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研究生： 王品然
Pin-Jan Wang
論文名稱： 晶圓接合技術應用於絕緣層上矽結構之研究
指導教授： 胡塵滌
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 材料科學工程學系
Materials Science and Engineering
論文出版年： 2004
畢業學年度： 92
語文別： 中文
論文頁數： 117
中文關鍵詞： 絕緣層上矽結構 、殘留應力 、殘餘電荷 、漏電流
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    • 論 文 摘 要
    本研究目的為研究以晶圓接合技術應用於絕緣層上矽結構Silicon On Insulator（SOI）的各項性質，探討不同製程條件對接合界面之物理性質，包括鍵結強度、殘留應力、殘餘電荷等的影響。
    本論文採用1000Å和3500Å兩種氧化層厚度，晶圓表面清洗方式則為親水性（SPM-M1）和斥水性（SPM-M2）兩種。經退火處理後之晶圓對，可發現其未鍵結區在退火後都可明顯縮小，且當氧化層愈厚時，其鍵結強度會隨之增加。同時，若經刀刃劈開之晶圓對，再次進行1000℃熱處理時，劈開之裂口將重新再癒合鍵結起來。另外，經歷過二次熱處理的SOI試片，其上層矽晶圓中，會殘留內壓應力，且當氧化層愈薄，殘留應力值會愈大。在SOI元件電性方面，可觀察到利用SOI製作MOSFET時，會比Bulk有較小的漏電流。由此實驗流程，可評估何種晶圓接合技術製作SOI時，可得到較佳之物裡性質，以利晶圓接合技術更廣泛地應用於微機電系統與積體電路系統中。

    目 錄 論文摘要…………………………………………………………… Ⅰ 目錄………………………………………………………………… Ⅱ 表目錄……………………………………………………………… Ⅴ 圖目錄……………………………………………………………… Ⅵ 第一章 前言……………………………………………………… 1 第二章 文獻回顧………………………………………………… 3 2-1. WB之簡介與機制……………………………………… 3 2-2. WB之應用……………………………………………… 3 2-2-1. 微積電(MEMS)上的應用………………………… 4 2-2-2. 積體電路(IC)上的應用………………………… 4 2-2-3. PN-junction的應用…………………………… 7 2-2-4. 異質接合上的應用……………………………… 8 2-2-5. 其他方面的應用-保護表面…………………… 9 2-3. WB的歷史回顧………………………………………… 9 2-4. 晶圓參數……………………………………………… 10 2-5. 晶圓鍵結之分類……………………………………… 11 2-5-1. 親水性鍵結（HL）………………………………… 11 2-5-2. 斥水性鍵結（HL）………………………………… 12 2-6. 晶圓殘留應力的種類………………………………… 12 2-7. Schottky Barrier原理……………………………… 13 第三章 實驗程序 ……………………………………………… 29 3-1. 晶圓直接接合 ……………………………………… 29 3-1-1. 氧化層成長……………………………………… 29 3-1-2. 晶圓表面清洗步驟……………………………… 29 3-1-3. 預接合步驟……………………………………… 31 3-1-4. 退火步驟………………………………………… 32 3-2. 元件製作……………………………………………… 32 3-2-1. 薄化步驟………………………………………… 32 3-2-2. SOI MOSFET製作………………………………… 32 3-2-3. Schorrky Barrier Diode製作………………… 33 3-3. 實驗方法與儀器介紹………………………………… 34 3-3-1. 陽極接合機……………………………………… 34 3-3-2. 紅外線照相術…………………………………… 34 3-3-3. 截面OM、SEM觀測………………………………… 35 3-3-4. 強度測試………………………………………… 36 3-3-4-1. 拉伸試驗……………………………… 36 3-3-4-2. 刀刃插入測試………………………… 36 3-3-5. 熱癒合實驗……………………………………… 37 3-3-6. SOI晶圓應力量測……………………………… 38 3-3-6-1. 應力量測原理………………………… 38 3-3-6-2. 雷射掃描理論………………………… 38 3-3-6-3. Stony’s Equation …………………… 39 3-3-6-4. 光學系統……………………………… 39 3-3-6-5. 殘留應力量測條件…………………… 40 3-3-7. 元件電性量測…………………………………… 41 3-3-7-1. SOI MOSFET……………………………… 41 3-3-7-2. SOI Schottky Barrier Diodes………… 41 第四章 結果與討論 …………………………………………… 58 4-1. 紅外線照相術 ………………………………………… 58 4-2. 截面觀察……………………………………………… 58 4-3. 強度測試 ……………………………………………… 60 4-3-1. 