臺灣博碩士論文加值系統

本論文藉由晶圓接合方法將鈮酸鋰鐵電材料與矽基板或表面鍍HfO2中間層之矽基板接合，再將鈮酸鋰晶圓薄化後，製作類似FeRAM結構，以及矽晶圓與矽晶圓表面分別使用射頻磁控和直流磁控兩方法鍍鐵薄層後將兩矽晶圓接合，並探討其差異。
利用晶圓接合方法將鈮酸鋰鐵電材料與矽基板接合，Z-cut鈮酸鋰與矽晶圓接合強度較Y-cut鈮酸鋰與矽晶圓接合強度來的強，將鈮酸鋰薄化後量測到微弱的鐵電性質；利用表面鍍HfO2中間層之矽晶圓未經過900℃退火結晶，施予電漿活化有部分接合區域產生。表面鍍HfO2中間層之矽晶圓經過900℃退火結晶3min後，因為表面粗糙度的過大而接合失敗；利用直流磁控濺鍍機在矽晶圓上鍍予鐵薄層後，由於表面的粗糙度太大無法直接接合。射頻磁控濺鍍機鍍予鐵薄層的矽晶圓直接接合可觀察到部分接合區域產生，但在試片表面上無法偵測到鐵元素，應為活化效果所造成。

目 錄

第一章 前 言 1
第二章 文獻回顧 3
2-1. 晶圓接合 (Wafer Bonding, WB) 的簡介與機制 3
2-2. 晶圓接合之歷史回顧 4
2-3. 晶圓接合的應用 5
2-3-1. 積體電路 (IC) 上的應用 5
2-3-2. 微機電系統 (MEMS) 上的應用 7
2-3-3. P-N junction 的應用 7
2-3-4. 異質接合的應用 8
2-3-5. 其他方面的應用 10
2-4. 異質晶圓接合的優點 10
2-5. 表面活化接合製程 11
2-6. 鈮酸鋰的簡介 12
第三章 實驗程序 32
3-1. 電漿活化接合 (Plasma Activated Bonding) 32
3-1-1. 晶圓表面清洗 (Wafer Surface Bonding) 步驟 33
3-1-2. 晶圓表面活化處理 (Wafer Surface Activation) 33
3-1-3. 接合及退火流程 34
3-1-4. 鈮酸鋰薄化 34
3-1-5. 下電極的製備 35
3-1-6. 上電極的製備 35
3-2. 旋塗high K中間層接合 35
3-2-1. HfO2的製備 36
3-2-2. 晶圓表面清洗 (Wafer Surface Cleaning) 步驟 36
3-2-3. 鍍膜流程 36
3-2-4. 晶圓清洗 37
3-2-5. 晶圓表面活化處理 (Wafer Surface Activation) 37
3-2-6. 接合流程 37
3-3. 俱中間鍍鐵薄層接合 38
3-3-1. 晶圓表面清洗 (Wafer Surface Cleaning) 步驟 39
3-3-2. 鍍鐵層 39
3-3-3. 接合流程 40
3-4. 接合狀態觀察 40
3-5. 接合強度測試 41
3-6. 截面觀察 41
3-6-1. 接合截面觀察 41
3-6-2. 鈮酸鋰研磨後截面觀察 42
3-7. X光光電子發射能譜量測 42
3-8. 原子力顯微鏡 (Atomic Force microscopy, AFM) 43
3-9. 歐傑電子能譜儀（Auger Electron Spectrometer, AES） 44
3-10. 電性量測 45
3-10-1. P-E 電滯曲線 45
3-10-2. 電流密度與外加電場之關係(J vs E) 45
第四章 結果與討論 54
4-1.電漿活化接合 54
4-1-1. 接合結果觀察 54
4-1-2. 拉伸測試結果 54
4-1-3. 接合截面觀察 55
4-1-4. 不同退火溫度拉伸測試結果 55
4-1-5. 鈮酸鋰研磨後截面觀察 57
4-1-6. 電性量測實驗 57
4-2.旋塗high K中間層接合 57
4-2-1. 接合結果觀察 57
4-2-2. 原子力顯微鏡分析 58
4-2-3. X光光電子發射能譜量測 59
4-2-4. 歐傑電子能譜儀分析 59
