Brevet FR2963982A1 — publié le 20120224

PROCEDE DE COLLAGE A BASSE TEMPERATURE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR L'invention concerne le collage, à basse température, d'un premier substrat, d'une plaque ou d'une puce avec un second substrat, plaque, ou puce. On cherche à obtenir un collage ayant la meilleure qualité possible et la meilleure énergie de collage possible, malgré les basses températures mises en oeuvre. L'invention trouve en particulier son application dans le domaine de la fabrication des substrats composites, ou dans l'intégration 3D de composants. De manière plus générale, elle peut trouver application pour toute réalisation de structure par collage direct (ou « moléculaire ») lorsque la structure ne peut subir de traitement thermique à haute température du fait de la présence de composant ou de la nature des matériaux. L'invention s'applique de manière préférentielle à des structures qui ne peuvent résister à des températures de traitement élevées, en particulier du fait de la présence de composants ou de circuits ou de micro composants dans l'un des éléments à assembler. L'ouvrage « Wafer level 3 ICs Process technology » C.S. Tan et al. Editors, p. 197-217 présente une revue de la technologie 3D. Il divulgue un procédé de collage comportant un dépôt d'une couche de collage à basse température et un recuit de dégazage de 2 cet oxyde à une température supérieure à la température de dépôt de cet oxyde. A leur tour, ces défauts peuvent affecter l'énergie de collage. Lorsqu'on met en oeuvre cette technique, on observe la présence de défauts à l'interface de collage. Il se pose donc le problème de trouver un nouveau procédé de réalisation de l'assemblage de deux éléments, par des couches de collage, a basse température. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention concerne d'abord un procédé d'assemblage d'un premier élément comportant au moins un premier substrat ou au moins une puce, et d'un deuxième élément comportant au moins un second substrat, ce procédé comportant : a) formation d'une couche superficielle de collage, sur chaque substrat, dont au moins une à une température inférieure ou égale à 300 °C ; b) un premier recuit, dit recuit de dégazage, des couches de collage, avant assemblage, au moins en partie à une température au moins égale à la température ultérieure (Ir) de renforcement de l'interface de collage, mais inférieure à 450°C; c) un assemblage des substrats par mise en contact des surfaces exposées des couches de collage, d) un recuit de la structure assemblée à une température de renforcement (Ir) de l'interface de collage, inférieure à 450°C. 3 Au moins l'une des deux couches de collage peut être formée par dépôt, par exemple par dépôt de type PECVD ou LPCVD. Au moins l'une des couches de collage peut 5 être de type oxyde ou nitrure, par exemple oxyde de silicium SiO2 ou nitrure de silicium Si3N4. L'étape b) de recuit peut comporter : - la génération d'une rampe de température, pour amener la température, progressivement depuis une 10 température ambiante à une température au moins égale à la température de recuit après assemblage, - et/ou, pendant une durée par exemple comprise entre 10 ou 30 minutes et 2h ou 5h, le maintien de la température à au moins la température 15 ultérieure (Ir) de renforcement de l'interface de collage, mais inférieure à 450°C. Un procédé selon l'invention peut comporter en outre, avant l'étape c) ou avant l'étape b), une étape de préparation de surface des couches 20 superficielles poreuses en vue de l'étape d'assemblage. L'assemblage de l'étape c) est par exemple de type adhésion moléculaire. Au moins l'un des premier substrat ou puce et du second substrat peut comporter un ou plusieurs 25 composants. Un procédé selon l'invention peut d'ailleurs comporter, avant l'étape c) d'assemblage, une étape de découpage individuel de l'un des substrats, en vue de former une ou plusieurs puces à 30 assembler avec l'autre substrat. 4 Au moins l'un des substrats ou puces peut être au moins en partie en un matériau semi-conducteur, par exemple en silicium. L'invention concerne également une hétéro structure, comportant un premier élément comportant au moins un premier substrat ou au moins une puce, et un deuxième élément comportant au moins un second substrat, chaque élément comportant une couche superficielle poreuse, dite couche de collage, les deux éléments étant assemblés via les couches de collage, l'assemblage ayant une énergie de collage au moins égale à 3 J/m2. Au moins l'une des couches de collage peut être de type oxyde ou nitrure, par exemple oxyde de silicium ou nitrure de silicium. Au moins l'un des substrats ou puces peut être, au moins en partie, en un matériau semi-conducteur, par exemple en silicium. De préférence, l'assemblage entre les couches de collage est de type adhésion moléculaire. De préférence encore, au moins l'un des premier substrat ou puce et du second substrat comporte un ou plusieurs composants. