(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１、第２の結合面を形成すること；
前記第１、第２の結合面をエッチングするエッチング工程；
前記第１、第２の結合面を活性にすること；
前記第１、第２の結合面を化学種で停止すること；
前記エッチング工程、活性および停止後に、前記第１、第２の結合面を互に直接接触した状態にすること；
前記第１、第２の結合面を互に直接接触した状態にした後に室温で前記第１、第２の結合面を共に結合すること；および
室温で少なくとも５００ｍＪ／ｍ2の結合を得ること
を含む結合方法。
【請求項２】
前記エッチング工程は、前記エッチング工程後の前記第１、第２の結合面のそれぞれの面粗さが前記エッチング工程前のそれぞれの面粗さと同じになるように前記第１、第２の結合面をエッチングすることを含む請求項１記載の方法。
【請求項３】
０．１から３．０ｎｍの範囲の表面粗さを有する第１、第２の結合面を形成することを含む請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記エッチング工程は、前記第１、第２の結合面を活性にし、前記第１、第２の結合面に選択された結合基を形成することを含む請求項１記載の方法。
【請求項５】
化学結合を形成可能な結合基を室温で形成することを含む請求項４記載の方法。
【請求項６】
結合基を前記第１、第２の結合面の界面から隔てて拡散または解離するように前記結合面の間に化学結合を形成することを含む請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記結合基を拡散または解離することによって前記第１、第２の結合面間の結合強度を増大することを含む請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記エッチング工程は、所望の原子および所望の分子のいずれかの単一層を前記結合面に形成することを含む請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記エッチング工程は、所望の原子および所望の分子のいずれかの僅かな単一層を前記結合面に形成することを含む請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記エッチング工程の後、前記第１、第２の結合面を溶液に浸漬し、所望の化学種で停止された結合面を形成することを含む請求項１記載の方法。
【請求項１１】
前記化学種は、少なくとも一つのシラノール基、ＮＨ2基、フッ素基およびＨＦ基を含む請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記エッチング工程は、所望の原子および所望の分子のいずれかの単一層を前記結合面に形成することを含む請求項１０記載の方法。
【請求項１３】
前記エッチング工程は、前記第１、第２の結合面をプラズマに曝すことを含む請求項１記載の方法。
【請求項１４】
前記第１、第２の結合面を酸素、アルゴン、ＮＨ3およびCF4のプラズマのいずれかに曝すことを含む請求項１記載の方法。
【請求項１５】
前記プラズマプロセスをＲＩＥモード、ＩＣＰモード、プラズマモードおよびスッパタモードのいずれかで行なうことを含む請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
それぞれの第１、第２の結合面をそれぞれ所望の面粗さおよび平坦さに研磨すること、および
前記研磨後に前記第１、第２の結合面をエッチングするエッチング工程後に、前記第１、第２の結合面を活性にすること
を含む請求項１記載の方法。
【請求項１７】
前記第１、第２の結合面の少なくとも一つを形成することは、非平面に研磨可能材料を堆積することを含む請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記研磨可能材料を堆積することは、シリコン酸化物、シリコン窒化物または絶縁性ポリマのいずれかを堆積することを含む請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記エッチング工程は、結合対の有効な結合エネルギーを前記第１、第２の結合面に室温で増加させることを含む請求項１記載の方法。
【請求項２０】
少なくとも１０００ｍＪ／ｍ2の結合を得ることを含む請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
少なくとも２０００ｍＪ／ｍ2の結合を得ることを含む請求項１９記載の方法。
【請求項２２】
室温で少なくとも１０００ｍＪ／ｍ2の結合を得ることを含む請求項１記載の方法。
【請求項２３】
室温で少なくとも２０００ｍＪ／ｍ2の結合を得ることを含む請求項１記載の方法。
【請求項２４】
化学結合を前記結合面間に形成することを含む請求項１記載の方法。
【請求項２５】
化学結合を前記結合面間に大気および真空のいずれかで形成することを含む請求項２４記載の方法。
【請求項２６】
化学結合を前記結合面間に低真空または超高真空のいずれかで形成することを含む請求項２４記載の方法。
【請求項２７】
前記結合された結合面の次の処理の間にウェハが曲がるのを除去するために十分なエネルギーの結合を形成することを含む請求項１記載の方法。
【請求項２８】
前記結合された結合面の次の熱サイクルの間にウェハが曲がるのを除去するために十分なエネルギーの結合を形成することを含む請求項２７記載の方法。
【請求項２９】
前記エッチング工程は、
結合対の有効な結合エネルギーを前記第１、第２の結合面に室温で増加させること、および
前記結合を室温で増やすこと
を含む請求項１記載の方法。
【請求項３０】
化学結合を室温で増やすことを含む請求項２９記載の方法。
【請求項３１】
前記第１、第２の結合面を有する第１および第２の結合材料としてのシリコン酸化物を堆積すること、および
酸素プラズマを用いて前記第１、第２の結合面をエッチングするエッチング工程
を含む請求項１記載の方法。
【請求項３２】
前記エッチング工程後に前記結合材料をアンモニア系溶液でリンスすることを含む請求項３１記載の方法。
【請求項３３】
前記エッチング工程後に前記結合材料を水酸化アンモニアでリンスすることを含む請求項３２記載の方法。
【請求項３４】
前記エッチング工程後に前記結合材料をフッ化アンモニアでリンスすることを含む請求項３１記載の方法。
【請求項３５】
前記第１、第２の結合面を真空下でエッチングするエッチング工程、および
前記第１および第２の結合面を前記真空を破らずに結合すること
を含む請求項１記載の方法。
【請求項３６】
結合材料を前記第１、第２の面にそれぞれ堆積し、前記第１、第２の結合面を得ることを含む請求項１記載の方法。
【請求項３７】
前記結合材料としてのシリコン酸化物およびシリコン窒化物の一つを堆積することを含む請求項３６記載の方法。
【請求項３８】
シリコン酸化物を前記結合材料として堆積すること、
前記シリコン酸化物を酸素、CF4およびアルゴンのプラズマＲＩＥの一つを用いてエッチングするエッチング工程、および
前記エッチング工程後に前記シリコン酸化物をアンモニア系溶液でリンスすることを含む請求項１記載の方法。
【請求項３９】
前記第１、第２の結合材料を湿式エッチング法を用いてエッチングするエッチング工程を含む請求項１記載の方法。
【請求項４０】
前記エッチング工程後に前記第１、第２の結合面を溶液に浸漬することを含む請求項３９記載の方法。
【請求項４１】
シリコン酸化物を結合材料として堆積すること；および
前記シリコン酸化物を希釈ＨＦおよび希釈ＮＨ4Ｆの一つを用いてエッチングするエッチング工程
を含む請求項１記載の方法。
【請求項４２】
前記エッチング工程後に前記シリコン酸化物をアンモニア系溶液でリンスすることを含む請求項４１記載の方法。
【請求項４３】
前記第１、第２の結合面をシリコンとして形成すること、および
前記結合面をＨＮＯ3の溶液および希釈ＮＦを用いてエッチングすること
を含む請求項１記載の方法。