4-3. 俱中間鍍鐵薄層接合 59
4-3-1. 接合結果觀察 59
4-3-2. X光光電子發射能譜量測 60
4-3-3. 歐傑電子能譜儀分析 60
4-3-4. 原子力顯微鏡分析 60
第五章 結 論 79
參 考 文 獻 81

表 目 錄

表2-1. 各種材料對其自身或Quartz Glass或親水性的矽晶圓之間接合的比較 15
表3-1. 鋁底電極的鍍膜條件 46
表3-2. 白金上電極的鍍膜條件 47
表4-1. 150W， 2min電漿活化接合結果 62
表4-2. 鈮酸鋰-矽晶圓對切割後照片、拉伸強度、拉伸曲線 63
表4-2. 鈮酸鋰-矽晶圓對切割後照片、拉伸強度、拉伸曲線(續) 64

















圖 目 錄

圖2-1. 兩平面間的三種作用力 16
圖2-2. 以紅外線照相技術觀測晶圓鍵結區域之擴展過程(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 16
圖2-3. 以WB 技術接合之晶圓對示意圖。上層為應用於元件上的active wafer ，下層為提供支撐作用的handle wafer 17
圖2-4. K.-Y. Ahn, R. Stengl等人提出相接界面形成 disintegrated amorphous layer 17
圖2-5. 晶圓接合的各種應用 18
圖2-6. Bulk及薄膜 SOI所製作之 MOSFET ，於長通道及短通道時的空乏區分部示意圖。 19
圖2-7. Bulk 及薄膜(100 nm) SOI 所製作之 n-channelMOSFET ，臨界電壓與通到長度之關係圖 19
圖2-8. SOI可增加CMOS對α粒子導致軟錯的抵抗力 20
圖2-9. (a) CMOS之寄生雙載子現象示意圖：橢圓圈出之直立式p-n-p雙載子電晶體 (bipolar transistor) 與方形所圈出的橫向式n-p-n雙載子電晶體，造成一p-n-p-n二極體，如(b)所示，此即為CMOS中之寄生雙載子。(b) 左圖為 (a) 中所標示之p-n-p-n結構，右圖為此 p-n-p-n二極體之電流I-電壓V曲線圖 21
圖2-10. 感應器 (Sensor) 或微幫浦 (Micro-pump) 之中空腔體示意圖 22
圖2-11. 光偵測器 (p-i-n photodetector) 結構示意圖 22
圖2-12. 以GaN與ZnSSe接合製作出發光二極的結構示意圖 23
圖2-13. 左圖為未經過 layer transfer之PZT層長於Si晶圓上，右圖為經過layer transfer之PZT於Si晶圓之截面圖，可以發現兩圖所顯示的變質層區域大小相差很多 23
圖2-14. 以LiNbO3與LiTaO3製作出的光波導截面圖 24
圖2-15. (a) 為Bi4Ti3O12以化學反應沈積在Si基板上的截面圖， (b) 則是以接合的方式將Bi4Ti3O12接合在Si基板上的截面圖，其Bi4Ti3O12與Si的界面很平整 24
圖2-16. Ar原子束活化及接合兩用真空腔示意圖 25
圖2-17. 經N2、Ar、O2電漿及未活化的試片經過373~673 K退火2小時後，接合表面能強度比較曲線圖 26
圖2-18. LNO鈮酸鋰晶體物理座標系 27
圖2-19. 鈮酸鋰晶格常數與溫度的關係圖 28
圖2-20. 鈮酸鋰氧八面體之層狀結構圖 28
圖2-21.（a）沿C軸的氧八面體空間立體分佈直觀示意圖（b）六角晶系座標 29
圖2-22. 鈮酸鋰晶體結構示意圖 29
圖2-23. 鈮酸鋰六方晶系座標轉換為表示張力的，x、y、z座標的示意圖 30
圖2-24. 鈮酸鋰單晶切割方向的示意圖 31
圖3-1. HfO2的製備流程圖 48
圖3-2. 鍍膜流程圖 48
