CN102485639B

CN102485639B - 基于金诱导非晶硅结晶的低温键合方法

Info

Publication number: CN102485639B
Application number: CN201110298262.7A
Authority: CN
Inventors: 熊斌; 刘米丰; 王跃林; 徐德辉
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2011-09-28
Filing date: 2011-09-28
Publication date: 2014-10-22
Anticipated expiration: 2031-09-28
Also published as: CN102485639A

Abstract

本发明提供一种基于金诱导非晶硅结晶的低温键合方法，首先在上基板的键合面上制备出氧化硅层，在氧化硅层上依次蒸发或溅射出钛、金膜，并去除非键合区域的钛、金膜；其次在下基板的键合面上制备出氧化硅层及非晶硅层，在非晶硅层上依次蒸发或溅射钛、金膜，并去除非键合区域的所述非晶硅层、及钛、金膜；然后，将上、下基板的键合面对准并贴合后，送入键合机，升温至250~300℃，并施加0.2~0.4MPa的压力，冷却到室温；最后，将从键合机取出的键合至一起的上、下基板送入退火炉，退火3~12小时，冷却到室温，完成金诱导非晶硅结晶的低温键合。本发明的低温键合方法不仅适用于硅圆片的键合，还可以用于非硅圆片的键合，并且由于低温的特性，具有很广的应用范围。

Description

基于金诱导非晶硅结晶的低温键合方法

技术领域

本发明涉及一种应用于半导体领域的键合技术，特别是涉及一种基于金诱导非晶硅结晶的低温键合方法。

背景技术

键合技术是实现微电子机械系统器件开发和实用化的关键技术之一，它可将表面硅加工和体硅加工有机地结合在一起，从而能够实现微电子机械系统与IC工艺的兼容。此外，键合技术还可用于芯片的圆片级封装、SOI材料的制备、三维集成等。

与其它键合方法相比，低温键合可以防止高温键合(如硅熔融键合等)引起的下列问题：(1)高温对圆片上的温度敏感电路和微结构造成热损坏(如高于450℃的高温就对铝导线造成破坏)；(2)高温易引入杂质，同时也会造成掺杂区域杂质的重新分布；(3)对于热膨胀系数差较大的材料间键合，高温会导致很大的变形和残余热应力，直接影响到器件性能和成品率。

目前已研发出了多种低温键合技术，如表面活化低温键合、阳极键合、焊料键合、热压键合等。表面活化低温键合工艺时间长(一般为几小时到几十小时)，效率较低，且由于涉及表面处理，对含有图形和电路的圆片表面要求高。阳极键合虽然在微电子机械器件制备过程中得到了广泛的应用，其局限在于：(1)不能对两个硅片直接进行键合，而且由于钠离子的存在，不能和MOS工艺兼容；(2)键合过程中的高电压所产生的静电力也可能使微电子机械器件中的可动硅结构粘附到玻璃上，导致器件失效；(3)高电压还会改变硅材料的半导体特性，影响器件性能。焊料键合过程中，焊料表面往往容易氧化，从而严重影响键合的质量。热压键合往往需要较大的键合压力，以消除键合表面粗糙度的影响。

因而，如何提供一种低温键合方法，以解决现有技术中低温键合出现的种种缺点及不足，实已成为本领域从业者亟待解决的技术问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于金诱导非晶硅结晶的低温键合方法，以达到不仅适用于硅材料的键合，还可以用于非硅材料键合的目的。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于金诱导非晶硅结晶的低温键合方法，所述低温键合方法至少包括以下步骤：上基板制备的步骤，提供一具有预先抛光的键合面的上基板，在所述键合面上热生长或化学气相沉积出一层氧化硅层，在所述氧化硅层上依次蒸发或溅射出钛膜和金膜，然后通过光刻或刻蚀工艺，去除所述键合面上非键合区域的钛膜和金膜；下基板制备的步骤，提供一具有预先抛光的键合面的下基板，在所述键合面上热生长或化学气相沉积出一层氧化硅层，在所述氧化硅层上化学气相沉积一层非晶硅层，然后在所述非晶硅层上依次蒸发或溅射钛膜和金膜，最后通过光刻或刻蚀工艺，去除所述键合面上非键合区域的所述非晶硅层、钛膜和金膜；键合的步骤，将所述上基板及下基板的键合面对准并贴合后，送入键合机，升温至250～300℃，并施加0.2～0.4MPa的压力，冷却到室温；退火的步骤，将从所述键合机取出的键合至一起的上基板及下基板送入退火炉，退火3～12小时，冷却到室温，完成金诱导非晶硅结晶的低温键合。