【請求項４４】
前記第１、第２の結合面をそれぞれ自然酸化物層を有するシリコンとして形成すること、および
前記エッチング工程を用いて前記自然酸化物層を活性にすること
を含む請求項１記載の方法。
【請求項４５】
前記第１、第２の結合面をそれぞれ自然酸化物層を有するシリコンとして形成すること、および
前記第１、第２の結合面を酸素プラズマに曝して前記自然酸化物層をエッチングするエッチング工程
を含む請求項１記載の方法。
【請求項４６】
前記プラズマによる前記エッチング工程中に欠陥領域を前記シリコンに創ることを含む請求項４５記載の方法。
【請求項４７】
前記第１、第２の結合材料をプラズマＲＩＥ法を用いてエッチングするエッチング工程、
欠陥を有する領域を前記結合面に対して最も近くに形成すること、および
前記領域を用いて結合副産物を除去すること
を含む請求項１記載の方法。
【請求項４８】
前記第１、第２の結合面を活性にすること、および
結合副産物を除去するために前記第１、第２の結合面下に領域を創ること
を含む請求項１記載の方法。
【請求項４９】
少なくとも結合副産物の除去および結合副産物を吸収されるかまたは前記結合面から隔てて拡散させることが可能な化学種への転換のために領域を前記第１、第２の結合面に対して最も近くに創ることを含む請求項１記載の方法。
【請求項５０】
第１半導体ウェハ上に酸化物層を堆積することによって前記第１結合面を形成すること、
第２半導体ウェハ上に酸化物層を堆積することによって前記第２結合面を形成すること、および
前記第１および第２の半導体ウェハを結合すること
を含む請求項１記載の方法。
【請求項５１】
前記第１結合面を堆積された酸化物層として第１基板および第１活性領域を有する第１半導体ウェハ上に形成すること、
前記第２結合面を堆積された酸化物層として第２基板および第２活性領域を有する第２半導体ウェハ上に形成すること、
前記第１、第２の半導体ウェハを結合すること、および
前記結合後に少なくとも前記第１および第２の基板のいずれかの部分を除去すること
を含む請求項１記載の方法。
【請求項５２】
前記第１結合面を堆積された酸化物層として基板および活性領域を有する半導体ウェハ上に形成すること、
前記第２結合面を代用基板として形成すること、
前記半導体ウェハと前記代用基板を結合すること、および
前記結合後に少なくとも前記基板の部分を除去すること
を含む請求項１記載の方法。
【請求項５３】
前記結合は、結合高分子化を生成し、かつ副産物の除去をなすための特別の期間、前記第１、第２の結合面間の接合を保持することを含む請求項１記載の方法。
【請求項５４】
少なくとも２０時間の期間、前記第１、第２の結合面間の接合を保持することを含む請求項５３記載の方法。
【請求項５５】
前記結合は、結合副産物の除去するために周囲中で特別の期間、前記第１および第２の結合面を保持することを含む請求項１記載の方法。
【請求項５６】
真空下で結合固定を用いて前記第１、第２の結合面をエッチングするエッチング工程；および
前記第１、第２の結合面をまとめるために前記真空を保持しながら、前記固定を用いて前記第１、第２の結合面を結合すること
を含む請求項１記載の方法。
【請求項５７】
第１酸化物層を電気デバイスを含む第１ウェハ上に形成すること；および
前記第１酸化物層を研磨し、前記第１結合面を形成すること
を含む請求項１記載の方法。
【請求項５８】
第２酸化物層を電気デバイスを含む第２ウェハ上に形成すること、および
前記第２酸化物層を研磨し、前記第２結合面を形成すること
を含む請求項５７記載の方法。
【請求項５９】
前記第１酸化物層を第１の電気デバイスを含む前記第１ウェハ上に形成すること、および
前記第２酸化物層を第２の電気デバイスを含む前記第２ウェハ上に形成すること
を含む請求項５８記載の方法。
【請求項６０】
前記第１、第２の電気デバイスを相互に接続することを含む請求項５９記載の方法。
【請求項６１】
前記第１結合面を熱伝播器、代用基板、アンテナ、配線層および前もって形成された多層層間接続の一つの面に形成することを含む請求項５８記載の方法。
【請求項６２】
前記第２結合面を熱伝播器、代用基板、アンテナ、配線層および前もって形成された多層層間接続のいずれかの面に形成することを含む請求項５８記載の方法。
【請求項６３】
前記第１結合面を第１集積回路を含む第１ウェハ上に形成することを含む請求項１記載の方法。
【請求項６４】
前記第２結合面を第２集積回路を含む第２ウェハ上に形成することを含む請求項６３記載の方法。
【請求項６５】
前記第１、第２の集積回路を相互に接続することを含む請求項６４記載の方法。
【請求項６６】
前記第１、第２の結合面は、平坦であることを含む請求項１記載の方法。
【請求項６７】
前記第１、第２の結合面を形成することは、絶縁材料を堆積することを含む請求項１記載の方法。
【請求項６８】
前記絶縁材料を所望の平坦さおよび面粗さに研磨することを含む請求項６７記載の方法。
【請求項６９】
前記絶縁材料を非平面上に堆積することを含む請求項６７記載の方法。
【請求項７０】
前記研磨は、化学機械的研磨を含む請求項６８記載の方法。
【請求項７１】
前記第１、第２の結合面を非平面上に形成すること、および
前記第１、第２の結合面を所望の平坦さおよび面粗さに研磨すること
を含む請求項１記載の方法。
【請求項７２】
前記研磨は、化学機械研磨を含む請求項７１記載の方法。
【請求項７３】
前記エッチング工程は、前記結合面を活性にすること、および
所望の化学種で前記結合面を停止すること
を含む請求項１記載の方法。
【請求項７４】
前記エッチング工程は、前記結合面を活性にするための第１エッチング工程、および所望の化学種で前記結合面を停止するための第２エッチング工程を含む請求項１記載の方法。
【請求項７５】
前記エッチング工程を用いてエッチングされた結合面を維持すること、および
前記結合面をガス状化学環境に曝して所望の化学種で前記結合面を停止すること
を含む請求項１記載の方法。
【請求項７６】
第１酸化物層を電気デバイスを含みかつ非平面を有する第１ウェハ上に形成すること、および
第２酸化物層を電気デバイスを含む第２ウェハ上に形成すること、および
前記第１、第２の酸化物層を研磨し、前記第１および第２の結合面をそれぞれ形成すること
を含む請求項１記載の方法。
【請求項７７】
前記第２酸化物層を非平面を有する前記第２ウェハ上に形成することを含む請求項７６記載の方法。
【請求項７８】
第１酸化物層を電気デバイスを含みかつ不規則な幾何学面を有する第１ウェハ上に形成すること、および
第２酸化物層を電気デバイスを含む第２ウェハ上に形成すること、および
前記第１、第２の酸化物層を研磨し、前記第１および第２の結合面をそれぞれ形成すること
を含む請求項１記載の方法。
【請求項７９】
前記第２酸化物層を電気デバイスを含みかつ不規則な幾何学面を有する前記第２ウェハ上に形成することを含む請求項７８記載の方法。
【請求項８０】
前記第１、第２の結合面は、第１、第２の基板の各々の面であり、前記方法は前記第１、第２の基板のいずれかの部分を除去することを含む請求項１記載の方法。
【請求項８１】
前記除去工程後に前記結合基板をアニールすることを含む請求項８０記載の方法。
【請求項８２】
前記第１、第２の基板は、第１、第２の電気デバイスを有し、前記方法は前記除去工程後に前記第１、第２の電気デバイスを相互に接続することを含む請求項８０記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、室温で材料の結合に関し、特に次の組立および／または所望の適用に適した高い結合強度を達成するために活性された表面を有する、集積回路またはデバイス基板のような処理される半導体材料の結合することに係る。
【背景技術】
