In-situ sputtering for advanced semiconductor wafer bonding with different ion species

Abstract

With the development in microelectronics over the last 40 years, the importance of wafer bonding processes has increased remarkably. Wafer bonding provides benefits like sealing and encapsulating devices on the wafer surface for ensuring protection against environmental influences, as well as the integration of elements with different technologies and materials. The increasing applications of wafer bonding in industry and the consequent higher demands led, among others, to the development of the ComBond® high vacuum wafer bonding technology. The method of this technology is based on the concept of surface oxide removal due to ion irradiation before bonding. This master thesis was conducted with the goal of getting an expanded understanding of the underlying physical processes as well as gathering empirical data with the focus on different ion types for wafer processing.The effect of low energy ion treatment with different ion species on the amorphization process and on the wafer bonding energy was investigated. This investigation includes a series of experiments which were carried out on the ComBond® system at EV Group, using 200 mm silicon wafers. The gridded radio frequency ion source included in the system was operated with argon, krypton and xenon. The influence of ion type, angle of incidence, beam voltage and activation time on the amorphous layer thickness, the wafer temperature, the surface roughness, the bonding energy and the elemental composition at the bonded wafer interface was investigated. Single wafers were inspected by spectro- scopic ellipsometry and atomic force microscopy. Bonded wafer pairs were characterized by transmission electron microscopy including energy-dispersive X-ray spectroscopy and by the Maszara method using an infrared-station.

Mit der Entwicklung der Mikroelektronik in den letzten 40 Jahren ist die Bedeutung von Wafer-Bonding-Prozessen signifikant gestiegen. Das Waferbonden bietet Vorteile wie die Versiegelung und Verkapselung von Bauteilen auf der Waferoberfläche zum Schutz vor Umwelteinflüssen sowie die Integration von Elementen mithilfe unterschiedlicher Technologien und Materialien.Die zunehmenden Anwendungen des Waferbondens in der Industrie und die daraus resultierenden höheren Anforderungen führten unter anderem zur Entwicklung der ComBond®- Hochvakuum-Waferbond-Technologie. Die Methode dieser Technologie basiert auf dem Konzept der Oxidentfernung an der Oberfläche durch Ionenbestrahlung vor dem Bon- den. Diese Masterarbeit wurde mit dem Ziel durchgeführt, ein erweitertes Verständnis der zugrundeliegenden physikalischen Prozesse zu erlangen, sowie empirische Daten für die Waferverarbeitung mit dem Fokus auf verschiedenen Ionenarten zu sammeln.Untersucht wurde die Auswirkung niederenergetischer Ionenbehandlung mit verschiedenen Ionenarten auf den Amorphisierungsprozess und auf die Bondstärke der gebondeten Wafer. Dafür wurde eine Reihe von Experimenten an der ComBond®-Anlage bei EV Group unter Verwendung von 200 mm Siliziumwafern durchgeführt. Die in der Anlage enthaltene gitterbasierte Hochfrequenz-Ionenquelle wurde mit Argon, Krypton und Xenon betrieben. Der Einfluss der Ionenart, des Einfallswinkels, der Bescheunigungsspannung und der Aktivierungszeit wurde auf die Dicke der amorphen Schicht, die Wafertemperatur, die Oberflächenrauhigkeit, die Bindungsenergie und die elementare Zusammensetzung an der Grenzfläche des gebondeten Wafers untersucht. Einzelne Wafer wurden mit spektroskopischer Ellipsometrie und Rasterkraftmikroskopie untersucht. Gebondete Waferpaare wurden durch Transmissionselektronenmikroskopie einschließlich energiedispersiver Röntgenspektroskopie und mit der Maszara-Methode unter Verwendung einer Infrarotanlage charakterisiert.