（微电子学与固体电子学专业论文）硅—硅直接键合工艺机理和模拟的研究.pdf

摘要 硅一硅直接键合技术是一项重要的技术，可广泛应用于s o l 、m e m s 和大功率器件。对于大 功率器件，由于键含界面通过大电流并要承受高压，界面的杂质分布、界面本征氧化层、空洞等 对器件的击穿电压、串联电阻等电学性能有很大的影响，要求杂质分布陡、无界面本征氧化层和 空洞。所以，用于大功率器件的疏水硅一硅直接键合技术是要求最高、难度最大、也是非常重要的 键合技术之一，具有重要的研究意义。 本论文的研究工作是围绕大功率器件的硅一硅直接键台技术展开的：研究键合工艺机理以消除 界面空洞，研究工艺模型以模拟键合过程中杂质分布和对键合技术制各高压大功率p i - n 二极管的 研究。 首先，研究了硅一硅直接键合技术的工艺机理，提出了高温退火的“开合”过程。通过大量的 实验和理论分析发现，在高温( 9 0 0 。c 以上) 退火的过程中，键合界面应该有一个时间很短的“开 合”过程，这个过程与键合界面空洞的产生机制密切相关，如果“开合”过程不充分，键合界面 就会产生空洞，并且不容易消除。 其次，研究了硅一硅直接键合工艺模型，主要进行了三方面的研究工作：( 1 ) 硅一硅直接键合 的杂质分布，包括了退火温度、退火时间、杂质浓度和类型、界面本征氧化层等影响杂质分布的 因素，提出了杂质在不同材料中扩散的“积累”或“抽取”效应；( 2 ) 硅一硅直接键合界面应力分 布，包括了室温预键合时的弹性应力、高温退火的热应力利粘滞应力和界面气泡和颗粒引起的附 加应力；( 3 ) 硅一硅直接键合的键台强度，主要受退火温度和时问等因素影响。其中杂质分布是研 究的重点内容。在研究工艺机理和工艺模型的基础上，月jm a t l a b 软件编写相应的模拟软件，为设 计键合t 艺条件提供重要的理论依据。 最后，研究了键合技术制备高压大功率p i n 二极管的疏水键合技术，与外延技术相比较，键 合技术有独特的优势：杂质分布陡、n 一或p 一层缺陷密度小、少于寿命长、串联电阻小。经过流片 实验证明，键合衬底制备的高乐p _ i n 二极管的电学性能明显忧丁外延衬底。另外，为了避免界面 的缺陷对器什性能的影响，对键合1 j 艺进行改进，利_ 【 j 反外延技术和硅一硅直接键合技术制备s o i 衬底的优点，提出了一种新结构的衬底，能够成为高压大功率p i n 二极管更好的衬底材料。 通过深入的理论研究和人量的实验，已经形成了一套成熟的键合技术f j 艺程序，研制山完全 没有空洞的键合硅片，实际测量的杂质分布与模拟的结果相符合，并且9 7 0 厂h j 我们的键合硅片 v 兰州大学博士学位论文 研制的高压大功率p - i n 二极管的性能明显优于他们原来的外延片。 关键词：硅一硅直接键合；“开合”效麻；键合1 二艺模拟：键合高压p - i n 二极管 v a b s t r a c t t h es i l i c o nd i r e c tb o n d i n g ( s d b ) i sa ni m p o r t a n tt e c h n o l o g y , a n dh a sb e e nw i d e l ya p p l i e dt os o i ， m e m sa n dh i g hp o w e rd e v i c e s f o rt h eh i g hp o w e rd e v i c e ，t h ei m p u r i t yp r o f i l e ，i n t e r r a c i a lo x i d ea n d v o i d sh a v el a r g ee f f e c to nt h eb r e a k d o w nv o l t a g ea n dt h es e r i a lr e s i s t a n c eo w i n gt ot h el a r g ec u r r e n ta n d h i g hr e v e r s e b i a sv o l t a g ea tt h eb o n d i n gi n t e r f a c e s ot h es i l i c o nb o n d i n gt e c h n o l o g ya p p l i e dt oh i g h p o w e rd e v i c e si sr e q u i r e dt oh a v eag o o dq u a l i t y , o n eo ft h em o s td i f f i c u l tb o n d i n gt e c h n o l o g y , b u ti ti s v e r yi m p o r t a n ta n dw o a hs t u d y i n g 1 nt h ep a p e r , t h es t u d i e sa 2 ef o c u so nt h es i l i c o n d i r e c tb o n d i n gt e c h n o l o g ya p p l i e dt ot h eh i g h p o w e rd e v