CN101295753A

CN101295753A - 用于III-V族化合物器件的低温Au-In-Au键合方法

Info

Publication number: CN101295753A
Application number: CNA2007100398822A
Authority: CN
Inventors: 谢正生; 吴惠桢; 劳燕锋; 刘成; 曹萌; 黄占超
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2007-04-24
Filing date: 2007-04-24
Publication date: 2008-10-29
Anticipated expiration: 2027-04-24
Also published as: CN101295753B

Abstract

本发明提供了一种用于III－V族化合物半导体光电器件结构制作的低温Au－In－Au金属键合方法。其特征在于所述的金属键合过程包括：蒸镀金属膜、低温键合将器件结构金属键合到Si衬底上、腐蚀去除外延片衬底。所述的方法的关键是：蒸镀合适的金属膜以及低温键合过程中合适的外加压力、退火温度和退火时间。该技术中蒸镀的金属膜有利于改善光电器件的光学热学性质，同时整合了III－V族InP或GaAs基化合物半导体材料和Si材料的各自优点，实现了衬底倒扣，为器件制作的后步工艺打下了基础。低温键合牢靠，且键合过程不会使键合后器件结构的原有的光学和电学性能变差，有利于器件结构的制作。有望在金属波导及其它半导体光电器件制作中得到广泛应用。

Description

用于III-V族化合物器件的低温Au-In-Au键合方法

技术领域

本发明提供了一种适用于III-V族化合物半导体光电器件结构制作的低温Au-In-Au金属键合方法，属于半导体光电子器件工艺技术领域。

背景技术

随着III-V族化合物半导体光电器件的发展，InP基和GaAs基的光电器件结构已可以用分子束外延(MBE)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)等方法外延生长，然而外延生长的InP基或GaAs基的热特性不好，影响了器件特性。常温下，未掺杂的InP的导热率为0.067w·cm^-1·k^-1，电阻率为109Ω·cm，未掺杂的GaAs的导热率为为0.044w·cm^-1·k^-1，电阻率为109Ω·cm，而InP基和GaAs基的三元系或四元系化合物的导热导电性则比InP或GaAs更差，而未掺杂的Si的导热率为为1.48w·cm^-1·k^-1，电阻率为2.3*10⁵Ω·cm。可以看出Si的导电导热性比InP或GaAs基III-V族化合物材料好得多。如果能把InP或GaAs基材料组装到Si衬底上，可大大改善光电器件的导电导热性能。但由于InP或GaAs与Si半导体材料之间的晶格失配度很高，热膨胀系数也存在比较大的差别，用外延方法去实现组装会产生大量缺陷，导致器件性能不好。而用金属键合则可很好地达到要求，并且好的金属键合过程不会使器件结构原有的光电性能变差。另外，外延的InP基或GaAs基微结构材料，根据光电器件制作要求，需要把InP或GaAs衬底去除，以便使跟衬底相邻的外延层暴露在外面进行器件制作，这就要求倒扣衬底。此外，在某些光电器件的外延层上蒸镀合适的金属膜可大大改善外延结构的光电性能，如分布布拉格反射镜(DBR)上蒸镀具有高反射率的Au可提高DBR的整体反射率。为了达到优异的器件性能，人们往往需要将InP基或GaAs基微结构材料、器件金属键合到Si衬底上以改善器件性能，方便器件制作，这是国内外III-V族半导体光电研究领域的热点之一。

金属键合方法不同于外延方法，也不同于直接键合方法。外延方法一般生长晶格匹配的材料，直接键合技术则直接组合两种不同的材料，而金属键合则通过纯金属或合金等媒介层，依靠金属键、金属与晶片表面间的扩散、金属熔融等作用牢固地键合，不仅组合了材料的优异性能，也充分利用了金属膜能改善器件光电性能的好处。并且金属键合过程中产生的位错等缺陷只存在于金属键合的交界面附近，而不会扩展到整个材料中，这几乎不影响键合前材料的性能。

