CN102244056A - 一种用于半导体晶片键合的键合结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于半导体晶片键合的键合结构，其包括：一接触层，覆盖于待键合的半导体晶片表面上；一第一阻挡层，用于覆盖在接触层表面上，设有一第一绝缘区域和一第一导通区域；一导电层，覆盖于第一阻挡层表面上；一覆盖于所述导电层的第二阻挡层，设有一第二绝缘区域和一第二导通区域，第二导通区域的位置与所述第一导通区域的位置相互错开；键合层，覆盖于所述第二阻挡层表面上。本发明可完全阻挡键合层材料扩散入接触层或半导体晶片，从而完全避免影响接触层与半导体晶片的接触特性、接触层反光特性以及半导体晶片材料特性。同时，本发明还可大为提高键合结构在垂直方向的导电性和导热性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电子器件与技术领域，更具体地涉及一种用于半导体晶片键合的键合结构。
背景技术
晶片键合技术是广泛应用于半导体行业的一项前沿技术，由于其突破了晶片外延对生长衬底晶格常数、晶向等特性的严格限制，可以更充分的发挥器件结构设计技术人员的创造性，得到广泛的关注和研究。目前的晶片键合技术主要有直接键合、阳极键合、介质键合等，其中介质键合又有金属介质熔融键合和非金属粘结键合，金属介质熔融键合技术由于金属介质良好的导电性、光反射性、导热性等得到更多的应用。如在发光二极管中，由于金属介质的导电性，可利用金属熔融键合来制作垂直结构氮化镓基蓝光二极管，同时由于金属介质良好的反光特性，可提高发光二极管出光效率；在红光二极管中，通过金属熔融键合将外延层键合至支撑衬底，去除原有的吸光的砷化镓衬底，可数倍提高出光效率；而在化合物多结太阳电池中，利用金属介质熔融键合技术，可制作倒装多结太阳能电池，从而可更合理地设计化合物多结太阳电池各子电池带隙匹配、电流匹配，提高太阳电池光电转换效率。
但在实际应用中，金属介质熔融键合技术存在很多问题，如键合质量问题、应力问题、键合层对半导体的影响、键合层本身导电性、光反射性能的退化等。键合层对半导体的影响主要表现为，由于参与键合的金属介质通常采用低熔点、较活泼的金属或金属合金，在键合工艺中容易出现金属与半导体的过度扩散现象，将影响金属与半导体欧姆接触特性，而金属扩散入半导体还可能破坏半导体材料特性，此外扩散还会影响金属介质的光反射率，因此需要寻找一种金属，既可以与半导体形成良好的欧姆接触，又不会过度扩散，同时还必须达到良好的键合质量。仅使用一种金属很难完全满足上述所有要求，因此通常采用多层金属结构，这就引入新的问题，就是各层金属之间的相互影响问题，例如用于形成良好键合的金属键合层可能影响接触层与半导体晶片的接触特性、接触层光反射特性，还可能穿透接触层影响半导体晶片材料性能。
解决上述问题的办法是在键合层与接触层之间插入阻挡层。最好的阻挡层是二氧化硅、氮化硅等绝缘材料，因此还需在阻挡层设计通孔，以实现垂直导通。因此，对于传统的具有单层阻挡层结构，键合层金属仍可以通过阻挡层通孔扩散，不能完全阻挡，这就要求通孔尺寸足够小，通孔距离足够长，以尽量减小扩散面积比例，但如此一来增加了通孔内金属总电阻，且仍不能做到完全阻挡。而同时由于阻挡层所采用的二氧化硅等材料热导率远低于金属，因此小的通孔尺寸和长的通孔距离都会严重影响器件的散热效果。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种用于半导体晶片键合的键合结构，其具有双阻挡层结构。
本发明解决上述问题的技术方案为：一种用于半导体晶片键合的键合结构，其包括：一接触层，用于覆盖于待键合的半导体晶片表面上；一第一阻挡层，覆盖于接触层表面上，设有一第一绝缘区域和一第一导通区域；一导电层，覆盖于第一阻挡层表面上；一覆盖于所述导电层的第二阻挡层，设有一第二绝缘区域和一第二导通区域，第二导通区域的位置与所述第一导通区域的位置相互错开；键合层，覆盖于所述第二阻挡层表面上。
优选地, 所述第一导通区域由分布于第一绝缘区域上的系列导通单元构成，该系列导通单元的边缘与第二导通区域边缘之最小距离大于所述键合层材料在所述导电层的横向扩散距离。
优选地, 所述第一导通区域由分布于第一绝缘区域上的系列通孔构成。所述通孔形状为圆形，直径为10～30微米，通孔中心间距50～200微米。
优选地，所述第二导通区域由分布于第二绝缘区域上的系列通孔构成。
优选地，所述第二绝缘区域由分布于第二导通区域上的系列绝缘柱构成。
优选地，所述绝缘柱为圆柱形，第一导通区域在垂直方向上的投影位于第二绝缘区域在垂直方向上的投影内。
优选地，所述第一绝缘区域和第二绝缘区域的材料选自二氧化硅、氮化硅、氧化铝等材料之一或其组合。
优选地，所述第一阻挡层的厚度为10至100纳米。
优选地，所述第二阻挡层的厚度为10至100纳米。
与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：
