呈導電引腳或墊形式的導體，系統(tǒng)400包含等離子源424、填充有界定電禪合到等離子氣 體P的導體423的等離子氣體P的等離子腔室422。等離子氣體P導電使得等離子氣體P也為導 體。導體423(例如）可經由電元件412(例如，天線、電極等等）電連接到接地源G。如圖3中所 展示，等離子腔室422圍繞第二襯底405的至少一部分延伸。因而，第一襯底403及/或電極 404與等離子腔室422電隔離。
[0028] 等離子氣體P可為稀有、易離子化的等離子氣體，例如氣氣(Ar)、氮氣化e)、氮氣 (化)及其它氣體。等離子源424可為電感禪合等離子（"ICP")源、微波、射頻（"RF")源及/或 其它合適的源。主體中的等離子氣體用作虛擬導體。當將等離子氣體P釋放到等離子腔室 422中時，等離子氣體P使第二襯底405充電。電力供應器414的激活跨越電介質屏障420創(chuàng)造 電勢差，由此在襯底403、405之間產生靜電力F。
[0029] 在一些實施例中，系統(tǒng)400還可包含連接到等離子腔室422的真空源426,真空源 426向下吸取等離子氣體。系統(tǒng)400還可包含通常與真空腔室系統(tǒng)相關聯(lián)的額外特征，例如 電力調節(jié)器(例如，整流器、濾波器等等）、壓力傳感器及/或其它合適的機械/電子組件。
[0030] 相比于常規(guī)系統(tǒng)，系統(tǒng)400提供若干個優(yōu)勢，其包含上文參考系統(tǒng)300所論述的所 述優(yōu)勢。另外，系統(tǒng)400可減少污染，運是因為在加壓、密封等離子腔室422中實施增強接合。
[0031] 上文所描述的系統(tǒng)及方法的任一者可包含用于加速襯底處理的額外特征。舉例來 說，上文系統(tǒng)的任一者可包含用于自動化接合及/或層轉移過程的一或多個特征，例如用于 從系統(tǒng)加載及卸載襯底的頂升引腳及/或機器人轉移臂。
[0032] 由上所述，將了解本文已出于說明的目的描述本發(fā)明的特定實施例，但在不偏離 本發(fā)明的范圍的情況下，可進行各種修改。因此，僅由隨附權利要求書限制本發(fā)明。
【主權項】
1. 一種用于增強晶片接合的方法，所述方法包含： 將襯底組合件定位于單極靜電卡盤"ESC"上，所述ESC具有電極，所述電極具有導電支 撐表面； 將所述襯底組合件的第一襯底定位于所述電極的所述支撐表面上，其中所述襯底組合 件進一步包含所述第一襯底上的第二襯底； 將導體電耦合到所述第二襯底； 施加電壓到所述電極，由此在所述第一襯底與所述第二襯底之間創(chuàng)造電勢，所述電勢 在所述第一襯底與所述第二襯底之間產生靜電力。2. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其進一步包括經由所述電極將來自電力供應器的電壓 施加到所述第一襯底。3. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其進一步包括通過在所述第一襯底的頂部表面上或附 近積累第二電荷而在所述第二襯底的底部表面上或附近積累第一電荷，其中所述第一電荷 與所述第二電荷相反。4. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其進一步包括以至少200kN的力朝向所述第一襯底推進 所述第二襯底。5. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其進一步包括通過調整施加到所述第一電極的所述電 壓調整所述第一襯底與所述第二襯底之間的所述靜電力。6. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其進一步包括跨越所述第一襯底的頂部表面及所述第 二襯底的底部表面均勻分布所述靜電力。7. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述導體包括接觸墊，且將所述第二襯底電耦合到 所述導體包含定位所述接觸墊使其與所述第二襯底直接接觸。8. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述導體包括等離子氣體，且將所述第二襯底電耦 合到所述導體包括當所述等離子氣體接觸所述第二襯底時使所述等離子氣體電偏置。9. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其進一步包括當推進所述第二襯底使其抵靠所述第一 襯底時在加壓腔室中密封所述襯底組合件。10. -種用于增強第一襯底與第二襯底之間的接合的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括： 單極靜電卡盤，其具有經配置以接納所述第一襯底的支撐表面，所述卡盤包含電介質 基底及至少部分在所述電介質基底內的電極，其中所述電極的頂部表面界定經配置以直接 電接觸所述第一襯底的所述支撐表面的至少一部分； 導體，其經配置以電耦合到所述第二襯底;及 電力供應器及接地件，其分別電耦合到所述電極及導體以在所述電極與導體之間施加 電偏置。11. 根據(jù)權利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述靜電卡盤在所述電極與所述襯底組合件之 間不包含電介質層。12. 根據(jù)權利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述導體包含接觸墊。13. 根據(jù)權利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述接觸墊經配置以接觸所述第二襯底的頂部 表面的至少一部分。14. 根據(jù)權利要求10所述的系統(tǒng)，其進一步包括定位于等離子腔室中的電元件，所述電 元件經配置以在所述等離子腔室中使等離子氣體通電。15. 根據(jù)權利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述等離子腔室經配置以接觸所述第二襯底的 至少一部分且與所述第一襯底電隔離。16. 根據(jù)權利要求14所述的系統(tǒng)，其進一步包括耦合到所述等離子腔室的真空源。17. -種用于利用單極靜電卡盤增強晶片接合的方法，所述靜電卡盤包含電極，所述方 法包含： 將所述電極電耦合到第一襯底； 將導體電耦合到定位于所述第一襯底上的第二襯底，其中由電介質屏障將所述第一襯 底與所述第二襯底分隔，所述電介質屏障具有鄰近所述第二襯底的頂部表面及鄰近所述第 一襯底的底部表面;及 在所述電介質屏障的所述頂部及底部表面上同時施以反向的力。18. 根據(jù)權利要求17所述的系統(tǒng)，其進一步包括使所述第一襯底與所述第二襯底電隔 離。19. 根據(jù)權利要求17所述的系統(tǒng)，其經由所述電極將來自電力供應器的電壓施加到所 述第一襯底。20. 根據(jù)權利要求17所述的系統(tǒng)，其通過在所述第一襯底的頂部表面上或附近積累第 二電荷而在所述第二襯底的底部表面上或附近積累第一電荷，其中所述第一電荷與所述第 二電荷相反。
【文檔編號】H01L21/683GK106062938SQ201580012016
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2015年1月26日 公開號201580012016.7, CN 106062938 A, CN 106062938A, CN 201580012016, CN-A-106062938, CN106062938 A, CN106062938A, CN201580012016, CN201580012016.7, PCT/2015/12833, PCT/US/15/012833, PCT/US/15/12833, PCT/US/2015/012833, PCT/US/2015/12833, PCT/US15/012833, PCT/US15/12833, PCT/US15012833, PCT/US1512833, PCT/US2015/012833, PCT/US2015/12833, PCT/US2015012833, PCT/US201512833
【發(fā)明人】秦舒, 張明
【申請人】美光科技公司