国际上对金属键合技术做了一些研究，目前也有一些文献或专利报道，但到目前为至，有关低温Au-In-Au金属键合则鲜有报道。而相关的专利几乎没有。文献Horng R H，Wuu D S，Wei S C，Tseng C Y，Huang M F，Chang KH，Liu P H，Lin K C，“AlGaInP light-emitting diodes with mirror substratesfabricated by wafer bonding”.Appl.Phys.Lett.，1999，75(20)：3054～3056中报道了用Au/AuBe进行金属键合成功地制作了AlGaInP发光二极管，热压退火条件为：0.3N/cm²，300℃，20分钟。而文献Lin H C，Chang K L，Hsieh K C，Cheng K Y，Wang W H，“Metallic wafer bonding for the fabrication oflong-wavelength vertical-cavity surface-emitting lasers”，J.Appl.Phys.，2002，92(7)：4132～4134中则报道了用金属AuGeNiCr作为键合媒介层成功地把长波长VCSEL器件结构键合到Si衬底上，实现了衬底倒扣，改善了器件散热性能，其热压退火条件为：0.6kg/cm²，320℃，60分钟。这些金属键合技术与我们的技术有较大的不同，主要表现在：(1)采用的温度高，高的温度很容易引起III-V族化合物的分解和使材料结构特性发生变化；(2)使用的金属膜不同；(3)表面清洁，去氧化层的方法与本发明也不相同。

发明内容

本发明目的在于提供一种适用于III-V族化合物半导体半导体光电器件制作的低温Au-In-Au金属键合技术。其最大特点是，实现了衬底倒扣，改善了光电器件的光学热学等性能，并且利用熔点只有156.6℃的In实现了低温键合，其在半导体电力电子、传感器、三维集成电路、光电器件及其特殊功能和结构器件等方面的应用必将日益广泛。

低温Au-In-Au金属键合过程包括蒸镀金属膜、低温键合和腐蚀去除外延片衬底三个主要步骤。首先将外延有光电器件结构的InP或GaAs基晶片和Si衬底去除表面污粒和氧化物，然后蒸镀合适的金属膜TiAuIn。其中Ti与半导体的粘附性比较好，而且还可作为扩散阻挡层，防止Au及键合缺陷进入材料外延层；Au是高反射率金属，在1.3μm附近反射率高达97.5％左右，因此当将Au蒸镀在光电器件的反射镜上，有利于提高反射镜的整体反射率；In是金属键合媒介层，其熔点为156.6℃，因而N₂气氛下180～240℃下热压退火就可实现低温金属键合，可减小器件结构中III-V半导体材料的高温热分解和热失配所引起的器件性能变差的效应。此外，常温下In就可与Au形成AuIn₂合金，AuIn₂稳定，熔点540.7℃，低于键合温度，可有效地阻止In及键合缺陷往键合界面两侧扩散。由上面分析可知，蒸镀的Ti不太厚，通常取5～10nm，而Au不能太薄，通常取100～200nm，这样才能充分发挥Au可提高反射镜反射率的作用，而In的厚度通常应大于5μm，以便充分地熔融金属键合。蒸镀完金属膜的材料片表面粗糙度在十几纳米以下，这个粗糙度完全在熔融金属键合的允许范围内。样品面对面、边对边地相互叠合后，移至键合装置并放置于封闭式的N₂气氛下的退火炉中。当样品退火温度超过156.6℃时，In开始融化，In-In、Au-In等之间的扩散也加剧，当在180～240℃低温退火30分钟后，In-In之间已完全互熔。当退火结束温度降低，键合界面再结晶，样品牢靠地键合上。低温Au-In-Au金属键合的质量由表面粗糙洁净程度、外加压强、退火温度和退火时间共同决定。该键合过程中的金属原子和键合缺陷并没有进入外延材料层中，并且退火温度很低，因此外延材料的光电性能几乎没有变化。并且该金属键合界面强度大，经正常工艺下的超声清洗，研磨以及解理后，在光学显微镜下没有观察到任何裂纹现象。

