一种硅片直接键合方法与流程

本发明涉及微电子技术领域，具体涉及一种硅片直接键合方法，所制备的键合片可以作为超厚外延片或超厚硅片进行使用。

背景技术：

硅片直接键合技术(SDB)是把两抛光片经表面清洗和亲水活化处理，在室温下直接贴合，然后经高温热处理即可键合在一起的一种键合技术。硅-硅直接键合技术是一种典型的MEMS键合技术，相比于MOCVD、LPE、MBE等这些常用的外延生长方法，直接键合技术无需任何粘合剂和外加电场，只需将两片表面光洁平整的晶片经过一定处理后在一定温度和压力下接触即可实现，它的原理、方法和实验设备都较简单，两键合片的电阻率和导电类型都可以自由选择，并且由于是同种材料的键合，键合后不存在残余应力，同时这种键合密封性极好，做普通真空封装不需要额外添加吸气剂，因此，这种键合技术以它独特的优越性吸引了人们的广泛关注。直接键合技术的灵活性和方便性使得它越来越多的在SOI结构、微机电系统(MEMS)和压电、声光器件当中得到应用。随着其不断发展和成熟，已成为器件制备的一个重要工艺技术。

目前，硅键合片的缺陷主要集中在键合界面，引起键合界面空洞的因素较多，通过优化键合工艺过程，增强键合强度及控制键合界面电学特性具有重要的应用价值。

技术实现要素：

针对现有硅片键合技术存在的上述不足之处，本发明的目的在于提供一种硅片直接键合方法，通过该方法可以大量稳定的生产无空洞、无氧化层的硅硅键合片，可以根据不同需求选用不同电阻率的硅片进行键合。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种硅片直接键合方法，该方法是将经过清洗的抛光片，依次进行等离子激 活、化学液清洗、键合和退火处理，获得所需硅健合片；具体过程如下：

(1)等离子激活处理：

先硅片进行清洗，清洗后的硅片采用N₂对其进行等离子激活处理，气体压力0.1-1mbar，激活时间1-10s，射频功率55-120W；硅片清洗过程为：待键合硅片依次经过DHF、SC-1和SC-2清洗，其中：DHF清洗时间为1-5min，SC-1清洗时间为5-15min，SC-2清洗时间为5-15min；清洗后的硅片表面呈亲水性。

(2)化学液清洗：

使用120℃条件下的HF、H₂SO₄和H₂O₂的混合溶液(HF、H₂SO₄和H₂O₂体积比为5:5:1)对硅片进行表面处理，处理时间20-40min；然后再用去离子水冲选干净；混合溶液中三者相互协同预处理掉过量的会引起空洞的羟基；经过混合溶液处理的硅片，呈疏水性，需要再用去离子水冲洗。

(3)低真空直接键合：

经步骤(2)清洗后的硅片送入键合机(EVG850键合机)内，在键合机内压力降至0.5-1mbar时向硅片施加1-3N的压力完成预键合，键合后的硅片具有小于0.5°键合偏差，可以保证键合界面晶向的一致性。

(4)退火处理：

键合后的硅片送入退火炉进行退火处理，退火温度850-1100℃，退火时间2-4h。

本发明设计原理及有益效果如下：

1、硅片激活前的来料清洗：

来料清洗是为去除硅片表面自然氧化层、金属及颗粒得到较好的裸硅片表面状态。因硅片经等离子激活后呈亲水性，所以最初的来料清洗选择依次经过DHF、SC1和SC2的亲水处理清洗流程。

2、等离子激活：

等离子激活最常使用的气体有O₂，H₂，Ar，N₂。对于硅硅键合，键合界面的氧化层被视为杂质，因此，不采用O₂。H₂是最有效避免氧化层形成的等离子气氛，但完全被H覆盖的硅片存在难以实现直接键合的故有技术障碍。使用Ar和N₂的等离子激活会对硅片表面造成一定程度的损伤，但N₂对硅片表面的损伤相对较小且更易控制，本发明通过对N₂等离子激活时间和功率的控制，可以人 为引入对加工有益的表面缺陷，通过经控制引入的缺陷在退火阶段可以实现键合界面无氧化层的结构。

