《炬丰科技-半导体工艺》晶片清洗和退火对玻璃/硅晶片直接键合的影响

书籍：《炬丰科技-半导体工艺》
文章：晶片清洗和退火对玻璃/硅晶片直接键合的影响
编号：JFHL-21-1019
作者：炬丰科技

引言

晶圆直接键合(WDB)是一种不用胶水就能键合干净的镜面抛光晶圆的技术。当键合晶片在高温下退火时，相对较弱的室温键合(通过范德华力或氢键合键合)被较高强度的键合(如共价键合)所取代。我们使用4英寸耐热玻璃和硅片研究了玻璃/硅直接键合中的清洗和退火效应。检查SPM清洗(硫酸-过氧化物混合物，H2SO4 :H2O2=4:1，120°C)、RCA清洗(NH4OH:H2O2 :H2O=1:1:5，80°C)以及这两种方法的组合，以研究晶片清洗效果。当晶片在SPM清洗后用RCA清洗时，在室温下获得最大的键合质量。通过原子力显微镜测量的表面粗糙度与室温下的结合质量一致。当退火温度增加到400℃时，结合强度增加，但是在450℃时发生剥离。玻璃和所用硅晶片的热膨胀系数的差异导致了这种剥离。当在室温下键合的晶片在300或400℃退火时，键合强度增加28小时，然后随着进一步退火而降低。进一步退火导致的结合强度下降是由于钠离子通过玻璃/硅界面漂移。

实验

我们用四英寸直径的硼硅酸盐7740派热克斯玻璃晶片和硅晶片来研究，厚度分别为500米和525米。硅晶片为p型，电阻为4ω，玻璃晶片含有12.7% B2O3和其他元素，包括Na2O (4.00%)、Al2O3 (2.30%)、K2O (0.04%)和Fe2O3(0.03%)。SPM(硫酸-过氧化物混合物，H2SO4 :H2O2=4:1，120°C)和RCA (NH4OH:H2O2 :H2O=1:1:5，80°C)用于清洁晶片表面。为了比较清洁的效果，研究了SPM和RCA的各种组合(即只有SPM，只有RCA，SPM后RCA，以及SPM后的RCA)。通过原子力显微镜分析清洗前后的表面粗糙度。
清洁后，通过以下方式进行室温粘合，使玻璃和硅晶片的镜面抛光表面紧密接触，将一个晶片放在另一个晶片上，同时对准两个晶片的平坦区域，用手向晶片中心施加适度的压力。所有粘合和清洁程序均在室温下的100级洁净室中进行。在室温键合过程中，形成在晶片中心的键合区域覆盖在整个晶片上。不同样品的粘合质量通过测试测量粘合面积来确定，使用商业图像分析系统拍摄照片。
我们研究了退火后结合强度的变化使用在SPM后使用RCA清洗的硅和玻璃晶片对。在大气压下进行两组退火。第一组在恒定时间(28小时)进行各种退火，温度(200、300、400和450℃)，第二组为不同退火时间(6、28和50小时)的恒温(300和400℃)。使用裂纹张开方法测定结合强度；将剃刀刀片插入两个晶片之间，并使用尺子。通过二次离子质谱深度剖面分析测量了从玻璃晶片到硅的离子漂移。从玻璃晶片剥离后，对硅晶片表面(键合硅和玻璃晶片之间的界面)进行SIMS分析。

结果和讨论

基材清洗对室温粘接的影响：
图1显示了各种清洗工艺后室温下键合晶片的光学图像。因为玻璃晶片是透明的，所以两个晶片之间任何间隙的存在都可以通过干涉图案来识别。干涉图案广泛分布在图1(a)和(b)中的所有晶片上，这些晶片单独用RCA或SPM清洗。如图1(d)所示，当在SPM之后用RCA清洗玻璃和硅晶片时，获得了最佳质量的室温键合。
图2显示了不同系统清洗后原子力显微镜测量的玻璃晶片粗糙度。表面粗糙SPM、RCA或SPM后玻璃晶片的硬度增加，但在SPM后RCA的情况下保持不变。

我们的结果表明，当使用RCA后SPM，RCA溶液中和了之前的残留物清洁步骤。因此，表面粗糙度的增加。在清洗过程中，残留物和溶液之间的相互作用可能会减少。清洗可能会在表面留下羟基自由基，这可以增强氢键。很可能，由于这些影响，SPM清洗后的RCA最大化了表面结合和清洁。

退火对结合强度的影响：
图3显示了28小时内结合强度随退火温度的变化。在本研究中，我们使用了不同的曲率，两个晶片的曲率是不同的，这是在我们的粘合强度测定中引入了固有误差。然而，这个误差是一致的，因此，相对比较被认为是有效的。当温度升高到400℃时，结合强度增加，但是在450℃时发生剥离。结合强度的增加可以用结合界面处的水分被烘烤出来并且氢键被转化的事实来解释。然而，450℃时的剥离表明，玻璃和硅的热膨胀系数不同会影响结合强度。
图4显示了在300℃和400℃退火过程中结合强度的变化。结合强度随着时间的推移增加到28小时。在400℃的退火温度下，应力的增加速率高于300℃，然而，退火50小时后，强度下降。结合强度随退火时间的增加可以用共价键程度的增加来解释。温度越高，这个速度应该越快。然而，进一步退火时结合强度降低意味着存在破坏结合的机制。我们认为这可能是由于进一步退火过程中的离子漂移。
图5显示了在400℃退火后通过SIMS分析在硅表面中的离子分布。退火50小时后在硅晶片的表面上检测到钠离子。考虑到钠的来源是玻璃晶片，这意味着从玻璃晶片到硅晶片发生了离子漂移。因为除了退火50小时的情况之外没有检测到钠，退火50小时后降低的结合强度归因于钠离子从玻璃漂移到硅晶片中引起的结合中断。

我们的结果表明存在一个最佳退火条件。通过在适当的温度和时间下退火，可以获得最大的结合强度。较高的温度和较长的退火时间会导致脱粘。

总结
我们研究了硅片清洗和热处理对玻璃与硅片直接键合的影响。当晶片在SPM处理后用RCA清洗时，由于最小的表面粗糙度，室温粘合质量被最大化。发现退火过程中结合强度对温度和时间敏感。不同的热膨胀系数使得玻璃和硅片在450℃时发生剥离。当硅片恒温退火时，键合强度在28小时后增加，但随后下降。进一步退火后结合强度的降低归因于钠离子通过玻璃/硅界面的漂移。我们的结果表明，通过优化清洗和退火工艺可以获得最大的结合强度。实际上，剥离也可以通过使用退火条件来控制。

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