【０００２】  直接室温結合は、一般的に弱いファンデルワールズまたは水素結合を生じる。アニーリングは、弱い結合を電子対を共有する結合のような強い化学結合に転換ために典型的に要求される。陽極および溶解を含む別のウェハ結合技術は、次の組立および／または所望の適用に適した十分な結合強度を達成するために電圧印加、加圧および／または上昇された温度でのアニールを典型的に要求される。電圧、圧力または加熱を適用することの必要は、これらのパラメータがウエハを結合する材料を損傷する、内部応力の上昇を与え、結合されているデバイスまたは材料中に望ましくない変化を導入するという理由で、ウェハ結合適用を暗示的に限界があった。低温で強い結合を達成することは、同様に処理されるデバイスウェハを含む熱的に不適当な組み合わせまたは熱的に過敏なウェハの結合に対して厳格である。【０００３】  超高真空（ＵＨＶ）結合は、低温または室温強結合を達成するための一つのアプローチである。しかしながら、結合ウェハは結合に対して低温または室温に冷却する前に、高い温度、すなわちシリコンに対して６００℃以上、ＧａＡｓに対して５００℃以上でなお予備アニールしなければならない。さらに、ＵＨＶアプローチは普通用いられている材料、例えばＳｉＯに一般に働かない。その上、効果で不十分である。【０００４】  接着層は、デバイスウェハを低温で種々の基板および移転デバイス層に結合するのに用いることができる。しかしながら、接着層の熱的、化学的不安定性、界面気泡、応力および不均質な性質は、その広範囲の適用を妨げる。したがって、いかなる接着、外部圧力または電界の適用なしで室温、周囲中でウェハを結合することによって強い結合を達成することを切望している。【０００５】  低真空結合は、ＵＨＶ結合に対してより便利な選択を探っているが、結合されたベアシリコンウェハ対を用いるバルクシリコン破断エネルギーの匹敵する結合エネルギーは〜１５０℃でアニールした後にのみ達成される。〜３００℃でアニールした酸化物被覆シリコンウェハでは、高い結合エネルギーを得ることが要求される。高い結合エネルギーを室温での低真空結合を用いる結合材料で得ることはできない。【０００６】  周囲中で結合する前のガスプラズマ処理は、低温または室温で結合されたシリコン対の結合エネルギーを増大することが知られている。例えば、G. L. Sun, Q.Y. Tong, et al.. J. de Physique, 49 (C4), 79 (1988); G. G. Goetz, Proc. of 1st Intl. Symp. on Semicond. Wafer Bonding: Science, Technol. and Applications, The Electrochem. Soc., 92-7, 65 (1992) ； S. Farrens et al., J. Electroch. Soc., 142,3950 (1995) and Amirffeiz et al, Abstracts of 5th Intl. Symp. on Semi. Wafer Bonding: Science, Tech. and Appl., The Electrochemical Society, 99-2, Abstract No. 963 (1999)を参照。これらの処理は低温または室温で得られる前記結合エネルギーを増加するが、プラズマプロセス中にウェハに成長する酸化物をもたらすプラズマプロセスを用いる平坦なシリコンウェハまたはシリコンウェハでのみ実証される。さらにこれらの処理は表面を充電または損傷することにより結合エネルギーを増大させることのみに用いられる。さらにまた、これらの処理は堆積絶縁物または別の材料に適用可能であることを示していない。【０００７】  平坦なシリコンおよび成��酸化物面への適用のみならず平坦化された堆積材料を持つ非平面面に適用可能である方法で低温または室温の結合を得ることは、処理される半導体ウェハを含む、包括的な材料を製造を目的とするための最小の損傷で結合されることを許容する。エッチングおよび化学結合にモトズクそのような方法は、ここで述べる。
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】  本発明の目的は、低温または室温で材料を結合する方法を提供する。
【０００９】  本発明の別の目的は、約室温で化学結合形態を促進するために結合面を洗浄し、活性することによって材料を結合する。
【００１０】  本発明のさらに別の目的は、約室温で処理されたデバイス、集積回路ウェハ、熱的に鋭敏または不均質な材料のようなどんな固体状態材料を結合する結合方法を提供する。
【００１１】
本発明のさらに別の目的は、約室温で処理されたデバイス、集積回路ウェハ、異なるタイプのデバイス、異なる技術およびデバイスまたは回路の転移層を結合する結合方法を提供する。
【００１２】  本発明の別の目的は、要求される結合強度を達成するためにアニーリングを必要とせずに直接ウェハ結合方法を得ることができる。
【００１３】  本発明のさらに別の目的は、非平面面および堆積材料を含む、異なる材料が平坦化でき、結合できる方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】  これらおよび他の目的は、第１、第２の結合面を形成すること、前記第１、第２の結合面をエッチングすること、および前記エッチング工程後に室温で前記第１、第２の結合面を共に結合することの工程を有する結合方法によって達成される。前記エッチングは、前記エッチング後の前記第１、第２の結合面のそれぞれの面粗さが前記エッチング前のそれぞれの面粗さと実質的に同じになるように前記第１、第２の結合面をエッチングすることを含んでもよい。前記表面粗さは、０．１から３．０ｎｍの範囲であってもよい。
【００１５】  前記結合面は、シリコン酸化物、シリコン窒化物または絶縁性ポリマのような堆積絶縁材料の表面であってもよい。前記結合面は、またシリコンウェハの表面であってもよい。前記ウェハ上の前記ウェハまたは堆積材料のいずれかの表面を用いるシリコンウェハは互いに結合されていてもよい。前記ウェハは、そこに形成されたデバイスまたは集積回路を有していてもよい。互いに結合されたウェハなかのデバイスは、相互に結合されていてもよい。前記ウェハは、材料が堆積されて結合面を形成する非平面面また不規則幾何学面を有してもよい。
【００１６】  少なくとも結合面を形成することは、研磨可能な材料を非平面面に堆積することを含んでもよい。前記研磨可能な材料を堆積することは、シリコン酸化物、シリコン窒化物または絶縁性ポリマのいずれかを堆積することを含んでもよい。前記結合面は、化学機械研磨のような方法を用いて研磨されてもよい。前記面は、また研磨前にエッチングされてもよい。
【００１７】  前記エッチング工程は、前記第１、第２の結合面を活性にすること、および前記第１、第２の結合面に選択された結合基を形成することを含んでもよい。結合基は、またおおよそ室温で化学結合の形成可能に形成されてもよく、かつ化学結合は結合基を前記第１、第２の結合面の界面から隔てて拡散または解離するように前記結合面の間に形成してもよい。前記化学結合は、前記結合基を拡散または解離することによって、前記結合面の結合強度を増大することができる。
【００１８】  前記エッチング工程後、前記合面は溶液に浸漬し、所望の化学種で停止された(terminate)結合面を形成してもよい。前記化学種は、少なくとも一つのシラノール基、ＮＨ2基、フッ素基およびＨＦ基を含んでもよい。また、所望の原子および所望の分子のいずれかの単一層を前記結合面に形成してもよい。表面を停止することは、前記僅かなエッチング後に前記結合材料をアンモニア系溶液でリンスすることを含んでもよい。アンモニア系溶液は、水酸化アンモニアまたはフッ化アンモニウムであってもよい。
【００１９】  前記方法は、また前記結合面を酸素、アルゴン、ＮＨ3およびCF4ＲＩＥのプラズマのいずれかに曝すことを含んでもよい。シリコン酸化物は、結合面を形成するために堆積されて、かつＲＩＥを用いてエッチングされてもよい。
【００２０】  前記エッチングプロセスは、欠陥また破損領域を前記結合面に対して最も近くに創ってもよい。前記欠陥また破損領域は、拡散または解離を通して結合副産物の除去を促進できる。
