消除多层结构的表面上存在的材料碎片的方法

专利名称：消除多层结构的表面上存在的材料碎片的方法
消除多层结构的表面上存在的材料碎片的方法
背景技术：
本发明涉及多层半导体结构的制造或通过将至少一层转印到最终基板上而制造晶片的领域。这种层转印通过将第一晶片(或初始基板)接合(例如，直接键合)至第二晶片(或最终基板)来获得，第一晶片在接合之后通常被薄化。转印层还可以包括一组件或者多种微型组件的全部或部分。更精确地说，本发明涉及在制造通过接合而形成的多层结构期间在转引层的露出表面上出现的材料碎片的问题。这种污染影响尤其在多层结构的第一晶片上执行化学蚀刻步骤之后被观察到，例如，在对第一晶片进行薄化期间，并且特别是在还不能完全稳定接合界面时被观察到。这种类型的污染尤其在制造SOS (蓝宝石(Al2O3)上硅)异质多层结构期间被观察到。 在制造多层结构期间通常使用以在化学薄化步骤之后清洁转印层的表面的技术包括通过高压喷射进行冲洗(或清洁)的步骤。一般来说，对水(或任何冲洗溶液)的高压喷射被人工施加至要清洁的晶片表面，这种技术有时被称作“喷淋清洁”。然而，本申请人已经观察到，这种技术的效率因仅可以去除存在于要清洁的晶片表面上的一小部分碎片而受到限制。而且，当前不可能使采用高压喷射的冲洗步骤的自动化达到令人满意的效果。该技术需要人为干预，限制了冲洗洗步骤的工业化。而且，目前通常使用超声波浴以在抛光步骤期间对晶片进行清洁。例如，文献EP1662560描述了一种用于处理SOI晶片的工艺，该SOI晶片在其前侧包括沿着圆形凹槽的边界的外周缘部。这种工艺特别包括依靠为该目的而设置的机器，通过抛光来去除这种缘部。这种抛光机器具体包括含有冲洗溶液的托盘。为了在抛光之后冲洗晶片，将处理后的晶片浸没在冲洗溶液中，并且在该溶液中传播超声波。在去除在抛光之后剩余的砂粒时，这种清洁技术通常提供令人满意的结果。然而，申请人已经观察到，这种类型的机器不能在化学蚀刻步骤之后令人满意地去除多层结构的露出表面上存在的材料碎片。因此，目前存在着去除在多层结构的制造期间容易出现在其表面上的材料碎片的简单且有效的方式的需要。更具体地，存在着对多层结构的第一晶片(该晶片被以化学方式蚀刻)进行有效清洁的需要。

发明内容
本发明的其中一个目的是提供一种满足上述需要的解决方案。为此，本发明提供了一种用于去除在被接合至第二晶片的第一层的露出表面上存在的材料碎片的工艺，要去除的所述碎片大于2 u m,该处理包括将至少所述第一层浸没在液体溶液中的步骤；以及在所述溶液中传播超声波的步骤，所述超声波的频率和功率被设置成在所述液体溶液中产生空化效应，以从所述露出表面去除所述碎片。应注意到，碎片的尺寸可以对应于其长度、宽度或直径。
有利的是，本发明的工艺允许去除在多层结构的制造期间，具体来说在化学蚀刻步骤期间，淀积在该多层结构的表面上的相对较大的材料碎片。该工艺的优点还在于，操作参数(超声波频率、超声波功率等)容易控制和再现。该工艺由此使得对例如在薄化步骤期间被化学蚀刻的多层结构的清洁能够工业化。所述材料碎片例如源自对所述第一层进行化学蚀刻的先前步骤。所述超声波的频率和功率优选地根据所述液体溶液的粘度设置。如下面更详细描述地，由此可以最优化本发明的去除工序的效率。而且，所述液体溶液可以是冲洗溶液。另选地，所述液体溶液可以是蚀刻溶液。因而，可以在用于化学蚀刻所述多层结构的所述第一晶片的蚀刻溶液的槽中直接执行本发明的工艺。