V外延層與 SOI固持在一起，那么VOC腔中的剩余氣體將能夠在此烘焙步驟中導(dǎo)致分層。在VOC處或在 VOC周圍未發(fā)現(xiàn)經(jīng)轉(zhuǎn)移III-V層的明顯變形或分層，此指示整個(gè)所接觸區(qū)域中的高表面能 量及VOC腔內(nèi)部的氣體壓力的可能減?。ㄍㄟ^吸收或擴(kuò)散）。S = 50 y m及100 y m情況的 空洞密度在額外烘焙之后保持相同（數(shù)據(jù)未顯示），此顯示除氣過程完成及所述接合過程 的優(yōu)秀可靠性。對(duì)2個(gè)多月前接合的樣本執(zhí)行相同測(cè)試，且未注意到空洞密度及III-V變 形方面的改變（數(shù)據(jù)未顯示），此也指示BOX層中的H 2O吸收（方程式（5))不可逆。
[0076] 此處還有趣地注意到，面間空洞形成特性與材料的表面狀態(tài)密切相關(guān)聯(lián)，所述狀 態(tài)包括O 2等離子體處理之后的表面粗糙性、表面外延缺陷及羥基基團(tuán)密度等。圖15(a)及 (b)顯露在30分鐘的300°C退火之后的具有來自不同賣家的III-V材料的接合對(duì)與圖10 中所示類似的區(qū)域。不同于圖10(a)中的大小較小的空洞（直徑〈20 ym)的高密度，非VOC 區(qū)域中的空洞在圖15中顯示一個(gè)方向上甚至具有大于200 ym的任意形狀，此主要由于此 外延晶片中的較大數(shù)目的表面缺陷（其為氣體聚集的優(yōu)選成核位置n)及稍微較粗糙的表 面（其幫助氣體副產(chǎn)物迀移相對(duì)長(zhǎng)的距離在成核位置處集合）。在不具有VOC或IPOC的 Icm 2樣本上的接合失敗（數(shù)據(jù)未顯示），因?yàn)镮nP外延層在HCl溶液中的退火后襯底移除期 間完全被剝離，此指示此類型的晶片的內(nèi)在較差可接合性及嚴(yán)重的除氣問題。然而，借助如 圖15中所示的VOC仍可獲得高質(zhì)量無空洞接合，其中用紅色框突出S = IOOym及50 ym(t =9 ym)的區(qū)。其展示可潛在降低接合晶片選擇準(zhǔn)則的此過程的強(qiáng)健性及通用性，因此大 大降低總制造成本。還應(yīng)注意，盡管上文所論述的VOC模型描述一般除氣原理借助"檐槽" 層（例如，此文章中的BOX層），但在我們的實(shí)驗(yàn)中所觀察到的面間空洞密度的值僅代表在 特定條件下測(cè)試的那些特定晶片組。對(duì)與SOI及III-V材料性質(zhì)、表面化學(xué)及接合過程相 關(guān)聯(lián)的面間空洞形成特性的更詳細(xì)研究在進(jìn)行中。
[0077] 最后，通過如圖16(b)中所示意外地未向下蝕刻到BOX層來進(jìn)一步證實(shí)此論文中 所提出并展示的除氣機(jī)制，圖16(b)為圖16(a)中的黃色虛線突出的區(qū)的SEM橫截面圖像。 由于樣本的邊緣處的光致抗蝕劑積累，某一 VOC圖案不完美地轉(zhuǎn)移到SiO2硬掩模，因此導(dǎo) 致在一些VOC中未完全蝕刻穿過Si裝置。VOC中的所聚集氣體及所捕獲氣體導(dǎo)致InP薄外 延層的明顯變形，此由圖16(a)中的一些VOC位置中的那些鼓脹氣泡顯示。穿過圖16(b) 中的氣泡劈開釋放所捕獲氣體且隨后釋放內(nèi)部壓力，但在質(zhì)量上可通過沿其（100)結(jié)晶定 向的完全I(xiàn)nP破裂斷定不良接合表面能量。不同于圖8(d)中的類似橫截面圖中所示的強(qiáng) 接合，圖16 (b)中的不良接合導(dǎo)致在劈開時(shí)Si及InP單獨(dú)破裂，此顯示InP上的良好（100) 小面及Si裝置層上的粗糙小面。
[0078] 接合可縮放件
