垂直除氣通道的制作方法
【專利說明】
[0001] 分案申請(qǐng)的相關(guān)信息
[0002] 本案是分案申請(qǐng)。該分案的母案是申請(qǐng)日為2009年1月14日、申請(qǐng)?zhí)枮?200980102158. 7、發(fā)明名稱為"垂直除氣通道"的發(fā)明專利申請(qǐng)案。
[0003] 相關(guān)申請(qǐng)案奪叉參考
[0004] 本申請(qǐng)案請(qǐng)求對(duì)2008年1月14日由梁迪（Di Liang)提出申請(qǐng)且標(biāo)題為"垂 直除氣通道（VERTICAL OUTGASSING CHANNELS) " 的美國(guó)申請(qǐng)案第 61/020, 920 號(hào)的 35U. S.C. § 119(e)項(xiàng)下的權(quán)益，所述申請(qǐng)案以引用方式并入本文中。
[0005] 關(guān)于由聯(lián)邦政府發(fā)起的研究或開發(fā)的聲明
[0006] 本發(fā)明是根據(jù)美國(guó)陸軍資助的授予號(hào)W911NF-06-1-0496在政府支持下進(jìn)行的。 政府對(duì)本發(fā)明具有某些權(quán)利。
技術(shù)領(lǐng)域
[0007] 本申請(qǐng)涉及垂直除氣通道。
【背景技術(shù)】
[0008] 相關(guān)技術(shù)的說明
[0009] (注意：本申請(qǐng)案參考多篇不同出版文獻(xiàn)，其在整篇說明書中由括號(hào)內(nèi)的一個(gè)或 一個(gè)以上參考編號(hào)（例如，[參考編號(hào)X])指示或以上標(biāo)形式指示。在下文標(biāo)題為"參考文 獻(xiàn)"的章節(jié)中可找到根據(jù)這些參考編號(hào)排序的這些不同出版文獻(xiàn)的列表。這些出版文獻(xiàn)中 的每一者以引用方式并入本文中。）
[0010] 由于來自直接帶隙材料的所需功能性及標(biāo)準(zhǔn)低成本CMOS制造技術(shù)的吸引力，低 溫直接晶片接合有利于相異材料集成，尤其在III-V族化合物半導(dǎo)體到硅的集成中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本申請(qǐng)的一個(gè)方面涉及一種晶片接合的裝置，其包含：襯底晶片，其具有掩埋氧化 物層及接合層，所述接合層具有在垂直除氣通道VOC區(qū)域內(nèi)的多個(gè)除氣通道，每一通道耦 合于所述接合層的接合表面與所述掩埋氧化物層之間，其中每一除氣通道處于深度方向上 并界定閉合腔，其中所述多個(gè)除氣通道經(jīng)定尺寸和設(shè)置以使得在晶片接合期間生成的氣體 副產(chǎn)物穿過所述多個(gè)除氣通道并且擴(kuò)散進(jìn)入所述掩埋氧化物層；及第二晶片，其在接合界 面處接合到所述接合層的所述接合表面；其中所述接合界面的特征在于具有等于或小于約 1500cm 3的空洞密度。
[0012] 本申請(qǐng)的另一方面涉及一種用于接合第一晶片與第二晶片的方法，其包含：給所 述第一晶片圖案化垂直除氣通道VOC區(qū)域內(nèi)的多個(gè)通道，其中所述多個(gè)通道連接所述第一 晶片的接合表面與所述第一晶片的掩埋氧化物層，且其中所述多個(gè)通道的每一者處于深度 方向上并界定閉合腔，且其中所述多個(gè)通道在所述VOC區(qū)域內(nèi)被安排為二維布置；將所述 第一晶片的所述接合表面與所述第二晶片的頂部表面耦合；通過將經(jīng)耦合的所述第一晶片 和所述第二晶片加熱到小于或等于400°C的溫度用以一退火時(shí)間來形成結(jié)合所述第一晶片 和所述第二晶片的接合界面，所述退火時(shí)間小于或等于約120分鐘，其中所述接合界面的 特征在于具有小于或等于約1500cm 3的界面空洞密度。
【附圖說明】
[0013] 現(xiàn)在參照?qǐng)D式，在所有圖式中相同參考編號(hào)代表對(duì)應(yīng)部件：
[0014] 圖1圖解說明穿過頂部非無定形材料層以將氣體副產(chǎn)物擴(kuò)散引導(dǎo)到下面的無定 形層中以實(shí)現(xiàn)有效除氣的VOC的示意圖。
[0015] 圖2圖解說明針對(duì)垂直通道間距（即，密度）研究的掩模設(shè)計(jì)。
