硅硅直接鍵合界面雜質(zhì)分布研究

摘 要:根據(jù)硅片直接鍵合工藝中硅片的雜質(zhì)分布與擴(kuò)散規(guī)律，使用集成電路模擬軟件T _SUPREM 4建立一個(gè)鍵合過(guò)程中雜質(zhì)再擴(kuò)散模型。該模型有利于MEMS和IC電路的集成化設(shè)計(jì)。使用該模型對(duì)鍵合熱處理時(shí)的雜質(zhì)再擴(kuò)散進(jìn)行模擬，得到了在500 ℃溫度下進(jìn)行鍵合時(shí)界面處雜質(zhì)的分布曲線。結(jié)果表明，熱處理1 h雜質(zhì)再擴(kuò)散已基本停止;鍵合界面處的氧化層對(duì)雜質(zhì)擴(kuò)散有明顯的阻止作用，這有利于改善器件性能。

關(guān)鍵詞:微電子機(jī)械系統(tǒng);直接鍵合;雜質(zhì)分布;功率器件

中圖分類(lèi)號(hào):TN305.96文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)02-157-03

Impurity Distribution on the Interface of Silicon Direct Bonding

HUO Wenxiao

(College of Science and Information，Qingdao Agricultural University，Qingdao，260019，China)

Abstract:A model of silicon direct bonding is presented by T_ SUPREM4，and it is expedient to integrated design of MEMS and IC.The model simulates the impurity distribution during direct bonding at 500 ℃ according to the law of diffusion in semiconductor and the bonding process.The result proves the impurity distribution has stopped generating after heat treatment 1 h.And the total impurity in silicon with oxide is much less than that without oxide，which is propitious to improve the property of power device.

Keywords:MEMS;direct bonding;impurity distribution;power device

0 引 言

鍵合技術(shù)(Bonding Technology)是伴隨集成電路和微機(jī)械的發(fā)展而出現(xiàn)的一種加工技術(shù)。鍵合是指不利用任何黏合劑，只通過(guò)化學(xué)鍵和物理作用將硅片與硅片、硅片與玻璃或其他材料緊密結(jié)合在一起。鍵合界面具有良好的氣密性和長(zhǎng)期的穩(wěn)定性，應(yīng)用十分廣泛，是微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)封裝中的基本技術(shù)之一[1]。

直接鍵合技術(shù)是指兩硅片通過(guò)高溫處理可以直接鍵合在一起，不需要任何粘結(jié)劑和外加電場(chǎng)，工藝簡(jiǎn)單[2，3]。硅硅直接鍵合技術(shù)的特點(diǎn)是不使用黏合劑，依靠硅片表面的化學(xué)鍵相互連接。如果硅片在鍵合前使用等離子體活化表面，則在真空低溫條件下就可以實(shí)現(xiàn)較高的鍵合強(qiáng)度[4，5]。

硅硅鍵合可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的深擴(kuò)散和厚外延工藝，制造的功率器件能夠使實(shí)現(xiàn)高的擊穿電壓。與厚外延材料相比，由于鍵合經(jīng)歷的熱處理時(shí)間短，處理溫度較低，因此硅片的性能沒(méi)有受到較大破壞，雜質(zhì)再擴(kuò)散較輕，器件性能容易得到提高[6]。

就功率器件而言，當(dāng)鍵合界面有電流通過(guò)時(shí)，界面處的雜質(zhì)分布必定會(huì)對(duì)器件的電學(xué)特性產(chǎn)生影響;對(duì)MEMS結(jié)構(gòu)而言，雜質(zhì)再擴(kuò)散對(duì)后續(xù)自停止腐蝕等工藝也會(huì)產(chǎn)生影響。因此，有必要對(duì)鍵合界面處的雜質(zhì)分布情況進(jìn)行研究。目前，這方面的研究很少，而且在文獻(xiàn)[7，8]中模擬的鍵合溫度較高，與當(dāng)前流行的低溫鍵合略有出入。這里使用集成電路模擬軟件T_SUPREM 4建立了鍵合工藝的模型。該模型可以使鍵合工藝與集成電路制造工藝的模擬相結(jié)合，以有利于MEMS與IC電路的集成化設(shè)計(jì)。使用該模型對(duì)500 ℃溫度下直接鍵合過(guò)程中雜質(zhì)的再擴(kuò)散進(jìn)行了模擬，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。

1 模型的建立

二維集成電路芯片工藝加工模擬系統(tǒng)T_SUPREM(Stanford University Process Engineering Model program)可以對(duì)硅集成電路的平面工藝進(jìn)行全工序、全參數(shù)的按順序加工的二維模擬，也可以進(jìn)行單工序、單項(xiàng)參數(shù)的模擬。但是T_SUPREM卻不支持對(duì)鍵合工藝的模擬，所以要對(duì)模擬的鍵合工藝做一些改進(jìn)，建立一個(gè)適合T_SUPREM模擬的模型。

