FR2964111A1 - Procede de collage direct entre deux plaques, comprenant une etape de formation d'une couche de protection temporaire a base d'azote - Google Patents

Procede de collage direct entre deux plaques, comprenant une etape de formation d'une couche de protection temporaire a base d'azote Download PDF

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Abstract

Pour éviter les problèmes d'hydrolyse de l'oxyde de silicium formé par PECVD à la surface d'au moins une plaque, il est proposé de recouvrir, dans l'enceinte de dépôt sous vide utilisée pour le dépôt de l'oxyde de silicium, ledit oxyde par une couche de protection temporaire comprenant de l'azote. La couche de protection protége, ainsi, l'oxyde de silicium contre l'environnement extérieur et notamment de l'humidité, lorsque la plaque munie de l'oxyde de silicium est stockée hors de l'enceinte de dépôt sous vide. La couche de protection est, par la suite retirée, par exemple par polissage mécano-chimique, juste avant la mise en contact des deux plaques. La couche de protection peut être formée par un dépôt PECVD de nitrure de silicium, par nitruration plasma ou dopage en azote d'une partie superficielle de l'oxyde de silicium.

Description

Procédé de collage direct entre deux plaques, comprenant une étape de formation d'une couche de protection temporaire à base d'azote.
Domaine technique de l'invention
L'invention concerne un procédé de collage direct entre deux plaques comprenant, avant la mise en contact des plaques, une étape de formation par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma, d'un oxyde de silicium en surface d'au moins une plaque préalablement placée dans une enceinte de dépôt sous vide.
État de la technique Le principe du collage par adhérence moléculaire ou collage direct est basé sur la mise en contact direct de deux surfaces, sans utilisation d'un matériau spécifique tel qu'une colle, une cire, un métal à basse température de fusion... Les surfaces destinées à être mises en contact peuvent être hydrophiles ou hydrophobes.
Une surface hydrophobe peut, par exemple, être une surface libre d'une plaquette (ou substrat) en silicium exempte d'oxyde de silicium, tandis qu'une surface hydrophile peut, par exemple, être une surface libre d'une plaquette en silicium comportant une couche mince d'oxyde de silicium.
Le procédé de collage par adhérence moléculaire nécessite, par ailleurs, que les surfaces à coller soient suffisamment lisses, exemptes de particules ou de contamination, qu'elles présentent une chimie de surface adaptée et qu'elles soient suffisamment rapprochées pour initier un contact. Dans ce cas, les forces attractives entre les deux surfaces sont assez élevées pour provoquer l'adhérence moléculaire.
Les collages sont, généralement, réalisés à température ambiante et à pression ambiante, après un nettoyage chimique des surfaces. Cependant, un traitement thermique ultérieur, par exemple à une température de l'ordre de 1000°C, est souvent réalisé pour renforcer les énergies de collage. Or, dans un très grand nombre d'applications, les étapes de traitement thermique à une telle température ne sont pas admises.
Des procédés de collage, ne nécessitant pas de traitements thermiques à si haute température après la mise en contact des surfaces à coller, ont déjà été proposés. Ils comprennent en général une étape d'activation de surface préalable à la mise en contact et qui permet de limiter le traitement thermique de consolidation du collage entre 200 et 400°C.
Lorsque le procédé de collage fait intervenir au moins une surface munie d'oxyde de silicium déposé par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD), cet oxyde a tendance à s'hydrolyser avant la mise en contact de ladite surface avec une autre surface et, en particulier, pendant le temps de stockage. Or, la présence d'eau en surface conduit à une dégradation des propriétés de l'oxyde de silicium et engendre l'apparition de défauts à l'interface de collage, lorsque les surfaces sont collées.
Pour remédier à ce problème d'hydrolyse de l'oxyde de silicium déposé par PECVD, un ou plusieurs recuits sont, en général, réalisés avant le collage, pour densifier les oxydes déposés par PECVD. Cependant, comme pour le traitement thermique réalisé après la mise en contact pour renforcer les énergies de collage, le fait d'exposer certaines surfaces à une température élevée (en général du même ordre de grandeur que celle autorisée pour le traitement thermique ultérieur) peut être néfaste, pour des dispositifs dont le budget thermique est limité.
Objet de l'invention
L'objet de l'invention est de proposer un procédé de collage direct entre deux plaques, remédiant aux inconvénients de l'art antérieur, notamment dans le cas d'oxyde de silicium déposé par PECVD sur au moins une plaque. Plus particulièrement, l'objet de l'invention est de proposer une alternative au traitement de recuit réalisé dans l'art antérieur avant la mise en contact des plaques, pour conserver jusqu'à la mise en contact une bonne qualité d'oxyde de silicium déposé par PECVD.
Selon l'invention, ce but est atteint par un procédé de collage direct entre deux plaques comprenant, avant la mise en contact des plaques, une étape de formation par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma, d'un oxyde de silicium en surface d'au moins une plaque préalablement placée dans une enceinte de dépôt sous vide, caractérisé en ce que : - l'oxyde de silicium formé en surface de ladite plaque est recouvert d'une couche de protection comprenant de l'azote avant que ladite plaque ne soit sortie de l'enceinte de dépôt sous vide et - la mise en contact entre les deux plaques est précédée d'une étape de retrait de la couche de protection.
Selon un développement de l'invention, la couche de protection peut être formée : - par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma de nitrure de silicium sur l'oxyde de silicium, - par nitruration assistée par plasma d'une partie superficielle de l'oxyde de silicium ou - par dopage en azote d'une partie superficielle de l'oxyde de silicium. 330
Description sommaire des dessins
D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels : - les figures 1 à 5 illustrent schématiquement et en coupe différentes étapes d'un mode particulier de collage direct entre deux plaques.
Description de modes particuliers de réalisation
Pour éviter les problèmes d'hydrolyse de l'oxyde de silicium formé par PECVD à la surface d'au moins une plaque avantageusement en matériau semi-conducteur, telle qu'une plaquette en silicium (ou « wafer »), il est proposé de recouvrir l'oxyde de silicium par une couche de protection comprenant de l'azote.
De plus, cette étape de recouvrement de l'oxyde de silicium par la couche de protection est réalisée in situ, c'est-à-dire dans l'enceinte de dépôt sous vide servant au dépôt PECVD de l'oxyde de silicium. Ainsi, la plaque munie de l'oxyde de silicium déposé par PECVD n'est sortie de l'enceinte qu'une fois l'oxyde de silicium déposé et recouvert par la couche de protection. En particulier, la partie recouverte par la couche de protection correspond au moins à la surface libre en oxyde de silicium destinée à être mise en contact avec une autre surface pour assurer le collage des plaques.