圖3-3. 鈮酸鋰-矽晶圓對觀察圖，A區域為兩晶圓緊密接合、中間間隙非常小的區域，呈現深黑色；B區域為兩晶圓中間間隙有若干距離或接合不好的區域，呈現白色 49
圖3-4. IR photography儀器示意圖 50
圖3-5. 拉伸測試實驗示意圖 51
圖3-6. 簡單的原子力顯微鏡示意圖 52
圖3-7. 簡單的原子力顯微鏡示意圖及光束偏斜機制作用原理 52
圖3-8. RT66A 鐵電測試系統之測量單元等效電路圖 53
圖3-9. RT66A 疲勞測試期間極化量測試所使用之脈波序列 53
圖4-1. 鈮酸鋰與矽晶圓對拉伸試驗斷裂面觀察圖 65
圖4-2. 以掃瞄式電子顯微鏡觀察150 W電漿活化2分鐘接合鈮酸鋰與矽晶圓對界面附近截面 65
圖4-3. 不同溫度下退火1小時鈮酸鋰與矽晶圓對之拉伸強度(a)Z-cut LNO/Si(b) Z-cut LNO/Si與Y-cut LNO/Si之比較………….....66
圖4-4. 兩種鈮酸鋰與矽晶圓接合面之熱膨脹係數(a)Z-cut 鈮酸鋰 (b)Y-cut 鈮酸鋰 67
圖4-5. 兩種鈮酸鋰與矽晶圓接合面間彼此之熱膨脹差百分比 68
圖4-6. OM下量測接合後晶圓對之截面厚度 68
圖4-7. OM下量測鈮酸鋰薄化後晶圓對之截面厚度 69
圖4-8. OM下量測鈮酸鋰薄化後晶圓對之截面厚度 69
圖4-9. 由標準化鐵電特性測試系統(Standardized Ferroelectric Test System; RT66A)量測接合並且薄化後鈮酸鋰之電滯曲線 70
圖4-10. HP4145B pA meter/dc voltage source 來量測接合並且薄化後鈮酸鋰之電流密度與外加電壓的關係 70
圖4-11. 矽晶圓表面鍍HfO2中間層未經過900℃退火結晶與鈮酸鋰接合狀態之觀察結果 71
圖4-12. 矽晶圓表面鍍HfO2中間層經過900℃退火結晶3min後與鈮酸鋰接合狀態之觀察結果 71
圖4-13. 原子力顯微鏡觀察表面鍍HfO2中間層未經過900℃退火結晶之矽晶圓表面結構:(a)表面,(b)立體3D 72
圖4-14. 原子力顯微鏡觀察表面鍍HfO2中間層經過900℃退火結晶3min之矽晶圓表面結構:(a)表面,(b)立體3D 72
圖4-15. 原子力顯微鏡觀察接合後分離的矽晶圓表面結構(表面鍍HfO2 中間層未經過900 ℃退火結晶):(a)表面,(b)立體3D 73
圖4-16. 線a為表面鍍HfO2中間層未經過900℃退火結晶之矽晶圓經由X光光電子發射能譜量測結果；線b為表面鍍HfO2中間層經過900℃退火結晶3min之矽晶圓經由X光光電子發射能譜量測結果 73
圖4-17. 表面鍍HfO2中間層未經過900℃退火結晶之矽晶圓經由歐傑電子能譜儀分析結果 74
圖4-18. 表面鍍HfO2中間層經過900℃退火結晶3min 之矽晶圓經由歐傑電子能譜儀分析結果 74
圖4-19. 利用紅外線照相觀察，經射頻磁控濺鍍機鍍鐵中間層的矽晶圓與矽晶圓接合狀態之結果 75
圖4-20. 線a為射頻磁控濺鍍機鍍鐵的矽晶圓經由X光光電子發射能譜量測結果；線b為直流磁控濺鍍機鍍鐵的矽晶圓經由X光光電子發射能譜量測結果 75
圖4-21. 射頻磁控濺鍍機鍍鐵的矽晶圓經由歐傑電子能譜儀分析結果，沒有發現鐵元素存在 76
圖4-22. 直流磁控濺鍍機鍍鐵的矽晶圓經由歐傑電子能譜儀分析結果，發現鐵元素存在 76
圖4-23. 直流磁控濺鍍機鍍鐵的矽晶圓經由歐傑電子能譜儀分析結果，縱深分析速度為2nm/min 77
圖4-24. 原子力顯微鏡觀察經由電漿活化後之矽晶圓表面結構:(a)表面(b)立體3D 77
圖4-25. 原子力顯微鏡觀察經由射頻磁控濺鍍機鍍上鐵層的矽晶圓表面結構: (a)表面 (b)立體3D 78
圖4-26. 原子力顯微鏡觀察經由直流磁控濺鍍機鍍上鐵層的矽晶圓表 面結構: (a)表面 (b)立體3D 78