【００２１】  前記方法は、第１、第２の結合面を形成すること、前記結合面をエッチングすること、および約室温で化学結合の形成をなすように化学種で前記結合面を停止することの工程を含んでも、また０．１から３．０ｎｍの範囲の面粗さをそれぞれ有する結合面を形成すること、前記面粗さを維持しながら、前記結合面から材料を除去すること、および前記結合面を室温にて少なくとも５００ｍＪ／ｍ2、少なくとも１０００ｍＪ／ｍ2、または少なくとも２０００ｍＪ／ｍ2の結合強度で直接結合することの工程を含んでもよい。
【００２２】  本発明の目的は、第１エッチング結合面を有する第１材料、および前記第１結合面に室温で少なくとも５００〜２０００ｍＪ／ｍ2の結合強度を有して直接結合された第２エッチング結合面を有する第２材料を備える結合デバイスによって達成される。前記結合面は、活性され、かつ所望の結合化学種で停止され手もよく、前記所望の結合化学種は前記結合面上の所望の原子および所望の分子のいずれかの単一層、または少なくとも一つのシラノール基、ＮＨ2基、フッ素基およびＨＦ基を含んでもよい。前記結合面は、前記第１、第２の結合面に対してそれぞれ最も近くに位置される欠陥領域を各々有してもよい。
【００２３】
前記第１材料は、表面に形成されたデバイスを有する第１半導体ウェハの表面を備えてもよく、かつ前記第２材料は表面に形成されたデバイスを有する第２半導体ウェハの表面を備えてもよい。前記ウェハ中のデバイスは相互に接続されてもよく、かつ前記ウェハは異なる技術であってもよい。前記ウェハは、そこに形成された集積回路を有してもよく、かつそれらウェハなかのデバイスまたは回路は相互に接続されてもよい。
【００２４】  前記第１、第２のウェハのいずれかは、前記第１、第２のウェハのいずれかの基板の実質の部分を除去後のデバイス領域であってもよい。前記ウェハは、不規則な幾何学面を有していてもよい。
【００２５】  前記第１材料は、電気デバイスを含み、かつ第１非平面面を有する第１ウェハを備えてもよく、かつ前記第１結合面は前記第１非平面面上の研磨およびエッチングされた堆積酸化物層を備えてもよい。前記第２材料は、電気デバイスを含み、かつ第２非平面面を有する第２ウェハを備えてもよく、かつ前記第２結合面は前記第２非平面面上の研磨、平坦化およびエッチングされた堆積酸化物層を備えてもよい。
【００２６】  前記第１材料は、電気デバイスを含み、かつ不規則幾何学の第１面を有する第１ウェハを備えてもよく、かつ前記第１結合面は前記第１面上の研磨、平坦化およびエッチングされた堆積酸化物層を備えてもよい。前記第２材料は、電気デバイスを含み、かつ不規則幾何学の第２面を有する第２ウェハを備えてもよく、かつ前記第２結合面は前記第２面上の研磨、平坦化およびエッチングされた堆積酸化物層を備えてもよい。
【００２７】  本発明に係る前記結合デバイスは、また第１の所望の結合化学種で停止された第１エッチングおよび活性された結合面を有する第１材料、および第２の所望の結合化学種で停止され、前記第１結合面に室温で結合された第２のエッチングおよび活性された結合面を有する第２材料を備えてもよい。
【発明を実施するための形態】
【００２８】  本発明のより完全な理解および多くの付随の有益さは、次の添付図面に関連して考慮される詳細な説明を参照することによって、より理解されるように難なく得られる。
【００２９】  図１および図３の（Ａ）〜（Ｅ）を参照して本発明に係る方法の第１実施形態を説明する。ウェハ３０、好ましくは処理された半導体デバイスウェハ、より好ましくは処理されたシリコンデバイスウェハは処理されたデバイスを持つデバイス層３１を含む。デバイス層３１は、いくつかの層を含み、かつウェハ３０の表面領域を備えてもよい。層３１の幾何学面は、典型的に非平面である。そう３１は、また活性デバイス、相互接続、絶縁、その他のようないくつかの層を含む処理された集積回路が存在してもよい。
【００３０】  前記集積回路は、残りのプロセスが結合工程後になされる、完全に処理されるか、部分的に処理されるか、いずれでもよい。結合後の処理は、完全または部分基板除去、または相互接続のための結合ウェハ間の形成を経由を含んでもよい。
【００３１】  結合層３２は、層３１上に形成される（ステップ１、図１）。結合層３２は、低温で堆積または形成されることができ、かつ十分に平滑な面に研磨されることができるいかなる固体状態材料でもよい。層３２は、化学蒸発堆積（ＣＶＤ）、プラズマ増大ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）、スッパタを用いるか、または蒸着によって形成されるＳｉＯ，シリコン窒化物、アモルファスシリコンのような絶縁物であってもよい。ポリマー、半導体、または焼結材料のような他の材料も同様に用いてもとい。層３２は、層３１の幾何学面より大きな厚さを有するべきである。
【００３２】  層３２の面３３は、図１のスッテプ２および図３の（Ｂ）に示すように平坦化、平滑化されている。面３３の粗さ／平坦さは、例証となる目的のために図３の（Ａ）に誇張されていることに気が付く。このスッテプは、化学機械研磨を用いて達成される。面３３は、実質的に平坦である約３ｎｍ以下、好ましくは０．１ｎｍ以下の粗さまで研磨されることが好ましい。前記表面粗さ度合は、典型的に二乗平均（ＲＭＳ）で与えられる。また、表面粗さは前記ＲＭＳ値とほぼ同じである平均値で与えられてもよい。研磨後に面３３は、洗浄、乾燥され、研磨工程からのいかなる残渣を除去する。研磨された面３３は、それから溶液でリンスすることが好ましい。
【００３３】  前記結合面は、平坦性および／または表面粗さを改善するために研磨前にエッチングしてもよい。前記エッチングは、例えば標準フォトリソグラフー技術を用いる濃度スポットの選択エッチングによって結合面上の濃度スポットを除去するのに効果を発揮できる。例えば、シリコン窒化物の層はＨＦを含む溶液を用いる時にエッチング停止として供されるシリコン酸化物結合層３２内に埋め込むことができる。前記エッチング停止材料は、均一、再生産性および製造性を改良するために用いてもよい。
【００３４】  図３の（Ｂ）は前記研磨／平坦化および洗浄工程後に上部に面３４を有する層３２を示す。面３４は、それから活性処理を受ける（図１のスッテプ３）。この活性処理は、エッチング処理、好ましくは非常に僅かなエッチング（ＶＳＥ）処理である。ＶＳＥの用語は、非常に僅かにエッチングされた面の二乗平均ミクロン粗さ（ＲＭＳ）がおおよそ未エッチング値、典型的に＜０．５ｎｍ、好ましくは０．１ｎｍ〜３ｎｍの範囲、で残ることを意味する。除去される材料の最適量は、その材料および除去に用いられる方法に依存する。除去される典型的な量は、オングストロームから数ナノメータまで変化する。材料をさらに除去することができる。ＶＳＥは、処理された面上の結合の破断を含み、かつ材料の重要な除去なしで生じることができる。前記ＶＳＥは、例えば表面層を電気充電または損傷で充電することによって面の単純な変更から識別される。本発明に係る方法の第１例において、前記ＶＳＥ処理は、特別の電力レベルで特別の時間でのガスまたは混合ガス（酸素、アルゴン、窒素、ＣＦ4，ＮＨ3のような）プラズマプロセスからなる（図３の（Ｃ））。プラズマプロセスの電力および持続期間は、所望の結合エネルギーを得るために使用される材料に依存して変化するが、一般的に電力および持続期間は経験的に決定される。
【００３５】  前記プラズマプロセスは、異なるモードで導入してもよい。両方のリアクチブイオンエッチング（ＲＩＥ）およびプラズマモードは用いられてもよく、同様に誘導結合プラズマモード（ＩＣＰ）モードを用いられてもよい。
【００３６】  スパッタも用いられてもよい。データおよび例は、両方のＲＩＥおよびプラズマモードで以下に与えられる。
【００３７】  前記ＶＳＥプロセスは、好ましくは結合面の表面粗さを崩壊せずに制御される物理的スパッタおよび／または化学的反応を経由して表面を非常に僅かにエッチングする。前記表面粗さは、前記ＶＳＥおよびエッチングされる材料に依存して改善してもよい。面３４を角にエッチングしない殆どいかなるガスまたはガス混合物は、本発明に係る室温結合方法に用いることができる。
