TWI556283B - 一種在表面吸附離子形成偶極來鍵合基板的方法 - Google Patents

Description

一種在表面吸附離子形成偶極來鍵合基板的方法

本發明係提供一種低溫鍵合二表面的製程，尤指一種在表面使用吸附氫離子與氣體電漿轟擊(plasma bombarding)鍵結，在擬鍵合之表面產生偶極來強化兩基板鍵合表面之鍵合強度的方法。

習知技術是以高溫的退火製程使二基板表面懸掛鍵之未飽和鍵互相形成共價鍵結，然而高溫退火製程卻限制了基板鍵合技術的應用範圍。因為二基板之熱膨脹係數(thermal expansion coefficient)必須相近，以避免鍵合界面在高溫下產生一極大的熱應力，破壞二基板的鍵合結構。

1990年，美國杜克大學(Duke University)童勤義(Q.-Y.Tong)等人以研究矽基板親水性晶圓鍵合開始低溫鍵合技術研發，在退火熱處理過程中其鍵合強度之變化關係發展出一種長時間低溫熱處理之低溫鍵合技術。在習知直接鍵合技術中，當退火溫度介於472~673°K時，OH基作為結合物(bonding species)在兩表面之間交聯，進而拉近間距產生鍵結(bonds)而使彼此鍵合扮演相當重要的角色；溫度溫度大於1323°K，矽基板因高溫產生的塑性變形大幅提昇了接面處Si-O-Si鍵合的數量，且因原子間的固態擴 散使晶界重新調整、氧化物的黏滯流填補未鍵合區域空洞的現象顯著。現今的研究著重在降低製程所需熱處理溫度，並可和大部份半導體製程相容(<450℃)。現有採用電漿轟擊表面技術對基板表面作活化處理，增加懸掛鍵數目來達到提升基板間鍵合強度之低溫鍵合目地。電漿乃是帶有相同數量的正電荷與負電荷的部分離子化的氣體。因此電漿活化處理的效果取決於電漿的輸入功率、氣體的種類、反應室的容積和集合形狀以及氣體的流速等等。電漿所採用氣體的種類繁多，例如O₂、CF₄、He、Ne、Ar等等，使用電漿活化的前提是使用之電漿不能與擬鍵合之基板表面產生大量化學反應，以免破壞表面平滑度而妨礙鍵合。

使用電漿對基板表面的活化效果可分為物理和化學兩方面。在物理方面是由於高能粒子轟擊基板表面，這些高能粒子包括帶電的粒子和中子。帶電的粒子可以是離子化的原子，分子或者電子。高速粒子轟擊基板表面造成斷鍵而使懸掛鍵密度增加，但也可能產生表面缺陷。在化學方面主要是帶電荷粒子會與基板表面懸掛鍵結合。

本發明之主要目的在提供一種使離子吸附在擬鍵合二基板表面方法，使該離子不與鍵合表面產生大量化學反應，且在彼此接觸時形成偶極來達成低溫鍵合目的。

本發明係利用分段式表面處理方式，使具有偶極性離子團吸附在擬鍵合二基板表面來達成低溫鍵合的方法。本發明通常先進行一清洗製程，去除該基板表面的微粒與污染物，接著進行表面處理方法，使氫離子附著在擬鍵合基板之表面。再施予含氮或氧或氟或混合體之氣體電漿轟 擊製程，因F-H,O-H,N-H易極化(polarized)，使其與吸附在表面之氫離子形成偶極，和另一擬鍵合表面間產生氫鍵來產生強力的初步鍵合(initial bonding)。

然後將該二彼此鍵合的表面進行一退火製程，使能夠獲得足夠的鍵合強度(bonding strength)。因為形成鍵結所需克服的反應活化大幅降低，所以退火製程所需的時間也可以縮短，使得生產效率得以提昇。此外，由於退火製程是在低溫下進行，因此本發明可以應用於鍵合熱膨脹係數差異大的基板，而不會在鍵合界面上產生足以破壞鍵合結構的熱應力。

本發明採用分段式表面處理，可避免因直接採用具強化學活性的電漿離子，使擬鍵合之表面產生與其產生激烈反應而損傷平滑度。例如在氮化鎵(GaN)表面直接施予含NH₃ ⁺電漿氣體(Q.-Y.Tong and U.Gösele合著，Semiconductor Wafer Bonding：Science and Technology,John Wiley & Sons,Inc.，西元1999年出版)預期產生化學反應而有損平滑度。例如H⁺對GaN的侵蝕率較NH₃ ⁺為低。若先把GaN基板在稀氫氟酸(HF,0.5-1.0%)溶液施予短時間浸沒(30s dipping)，使其表面懸掛鍵被氫離子鈍化而覆蓋氫離子。再施予氮電漿轟擊，使氮離子與吸附在表面之氫離子反應產生N-H離子簇，將有與NH₃ ⁺電漿產生的強化效果，卻無其侵蝕表面效應。在鍵合GaN/Si基板對時，經HF濕式化學表面處理，繼之以氮電漿處理，可在表面形成NxHy離子簇而兩擬鍵合表面彼此間產生氫鍵而有強初步鍵合能。退火後兩基板表面間之共價鍵產生之化學反應式如下：GaN-(N_xH_y)+(N_xH_y)-Si → GaN-(2N_x)-Si+yH ₂

