第 � 期
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电 子 学 报
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硅片直接键合机理及快速热键合工艺
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童勤义 徐晓莉 沈 华 张会珍
�东南大学微电子中心 , 南京》巾 �
【提要】 本文的理论与实验结果说明 , 硅片表面吸附的�� 团是室沮下硅片相互吸引的主要根
源 。 采用�� � �和红外透射讲定呈测量了��吸附量 。 开发了表面活化技术。 发现键合强度随沮度而
增大是键合面积增加所致 。 � �� � � � �� � 键合之界面中各种物质的扩散及氧化层粘潘流动可以消除界
面微观间隙。 经表面活化的两硅片经室温贴合 , ��� ℃预键合 , � �� ℃ , � 小时退火 后 经 �� �� ℃ ,
� 分钟快速热键合可实现完善的键合且原有杂质分布改变很小 , 为减薄工艺提供了一个技术墓础。
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一 、 引 言
硅片直接键合 �� � � �技术自���� 年��� �� 等首次报道以来�� , 受到 日益广泛的 重 视 。 用
名 � � 技术制备的绝缘衬底硅膜�� � �� 显示出其它制备技术无法比拟的优良性能 � � � � � � � �
膜保持体硅几乎所有电学与结构性能 , � �。�埋层厚度及 � � �硅膜厚度 变 化 范 围 宽 , � � ��
� � � 结构中界面特性优良 , 制备工艺与
标准
excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载
集成电路工艺兼容 , 成本低廉 。 � � �技术还可用
来制备硅� 硅切, 硅 �石英伪等材料的键合 , 为超大规模集成 , 电力电子及传感器件 , 复合材料
一衬底及微机械加工提供新的机会 。 目前尚待突破的主要问
题
快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题
是完善的键合及大面积均匀减薄
技术�� � �膜厚� � � �拼� �。 显然 , 为解决以上向题 , 对键合机理的研究十分必要 。
已经发表的文献中普遍认为。一习 � 硅片表面化学吸附的� � 团是室温下两接触硅片互相吸
引力的主要根源 。 硅醇键��卜� � �在热处理时聚合脱水转变为硅氧键 �� 卜� 一 � � 是硅片健
合的主要机理 。 然而 , 对经表面处理的硅片表面O H 团的吸附缺乏直按的定量的证据闭 , 而且
,硅醉健在500 ℃以下即完成向硅氧键的转变 , 但实际键合工艺仍需800 ℃以上的热处理过程以
稍除界面空洞。
. 1 08 9 年 11 月收到 。 国家自然科学荃金资助课皿 。
二 T ong Q inyi, X u X i a o l i , S h e n H u a , Z h a n g H u i z h e n B ( M i e r o e l e e t r o n i e s C e n t e r , s o u t h e a 一t U n iv e r : i ty ) .
Administrator
高亮
电 子 学 报 199 1年
本文报导硅片表面活化技术及sI M S和红外透射测量键合硅片表面吸附物质 。 键合界面处
物质的扩散和氧化层粘滞流动可消除所有非键合区。 发现键合强度与键合面积的关系以及一
定温度下键合面积与键合时间的关系 。 在此基础上提出了三阶段键合机理模型和两步热键合
优化工艺 。 开发了快速热键合工艺 , 为大面积均匀减薄提供了一个技术基础 。 用 5 0 1/ S D B
衬底制备了 l拼m C M O S及新型互补埋沟M O S器件 (cB C M O S) , 显示出优异的性能。
二 、 键 合 机 理
,
. 表面活化与测t
如图 l所示 , 硅醇键可以由氢离子与非桥接氧原子的结合或由氢氧根离子 (O H 一) 与氧化
硅表面的硅悬挂键反应而形成 。 同时 , 氢氧根还可破坏桥
接氧原子的一个键而与硅原子结合 , 形成硅醇键 。 由于O H
团具有强烈的极化作用 , 化学吸附了 O H 团的两硅表面之
间可通过形成氢键而键合 。 因此 , 如何使硅表面产生一个
易于吸附O H 团的结构是键合工艺首先必须 解 决的课题 ,
我们称它为表面活化技术 而不是一般所称 “亲水处理 ”伪 。
经过键合机理 的讨论后 , 这一点是不难理解的。
