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研究生:王品然
研究生(外文):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:胡塵滌胡塵滌引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:國立清華大學
系所名稱:材料科學工程學系
學門:工程學門
學類:材料工程學類
論文種類:學術論文
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
參考文獻
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