直接接合

直接接合（またはフュージョンボンディング）は、追加の中間層を必要としないウェーハ接合プロセスです。これは、様々な要件を満たすあらゆる材料の2つの表面間の化学結合に基づいています。 [1] これらの要件は、ウェーハ表面が十分に清浄で、平坦で、滑らかであることに規定されています。そうでない場合、接合されていない領域、いわゆるボイド、すなわち界面気泡が発生する可能性があります。[2]

任意の表面のウェーハの直接接合プロセスの手順は、

  1. ウェハ前処理、
  2. 室温での予備接着および
  3. 高温での焼きなまし。

ウェーハ接合技術としてのダイレクトボンディングはほぼすべての材料を処理できますが、シリコンは現在最も確立された材料です。そのため、この接合プロセスはシリコンダイレクトボンディングまたはシリコンフュージョンボンディングとも呼ばれます。シリコンダイレクトボンディングの応用分野としては、例えば、シリコン・オン・インシュレータ（SOI）ウェーハ、センサー、アクチュエータの製造などが挙げられます。[3]

概要

シリコン直接接合は、ファンデルワールス力、水素結合、強い共有結合などの分子間相互作用に基づいています。[2] 直接接合の初期の手順は、高いプロセス温度が特徴でした。いくつかの要因により、プロセス温度を下げることが求められています。その1つは、例えば、異なる熱膨張係数を持つ使用される材料の数が増えていることです。したがって、450℃未満の温度で安定した気密性の高い直接接合を実現することが目標です。そのため、ウェーハ表面活性化のためのプロセス、すなわちプラズマ処理や化学機械研磨（CMP）が検討されており、積極的に研究されています。[4] 450℃の上限は、バックエンドCMOSプロセスの制限と、適用された材料間の相互作用の始まりに基づいています。[5]

歴史

滑らかで研磨された固体表面の接着効果は、デサグリエ（1734）によって初めて言及されました。彼の発見は、2つの固体表面間の摩擦に基づいていました。表面の研磨が優れているほど、それらの固体間の摩擦は低くなります。彼が述べたこの記述は、特定の時点までしか有効ではありません。この時点を超えると、摩擦が増加し始め、固体表面は互いに接着し始めます。[6] シリコン直接接合の成功例の最初の報告は、1986年にJBラスキーらによって発表されました。[7]

従来の直接接合

親水性シリコン表面の模式図
疎水性シリコン表面の模式図

直接接合は、主にシリコンとの接合を指します。そのため、プロセス技術は、表面の化学構造に応じて親水性（親水性シリコン表面の図を参照）または疎水性（疎水性シリコン表面の図を参照）に分類されます。[6]

シリコンウェーハの表面状態は、水滴が形成する接触角によって測定できます。親水性表面の場合、優れた濡れ性に基づき接触角は小さく（5°未満）、疎水性表面の場合は接触角が90°を超えます。

親水性シリコンウェーハの接合

ウェーハ前処理

シリコンウェーハのウェーハ接合における接合波の発生と伝播の赤外線写真。（l）ウェーハは空気層によって分離されており、接合プロセスは上部ウェーハへの圧力によって開始されます。（m）接合波はエッジに動きます。（r）完全に接合されたウェーハペア。赤外線は反射しません。[8]

2枚のウェーハを接合する前に、これらの固体からパーティクル、有機物、イオン性汚染に起因する不純物を除去する必要があります。表面品質を低下させることなく清浄度を高めるために、ウェーハはプラズマ処理やUV/オゾン洗浄などのドライクリーニング、またはウェットケミカル洗浄工程を経ます。[2] 化学溶液の使用は、複数の段階を組み合わせます。確立された工業標準手順は、RCAによるSC（Standard Clean）精製です。これは2つの溶液で構成されています。

  • SC1（NH 4 OH（29％）+H 2 O 2（30％）+脱イオン水[ 1：1：5]）および
  • SC2（HCl（37％）+H 2 O 2（30％）+脱イオン水[ 1：1：6]）。

SC1は、70℃～80℃の温度で5～10分間、有機汚染物質およびパーティクルを除去するために使用され、SC2は80℃で10分間、金属イオンを除去するために使用されます。[9] その後、ウェーハは脱イオン水で洗浄されるか、または脱イオン水に浸漬されます。ウェーハ上には通常、配線や金属化システムが存在するため、実際の手順はアプリケーションやデバイスごとに調整する必要があります。[10]

室温での予備接着

親水性および疎水性接合ウェーハの表面エネルギーの図[2]

ウェハを接触させる前に、それらを位置合わせする必要があります。[1]表面が十分に滑らかであれば、結合波の赤外線写真に示されているように、ウェハは原子接触するとすぐに結合を開始します。