首先，相对于传统的具有单层阻挡层结构，本发明设计两层阻挡层，其导通区域的位置相互错开，且在两层阻挡层之间加入导电层，键合层金属通过第二阻挡层的导通区域扩散入导电层之后，由于扩散距离有限，将不能到达第一阻挡层导通区域，从而实现扩散的完全阻挡，这就避免了影响第一阻挡层通孔位置处接触层与半导体晶片之间的接触特性、接触层光反射特性以及半导体晶片材料性能。
其次，由于设计两层阻挡层，其导通区域的位置相互错开，则在保证实现扩散的完全阻挡前提下，允许设计导通区域间距更小，尺寸更大，从而避免传统的具有单层阻挡层结构由于引入阻挡层而使得电阻显著增大、热导率显著降低等问题。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1为本发明优选实施例一之键合结构的侧面剖视图。
图2为图1所示实施例一的第一阻挡层的平面图，其示意了第一阻挡层的绝缘区域和导通区域的分布设计。
图3为图1所示实施例一的第二阻挡层的平面图，其示意了第一导通区域与第二导通区域的位置分布。
图4为实施二的第一阻挡层的平面图，其示意了第一阻挡层的绝缘区域和导通区域的分布设计。
图5为实施例二的第二阻挡层的平面图，其示意了第一导通区域与第二导通区域的分布位置。
图中：
001：半导体晶片 100：键合结构
101：接触层 102：第一阻挡层
103：导电层 104：第二阻挡层
105：第一键合层 106：第二键合层
107：第一导通区域 108：第一绝缘区域
109：第二导通区域 110：第二绝缘区域
200：键合支撑衬底。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
选择一半导体晶片001为待键合晶片，一支撑衬底200为键合基板，半导体晶片001通过键合结构100与支撑衬底200键合。
实施例一
如图1所示，为本发明的一个优选实施例，一种用于半导体晶片键合的键合结构100，包括一接触层101，一第一阻挡层102，一导电层103，一第二阻挡层104，键合层105，106。
接触层101采用电子蒸发方式，覆盖在半导体晶片001的表面上，经退火形成接触层与外延层之间良好的欧姆接触。
第一阻挡层102通过PECVD方式覆盖在接触层101表面上，材料可选自二氧化硅、氮化硅、氧化铝等材料之一，在本实施例中，选择二氧化硅，厚度为10～50纳米。如图2所示，在第一阻挡层102上分布有一系列的通孔作为第一导通区域107，其他区域为第一绝缘区域108。通孔通过常规光刻技术在第一阻挡层102刻蚀形成，形状可为任意形状，如圆形、正多方形、椭圆形、梯形等。在本实施例中，选择圆形，直径10-30微米，通孔中心间距50-200微米。
导电层103采用电子束蒸发方式，覆盖在第一阻挡层102表面上，材料与接触层101相同。通过第一阻挡层102上的系列通孔与接触层101实现电连接。
第二阻挡层104通过PECVD方式覆盖在导电层103表面上，材料可选自二氧化硅、氮化硅、氧化铝等材料之一，在本实施例中，选择二氧化硅，厚度为10～50纳米。如图3所示，在第二阻挡层104上同样分布有一系列的通孔作为第二导通区域011，其他区域为第二绝缘区域012。第二阻挡层104的通孔位置与第一阻挡层102的通孔相互错开不重叠。第一阻挡层102通孔边缘与第二阻挡层通孔边缘之最小距离大于所述键合层105材料在导电层103的横向扩散距离，保证了完全阻挡键合层金属的扩散。
键合层包括两部分105，106。通过电子束蒸发方式，第一部分105蒸镀在第二阻挡层104的表面上，第二部分106蒸镀在支撑衬底200表面上。键合层的材料为导电材料，可以从金、金锡合金、铟等材料中选择，在本实施例中，选择金锡合金作为键合层。将键合层105与键合层106贴合，在垂直方向持续施加一定压力，同时保持约300℃恒温，实现半导体晶片（001）与键合支撑衬底（200）的键合。
本实施例通过设计两层阻挡层，其导通通孔位置相互错开，且在两层阻挡层之间加入与接触层材料相同的导电层，键合层金属通过第二阻挡层通孔扩散入导电层之后，由于扩散距离有限，将不能到达第一阻挡层通孔位置，从而实现扩散的完全阻挡，避免了影响第一阻挡层通孔位置处接触层与半导体晶片之间的接触特性、接触层光反射特性以及半导体晶片材料性能。
同时，在保证上述实现扩散的完全阻挡前提下，允许设计阻挡层通孔间距更小，尺寸更大，从而避免传统的具有单层阻挡层结构由于引入阻挡层而使得电阻显著增大、热导率显著降低等问题。
实施例二：
本实施例的键合层100的各层位置关系及材料与实施例一相近似，不同点在于：第二阻挡层104的导通区域109与绝缘区域110的分布与实施例一不同，故本实施例将仅针对此部分进行仔细描述，其他与实施例相同部分不再做描述。
如图4所示，为本实施例的第一阻挡层102的平面图，在第一阻挡层102上分布有一系列的通孔作为第一导通区域107，通孔形状为圆形，直径1.5毫米。第一阻挡层102的其他区域为第一绝缘区域108。
如图5所示，为本实施例的第二阻挡层的平面图。在第二阻挡层104上分布有系列绝缘柱构成第二绝缘区域110，其余阴影部分为第二导通区域109。第一阻挡层102的通孔系列107在垂直方向上的投影位于第二阻挡层102的绝缘柱系列110的在垂直方向的投影内，保证了第二导通区域109的位置与第一导通区域107的位置相互错开。第一阻挡层102通孔的边缘到第二阻挡层104绝缘柱的边缘的最小距离大于所述键合层105材料在导电层103的横向扩散距离，保证了完全阻挡键合层金属的扩散。在本实施例中，绝缘柱系列108利用常规光刻技术在第二阻挡层104刻蚀形成，其形状为圆柱形，直径为2毫米。