在本低温键合方法的上基板制备的步骤中，所述钛膜的厚度为20～60nm，所述金膜的厚度为200～400nm。

在本低温键合方法的下基板制备的步骤中，所述钛膜的厚度为20～60nm，所述金膜的厚度为200～400nm。所述非晶硅层的厚度为0.5～2μm。

在本低温键合方法的键合的步骤中，所述施加压力的时间为0.5～3小时。

在本低温键合方法的退火的步骤中，退火的温度为250～300℃。

在本低温键合方法中，所述上基板为单晶硅片、玻璃或GaN材料。所述下基板为单晶硅片、玻璃或GaN材料。

如上所述，本发明的基于金诱导非晶硅结晶的低温键合方法，利用金诱导非晶硅结晶进行键合，具有以下有益效果：

1，作为贵金属，金不易于氧化，所以键合界面没有金属氧化层阻碍键合反应。

2，低于300℃的键合温度，能在键合过程使温度敏感的器件或材料免产生热损坏，并能够有效减少热形变和残余热应力，同时降低掺杂物质进一步扩散的不利影响。

3，非晶硅层与金膜之间的钛膜不仅起到粘附的作用，还能去除非晶硅表面的自然氧化层，使金诱导非晶硅结晶的反应在整个键合区域均发生。

4，该键合方法不仅可用于硅材料的键合，还可以用于非硅材料的键合。

附图说明

图1显示为本发明的低温键合方法中所制备的上基板结构示意图。

图2显示为本发明的低温键合方法中所制备的下基板结构示意图。

图3显示为本发明的低温键合方法中将上、下基板的键合面对准结构示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图3，显示为本发明的低温键合方法所涉及的步骤中上、下基板呈现的结构示意图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图所示，本发明提供一种基于金诱导非晶硅结晶的低温键合方法，用于对具有预先抛光的键合面的上、下基板11、12进行低温键合，在本实施例中，所述上基板11为单晶硅片、或包括玻璃、GaN材料等在内的非晶硅材料；所述下基板12为单晶硅片、或包括玻璃、GaN材料等在内的非晶硅材料。所述低温键合方法至少包括以下步骤：

上基板11制备的步骤，提供一具有预先抛光的键合面的单晶硅片111，在所述键合面上热生长或化学气相沉积出一层氧化硅层112，在所述氧化硅层112上依次蒸发或溅射出钛膜113和金膜114，然后通过光刻或刻蚀工艺，去除所述键合面上非键合区域的钛膜113和金膜114；在本实施例中，所述钛膜113的厚度为20～60nm，所述金膜114的厚度为200～400nm。换言之，所述上基板11由基板材料(即图示中的单晶硅片111)和键合层(即图示中的钛膜113和金膜114)材料构成，上基板11的基板材料可以为带有氧化层的硅片或包括玻璃、GaN在内的非硅材料，上基板的键合层材料由钛、金多层膜构成，其他钛膜是金膜和基板材料之间的过渡层，用于增强金膜与基板材料之间的粘附。

下基板12制备的步骤，提供一具有预先抛光的键合面的单晶硅片121，在所述键合面上热生长或化学气相沉积出一层氧化硅层122，在所述氧化硅层122上化学气相沉积一层非晶硅层123，然后在所述非晶硅层123上依次蒸发或溅射钛膜124和金膜125，最后通过光刻或刻蚀工艺，去除所述键合面上非键合区域的所述非晶硅层123、钛膜124和金膜125；在本实施例中，所述非晶硅层123的厚度为0.5～2μm。所述钛膜124的厚度为20～60nm，所述金膜125的厚度为200～400nm。换言之，所述下基板12由基板材料(即图示中的单晶硅片121)和键合层(即图示中的非晶硅层123、钛膜124和金膜125)材料构成，下基板12的基板材料可以为带有氧化层的硅片或包括玻璃、GaN在内的非硅材料，下基板12的键合层材料由非晶硅、钛、金多层膜构成，其中非晶硅层123通过化学气相沉积生长在基板材料的键合面上，钛膜124除了增强金膜125与非晶硅层123粘附外，还可去除非晶硅123表面的自然氧化层，使金诱导非晶硅结晶在整个键合区域发生。