實施例一

使用二Si晶圓。經LPCVD(Low-Pressure Chemical Vapor Deposition)製程技術，在該Si晶圓表面形成厚度70nm，標準化學計量的Si₃N₄基板。而後將Si₃N₄基板表面對用RCA溶液(H₂O₂：NH₄OH：H₂O=1：0.2：5)清洗。接下來，將Si₃N₄基板對用去離子水沖洗，並浸沒在氫氟酸溶液中(1% HF,CMOS grade)30sec。緊接立即將該二片Si₃N₄基板進行氮電漿表面活化處理(Nitrogen-Plasma Activation)。而後，將二片Si₃N₄基板在大氣中進行直接鍵合(Direct Bonding)，並施以200℃進行退火處理。

實施例二

使用二Si晶圓。將二Si基板表面對用RCA溶液(H₂O₂：NH₄OH：H₂O=1：0.2：5)清洗。接下來，將二Si基板對用去離子水沖洗，並浸沒在氫氟酸溶液中(1% HF,CMOS grade)30sec。緊接立即將該二片Si基板進行氧電漿表面活化處理(Nitrogen-Plasma Activation)。而後，將二片Si基板在大氣中進行直接鍵合(Direct Bonding)，並施以100℃進行退火處理。

實施例三

使用一Si晶圓及一Al₂O₃基板。經MOCVD製程技術，在該Al₂O₃晶圓表面形成厚度2μm，標準化學計量的Ga.N基板。而後將GaN基板表面用丙酮清洗。接下來，將Si及GaN基板用去離子水沖洗，並浸沒在氫氟酸溶液中(1% HF,CMOS grade)30sec。緊接將該GaN及Si基板進行氮電漿表面活化處理(Nitrogen-Plasma Activation)。而後，將此鍵合後基板在大氣中進行直接鍵合(Direct Bonding)，並施以250℃進行退火處理。

實施例四

使用二Si晶圓基板。經MOCVD、側向磊晶及緩衝層製程技術，在一Si晶圓表面形成厚度2μm，標準化學計量的GaN基板。而後將GaN基板表面用丙酮清洗。接下來，將Si及GaN基板用去離子水沖洗，並浸沒在氫氟酸溶液中(1% HF,CMOS grade)30sec。緊接將該GaN及Si基板進行氮電漿表面活化處理(Nitrogen-Plasma Activation)。而後，將此鍵合後基板在大氣中進行直接鍵合(Direct Bonding)，並施以250℃進行退火處理。

實施例五

使用一Si晶圓及一Al₂O₃基板。將Si及Al₂O₃基板表面對用RCA溶液(H₂O₂：NH₄OH：H₂O=1：0.2：5)清洗。接下來，將Si及Al₂O₃基板用去離子水沖洗，並浸沒在氫氟酸溶液中(1% HF,CMOS grade)30sec。緊接將該Al₂O₃及Si基板進行氧電漿表面活化處理(Nitrogen-Plasma Activation)。而後，將此鍵合後基板在大氣中進行直接鍵合(Direct Bonding)，並施以200℃進行退火處理。

以上所述僅本發明之最佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明專利之涵蓋範圍。

Claims (10)

1. 一種鍵合(bonding)二基板(substrate)表面的方法，該方法包含下列步驟：提供二基板；在該二基板至少一方進行離子附著表面處理製程，使一第一離子附著該表面；在該表面施以至少包含一後續離子附著表面處理製程，使第一離子與之形成偶極；以及將該兩基板表面彼此接觸以鍵合。
2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該基板表面包含有一層或複數層薄膜層。
3. 如申請專利範圍第2項之方法，其中該基板表面包含有一氮化物(nitride)基板薄膜層。
4. 如申請專利範圍第2項之方法，其中該基板表面包含有一氧化物(oxide)基板薄膜層。
5. 如申請專利範圍第2項之方法，其中該基板表面包含有一三五族(III-V)基板薄膜層。
6. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該第一離子係為含氫之離子。
7. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該一後續表面處理製程係為一含氮電漿轟擊製程。
8. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該一後續表面處理製程係為一含氧 電漿轟擊製程。
9. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該一後續表面處理製程係為一含氟電漿轟擊製程。
10. 一種鍵合二基板表面的方法，該方法包含有下列步驟：提供一第一基板及一第二基板；進行一氫氟酸溶液濕式表面處理製程，使該第一基板表面與該第二基板表面吸附氫離子；進行一氮電漿轟擊製程，使該第一基板表面與該第二基板表面吸附氮離子；以及將該第一基板表面與該第二基板表面彼此貼合，以鍵合該第一基板與該第二基板。