在这种情况下，所述蚀刻溶液用作传播超声波的介质。这样，执行化学蚀刻并且去除淀积在所述第一晶片的表面上的所述材料碎片仅需要一个托盘和一种液体 溶液。所述液体溶液还可以包括以下溶液中的至少一种TMAH溶液、KOH溶液以及H3PO4溶液。根据本发明的一特定方面，要去除的所述碎片中的至少一些碎片是在对所述第一晶片进行化学蚀刻的先前步骤中形成的所述第一晶片的碎片。而且，要去除的所述材料碎片可以包括以下残留物中的至少一种源自至少位于所述第一晶片与所述第二晶片之间的接合界面处的氧化物层的氧化物残留物；源自所述第一晶片的外周边缘的硅残留物；以及源自所述第一晶片的外周边缘的微型组件的残留物。本发明还涉及一种用于制造多层结构的工艺，该工艺包括以下连续步骤-将第一晶片接合至第二晶片，以形成多层结构；-将所述结构退火；以及-将所述第一晶片变薄化，所述薄化包括化学地蚀刻所述第一晶片的至少一个步骤，所述工艺的特征在于，该工艺还包括在所述化学蚀刻步骤之后，根据上述去除工艺的实施方式中的一个去除所述第一晶片的所述露出表面上存在的材料碎片。所述工艺还可以包括在所述接合步骤之前氧化所述第一晶片的步骤。该附加的氧化步骤特别允许将氧化层放置在所述第一晶片与所述第二晶片之间的所述接合界面处，以使得更容易接合这两个晶片。在一特定实施方式中，所述化学蚀刻步骤在蚀刻溶液的槽中执行，并且在去除所述碎片期间使用的所述液体溶液是所述蚀刻溶液。


根据下面参照附图给出的描述，本发明的其它特征和优点将变清楚，附图例示了本发明的非限制示例性实施方式。在图中-图IA至图ID是示出SOI多层结构的制造的示意图；-图2按以流程图的形式示出了在图IA至图ID中例示的生产工序制造工艺的主要步骤；以及-图3示意性地示出了根据本发明的用于去除材料碎片的工艺。
具体实施例方式总体上，本发明涉及去除在多层结构的制造工艺期间出现在该多层结构的露出表面上的不必要的材料碎片。多层或复合结构通过将第一晶片接合至支承该第一晶片的第二晶片来制造。形成多层结构的晶片通常为圆形，并且可以具有各种直径，特别是100mm、200mm或300_的直径。然而，这些晶片例如可以是诸如矩形的任何形状。这些晶片优选地具有斜切边缘，即，包括上斜面和下斜面的边缘。这些斜面通常具有球面形式。然而，晶片可以具有诸如斜角(bevel)的各种形式的斜面或倒角。这些斜面的作用是使得更容易处理晶片，并且用于防止边缘碎裂，如果这些边缘是尖锐的，则可能出现碎裂，这种碎片是晶片表面的微粒污染源。
下面，参照图IA至图IB对用于制造多层结构的示例性工艺进行描述。如图IA和图IB所示，通过将第一晶片108与第二晶片110接合来形成复合结构Ilia。在这个示例中，第一晶片108是SOI结构，该SOI结构包括处于两个硅层(即，上层101和下层102)之间的中间埋置氧化物层104。第二晶片110在此由蓝宝石制成。第一晶片108和第二晶片110在此具有相同的直径。然而，它们可以具有不同的直径。优选地，两个晶片108和110中的至少一方在接合之前就已经被氧化。具体地，一旦执行了接合，这种氧化就在两个晶片之间提供中间氧化物层。这种氧化是通过在氧化介质中进行热处理而获得的。在这里描述的示例中，第一晶片108在接合之前被氧化，以在第一晶片的整个表面上形成氧化物层106。另选地，在接合至第二晶片110之前，可以把被称作接合氧化物层的氧化物层淀积在第一晶片108的要接合的一侧上，第二晶片110还可以包括表面氧化物层。