除了使用H₂对硅片表面进行等离子处理可以得到疏水性的硅片表面外，其他气体的使用都会在激活后在硅片表面引入较激活前更多的羟基，使硅片表面呈亲水性，众所周知羟基是形成键合界面氧化物的部分原因，所以为减少羟基的这一干扰，通常的硅硅键合对硅片在键合前通过HF溶液的处理，使硅片呈疏水性表面，以此减少表面羟基密度。以上提到的H₂等离子硅片疏水表面处理和通过DHF溶液表面改性清洗是最常规的减少羟基获得疏水表面的工艺。由于直接键合技术最根本的原理是通过硅片表面的基团间的分子间作用力使两片硅片实现常温直接键合，疏水性表面基团全部或大部分为-H，-H基团作为非极性基团只能依靠瞬间偶极矩发生相互作用，所以使用疏水性表面硅片存在键合困难甚至根本无法实现键合的问题。

综上所述，使用N₂等离子激活不但可以避免H₂等离子处理后不易键合的问题，更可以通过可控的缺陷引入制造无氧化层的硅硅键合片。

3、化学液清洗：

经非氢气等离子激活的硅片因悬挂键的产生，使表面的羟基密度增加呈亲水性，退火过程中，因羟基的脱水反应将在键合界面中引入水，不同于硅与氧化硅的键合界面，反应产生的水可以扩散入氧化层，硅硅界面的水大部分是通过对硅的氧化进行空洞的消除，若引入羟基的量超出硅硅界面的反应能力，将在界面形成空洞。因此，为解决因脱水反应引起的空洞和氧化物的生成，等离子激活后的硅片需要经过特殊的化学液处理。

本发明使用120℃的HF/H₂SO₄/H₂O₂混合溶液对硅片进行表面处理。H₂SO₄具有脱水性，当硅片接触到加热的混合溶液时部分羟基将发生脱水缩合形成桥氧键，H₂O₂作为氧化剂加速羟基的反应，HF将与表面生成的氧化物反应，三者相互合作预处理掉过量的会引起空洞的羟基。

经过HF/H₂SO₄/H₂O₂处理的硅片，因呈疏水性，较亲水表面更易受颗粒沾污，此时的颗粒沾污将在硅硅键合界面形成退火也无法消除的空洞，因此，完成HF/H₂SO₄/H₂O₂处理后需要去离子水的冲洗。

4、低真空直接键合：

经以上工艺处理的硅片被送入键合机进行键合，当压力降至1mbar开始施加2N的顶针压力。本发明使用的是EVG850键合机，键合后的硅片具有小于0.5°键合偏差，可以保证键合界面晶向的一致性。

5、退火：

键合片送入退火炉进行850℃-1100℃持续2-4h的高温退火。进行高温退火是完成键合片由较弱的分子力结合到由化学键结合的关键步骤，退火过程中将完成以下任务：

(1)使表面残存的羟基发生脱水反应生成水；

(2)在高温下水与硅发生氧化反应；

(3)通过等离子激活引入的表面空位缺陷将生成的氧化硅还原，从而消除氧化层。

硅片经过N₂等离子激活和键合机内化学液清洗的处理，实现了正效应-缺陷的引入，和负效应-表面羟基密度过高的抑制，这两道关键技术的处理在退火阶段有重要意义。抑制羟基密度能够保证最后形成无空洞的键合界面，但只要有羟基的存在，水就是高温下必然的产物，水在界面间的消除依靠扩散和氧化还原反应两种途径，但无论哪种途径，键合界面都会不可避免的形成氧化层，由于这些氧化层存在于界面间，无法通过退火之后的处理手段完成消除的目的，因此，本发明采用在退火前段引入表面缺陷，高温时界面生成氧化物的与缺陷又发生还原反应，通过退火温度和时间的控制，实现对界面氧化层的消除。