本实施例通过设计两层阻挡层，特别是在第二阻挡层将绝缘区域设计成绝缘柱系列，其他区域为导通区，在保证了完全阻挡键合层金属的扩散的前提下，进一步地缩小了导通区域间距，减少了阻挡层中绝缘区域的面积，提高了热导率，降低了阻挡层的电阻值。
Claims (11)
1.一种用于半导体晶片键合的键合结构，其包括：
一接触层，用于覆盖在待键合的半导体晶片表面上；
一第一阻挡层，覆盖在接触层表面上，设有一第一绝缘区域和一第一导通区域；
一导电层，覆盖在第一阻挡层表面上；
一覆盖于所述导电层的第二阻挡层，设有一第二绝缘区域和一第二导通区域，第二导通区域的位置与所述第一导通区域的位置相互错开；
键合层，覆盖于所述第二阻挡层表面上。
2.根据权利要求1所述的用于半导体晶片键合的键合结构，其特征在于：所述第一导通区域由分布于第一绝缘区域上的系列导通单元构成，该系列导通单元的边缘与第二导通区域边缘之最小距离大于所述键合层材料在所述导电层的横向扩散距离。
3.根据权利要求2所述的用于半导体晶片键合的键合结构，其特征在于：所述第一导通区域由分布于第一绝缘区域上的系列通孔构成。
4.根据权利要求3所述的用于半导体晶片键合的键合结构，其特征在于：所述通孔形状为圆形，直径为10～30微米，通孔中心间距50～200微米。
5.根据权利要求2所述的用于半导体晶片键合的键合结构，其特征在于：所述第二导通区域由分布于第二绝缘区域上的系列通孔构成。
6.根据权利要求2所述的用于半导体晶片键合的键合结构，其特征在于：所述第二绝缘区域由分布于第二导通区域上的系列绝缘柱构成。
7.根据权利要求6所述的用于半导体晶片键合的键合结构，其特征在于：所述绝缘柱为圆柱形，第一导通区域在垂直方向上的投影位于第二绝缘区域在垂直方向上的投影内。
8.根据权利要求1所述的用于半导体晶片键合的键合结构，其特征在于：所述第一绝缘区域和第二绝缘区域的材料选自二氧化硅、氮化硅、氧化铝等材料之一或其组合。
9.根据权利要求1所述的用于半导体晶片键合的键合结构，其特征在于：所述导电层的材料与接触层的材料相同。
10.根据权利要求1所述的用于半导体晶片键合的键合结构，其特征在于：所述第一阻挡层的厚度为10至100纳米。
11.根据权利要求1所述的用于半导体晶片键合的键合结构，其特征在于：所述第二阻挡层的厚度为10至100纳米。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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Application publication date: 20111116 Assignee: XIAMEN SANAN INTEGRATED CIRCUIT Co.,Ltd. Assignor: XIAMEN SANAN OPTOELECTRONICS TECHNOLOGY Co.,Ltd. Contract record no.: 2016120000005 Denomination of invention: Bonding structure for bonding semiconductor wafer Granted publication date: 20130116 License type: Common License Record date: 20160311 |
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| LICC | Enforcement, change and cancellation of record of contracts on the licence for exploitation of a patent or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right | ||
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Effective date of registration: 20231102 Address after: Yuanqian village, Shijing Town, Nan'an City, Quanzhou City, Fujian Province Patentee after: QUANZHOU SAN'AN SEMICONDUCTOR TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: 361009 no.1721-1725, Luling Road, Siming District, Xiamen City, Fujian Province Patentee before: XIAMEN SANAN OPTOELECTRONICS TECHNOLOGY Co.,Ltd. |