i c e s ，i n c l u d i n gt h es t u d i e so nt h eb o n d i n gp r o c e s sm e c h a n i s mt oe l i m i n a t et h ev o i d sa tt h e b o n d i n gi n t e r f a c e ，t h es t u d i e so nt h eb o n d i n gp r o c e s sm o d e lt os i m u l a t et h ei m p u r i t yd i s t r i b u t i o na n dt h e s t u d i e so nt h ef a b r i c a t i o no ft h el a r g ep o w e ra n dh i g hb r e a k d o w nv o l t a g ep - i - nd i o d eb yt h es i l i c o n d i r e c tb o n d i n gt e c h n o l o g y f i r s t ，t h em e c h a n i s mo fb o n d i n gp r o c e s si ss t u d i e da n dt h e “o p e n c l o s e ”e f f e c ti s p r e s e n t e dd u r i n g t h ea n n e a l i n gp r o c e s s t h e “o p e n - c l o s e ”e f f e c ti s p r o p o s e db a s e do nl o t so fe x p e r i m e n t sa n dt h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n dt h eb o n d i n gi n t e r f a c ei sc o n s i d e r e dt oh a v ea “o p e n - c l o s e i nv e r ys h o r tt i m ei ft h e a n n e a l i n gt e m p e r a t u r ei so v e r9 0 0 c t h e “o p e n - c l o s e ”e f f e c th a sl a r g ee f f e c to nt h ef o r m a t i o no ft h e v o i d sa tt h eb o n d i n gi n t e r f a c e i ft h e “o p e n c l o s e ”i si n s u f f i c i e n t t h ev o i d sw i l lf o r ma n dn o te a s yt o e l i m i n a t e s e c o n d ，t h eb o n d i n gp r o c e s sm o d e l sa r es t u d i e d ，m a i n l yi n c l u d i n gt h et h r e er e s p e c t s ：( 1 ) t h e i m p u r i t yd i s t r i b u t i o nm o d e l ：i t ；se f f e c t e db ) 7t h ea n n e a l i n gt e m p e r a t u r e ，t h ea n n e a l i n gt i m e ，t h et y p ea n d c o n c e n t r a t i o no f t h ei m p u r i t y , t h ei n t e r f a c i a lo x i d el a y e ra n ds oo n t h e “p i l e u p ”a n d e x t r a c t i o n e f f e c t ： i ti sp r e s e n ta tt h ei n t e r f a c ei ft h ed i f f u s i o nc o e f f i c i e n t sa r ed i f f e r e n ti nd i s s i m i l a rm a t e r i a l s ( 2 ) t h e s t r e s sd i s t r i b u t i o na tt h eb o n d i n gi n t e r f a c e ：i n c l u d i n gt h ee l a s t i c i t ys t r e s s e so ft h eb o n d i n ga tr o o m t e m p e r a t u r e ，t i l et h e r m a ls t r e s s e sa n dv i s c i d i t ys t r e s s e sd u r i n gt h