[0016] 圖3圖解說明附接于SOI襯底上的直接接合的2 y m厚InP外延層在選擇性地移 除InP襯底之后的Nomaski模式顯微鏡圖像，其顯示無空洞接合在具有100 y m的間距的垂 直除氣通道所位于的突出區(qū)域，而大量界面空洞（平均密度為9X103cm 2,最高達(dá)IxlO6Cm 2， 直徑2到20 ym)出現(xiàn)在不存在除氣通道的邊界處。
[0017] 圖4圖解說明6 ym寬的垂直除氣通道與直接接合于頂部上的InP外延材料在2 小時(shí)的300°C下退火之后的SEM橫截面圖像。
[0018] 圖5圖解說明直接接合于具有可變除氣通道間距的SOI上的InP外延層的面間空 洞密度對(duì)通道間距及通道區(qū)域百分比。插入照片顯示具有垂直除氣通道設(shè)計(jì)的SOI上的直 接接合2 X2cm2InP外延材料的照片，其顯示似鏡面、無空洞外延層轉(zhuǎn)移。
[0019] 圖6圖解說明面間空洞密度對(duì)退火時(shí)間，其顯示可實(shí)現(xiàn)短退火同時(shí)仍維持低空洞 密度。
[0020] 圖7圖解說明轉(zhuǎn)移到SOI襯底的InP薄外延層在（a)不存在除氣通道的情況下進(jìn) 行2小時(shí)；(b)不存在除氣通道的情況下進(jìn)行15小時(shí)；(c)僅存在由黃色虛線突出的平面中 除氣通道（IPOC)的情況下進(jìn)行15小時(shí)；及（d)存在平面中除氣通道以及SOI襯底上的閉 路裝置圖案的情況下進(jìn)行15小時(shí)的300°C退火之后的Nomaski模式顯微鏡圖像。所有圖中 的比例尺為200 ym。
[0021] 圖8圖解說明（a)在與InP外延層接觸之前及（b)在與InP外延層接觸之后SOI 襯底上的垂直除氣通道（VOC)的示意性卡通圖；（c)顯示所蝕刻VOC的SEM圖像的側(cè)視圖； (d) VOC與接合于頂部上的InP外延層的SEM橫截面圖，其顯示緊密接觸而無變形或分層。
[0022] 圖9圖解說明為研究作為通道間距S及大小t的函數(shù)的除氣效率的實(shí)驗(yàn)的VOC圖 案設(shè)計(jì)。
[0023] 圖10圖解說明InP-SOI接合對(duì)在30分鐘的300°C退火之后的Nomaski模式顯 微鏡圖像，其顯示（a)VOC區(qū)（S = 50 ym)與非VOC角落之間，及（b)VOC區(qū)（S = 50 ym及 IOOym)之間的明顯對(duì)比，其中所述區(qū)之間存在Imm寬的非VOCSfi0
[0024] 圖11圖解說明在3MPa的外部壓力300°C下退火2小時(shí)的接合對(duì)的面間空洞密度 對(duì)乂0(：間距3 = 400、200、100及50 11111及大小七=9、7、5及3 11111。繪制出關(guān)于圖7(3)中 的樣本的空洞密度作為參考。
[0025] 圖12圖解說明在3MPa的外部壓力300°C下退火的接合對(duì)的VOC間距S = 400、 200、100及5011111以及固定大小〖=9^111的作為退火時(shí)間周期10、20及120分鐘的函數(shù)的 面間空洞密度。
[0026] 圖13圖解說明七=74!11且3=100的接合對(duì)在1小時(shí)的300°(：下退火之后的作 為外部壓力的函數(shù)的面間空洞密度，其顯示與用于IPOC設(shè)計(jì)的常規(guī)I. 24MPa壓力對(duì)比，VOC 設(shè)計(jì)需要3MPa。插入：在施加3MPa壓力的情況下，2x2cm2似鏡面InP外延層轉(zhuǎn)移到SOI襯 底。
[0027] 圖14圖解說明（&)3 = 5〇111]1且七=9111]1接合對(duì)及（。)3=10〇111]1且七=711111 接合對(duì)在30分鐘的300°C退火之后的紅外透射圖像，其中VOC區(qū)由黃色點(diǎn)線框突出。（b) 及（d)分別為（a)及（c)的俯視顯微鏡圖像，其進(jìn)一步展示VOC區(qū)處的強(qiáng)接合，（e)為僅~ 2 ym厚的InP外延層接合于SOI襯底上的經(jīng)分割接合樣本的俯視顯微鏡圖案。最大6. 2 ym 的脫落指示接合界面處的高表面能量。
[0028] 圖15圖解說明使用具有比圖（3)中的InP外延晶片相對(duì)差的可接合性的另一 InP 外延晶片的InP-SOI接合對(duì)的Nomaski模式顯微鏡圖像。在30分鐘的300°C退火之后，在 VOC及非VOC區(qū)處可見空洞形成方面的類似對(duì)比。