1.Jan Haisma and G.A.C.M. Spierings, “Contact bonding, including direct-bonding in a historical and recent context of materials science and technology, physics and chemistry-Historical review in a broader scope and comparative outlook”, Materials Science and Engineering R37, pp. 1-60 (2000)
2.Roger G. Horn, “Surface Forces and Their Action in Ceramic Materials”, J. Am. Ceram. Soc. 73 (5), pp. 1117-1135 (1990)
3.Kai-Tak Wan, Douglas T. Smith and Brain R. Lawn, “Fracture and Contact Adhesion Energies of Mica-Mica, Silica-Silica, and Mica-Silica Interfaces in Dry and Moist Atmospheres”, J. Am. Ceram. Soc. 75, pp. 667-676 (1992)
4.J.B. Lasky, S.R. Stiffler, F. R. White and J. R. Abernathey, IEDM Tech. Dig., 648 (IEEE, New York, 1985)
5.J.B. Lasky, “Wafer bonding for silicon-on-insulator technologies”, Appl. Phys. Lett. 48, pp. 78-80 (1986)
6.M. Shimbo, K. Furukawa, K. Furuda, K. Tanzawa, “Silicon-to-silicon direct bonding method”, J. Appl. Phys. 60(8), pp. 2987-2989 (1986)
7.Q.-T. Tong, X.-L. Xu, and H. Shen, “Diffusion and oxide viscous flow mechanism in SDB process and silicon wafer rapid thermal bonding”, Electronics Letters 26, pp. 697-699 (1990)
8.K.-Y. Ahn, R. Stengl, T. Y. Tan, U. Gösele, “Stability of interfacial oxide layers during silicon wafer bonding”, J. Appl. Phys. 65, pp. 561-563 (1989)
9.H. Takagi, R. Maeda, T. R. Chung, and T. Suga, “Low-temperature direct bonding of silicon and silicon dioxide by surface activation method”, Sensors and Actuators A 70, pp. 164-170 (1998)
10.James B. Kuo and Ker-Wei Su, “CMOS VLSI ENGINEERING: Silicon-on-insulator (SOI)”, Kluwer Academic Publishers, pp. 1-11 (1998).