本发明提供的一种低温Au-In-Au金属键合技术主要有以下特征优点：

(1)晶片上蒸镀的金属膜Au，有利于改善光电器件性能。如在分布布拉格反射镜(DBR)上蒸镀金属Au可改善其反射率；

(2)低温Au-In-Au金属键合区一般远离光电器件有源区，并且是个低温退火过程，可防止高温对器件产生的影响，因而该金属键合过程对器件的微结构、光电性能等基本不影响；

(3)该金属键合可把器件键合到导电导热性能更好的衬底上，有利于改善器件热电性能；有望在金属波导及其它半导体光电器件制作中得到广泛应用。

具体实施步骤

1蒸镀金属膜。

1.1清洁材料表面依次用四氯化碳，丙酮，无水乙醇各超声清洗三次，每次3分钟；然后用去离子水漂洗3～5分钟，N₂吹干；

1.2去除材料表面氧化物，将步骤1.1表面清洁的半导体材料在静止的HF+H₂O溶液中腐蚀，两者的体积比为1∶10，时间为10～15秒，然后用去离子水漂洗，N₂吹干；

1.3磁控溅射Ti和Au膜，将上述处理后的半导体材料送入磁控溅射台先蒸镀金属Ti(厚度为5～10nm)再蒸镀Au(厚度为100～200nm)；

1.4在蒸镀Ti和Au膜之后电镀金属In，电镀金属In是在In₂(SO₄)₃电镀液中进行，该电镀液常用的含In浓度为10～20g/L，含十水硫酸钠为8～12g/L，PH值为2.2～2.6，阳极用铟或铅银合金，阴极为样品，并且常用的阴极电流密度为1～2安/分米²，溶液温度为18～25℃；电镀In速率为0.12～0.15μm/分钟，最终电镀In厚度为5～20μm。

2低温键合

2.1将蒸镀完金属膜的材料片解理成边长为0.5～1cm左右大小的正方形；

2.2将待键合材料依次用四氯化碳，丙酮，无水乙醇各50℃水浴清洗三次，每次3分钟；后用去离子水漂洗3～5分钟，N₂吹干；然后在静止的HF+H₂O(体积比为1∶10)溶液中腐蚀，时间为5～10秒，再用去离子水漂洗，N₂吹干；

2.3叠片：叠片是将要键合面的边与边对齐叠合在一起(边与边夹角在±2°之内)，键合片子的上下两面各用一个清洗过的Si片夹住，然后移至键合装置。

2.4热压退火：将步骤(b)的叠合片移至键合装置中，加上一定的压力，压强为0.5～3MPa，放入封闭式退火炉中键合，键合温度为180～240℃，键合时间15～60分钟，常用30分钟；整个退火过程用氮气保护，氮气流速为150～250毫升/分钟；退火结束后样品随炉自然冷却，待低于100℃后关闭N₂，取出样品。(所述的键合装置详见ZL200410052711X)

3腐蚀去除外延片衬底。

3.1利用合适的公知的化学溶液腐蚀去除外延有光电器件结构的InP或GaAs衬底，使外延结构暴露在表面；

3.2进行半导体光电器件结构的后步工艺制作。

附图说明

图1低温Au-In-Au金属键合工艺流程：

1为蒸镀金属膜；2为低温键合；3为腐蚀去除外延片衬底。

图2金属键合后样品结构。

图3InP基半腔VCSEL结构样品蒸镀TiAu前后的理论模拟反射谱，其中光从量子阱侧入射，再进入DBR。

具体实施方式

本发明所述的低温Au-In-Au金属键合技术用于制作长波长垂直腔面发射激光器(VCSELs)结构。

1、InP基半腔VCSEL结构样品由气态源分子束外延(GSMBE)生长得到，并相应的准备好Si衬底片；

2、按照本发明的发明内容中所述具体实施步骤(1～3)进行低温Au-In-Au金属键合，键合过程如图1和图2所示；图2中二个5-20nm为键合界面，键合时上、下两个Si衬底起保护作用。