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS Les figures 1A à 1C représentent un mode de réalisation d'un procédé selon l'invention ; Les figures 2A à 2C représentent diverses courbes d'évolution de la température au cours d'une étape de traitement de couches de collage, avant assemblage, conformément à l'invention ; Les figures 3A à 3C représentent une variante d'un procédé selon l'invention. La figure 4 représente des mesures réalisées dans le cadre d'essais comparatifs. 5 EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION DE L'INVENTION Un premier exemple de réalisation de l'invention est représenté en figures 1A - 1D. On forme une couche de collage, ici une couche d'oxyde mince 4 à la surface d'un premier substrat 2 (figure 1A), qui est par exemple en matériau semi-conducteur, avantageusement en silicium ou en alumine (Al203) ou en verre ou en germanium. Cette couche de collage est formée à basse température, inférieure à 300°C. L'oxyde est par exemple un oxyde de silicium SiO2, dont une technique de dépôt peut être la technique PECVD. Un gaz précurseur peut être par exemple de type TEOS (tetra-ethyl-ortho-silicate) ou SiH4 ou N2. Cette couche d'oxyde a une épaisseur el par exemple comprise entre 200 nm et 4 }gym. Le substrat 2 contient des moyens, désignés globalement par la référence 6, permettant d'assurer une ou plusieurs fonctionnalités électriques ou électroniques ou autres, par exemple un ou plusieurs composants électroniques et/ou optiques et/ou un ou plusieurs MEMS et/ou NEMS. Une autre couche de collage, ici une couche d'oxyde mince 14, est formée sur un deuxième substrat 12 (figure 1B), qui est par exemple en matériau semi-conducteur, là encore avantageusement en silicium ou en verre ou en germanium. Cette couche de collage est 6 formée à basse température, inférieure à 300°C. L'oxyde est par exemple un oxyde de silicium SiO2, dont une technique de dépôt peut être la technique PECVD. Un gaz précurseur peut être l'un de ceux déjà indiqués ci- dessus. Cette couche d'oxyde a une épaisseur e2 par exemple comprise entre 200 nm et 4 pm. Le substrat 12 peut éventuellement comporter lui aussi des moyens, désignés globalement par la référence 16, permettant d'assurer une ou plusieurs fonctionnalités électriques ou électroniques ou autres, par exemple un ou plusieurs composants électroniques et/ou optiques et/ou un ou plusieurs MEMS et/ou NEMS. Chacune des couches de collage 4, 14 obtenues est poreuse et peu dense. D'une manière générale, dans un procédé selon l'invention, la température est maintenue inférieure à 450°C ou même à 400°C, du fait de la présence de composants 6, 16 dans l'un et/ou l'autre des substrats. Cette condition est respectée en ce qui concerne l'étape de formation de la couche de collage, puisque, comme indiqué ci-dessus, cette étape est réalisée à une température inférieure à 250°C ou 300°C ou 350°C. Chacune des couches 4, 14 peut être formée par dépôt, par exemple de type LPCVD ou PECVD. Avant assemblage des deux substrats, on procède à un premier recuit des couches 4, 14 de collage. Au cours de ce recuit, la température à laquelle sont soumises ces couches 4, 14 atteint au moins la température Tr qui sera ensuite utilisée pour, après assemblage, procéder à un renforcement de 7 l'interface de collage. Cette température de renforcement Tr est elle-même inférieure à la température maximale Tmax utilisable, du fait de la présence de composants 6, 16, par exemple 400° C ou 450° C. Par exemple, la température monte progressivement, selon une rampe, à partir de la température ambiante, jusqu'à atteindre au moins la température de renforcement Ir, ou une température supérieure à celle-ci, mais inférieure à la température maximale Tmax utilisable. Un exemple d'une telle rampe est représenté en figure 2A, sur laquelle la température monte très progressivement, par exemple avec une pente comprise entre 1°C/min et quelques °C/min, par exemple entre 1°C/min et 5°C/min, atteint la température de renforcement Ir, par exemple 350° C, puis est maintenue à cette température Tr pendant