11.Jean-Pierre Colinge, “Silicon-On-Insulator Technology :Materials to VLSI”, pp. 136-138(1997)
12.Martin A. Schmidt, “Wafer-to-Wafer Bonding for Microstructure Formation”, Proceedings of the IEEE 86(8), pp. 1575-1585 (1998)
13.T. Suni, K. Henttinen, A. Lipsanen. J. Dekker, H. Luoto, and M. Kulawski, “Wafer Scale Packaging of MEMS by Using
Plasma-Activated Wafer Bonding”, Journal of The Electrochemical Society, 153 (1) G78-G82 (2006)
14.Niclas Keskitalo, Stefan Tiensuu, Anders Hallen, “Characterization of hydrophobic bonded silicon wafers”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 186, pp. 66-70 (2002)
15.Q.-T. TONG and U. GÖSELE, “SEMICONDUCTOR WAFER BONDING : SCIENCE AND TECHNOLOGY”, John Wiley & Sons Inc. (1999)
16.T.R. Chung, L.Yang, N.Hosoda, B.Takagi, T.Suga, “Wafer direct bonding of compound semiconductors and silicon at room temperature by the surface activated bonding method”, Appl. Surf. Sci. 117-118, pp. 808-812 (1997)
17.T.R. Chung, L. Yang, N. Hosoda, T. Suga, “Room temperature GaAs-Si and InP-Si wafer direct bonding by the surface activated bonding method”, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B 121, pp. 203-206 (1997)
18.Donato Pasquariello, Martin Camacho, Klas Hjort, László Dózsa, Béla Szentpáli, “Evaluation of InP-to-silicon heterobonding”, Materials Science and Engineering B 80, pp. 134-137 (2001)
19.V. Lehmann, K. Mitani, R, Stengl, T. Mii and U. Gösele, “Bubble-Free Wafer Bonding of GaAs and InP on Silicon in a Microcleanroom”, Jap. J. Appl. Phys. 28, pp. L2141-L2143 (1989)
20.F.A. Kish, F.M. Steranka, D.C. DeFevere, D.A. Vanderwater, K.G. Parker, C.P. Kuo, T.D. Osentowski, M.J. Peanasky, J.G. Yu, R.M. Fletcher, D.A. Steigerwald, M.G. Craford, V.M. Robbins, “Very high-efficiency semiconductor wafer-bonded transparent-substrate (AlxGa1-x)0.5In0.5P/GaP light-emitting diodes”, Appl. Phys. Lett. 64, pp. 2839-2841 (1994)
21.B.F. Levine, A.R. Hawkins, S. Hiu, B.J. Tseng, C.A. King, L.A. Gruezke, R. W. Johnson, D. R. Zolnowski, and J. E. Bowers, “20 GHz high performance planar Si/InGaAs p-i-n photodetector”, Appl. Phys. Lett. 70 (18), pp. 2449-2451 (1997)
22.J.H. Wang, M.S. Jin, V.H. Ozguz, S.H. Lee, “N-channel metal-on- semiconductor transistors fabricated in a silicon film bonded onto sapphire”, Appl. Phys. Lett. 64, pp. 724-726 (1994)
23.Akihiko Murai, Lee McCarthy, Umesh Mishra, Steven P. DenBaars, Carsten Kruse, Stephan Figge and Detlef Hommel, “Wafer Bonding of GaN and ZnSSe for Optoelectronic Applications”, Jap. J. Appl. Phys. 43, pp. L1275-L1277 (2004)
24.Yoshihiro Tomita, Masato Sugimoto, and Kazuo Eda, “Direct bonding of LiNbO3 single crystals for optical waveguides”, Appl. Phys. Lett. 66, 1484 (1995)
25.K. Eda, M. Sugimoto, Y. Tomita, “Direct heterobonding of lithium niobate onto lithium tantalate”, Appl. Phys. Lett. 66, pp. 827-828 (1995)
26.Martin Alexe, Gerhard Kästner, Dietrich Hesse, and Ulrich Gösele, “Ferroelectric-semiconductor heterostructures obtained by direct wafer bonding”, Appl. Phys. Lett. 70, pp. 3416-3418 (1997)