3、结果分析：键合后的样品结构如图2所示。键合完整，键合区空洞少，剥离掉InP衬底后的表面光滑，缺陷少，基本无腐蚀坑，并实现了衬底倒扣，方便后面的器件工艺制作。金属薄膜中Ti膜层与半导体的粘附性好，而Au是高反射率金属，在1.3μm附近反射率高达97.5％左右，因此Au蒸镀在DBR上，有利于提高DBR的反射率，这可通过图3得到说明。通过光谱测试，发现金属键合前后的样品的反射谱和光致荧光(PL)谱基本没变化。因此，低温Au-In-Au金属键合过程不影响量子阱有源区及DBR的原有微结构和光学性能，这对VCSEL器件结构的制作是有利的。

Claims

1、一种用于III-V族化合物半导体光电器件结构制作的低温Au-In-Au金属键合方法，其特征在于包括蒸镀金属膜、低温键合和腐蚀去除外延片衬底三个工艺过程，具体工艺步骤是：

(1)蒸镀金属膜

(a)清洁材料表面，将外延有光电结构的InP或GaAs基材料和Si衬底依次用四氯化碳，丙酮，无水乙醇超声清洗；然后用去离子水漂洗，N₂吹干；

(b)去除材料表面氧化物，将步骤(a)表面清洁的材料放在静止的HF+H₂O溶液中腐蚀，两者的体积比为1∶10，然后用去离子水漂洗，N₂吹干；

(c)磁控溅射Ti和Au，将将步骤(b)去除表面氧化物的半导体材料送入磁控溅射台先蒸镀金属Ti再蒸镀金属Au；

(d)在步骤(c)蒸镀Ti和Au后的半导体材料表面电镀金属In，电镀金属In是在In₂(SO₄)₃电镀液中进行，电镀In速率为0.12～0.15μm/分钟；

(2)低温键合

(a)将步骤(1)蒸镀完金属膜的材料片分别解理成正方形；

(b)键合前清洗依次用四氯化碳，丙酮，无水乙醇各50℃水浴清洗；后用去离子水漂洗，N₂吹干；然后在静止的体积比为1∶10的HF+H₂O的溶液中腐蚀，再用去离子水漂洗，N₂吹干；

(c)将要键合面的边与边对齐叠合在一起形成叠片，键合片子的上下两面各用一个清洗过的Si片夹住。

(d)将步骤(c)叠片移至键合装置中，施加上压强为0.5～3MPa的压力，放入封闭式退火炉中键合，键合温度为180～240℃，整个键合过程用氮气保护，氮气流速为150～250毫升/分钟；键合后样品随炉自然冷却，待低于100℃后关闭N₂，取出样品。

(3)腐蚀去除外延片衬底

(a)利用化学溶液腐蚀去除外延有光电器件结构的InP或GaAs衬底，使外延结构暴露在表面；

(b)进行光电器件结构的后步工艺制作。

2、按权利要求1所述的用于III-V族化合物半导体光电器件结构制作的低温Au-In-Au金属键合方法，其特征在于所述的Ti膜厚度为5～10nm。

3、按权利要求1所述的用于III-V族化合物半导体光电器件结构制作的低温Au-In-Au金属键合方法，其特征在于所述的Au膜厚度为100～200nm。

4、按权利要求1所述的用于III-V族化合物半导体光电器件结构制作的低温Au-In-Au金属键合方法，其特征在于所述的In膜厚度为5～20μm。

5、按权利要求1所述的用于III-V族化合物半导体光电器件结构制作的低温Au-In-Au金属键合方法，其特征在于所述的理成正方形的边长为0.5cm-1cm。

6、按权利要求1所述的用于III-V族化合物半导体光电器件结构制作的低温Au-In-Au金属键合方法，其特征在于体积比为1∶10的HF+H₂O溶液中腐蚀时间为5-10秒。

7、按权利要求1所述的用于III-V族化合物半导体光电器件结构制作的低温Au-In-Au金属键合方法，其特征在于所述的键合面的边与边对齐叠合一起时边与边夹角控制在±2°之内。

8、按权利要求1所述的用于III-V族化合物半导体光电器件结构制作的低温Au-In-Au金属键合方法，其特征在于键合时间为15-60分钟。

9、按权利要求1或8所述的用于III-V族化合物半导体光电器件结构制作的低温Au-In-Au金属键合方法，其特征在于键合时间为30分钟。