CN103183308B - Al-Ge键合方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种改进的Al‑Ge键合方法，包括提供具有图案化的Ge顶层的第一晶片；提供具有图案化的Al的第二晶片；对准步骤，将第一晶片与第二晶片对准；吹扫步骤，通入合成气吹扫晶面，所述合成气包括还原性气体和惰性的气体；抽真空步骤，将键合腔的压力降至0.1mBar以下的真空，键合腔温度420～450℃；和键合步骤，对第一晶片和第二晶片施加力，温度升至高于Al‑Ge共晶点5～30℃。

Description

Al-Ge键合方法
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及Al-Ge键合方法。
背景技术
晶片级MEMS(微电子机械系统)键合技术在许多领域已经应用多年。近年来，MEMS消费类产品市场爆发性增长，使得这一领域需要提供体积更小、成本更低的产品。
熔融键合技术主要过程同亲水性晶片键合的方法流程。其中晶片表面的平整度、粗糙度和化学吸附状态是影响键合质量的内在因素，而键合温度和时间是影响键合强度的外在因素。由于热键合的高温退火不可避免地造成杂质的互扩散、引入热应力以及空洞和缺陷的产生。因此热键合技术对晶片表面的粗糙度和完整性要求较高，不适宜键合含有铝的金属物器件。
低共熔体键合是指在键合的晶片的界面上采用溅射或者蒸发的方法蒸上一层熔点较低的金属，以这层金属为键合介质的键合技术。所采用的共熔体的熔点温度一般较低，如AuBe、AuSi合金等，其作用是为了在较低的退火温度下完成材料性质差别较大的金属之间的键合。
然而由于Au成本太高，期望采用成本较低的金属代替Au。Al是一种成本较低的金属，但是Al-Si共晶温度比较高，而且Al容易氧化，因此业界一直不考虑Al的使用。
本发明人发现，Al-Ge合金的共晶温度可以满足使用要求，但Al和Ge较易氧化，Al和Ge表面一旦有了这些金属氧化物，它们的键合效果就会变差，主要体现在粘合力就大大降低了。
发明内容
因此，需要对Al-Ge键合方法进行改进，以提高键合效果。
本发明的第一个方面涉及一种改进的Al-Ge键合方法，其特征在于，提供具有图案化的Ge顶层的第一晶片；
提供具有图案化的Al的第二晶片；
对准步骤，将第一晶片与第二晶片对准；
吹扫步骤，通入合成气吹扫晶面，所述合成气包括还原性气体和惰性的气体；
抽真空步骤，将键合腔的压力降至0.1mBar以下的真空，键合腔温度420～450℃；和
键合步骤，对第一晶片和第二晶片施加力，温度升至高于Al-Ge共晶点5～30℃。
根据本发明的一个实施方式，所述还原性气体为H2。
根据本发明的一个实施方式，所述惰性的气体为N2。
根据本发明的一个实施方式，所述合成气体包括90～97vol％的N2和10～3vol％的H2。
根据本发明的一个实施方式，所述吹扫步骤和抽真空步骤至少交替进行2轮。
根据本发明的一个实施方式，所述抽真空步骤中，键合腔的压力降至0.05mBar以下的真空。
根据本发明的一个实施方式，在所述对准步骤中，在第一晶片和第二晶片之间插入间隔体以将两晶片分离；在键合步骤中，将所述间隔体除去。
本发明的第二个方面涉及一种改进的Al-Ge键合方法，其特征在于，
在键合步骤前对晶片进行退火处理，退火温度为350～420℃。
该退火步骤用于减少器件晶片(devicewafer)的放气，所述放气包括Ar气和水汽。
附图说明
本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中，
图1是根据本发明的一个实施方式的Al-Ge键合方法的流程图。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
为了彻底了解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤和结构，以便说明本发明是如何解决现有技术中Al-Ge键合方法键合效果差的问题。显然，本发明的施行并不限定于半导体领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
图1是根据本发明的一个实施方式的Al-Ge键合方法的流程图，其包括提供具有图案化的Ge顶层的第一晶片；提供具有图案化的Al的第二晶片；对准步骤；吹扫步骤；抽真空步骤；和键合步骤。
图案化的Ge顶层的厚度一般为0.5～1μm，图案化的Al层的厚度与Ge层的厚度相当，一般也为0.5～1μm。
在对准步骤中，在第一晶片和第二晶片之间插入间隔体以将两晶片分离；在键合步骤中，将所述间隔体除去。对用作间隔体的材料没有特别的要求，只要比较硬就可以，例如金属材料。间隔体厚度为100μm～200μm。
在吹扫步骤中，合成气包括还原性气体和惰性的气体。合成气以过压1.5～2.5bar通入键合腔，优选为2bar。
还原性气体用于将Al和Ge表面的氧化物还原，常用的还原性气体为H2。
惰性的气体用于吹扫晶片表面，去除表面尘污、水汽、有机气体等，常用的惰性的气体为N2。惰性的气体的使用能够提高键合后的真空质量。
从成本和效果两方面考虑，还原性气体和惰性的气体的比例为3～10vol％∶97～90vol％，优选为4～5vol％∶96～95vol％，最优选5vol％∶95vol％。
抽真空和键合步骤均为常规方法，在市售的晶片键合机(例如，ElectronicVisionsGroup，Inc.或SussMicrotec，Inc.的产品)中即可实现。在抽真空步骤之前，两个晶片的温度大于100℃。
退火步骤是在抽真空步骤之后，键合步骤之前进行的，退火温度为350～420℃。该退火步骤在惰性的气体环境下进行，不可以使用前述合成气环境，大约进行1～2小时。这一步骤有利于驱逐出层间的羟基和挥发性气体以及之前工艺中附着的气体，减少后续器件晶片放气，促进衬底层与器件层之间更强更稳定的界面。
实施例1
将的具有图案化的1μm的Ge顶层的第一晶片与具有图案化的1μm的Al的第二晶片在SUSSMicroTecBA8对准器中对准，第二晶片的Al上有5μm的Ge层，第一晶片和第二晶片中插入200μm厚的间隔体以确保两个晶片呈分离状态。
将对准的晶片传递到SUSSMicroTecCB8键合机进行晶片键合，通过吹扫线路引入含95vol％N2和5vol％H2的合成气。抽真空到小于0.05mBar。再次引入合成气达到过压2Bar。然后，再次抽真空。晶片温度大于100℃。
当真空度达到规定值，移除间隔体，并在晶片上施加15～40kN的力，然后升温至435℃左右。这一过程大约持续15～30mins。
实施例2
用与实施例1相同的晶片以与实施例1相同的方法制备键合的晶片，不同在于在键合步骤前进行退火步骤，退火温度为420℃，退火时间2小时。
键合之前，使用RGA(残余气体分析仪)进行分析，测量释放的Ar和水汽。
RGA的结果表明：经历了退火步骤的晶片与未经过退火步骤的晶片相比：经历了退火步骤的晶片Ar的释放量明显比未经过退火步骤的晶片少很多。这样就能保证在键合过程中释放的Ar和水汽的量尽可能地少，提高了键合的效果。
通过剪切力测试显示，与未经过上述步骤的Al-Ge键合晶片相比，按照本发明方法处理过的Al-Ge键合晶片的剪切力为未处理的Al-Ge键合晶片的2～3倍。这说明本发明的方法能够极大地提高Al-Ge键合晶片的键合强度。
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (10)

