硅基材料等离子活化直接键合机理
文章出处：等离子清洗机厂家 | 快盈47| 发表时间：2023-06-02
等离子体活化在Si-Si低温键合中的作用主要包括以下几个方面：（1）表面有机污染物的去除；（2）晶圆表面单位面积上硅羟基数量的增加；（3）提高水和气体在键合界面间的扩散能力；（4）通过活化增强氧化物的黏性，从而在键合过程中增加接触面积。
硅晶圆表面不可避免地存在少量原始氧化物及有机污染物，Si-Si晶圆键合机理及退火过程中孔洞产生的机制如图1所示。经单一O2等离子体活化后有机污染物被去除，同时活性氧原子的激活使硅片表面的亲水性增强，从而吸附大量空气中的水分子。在室温下预键合后，界面存在较厚的水分子层，导致预键合的强度较弱，需进行退火步骤以提高键合质量。退火过程中部分硅羟基向Si—O—Si化学键转化，被束缚的多余水分子逐渐向硅基体扩散，并与之反应产生氢气，故而产生大量退火孔洞。
图1 Si-Si 晶圆键合机理及退火过程中孔洞产生的机制
而在含氟等离子体活化键合中，硅晶圆表面在活化后生成低密度氧氟化硅，使硅晶圆亲水性受到限制，只能适当吸附空气中的水分子，从而有效地控制了界面的水分子含量。氧氟化硅受水应力腐蚀易发生软化，在室温存储过程中氧氟化硅层吸收水分子并膨胀，提升了晶圆间的接触面积，促使更多硅羟基生成并转化为高强度的Si—O—Si化学键，因此含氟等离子体活化键合无需后退火工艺。在高温应用环境下，残留的微量水分子透过氧氟化硅与Si反应产生少量氢气并被界面吸收，能够减少退火孔洞的生成，有望避免在高温环境下服役的Si-Si键合界面失效。
等离子体活化能够有效去除硅基晶圆表面的有机污染物，并改善晶圆的表面亲水性。羟基官能团修饰的晶圆表面更易在低温下实现高强度的直接键合。其中，单一O2等离子体活化所实现的硅基晶圆键合在退火过程中易产生孔洞，导致键合强度下降。采用先氧后氮顺序等离子体活化能够在400℃内抑制退火孔洞的产生，但仍然无法维持400℃以上的高温工作环境下的高键合强度。含氟等离子体活化使硅晶圆表面生成低密度的氧氟化硅，在室温环境下氧氟化硅与界面水分子相互作用，发生软化并膨胀，增大了上下晶圆之间的接触面积，同时促使硅羟基基团相互反应，生成Si—O—Si化学键，在室温下即可获得大于硅基体断裂强度的键合能。该键合工艺操作简捷，键合效果良好，但在其他半导体材料中的应用还有待进一步开发。
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