硅片直接键合机理及快速热键合工艺

第 � 期 ��� �年 � 月 电 子 学 报 � �� � ! ∀ � � � � ��人 �� �� 人 � � � � �� � � � 。 掩 � �� � � 硅片直接键合机理及快速热键合工艺 � � ���� � � � �于� � � �� � � � �� � � �� � � � � 卜� � �� � � � � � � � �� � �� � � � � � � � � �� � � � �卜� � �� � � 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。 � � � � � � �七� ��� � � � � �� �� � ! � ���� � � � �� �� � �� � � � � �� � � ��� �� � �� � � � ! �� �� � �� � �� � � �� � �� � � �� � � � � � �� � � � ��� � � � � � ���� ��� � �� � � � � �� � � � � � �� � � � � �� � � �� � � �� � �� �� � �� � �� � � �� � � � � � �� � � � � �� � � � � �� � � ! ∀ � � � � � � ���� � �� � � � � �� � �� � � � �� ��� � � � � � � � �� � �� �� ��� � � � � � �� � � � ��� � ��� � � ��� � � � � � ��� �� � �� � �� ��� � � �� � � � � ��� �� � � � ��� � � � � � � � � � �� � � � � � �� �℃ � � � � � � � �� � � � � � ℃ � � � � � ��� � �� � � � � � �� ��� � � � � � � �� ��� �� � �� � � � � � � �� � � � � � ��℃ �� � 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 ! }} 了 丫 / 。 \ 衰叮丫才丈艺丈f,s.’订艺丈了:一{。 ! o } ” } 。 1 ’ o 一 } 0 0 0 0 0 0 」. J. 」 」. J _【 / \ 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 \ 扣_ 不井下下瓜言不」不二下布万丽丁不石赢丁布 :、 厂\、J、、丫产 ƒ漪†铃鑫组 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 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、、 ///// 划划 、、入入 卜卜卜 厂厂厂犷犷犷犷犷 VVV \\\ 厂厂犷犷犷 与与与与与与与巧JJJJJJJ 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 。 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 , r s o r / r . 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 esPP. 参 考 J.B.Lasky et al.:in International EleetronShim bo etalL .X u et al.: ’乙.ApPI.Phys· , V o l . 6 0 , D e V i N o . 8 - M e e t i n g , W a r h i n g t o n D C , P P . 6 8 4 ~ 6 8 7 , 1 0 8 5 。 2 9 8 7 ~ 2 9 8 9 , 1 9 8 6 . e e t r o n L e t t . , V o l . 2 4 , p p P . M a s z a r a 5 t e n g l e t a l e t a l . : J . A p P I . P h y s . , V o l . 6 4 , 6 9 ~ 6 9 2 , 1 9 8 8 . N o . 1 0 , P P . 4 9 4 3 ~ 4 9 5 0 , 1 9 8 8 . M’X.W. 1. Caraso, M . T o b e a p p e a r i n J a p . J . A p p l . p h y s · M . F a k t o r : T h e E l e e t r o e h e m i s t r y o f S e m i e o n d u e t o r s , e d i t e d b y P . H o l m e s , A e a d e m i e 、.J工卫J、J、.J工.1J .护zn‘nJ月兮户O人Dr ‘r尸‘‘rjr‘厂‘ e s s , L o n d o n , P . 2 0 8 , 1 9 6 2 . 〔7 〕 D rury , J . P . H . F o n t a n a , R o b e r t s : p h y s . C h e m . G l a s s e s , V o l . 4 , p · 7 0 , 1 9 6 3 . R.J.PrT. ( 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 .