由此，在第一晶片108与第二晶片110之间的界面处存在接合氧化物层，使得能够在这两个晶片之间更好地接合。而且，第一晶片108具有斜切边缘，即，包括上斜面122a和下斜面122b的边缘。第二晶片110同样具有包括上斜面124a和下斜面124b的边缘。在这里描述的示例中，第一晶片108和第二晶片110通过直接键合(还称作分子键合)来接合，这种技术是本领域技术人员所公知的(步骤El )。然而，可以使用其它接合技术，例如，诸如阳极键合、金属键合或粘合剂粘接。回想到直接键合的原理是基于使两个表面发生直接接触，即，不使用特定的附加材料(粘合剂、蜡、焊料)。为实现这种操作，要接合的表面必须充分光滑、没有微粒或污染物，并且彼此充分接近(通常为小于几纳米的距离)以允许开始接触。在这种情况下，两个表面之间的吸引力强大到足以造成直接键合(要接合的两个表面中的原子或分子之间的全部电子相互吸引力(范德瓦尔斯(Van der Waals)力)所导致的键合)。应注意到，第一晶片108可以包括位于一侧上的微型组件(图中未示出)，该侧将要接合至第二晶片110，特别是在需要将具有微型组件的一层或更多层转印至最终基板的3D集成的情况下，或者在电路转印的情况下(举例来说，如在制造背光式成像器的情况下)。接着，复合结构Illa在中等温度下经受接合界面强化退火(例如，在40(TC下进行2个小时)，这种退火旨在强化第一晶片108与第二晶片110之间的接合(步骤E2)。一旦执行完这种退火，通常将第一晶片108薄化，以在支承晶片上形成具有指定厚度(例如，大约IOym)的转印层。这种薄化操作通常包括化学蚀刻操作。现在，申请人已经观察到，在涉及化学蚀刻操作的薄化步骤之后，在第一晶片108的露出表面上出现不必要的材料碎片。对这些材料碎片的深度研究使得能够理解它们的形成机制。参照图IC和图ID对该形成机制进行更详细的描述，图IC和图ID例示了薄化第一晶片108的示例性步骤。该薄化步骤通常包括两个单独的子步骤。首先使用研磨机或能够研磨第一晶片的材料的任何其它工具以机械方式薄化第一晶片108 (步骤E3)。该第一薄化子步骤去除了上层102的大部分，仅剩余残留层112 (图1C)。
接下来，在第二薄化子步骤中，化学地蚀刻残留层112 (步骤E4)。该步骤包括将复合结构Illb放置在包括蚀刻溶液126的槽中(图1D)。在这里描述的示例中，使用TMAH溶液来蚀刻第一晶片108的硅。然而，可以设想其它化学蚀刻溶液，具体根据要薄化的第一晶片的成分来选择这些溶液。例如，可以根据情况使用KOH或H3PO4溶液。处于第一晶片的层101与102之间的中间埋置氧化物层104在化学蚀刻期间用作停止层。因而，化学蚀刻在氧化物层104上停止。化学蚀刻由此去除掉在机械薄化之后剩余的残留层112。然而，申请人已经观察到，在化学蚀刻操作之后，材料碎片118存在于第一晶片116的露出表面上。这些碎片118的尺寸通常大于2 ii m。研究表明，这些材料碎片是源自于第一晶片的边缘的碎屑。更精确地，第一晶片和第二晶片的斜切边缘造成了在这两个晶片的外周处接合这两个晶片的问题。尽管进行了中等温度接合界面强化退火，但位于下斜面122b附近的、第一晶片108的外周的环形部分未被很好地接合(而且甚至可能根本未接合)至第二晶片110。第一晶片的厚度在机械和化学薄化步骤期间的减小显著削弱了第一晶片在下斜面122b附近的边缘。在化学蚀刻操作期间的横向蚀刻更加削弱了第一晶片的未接合(或弱接合)的外周区域。