quelques heures. Selon une variante, représentée en traits interrompus, la température peut croître, avec une pente comme ci-dessus, jusqu'à une température T' supérieure à la température de renforcement Ir, comprise entre cette dernière et la température maximum Tmax, cette dernière étant par exemple égale à 400°C ou 450° C. Selon une autre possibilité, représentée en figure 2B, la température croît très rapidement jusqu'à la température de renforcement Tr, puis est stabilisée à cette valeur pendant une ou plusieurs heures. Selon une variante, représentée en traits interrompus, la température croît très rapidement jusqu'à une 8 température T' supérieure à la température de renforcement Tr, comprise entre cette dernière et la température maximum Tmax, qui est par exemple égale à 400°C ou 450° C. Encore une autre possibilité est représentée en figure 2C, sur laquelle la température croît très progressivement, par exemple avec une pente comprise entre 1 et quelques °C/min, par exemple entre 1°C/min et 5°C/min, atteint la température de renforcement Tr, par exemple 350° C, puis est maintenue à cette température pendant une durée assez brève, par exemple comprise entre 10 minutes et 2 heures, puis est ramenée progressivement à la température ambiante. Selon une variante, représentée en traits interrompus, la température croît avec une pente très progressive, comme ci-dessus, atteint une température T' supérieure à la température de renforcement Tr, mais inférieure à la température maximale Tmax, puis est maintenue à cette température T' pendant une durée assez brève, par exemple comprise entre 10 minutes et 2 heures puis est ramenée progressivement à la température ambiante. La fonction de cette étape de recuit des couches 4, 14, avant assemblage, est la suivante. Chaque couche de collage, déposée à basse température, contient de nombreux contaminants, par exemple issus d'un précurseur gazeux tel que du N2O ou du type chaines carbonées. S'ils ne sont pas préalablement éliminés, ces polluants auront tendance à migrer (dégazer) pendant le recuit ultérieur de renforcement de l'interface de collage, après assemblage des deux substrats, et à former des « bulles » ou autres défauts 9 à l'interface d'assemblage de ces deux substrats. De telles bulles ne peuvent être éliminées et rendent inutilisables l'assemblage obtenu. L'étape de recuit préalable, expliquée ci- dessus en liaison avec les figures 2A - 2C, permet d'extraire ces espèces polluantes des couches de collage 4, 14, sans toutefois conduire à une réduction sensible de la porosité de ces couches. Elle permet donc, en outre, de préserver les propriétés avantageuses de collage des matériaux poreux. Compte tenu de la température de recuit, comprise entre la température maximum Tmax et la température Tr de renforcement de l'interface de collage, atteinte au cours de cette étape du recuit avant assemblage des substrats, ces espèces polluantes sont bien extraites des couches 4, 14 de collage. Elles ne seront donc pas gênantes au cours de l'étape de recuit de renforcement, puisqu'elles auront été extraites préalablement, justement à une température au moins égale à celle du recuit de renforcement. On procède ensuite (figure 1C) a un assemblage des deux substrats ainsi traités, par les surfaces libres des couches de collage 4, 14. Cette étape d'assemblage peut être précédée par une étape de traitement de préparation, par exemple un polissage mécano-chimique CMP. Enfin, on réalise un recuit des structures ainsi assemblées, à la température de renforcement Ir, inférieure ou égale à température maximale Tmax. Le procédé selon l'invention permet d'obtenir des énergies élevées de collage à 10 l'interface, de l'ordre de plusieurs J/m2, par exemple supérieure à 3 J/m2 ou à 4 J/m2, et de bonne qualité. En effet la mise en oeuvre du procédé a pour conséquence une absence de défaut de type « bulle » à l'interface de collage. L'énergie de collage peut être mesurée par exemple par la technique dite « de la lame » (ou « double cantilever technique »). Le même principe peut s'appliquer au collage d'une ou plusieurs puces sur une plaque: il suffit de découper l'une des plaques, avant ou après le premier recuit selon l'invention, pour former une ou des puces. Et ces puces sont alors assemblées individuellement sur la seconde plaque. Cet exemple est représenté de manière plus détaillée sur les figures 3A - 3C. On forme une couche de collage, ici une couche d'oxyde mince 4' à la surface d'un premier substrat 2' (figure 3A), qui est par