我们采用了多种表面活化处理方法并采用 sI M S和 红
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图 1 热氧化硅片的表面结构
侧11
过哥切出)侧眼
睐子质皿单位
原 子质 , 单位
(a )原始热暇化层表面 (b )氧等离子活化后氧化层表面
图2 sI M s测最结果
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波数 (‘m ‘〕 0 1~习es 一一一闷一一一一一~州4 6 4 3 5 5 .6 4 1 1 1 。 1 3 8 6 6 . 7 3 6 2 2 . 2 3 3 7 7 一 6 3 1 3 3 。 3 2 8 8 8 一9 2 6 4 4 一 4 2 击波数 (em 闪 )
(a ) 原始热氧化表面 (b )氧等离子活化后权化层表面
图3 红外透射谱
第 2 期 硅片直接键合机理及快速热键合工艺
外透射谱对表面吸附情况进行定量测量 。 图2(a)
是950 ℃生长200O A 湿氧氧化层表面的 SI M S 测量
结果 , 而图2(b) 则是该表面经氧等离子在850 ℃处
理 6 分钟后浸人热的富O H 团化学溶液(有机碱)1
小时 , 再经去离子水清洗及烘干后之SI M S 结果。
氧等离子体是在真空度为0 .1 托 , 频率为 10 一20
M H :和功率为 50 OW 条件下产生 。 由图 2 可以清
楚看出 , 经表面活化处理后表面化学吸附的O H 团
数量增大六倍。 由于SI M S是在真空条件下进行测
量 , 它保证了表面吸附的水被去除 。
用红外透射谱得到 同样的结 果 。 图 3 (a) 是
高高度度 nm )- 一一一一一一一一
卜卜卜卜 了议、、、、、、 斌、、
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图4 热氧化表面典型粗翁度
图 2 (a) 样品的红外透射的相对强度 , 而图 3 (b) 则是图 2 (b) 样品的测量结果 。 由图 3 (b) 可
见 , 在代表O H 团吸收峰的波数(3 100 一37OO) cm 一 ‘区内 , 出现了明显的吸收峰 。 较宽 的 波数
范围是由于O H 团振动模式不同及与 5 10 :缔合情况差异所致 。 采用 10 % H F 腐蚀 3 秒 或 用
N H 、O H 浸泡30分钟后 , 再经去离子水清洗和供干的硅片样品 , 得到相似的测量结果 , 显示出
相似的表面活化效果。
图5 经稀H F腐蚀有准微观间隙键合截面的S E M 照片 图6 经稀H F腐蚀有微间隙键合截面的S E M 服片
键合的实践证实 , 经表面活化的硅片比原始硅片进行键合要容易得多 。
2
. 界面不均匀性
采用精密的表面台阶分布测试仪 , 图 4 给出了典型的热氧化表面的粗糙度 。 可见表面存
在起伏达6500人的区域 , 也存在起伏为数十 A 的准微观和微观粗糙区 。 因而 , 两硅片在室温
下接触后往往存在非接触区域。 发现存在界面空洞 (直径D > 数m m , 高 度H > 2拜m ) , 间 隙
(D > 数m m , 2 拜m > H > 0 .6 5 m m ) , 准微观间隙(D > l“m . 0 .6 5 “m > H > 0 . 1户m ) 以及微观间
隙 (D < 1拼m , H < 0 . 1 ”m ) 。 图 5 是键合片剖面经20 % H F腐蚀 2 分钟后之S E M 照片。 由于准
微观间隙处腐蚀增强而出现较宽的深槽 。 图 6 给出了键合界面处的微观间隙 (箭头所指。 因
H F腐蚀其
尺寸
手机海报尺寸公章尺寸朋友圈海报尺寸停车场尺寸印章尺寸
已增大) 。 文献 〔4〕认为所有界面空洞均是表面颗粒状沽污所致 。 我们观察发
现 , 严重的表面粗糙度 , 不恰当的室温贴合工艺以及表面间氢键力之不足也可导致空洞 。 间
隙由表面起伏所造成而准微观与微观间隙则是表面微粗糙所致 。
空洞与间隙可由红外透射系统进行观察 。 然而 , 准微观及微观间隙无法用此系统
检测
工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训
。
为此 , 除采用红外透射法外 , 我们还采用把键合片切割成小片的剖析方法 , 使测量键合面积
更为精确 。
电 子 学 报 199 1牟
3 . 桩含强度和面积与扭合沮度的关系
为研究键合过程的物理机制 , 对键合强度与面积和键合温度间的关系进行了研究 , 其结
果示于图 7和图 8 。所用的样品是1.5~ 3 时的(100) 硅片 , 表面为2000人湿氧生长的氧化层 。 .
