書籍：《炬豐科技-半導體工藝》

文章：InP硅集成的均勻性研究

編號：JFKJ-21-486

作者：炬豐科技

摘要

? 在本文中，我們研究了直徑高達 150 mm 的晶圓級 III-V 外延通過 O2 等離子體轉(zhuǎn)移到絕緣體上硅襯底的均勻性。增強型低溫 (300°C) 直接晶圓鍵合。具有亞微米分辨率的掃描聲學顯微鏡證明了無空隙粘合。通過高分辨率 X 射線衍射 的所有鍵合尺寸中小且均勻分布的殘余應變，以及在鍵合界面采用兩周期 InP-InGaAsP 超晶格有助于改善 PL 響應. 高分辨率透射電子顯微鏡也驗證了多重量子阱完整性的保存。

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介紹

? 自從集成電路發(fā)明以來，半導體行業(yè)的不斷發(fā)展已經(jīng)產(chǎn)生了高質(zhì)量的鏡面拋光、平坦的大面積半用于低成本、大產(chǎn)量電子和光電生產(chǎn)的混合集成的有效方法。最近開發(fā)的混合硅平臺依賴于高質(zhì)量的基于 InP 的多量子阱 (MQW) 有源區(qū)域通過低溫直接晶圓鍵合轉(zhuǎn)移到絕緣體上硅 (SOI) 襯底 。整個鍵合區(qū)域的鍵合均勻性對于確保器件產(chǎn)量和性能均勻性非常重要，特別是對于具有不同熱膨脹系數(shù)的異種材料鍵合。在本文中，我們研究了直徑為 50、100 和 150 mm 的 InP 基生長外延層的直接鍵合均勻性轉(zhuǎn)移到 SOI 襯底上。感興趣的參數(shù)，包括界面空隙、應變、光致發(fā)光 (PL) 響應和鍵合界面的分布，通過高分辨率掃描聲學顯微鏡 (SAM)、X 射線衍射 (XRD) 晶圓映射、PL 晶圓映射進行表征和透射電子顯微鏡（TEM）。

實驗

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? 標準的 100 和 150 毫米直徑 (001) SOI 晶片用于與直徑為 50、100 和 150 毫米的 InP 基外延晶片配對。波導電路和垂直排氣通道在鍵合工藝之前在絕緣體上硅 (SOI) 晶片上形成圖案。直徑為 150 毫米的 III-V 族晶片包含金屬有機化學氣相沉積 (MOCVD) 生長的二極管激光器結(jié)構(gòu)，具有 8 周期、壓縮應變 (1%)、未摻雜的 InGaAsP 量子阱 (λg 1.54 μm) 和摻雜的 InP層。較小尺寸的 III-V 族晶圓由 MOCVD 生長的未摻雜 2 μm InP 和 100 nm In-GaAs 蝕刻停止層組成。進行徹底的晶片清潔和 O2 等離子體表面活化，然后在室溫下配對并在 300°C 下以 1–2 MPa 外部同軸壓力退火。然后在濕蝕刻中選擇性去除 InP 襯底，在 SOI 襯底上留下 2 μm 厚的 III-V 外延層，表面上有 InGaAs 蝕刻停止層。詳細的 III-V 族外延層結(jié)構(gòu)和鍵合工藝可以在。數(shù)字1(a) 顯示了 SOI 上不同尺寸（直徑為 1 cm2、50、100、150 mm）的薄 III-V 外延層的照片，展示了 >98% 的面積轉(zhuǎn)移和鏡狀 III-V 表面，具有典型的均方根 (RMS) 表面粗糙度為 0.6–0.7 nm。

結(jié)果和討論

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? 通常， 在 Normaski 模式的光學顯微鏡下去除厚 InP 襯底后，我們發(fā)現(xiàn)任何界面空隙，其分辨率足以解決亞微米空隙。由于垂直排氣通道，在所有鍵合晶片中隨機選擇的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了無空隙鍵合從界面聚合反應中吸收氣體副產(chǎn)物（H2O、H2）并捕獲 N2、CO2 等。6]。在這里，我們利用高分辨率 SAMμm 分辨率（X 軸：0.5 μm，Y 軸：0.25 μm，Z 軸：0.5 μm) 以顯示圖 50 和 100 mm 鍵合晶片的整個晶片級圖像。 2. 僅觀察到少數(shù)相對較大的空隙（以紅色圓圈突出顯示）。它們靠近晶圓邊緣，可能來自手動晶圓處理過程中的表面顆粒。沒有發(fā)現(xiàn)均勻分布的氣體副產(chǎn)品導致的空洞，這與之前在 Normaski 顯微鏡中在選定區(qū)域進行的檢查相兼容。7]。在> 99% 的區(qū)域中觀察到無空隙粘合。圖 1 中 SAM 圖像中突出顯示的誤導性對比度和一些垂直線。2?來自與 SAM 工具相關(guān)的晶圓卡盤。

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結(jié)論

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? 總之，我們研究了晶圓使用無損掃描聲學顯微鏡 (SAM)、X 射線衍射和光致發(fā)光 (PL) 映射技術(shù)，InP 到 Si 直接晶圓鍵合的尺度均勻性。晶圓級無空隙鍵合已在 SAM 中得到驗證。PL 圖在鍵合后幾乎沒有 PL 峰值波長偏移。轉(zhuǎn)移外延層中 MQW 增益和發(fā)射光譜純度的提高可能是由于可忽略的鍵合誘導熱應變、鍵合界面處的 InGaAsP/InP 超晶格以及鍵合中生長缺陷的消除的綜合影響退火過程。在直徑為 50、100 和 150 mm 的 SOI 上轉(zhuǎn)移的薄 III-V 外延層中觀察到低鍵致應變。

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