La couche de protection comprenant de l'azote protége, ainsi, l'oxyde de silicium contre l'environnement extérieur et notamment de l'humidité présente dans l'atmosphère lorsque la plaque est stockée hors de l'enceinte de dépôt sous vide. Cette phase de stockage peut durer plusieurs jours, avant que la plaque ne soit utilisée pour être collée à une autre plaque.
Enfin, la couche de protection est une couche de protection temporaire : Elle est retirée juste avant la mise en contact de la plaque avec une autre plaque pour le collage direct. Elle est, par exemple, retirée par une étape de polissage mécano-chimique (ou CMP). Cette étape de CMP sert également à activer la surface en oxyde de silicium avant le collage en augmentant sa rugosité. Dans certains cas, lorsqu'il n'est pas nécessaire d'activer la surface à mettre en contact pour le collage, la couche de protection peut aussi être retirée par une simple opération de gravure.
La couche de protection comprenant de l'azote est dans l'enceinte de dépôt sous vide utilisée pour le dépôt PECVD d'oxyde de silicium. Elle peut être obtenue par diverses techniques. En particulier, elle est formée : - par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma de nitrure de silicium sur l'oxyde de silicium, - par nitruration assistée par plasma d'une partie superficielle de l'oxyde de silicium ou - dopage en azote d'une partie superficielle de l'oxyde de silicium.
Dans le cas d'un dépôt PECVD de nitrure de silicium, l'épaisseur de la couche de protection est avantageusement comprise entre 2nm et quelques centaines de nanomètres et avantageusement comprise entre 10nm et 100nm. À titre d'exemple, une couche de protection en SiN a été réalisée par dépôt PECVD, à la suite du dépôt PECVD de l'oxyde de silicium à une température de 400°C. Un tel nitrure de silicium présente une densité de l'ordre de 2,4.
Les conditions permettant de réaliser une nitruration assistée par plasma (ou nitruration plasma) pour former la couche de protection comprenant de l'azote sont, en particulier, les suivantes :, - durée comprise entre 10s et 300s, - température équivalente à celle du dépôt d'oxyde de silicium par PECVD,
- source de puissance RF : 50-1000W, - Gaz actif comprenant de l'azote : NH3 et/ou N2 avec un débit pouvant varier jusqu' à 5000sccm, - Gaz porteurs éventuels : Ar et/ou He avec un débit variant de 0 à 5000sccm.
Le dopage en azote réalisé à la fin de l'étape de dépôt PECVD de l'oxyde de silicium pour former la couche de protection comprenant de l'azote est par exemple obtenu en ajoutant, aux gaz de dépôt utilisés pour former l'oxyde de silicium, N2 et/ou NH3 avec un ajustement de la puissance afin de conserver les propriétés mécaniques adéquates. Le débit du gaz N2 est compris entre 0 et 5000 sccm tandis que celui du gaz NH3 est compris entre 0 et 1000 sccm.
Selon un mode particulier de réalisation représenté sur les figures 1 à 5, deux substrats 1 en silicium sont collés l'un à l'autre en réalisant successivement : - une étape de formation d'un oxyde de silicium 2 par PECVD, à la surface de chacun des deux substrats 1 placés dans une même enceinte de dépôt sous vide (figures 1 et 2), - une étape de formation, au sein de la même enceinte de dépôt sous vide, de la couche de protection 3 comprenant de l'azote sur l'oxyde de silicium 2 recouvrant chaque substrat 1 (figure 3), - une étape d'extraction des substrats 1 hors de l'enceinte de dépôt sous vide, en vue de les stocker dans un environnement non protégé (contenant de l'eau) avant leur mise en contact, - une étape de retrait de la couche de protection 3 sur chaque substrat 1 afin de libérer les surfaces en oxyde de silicium destinées à être mise en contact - une étape de mise en contact entre les deux substrats (figures 4 et 5) consistant à rapprocher les surfaces libres en oxyde de silicium des deux substrats 1 jusqu'à l'obtention d'une adhérence moléculaire et création d'une interface de collage 4 entre les deux substrats 1.
Le stockage des substrats 1 peut être de quelques minutes à quelques jours, avant que les substrats 1 ne soient collés. Ils sont, pendant ce temps de stockage, protégés par la couche de protection 3 de l'eau présente dans l'environnement extérieur. Par contre, lorsque l'on souhaite réaliser l'étape de mise en contact, les couches de protection 3 sont retirées juste avant cette étape de mise en contact. Cette étape peut, par exemple, être réalisée par un polissage mécano-chimique (CMP) ou par simple gravure, auquel cas cette étape peut également servir à activer les surface pour le collage, et aucun autre traitement n'est réalisé sur les substrats 1 entre le retrait de la couche de protection 3 et la mise en contact. Une étape spécifique d'activation peut néanmoins être prévue, avant la mise en contact. Le temps écoulé entre le retrait de la couche de protection et la mise en contact doit être suffisamment court pour préserver l'activation de surface nécessaire au collage. Ce laps de temps entre les deux étapes correspond, plus particulièrement, au temps de manipulation nécessaire pour faire transférer les plaques de l'étape de retrait à celle de l'étape de mise en contact. À titre d'exemple, ce temps peut être estimé à environ quelques minutes.
Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 1 à 5, les deux substrats 1 destinés à être collés sont placés dans une enceinte de dépôt sous vide. Il peut s'agir de la même enceinte de dépôt ou bien de deux enceintes de dépôt distinctes, afin de réaliser successivement la formation de l'oxyde de silicium et de sa couche de protection. Lorsque les deux substrats 1 sont placés dans une même enceinte de dépôt sous vide, la formation des oxydes de silicium sur les deux substrats peut être réalisé en simultané, ainsi que la formation des couches de protection.
Selon une alternative, l'oxyde de silicium peut être déposé sur un seul des deux substrats à coller pour réaliser, par exemple, un collage mixte (surface hydrophile/surface hydrophobe). Dans ce cas, seul le substrat concerné est disposé dans l'enceinte de dépôt sous vide pour le dépôt PECVD d'oxyde de silicium et la formation de la couche de protection. L'autre substrat est alors
activé en surface selon des techniques conventionnelles. Il est, par exemple, soumis à une opération de polissage mécano-chimique, suivie d'une opération de traitement par plasma réducteur (par exemple à base d'azote), avant d'être mis en en contact avec le premier substrat.
Le fait de protéger l'oxyde de silicium contre l'humidité pendant le stockage des plaques, par l'intermédiaire d'une couche de protection comprenant de l'azote, permet d'obtenir, lors de la mise en contact, un oxyde de silicium non vieilli ou dégradé et l'énergie de collage correspond alors à celle de l'oxyde io de silicium déposé initialement, même si le stockage dure très longtemps. De plus, une telle solution est adaptée aux applications nécessitant un budget thermique faible.

