硅基材料等離子活化直接鍵合機(jī)理

文章出處：等離子清洗機(jī)廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時間：2023-06-02

等離子體活化在Si-Si低溫鍵合中的作用主要包括以下幾個方面：（1）表面有機(jī)污染物的去除；（2）晶圓表面單位面積上硅羥基數(shù)量的增加；（3）提高水和氣體在鍵合界面間的擴(kuò)散能力；（4）通過活化增強(qiáng)氧化物的黏性，從而在鍵合過程中增加接觸面積。

硅晶圓表面不可避免地存在少量原始氧化物及有機(jī)污染物，Si-Si晶圓鍵合機(jī)理及退火過程中孔洞產(chǎn)生的機(jī)制如圖1所示。經(jīng)單一O2等離子體活化后有機(jī)污染物被去除，同時活性氧原子的激活使硅片表面的親水性增強(qiáng)，從而吸附大量空氣中的水分子。在室溫下預(yù)鍵合后，界面存在較厚的水分子層，導(dǎo)致預(yù)鍵合的強(qiáng)度較弱，需進(jìn)行退火步驟以提高鍵合質(zhì)量。退火過程中部分硅羥基向Si—O—Si化學(xué)鍵轉(zhuǎn)化，被束縛的多余水分子逐漸向硅基體擴(kuò)散，并與之反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，故而產(chǎn)生大量退火孔洞。

圖1 Si-Si 晶圓鍵合機(jī)理及退火過程中孔洞產(chǎn)生的機(jī)制

而在含氟等離子體活化鍵合中，硅晶圓表面在活化后生成低密度氧氟化硅，使硅晶圓親水性受到限制，只能適當(dāng)吸附空氣中的水分子，從而有效地控制了界面的水分子含量。氧氟化硅受水應(yīng)力腐蝕易發(fā)生軟化，在室溫存儲過程中氧氟化硅層吸收水分子并膨脹，提升了晶圓間的接觸面積，促使更多硅羥基生成并轉(zhuǎn)化為高強(qiáng)度的Si—O—Si化學(xué)鍵，因此含氟等離子體活化鍵合無需后退火工藝。在高溫應(yīng)用環(huán)境下，殘留的微量水分子透過氧氟化硅與Si反應(yīng)產(chǎn)生少量氫氣并被界面吸收，能夠減少退火孔洞的生成，有望避免在高溫環(huán)境下服役的Si-Si鍵合界面失效。

等離子體活化能夠有效去除硅基晶圓表面的有機(jī)污染物，并改善晶圓的表面親水性。羥基官能團(tuán)修飾的晶圓表面更易在低溫下實現(xiàn)高強(qiáng)度的直接鍵合。其中，單一O2等離子體活化所實現(xiàn)的硅基晶圓鍵合在退火過程中易產(chǎn)生孔洞，導(dǎo)致鍵合強(qiáng)度下降。采用先氧后氮順序等離子體活化能夠在400℃內(nèi)抑制退火孔洞的產(chǎn)生，但仍然無法維持400℃以上的高溫工作環(huán)境下的高鍵合強(qiáng)度。含氟等離子體活化使硅晶圓表面生成低密度的氧氟化硅，在室溫環(huán)境下氧氟化硅與界面水分子相互作用，發(fā)生軟化并膨脹，增大了上下晶圓之間的接觸面積，同時促使硅羥基基團(tuán)相互反應(yīng)，生成Si—O—Si化學(xué)鍵，在室溫下即可獲得大于硅基體斷裂強(qiáng)度的鍵合能。該鍵合工藝操作簡捷，鍵合效果良好，但在其他半導(dǎo)體材料中的應(yīng)用還有待進(jìn)一步開發(fā)。