【００３８】  前記ＶＳＥプロセスは、前記面を洗浄するため、およびウェハ面上の酸化物の結合を壊するために供する。前記ＶＳＥプロセスは、したがって表面活性を重大に増大できる。所望の結合化学種は前記ＶＳＥの適切な設計によってＶＳＥの間面３４を停止するために用いられる。択一的に、後ＶＳＥ処理の間、所望の停止化学種で面を活性および停止する後ＶＳＥ処理は、用いられてもよい。
【００３９】  前記所望の化学種は、仮の結合を面３４の原子層に形成し、この面が図３の（Ｄ）に示すように同じまたは別の結合化学種３６によって停止される面で互いに接合できる次の時まで前記原子層を効果的に停止することがさらに好ましい。前記面上の所望の化学種は、前記化学種が拡散または解離および結合界面から隔てた反応された所望の化学種の拡散によって増大される低温または室温で面３４，３６間を化学的結合をなすように十分に近接している時にさらに互いに反応することが好ましい
前記後ＶＳＥプロセスは、所望の化学種で結合面３４の停止をもたらす表面反応を発生するための選択された化学を含む溶液の浸漬からなることが好ましい。前記浸漬は、前記ＶＳＥプロセス後に直ぐになすことが好ましい。前記後ＶＳＥプロセスは、前記ＶＳＥプロセスが遂行される同じ装置でなされてもよい。両ＶＳＥおよび後ＶＳＥが乾式、すなわちプラズマ、ＲＩＥ，ＩＣＰ，スパッタまたはその他か、湿式、すなわち溶液浸漬のいずれである場合、これは最もたやすくなされる。所望の化学種は単一層、または原子もしくは分子の僅かな単一層からなることが好ましい。
【００４０】  前記後ＶＳＥプロセスは、プラズマＲＩＥ、または適切なガス化学者が所望の化学種で前記面の停止をもたらすために導入される他の乾式プロセスからなってもよい。前記後ＶＳＥプロセスは、第２ＶＳＥであってもよい。前記停止プロセスは、表面汚染がＶＳＥなしで除去される洗浄プロセスを含んでもよい。この場合、前述の後ＶＳＥと似ている後洗浄はそれから所望の表面停止をもたらす。
【００４１】  前記後ＶＳＥまたは後洗浄のプロセスは、洗浄またはＶＳＥのプロセスによる活性された面結合が面を十分に、弱く再構築され、かつ同様な面を持つ次の結合が化学結合を形成できるような結合前に十分に清浄を残すことができるならば、所望の化学種で面を停止することを必要としてもしなくてもよい。
【００４２】  前記ウェハは、任意にリンスされ、それから乾燥される。２つのウェハは、それらを位置合わせ（必要であれば）することによって結合され、結合界面を形成するためにそれらを互いに接合される。図３の（Ｄ）に示すように第２ウェハ３５は、図３の（Ｃ）に示す手法で処理され、結合面３５を調製する。前記２つのウェハは例えば市販ウェハ結合装置（図示せず）によって接合され、結合界面を創始する（図３の（Ｅ））。
【００４３】  自発的な結合は、それから結合界面中のいくつかの場所で典型的に生じ、ウェハにわたって増やされる。最初の結合が増やし始めるので、化学結合をもたらす高分子化のような化学反応は、前記面が十分に近くにある場合、面３４，３６を停止するのに用いられる化学種の間で起こる。結合エネルギーは、楔を挿入することによって部分的に脱離される結合界面で分離面のいずれかの特有の表面エネルギーとして規定される。前記反応の副産物は、それから結合界面からウェハ端部に向けて拡散するか、またはウェハ、典型的に周囲材料によって吸収される。前記副産物は、拡散するか、またはウェハに吸収される別の副産物に転換されてもよい。共有および／またイオン結合の量は転換化学種の除去により増大され、結合強度の更なる増加をもたらす。
【００４４】  図４の（Ａ）〜（Ｅ）は、面条件およびシリコン酸化物で覆われた平坦Ｓｉウェハの場合の共有結合を形成するための結合増やすを示す。ＳｉＯ2層４１は、Ｓｉウェハ４０上に形成され、そのＳｉウェハは既に研磨され、平坦化されている。層４１の面４２は、ＶＳＥプロセスに委ねられ、活性された面を生成する（図４の（Ａ））。第２ＳｉＯ2層４５は第２ウェハ４４上に形成され、面４６はＶＳＥプロセスに委ねられ、活性された面４６を生成する（図４の（Ｂ））。所望の化学種は、面４６上に停止され、図４の（Ｃ）に線４３で示される。ＶＳＥおよび後ＶＳＥのいずれかまたは両者のプロセスは、免４３を適切に停止するために用いられる。一方、図示しないが、面４２は後ＶＳＥを用いて停止されてもよい。
【００４５】  ウェハ４４は、ウェハ４０と接合される（図４の（Ｄ））、かつ結合４６は結合増やすを形成し始め、副産物は除去され（矢印４７として示される）、化学結合（共有のような）が図４の（Ｅ）に示されるように形成される。
【００４６】  前記結合は、ＲＩＥプロセス後に直ぐにエッチングされたウェハの迅速なその場の結合をなすために特別の結合固定を用いてもよい。固定の図は、図７に示される。プラズマチャンバ７５において、結合されるべき２つのウェハ７０はＲＦ電極７６，７７上に配置される。プラズマは、移動可能な真空ＲＦ電力フィードスルー７４を経由する電極へのＲＦ電力の供給およびガスフィードスルー７３を通る適切なガスまたはガス混合物の導入によって領域７９に形成される。エレメント７１は、機械的アクチュエータ（図示せず）のための真空フィードスルーであり、引っ込み可能なスペーサ７２を引っ込める。チャンバ７５は、ポンプ（図示せず）およびチャンバ入口７８を通して所望の真空レベルまで排気される。この場合、後ＶＳＥプロセスまたは後洗浄プロセスはやはり前に述べたように乾式プロセスであり、前記ＶＳＥおよび後ＶＳＥまたは後洗浄はチャンバ７５中に処せられてもよい。
【００４７】
前記ＶＳＥプロセスを導入するために前記プラズマ処理後に機械スペイサ７２は機械アクチュエータによって引っ込められ、かつ前記ウェハ７０は結合プロセスを開始するために接合したまま移動される。結合されたウェハは、それから前記チャンバから大気または別の真空チャンバ（図示せず）に移送され、かつ結合をウェハハンドリングシステム（図示せず）によって増やすように所望期間貯蔵される。
【００４８】  前記結合層の材料は、好ましくは高分子化反応の副産物が容易に除去できるように開構成を有する。結合面と反対上の結合化学種は、強い結合か化学結合を形成するために室温で反応できなければならない。前記結合エネルギーは、それらウェハが異なる熱膨張係数を有する場合、次の処理に関連される次の加熱処理または操作の後にウェハ間のずれを実質に除去するために十分に高い。ずれの不足は、次のプロセスまたは操作後の検査で撓んだウェハの欠陥によって証明される。
【００４９】  高い結合エネルギーを達成するために、薄いウェハが完全な表面平坦さおよび平滑の不足を適応するための追従を許す理由で少なくとも可能な限り薄いウェハであることが好ましい。約１０ミル〜１０ミクロンの厚さに薄くすることは、効果的である。
【００５０】  前記結合ウェハは、用いられる材料および化学種に依存する特有の期間で化学種の除去または化学種を転換するように結合後に周囲、低温または室温に貯蔵されることが好ましい。２４時間が通常好ましい。貯蔵時間は、使用されるプラズマプロセスの形態に依存される。化学結合は、Ａｒプラズマのようなあるプラズマプロセスが用いられる場合、時間の問題でより迅速に得られてもよい。例えば５８５ｍＪ／ｍ2の結合は結合後の直ぐに得られ、８００ｍＪ／ｍ2以上はＡｒプラズマによるエッチングに続くＮＨ4ＯＨ浸漬による堆積酸化物層に対して８時間で観察される。
【００５１】  結合の間に結合されたウェハをアニールすることは、結合強度を増加させるかもしれない。前記アニーリング温度は、２００℃以下にすべきで、典型的に７５−１００℃の範囲であればよい。真空下で結合されたウェハを貯蔵することは、結合面から残余のガスの除去を促進するが、常に必要ではない。
【００５２】  前記すべてのプロセスは、室温またはその近くで遂行されるかもしれない。前記ウェハは、次の処理操作（剥離、研磨、基板除去、化学エッチング、リソグラフィー、マスキング、その他）をなすために十分な強度で結合される。おおよそ５００〜２０００ｍＪ／ｍ2以上またＨそれ以上の結合エネルギーは達成されることができる（図６の（Ａ）参照）。