通过本发明工艺可以大量稳定的生产无氧化层的硅硅键合片，可以根据不同需求选用不同电阻率的硅片进行键合，可以作为超厚外延片，或超厚硅片进行使用。

附图说明

图1为本发明硅硅键合主要工艺过程。

图2为等离子激活示意图。

图3为实施例1中退火后的键合片状态；其中：(a)退火后SAM数据；(b)键合界面TEM图像。

图4为对比例1中键合片退火后SAM数据。

图5为对比例2中退火后的键合片状态；其中：(a)退火后SAM数据；(b)键合界面TEM图像。

具体实施方式

以下结合附图及实施例详述本发明。

本发明为硅片直接键合的方法，使用经过清洗的抛光片，依次进行等离子激活、化学液清洗、键合、退火，工艺流程如图1所示，具体过程如下：

抛光片首先经过1-5min DHF、5-15min SC1和5-15min SC2的来料清洗步骤，完成清洗后送入等离子激活腔使用氮气在75/100W RF功率及0.3mbar压力条件下，激活1-10s(图2)；激活后的两片硅片使用120℃的HF/H₂SO₄/H₂O₂混合溶液清洗20-40min；经处理的硅片送入键合腔在0.5-1mbar压力下施加1-3N的压力完成预键合；预键合的硅片完成750℃入炉，以5℃/min的速率升高至850-1150℃持续2h的退火。

实施例1

使用p型，电阻率8.5-11.5，(100)晶向硅片，抛光片首先依次经过1min DHF、10min SC1和10min SC2的来料清洗步骤，干燥后送入等离子激活腔使用氮气在75/100W RF功率，0.3mbar压力下，激活5s；120℃的HF/H₂SO₄/H₂O₂混合溶液清洗30min。；经处理的硅片送入键合腔在1mbar压力下施加2N的压力完成预键合；预键合的硅片完成750℃入炉，以5℃/min的速率升高至900℃持续2h的退火。

如图3所示，通过SAM和TEM图像可以观察到经过以上工艺步骤加工的键合片的键合界面间不存在空洞，界面间不存在氧化层，实现两片间形成化学键良好的结合。

对比例1

本例硅片键合过程中，经过氮气激活，但不经120℃的HF/H₂SO₄/H₂O₂混合溶液清洗，过程如下：

使用p型，电阻率8.5-11.5，(100)晶向硅片，抛光片首先经过1min DHF，10min SC1，10min SC2的来料清洗步骤，干燥后送入等离子激活腔使用氮气在75/100W RF功率，0.3mbar压力下，激活5s；经处理的硅片送入键合腔在1mbar 压力下施加2N的压力完成预键合；预键合的硅片完成750℃入炉，以5℃/min的速率升高至900℃持续2h的退火。

由SAM可以看出(图4)，未经HF/H₂SO₄/H₂O₂混合溶液处理的硅片经过等离子激活进行键合，在退火后会形成大面积空洞。

对比例2

本例硅片键合过程中，不经等离子激活，但经HF/H₂SO₄/H₂O₂混合溶液处理，过程如下：

使用p型，电阻率8.5-11.5，(100)晶向硅片，抛光片首先经过1min DHF，10min SC1，10min SC2的来料清洗步骤，再进行120℃的HF/H₂SO₄/H₂O₂混合溶液清洗30min；经处理的硅片送入键合腔在1mbar压力下施加2N的压力完成预键合；预键合的硅片完成750℃入炉，以5℃/min的速率升高至900℃持续2h的退火。

经过以上步骤加工的键合在界面间无空洞见图5(a)，但在键合界面间会形成部分1.7nm的氧化层见图5(b)。

通过对比例1和对比例2可以看出，键合机内HF/H₂SO₄/H₂O₂混合溶液可以实现降低表面羟基密度，进而避免因羟基含量过高产生的空洞。

通过实施例1与对比例2的结果，可以证明，抛光片首先经过1-5min DHF，5-15min SC1，5-15min SC2的来料清洗步骤，完成清洗后送入等离子激活腔使用氮气在75/100W RF功率，0.3mbar压力下，激活1-10s；激活后的2片硅片依次使用120℃的HF/H₂SO₄/H₂O₂混合溶液清洗20-40min；经处理的硅片送入键合腔在1mbar压力下施加2N的压力完成预键合；预键合的硅片完成750℃入炉，以5℃/min的速率升高至850-1150℃持续2h的退火。因N₂等离子激活处理方式的引入可以消除退火过程中产生的氧化层，根据对比例1和对比例2的结果，激活后又与HF/H₂SO₄/H₂O₂混合溶液配合得到无空洞，无氧化层的硅硅键合片。