一種矽片直接鍵合方法與流程

2023-06-05 21:09:36 2

本發明涉及微電子技術領域，具體涉及一種矽片直接鍵合方法，所製備的鍵合片可以作為超厚外延片或超厚矽片進行使用。

背景技術：

矽片直接鍵合技術(SDB)是把兩拋光片經表面清洗和親水活化處理，在室溫下直接貼合，然後經高溫熱處理即可鍵合在一起的一種鍵合技術。矽-矽直接鍵合技術是一種典型的MEMS鍵合技術，相比於MOCVD、LPE、MBE等這些常用的外延生長方法，直接鍵合技術無需任何粘合劑和外加電場，只需將兩片表面光潔平整的晶片經過一定處理後在一定溫度和壓力下接觸即可實現，它的原理、方法和實驗設備都較簡單，兩鍵合片的電阻率和導電類型都可以自由選擇，並且由於是同種材料的鍵合，鍵合後不存在殘餘應力，同時這種鍵合密封性極好，做普通真空封裝不需要額外添加吸氣劑，因此，這種鍵合技術以它獨特的優越性吸引了人們的廣泛關注。直接鍵合技術的靈活性和方便性使得它越來越多的在SOI結構、微機電系統(MEMS)和壓電、聲光器件當中得到應用。隨著其不斷發展和成熟，已成為器件製備的一個重要工藝技術。

目前，矽鍵合片的缺陷主要集中在鍵合界面，引起鍵合界面空洞的因素較多，通過優化鍵合工藝過程，增強鍵合強度及控制鍵合界面電學特性具有重要的應用價值。

技術實現要素：

針對現有矽片鍵合技術存在的上述不足之處，本發明的目的在於提供一種矽片直接鍵合方法，通過該方法可以大量穩定的生產無空洞、無氧化層的矽矽鍵合片，可以根據不同需求選用不同電阻率的矽片進行鍵合。

為實現上述目的，本發明採用的技術方案是：

一種矽片直接鍵合方法，該方法是將經過清洗的拋光片，依次進行等離子激 活、化學液清洗、鍵合和退火處理，獲得所需矽健合片；具體過程如下：

(1)等離子激活處理：

先矽片進行清洗，清洗後的矽片採用N2對其進行等離子激活處理，氣體壓力0.1-1mbar，激活時間1-10s，射頻功率55-120W；矽片清洗過程為：待鍵合矽片依次經過DHF、SC-1和SC-2清洗，其中：DHF清洗時間為1-5min，SC-1清洗時間為5-15min，SC-2清洗時間為5-15min；清洗後的矽片表面呈親水性。

(2)化學液清洗：

使用120℃條件下的HF、H2SO4和H2O2的混合溶液(HF、H2SO4和H2O2體積比為5:5:1)對矽片進行表面處理，處理時間20-40min；然後再用去離子水衝選乾淨；混合溶液中三者相互協同預處理掉過量的會引起空洞的羥基；經過混合溶液處理的矽片，呈疏水性，需要再用去離子水衝洗。

(3)低真空直接鍵合：

經步驟(2)清洗後的矽片送入鍵合機(EVG850鍵合機)內，在鍵合機內壓力降至0.5-1mbar時向矽片施加1-3N的壓力完成預鍵合，鍵合後的矽片具有小於0.5°鍵合偏差，可以保證鍵合界面晶向的一致性。

(4)退火處理：

鍵合後的矽片送入退火爐進行退火處理，退火溫度850-1100℃，退火時間2-4h。

本發明設計原理及有益效果如下：

1、矽片激活前的來料清洗：

來料清洗是為去除矽片表面自然氧化層、金屬及顆粒得到較好的裸矽片表面狀態。因矽片經等離子激活後呈親水性，所以最初的來料清洗選擇依次經過DHF、SC1和SC2的親水處理清洗流程。

2、等離子激活：

等離子激活最常使用的氣體有O2，H2，Ar，N2。對於矽矽鍵合，鍵合界面的氧化層被視為雜質，因此，不採用O2。H2是最有效避免氧化層形成的等離子氣氛，但完全被H覆蓋的矽片存在難以實現直接鍵合的故有技術障礙。使用Ar和N2的等離子激活會對矽片表面造成一定程度的損傷，但N2對矽片表面的損傷相對較小且更易控制，本發明通過對N2等離子激活時間和功率的控制，可以人 為引入對加工有益的表面缺陷，通過經控制引入的缺陷在退火階段可以實現鍵合界面無氧化層的結構。