1.一种改进的Al-Ge键合方法，其包括：
提供具有图案化的Ge顶层的第一晶片；
提供具有图案化的Al的第二晶片；
对准步骤，将第一晶片与第二晶片对准；
吹扫步骤，通入合成气吹扫晶面，所述合成气包括还原性气体和惰性的气体；
抽真空步骤，将键合腔的压力降至0.1mBar以下的真空，键合腔温度420～450℃；和
键合步骤，对第一晶片和第二晶片施加力，温度升至高于Al-Ge共晶点5～30℃；
其中在所述抽真空步骤之后，所述键合步骤之前，对晶片进行退火处理，退火温度为350～420℃。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述还原性气体为H2。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述惰性的气体为N2。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述合成气体包括90～97vol％的N2和10～3vol％的H2。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述吹扫步骤和抽真空步骤至少交替进行2轮。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述抽真空步骤中，键合腔的压力降至0.05mBar以下的真空。
7.根据权利要求1所述的方法，其中在所述对准步骤中，在第一晶片和第二晶片之间插入间隔体以将两晶片分离；在键合步骤中，将所述间隔体除去。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述退火步骤用于减少器件晶片的放气。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述放气包括Ar气和水汽。
10.一种改进的Al-Ge键合方法，其特征在于，在抽真空步骤之后，在键合步骤前对晶片进行退火处理，退火温度为350～420℃。
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