【００５３】  この点で（図３の（Ｅ））、例えば剥離およびエッチバックによってウェハ３５の基板の一部または全部を除去することができる。ウェハ３５のデバイス層は、したがってウェハ３０上に移送される。２つの層からのデバイスは、相互に接続される。
【００５４】  追加のデバイスまたは回路は、結合され、かつ多層構造を形成するために相互に接続される。異なるタイプのウェハ、デバイス、または回路は、異なる技術（すなわちIII−V族ＨＢＴおよびＳｉＣＭＯＳ）と同様に結合されてもよい。熱伝播器、代用基板、アンテナ、配線層および前もって形成された多層層間接続、その他のような他の要素または材料は、必要として異なるタイプの回路またはシステムを作るために結合されてもよい。
【００５５】  例えば図２に示すように、ＰＥＣＶＤＳｉＯ2はデバイスを含むＳｉウェハに堆積される。プラズマ（アルゴン、酸素またはＣＦ4のような）処理後の面３４は、プラズマシステム中および空気中の湿気の効力のためにＳｉ−ＯＨ基によって主に停止される。プラズマ処理の後、前記ウェハは１０〜２０分間のような期間、水酸化アンモニア（ＮＨ4ＯＨ）、ＮＨ4ＦまたはＨＦのような溶液に直ぐに浸漬される。ＮＨ4ＯＨに前記ウェハ浸漬後、多くのＳｉ−ＯＨ基は次の置換反応によりＳｉ−ＮＨ2基によって置き換えられる。
【００５６】      ２Ｓｉ−ＯＨ＋ＮＨ4ＯＨ→２Ｓｉ−ＮＨ2＋４ＨＯＨ      （１）
択一的に、多くのＳｉ−Ｆ基はＮＨ4ＯＨまたはＨＦ浸漬後にＰＶＣＶＤＳｉＯ2面で停止している。
【００５７】  結合面を横切る水素結合されたＳｉ−ＮＨ2；Ｓｉ−ＯＨ基またはＳｉ−ＮＨ2；Ｓｉ−ＮＨ2基は、Ｓｉ−Ｏ−ＳｉまたはＳｉ−Ｎ−Ｎ−Ｓｉ（またはＳｉ−Ｎ−Ｓｉ）共有結合の形態で室温にて高分子化できる。
【００５８】      Ｓｉ−ＮＨ2＋Ｓｉ−ＯＨ→Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ＋ＮＨ3        （２）
Ｓｉ−ＮＨ2＋ＳｉＮＨ2→Ｓｉ−Ｎ−Ｎ−Ｓｉ＋２Ｈ2      （３）
択一的に、酸化物面に堆積された前記ＨＦまたはＮＨ4ＦはＳｉ−ＯＨ基の他にＳｉ−Ｆ基によって停止される。ＨＦまたはＮＨ4Ｆ溶液は、シリコン酸化物を激しくエッチングするので、それらの濃度は適切な低レベルに制御されなければならず、かつ浸漬時間は十分に短くしなければならない。これは、後ＶＳＥプロセスが第２ＶＳＥプロセスの例である。前記結合界面をわたる共有結合は、水素結合されたＳｉ−ＨＦまたはＳｉ−ＯＨの基間の高分子化反応によりに形成される。
【００５９】      Ｓｉ−ＨＦ＋Ｓｉ−ＨＦ→Ｓｉ−Ｆ−Ｆ−Ｓｉ＋Ｈ2      （４）
Ｓｉ−Ｆ＋Ｓｉ−ＯＨ→Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ＋ＨＦ            （５）
図８は、室温結合前の０．０５％ＨＦに浸漬されたシリコンウェハを覆う結合熱酸化物のフッ素濃度プロファイルを示す。フッ素濃度ピークは、結合界面に明らかに見られる。これは、所望の化学種が結合界面に位置されている前述した化学プロセスの証拠を提供する。
【００６０】  反応（２）は、比較的高い〜５００℃でのみ可逆的であるので、前記形成されたシロキサン結合は室温でＮＨ3によって作用されることはない。Ｈ2分子は小さくかつ酸化物中で水分子に比べて約５０倍早く拡散することが知られている。適切な厚さ、すなわち数ｎｍの面近傍における損傷層の存在は、拡散または反応（２）、（３）、（４）および／または（５）のＮＨ3、ＨＦおよび水素の溶解、および化学結合の増強を促進する。前記３つの反応は、ＮＨ3またはＨ2を遠くへ拡散させるような貯蔵時間の期間後に室温でＳｉＯ2／ＳｉＯ2結合対の高い結合エネルギーをもたらす。
【００６１】  図２の例において、前記プラズマ処理は前記結合面近傍の前記酸化物層に損傷または欠陥の領域を創るかもしれない。その領域は、僅かな単一層に広がる。損傷または欠陥の領域は、結合副産物の除去を助長する。前記副産物は、高強度結合の形成を妨げるように結合プロセスと干渉するので、前記結合副産物の効率的な除去は、結合強度を改良する。
【００６２】  材料の多くの異なる面は、本発明に係る結合に準備するため平滑および／または平坦化され、洗浄プロセスに続くかもしれない。これらの材料は、十分な平坦さ、表面平滑さ、および洗浄、および／またはＶＳＥ、活性および停止を含むパッシベーションを持つ面を一致することによって室温結合できる。アモルファスおよび焼結材料、非平面集的回路およびシリコンウェハは、そのような材料の例である。ＳｉＯ2またはＳｉのような単結晶半導体または絶縁面所望の表面粗さ、平坦性および清浄で供することができる。高真空または超高真空に面を保持することは、本発明に係る強い結合を達成すためにコンタミおよび原子再構築の十分にない面を得ることを簡素化する。ＩｎＰ，ＧａＡｓ，ＳｉＣ、サファイアその他のような別の半導体または絶縁材料も用いられる。また、ＰＥＣＶＤＳｉＯ2は低温で多数のタイプの材料上に堆積され、材料の多くの異なる組み合わせは本発明に係る室温で結合される。他の材料は、適切なプロセスと同様に堆積され、かつ化学反応はＶＳＥ、表面活性および停止のために有用である。
【００６３】  例えば、前記方法はシリコン窒化物を結合材料として用いてもよい。シリコン窒化物は、シリコン窒化物またはシリコン酸化物およびシリコンに結合されてもよい。シリコン酸化物は、シリコンに結合されてもよい。別のタイプの絶縁材料は窒化アルミニウムおよびダイアモンド様カーボンを含んで一緒に結合されてもよい。
【００６４】  前記方法は、デバイスまたは回路のない平面ウェハおよびデバイスおよび回路を持つウェハに適用してもよい。前記平面ウェハは、ＰＥＣＶＤ酸化物またはアモルファスシリコンのような結合層で被覆され、それから２つのウェハを結合するために前述のように処理されてもよい。前記平面ウェハは、それが十分に平滑、平坦および適切な結合材料を有するならば、結合層で必ずしも被覆されていなくともよい。
【００６５】  認識できるならば、結合プロセスはいくつかのウェハ、材料または機能要素で繰り返されてもよい。例えば、２つのデバイスまたはＩＣウェハは結合され、つづいて層またはデバイスまたはＩＣの活性領域を移送するために露出された基板を除去してもよい。
【００６６】  本発明に係る結合は、異なるタイプの材料を結合することに適用してもよい。例えば、シリコンウェハは別のシリコンウェハに結合でき、または酸化物シリコンウェハに結合できる。前記ベアシリコンウェハおよび酸化物被覆ウェハはＨＦ、ＮＨ4Ｆおよび／またはＮＨ4ＯＨに浸漬され、乾燥後に結合される。浸漬のための時間は、ＮＨ4ＯＨ溶液がシリコン酸化物をエッチングするので、薄い酸化物で覆われたシリコンウェハに対して約２０分以下にすべきである。ＨＦ、ＮＨ4Ｆは酸化物を激しくエッチングするので、非常に希釈された溶液、好ましくは０．０１〜０．２％の範囲がシリコンウェハの浸漬のために用いられるべきである。
【００６７】  乾燥後に前記シリコンウェハおよび酸化物被覆ウェハは周囲中、室温で結合される。反応（２）、（３）、（４）および／または（５）は、前記２つのウェハ間の界面で起こる。前記プラズマ処理ウェハは、ＮＨ4ＯＨ溶液の代わりの脱イオン水に浸漬される。
【００６８】
前記シリコン結合は、ベアシリコンウェハ、すなわち自然酸化物を有するまたは前述のようにその面に形成された酸化物層を有するシリコンウェハで処理されてもよい。酸素プラズマ処理の間、ベアシリコンウェハに形成されるかもしれない自然酸化物はスパッタエッチングされ、かつシリコン面に形成された酸化物層エッチングされる。最終の面は、活性された（自然または形成された）酸化物である。脱イオン水でリンスされた場合、活性される酸化物面はＳｉ−ＯＨ基で主に停止される。酸素プラズマ中での酸化物成長は一般の自然酸化物層に比べて少ない水を有することがわかっているので、初期結合ブリッジからの水および次の高分子化反応（６）によって発生する水は直ぐにプラズマ酸化物に吸収することができる。