[0029] 圖16圖解說明轉(zhuǎn)移到SOI襯底的InP外延層的Nomaski模式顯微鏡俯視圖像（a)， 其中一些VOC未蝕刻穿過Si裝置層，顯示于穿過（a)中的黃色虛線框劈開的SEM橫截面圖 像（b)中。
[0030] 圖17圖解說明在2到3小時(shí)的300°C退火之后的直接接合到具有t = 7 ym且S =100 y m的VOC的SOI襯底的50mm(2英寸）、75mm(3英寸）及IOOmm(4英寸）InP外延層， 其顯示導(dǎo)致一些反射的似鏡面外延轉(zhuǎn)移，即，亮條針對(duì)50mm的InP外延層且暗條針對(duì)75及 IOCtam的InP外延層。
[0031] 圖18圖解說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或一個(gè)以上實(shí)施例的過程流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 在對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的以下說明中，參照形成本文的一部分且其中以說明方式顯示可 實(shí)踐本發(fā)明的具體實(shí)施例的附圖。應(yīng)理解，可利用其它實(shí)施例并且可在不背離本發(fā)明范圍 的情況下做出結(jié)構(gòu)性改變。
[0033] 概沭
[0034] 由于來自直接帶隙材料的所需功能性及標(biāo)準(zhǔn)低成本CMOS制造技術(shù)的吸引力，低 溫直接晶片接合有利于相異材料集成，尤其在III-V族化合物半導(dǎo)體到硅的集成中。然 而，不同于成熟的硅到硅或310 2接合技術(shù)，化合物半導(dǎo)體到硅接合中嚴(yán)格需要低溫退火 (〈400°C)以最小化熱脹失配引發(fā)的應(yīng)力及潛在熱材料降級(jí)。由于缺乏高退火溫度以將氣 體副產(chǎn)物（大部分為H 2O蒸汽且一些為H2、隊(duì)及CO 2)有效地驅(qū)使出接合界面，因此面間空 洞可能在接合界面處形成。
[0035] 本發(fā)明展示通過采用垂直除氣通道（VOC)設(shè)計(jì)而實(shí)現(xiàn)無定形材料上非無定形材 料襯底（例如，絕緣體上硅（SOI))上的無空洞低溫直接晶片接合的有效方法。
[0036] 垂直除氣通道
[0037] 圖1顯示實(shí)質(zhì)上為穿過頂部非無定形材料層以將氣體副產(chǎn)物擴(kuò)散引導(dǎo)到下面的 無定形層中以實(shí)現(xiàn)有效除氣的孔的VOC的示意圖。
[0038] 盡管顯示為SOI上InP，但在本發(fā)明的范圍內(nèi)可使用其它材料，無定形材料及非無 定形材料兩者。如圖1中所示，InP外延材料直接接合到SOI晶片上，且迀移到最靠近的VOC 的H2O分子通過與橋接氧離子組合并形成穩(wěn)定非橋接羥基基團(tuán)對(duì)（Si-OH)而快速淬滅于掩 埋氧化物（BOX)層中。為研究此方法的有效性，將圖2中具有各種通道間距50、100、200及 400 ym的VOC(在尺寸上為6x6 ym)區(qū)圖案化于I. 1x1. Icm2SOI樣本上，其中存在Imm寬的 無VOC包圍邊界以消除來自鄰近區(qū)段及邊緣的潛在互動(dòng)。然后在樣本清潔之后執(zhí)行0 2等 離子體輔助晶片接合過程以在室溫下實(shí)現(xiàn)InP-SOI自發(fā)附接。
[0039] 在I. 5MPa外部壓力300°C下的短退火（10到120分鐘）之后，在HCl溶液中選擇 性地移除InP襯底，從而產(chǎn)生到SOI上的~2 y m厚外延層轉(zhuǎn)移。圖3中的Nomaski模式的 顯微鏡圖像（50x)顯示2小時(shí)退火樣本上的強(qiáng)烈對(duì)比，其中在具有VOC(K)O ym間距）的區(qū) 域處實(shí)現(xiàn)無氣泡接合，而高密度（平均9X104cm2)空洞均勻分布于邊界區(qū)域中，此展現(xiàn)高度 有效的除氣能力。在VOC區(qū)中，如被劈開樣本的掃描電子顯微鏡橫截面圖像（圖4)中所示， InP外延層緊緊地接合到S0I，其中在VOC區(qū)域中未觀察到InP變形。與無VOC的直接接合 的樣本相比，面間空洞密度在圖5中已極大地從保守計(jì)數(shù)9236cm 2減小到零，而通道間距方 面差別不大。還注意到占總接合面積的〈1. 5%的小不動(dòng)產(chǎn)占用面