eh i g ht e m p e r a t u r ea n n e a l i n g ，a n dt h e s t r e s s e sb r o u g h t b yt h ev o i d sa n dp a r t i c u l a t e sa tt h eb o n d i n gi n t e r f a c e ( 3 ) r i h eb o n d i n gs t r e n g t h ：i ti s m a i n l ye f f e c t e db yt h ea n n e a l i n gt e m p e r a t u r ea n dt h ea n n e a l i n gt i m ea m o n gt h es t u d i e s ，t h ei m p u r i t y d i s t r i b u t i o ni s e m p h a s e d b a s e do nt h es t u d i e so nt h eb o n d i n gp r o c e s sa n db o n d i n gm o d e l s ，t h e s i m u l a t i o ns o f t w a r ei sd e v e l o p e db ym a t l a bt o o l ，w h i c hp l o v i d e sa ni m p o r t a n tt o o li np r o c e s sd e s i g n v i 州i 大学博士学位论文 f i n a l l y , t h eh y d r o p h o b i cb o n d i n gt e c h n o l o g yi ss t u d i e dw h i c hi sa p p l i e dt ot h ef a b r i c a t i o no ft h e p - i nd i o d ec o m p a r e dw i t ht h ee p i t a x yt e c h n o l o g y , t h eb o n d i n gt e c h n o l o g yh a v ee v i d e n ta d v a n t a g e ：t h e s t e pi m p u r i t yp r o f i l e ，t h es m a l ld e f e c tc o n c e n t r a t i o ni nn o rp - l a y e r , t h el o n gm i n o r i t yc a r r i e rl i f e t i m e ， t h es m a l ls e r i a lr e s i s t a n c e t h ee l e c t r i c a lp r o p e a i e so ft h ep - i nf a b r i c a t e db yt h eb o n d i n gw a f e r sa r e e v i d e n t l yb e t t e rt h a nb yt h ee p i t a x i a lw a f e r s ，w h i c hh a v eb e e np r o v e db yt h ee x p e r i m e n t so nt h ef l o w p r o c e s s i n gl i n e i na d d i t i o n ，t oa v o i dt h ee f f e c to ft h ed e f e c t sa tt h eb o n d i n gi n t e r f a c eo nt h ee l e c t r i c a l p r o p e r t i e s ，an e ws t r u c t u r eh a sb e e np r e s e n t e dt oi m p r o v et h eb o n d i n gt e c h n o l o g y , w h i c hi n t e g r a t e sb o t h a d v a n t a g e so f t h eb o n d i n gt e c h n o l o g ya n dt h ee p i t a x yt e c h n o l o g y b yt h ei n - d e p t hi n v e s t i g a t i o ni nt h e o r ya n de x p e r i m e n t s ，as e to ft h em a t u r ep r o c e s sf l o w so ft h e s i l i c o nd i r e c tb o n d i n gh a v ec o m ei n t ou s e ，a n dt h ef r e e - v o i db i n d i n gw a f e r sh a v eb e e nm a d e t h er e s u l t s o f t