27.Q.-Y. Tong, R. Gafiteanu, U. M. Gösele, “Reversible Silicon Wafer Bonding for Surface Protection: Wafer-Enhanced Debonding”, J. Electrochem. Soc. 139, pp. L101-L102 (1992)
28.H. Takagi, K. Kikuchi, R. Maeda, T. R. Chung and T. Suga, “Surface activated bonding of silicon wafers at room temperature”, Appl. Phys. Lett. 68 (16), pp. 2222-2224 (1996)
29.Hideki Takagi, Ryutaro Maeda, Teak Ryong Chung, Naoe Hosoda and Tadatomo Suga, “Effect of Surface Roughness on Room-Temperature Wafer Bonding by Ar Beam Surface Activation”, Jpn. J. Appl. Phys. 37, pp. 4197-4293 (1998)
30.Hideki Takagi, Ryutaro Maeda, Naoe Hosoda and Tadatomo Suga, “Room-Temperature Bonding of Si Wafers to Pt Films on SiO2 or LiNbO3 Substrates Using Ar-Beam Surface Activation”, Jpn. J. Appl. Phys. 38, pp. L1559-L1561 (1999)
31.Hideki Takagi, Ryutaro Maeda, Tadatomo Suga, “Wafer-scale spontaneous bonding of silicon wafers by argon-beam surface activation at room temperature”, Sensors and Actuators A 105, pp. 98- 102 (1997)
32.T. Suni, K. Henttinen, I. Suni and J. Mäkinen, “Effects of Plasma Activation on Hydrophilic Bonding of Si and SiO2”, J. Electrochem. Soc. 149, pp. G348-G351 (2002)
33.Xuanxiong Zhang and Jean-Pierre Raskin, “Low-temperature Wafer Bonding - Optimal O2 Plasma Surface Pretreatment Time”, Electrochemical and Solid-State Letters 7(8), pp. G172-G174 (2004)
34.W.H. Zachariasen, Skr. Norske Vid-Ada, Oslo, Mat. Naturv. No.4 (1928)
35.B.T. Matthias and J.P. Remeika, “Ferroelectricity in the illmenite structure”, Phys. Rev., 76 (1949) 1886.
36.A.A. Ballman, “Growth of piezoelectric and ferroelectric materials by the Czochralski technique”, J. Am. Ceram. Soc., 48 (1965) 112.
37.S.C. Abrahams, J.M. Reddy and J.L. Bernstein, “Ferroelectric lithium niobate. 3. Single crystal X-ray diffraction study at 24℃”, J. Phys. Chem. Solids, 27 (1966) 997.
38.S.C. Abrahams, W.C. Hamilton and J.M. Reddy, “Ferroelectric lithium niobate. 4. Single crystal neutron diffraction study at 24℃”, J. Phys. Chem. Solids, 27 (1966) 1013.
39.S.C. Abrahams, H.J. Levinstein and J.M. Reddy, “Ferroelectric lithium niobate. 5. Polycrystal X-ray diffraction study between 24℃and 1200℃”, J. Phys. Chem. Solids, 27 (1966) 1019.
40.H.D. Megaw, “A note on the structure of lithium niobate”, Acta Crystallogr., A24 (1968) 583.
41.S.C. Abrahams and P. Marsh, “Defect structure dependence on composition in lithium niobate”, Acta Crystallogr., B42 (1986) 61.
42.P.K. Gallagher, H.M. O’Bryan, “Characterization of LiNbO3 by dilatometry and DTA”, J. Am. Ceram. Soc., 68 (1985) 147.
43.A. Yariv and P. C. Yeh, “Optical Waves in Crystal”, John Wiley& Sons, Inc. 1984.
44.R.S. Weis and T.K. Gaylord, “ Lithium Niobate: Summary of Physical Properties and Crystal Structure ”, Appl. Phys. A 37, pp. 191-203 (1985)
45.馮端 主編，“固態物理學大辭典”，建宏出版社 (1998)
46.M.M.R. Howlader, Tadatomo Suga and Moon J. Kim, “A Novel Bonding Method for Ionic Wafers”, IEEE Transactions Advanced Packaging , Nov.2007 Page(s):598-604
47.賴欣怡，國立清華大學材料科學與工程研究所碩士論文，“晶圓直接接合製程物理及化學機制討論”，民國九十二年六月。