经稀H F轻度腐蚀后 , 硅片在去离子水清洗并用红外灯烘干 。 所有样品在室温贴合后均 经过.
各自温度下 1小时热退火。 为了简化问题 , 键合界面处非接触区中物质单纯为水 。 图 9 是潞
10050(浓凑阿中尽分分才...户日之,巴S 。卜厄品一谕飞俞布乞可碳袱俞T(℃) T (℃)
图7 键合强度与键合温度的关系(键合时间 1小时) 图8 键合面积与键合温度的关系 (键合时间1小时》
试键合强度的装置的示意图。 将键合硅片用环氧树脂固定
到拉力夹具上 。 用弹簧拉力机对其进行拉力试验 。 由拉力
机上读数可测得两硅片拉开时的拉力F , 再通过测量被拉
开硅片的键合面积 A , 可得到键合强度 S :
S = F / A ( 1 )
图 7 显示了三个饱和区 , 即室温一20 0℃ , 40 0 一80 0℃
及 1050℃以上 。 在 (200一400) ℃及 (800一 1050)℃处两个
过渡区说明键合过程中存在三种不同的机制。 由图 7 与图
一畴鲁田刹
图9 键合强度测定装置
8 的曲线的相似性可知 , 键合强度随温度的增大是键合面积增大所致。
4
. 三阶段锐合机理
(1) 第一阶段 氢键键合 (室温~ 200 ℃ ) 。
从室温到200 ℃ , 表面吸附O H 团的两硅片 , 在互相接触区产生氢键 。 虽然水分子可与硅
醉键结合而导致片间氢键均 , 但我们的实验指出, 把硅片在高于26 ℃ 下真空中处理以除去表
面水分子山 , 它们在真空室里仍然键合良好 。
当温度从室温增加到200 ℃ , O H 团得到热能增大迁移率 , 使表面间氢键形成机率增大 ,
从而使硅片弹性形变而增大键合面积 。 氢键密度的增大和饱和导致键合强度增大 并 达 到 饱
和 。
( 2 ) 第二阶段 硅氧键形成(200一800℃ )。
温度达到200 ℃左右起, 形成氢键的两硅片的硅醇键之间发生聚合反应 , 产生水及 硅 氧
链 (S 卜。一5 1 ) 。 硅权键结合远比氢键牢固(6) , 键合强度因而迅速增大 。 硅氧键较大的键能增
大硅片的弹性形变 , 使键合面积增加 。 反之 , 键合面积的增大有利于键的密度提高 , 又使键
合强度增大 。
到400 ℃左右聚合反应基本完成(l) , 键合强度在400 一50 0℃处达到饱和值 50 一7Okg/c m气
聚合反应所产生的水分子存在于键合界面 , 在高温下可扩散进人四周区域。 水在二氧化硅
中扩散系数D 可表达为伪 、 D = 1 . o x 1 0 一6 e x p ( 一 0 .7 9 4 e V / k T ) , 此式在温度小于1050℃时有
第 2 期 硅片直接健合机理及快速热健合工艺
效 。 在50 0一800 ℃范围内, 水的扩散并不显著 。 而O H 离子可破坏桥接氧原子的一个键 使其
转变为非桥接氧原子:
H O H + 5 1一O 一 5 1 == Z H + + 2 5 1 一0 一 ( 2 )
上述的反应使键合强度在500 一800 ℃范 围内随温度而增加变慢 。 它也解释了键合界面存.
在负电荷帅的起源 。
(a ) 第三阶段 塑性形变 , 固态扩散与粘滞流动 。
温度大于800 ℃后 , 5 1 0 2中水扩散变得显著且随温度而指数增大 。 在1050℃处有一转折
点 , 大于此温度后扩散系数随温度增大速率下降2.5倍 。
由图10 可 明显看到水扩散的证据。 图中样品是经 1200 ℃ , 12 分钟键合的硅片 剖 面 并经33拓H F腐蚀 5 分钟 。 在埋层5 10 2的 2.3“m 厚度中 , 水平方向有一条1.08 拼m 均匀宽度但在垂
直方向深度不同的腐蚀槽 , 最深处并不正好在键合界面 。 这是由于水的扩散引起 5 10 :层各处
腐蚀速率的变化所致 。 键合界面的空洞和间隙处的水分子可在高温下扩散入四周 5 10 :中, 从
而产生局部真空[l) , 硅片塑性形变使空洞消除 。 由于扩散系数是温度指数函数 , 在键合时 间 ‘
为常数时 , 键合面积随温度迅速增大 , 如图 8 所示 。
图11 给出了以键合温度为参数的键合面积与键合时间的关系 。 可见它具有典型的扩散过_
程的特征 。
高温下原子得到大的热能 , 加之硅塑性形变使两硅片更紧密接触 , 使键的密度增大。 凤
1200C
一一1000C.~.~一~口8 0 0 C(次硒阿如月
.