【００６９】
Ｓｉ−ＯＨ＋Ｓｉ−ＯＨ→Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ＋Ｈ2Ｏ      （６）
図５の（Ａ）〜（Ｅ）は、２つのシリコンウェハの結合を示す。ウェハ５０，５２は、それぞれＶＳＥプロセスに委ねられた自然酸化物（図示せず）を持つ面５１，５３を有する。図５の（Ｃ）で示される面５３は、所望の化学種５４で停止されている。前記２つのウェハは、接合され、結合５５が形成し始める（図５の（Ｄ））。この結合は伝達し、かつ結合副産物、この場合Ｈ2ガス、は除去される。除去された前記副産物は図５の（Ｅ）に矢印で示される。
【００７０】  酸化物シリコンウェハのプラズマ活性酸化物に溶解することによって結合界面からの水の除去に加えて、前記水は薄い酸化物を通してベアシリコンウェハに拡散でき、シリコンと反応する。前記酸化物下の前記シリコン面はわずかの単一層に広がる損傷または欠陥の領域を有し、前記酸化物層を通して拡散し、かつ前記損傷または欠陥の領域に達する水分子は室温で水素に転換でき、直ぐに除去することができる；Ｓｉ＋２Ｈ2Ｏ→ＳｉＯ2＋２Ｈ2  （７）。
【００７１】  （６）の可逆的反応は、したがって回避され、かつ室温結合エネルギーは共有Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合の形態により非常に増加する。
【００７２】  比較的厚い（〜５ｎｍ）酸化物層が形成されると、前記水分子がこの厚い層を通して拡散すために長い時間を取る。一方、プラズマ処理後に薄い層が置かれるか、または過度に近くに欠陥領域が形成されると、シリコンウェハに達する水はシリコンと十分に反応せず、水素に転換されないかもしれない。両方の場合において、結合エネルギー増加は限界がある。好ましい酸素プラズマ処理はしたがって最小のプラズマ酸化物厚さ（例えば約０．１〜１．０ｎｍ）およびシリコン面上に妥当な厚さの欠陥領域（例えば約０．１〜０．３ｎｍ）に置く。
【００７３】  第２実施形態において、前記ＶＳＥプロセスは湿式化学を使用する。例えば、堆積されたシリコン酸化物層を有するＩｎＰウェハ、第１実施形態と同様、およびデバイス層は堆積された酸化物層を有するＡｌＮ基板に結合される。前記ＩｎＰウェハ結合面およびＡｌＮウェハ結語梅を平滑および平坦化した後、両ウェハは標準ＲＣＡ洗浄液中で洗浄される。前記ウェハは、好ましくは０．００１〜０．２％の範囲のＨＦ濃度を持つ希釈ＨＦ水溶液を用いて非常に僅かにエッチングされる。約数重ｎｍが除去され、前記面平滑はＡＦＭ（atomic force microscope）測定によって決定されるように低下しない。脱イオン水リンスせずに、前記ウェハは回転乾燥され、かつ室温で周囲空気にて結合される。もたらされる結合エネルギーは、空気に貯蔵後に〜７００ｍＪ／ｍ2に達することが測定された。この結合対を７５℃でアニーリングした後で１５００ｍＪ／ｍ2の結合エネルギーが得られた。結合エネルギーは、１００℃でアニーリングした後にシリコンバルク破断エネルギー（約２５００ｍＪ／ｍ2）に達することが測定された。前記ウェハがＨＦ浸漬後に脱イオン水でリンスされると、１００℃での結合エネルギーは２００ｍＪ／ｍ2、すなわちリンスせずに得られたそれの約１／１０まで落ちる。これは、停止化学種としてＯＨに対してＦが好ましいことを示す。
【００７４】  第３実施形態において、前記ＶＳＥプロセスは０．１％ＨＦエッチング、それに続く標準洗浄後の室温で熱酸化されたシリコンウェハの０．０２％ＮＨ4Ｆ中への５分の浸漬からなる。脱イオン水リンスせずに、前記ウェハは回転乾燥後に室温で結合される。結合対の前記結合エネルギーは、１００℃のアニーリング後に〜１７００ｍＪ／ｍ2に達する。前記ウェハがＨＦエッチング後、結合前に脱イオン水でリンスされると、結合対の前記結合エネルギーは４００ｍＪ／ｍ2のみであり、再び、停止化学種としてＯＨに対してＦが好ましいことを示す。
【００７５】  希釈ＮＨ4Ｆは、第４実施形態においてシリコン酸化物被覆ウェハをエッチングするために前記ＶＳＥプロセスに用いられる。前記ＮＨ4Ｆの濃度は、所望の結合を得るために０．０２％以下にすべきである。〜６００ｍＪ／ｍ2の結合エネルギーが貯蔵後に室温で達成することができる。
【００７６】
本発明の第５実施形態は、厚さ約１ｎｍの自然酸化物を有するＳｉ面を結合するために用いられる。第５実施形態において、標準ＲＣＡ１洗浄プロセスによりＳｉ面を洗浄した後、７０％ＨＮＯ3＋希釈ＨＦ（好ましくは０．０１〜０．０２％）で５分間のエッチングに用いるＶＳＥプロセスが遂行される。ウェハは、基本的に疎水性の面を持って溶液から垂直に引き上げられる。水リンスせずに、ウェハは紫苑空気中で結合された。このプロセスにおいて、共有結合は結合エネルギーが典型的に約６００ｍＪ／ｍ2の測定を持って室温で生じる。この結合エネルギーは、７５℃のアニーリング後に１３００ｍＪ／ｍ2に顕著に増大し、かつ１００℃の温度でシリコンバルクの破断エネルギー（約２５００ｍＪ／ｍ2）に達する。
【００７７】  ７０％ＨＮＯ3に代わりに水で希釈されたＨＮＯ3は、溶液に用いることができ、同じ結果を達成する。ＡＭＦ測定および透過高解像電子顕微鏡測定結果によれば、前記シリコンは希釈ＨＮＯ3ＶＳＥプロセスで０．１〜０．１５ｎｍ／分の速度にてエッチングされ、厚さで２．５〜３．５ｎｍの新たな厚い酸化物が形成される。
【００７８】  更なる実施形態として、ＶＳＥプロセスは化学および／または物理成分を有する乾式エッチングからなってもよい。ベアＳｉ面に対して、化学エッチングはＳＦ4／Ｈ2ガス混合物からもたらされ、一方物理エッチングはＡｒエッチングからもたらされる。シリコン酸化物面に対して、化学エッチングはＣＦ4が用いられ、一方物理エッチングは酸素またはアルゴンガスが用いられる。結合材料および２つのポリマ−面を互いに結合するために熱的に安定なポリマー材料を用いることができる。例は、ポリイミドまたはスピンオン材料である。
【００７９】  低温または室温で増加された結合エネルギーを左右する機構はいずれも似ている。プラズマによる結合ウェハの非常に僅かなエッチング（ＶＳＥ）は前記面を洗浄し、活性し、かつ望ましくない可逆反応を防ぐために高分子化界面の副産物の除去を改善し、室温で共有結合を促進する所望の化学種で面を停止するために適切な液でリンスする。前記酸化物被覆ウェハである場合、異なる面停止を除いて同様に好ましい。ベアウェハ結合において、水吸収をなし、かつ水素に転換するために酸化物の非常に高い反応面およびシリコンは、形成されるべきである。非常に高い反応層は、プラズマ薄膜酸化物層および損傷シリコン面層でできる。前記シリコンウェハ上の前記酸化物はある損傷を有してもよい。Ｏ2プラズマのみならず他のガスプラズマ（Ａｒ，ＣＦ4のような）は適切である。ＶＳＥ中および後にシリコンウェハは湿気と直ぐに反応し、酸化物層を形成するので、下方の損傷シリコン層がＶＳＥによって創られる。前記ＶＳＥおよび副産物除去方法は、事実上、むしろ一般であるので、このアプローチは多くの手段および多くの材料の適用によって履行できる。
【実施例】
【００８０】  例１
第１例において、３インチ、１〜１０Ω−ｃｍ、ボロンドープシリコンウェハが用いられ、ＰＥＣＶＤ酸化物は前記シリコンウェハのいくつかの上に堆積された。比較のために、熱酸化シリコンウェハは調査された。前記ＰＥＣＶＤ酸化物厚さは、０．５μｍで、ウェハの前側面および裏側面でそれぞれ０．３μｍであった。酸化物は、研磨中のウェハ曲がりを最小にし、かつ平坦化を改良するために前記ウェハの両側面に堆積した。軽い研磨は、前記酸化物の約３０ｎｍを除去し、かつ前酸化物面を初期に〜０．５６ｎｍのマイクロ粗さ二乗平均値（ＲＭＳ）を有する前酸化物面を最終〜０．１８ｎｍに平滑にするためになされた。変更されたＲＣＡ１溶液は前記ウェハを洗浄するために用いられ、それにスピン乾燥が続く。【００８１】  ２つのウェハは、プラズマシステムに装入され、両ウェハはＲＦ電極上に置かれ、ＲＩＥモードのプラズマ中で処理された。比較のために、いくつかのウェハはウェハが接地電極に置かれているプラズマモードで処理された。酸素プラズマは、１６ｓｃｃ／ｍの公称流速を用いた。ＲＦ電力は、１３，５６ＭＨｚにて２０〜４００Ｗ（典型的に８０Ｗ）で、かつ真空レベルは１００ｍＴｏｒｒであった。前記酸化物被覆ウェハは、１５秒〜５分の間の時間でプラズマ処理された。プラズマ処理されたシリコンウェハは、適切な溶液に浸漬され、または脱イオン水でリンスされ、スピン乾燥、室温、空気中の結合が続く。プラズマ処理のウェハいくつかは、リンスまたは浸漬せずに空気で直接結合された。【００８２】  結合エネルギーは、楔を界面に挿入することによって測定し、次式に従ってクラック長さを測定した。【００８３】
