基于低温键合技术制备SOI材料的研讨.pdf

2005年11月 第十四届全国半导体集成电路、硅材料学术会议 珠海 基于低温键合技术制备SOI材料的研究 詹达，马小波，刘卫丽，宋志棠，林梓鑫，沈勤我 中国科学院上海微系统与信息技术研究所半导体功能薄膜工程技术研究中心200050 摘要：通过N+等离子体对si片以及SiO。片表面活化，进行直接键合，研究了键合强度 与退火温度的关系，研究结果表明退火温度在1000C升到3000C的过程中，键合强度得到 明显加强，高于3000C，键合强度随退火温度略有增加，但不明显。结合N+等离子体处理 技术和smart--cut技术制备出SOI结构，项层硅缺陷密度表征表明在500。C退火后可得到 较好的缺陷密度。该研究结果提供了一种SOI低温技术。 关键词；SOI，等离子体活化，键合强度 1引言 传感器[2]，SOl更广泛的应用于CMOS集成电路制造领域。SOl器件有低功耗，低电压， 以及抗辐照等优异特性[3]。目前制备SOI的主要方法有SIMOX(Separationbyimplanted andetchback)、Smart oxygen)、BESOI(Waferbonding cut等，其中，SIMOX制程主要 在大能量、大剂量的注入条件及高温环境下完成的，随着工艺的进步，现在的SIMOX技术 制作的SOI晶圆片已经可以得到非常低缺陷密度的项层硅和隐埋氧化层[4]。smartcut技 术是目前工业上获得高质量SOI晶圆的方法[5]，此方法避免了SIMOX的超大量离子注入 以及高温长时间退火，且更有效的控制了埋层的针孔和硅岛的密度，与BESOI相比，又避 免了困难的背面减薄以及其seedwafer的重复使用提高了对si片的利用率。随着时代的 进步，在SOl制备保证良好的晶体结构的同时，还应该将原来程序的复杂向简单转变，将 高的制程成本向低成本转变。而目前的工业生产中，无论SIMOX还是smartcut制备SOI 晶圆的工业技术都需要高温退火，这就加大了制程的复杂度以及需要更高成本。SIMOX的 传统制程中，需要大剂量0+注入(1．6e18／cm2)，这就不可避免造成了顶层硅的损伤，目前 尚不能找到代替高温退火消除缺陷的有效方法，由此，本文基于smart--cut工艺原理， 对低温制备SOI结构进行了研究。 2实验方法 型硅片，厚度均为525Pm，二氧化硅片与硅片经过RCAl，RCA2清洗后，进行键合，键合前 硅片与二氧化硅片表面均经过N+等离子体活化处理，以增加表面的悬挂键，激活表面，使 表面亲水性更强，更有利于键合强度的加强[6]。由于等离子体活化处理过程对长时间并 没有依赖关系[7]，所以我们的活化时间选取30秒。等离子体活化步骤由EVG810等离子 活化系统完成。键合过程是由EVG301键合机完成。键合后，为了加强键合强度，我们进 一步完成了退火程序，为了比较经N+等离子体活化30秒后进行键合的键合片在不同退火 oC，6000C的温度下退火60分钟，退火在Nz环境下完成。 3．结果与讨论 3．1红外图像分析及键合强度分析 键合片在3000C退火前后的红外图像如图1所示。 ．．265．． 2005年11月 第十四届全国半导体集成电路、硅材料学术会议 珠海 图1 Si／SiOz键合片的红外图像(a)未退火(b)300℃退火60分钟 图1a是刚键合好的红外图像，可以看出，右下边缘有一点未键合上，这一点可能是 由于边缘的微小沾污造成的[8]，其它地方未发现空洞；图1b是经过3000C退火60分钟 后的红外图像，图中因为拍摄角度变化，1b图右上方未键合上的小部分就是1a图右下边 缘未键合上的部分。可以看出，除了边缘一点以外，晶圆其它地方都键合上了，退火前后， 红外图像没有发生变化。为了表征退火后的键合界面的键合强度，我们采用了裂纹分离法 来表征[9]，如图2所示。 图2裂纹分离法测量键合强度示意图 测试时，厚度为Y的刀片插入键合界面，裂纹在界面产生并扩展，当弹性能和表面能 平衡时，测量裂纹长度L， 由于我们键合的两片厚度相同，材料也基本相同(二氧化硅片 是长在Si衬底上的)，所以由下面给出的简化公式(1)计算键合强度。