除了使用H2對矽片表面進行等離子處理可以得到疏水性的矽片表面外，其他氣體的使用都會在激活後在矽片表面引入較激活前更多的羥基，使矽片表面呈親水性，眾所周知羥基是形成鍵合界面氧化物的部分原因，所以為減少羥基的這一幹擾，通常的矽矽鍵合對矽片在鍵合前通過HF溶液的處理，使矽片呈疏水性表面，以此減少表面羥基密度。以上提到的H2等離子矽片疏水表面處理和通過DHF溶液表面改性清洗是最常規的減少羥基獲得疏水表面的工藝。由於直接鍵合技術最根本的原理是通過矽片表面的基團間的分子間作用力使兩片矽片實現常溫直接鍵合，疏水性表面基團全部或大部分為-H，-H基團作為非極性基團只能依靠瞬間偶極矩發生相互作用，所以使用疏水性表面矽片存在鍵合困難甚至根本無法實現鍵合的問題。

綜上所述，使用N2等離子激活不但可以避免H2等離子處理後不易鍵合的問題，更可以通過可控的缺陷引入製造無氧化層的矽矽鍵合片。

3、化學液清洗：

經非氫氣等離子激活的矽片因懸掛鍵的產生，使表面的羥基密度增加呈親水性，退火過程中，因羥基的脫水反應將在鍵合界面中引入水，不同於矽與氧化矽的鍵合界面，反應產生的水可以擴散入氧化層，矽矽界面的水大部分是通過對矽的氧化進行空洞的消除，若引入羥基的量超出矽矽界面的反應能力，將在界面形成空洞。因此，為解決因脫水反應引起的空洞和氧化物的生成，等離子激活後的矽片需要經過特殊的化學液處理。

本發明使用120℃的HF/H2SO4/H2O2混合溶液對矽片進行表面處理。H2SO4具有脫水性，當矽片接觸到加熱的混合溶液時部分羥基將發生脫水縮合形成橋氧鍵，H2O2作為氧化劑加速羥基的反應，HF將與表面生成的氧化物反應，三者相互合作預處理掉過量的會引起空洞的羥基。

經過HF/H2SO4/H2O2處理的矽片，因呈疏水性，較親水表面更易受顆粒沾汙，此時的顆粒沾汙將在矽矽鍵合界面形成退火也無法消除的空洞，因此，完成HF/H2SO4/H2O2處理後需要去離子水的衝洗。

4、低真空直接鍵合：

經以上工藝處理的矽片被送入鍵合機進行鍵合，當壓力降至1mbar開始施加2N的頂針壓力。本發明使用的是EVG850鍵合機，鍵合後的矽片具有小於0.5°鍵合偏差，可以保證鍵合界面晶向的一致性。

5、退火：

鍵合片送入退火爐進行850℃-1100℃持續2-4h的高溫退火。進行高溫退火是完成鍵合片由較弱的分子力結合到由化學鍵結合的關鍵步驟，退火過程中將完成以下任務：

(1)使表面殘存的羥基發生脫水反應生成水；

(2)在高溫下水與矽發生氧化反應；

(3)通過等離子激活引入的表面空位缺陷將生成的氧化矽還原，從而消除氧化層。

矽片經過N2等離子激活和鍵合機內化學液清洗的處理，實現了正效應-缺陷的引入，和負效應-表面羥基密度過高的抑制，這兩道關鍵技術的處理在退火階段有重要意義。抑制羥基密度能夠保證最後形成無空洞的鍵合界面，但只要有羥基的存在，水就是高溫下必然的產物，水在界面間的消除依靠擴散和氧化還原反應兩種途徑，但無論哪種途徑，鍵合界面都會不可避免的形成氧化層，由於這些氧化層存在於界面間，無法通過退火之後的處理手段完成消除的目的，因此，本發明採用在退火前段引入表面缺陷，高溫時界面生成氧化物的與缺陷又發生還原反應，通過退火溫度和時間的控制，實現對界面氧化層的消除。