[0079] 根據(jù)圖11到13,每一 VOC看起來能夠在某一時(shí)間周期中容納來自相鄰區(qū)的有限 氣體副產(chǎn)物，因此產(chǎn)生有效區(qū)域覆蓋，如同VOC處在中心處一樣。理想地，只要區(qū)域覆蓋開 始彼此重疊從而消除"死地帶"的存在則可實(shí)現(xiàn)無空洞接合，此最可能是此文章中的S = 50 y m的情況。換句話說，如果采用具有適當(dāng)方案的VOC則可基本上消除除氣問題，而不管 晶片尺寸如何。圖17展示直徑為50mm(2英寸）、75mm(3英寸）及IOOmm(4英寸）的基于 InP的外延層到具有S = 100 y m且t = 7 y m的VOC的SOI襯底上的成功轉(zhuǎn)移。所述經(jīng)接 合晶片在3MPa壓力300°C下退火2到3小時(shí)，此顯示與Icm2樣本相同的接合質(zhì)量。據(jù)我們 所知，此處的4英寸接合為所記錄的大InP到Si直接晶片接合，即，無面間氧化物或聚合物 粘合劑層。將相同接合過程應(yīng)用于可變大小的晶片接合的成功展示使用VOC的有希望過程 可縮放性，只要晶片清潔、平坦且光滑。
[0080] 額外優(yōu)點(diǎn)
[0081] 最后注意，VOC的一些實(shí)施例的設(shè)計(jì)除前文所論述的那些外還可包涵數(shù)個(gè)更多長(zhǎng) 處及處理方便性。
[0082] 與先前所使用的IPOC(氣體及液體可流回其中）對(duì)比，使用VOC的接合在一些實(shí) 施例中將接合界面與外部環(huán)境大致完全隔離，從而改善接合穩(wěn)定性。此外，由于界面粒子、 表面劃傷或缺陷而產(chǎn)生的局部III-V破裂或剝離的負(fù)面影響較?。〝?shù)據(jù)未顯示），因?yàn)榻?jīng)接 合區(qū)域的剩余部分不受到有害氣體或液體的損壞。
[0083] 由于垂直除氣過程與常規(guī)平面中電路及組件布局的兼容性，靈活的裝置圖案設(shè)計(jì) 是可用的。
[0084] 在一些實(shí)施例中甚至針對(duì)具有小間距及相對(duì)大尺寸（即，在此文章中為S = 50ym 及t = 9 ym)的VOC在SOI襯底上產(chǎn)生小占用面積。表1列出由于缺乏經(jīng)蝕刻Si材料而 產(chǎn)生的未接合區(qū)域的百分比。最大3. 24%的面積消耗為高密度裝置集成及SOI與III-V層 之間的光學(xué)、電及熱互連留下大量空間。
[0085] 初級(jí)X射線衍射研究（數(shù)據(jù)未顯示）指示VOC甚至可充當(dāng)對(duì)空洞抑制有貢獻(xiàn)的 "應(yīng)力釋放"圖案27,從而允許熱失配膜經(jīng)受住接合后裝置處理，且最小化應(yīng)力引發(fā)的缺陷。 需要進(jìn)一步研究來理解基礎(chǔ)物理學(xué)。
[0086] 存在圖案化并形成呈正方形、圓形、矩形等或其組合的各種形狀的VOC的多種方 式。使用VOC的熱退火不需要真空也不需要形成氣體。使用具有Iym及3 ym BOX層的 SOI晶片不存在明顯差異。其均產(chǎn)生所期望的制作靈活性及低成本過程。
[0087] 討稈流稈圖
[0088] 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。
[0089] 框1800圖解說明給第一晶片圖案化通道陣列，其中所述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。
[0090] 框1802圖解說明將所述第一晶片的所述接合表面與第二晶片的頂部表面耦合。
[0091] 框1804圖解說明加熱所述經(jīng)耦合第一晶片與第二晶片。
[0092] 框1806圖解說明冷卻所述經(jīng)耦合第一晶片與第二晶片以將所述第一晶片配合到 所述第二晶片。
[0093] 總結(jié)
[0094] 引入簡(jiǎn)單的新穎垂直除氣通道（VOC)概念且詳細(xì)論述基礎(chǔ)化學(xué)。來自低溫下的接 合聚合反應(yīng)的主要?dú)怏w副產(chǎn)物H 2O及氏由SOI襯底中的厚BOX層通過VOC吸收。當(dāng)僅薄InP 外延層留在SOI襯底上時(shí)，通過恰當(dāng)選擇的VOC方案展示高達(dá)五個(gè)數(shù)量級(jí)（從>50000cm 2 到< 3cm2)的急劇面間空洞密度減小，此顯示極有效的除氣能力。300°C下所需的最小退火 時(shí)間周期在10到30分鐘之間以獲得最佳接合質(zhì)量，其也是整個(gè)除氣過程完成的時(shí)間周期。 其代表與先前平面中除氣通道（IPOC)設(shè)計(jì)相比36到108X時(shí)間減少，且對(duì)于無除氣通道的 情況甚至是更大的減少。