【数１】
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Ｅおよびｔwは、一つおよび二つのウェハのヤング率および厚さであり、ｔbはウェハのエッジから長さＬの分離ウェハでもたらされる２つのウェハ間に挿入した楔の厚さである。【００８４】  結合されたプラズマ処理酸化物被覆シリコンウェハの貯蔵時間の作用としての室温結合エネルギーは、図６Ａに示される。この図は、次のように要約することができる。測定された室温結合エネルギー対示されているように４つの異なるケースの貯蔵時間を示す。結果は、（１）浸漬され、結合されたＲＩＥプラズマ処理酸化物ウェハに対して、室温結合エネルギーは貯蔵時間に伴って増加し、かつ空気または低真空で〜２０時間後に安定値に達する、（２）ＲＩＲモードはプラズマモードに比べて高い結合エネルギーをもたらす、（３）過度に短いプラズマ露出時間または過度に低いプラズマ出力は結合エネルギーに小さいか、無視でき増加を提供する、（４）プラズマ処理後のＮＨ4ＯＨ浸漬は水リンスに比べて結合エネルギーを非常に高い増加を示す、（５）浸漬またはリンスせずにプラズマ処理後に空気中での直接結合は時間に伴っても殆ど一定の結合エネルギーを示す。室温結合後に直ぐに直接的に結合されたウェハ対の前記結合エネルギーは、脱イオン水リンスまたはＮＨ4ＯＨ浸漬ウェハ対に比べて僅かに高くなる。【００８５】  図６Ｂは、Ｓｉの室温結合およびＰＥＣＶＤ酸化物堆積層を持つＡｌＮを示す。約１００時間の貯蔵時間後、２０００ｍＪ／ｍ2を超える結合エネルギーが観察された。【００８６】  異なる結合材料を比較において、Ｏ2プラズマ処理熱酸化シリコンウェハの貯蔵時間の作用としての結合エネルギーはＰＥＣＶＤ酸化物を持つウェハと類似しているが、室温結合エネルギーの値は多少低い。【００８７】  空気中、室温で〜２４時間貯蔵後、〜１０００ｍＪ／ｍ2と高い結合エネルギーがＲＩＥモードプラズマ処理およびＮＨ4ＯＨ浸漬ＰＥＣＶＤ酸化物被覆ウェハ対で達せられた。ファンデールワール結合シリコン酸化物被覆ウェハの最大結合エネルギーは、約２００ｍＪ／ｍ2であるので、結合エネルギーの大きい部分は前記式に従って室温、結合鬼面で共有結合の形態を帰する。【００８８】  例２−３
前のプロセスは、第２および第３の例として処理されたＩｎＰウェハ（６００μｍ厚さ）をＡｌＮウェハ（３８０μｍ厚さ）または処理されたＳｉ（３８０μｍ厚さ）およびＩｎＰ（６００μｍ厚さ）のウェハに結合することに適用された。これらの処理されたＩｎＰデバイスウェハは、ＰＥＣＶＤ酸化物で覆われかつ化学機械研磨（ＣＭＰ）によって平坦化および平滑にされている。ＰＥＣＶＤ酸化物層は、同様にＡｌＮウェハ上に堆積され、かつＲＭＳ表面粗さに改善するために平坦化および平滑にされている。処理されたＳｉおよび処理されたＩｎＰのウェハは、ＰＥＣＶＤ酸化物で堆積され、かつＣＭＰを用いて平坦化および平滑にされている。室温で結合する例１と同様、ＶＳＥ後、結合ウェハは室温で周囲空気に置かれる。【００８９】  室温で２４時間貯蔵後、１０００ｍＪ／ｍ2および１１００ｍＪ／ｍ2の結合エネルギーはそれぞれＩｎＰ／ＳｉおよびＩｎＰ／ＡｌＮ結合対に対して達成された。処理されたＳｉ（３８０μｍ厚さ）／酸化物被覆ＡｌＮ（２８０μｍ厚さ）のウェハに対し、２５００ｍＪ／ｍ2の高い室温結合が達成された。これら室温結合プラズマ処理ウェハは、次の基板剥離、エッチング、基板除去の前または後の他の典型的な半導体組み立てプロセスを支援するために十分な結合強度を有する。【００９０】  室温で結合されたＩｎＰ／ＡｌＮ対の前記ＩｎＰ基板は、１９００＃ＡｌＯ粉末で初期６００μｍ厚さから〜５０μｍ厚さに削られ、ＡｌＮまたはＳｉウェハ上に約２，０μｍ厚ＩｎＰデバイス層を置くためにＨＣｌ／Ｈ3ＰＯ4溶液でエッチングされる。水およびエッチング溶液は、前記結合界面に浸透しない。【００９１】  面は、プラズマまたはＲＩＥモード中のラジカル、イオン、フォトン、エレクトロンのようなエネルギー粒子によってスパッタエッチングされる。例えば、所望のＶＳＥをもたらす条件下でのＯ2プラズマは、反射分光学による測定としてＰＥＣＶＤの約２オングストローム／分さでスパッタエッチングされる。熱酸化物に対した、スパッタエッチング速度は約０．５オングストローム／分である。プラズマ処理の前または後の酸化物厚さは、反射分光学により各ウェハ上の９８測定点の平均で測定される。Ｏ2プラズマによるエッチングは、酸化およびスパッタにより面を洗浄にするのみならず、ウェハ面上の酸化物の結合をも破壊する。【００９２】  しかし、プラズマ処理酸化物面の表面粗さはエッチングプロセスで落とされることがない。ＡＦＭ測定は、初期表面粗さと比較して示され、Ｏ2プラズマ処理酸化物ウェハのＲＭＳは〜２オングストロームで、顕著に変化しない。一方、エッチングが十分に激しくなかったら、結合エネルギー増加効果は小さくなる。Ｏ2プラズマ処理がＲＩＥモードよりむしろプラズマモードでなされた場合、他の条件を変えずに維持すると、酸化物面のエッチングは無視でき、酸化物厚さは変化しない。最終の室温結合エネルギーは、ＲＩＥ処理ウェハの１０００ｍＪ／ｍ2に比べてたった３８５ｍＪ／ｍ2である。【００９３】  他のガスプラズマは、同じような効果を示した。ＣＨ4／Ｏ2ＲＩＥは、結合前のウェハ面からＰＥＣＶＤ酸化物の〜４ｎｍ除去するのに用いられる。室温結合ＰＥＣＶＤ酸化物被覆シリコンウェハの結合エネ���ギーは、この手法で顕著に増加し、十分な貯蔵時間後に１０００ｍＪ／ｍ2を超える（図６Ａ参照）。【００９４】  アルゴンプラズマは、公称流速１６ｓｃｃ／ｍのＶＳＥに対して用いられる。ＲＦ電力は典型的に１３．５６ＭＨｚで６０Ｗで、真空レベルは１００ｍＴｏｒｒであった。酸化物被覆ウェハは、３０秒〜２分の間の時間でＲＩＥモードにてプラズマ処理された。プラズマ処理されたシリコンウェハは、ＮＨ4ＯＨ溶液に浸漬され、スピン乾燥、室温、空気中の結合が続く。結合エネルギーは、空気中、たった８時間貯蔵後に室温で８００ｍＪ／ｍ2に達する。【００９５】  本発明の明らかで、多数の変更およびバリエーションは前記技術の範囲で化のである。したがって、添えられた請求の範囲の範囲内で理解され、かつ本発明はここに特別に述べられたのと別の方法で実行されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る方法のフロー図。
【図２】  本発明に係る方法の例のフロー図。
【図３】  本発明に係る方法のだ１実施形態を示す図。
【図４】シリコン酸化物を用いる本発明に係る結合を示す図。
【図５】  シリコンを用いる本発明に係る結合を示す図。
【図６Ａ】  室温結合エネルギー対貯蔵時間を示す図。
【図６Ｂ】  室温結合エネルギー対貯蔵時間を示す図。
【図７】  本発明に用いられる結合固定の図。
【図８】  結合前に希釈ＨＦにより非常に僅かにエッチングされた堆積酸化物被覆シリコンの結合界面室近傍のＳＩＭ（Secondary Ion Mass Spectroscopy）によるフッ素濃度プロファイル。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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