这种额外削弱通常导致在被薄化的第一晶片的外周处的不可控的破裂。这些破裂导致了易于淀积在被薄化的第一晶片116的露出表面上的碎屑或材料碎片的形成。因此，含有氧化物的并且可能含有硅的碎片可污染被薄化的第一晶片116的露出表面(图1D)。在薄化过程中，当第一晶片的剩余厚度不允许该第一晶片在外周支承其自身重量时，这种破裂特别在化学蚀刻期间出现。其呈现为，一旦达到这种临界阶段，第一晶片在下斜面122b附近的外周部分就会崩溃，由此产生不必要的材料碎片118。而且，申请人观察到，这些材料碎片118通常相对较大。通常，这些碎片118的尺寸至少为2pm。这些碎片的大尺寸主要根据它们的形成机制(上述崩溃)来说明。由于它们的大尺寸，这种碎片不能通过常规超声清洁工艺有效去除。还应注意到，这些碎片118可以包含源自于埋置在第一晶片中的一侧(被接合至第二晶片110的一侧)上的任何微型组件的电路残留物。因此，申请人开发出这样一种用于去除在多层结构的制造期间可能出现在该多层结构的表面上的任何材料碎片的工艺。参照附图2和3对本发明的示例性实施方式进行描述。在执行化学蚀刻后(图1D)，对多层结构Illc进行冲洗，接着将其放置在盛有冲洗溶液130的托盘128(或碟)中，如图3所示。这种冲洗溶液例如可以是去离子水(DIW)。然而，还可以设想其它冲洗溶液。接着，中浸没了复合结构Illc的冲洗溶液中传播频率高于20kHz的、例如通过液体传导的超声波，即，机械波和弹性波。这些超声波例如可以通过使压电换能器按指定频率和功率振荡(例如，利用超声清洁器)来产生。然而，在本发明的背景下，可以设想其它超声换能器(磁致伸缩换能器、气 动发生器等)。超声波在特定条件下的发射在冲洗托盘128中造成所谓的声空化效应。更具体地，超声波在冲洗溶液130中造成相当大的压降。如果这些压降达到临界阈值，则它们造成在冲洗溶液130中形成气泡。这些气泡被通称空化气泡。因为空化气泡特别不稳定，所以空化气泡在它们遇到被薄化的第一晶片116的露出表面时向内破裂。在它们向内破裂时，这些气泡可以发出冲击波，该冲击波强到足以使存在于薄化的第一晶片116的暴露表面上的材料碎片118破碎、脱黏和散开。在与一旦从薄化的第一晶片116的暴露出表面脱粘黏后，该材料碎片118就通过被重新清洗溶液130去除掉。导致这种空化效应的压降的大小主要取决于所发射超声波的频率和功率。申请人观察到，为获取能够去除尺寸至少为2 y m的碎片的空化效应，所使用的超声波必须具有低频率。换句话说，这个频率必须处在20kHz与IOOOkHz之间的频带中。频率越接近该频带的下限(即，20kHz)，被本发明的工艺去除的碎片就越大。在一特定实施方式中，超声波的频率位于20kHz与500kHz之间，并且甚至位于20kHz与IOOkHz之间。在一变型例中，该频率位于700kHz与IOOOkHz之间。然而，冲洗溶液130的粘度也对获得的压降的大小具有影响。这是因为冲洗溶液130的粘度越高，获得空化效应就越加困难。因此，推荐使传播超声波的液体溶液的粘度最小化。通常，液体溶液的粘度在25°C时必须为30mPa. s (即，30cP)或更小。应注意到，在本文献中，术语“粘度”被理解成表示介质的动态粘度。因此，超声波的频率和功率将根据冲洗溶液130的粘度来设置。还可以使液体溶液的温度与所考虑情况相匹配。具体地，溶液的温度越高，溶液的粘度就下降得越多。因此，可以加热传播超声波的液体溶液，以便获取低于30mPa. s的粘度。而且，改变超声波的功率改变了去除材料碎片118的速率。因此，超声波的功率越大，去除速率就越高。例如，功率被设置成处于600W与1200W之间。下表整理了实验性条件，这些条件通常可以应用以获取使得可以去除薄化的第一晶片116的表面上的材料碎片118的空化效应