认
0扮—es一扩一一一嘴一一健合时间r (小时)
图 10 稀H F腐蚀后完善键合界面的5E M 照片 图 11 键合面积与键合时间的关系
时 , S 三。:层中水扩散深入体内, 增强5 1。:的结构强度 , 使键合强度在1050℃附近增大到150 ,
一1SOkg/c衬 。 由于测试方法的限制 , 无法确定键合强度是否进一步随温度而增大 。 在 此 温
度范围内 , 样品的断裂区大部分均在体硅内部 。
温度大于1050℃后 , 原子固态扩散变得显著 。 短程有序的二氧化硅晶粒间原子扩散较晶
粒内部快 , 有利于键合界面处微观间隙的逐渐消失 , 使硅片达到更完善的键合 。
热生长纯5 1认的退火点约为 1150 ℃ , 当含水分时可降低到约1050 ℃帕 。 同时 , 随温度提
高 , Si 仇的粘度降低 。 1 2 5 0 ℃时 5 1。:的粘度是1000℃时的万分之一伪 。 准微观间隙及微间隙
处应力集中 , 5 1 0 :的粘滞流动可使应力得以释放 。 粘度越小 , 应力释放的弛像时间越短 , 有
利于微间隙的消除。 因此 , 温度大于1050℃的热处理对消除微间隙以实现完善的键合是必要
的 。 当然 , 在器件制备过程中的高温处理也可以起此作用 。
电 子 学 报 1991年
三 、 快 速 热 键 合
基于键合机理的研究 , 开发了两种键合工艺即: 两步键合及快速热键合 。
两步热键合工艺可以在制片过程中实现完善的键合 。 第一步, 硅片经室温贴合后经低温
预键合(150一 180℃ , 1 . 5 小时) 。 第二步 , 进行高温热键合(一0 5 0一150℃ , 1 . 5 小时) 。 中间温度的热退火可以略去 。
两步热键合工艺中高温长时间热处理对某些应用是不希望的 , 如在关键的减薄工艺中,
腐蚀自停止要求尽可能陡的Pn 结 。 为实现大面积高强度的键合 , 同时尽可能保持结的杂质分
布 , 我们开发了快速热键合工艺 。 表 l给出了快速热键合各种工艺条件的试验结果。
农. 快邃热健合实验结果
预预 处 理理 快 速 热 健 合合
温温 度 (℃ ))) 时 间 (小时))) 温 度 (亡))) 时 间 (秒)))
000 。 2 + 0 . 2 二 0 . 444 3 5 000 444 1 2 0 000 1 8 000 不均匀 , 少部分健合合
666660000 222 120000 18000 不均匀 , 少部分键合合
888880000 222 120000 3000 不均匀 , 部分键合合
888880000 222 120000 12000 均匀 , 大面积键合合
000 .4 + 0 .4 二 0 . 888 1 0 0 000 0 。 555 1 1 5 000 3 0 000 较均匀 , 较大面积键合合
1111100000 0 。 555 1 2 5 000 6 000 均匀 , 大面积键合合
由表 1可见 , 硅片经(150 一180) ℃低温预键合后 , 在800 ℃ , 2 小时氧或氮中退火 , 然后
在1200℃ , 2 分钟快速热键合 , 可以实现大面积高强度的键合而原始杂质分布变化较小 。
80 0 ℃ , 2 小时的退火 , 因硅片塑性形变可消除较大尺寸的界面空洞 。 1 2 0 0 ℃ , 2 分钟退
火则可使应力集中的准微观和微间隙及小尺寸空洞通过 5 102 粘滞流动而得到消除 。 快速热键
合方法用于我们的腐蚀自停止工艺中 , 成为新型减薄工艺的一个技术基础 。
四 、 镶合质t 和器件性能
键合硅片的质量是通过减薄后形成 3 时5 0 1/ SD B 衬底以及 用它制备1“m C M O S 器 件性
能评估的 。 典型的 5 0 1/ S D B膜厚度为0 .5“m 。 表 2 是 50 1/SD B膜典型的测量结果 。
衰2 5 0 1/ 5 0日膜主要性能典型位
。 。 强 , …!5。一。kg‘一 力 1 < 么40 x lo.dyn/em .