通過本發明工藝可以大量穩定的生產無氧化層的矽矽鍵合片，可以根據不同需求選用不同電阻率的矽片進行鍵合，可以作為超厚外延片，或超厚矽片進行使用。

附圖說明

圖1為本發明矽矽鍵合主要工藝過程。

圖2為等離子激活示意圖。

圖3為實施例1中退火後的鍵合片狀態；其中：(a)退火後SAM數據；(b)鍵合界面TEM圖像。

圖4為對比例1中鍵合片退火後SAM數據。

圖5為對比例2中退火後的鍵合片狀態；其中：(a)退火後SAM數據；(b)鍵合界面TEM圖像。

具體實施方式

以下結合附圖及實施例詳述本發明。

本發明為矽片直接鍵合的方法，使用經過清洗的拋光片，依次進行等離子激活、化學液清洗、鍵合、退火，工藝流程如圖1所示，具體過程如下：

拋光片首先經過1-5min DHF、5-15min SC1和5-15min SC2的來料清洗步驟，完成清洗後送入等離子激活腔使用氮氣在75/100W RF功率及0.3mbar壓力條件下，激活1-10s(圖2)；激活後的兩片矽片使用120℃的HF/H2SO4/H2O2混合溶液清洗20-40min；經處理的矽片送入鍵合腔在0.5-1mbar壓力下施加1-3N的壓力完成預鍵合；預鍵合的矽片完成750℃入爐，以5℃/min的速率升高至850-1150℃持續2h的退火。

實施例1

使用p型，電阻率8.5-11.5，(100)晶向矽片，拋光片首先依次經過1min DHF、10min SC1和10min SC2的來料清洗步驟，乾燥後送入等離子激活腔使用氮氣在75/100W RF功率，0.3mbar壓力下，激活5s；120℃的HF/H2SO4/H2O2混合溶液清洗30min。；經處理的矽片送入鍵合腔在1mbar壓力下施加2N的壓力完成預鍵合；預鍵合的矽片完成750℃入爐，以5℃/min的速率升高至900℃持續2h的退火。

如圖3所示，通過SAM和TEM圖像可以觀察到經過以上工藝步驟加工的鍵合片的鍵合界面間不存在空洞，界面間不存在氧化層，實現兩片間形成化學鍵良好的結合。

對比例1

本例矽片鍵合過程中，經過氮氣激活，但不經120℃的HF/H2SO4/H2O2混合溶液清洗，過程如下：

使用p型，電阻率8.5-11.5，(100)晶向矽片，拋光片首先經過1min DHF，10min SC1，10min SC2的來料清洗步驟，乾燥後送入等離子激活腔使用氮氣在75/100W RF功率，0.3mbar壓力下，激活5s；經處理的矽片送入鍵合腔在1mbar 壓力下施加2N的壓力完成預鍵合；預鍵合的矽片完成750℃入爐，以5℃/min的速率升高至900℃持續2h的退火。

由SAM可以看出(圖4)，未經HF/H2SO4/H2O2混合溶液處理的矽片經過等離子激活進行鍵合，在退火後會形成大面積空洞。

對比例2

本例矽片鍵合過程中，不經等離子激活，但經HF/H2SO4/H2O2混合溶液處理，過程如下：

使用p型，電阻率8.5-11.5，(100)晶向矽片，拋光片首先經過1min DHF，10min SC1，10min SC2的來料清洗步驟，再進行120℃的HF/H2SO4/H2O2混合溶液清洗30min；經處理的矽片送入鍵合腔在1mbar壓力下施加2N的壓力完成預鍵合；預鍵合的矽片完成750℃入爐，以5℃/min的速率升高至900℃持續2h的退火。

經過以上步驟加工的鍵合在界面間無空洞見圖5(a)，但在鍵合界面間會形成部分1.7nm的氧化層見圖5(b)。

通過對比例1和對比例2可以看出，鍵合機內HF/H2SO4/H2O2混合溶液可以實現降低表面羥基密度，進而避免因羥基含量過高產生的空洞。

通過實施例1與對比例2的結果，可以證明，拋光片首先經過1-5min DHF，5-15min SC1，5-15min SC2的來料清洗步驟，完成清洗後送入等離子激活腔使用氮氣在75/100W RF功率，0.3mbar壓力下，激活1-10s；激活後的2片矽片依次使用120℃的HF/H2SO4/H2O2混合溶液清洗20-40min；經處理的矽片送入鍵合腔在1mbar壓力下施加2N的壓力完成預鍵合；預鍵合的矽片完成750℃入爐，以5℃/min的速率升高至850-1150℃持續2h的退火。因N2等離子激活處理方式的引入可以消除退火過程中產生的氧化層，根據對比例1和對比例2的結果，激活後又與HF/H2SO4/H2O2混合溶液配合得到無空洞，無氧化層的矽矽鍵合片。