這里需要進(jìn)行模擬的鍵合工藝有:N型硅片和P型硅片的鍵合。其中，N型片電阻率為0.02～0.008 Ω#8226;cm，厚度為425 μm，P型片電阻率為20～50 Ω#8226;cm，厚度為500 μm。由于P型硅片的厚度為500 μm，后來(lái)的砷雜質(zhì)擴(kuò)散只影響P型硅片表面幾十微米處的雜質(zhì)分布，同樣硼雜質(zhì)擴(kuò)散也只影響N型硅片表面幾十 μm處的雜質(zhì)分布。因此建立如下模型:在厚度為200 μm，電阻率為0.02～0.008 Ω#8226;cm的N型襯底上外延生長(zhǎng)100 μm厚，電阻率為20～50 Ω#8226;cm的P型外延層，然后進(jìn)行熱處理。同時(shí)，由于在500 ℃以下的溫度時(shí)，可以忽略介質(zhì)界面或體內(nèi)的雜質(zhì)再分布行為，所以選擇的退火溫度為500 ℃。

2 模擬實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?分析P型硅片與N型硅片界面處的雜質(zhì)分布及其隨溫度的變化關(guān)系。器件結(jié)構(gòu)模擬網(wǎng)絡(luò)如圖1所示，在500 ℃下熱處理1 h雜質(zhì)分布曲線如圖2所示;退火4 h雜質(zhì)分布曲線如圖3所示。

圖1 器件結(jié)構(gòu)模擬網(wǎng)格

圖2 500 ℃退火1 h雜質(zhì)分布曲線

圖3 500 ℃退火4 h雜質(zhì)分布曲線

實(shí)際上，使用的鍵合較多為親水鍵合，在鍵合界面處會(huì)存在一層厚度為2～3 nm硅氧化層，這層氧化層會(huì)阻礙雜質(zhì)的再分布，使得PN結(jié)的偏離變?nèi)酢Ｏ旅媸褂肧UPREM軟件對(duì)這種結(jié)構(gòu)在進(jìn)行熱處理時(shí)的雜質(zhì)再擴(kuò)散進(jìn)行模擬。

由于氧化硅層厚度只有3 nm，所以在圖中只是一條黑線，如圖4所示。

圖4 鍵合界面帶有氧化層的模擬網(wǎng)格

原始的雜質(zhì)分布曲線如5所示，熱處理1 h后的雜質(zhì)分布如圖6所示，熱處理4 h的雜質(zhì)分布如圖7所示。

圖5 原始的雜質(zhì)分布曲線

圖6 500 ℃熱處理1 h雜質(zhì)分布曲線

圖7 500 ℃熱處理4 h雜質(zhì)分布曲線

3 結(jié)果分析

這里的重要工作是使用T_SUPREM軟件建立直接鍵合工藝的模型。通過(guò)模擬得出結(jié)論:在500 ℃條件下進(jìn)行熱處理，1 h后雜質(zhì)再分布曲線已基本確定，在其后的熱處理中雜質(zhì)分布基本沒(méi)有變化。同時(shí)，可以看到，如果沒(méi)有界面氧化層，PN結(jié)偏離鍵合界面的距離約為1.2 μm，然而在實(shí)際鍵合界面處存在一層厚度為2~3 nm的氧化層，所以對(duì)這種結(jié)構(gòu)又進(jìn)行了模擬。模擬結(jié)果顯示，由于這層氧化層的存在，PN結(jié)僅偏離鍵合界面0.8 μm左右。這與文獻(xiàn)[9]中得到的結(jié)果基本吻合。這樣形成的PN結(jié)就避免了界面勢(shì)壘對(duì)電學(xué)特性的影響。例如，在PN結(jié)中，其反向電流為[10]:

J=qni2τP2εε0VAqND1/2

因?yàn)镻N結(jié)已經(jīng)偏離鍵合界面，所以它使雜質(zhì)和缺陷遠(yuǎn)離PN界面，且使τP增大，即少數(shù)載流子壽命加長(zhǎng)，功率器件特性得到改善。但如果雜質(zhì)擴(kuò)散的太深，雜質(zhì)分布明顯偏離突變PN結(jié)，使I區(qū)的串聯(lián)電阻增大，這將使電子器件的性能降低。

當(dāng)氧化層厚度不超過(guò)3 nm時(shí)，載流子主要是靠隧道效應(yīng)通過(guò)界面，不會(huì)影響電流的傳輸。

4 結(jié) 語(yǔ)

由上述分析結(jié)果可得結(jié)論:使用低溫硅片直接鍵合技術(shù)制造的功率器件，由于鍵合溫度低，且在界面上存在一層非常薄的氧化層，雜質(zhì)擴(kuò)散深度很小，這樣不僅使器件結(jié)構(gòu)不會(huì)改變太大，又能使器件特性得到了改善。

參考文獻(xiàn)

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[10]浙江大學(xué)半導(dǎo)體器件教研室.晶體管原理\\.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1980.