键合面积
si 。:埋层厚度
少子寿命rs o ,
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/
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3
口 ,
> D O % 体迁移率(em :/V .: )
5 0 1缺陷/体缺陷
栅氧/5 0 1界面电荷密度
埋氧/5 0 1界面电荷密度
电子: 1096 , 空穴: 420
0~ 2 。 5 拜m 1 . 14
7 2 .9 2 拜s 1 .8 x 1 0 生o e m 一吕
4
.
s x l 0 1o e m 一 ,
由表 2 可见 , 5 0 1 / s D B 膜保持了体硅的电学和结构的性能 。
在5 0 1/5 D B 衬底上制备了 1“m C M O S器件 , 其性能优异。 典型的电子和空穴沟 道迁移
率分别为680em z/V · s 及37oem Z/V · s 。 N M O S 和pM O S场效应管典型跨导分别为 38m s/m m 及25
第 2 期 硅片直接健合机理及快速热键合工艺
图 12 1微米C M O S/S Q I/SD B 19级环形
振荡器的输出波形 (X , Z O ns / 格 ,
Y
:
I V
/ 格 , V o D . S V )
m s
/
m m
。 导通电流与截止电流之比超过101 。。 图 12 给 出 了
1拌m C M O S 5 0 1/ S D B 1 9级环形振荡器的输出波 形 。 可 见 ,
每级门延迟为o.79ns。
五 、 结 论
对热氧化硅键合的系统研究表明:
1 . sI M S和红外透射谱测量对于硅片键合前表面O H 团
吸附的定量
分析
定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析
是有效的。
2
. 键合界面存在有非颗粒沽污引起的非接触区。 内应
力 , 不恰当的室温贴合 , 大的表面粗糙度及氢键力的不足也
会引起界面空洞及间隙 。 准微观是微间隙的存在无法用红外透射系统检测。
3
. 虽然吸附在表面O H 团之上的水分子对室温下硅片间吸引力起重要作用 , 但表面化学
吸附的O H 团起关键作用 , 它的大量存在是成功键合的条件 。
4
. 键合强度随温度而增大是由键合面积增大所致 。 温度大于800 ℃的热处理通过 界 面
空洞的局部真空及硅塑性形变而消除空洞。 温度大于1050 ℃后 , 原子的固态扩散 , 晶粒间界
重组及氧化硅的粘滞流动可消除各种非接触区 。
5
. 键合面积是键合温度和时间的函数 。 温度大于800 ℃后键合面积指数型增大 。温度不
变时 , 键合面积是键合时间的平方根函数 , 呈饱和型 。
6
. 基于键合机理研究 , 发展了两步键合工艺 。 高性能大面积键合可经150 一 180 ℃ , 1 . 5
小时预键合及 1050一 1150 ℃ , 1 . 5 小时高温热键合而实现 。
7
. 硅片经800 ℃ , 2 小时退火及 1200℃ , 2 分钟快速热键合也可实现全片规模完善的健
合 。 它为减薄技术建立基础 , 也可用于三维集成 。
尽管本文重点讨论热氧化硅片之键合 , 主要结论也可适用于硅/硅直接键合 。
本工作 中, 居娟 , 孙国梁 , 吕世旗和黄学良在健合工艺及等离予处理 等作 出有益贡献 ,
物山徽 电予奋司石涌泉等热情支持1拼。 C M O S流水线 , 东南大学徽电子中心工 艺线全力支持
健合研 究 , 作者对他们深表感谢 。
献文
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参 考
J.B.Lasky et al.:in International EleetronShim bo etalL .X u et al.:
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2 9 8 7 ~ 2 9 8 9
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( 8 〕 E 。 W . A . P l u m m e r : P h y s . C h e m . G l a s ‘e s , V o l . I , p . 1 3 9 , 1 9 6 0 .