CN110092348B

CN110092348B - 一种共晶键合结构及共晶键合方法

Info

Publication number: CN110092348B
Application number: CN201810092061.3A
Authority: CN
Inventors: 丁刘胜; 王诗男; 游家杰; 李盈
Original assignee: Shanghai Industrial Utechnology Research Institute
Current assignee: Shanghai Industrial Utechnology Research Institute
Priority date: 2018-01-30
Filing date: 2018-01-30
Publication date: 2021-12-24
Anticipated expiration: 2038-01-30
Also published as: CN110092348A

Abstract

本申请提供一种共晶键合结构和共晶键合方法，该共晶键合方法包括：在第一基片形成由第一材料形成的连同的第一主键合图形和第一补充键合图形；在第二基片形成由第二材料形成的连同的第二主键合图形和第二补充键合图形，第一材料不同于第二材料；将第一基片和第二基片加热至第一预定温度，并施加预定压力，使第一主键合图形和第二主键合图形、第一补充键合图形和第二补充键合图形共晶熔化；将第一基片和第二基片降温至第二预定温度，其中，第一补充键合图形和第二补充键合图形的共晶熔化温度低于第一主键合图形和第二主键合图形的共晶熔化温度，第一主键合图形和第二主键合图形的共晶熔化温度低于第一预定温度。根据本申请，能提高共晶键合的质量。

Description

一种共晶键合结构及共晶键合方法

技术领域

本申请涉及半导体技术领域，尤其涉及一种共晶键合结构及共晶键合方法。

背景技术

晶圆级键合技术广泛的应用于微机电系统(MEMS)器件的制造工艺中，其中，铝-锗(Al-Ge)共晶键合不仅可以提供较好的密封性，而且可以进行引线互联，因此被越来越多地应用于MEMS工艺中。

图1是Al-Ge共晶键合的原理示意图。如图1所示，第一基片1表面具有由Ge形成的第一键合图形11，第二基片2表面具有由Al形成的第二键合图形21。在键合设备中，第一键合图形11和第二键合图形21对准放置，第一基片1和第二基片2被加热和加压，使得第一键合图形11和第二键合图形21共晶融化，形成共晶材料3；随后对第一基片1和第二基片2降温，共晶材料3凝固，从而通过共晶材料3在第一基片和第二基片之间形成共晶键合。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

发明内容

本申请的发明人发现，由于柯肯达尔效应，Al-Ge在共晶键合后，会在共晶材料3中形成一些空洞等缺陷，而这些缺陷会影响键合的气密性和稳定性，并进一步影响MEMS器件等半导体器件的气密性和稳定性。

本申请提供一种共晶键合结构及共晶键合方法，在共晶键合过程中，使补充键合图形中的共晶材料流动到主键合图形中，从而减少主键合图形中的空洞等缺陷，提高键合的气密性和稳定性。

根据本申请实施例的一个方面，提供一种共晶键合方法，包括：

在第一基片形成由第一材料形成的第一主键合图形，以及第一补充键合图形，所述第一主键合图形和所述第一补充键合图形连通；

在第二基片形成由第二材料形成的第二主键合图形，以及第二补充键合图形，所述第二主键合图形和所述第二补充键合图形连通，所述第一材料不同于所述第二材料；

将所述第一基片和所述第二基片加热至第一预定温度，并施加预定压力，使所述第一主键合图形和所述第二主键合图形共晶熔化，所述第一补充键合图形和所述第二补充键合图形共晶熔化；以及

将所述第一基片和所述第二基片降温至第二预定温度，其中，所述第一补充键合图形和所述第二补充键合图形的共晶熔化温度低于所述第一主键合图形和所述第二主键合图形的共晶熔化温度，所述第一主键合图形和所述第二主键合图形的共晶熔化温度低于所述第一预定温度。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述第一补充键合图形中第一材料与所述第二补充键合图形中第二材料的第一质量比例，不同于所述第一主键合图形中第一材料与所述第二主键合图形中第二材料的第二质量比例。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，通过第一主键合图形、第一补充键合图形、第二主键合图形，以及第二补充键合图形的线宽和/或厚度来调整所述第一质量比例和所述第二质量比例。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述第一材料是铝(Al)，所述第二材料是锗(Ge)，所述第二质量比例是47.4％-49.4％。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述第一质量比例是20％-47.4％或49.4％-80％，

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述第一主键合图形是封闭图形，所述第一补充键合图形位于所述封闭图形的内侧或外侧。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，在将所述第一基片和所述第二基片加热至第一预定温度，并施加预定压力以前，去除所述第一主键合图形和所述第一补充键合图表面的氧化层，和/或，所述第二主键合图形和所述第二补充键合图形表面的氧化层。