权利要求
1.一种用于去除在第一层(116)的露出表面上存在的材料碎片(118)的工艺，所述第一层(116)被接合至第二晶片(110)，要去除的所述碎片大于2 u m,该工艺包括 -将至少所述第一层浸没在液体溶液(126、130)中的步骤；以及 -在所述溶液中传播超声波的步骤，所述超声波的频率和功率被设置成在所述液体溶液中产生空化效应，以从所述露出表面去除所述碎片。
2.根据权利要求I所述的工艺，其中所述碎片从化学蚀刻所述第一层的先前步骤(E4)产生。
3.根据权利要求I和2中任一项所述的工艺，其中所述超声波的频率和功率根据所述液体溶液的粘度而设置。
4.根据权利要求I至3中任一项所述的工艺，其中所述溶液是冲洗溶液(130)。
5.根据权利要求I至3中任一项所述的工艺，其中所述溶液是蚀刻溶液(126)。
6.根据权利要求I至5中任一项所述的工艺，其中所述溶液包括以下溶液中的至少一种TMAH溶液、KOH溶液以及H3PO4溶液。
7.根据权利要求I至6中任一项所述的去除工艺，其中要去除的所述材料碎片(118)中的至少一些是在化学蚀刻所述第一层的先前步骤期间形成的所述第一层(116)的碎片。
8.根据权利要求I至7中任一项所述的工艺，其中要去除的所述材料碎片包括以下残留物中的至少一种源自至少位于所述第一层(116)与所述第二晶片(110)之间的接合界面处的氧化物层(106)的氧化物残留物；源自所述第一层的外周边缘的硅残留物；以及源自所述第一层的外周边缘的、来自微型组件的残留物。
9.一种用于制造多层结构的工艺，该工艺包括以下连续步骤 -将第一晶片(108)接合至第二晶片(110)以形成多层结构(Illa); -将所述结构退火；以及 -将所述第一晶片薄化，所述薄化包括化学蚀刻所述第一晶片的至少一个步骤， 该工艺的特征在于，该工艺还包括在所述化学蚀刻步骤之后，利用根据权利要求I至6中任一项限定的去除工艺去除存在于被薄化的第一晶片(116)的所述露出表面上的材料碎片(118)。
10.根据权利要求9所述的制造工艺，所述工艺还包括在所述接合步骤之前氧化所述第一晶片的步骤。
11.根据权利要求9和10中任一项所述的制造工艺，其中所述化学蚀刻步骤在蚀刻溶液(126)的槽中执行，并且其中在去除所述碎片期间使用的所述溶液是所述蚀刻溶液。
全文摘要
本发明涉及消除接合至第二晶片(110)的第一晶片(116)的露出表面上存在的材料碎片(118)的方法，该方法包括以下步骤将所述第一晶片(116)放置在液体溶液中；以及在该溶液中传播超声波。本发明还涉及用于制造多层结构(111)的工艺，该工艺包括以下连续步骤将第一晶片接合至第二晶片以形成多层结构；将该结构退火；以及将第一晶片薄化，所述薄化包括化学蚀刻第一晶片的至少一个步骤。该工艺还包括以下步骤在化学蚀刻步骤之后，消除被薄化的第一晶片(116)的露出表面上存在的材料碎片(118)。
文档编号H01L21/02GK102763191SQ201180010480
公开日2012年10月31日 申请日期2011年2月7日 优先权日2010年2月26日
发明者B·奥斯特诺德 申请人:索泰克公司