exemple en matériau semi-conducteur, avantageusement en silicium ou en verre ou en germanium. Cette couche d'oxyde 4' est formée de la même manière (notamment avec la même température), que la couche 4 décrite ci-dessus en liaison avec la figure 1A. Elle aura donc les mêmes caractéristiques, notamment de porosité. Ce substrat est ensuite découpé en puces individuelles 22, 24, 26, 28, comme symbolisé sur la figure 3A par les traits interrompus verticaux. Chaque puce individuelle comporte elle-même un ou plusieurs circuits ou composants 22', 24', 26', 28' et est 11 surmontée d'une portion de couche de collage 4'2, 4'4, 4' 4' 6, 8 Un deuxième substrat, représenté en figure 3B, est identique au substrat qui à déjà été décrit ci- dessus en liaison avec la figure 1B, et sa couche de collage est obtenue dans les mêmes conditions que celles déjà présentées. On peut ensuite faire subir à chacune des puces individuelles 22, 24, 26, 28 et au substrat 12 de la figure 3B un traitement thermique de recuit avant assemblage, conformément à la présente invention, tel que décrit ci-dessus, par exemple avec une évolution en température selon l'un des schémas représentés sur l'une quelconque des figures 2A - 2C. Après ce recuit, on peut procéder à un assemblage des puces individuelles et du substrat 12, 14 ainsi traités, par les surfaces libres des couches de collage 4'2, 4'4, 4'6, 4'8 et 14. Cette étape d'assemblage peut être précédée par une étape de traitement de préparation, par exemple un polissage mécano-chimique CMP de la couche de collage de chaque puce individuelle et de la couche de collage 14 du substrat 12. En variante, le substrat 2' peut être découpé en puces individuelles 22, 24, 26, 28 après l'étape de recuit avant assemblage. Les autres opérations sont similaires à ce qui à déjà été décrit ci-dessus. Un exemple de réalisation va maintenant être donné. 12 On fournit une première plaque ou substrat 2 et une seconde plaque ou substrat 12, l'un au moins comportant des circuits ou microcomposants 6, 16. La configuration est donc celle qui a été décrite ci- dessus en liaison avec les figures 1A et 1B. Sur chacune des surfaces à assembler, on forme une couche 4, 14 de collage en SiO2 par une technologie LTO (formation d'oxyde à basse température, ou « low temperature oxide »), de type PECVD, à partir de précurseurs Silane et N2O ou TMS (tri methyl silane) et N2O. Ce dépôt est réalisé à basse température (inférieure ou égale à 250°C). Ce type de dépôt à basse température est favorable à l'obtention d'une forte énergie de collage, car l'oxyde ainsi formé est relativement poreux et/ou présente une faible densité. Cette caractéristique permet à cette couche de collage d'absorber ultérieurement l'eau en excès prisonnière à l'interface de collage, après assemblage des substrats. Ces oxydes sont ensuite recuits suivant le procédé de l'invention: une rampe de 0,1°C/min à 5°C/min (par exemple: 1°C/min) pour atteindre une température entre 350°C et 400°C. On poursuit le recuit pendant 12h à cette température. La montée relativement lente en température assure un dégazage successif des espèces incorporées dans les oxydes de collage 4, 14, suivant leurs différentes énergies d'activation. On prépare ensuite les plaques en vue de leur assemblage, par planarisation de surface de manière à fournir une rugosité compatible avec le collage moléculaire (rugosité Cette très forte supériorité du collage en faveur du deuxième oxyde est visible quelle que soit la 15 température Tr du recuit de renforcement (200°C, 350°C, ou 400°C). Il n'y a que dans les conditions « sans recuit de renforcement» qu'il n'y a pas de différence entre les 3 matériaux. Ces essais montrent donc qu'un dépôt à basse température permet d'obtenir une certaine porosité de l'oxyde déposé, inférieure à celle obtenue avec des PECVD sous haute Température. En outre, sans recuit de renforcement, l'énergie de collage reste très faible. On voit donc bien que la combinaison d'une faible température pour la formation des couches de collage et d'un recuit de renforcement, a une température de renforcement inférieure à 450°C, conduit à un collage de qualité, d'énergie élevée. Comme indiqué ci-dessus, l'énergie de collage est égale à deux fois la valeur du paramètre y mesuré : elle atteint donc bien une valeur d'au moins 3 J/m2. Sur ces diagrammes de la figure 4, on retrouve les mêmes niveaux d'énergies de collage pour les matériaux déposés à 400°C que le niveau d'énergie représenté sur la figure 3 du document de C.S.Tan et al. « Low