根据本申请实施例的又一个方面，提供一种共晶键合结构，包括：

第一基片，第二基片，以及位于所述第一基片和所述第二基片之间的键合图形；

所述键合图形具有：

第一共晶材料形成的主键合图形和第二共晶材料形成的补充键合图形，所述主键合图形和所述补充键合图形连通，所述第一共晶材料中各元素的种类和所述第二共晶材料中各元素的种类相同，所述第一共晶材料中各元素的质量比不同于所述第二共晶材料中各元素的质量比。

本申请的有益效果在于：在共晶键合过程中，使补充键合图形中的共晶材料流动到主键合图形中，从而减少主键合图形中的空洞等缺陷，提高键合的气密性和稳定性。

参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

所包括的附图用来提供对本申请实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本申请的实施方式，并与文字描述一起来阐释本申请的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1是Al-Ge共晶键合的原理示意图；

图2是本申请实施例1的共晶键合方法的一个示意图；

图3是本申请实施例1的第一基片和第二基片表面键合图形的一个示意图；

图4是Ge和Al的共晶相图；

图5是第一基片和第二基片通过图2所示的共晶键合方法键合在一起形成的共晶键合结构的一个截面示意图。

具体实施方式

参照附图，通过下面的说明书，本申请的前述以及其它特征将变得明显。在说明书和附图中，具体公开了本申请的特定实施方式，其表明了其中可以采用本申请的原则的部分实施方式，应了解的是，本申请不限于所描述的实施方式，相反，本申请包括落入所附权利要求的范围内的全部修改、变型以及等同物。

在本申请中，为了说明方便，将各基片的设置有键合图形的一面称为“上表面”，将基片的与该“上表面”相对的面称为“下表面”，由此，“上”方向是指从“下表面”指向“上表面”的方向，“下”方向与“上”方向相反，并且，将“上”方向与“下”方向统称为“纵向”，将与基片的“上表面”平行的方向称为“横向”，各层沿纵向的尺寸被称为“厚度”。需要说明的是，在本申请中，“上”和“下”的设定是相对而言，仅是为了说明方便，并不代表具体使用或制造该共晶键合结构的方位。

在本申请中，第一基片或第二基片可以是半导体制造领域中常用的晶圆，例如硅晶圆、绝缘体上的硅(Silicon-On-Insulator，SOI)晶圆、锗硅晶圆、锗晶圆或氮化镓(Gallium Nitride，GaN)晶圆、SiC晶圆等，也可以是石英、蓝宝石等绝缘性晶圆。另外，该基片也可以是半导体制造领域中常用的晶圆，在晶圆的表面上进一步具有半导体器件、MEMS器件所需的各种薄膜以及各种构造。此外，该基片的材料也可以是半导体制造领域中新出现的材料。本申请对此并不限制。

实施例1

本申请实施例1提供一种共晶键合方法。

图2是本实施例的共晶键合方法的一个示意图。如图2所示，该方法包括：

步骤201、在第一基片形成由第一材料形成的第一主键合图形，以及第一补充键合图形，所述第一主键合图形和所述第一补充键合图形连通；

步骤202、在第二基片形成由第二材料形成的第二主键合图形，以及第二补充键合图形，所述第二主键合图形和所述第二补充键合图形连通，所述第一材料不同于所述第二材料；

步骤203、将所述第一基片和所述第二基片加热至第一预定温度，并施加预定压力，使所述第一主键合图形和所述第二主键合图形共晶熔化，所述第一补充键合图形和所述第二补充键合图形共晶熔化；以及

步骤204、将所述第一基片和所述第二基片降温至第二预定温度。

在本实施例中，第一补充键合图形和第二补充键合图形的共晶熔化温度低于第一主键合图形和第二主键合图形的共晶熔化温度，第一主键合图形和第二主键合图形的共晶熔化温度低于第一预定温度。

在本实施例中，在第一预定温度下，第一补充键合图形和第二补充键合图形发生共晶熔化，成为液体，形成补充键合图形，第一主键合图形和第二主键合图形也发生共晶熔化，成为液体，并形成主键合图形；在降温过程中，第一主键合图形和第二主键合图形的共晶熔化温度较高，主键合图形的第一共晶材料首先凝固，第一补充键合图形和第二补充键合图形的共晶熔化温度较低，补充键合图形的第二共晶材料还处于液态，由于主键合图形和补充键合图形之间连通，液态的第二共晶材料可以流动到第一共晶材料处，对第一共晶材料中的空洞等缺陷进行填充；随着温度继续降低，第二共晶材料凝固；当温度降低到第二预定温度后，主键合图形的部分空洞被填充掉，质量增加，并且，由于部分第二共晶材料从补充键合图形流动到主键合图形，补充键合图形的空洞增加，质量降低。