拉伸測試………………………………………… 60 4-3-2. 刀刃插入測試…………………………………… 61 4-3-3. 各種測試法之優缺點比較……………………… 65 4-4. 熱癒合實驗…………………………………………… 66 4-5. 應力量測 …………………………………………… 69 4-6. MOSFET元件電性量測………………………………… 70 4-6-1. 電流電壓量測…………………………………… 70 4-6-2. 電容電壓量測…………………………………… 72 4-7. Schottky Barrier Diodes元件電性量測…………… 72 第五章 結論……………………………………………………… 111 參考文獻…………………………………………………………… 113 表 目 錄 表4-1 退火前後，IR Photography之照片……………………… 75 表4-2 各種試片（111）Facet效應所得到的底邊、高和底角值………………………………………………………… 76 表4-3 WDB試片拉伸強度、應力-應變曲線與斷面觀察………… 77 表4-4 刀刃法測試表面能及IR Photography………………… 79 表4-5 以往文獻中刀刃法所得到WDB晶圓對表面能值………… 81 圖 目 錄 圖2-1 平面間的各種接合力…………………………………… 15 圖2-2 晶圓接合區域擴展圖，(a)由中心點施壓並開始接合，(b)接合區域向外擴展，(c）完全接合完成……………… 15 圖2-3 WB技術應用圖…………………………………………… 16 圖2-4 感應器（Sensor）或微幫浦（Micro-pump）需要中空腔體之示意圖……………………………………………… 16 圖2-5 SOI可增加CMOS對α粒子導致軟錯的抵抗能力……… 17 圖2-6 (a) CMOS之寄生雙載子現象示意 ……………………… 18 (b)左圖為圖2-1(a)中所標示之pnpn結構，右圖為此 pnpn二極體之I-V曲線圖 ……………………………… 18 圖2-7 SIMOX示意圖…………………………………………… 19 圖2-8 BESOI示意圖…………………………………………… 19 圖2-9 ELTRAN示意圖…………………………………………… 20 圖2-10 Smart Cut示意圖………………………………………… 21 圖2-11 DeleCut示意圖………………………………………… 21 圖2-12 未經過Layer Transfer之PZT層長於Si晶圓上，與經過Layer Transfer之PZT於Si晶圓之截面圖，兩者變質層區域之差異………………………………………… 22 圖2-13 PZT Layer Transfer之流程示意圖…………………… 22 圖2-14 K-Y. Ahn, R. Stengl et al. 提出相接界面形成disintegrated amorphous layer……………………… 23 圖2-15 (a)TTV，（b）TIR，（c）Bow，（d）Warp………………… 24 圖2-16 (a)親水性鍵結（HL）鍵結機制…………………………… 25 (b)斥水性鍵結（HB）鍵結機制…………………………… 25 圖2-17 SOI截面殘留應力圖…………………………………… 26 圖2-18 (a)Schottky Barrier示意圖（接合前）………………… 27 (b)Schottky Barrier示意圖（接合後）………………… 27 圖2-19 (a)Schottky Barrier 順向偏壓示意圖……………… 28 (b)Schottky Barrier反向偏壓示意圖………………… 28 圖3-1 實驗流程………………………………………………… 42 圖3-2 預接合示意圖…………………………………………… 43 圖3-3 SOI MOSFET製作流程示意圖…………………………… 44 圖3-4 MOSFET 光罩圖…………………………………………… 48 圖3-5 Schottky Barrier Diodes製作流程示意圖…………… 49 圖3-6 Schottky Barrier Diodes光罩圖……………………… 51 圖3-7 陽極接合機示意圖……………………………………… 51 圖3-8 IR Photography 儀器示意圖 ………………………… 52 圖3-9 WDB拉伸測試量測法…………………………………… 53 圖3-10 刀刃插入WDB表面能量測法…………………………… 53 圖3-11 熱癒合實驗細部流程…………………………………… 54 圖3-12 曲率量測光學原理示意圖……………………………… 55 圖3-13 試片彎曲受力情形，(a)上層試片受壓應力，(b)上層試片受張應力……………………………………………… 55 圖3-14 光學系統示意圖………………………………………… 56 圖3-15 SOI MOSFET電流電壓量測示意圖……………………… 56 圖3-16 SOI MOSFET電容電壓量測示意圖，（a）方法一，（b）方法二…………………………………………………… 57 圖3-17 SOI Schotttky Barrier Diode電流電壓量測示意圖… 57 圖4-1 (100)矽晶圓之截面方位示意圖………………………… 82 圖4-2 截面200X之Nomarsky Phase Contract OM觀察……… （a）SPM-M1,ox.=1000Å，（b）SPM-M1,ox.=3500Å， （c）SPM-M2,ox.=1000Å，（d）SPM-M2,ox.