上基板11及下基板12键合的步骤，将所述上基板11及下基板12的键合面对准并贴合后，送入键合机(未予以图示)，升温至250～300℃，并施加0.2～0.4MPa的压力，所述施加压力的时间为0.5～3小时，然后撤除压力，冷却到室温。由于所述的键合条件为250～300℃温度、0.2～0.4MPa的压力，在此条件下的下基板12的金膜125与非晶硅层123的界面会发生相互扩散，进入金膜125的硅原子会与金原子发生反应形成金的硅化物，该硅化物会进一步促进非晶硅向金层扩散，同时会使非晶硅再结晶成单晶硅颗粒。

退火的步骤，将从所述键合机取出的键合至一起的上基板11及下基板12送入退火炉(未予以图示)，在退火温度为250～300℃以及真空或者氮气的环境下退火3～12小时，然后冷却到室温，完成金诱导非晶硅结晶的低温键合。在实际的退火过程中，随着退火时间的增加，下基板12非晶硅层123与金膜界面发生的金诱导非晶硅结晶反应会逐步向上基板12，进而实现金诱导非晶硅结晶的低温键合。

本发明的低温键合方法采用金和非晶硅为键合材料，通过加温加压退火的方式实现了键合。当键合温度在250℃～300℃范围时，下基板的金膜与非晶硅层界面就会发生金诱导非晶硅结晶反应，随后的退火过程中，该诱导反应会从金膜和非晶硅层的界面纵向扩展到上基板的金膜，从而实现上、下基板的键合。再者，由于金膜和非晶硅层之间沉积了一层非常薄的钛膜，其在作为粘附层的同时还能去除非晶硅表面的自然氧化层，使金诱导非晶硅结晶反应能在整个键合区域均发生。该键合方法不仅适用于硅材料的键合，还适用于非硅材料的键合，并且由于低温的特性，具有很广的应用范围。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种基于金诱导非晶硅结晶的低温键合方法，其特征在于，所述低温键合方法至少包括以下步骤：

上基板制备的步骤，提供一具有预先抛光的键合面的上基板，在所述键合面上热生长或化学气相沉积出一层氧化硅层，在所述氧化硅层上依次蒸发或溅射出钛膜和金膜，然后通过刻蚀工艺，去除所述键合面上非键合区域的钛膜和金膜；

下基板制备的步骤，提供一具有预先抛光的键合面的下基板，在所述键合面上热生长或化学气相沉积出一层氧化硅层，在所述氧化硅层上化学气相沉积一层非晶硅层，然后在所述非晶硅层上依次蒸发或溅射钛膜和金膜以增强金膜与非晶硅层粘附性，还可去除非晶硅表面的自然氧化层，使金诱导非晶硅结晶在整个键合区域发生，最后通过刻蚀工艺，去除所述键合面上非键合区域的所述非晶硅层、钛膜和金膜；

键合的步骤，将所述上基板及下基板的键合面对准并贴合后，送入键合机，升温至250～300℃，并施加0.2～0.4MPa的压力，冷却到室温；以使所述下基板的金膜与非晶硅层的界面会发生相互扩散，进入所述金膜的硅原子会与金原子发生反应形成金的硅化物，该硅化物进一步促进非晶硅向金层扩散，同时使非晶硅再结晶成单晶硅颗粒；

退火的步骤，将从所述键合机取出的键合至一起的上基板及下基板送入退火炉，退火3～12小时，冷却到室温，进行诱导反应以使从金膜和非晶硅层的界面纵向扩展到上基板的金膜，实现上、下基板的非晶硅结晶的低温键合。

2.根据权利要求1所述的基于金诱导非晶硅结晶的低温键合方法，其特征在于：在所述上基板制备的步骤中，所述钛膜的厚度为20～60nm，所述金膜的厚度为200～400nm。

3.根据权利要求1所述的基于金诱导非晶硅结晶的低温键合方法，其特征在于：在所述下基板制备的步骤中，所述钛膜的厚度为20～60nm，所述金膜的厚度为200～400nm。

4.根据权利要求1所述的基于金诱导非晶硅结晶的低温键合方法，其特征在于：在所述下基板制备的步骤中，所述非晶硅层的厚度为0.5～2μm。

5.根据权利要求1所述的基于金诱导非晶硅结晶的低温键合方法，其特征在于：在所述键合的步骤中，所述施加压力的时间为0.5～3小时。

6.根据权利要求1所述的基于金诱导非晶硅结晶的低温键合方法，其特征在于：在所述退火的步骤中，退火的温度为250～300℃。

7.根据权利要求1所述的基于金诱导非晶硅结晶的低温键合方法，其特征在于：所述上基板为单晶硅片、玻璃或GaN材料。

8.根据权利要求1所述的基于金诱导非晶硅结晶的低温键合方法，其特征在于：所述下基板为单晶硅片、玻璃或GaN材料。