h em e a s u r e dr e s u l t s i np r a c t i c ea n dt h es i m u l a t e dr e s u l t sa r ei d e n t i c a l t h eh i g h - v o l t a g ep - i nd i o d e s h a v eb e e nf a b r i c a t e db yo u rb o n d i n gw a f e r si nn o9 7 0f a c t o r y , s h o w i n gt h a te l e c t r i c a lp r o p e r t i e sa r e e v i d e n t l yb e t t e rt h a nt h o s eo f t h ef o r m e re p i t a x yw a f e r s k e yw o r d ：s i l i c o nd i r e c tb o n d i n g ；“o p e n - c l o s e ”e f f e c t ；t h es i m u l a t i o no fb o n d i n gp r o c e s s ；t h e h i g h v o l t a g ep - i - nd i o d eb yb o n d i n g v 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立 进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表 的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用 的内容外，不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：吐盔j 垃 日期：坦谚 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定， 同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版， 允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和 汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相 关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：揪导师签名：墅杰盏日期：巡留 兰州大学博十学位论文 第一章绪论 1 1 硅片键合技术的分类 硅片键合技术是指通过化学和物理作用将硅片与硅片、氧化层、玻璃或其它材料 紧密连接在一起形成一个整体。硅片键合技术经过几十年的发展，已经形成了适合不 同领域的键合技术，按照硅片之间有无中间层，硅片键合技术分为两大类：无中间层 键合技术和有中间层键合技术，如图1 1 所示。无中间层键合技术主要有阳极键合技 术( 也称硅一玻璃静电键合技术) 和硅一硅直接键合技术。有中间层键合技术按照中间 层的不同可分为：金一硅共熔键合技术、焊料键合技术、玻璃釉料键合技术、粘合剂 键合技术、共晶键合技术和阳极键合技术。下面主要介绍分析金一硅共熔键合技术和 玻璃静电键合技术，硅一硅直接键合技术下面单独重点介绍。 图1 1 硅片键合技术的分类 1 1 1 金一硅共熔键合 会一硅共熔键合常用于微电子器件的封装中，用会一硅焊料将管芯烧结在管底座 上，1 9 7 9 年这一技术用在了压力变送器上。金硅一焊料是会一硅二相系( 硅的含量为 1 9 a t ) ，熔点为3 6 5 ，比硅或金的熔点低得多，如图1 2 所示。在工艺上，金一硅 焊料一般用作中间过渡层，置于欲键合的两键合片之f j ，将它们加热到稍高于会一硅 共熔点温度，会一硅混合物将从与其键台的硅片中夺取硅原予以达到硅在金一硅二相系 中的饱和状态，冷却后形成瞧好的键合，利用这种技术可以实现硅片之间的键合。而 第一章绪论 旦，利用半导体材料g e 代替金，在高温下两个硅片之间形成一种掰的半导体材料一 锗一硅化合物发展为一项新的硅一硅直接键合技术【1 1 。然而，高温下会在硅中的扩散 速度很快，并且金是少数载流子的复合中心，能够使硅中的少数载流子寿命大大降低， 无法用于半导体器件的衬底材料。由于m e m s 工艺温度低温，一般硅溶解在流动的 金中，而会不会进入到硅中，所以它可以用在m e m s 工艺中。需要注意的是，这种 键合在退火以后，由于热不匹配带来应力，需要控制好退火温度。 金一硅键合工艺主要步骤是：( 1 ) 热氧化要键合的硅片，使硅片的表面生成一层 s i 0 2 ：( 2 ) 用电子束蒸发台淀积一层与s i 0 2 粘合性好的厚度为3 0 n m 的钛膜，再蒸镀 一层厚度为1 2 0 n r n 的余膜：( 3 ) 将两个硅片贴合一起放在加热器上，加一质量块压 实，在3 5 0 4 0 0 下退火。实验表明，在退火温度为3 6 5 c ，退火l o 分钟，键合面积 超过8 0 。 “246 鲁骨譬；0 2 5 3 0 t o6 0s j l l j j l l j 1 1 叫 胁1 02 0 怎 器7 0 t o * 5 i 1 1 2 玻璃静电键合 图i 2 会硅共熔相图 静电键合又称场助键合、阳极键合【2 1 ，它是w a l i s 和p o m e r a n t a 于1 9 6 9 年提出【3 i ， 现在已经是一项成熟的工艺技术，可以将玻璃与仓属、合金或半导体等材料键合在一 起，不需要任何粘合剂，而且键合温度低，键合界向牢吲，长期稳定相好，大量应用 于m e m s 工艺中的密封腔制备过程，可以制备压力传感器，密封器件的密封腔等。 静电键合装置非常简单，如图1 3 所示，主要是带有温度控制的加热器和外加电 兰州大学博十学位论文 场的直流电源和电极。硅片接直流电源的诈极，玻璃接直流电源的负极，电压在 5 0 0 v 1 0 0 0 v 之间，温度为3 0 0 5 0 0 之问。在高温下，硅片的电阻率将因为本征 激发而降低到o 1 f 2 c m ，其行为与金属相似：玻璃中的n 。+ 离子在电场的作用下向负 极漂移，在紧邻硅片的玻璃表面形成耗尽层，厚度为几个p m 。耗尽层带有负电荷， 硅片带正电荷，由于硅片和玻璃之间的间隙很小，二者之间形成了很大的静电引力， 使二者紧密接触，如图1 4 所示。当硅片和玻璃键合好时，外加电压就主要加在耗尽 层，所以通过电流的变化就可以反映出键合的过程。刚加电压时，有一个较大的电流 脉冲，然后电流减小，最后几乎为零，说明键台已经完成。静电键合过程中，静电引 力起着非常重要的作用。 图1 3 静电键合装置 阴极 耗尽层 阳极 图l 。4l ，日极键合原理图 另外，在比较高的温度下，紧密接触的硅一玻璃界面会发， j 化学反应形成牢固的 化学键，如s i 一0 一s i 键等。静电键合的砬玻璃界面在高温一常温一高温循环，且受到 与键合电压相反电压等各种情况下进行处理，实验发现1 4 】：( 1 ) 硅一玻璃静电键合界 面牢固、稳定的关键是界面由足够的s i 一0 键形成：( 2 ) 施加反向电压后键合界面仍 然牢固稳定。 影响静电键合的因素很多，主要有：( 1 ) 静电键合材料的热膨胀系数要匹配，否 第一章绪论 则在键合完成后的冷却过程中会因内部应力较大而碎裂。( 2 ) 阳极的形状影响键合效 果。常用的有单点电极、多点电极( 一般为三点) 和平行板电极。( 3 ) 表面状况对键 合力有很大影响，表面平整度和清洁度越高键合越容易；表面起伏越大，静电引力就 越小，越不容易键合，并且键合质量差，键合接触面积小，键合强度低。 1 2 硅一硅直接键合技术的特点和发展 硅一硅直接键合技术( s i l i c o nd i r e c tb o n d i n g ，s d b ) 是键合技术中提出较晚，但 是发展最为迅速，人们研究最多，应用最广泛和最为重要的键合技术之一。硅一硅直 接键合技术就是将两个抛光硅片经化学清洗和活化处理后在室温下粘贴在一起，再经 过高温退火处理，使键合界面发生剧烈的物理化学反应，形成强度很大的化学共价键 连接，增加键合强度而形成统整体。硅一硅直接键合技术是i b m 公司的l a s k y 等人 在1 9 8 5 年的国际电子器件年会上首先提出”】，主要目的是提出了一种制备高质量的 s o l ( s i l i c o no ni n s u l a t o r s ) 衬底材料的新方法。硅硅直接键合技术工艺简单，两键 合片的晶向、电阻率、导电类型可自由选择，且与半导体工艺完全兼容，因此迅速引 起了人们的研究兴趣并得到了迅速的发展。如今，硅一硅直接键合技术已经从制备s o i 材料发展到亲水键合、疏水键合、低温键合等新技术，广泛应用于s o i 材料，功率器 件和m e m s 器件等领域【”，是项充满活力的高新技术，对我国新技术的发展有十分 重要的意义。 1 2 1 亲水键合的工艺过程 亲水键合工艺虽然不断改进，并且应用到不同的领域，但亲水键合工艺的基本过 程是类同的，一般分为三步1 2 j ： ( 1 ) 将两片表面平整洁净的抛光硅片( 氧化或末氧化) 先经含o h 的溶液浸泡处理， 使硅片的表面吸附足够的o h 根离子； ( 2 ) 在室温下将硅片的抛光面贴合在一起，使两硅片在室温下依靠短程的分了问作 用力( 如h 键) 吸合在一起，由于这时硅片之l 、日的作用力很弱，界面闰有许多微小的 没有键合上的区域； ( 3 ) 将贴合好的硅片在0 2 或n 2 环境下经过数小时的高温退火处理，使界面发生物 理化学反应，键合强度急剧增强，界面问没有键合上的区域消失或被填充，增加键合 兰卅f 大学博士学何论文 强度丽形成整体，键合完成。 在高温退火过程中，键合界面发生了物理化学反应，在键合界面形成强度很大的 s 卜o 键。s i o 键主要来源：( 1 ) 两个硅片表面的s 卜o h 分子之间的聚合反应生成的 s i o 键( 7 j ，即： s i o h + h o s i s i o s i + h 2 0 ( 1 1 ) 和( 2 ) 高温下氧化层的分子距离接近而形成的s i o 键。当退火温度高于8 0 0 。c ，键 合界面的水向s i 0 2 中扩散显著，而且随着温度升高扩散量成指数增大。