[发明专利]制造具有最小应力的异质结构的方法

说明书

技术领域

本发明涉及制造通过键合第一晶片或衬底至第二晶片或衬底而形成的异质结构(heterostructure)，其中所述第一晶片的热膨胀系数低于所述第二晶片的热膨胀系数。这种异质结构特别用于微电子领域或光电子领域中。本发明特别应用于制造SOS异质结构(SOS表示蓝宝石(Al₂O₃)上硅)。

背景技术

在组装两个具有不同热膨胀系数的晶片时，例如在室温(20℃)时热膨胀系数相差至少10％或20％的情况下，或者在两个组装的晶片的任何后续处理过程中，有时会升高温度以便例如在键合增强退火过程中增强键合界面。

图1显示了在大约160℃执行的键合增强退火的过程中，异质结构的性能，其中异质结构通过将对应于SOI(绝缘体上硅)结构的第一晶片或衬底10键合到蓝宝石的第二晶片或衬底20而形成。如图1所示，热处理过程中，作为SOI结构的主要部件的硅以及蓝宝石的热膨胀系数(TEC)之间的差异(Si的TEC＜Al₂O₃的TEC)导致组件变形，从而高剥离应力(debonding stress)Cd施加到位于异质结构的边缘处的区域Zd。

由于这些应力，在晶片的边缘处转移不充分，从而导致过大以及形状不规则的环形(第一晶片没有被转移到第二晶片上的区域)外观，并且特别导致晶片边缘剥落(peeling-off)。

在诸如SOS异质结构的异质结构的情况下，通过将诸如SOI结构的结构组装到诸如蓝宝石衬底的支撑晶片或衬底上而制造SOS异质结构。在这种情况下，SOS异质结构的制造包括将SOI结构直接晶片键合或熔化键合到蓝宝石晶片上，键合稳定或键合增强退火，以及减薄SOI结构以便形成转移到蓝宝石晶片上的硅层。通常在两步中执行减薄，即首先是消除SOI结构的大部分支撑衬底的研磨步骤，然后第二步骤是化学刻蚀至SOI结构的氧化物层，其中氧化物层作为停止层。通常使用TMAH(四甲基氢氧化铵)来执行化学刻蚀。

如上所述，衬底边缘处的剥离应力的产生可能导致硅层和蓝宝石衬底边缘处的剥离，从而在减薄过程中允许潮湿的刻蚀剂渗入键合界面中。该渗入进一步弱化了键合并可能导致如图2所示的结构分层，其中当剪切应力被施加到硅层上时，可以观察到硅表面层从下方的蓝宝石衬底或晶片上分层。

最后，如图3所示，研磨之后已经存在边缘损失(由于分层导致的环形扩大)。边缘损失的原因是键合增强退火过程中的分层，并且由于键合增强退火过程的硅较厚，该分层较大。

发明内容

本发明的一个目的是通过提供一种制造异质结构的方案来克服上述缺陷，其包括将第一晶片或衬底键合到第二晶片或衬底，其中第一晶片的热膨胀系数低于第二晶片的热膨胀系数，同时如上所述限制衬底边缘处的剥离和缺陷的出现。

为此，本发明提出一种制造异质结构的方法，其中在键合之后以及键合增强退火(bond-strengthening anneal)之前，至少部分地修整第一晶片。

至少部分地修整第一晶片能够减小第一晶片的周边厚度，从而由于两个晶片的热膨胀系数之间的差异而减小剥离应力的大小。由此改进了环形，即衬底边缘处的未转移区域，的宽度和规则性。

根据本发明的方法的一个实施方式，执行单一的修整步骤之后，第一晶片在其修整部分中的厚度小于或等于55μm，以及在大约160℃的温度下执行单一的键合增强退火步骤大约2小时的时间。

根据本发明的方法的另一个实施方式，所述方法包括第一和第二键合增强退火步骤以及至少部分地修整(trim)第一晶片的第一和第二修整步骤。在该实施方式中，第一修整步骤在所述第一退火步骤之后和所述第二退火步骤之前执行，而第二修整步骤在所述第二退火步骤之后执行。

该实施方式能使修整深度达到利用单一修整步骤所不能达到的修整深度，而没有晶片剥落或分层的风险。

由于通过第一修整步骤部分减小了剥离应力，因此可以在高于第一键合增强退火步骤的温度下执行第二键合增强退火步骤。

本发明的方法特别应用于SOS结构的制造。在这种情况下，该方法使用硅或SOI衬底作为第一晶片，使用蓝宝石衬底作为第二晶片。

根据本发明的一方面，该方法进一步包括一个或多个键合增强退火步骤之后的减薄第一晶片的步骤，其中通过研磨然后通过刻蚀第一晶片来执行所述减薄。利用砂轮执行研磨，砂轮的工作表面包括平均尺寸大于6.7微米的磨粒。

对于研磨而言，与使用包括平均尺寸小于6.7微米的磨粒的轮时所实现的细研磨相比，使用包括平均尺寸大于6.7微米的磨粒的砂轮提供了粗研磨(coarse grinding)。