ウェーハは水分子で覆われているため、ウェーハの反対側の表面に化学吸着した水分子間で結合が起こります。その結果、Si-OH（シラノール）基の大部分が室温で重合反応を開始し、Si-O-Siと水を形成します。これにより、ウェーハ積層体の取り扱いに十分な接合強度が確保されます。形成された水分子は、アニール処理中に界面に沿って移動または拡散します。[8]

シ − おお + おお − シ → 重合 シ − お − シ + H 2 お {\displaystyle {\ce {{Si-OH}+ OH-Si ->[{\ce {重合}}] {Si-O-Si}+ H2O}}}
シ − おお + おお − シ → 遅い   骨折 シ − お − シ + H 2 お {\displaystyle {\ce {{Si-OH}+OH-Si->[{\ce {遅い~破壊}}]{Si-O-Si}+H2O}}}

空気中、特殊なガス雰囲気中、または真空中での仮接合後、ウェーハは接合強度を高めるためにアニール処理を受ける必要があります。アニール処理によって一定の熱エネルギーが供給され、より多くのシラノール基が相互に反応し、新たに非常に安定した化学結合が形成されます。形成される結合の種類は、供給されたエネルギー量または印加温度に直接依存します。結果として、アニール温度の上昇に伴い接合強度は向上します。[2]

高温での焼きなまし

室温から110℃の間では界面エネルギーは低いままで、水分子が結合界面で拡散し、転位を引き起こし、より多くの水素結合を形成します。110℃から150℃の温度では、シラノール基はシロキサンと水に重合しますが、同時にゆっくりとした破壊も起こります。この反応は熱力学的平衡に等しく、シラノール基の密度が高いほどシロキサンの数が多くなり、結合強度が増加します。

シ − おお + シ − おお ↽ − − ⇀ シ − お − シ + HOH {\displaystyle {\ce {{Si-OH}+ Si-OH <=> {Si-O-Si}+ HOH}}}

すべての OH 基が重合され、複合強度が一定になるまで、150 °C と 800 °C の間の界面ではそれ以上のプロセスは観察されません。

800℃を超えると、自然酸化膜は粘性を示し、界面で流動し始め、接触面積が増加します。そのため、界面にトラップされた水素分子の拡散が促進され、界面ボイドのサイズが縮小するか、完全に消滅する可能性があります。アニール処理は、ウェーハスタックの冷却によって終了します。[8]

界面エネルギーは、自然酸化膜が存在する場合800℃で2 J ⁄ m 2以上、 またウェーハが熱酸化膜で覆われている場合は1000℃で2 J ⁄ m 2以上まで増加します（表面エネルギーの図を参照）。一方のウェーハに熱酸化膜層があり、もう一方のウェーハが自然酸化膜で覆われている場合、表面エネルギーの変化は、両方が自然酸化膜で覆われているウェーハペアの場合と同様です。[2]

疎水性シリコンウエハの接合

ウェーハ前処理

疎水性表面は、プラズマ処理、またはフッ化水素（HF）やフッ化アンモニウム（NH 4 F）などのフッ化物含有エッチング溶液によって自然酸化膜が除去されると生成されます。このプロセスは、露出したシリコン原子のSi-F結合の形成を促進します。疎水性結合を得るには、リンスやスピン乾燥などによる再親水化を避けることが重要です。なぜなら、Si-F結合は水と接触するとSi-OH結合を形成するからです。[1]

室温での予備接着

接合前、表面は水素原子とフッ素原子で覆われています。室温での接合は、主にこれらの水素原子とフッ素原子間のファンデルワールス力に基づいています。親水性表面との接合と比較して、接触直後の界面エネルギーは低くなります。この事実から、未接合領域を防ぎ、ウェーハ間の全面的な接触を実現するために、より高い表面品質と清浄度が求められます（接合波の赤外線写真と比較）。[1]親水性表面との接合と同様に、接合前の処理の後にはアニール処理が行われます。

高温での焼きなまし

室温から150℃までは、重要な界面反応は起こらず、表面エネルギーは安定している。150℃から300℃の間では、より多くのSi-FH-Si結合が形成される。300℃を超えると、ウェーハ表面から水素とフッ化物が脱離し、余分な水素原子がシリコン結晶格子内または界面に沿って拡散する。その結果、対向する表面間にSi-Si共有結合が形成され始める。700℃でSi-Si結合への移行が完了する。[11] 結合エネルギーはバルクシリコンの凝集力に達する（表面エネルギーの図を参照）。[2]

低温直接接合

直接接合は多くの材料を処理する際に非常に柔軟性が高いが、異なる材料を使用した場合のCTE（熱膨張係数）の不一致は、特に直接接合の高いアニール温度において、ウェハレベルの接合にとって大きな制約となる。[8]

研究の焦点は親水性シリコン表面に置かれています。結合エネルギーの増加は、シラノール基（Si-OH）がシロキサン基（Si-O-Si）に変換されることによって生じます。表面の密着を確立するには、まず界面から水を除去する必要があるため、水の拡散が制限要因として挙げられます。問題は、水分子が既に形成されたシロキサン基（Si-O-Si）と反応する可能性があるため、全体的な接着エネルギーが弱まることです。[2]