實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)必需3MPa外部壓力來克服VOC腔中所捕獲空氣的膨 脹。通過裂紋張開方法及苛刻的分割測(cè)試來表征接合強(qiáng)度，兩者均顯示高表面能量。額外 的熱烘焙步驟也展現(xiàn)使用VOC的接合的穩(wěn)定性及可靠性。當(dāng)將相同過程應(yīng)用于具有良好及 不良可接合性的兩個(gè)不同InP外延晶片時(shí)，此VOC設(shè)計(jì)的強(qiáng)健性及通用性由相同的所展示 除氣效率證實(shí)。75mm InP晶片到SOI襯底的成功外延轉(zhuǎn)移表明有希望將其進(jìn)一步向上縮放 到較大的大小以用于大規(guī)模生產(chǎn)，此指示VOC設(shè)計(jì)是獨(dú)立于晶片等級(jí)的且代表基本解決基 于絕緣體上半導(dǎo)體的直接晶片接合中的除氣問題的方法。還提及裝置設(shè)計(jì)及制作、接合可 靠性及接合應(yīng)力最小化中的數(shù)個(gè)附帶優(yōu)點(diǎn)。因此，相同的除氣原理可應(yīng)用于其它低溫同質(zhì) 或相異材料集成，其中涉及檐槽層。此外，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，除硅及InP外，其它襯底材料 (例如，其它III-V或II-VI材料、鍺或其它材料）可用作任一襯底或兩個(gè)襯底。
[0095] 本文中所描述的是晶片接合的裝置，其具有通道以改善所述裝置的接合。根據(jù)本 發(fā)明的一個(gè)或一個(gè)以上實(shí)施例的晶片接合的裝置包含：襯底晶片，其具有掩埋氧化物層及 接合層，所述接合層具有耦合于所述接合層的接合表面與所述掩埋氧化物層之間的至少一 個(gè)除氣通道；及第二晶片，其接合到所述接合層的所述接合表面。
[0096] 此種裝置進(jìn)一步任選地包含減小所述襯底晶片與所述第二晶片之間的面間空洞 密度的所述至少一個(gè)除氣通道，所述至少一個(gè)除氣通道為多個(gè)除氣通道，所述多個(gè)除氣通 道布置成陣列，所述多個(gè)除氣通道具有一致的橫截面形狀，所述一致的橫截面形狀為大致 正方形橫截面形狀，所述正方形橫截面形狀的邊緣在2微米與10微米之間，所述陣列具有 一致的間距，所述一致的間距被選擇為在50微米與400微米之間的距離，所述襯底晶片為 硅晶片，且所述第二晶片為III-V晶片。
[0097] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或一個(gè)以上實(shí)施例的用于接合第一晶片與第二晶片的方法包 含：給所述第一晶片圖案化通道陣列，其中所述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；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；加熱所述經(jīng)耦合第一晶片與第二晶片；及冷卻所述經(jīng)耦合第一晶片與第二晶片以將所 述第一晶片配合到所述第二晶片。
[0098] 此種方法進(jìn)一步任選地包含將所述經(jīng)配合第一晶片與第二晶片退火及給所述經(jīng) 配合第一晶片與第二晶片加壓。
[0099] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或一個(gè)以上實(shí)施例的異質(zhì)結(jié)裝置包含：第一襯底，其包含裝置 層及掩埋層，其中所述裝置層包含耦合于所述裝置層的頂部表面與所述掩埋層之間的至少 一個(gè)通道；及第二襯底，其包含有源層，其中所述第一襯底的所述裝置層的所述頂部表面晶 片接合到所述第二襯底的所述有源層。
[0100] 此種裝置進(jìn)一步任選地包含減小所述裝置層的所述頂部表面與所述第二襯底的 所述有源層之間的面間空洞密度的所述至少一個(gè)通道，所述至少一個(gè)通道為多個(gè)通道，所 述多個(gè)通道布置成陣列，所述陣列具有一致的間距，且所述一致的間距被選擇為50微米與 400微米之間的距離。
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