键合界面的 空洞和间隙处的水分子可在高温下扩散进入四周的s i 0 2 中，从而产生局部真空，这 样硅片会发生塑性变形使空洞消除。同时，高温下s i o z 粘度降低，而发生粘滞流动， 从而消除了微间隙。温度超过1 0 0 0 时，邻近原子间相互反应产生s i - o 共价键，使 键合完成，如图1 5 所示。 ( a ) ( b ) c ) ( a ) 键合前( b ) 室渝键合( c ) 高温退火 图1 5 亲水键合过程示意图 1 2 2s o i 材料和功率器件衬底 s o i 衬底材料用于制备高速、高抗辐射和低功耗器件和火规模集成电路( 1 c ) ， 与其它材料相比它其有速度高、抗辐射性强、功耗小等优点，应用于军事和航天等特 殊领域，但是s 0 1 衬底材料制备困难，成奉高f 8 1 。目前，制备s o i 材料常用的技术有 三种 9 1 ：在蓝宝石衬底上的异质外延技术( s o s ) 、氧离子注入隔离技术( s m i o s ) 、 硅一硅直接键合技术( s d b ) 。异质外延工艺是在与硅材料品格结构相近的绝缘材料蓝 第一章绪论 宝石上面外延一层单晶硅。山于蓝宝石和硅的晶格结构的不完全相同导致硅外延层中 缺陷密度高，在外延的界面处产生应力和位错，并且蓝宝石非常昂贵，难以大规模生 产，只是应用于军事和航天等领域。 氧离子注入隔离技术( s m i o s ) 是应用大型的离子注入设备把氧离子注入到硅 片中，然后进行退火处理使硅与氧发生反应生成s i 0 2 绝缘层，同时消除s i 0 2 绝缘层 上面的硅层在氧离子注入时的损伤。这种方法的的主要限制是成本高，大面积离子注 入以及高温退火均给工艺带来高额的成本。离子注入工艺容易把缺陷和应力引入顶部 硅层。产生大量的位错。离子注入形成的隐埋氧化层( b o x 层) 常出现针孔缺陷、 硅包体等，完整性差。氧离子注入隔离( s m i o s ) 的s o i 材料上面的s i 层厚度很小， 在1 2 p m 之间，需要比较厚的s i 层，还需要进行外延。另外，氧离子注入隔离( s m i o s ) 的s o i 材料非常昂贵，4 英寸s o i 片价格在2 0 0 0 元以上。 硅一硅直接键合的s o i 材料的工艺流程如图1 6 所示，主要工艺有氧化、键合、 减薄和抛光工艺。与其它两种方法相比较，硅一硅直接键合的s o i 材料有很大的优点： ( 1 ) 工艺简单，不需要大型的复杂设备；( 2 ) 二氧化硅层是由于热氧化生成，厚度 和质量好，不会出现针孔现象；( 3 ) 硅层的厚度由减薄和抛光工艺决定，可以根据要 求进行：( 4 ) 硅层是原单品硅片的一部分，缺陷密度小，质量高；( 5 ) 价格便宜，适 合大规模生产和应用。 衬底硅片 工作硅片 键合e 二二 i _ j 减薄和抛光 二= 二 图1 6 键合s o l 材料的工艺流程 硅一硅直接键合技术的优点很快引起了人们的兴趣并投入大量的研究，把硅一硅直 接键合技术从s o i 材料扩展到其它的领域，提出了硅与硅的直接键合，工艺流程如图 1 7 所示，主要工艺有硅片的活化处理、键合、减薄和抛光工艺。由于硅片中问没有 热氧化层，两个硅片中间不需要任何粘结剂，也不需要外加电场，工艺简单，两键合 兰州大学博十学位论文 硅片的晶向、电阻率和导电类型可自由选择，与半导体工艺完全兼容，并且键合强度 大，键合后的界面可以承受磨片、抛光和高温处理等优点，所以得到了迅速的发展。 它可以制备高压大功率器件所需要的n + 一n 、p + 一p 一和n + p 衬底，可以代替外延工艺 和三重扩散工艺，与其二者相比较，硅一硅直接键合硅片有很多优点：工艺简单、硅 层缺陷密度小、厚度可以自由控制、杂质分布比较陡和击穿电压高等。 衬底硅片工作硅片 图1 7 硅一硅直接键合的工艺流程 1 2 3 疏水硅一硅直接键合 根据硅片在室温下预键合时硅片表面的亲水情况，硅一硅直接键合技术分为两种： 亲水键台和疏水键合。亲水键合是一种常用的硅一硅直接键合技术，也是发展最早， 它是要求硅片在室温下预键合时硅片表面的亲水，吸附大量的o h 根增强预键合时的 硅片之间的相互作用力，所以亲水键合工艺简单、容易，并且成品率高。但是由于亲 水的硅片表面有一层本征氧化层，键合界面的本征氧化层存在着不稳定性【l “，引起 界面电荷成为一个缺陷中心【l ”】。所以，亲水键合硅片可能会影响器件的电学参数， 增加器件的串联电阻等缺点，严重影响了亲水键合片在大功率器件方面的应用。 功率器件的电流从键台界面流过，要求键合界面象外延界面那样没有本征氧化层 作为中问央层，是完全意义上的硅与硅的连接。所以又发展了硅一硅直接键合技术的 另一个分支一疏水键合技术。 疏水键合工艺过程如图1 8 所示，主要工艺有活化、h f 酸漂沈、键合、减薄和 抛光。与亲水键合相比较，疏水键合是把经过活化处理过的硅片，放八到1 , - - 2 的稀 释的h f 酸溶液中浸泡1 2 分钟，漂去硅片表面的本征氧化层，使硅片表面完全疏水， 其它工艺步骤与亲水键合工艺相同。q y ，t o n g i ”】提出了疏水模型，疏水处理后的硅片 表面的悬挂急键主要是h 和f 。s i h 键显弱极化，有效电荷仅01 e ，s i f 键强极化， 因此被h 和f 终结的疏水表面贴合时形成s i f h s i ，它们以h 键连接。