硅－硅直接键合工艺机理和模拟的研究

硅-硅直接键合技术是一项重要的技术，可广泛应用于SOI、MEMS和大功率器件。对于大功率器件，由于键合界面通过大电流并要承受高压，界面的杂质分布、界面本征氧化层、空洞等对器件的击穿电压、串联电阻等电学性能有很大的影响，要求杂质分布陡、无界面本征氧化层和空洞。所以，用于大功率器件的疏水硅-硅直接键合技术是要求、难度、也是非常重要的键合技术之一，具有重要的研究意义。

本论文的研究工作是围绕大功率器件的硅-硅直接键合技术展开的：研究键合工艺机理以消除界面空洞，研究工艺模型以模拟键合过程中杂质分布和对键合技术制备高压大功率p-i-n二极管的研究。

首先，研究了硅-硅直接键合技术的工艺机理，提出了高温退火的“开合”过程。通过大量的实验和理论分析发现，在高温（900℃以上）退火的过程中，键合界面应该有一个时间很短的“开合”过程，这个过程与键合界面空洞的产生机制密切相关，如果“开合”过程不充分，键合界面就会产生空洞，并且不容易消除。

其次，研究了硅-硅直接键合工艺模型，主要进行了三方面的研究工作：（1）硅-硅直接键合的杂质分布，包括了退火温度、退火时间、杂质浓度和类型、界面本征氧化层等影响杂质分布的因素，提出了杂质在不同材料中扩散的“积累”或“抽取”效应；（2）硅-硅直接键合界面应力分布，包括了室温预键合时的弹性应力、高温退火的热应力和粘滞应力和界面气泡和颗粒引起的附加应力；（3）硅-硅直接键合的键合强度，主要受退火温度和时间等因素影响。其中杂质分布是研究的重点内容。在研究工艺机理和工艺模型的基础上，用Matlab软件编写相应的模拟软件，为设计键合工艺条件提供重要的理论依据。

，研究了键合技术制备高压大功率p-i-n二极管的疏水键合技术，与外延技术相比较，键合技术有独特的优势：杂质分布陡、N^-或P^-层缺陷密度小、少子寿命长、串联电阻小。经过流片实验证明，键合衬底制备的高压p-i-n二极管的电学性能明显优于外延衬底。另外，为了避免界面的缺陷对器件性能的影响，对键合工艺进行改进，利用反外延技术和硅-硅直接键合技术制备SOI衬底的优点，提出了一种新结构的衬底，能够成为高压大功率p-i-n二极管更好的衬底材料。

通过深入的理论研究和大量的实验，已经形成了一套成熟的键合技术工艺程序，研制出完全没有空洞的键合硅片，实际测量的杂质分布与模拟的结果相符合，并且970厂用我们的键合硅片研制的高压大功率p-i-n二极管的性能明显优于他们原来的外延片。