temperature thermal oxide to plasma-enhanced chemical vapor deposition oxide wafer bonding for thin film transfer application », Applied Physics Letters, Vol.82, n° 116, p.2649-2651, 2003. Dans ce document, les couches d'oxyde sont elles aussi déposées à 400°C. Les essais comparatifs qui sont présentés en liaison avec la figure 4 sont donc bien cohérents avec les données connues de l'art antérieur. REVENDICATIONS1. Procédé d'assemblage d'un premier élément comportant au moins un premier substrat (2) ou au moins une puce (22, 24, 26, 28), et d'un deuxième élément comportant au moins un second substrat (12), ce procédé comportant : a) la formation d'une couche superficielle (4, 4'2, 4'4, 4'6, 4'8, 14), dite couche de collage, sur chaque substrat, l'une au moins de ces couches de collage étant formée à une température inférieure ou égale à 300° C C ; b) un premier recuit, dit recuit de dégazage, des couches de collage, avant assemblage, au moins en partie à une température au moins égale à la température ultérieure (Ir) de renforcement de l'interface de collage, mais inférieure à 450°C, c) un assemblage des substrats par mise en contact des surfaces exposées des couches de collage (4, 4'2, 4'4, 4'6, 4'8, 14), d) un recuit de la structure assemblée à une température de renforcement (Ir) de l'interface de collage, inférieure à 450°C. 2. Procédé selon la revendication 1, l'une au moins des couches de collage étant obtenue par dépôt PECVD ou LPCVD. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, l'une au moins des couches de collage étant de type oxyde ou nitrure. 17 4. Procédé selon la revendication 3, l'une au moins des couches de collage étant un oxyde de silicium. 5. Procédé selon la revendication 1 à 4, l'une au moins des couches de collage étant formée à une température inférieure ou égale à 250° C. 6. Procédé selon la revendication 1 à 5, la température (Ir) de renforcement de l'interface de collage étant inférieure à 400°C. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, l'étape b) de recuit de la structure avant assemblage comportant la génération d'une rampe de température, par exemple comprise entre 1°C/min et 5°C/min. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, l'étape b) de recuit de la structure avant assemblage comportant, pendant une durée par exemple comprise entre 10 minutes ou 30 minutes et 2h ou 5h, le maintien de la température à au moins la température ultérieure (Ir) de renforcement de l'interface de collage, mais inférieure à 450°C. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, comportant en outre, avant l'étape c) ou avant l'étape b), une étape de préparation de surface des couches superficielles poreuses en vue de l'étape d'assemblage. 18 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, l'assemblage de l'étape c) étant de type adhésion moléculaire. 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, au moins l'un des premier substrat ou puce et du second substrat comportant un ou plusieurs composants (6, 16, 22', 24', 26', 28'). 12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 11, comportant, avant l'étape c) d'assemblage, une étape de découpage individuel de l'un des substrats, en vue de former une ou plusieurs puces à assembler avec l'autre substrat. 13. Procédé selon l'une des revendications précédentes, au moins l'un des substrats ou puces étant au moins en partie en un matériau semi-conducteur, par exemple en silicium. 20 14. Hétéro structure, comportant un premier élément comportant un premier substrat (2) ou au moins une puce (22, 24, 26, 28), et un deuxième élément comportant un second substrat (12), chaque élément 25 comportant une couche superficielle poreuse (4, 4'2, 4'4, 4'6, 4'8, 14), dite couche de collage, les deux éléments étant assemblés via les couches de collage, l'assemblage ayant une énergie de collage au moins égale à 3 J/m2 ou à 4 J/m2. 10 15 30 19 15. Hétéro structure selon la revendication 14, l'une au moins des couches de collage étant de type oxyde ou nitrure. 16. Hétéro structure selon l'une des revendications 14 ou 15, au moins l'un des substrats ou puces étant au moins en partie en un matériau semi-conducteur, par exemple en silicium. 17. Hétéro structure selon l'une des revendications 14 à 16, l'assemblage entre les couches de collage étant de type adhésion moléculaire. 18. Hétéro structure selon l'une des 15 revendications 14 à 17, au moins l'un des premier substrat ou puce et du second substrat comportant un ou plusieurs composants (6, 16, 22', 24', 26', 28'). 10