Claims (8)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de collage direct entre deux plaques (1) comprenant, avant la mise en contact des plaques (1), une étape de formation par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma, d'un oxyde de silicium (2) en surface d'au moins une plaque (1) préalablement placée dans une enceinte de dépôt sous vide, caractérisé en ce que : - l'oxyde de silicium (2) formé en surface de ladite plaque (1) est recouvert d'une couche de protection (3) comprenant de l'azote avant que ladite plaque (1) ne soit sortie de l'enceinte de dépôt sous vide et - la mise en contact entre les deux plaques (1) est précédée d'une étape de retrait de la couche de protection.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de protection (3) est formée par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma de nitrure de silicium sur l'oxyde de silicium (2).
  3. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de protection (3) est formée par nitruration assistée par plasma d'une partie superficielle de l'oxyde de silicium (2). 25
  4. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de protection (3) est formée par dopage en azote d'une partie superficielle de l'oxyde de silicium (2).
  5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en 30 ce que la couche de protection (3) est retirée par polissage mécano-chimique. 920
  6. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la couche de protection (3) est retirée par gravure.
  7. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que chaque plaque (1) est placée dans une enceinte de dépôt sous vide, afin de réaliser la formation de l'oxyde de silicium (2) puis la formation de sa couche de protection (3).
  8. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'un oxyde de silicium (2) étant formé en surface d'une des deux plaques, l'autre plaque subit, avant la mise en contact des deux plaques, une opération de polissage mécano-chimique, suivie d'une opération de traitement par plasma réducteur.15
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