温度在 直至蓬 第章绪论 0 2 0 0 范围内，疏水表面能基本无变化，2 0 0 c 以上，表面能随温度升高而显著增强。 疏水表面同时存在s i h 2 和s i h ，而s 卜h 2 不如s i h 稳定。当温度升高后，s i h 2 会向s i h 转化。这导致了界面的重排，键能增加，极性增强，而偶极子与偶极予之 间的作用力大于偶极子诱导的极化分子之间的作用力，表面能上升。当退火温度达到 s i - h 熔点时氢从s i h 中释放出来，即 s i h 十s i h + s i s i + h 2 ( i 2 ) 从而使s i - s i 键成为可能。同时，在高温下，相邻近的s i 原予之间形成共价的s i s i 键。 e 三三了 图1 8 疏水键合的工艺过程 疏水键合硅片中间没有本征氧化层，可以完全代替硅的厚外延技术，是硅一硅直 接键合技术发展的一个重要方向。与厚外延工艺和亲水键合工艺相比较，疏水键合技 术具有很大的优势，具有二者的优点： ( 1 ) 硅层的是原单晶硅片的一部分，在键合和减薄工艺中不会引入新的缺陷，所以 缺陷密度小，质量高，少子寿命长； ( 2 ) 键合工艺避免了外延工艺过程中杂质的自掺杂效应，并且高温时间短，所以杂 质分布比较陡，器件的反向电压高，正向特性好； ( 3 ) 键合的界面没有本征氧化层的夹层，导电性能好，正向电阻小，与外延工艺一 样实现了硅与硅的结合： ( 4 ) 硅层的厚度可以a 由控制，从几个u m 到几百m m ，所以器件的击穿电压可以达 到几千伏，而外延工艺不但有严重的自掺杂效应，而且当外延厚度超过8 0 9 m 后，硅 层的质量很难保证，超过2 0 0 l _ t m 后，外延层的表面出现严重的多品和凸凹不平。 所以疏水键合在制备高压大功率器件衬底有着非常大的优势，是解决高压器件衬 底的一个有效途径，也是本论文研究的一个重点。 兰卅i 大学博士学位论文 1 2 4s i g e 共熔键合 河北工业大学的刘玉岭教授借鉴了金一硅键合技术的特点对硅一硅直接键合技术 进行了扩展，形成了一种新的硅一硅赢接键合技术一s 卜g e 共熔键合【l l ，工艺流程如图 1 9 所示，主要的工艺为：在两个硅片表面淀积一层g e ，面对面重合，然后退火再结 晶，键合完成，最后减薄和抛光。实质上是单晶g e 升温熔化后与s i 共熔，在温度降低 时共熔体重新结晶形成了一种新的硅锗半导体层而成为一体。g e s i 之间形成连续固 熔体体系，相图如图1 1 0 所示。 p 、 煞 孵 羊磐i 二广 键合e 兰| 减薄和抛光e 三三| 图1 9s i g e 共熔键合键合工艺过程 s i 原子敷分毂惕 s i 图1 1 0g e s i 相图 1 一液相线，是组成不同的熔体开始析出晶体时的温度连线； 2 一固相线，是从组成不同的熔体巾结晶终了时的温度连线 假设键合温度选】0 0 0 ，丌始时g e 冈j j 熔化，其原子数分数为1 0 0 ，硅的原子数 分数为o ( a 点) 。恒温一定时问，在两界面处硅开始溶解，沿1 0 0 0 温度线右移， 液相中硅的原子数分数开始增加( 如图1 1 1 ) 。一定时间后到达b 点( 如图1 1 0 ) 。 第一章绪论 这时全部g e 与硅形成g e s i 液态共熔体( 如图1 1 2 ) 。此时共熔体中如果g e 或s i 均不 过量，则出现两相平均，析出合金晶体的速度等于合金晶体溶解的速度。但由于硅是 过量的，致使析出的合金晶体的速度大于合金晶体溶解的速度，开始析出合金晶体 ( 如图1 1 3 ) 。温度稳定定时间后，全部共熔体都形成g e x s i ，合金晶体析出( 图1 1 0 中的。点) ，即全部液相共熔体都转化成g e 、s i 。合金晶体( 如图1 1 4 ) ，两硅片通过g e x s i 。 合金晶体连成一体而键合住。此时再降温，其固相成份不再变化。由相图计算出在1 0 0 0 时g e 。s i ，合金晶体中锗原子数分数为7 8 ，硅原子数分数为2 2 。 侥。s i ，教榭 g e 藏棚 c 气掖槲 c , e ，s i ，液栅 图1 12g e 全部与s i 形成g e ，s i y 共熔体 c e f & ，台盘晶体 c e ，s i ，共蝽体 殛。s 0 音盒晶体 瓴式，音垒矗依 图1 1 3 开始析出g e x s i y 合会晶体图1 1 4 全部g e 。s i y 共熔体转化成g e x s i y 晶体 用半导体材料g e 代替了金属材料金，可以避免金进入硅中减小少子寿命。但是， 由于sa - g e 半导体层的共熔温度比较低，无法承受杂质扩散所需要的高温，不能够代 替疏水键合技术用于高压器件。 1 z 5 硅一硅直接键合单项工艺的发展 在过去的2 0 年中，醚一硅直接键合技术得到了迅速的发展，并且硅一硅直接键合 技术的发展也是伴随着各项单项工艺和应用的不断发展而发展的。硅一硅直接键合技 术的译项工艺的发展主要在活化处理的方法和条件以形成良好的预键合硅片和退火 处理工艺以得到符合各项要求的键合硅片。在活化处理方法上，提出了h 2 s 0 4 和h 2 0 2 溶液、r c a l 溶液、r c a 2 溶液液和氩气或氧气等离子体活化和三步处理活化工艺 兰州大学博士学位论文 | 1 9 - 2 1 】，这些都在键合工艺上得到应用。