=3500Å 83 圖4-3 截面500X之Nomarsky Phase Contract OM觀察……… （a） SPM-M1,No Oxide，（b）SPM-M2,No Oxide 83 圖4-4 截面2500X之SEM觀察…………………………………… （a）SPM-M1,ox.=1000Å，（b）SPM-M1,ox.=3500Å，（c）SPM-M2,ox.=1000Å，（d）SPM-M1,ox.=3500 84 圖4-5 截面3-DAFM影像………………………………………… （a）SPM-M1, No Oxide，（b）SPM-M2, No Oxide 84 圖4-6 Bonding Interface之示意圖…………………………… 85 圖4-7 截面50,000X之FESEM觀察……………………………… （a）SPM-M1,ox.=1000Å，（b）SPM-M1,ox.=3500Å， （c）SPM-M2,ox.=1000Å，（d）SPM-M2,ox.=3500Å 86 圖4-8 拉伸強度比較圖………………………………………… 87 圖4-9 刀刃插入晶圓對之連續IR Photography觀察………… (a) 0秒，（b）60秒，（c）120秒，（d）180秒，（e）240秒，（f）300秒，（g）360秒，（h）420秒，（i）450秒。 88 圖4-10 刀刃法中裂口長度對刀刃插入時間之關係圖………… 89 圖4-11 刀刃法量測表面能強度分佈圖………………………… 89 圖4-12 (a)親水性界面低溫結合示意圖………………………… (b)親水性界面高溫接合示意圖 90 圖4-13 (a)斥水性界面低溫接合示意圖………………………… (b)斥水性界面高溫接合示意圖 90 圖4-14 700℃熱處理，刀刃法裂口長度對刀刃插入時間關係圖，(a)第一次插刀，（b）第二次插刀…………………… 91 圖4-15 700℃熱處理前後IR觀察圖…………………………… （a）第一次熱處理前，（b）第一次熱處理後，（c）第二次熱處理前，（d）第二次熱處理後 92 圖4-16 900℃熱處理，刀刃法裂口長度對刀刃插入時間關係圖，（a）第一刀插刀，（b）第二刀插刀，（c）第三刀插刀………………………………………………………… 93 圖4-17 900℃熱處理前後IR觀察圖…………………………… （a）第一次熱處理前，（b）第一次熱處理後，（c）第二次熱處理前，（d）第二次熱處理後 94 圖4-18 1000℃熱處理，刀刃法裂口長度對刀刃插入時間關係圖，（a）第一刀插刀，（b）第二刀插刀，（c）第三刀插刀………………………………………………………… 95 圖4-19 1000℃熱處理前後IR觀察圖…………………………… （a）第一次熱處理前，（b）第一次熱處理後，（c）第二次熱處理前，（d）第二次熱處理後 96 圖4-20 WB試片二次退火，應力-溫度關係圖…………………… (a)SPM-M1,ox.=1000Å， (b)SPM-M1,ox.=3500Å， (c)SPM-M2,ox.=1000Å ，(d)SPM-M2,ox.=3500Å。 97 圖4-21 WDB試片應力變化示意圖……………………………… （a）第一次退火後，（b）上層矽晶圓薄化後，（c）900℃第二次退火後，（d）第二次退火降為室溫後 98 圖4-22 MOSFET Id-Vg關係圖……………………………………… (a)P Bulk，(b)SPM-M1,ox.=1000Å，(c)SPM-M1,ox.=3500Å，（d）SPM-M2,ox.=1000Å，(e)SPM-M2,ox.=3500Å 99 圖4-23 各種MOSFET試片Id-Vg關係圖…………………………… 100 圖4-24 MOSFET漏電流示意圖…………………………………… （a）Bulk MOSFET，（b）SOI MOSFET 101 圖4-25 電子流通於MOSFET結構示意圖………………………… 102 圖4-26 方法一量得之MOSFET元件電容電壓關係圖…………… （a）P Bulk，（b）SPM-M1, ox.=1000Å，（c）SPM-M1,ox.=3500Å，（d）SPM-M2，ox.=1000Å，（e）SPM-M2,ox.=3500Å。 103 圖4-27 方法一量得到各種MOSFET元件電容與電壓關係圖…… 104 圖4-28 方法二量得之MOSFET元件電容電壓關係圖…………… （a）P Bulk，（b）SPM-M1, ox.=1000Å，（c）SPM-M1,ox.=3500Å，（d）SPM-M2，ox.=1000Å，（e）SPM-M2,ox.=3500Å。 105 圖4-29 以方法二量得到各種MOSFET元件電容與電壓關係圖… 106 圖4-30 電容示意圖……………………………………………… (a)電容存在閘極與源極間，(b)反轉層形成，電容消失 107 圖4-31 Schottky Barrier Diode 元件電流電壓關係圖……… (a)N+ Bulk，(b)SPM-M1, ox.=1000Å，(c)SPM-M1,ox.=3500Å，(d)SPM-M2， ox.=1000Å，(e)SPM-M2,ox.=3500Å 108 圖4-32 各蕭特基元件電流電壓關係圖………………………… 109 圖4-33 金屬半導體接面存在表面能態………………………… (a)Φ0與費米能階未達平衡，(b）Φ0與費米能階達平衡 110 圖4-34 氧化層存在於金屬半導體接面之能階示意圖………… (a)厚氧化層，（b）薄氧化層 110

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