前処理済みのウェハや複合材料を接合する場合、望ましくない変化や分解を防ぐため、低温での接合が重要です。必要なアニール温度の低減は、以下のような様々な前処理によって実現できます。

  • プラズマ活性化接合
  • 表面活性化接合
  • 超高真空（UHV）
  • 化学機械研磨（CMP）による表面活性化
  • 化学的活性化を実現するための表面処理：
    • 加水分解テトラアルコキシシラン Si(OR) 4
    • 加水分解テトラメトキシシラン Si(OCH 3 ) 4
    • 硝酸HNO 3

さらに、研究により、以下の条件に基づいてウェーハ前処理を行うことで、疎水性表面のアニール温度を低くできることがわかっています。

  • As +移植
  • B 2 H 6またはArプラズマ処理
  • Siスパッタ堆積

例

この技術は、加速度計、マイクロバルブ、マイクロポンプなどのマルチウェーハマイクロ構造の製造に使用できます。

技術仕様

材料
  • シ
  • SiO2​
  • ガラス基板
  • タンタル酸リチウム（LiTaO 3）
  • ステンレス鋼
温度
  • 従来型: < 1200 °C
  • 低温：200～400℃
利点
  • 高い接着強度
  • 高温安定性
  • 半導体技術へのプロセス互換性
  • 真空中または異なる大気ガス中での接合
欠点
  • 表面形状における高い基準
  • 粗さの基準が高い
研究
  • ハイブリッド結合（金属結合とSFBを同時に）
  • T < 200 °Cでの接合
  • 前処理を含む完全な乾燥プロセス

参考文献

  1. ^ abcd J. バグダーン (2000)。Festigkeit und Lebensdauer direct gebondeter Siliziumwafer unter mechanischer Belastung (論文)。マルティン・ルター・ハレ・ヴィッテンベルク大学。
  2. ^ abcdefgh A. PlösslとG. Kräuter (1999). 「ウェーハ直接接合：脆性材料間の接着力の最適化」.材料科学と工学. 25 ( 1–2 ): 1–88 . doi :10.1016/S0927-796X(98)00017-5.
  3. ^ M. ヴィーマー、J. フレーメル、T. ゲスナー (2003)。 「Bereich Waferbonden における技術トレンド」。 W. Dötzel (編) 所収。6. Chemnitzer Fachtagung Mikromechanik & Mikroelektronik。 Vol. 6. ケムニッツ工科大学。178～ 188ページ 。
  4. ^ D. Wünsch、M. Wiemer、M. Gabriel、T. Gessner (2010). 「誘電体バリア放電を用いたマイクロシステム向け低温ウェーハ接合」MSTニュース第1巻 第10号 24～ 25頁
  5. ^ PR Bandaru、S. Sahni、E. Yablonovitch、J. Liu、H.-J. Kim、Y.-H. Xie (2004). 「シリコンベースフォトニクス向け低温（< 450 °C）成長p-Ge/n-Si光検出器の製造と特性評価」. Materials Science and Engineering . 113 (1): 79– 84. doi :10.1016/j.mseb.2004.07.007.
  6. ^ ab S. マック (1997)。Eine vergleichende Unter suchung der physikalisch-chemischen Prozesse an der Grenzschicht direkt und ananodischer verbundener Festkörper (論文)。イェーナ、ドイツ: VDI Verlag / Max Planck Institute。ISBN 3-18-343602-7。
  7. ^ JB Lasky (1986). 「シリコン・オン・インシュレータ技術のためのウェーハボンディング」.応用物理学レターズ. 48 (1): 78– 80. Bibcode :1986ApPhL..48...78L. doi :10.1063/1.96768.
  8. ^ abcd Q.-Y. TongとU. Gösele (1998). The Electrochemical Society (ed.). Semiconductor Wafer Bonding: Science and Technology (第1版). Wiley-Interscience. ISBN 978-0-471-57481-1。
  9. ^ G. GerlachとW. Dötzel (2008). Ronald Pething編.マイクロシステム技術入門：学生向けガイド (Wiley Microsystem and Nanotechnology) . Wiley Publishing. ISBN 978-0-470-05861-9。
  10. ^ RF WolffenbuttelとKD Wise (1994). 「共晶温度における金を用いた低温シリコンウェーハ対ウェーハ接合」. Sensors and Actuators A: Physical . 43 ( 1– 3): 223– 229. doi :10.1016/0924-4247(93)00653-l. hdl : 2027.42/31608 .
  11. ^ Q.-Y. Tong、E. Schmidt、U. Gösele、M. Reiche (1994). 「疎水性シリコンウェハ接合」.応用物理学論文集. 64 (5): 625– 627. Bibcode :1994ApPhL..64..625T. doi :10.1063/1.111070.
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