在退火工艺上，退火温度从1 0 0 0 。c 到1 2 0 0 。c 高温退火到的低温退火键合技术【2 2 1 ，从1 大气压下退火到低压退火。 低温真空键合技术也是键合技术发展的一个新的趋势。硅片直接键合前用等离子 体活化处理，在真空低温下就可以实现较高的键合强度口3 1 。表面活化处理目的是增加 表面的悬挂键，使硅片表面能增加。活化的表面具有很强的吸附能力。在较低的温度 下，键合界面就具有很强的键合强度，在适当的退火温度下，键合界面的悬挂键很容 易发生网络重组，形成键合强度很高的共价键。1 9 9 2 年，t s g u a 用离子束刻蚀法在 超高真空( u h v ) 条件下实现了室温键合【2 4 】。1 9 9 6 年，h t a k a g i 对化学处理后的硅 片在压力小于2 x 1 0 6 p a 真空条件下，用a r 气快速原子束( a r - f a b ) 溅蚀5 分钟，得 到活化的纯硅表面，在1 m p a 的外加压力下键合在一起，键合强度与高于8 0 0 条件 下的键合效果相似【2 5 】。1 9 9 7 年，t a e r y o n gc h u n g 利用表面活化处理的在g a a s 衬底 上室温真空键合了i n g a a s p i n p 激光器件【2 q 。t o n gq y 等发展了低温键合技术，并 且在美国申请了多项低温键合技术的发明专利。由于低温键合技术相对于高温键合技 术避免了很高的退火温度( 低温退火在3 0 0 5 0 0 ，高温退火在1 0 0 0 以上) ，而且 也避免了不同材料间的热失配问题，所以可以应用于光电子器件，m e m s 、三维器件 等高温影响很大的器件和材料。 1 3 硅一直接键合技术的应用 硅一硅直接键合技术主要应用于s o l 、m e m s 和大功率器件，按照结构又可以分 为两大类：一类是键合衬底材料，包括用于高频、抗辐射和v s i l 的s o l 衬底和用于 大功率高压器件的类外延的疏水键合n + n 或n + p 衬底，发光器件衬底等；另一类是 形成键台的器件结构，包括m e m s 器件的各种密封腔和高压功率器件。 1 3 1 硅一直接键合技术在s o l 上的应用 1 3 1 1s o l 的发展和特点 绝缘体上硅( s 0 1 ) 技术已有3 0 多年的历史，它丌始于2 0 世纪6 0 年代的蓝宝石上异 质外延硅( s o s ) 。5 0 1 技术的发展可以分为3 个阶段【2 7 埘j ：第一阶段是在2 0 世纪6 0 年代， 蓝宝石上异质外延硅( s o s ) 技术制备s o i 材料，用于开发微处理器电路；第二阶段 第一章绪论 出现在2 0 世纪8 0 年代初期，提出了在硅衬底上离子注入氧原子，再经过高温退火使氧 与硅原子发生反应生成一层s i 0 2 ，s i 0 2 上面是一层很薄的硅层，这就是注氧隔离技术 ( s i m o x ) ，主要开发了作为抗辐射器件的s r a m 第三阶段在2 0 世纪8 0 年代中期， 提出了键合s o i 技术，这一技术一直延伸发展到目前。由于s o i 材料具有高压、抗辐射、 低泄漏和寄生效应小等优点，s o l 器件的应用领域逐步从军用、航天和工业转向数据 处理、通信和消费类电子领域，这将大大加快薄膜和超薄膜s o i 片的需求。硅一硅直接 键合技术首先由i b m 公n l a s k e y t 5 l 和东芝公司的s h i m b o 等用于制备s o i 材料而提出 的，与其它制备s o i 技术相比较，硅一硅直接键合技术制各的s o l 材料具有成本低、质 量高、s i 0 2 层性能良好，厚度容易控制、制备工艺简单成熟等优点。目前，美国b c o 技术公司、s i b o n d 公司、休斯公司以及日本的佳靛、信越等公司可利用这种技术批 量生产s o i 片。 1 3 1 2 键合s o i 硅一硅直接键合制备s o i 材料的主要工艺过程是：( 1 ) 键合，将两个硅抛光片( 其 中一个或两个硅片的表面有热氧化层) 进行清洗和活化处理，然后在室温下贴合在一 起，通过表面分子或原子问的作用力直接连在一起，最后把预键合好的硅片在干氧气 氛中热处理，使键合界面发生复杂的物理化学反应，生成键合强度很大的共价键使键 合的硅片成为一个整体；( 2 ) 减薄，减薄器件有源区硅层到微米甚至亚微米厚度，这 样就得到了所需的s o i 材料。硅片表面平整度、粗糙度及表面颗粒可影响键合的质量， 会在界面产生空洞和应力。实验证明，亲水硅片的键合强度要比疏水硅片的大3 倍以 上。键合片的t e m 衍射花样研究表明硅基体与顶层硅膜的晶体取向基本一致，有利于 后序加工。硅片减薄则是获得适用于器件制作的s o i 层的关键环节。减薄方法有多种： 外延终止腐蚀、粗磨后化学机械抛光、化学液腐蚀和等离子腐蚀等。粗磨后化学机械 抛光可以迅速减薄硅层，但获得的硅膜相当厚。采用化学腐蚀的终止技术，减薄速度 慢，但膜厚和均匀性及平整度控制好。 1 - 3 1 3 智能剥离技术( s m a r t c u t ) s m a r t c