根据本实施例，在共晶键合过程中，使补充键合图形中的共晶材料流动到主键合图形中，从而减少主键合图形中的空洞等缺陷，提高键合的气密性和稳定性。

在本实施例中，第一预定温度可以是共晶键合的温度，例如420℃-450℃；第二预定温度可以是室温；预定压力可以是5-100KN。

图3是第一基片和第二基片表面键合图形的一个示意图。如图3所示，第一基片31的上表面形成有第一主键合图形311和第一补充键合图形312，第一主键合图形311和第一补充键合图形312通过第一材料形成的通道313连通；第二基片32的上表面形成有第二主键合图形321和第二补充键合图形322，第二主键合图形321和第二补充键合图形322通过第二材料形成的通道323连通。

在本实施例中，如图3所示，第一主键合图形311可以是封闭图形，由此，可以通过第一主键合图形311进行密封。在本实施例中，第一补充键合图形312可以位于作为封闭图形的第一主键合图形311的内侧或外侧。在本实施例中，第二主键合图形321和第二补充键合图形322的形状可以分别与第一主键合图形311和第一补充键合图形312对应，由此，能够进行键合处理。此外，需要说明的是，图3中关于各键合图形的形状描述仅是示意，本实施例可以不限于此，各键合图形也可以有其他形状。

在本实施例中，第一补充键合图形312中第一材料与第二补充键合图形322中第二材料的第一质量比例，不同于第一主键合图形311中第一材料与第二主键合图形321中第二材料的第二质量比例，由此，第一补充键合图形312和第二补充键合图形322的共晶熔化温度不同于第一主键合图形311和第二主键合图形321的共晶熔化温度。

在本实施例中，可以通过设置第一主键合图形311、第一补充键合图形312、第二主键合图形321，以及第二补充键合图形322的线条宽度和/或厚度来调整该第一质量比例和该第二质量比例，从而控制相应的共晶熔化温度。此外，本实施例还可以通过调整其它参数来调整该第一质量比例和该第二质量比例，例如，可以调整各键合图形中的掺杂量等。

在本实施例中，该第一材料可以是铝(Al)，该第二材料可以是锗(Ge)，第二质量比例可以是47.4％-49.4％，第一质量比例是20％-47.4％或49.4％-80％。此外，本实施例可以不限于此，第一材料和第二材料也可以是其它的键合材料，第一质量比例和第二质量比例可以是其它数值。

下面，以Ge和Al为例，结合相图说明共晶键合的过程。

图4是Ge和Al的共晶相图。如图4所示，横轴是Ge-Al中Ge的质量百分比，纵轴是温度，线401对应的温度是421℃，该温度是Ge-Al共晶材料的最低熔点。线402对应的温度是键合温度，即，该第一预定温度。线403对应主键合图形中Ge的质量百分比，根据该Ge的质量百分可以计算出该第一质量比例，线403与相图的交点4031对应的温度T1为主键合图形的共晶熔化温度。线404对应补充键合图形中Ge的质量百分比，根据该Ge的质量百分可以计算出该第二质量比例，线404与相图的交点4041对应的温度T2为补充键合图形的共晶熔化温度。

如图4所示，在键和温度下(线402的位置)，主键合图形和补充键合图形都是液体。在降温过程中，首先到达主键合图形的共晶熔化温度T1，在该温度T1下，主键合图形开始凝固，液体减少，并且，由于T1高于补充键合图形的共晶熔化温度T2，补充键合图形依然还是液体；由于主键合图形区和补充键合图形是连通的，液体会从补充键合图形流到主键合图形，直到温度降低到T2，补充键合图形也开始凝固；最终冷却后，温度降低到线401对应的温度421℃以下，由此，主键合图形的质量增加，部分空洞被填充掉，补充键合图形的空洞增加，质量降低。

此外，如图2所示，本实施例的键合方法还可以包括：

步骤205、在将所述第一基片和所述第二基片加热至第一预定温度，并施加预定压力以前，去除所述第一主键合图形和所述第一补充键合图表面的氧化层，和/或，所述第二主键合图形和所述第二补充键合图形表面的氧化层。

由此，去除键合图形表面的氧化层，能够提高键合质量。

下面，以一个具体实施方式来说明本实施例的键合方法。

1、按照正常工序，在第一基片的上表面形成由Al形成的第一主键合图形，以及第一补充键合图形，第一主键合图形和所述第一补充键合图形连通；在第二基片形成由Ge形成的第二主键合图形，以及第二补充键合图形，第二主键合图形和第二补充键合图形连通。通过设置第一主键合图形和第二主键合图形的厚度，使得Al-Ge质量比例20％-47.4％之间，或者49.4％-80％之间；通过设置第一补充键合图形和第二补充键合图形的厚度，使得Al-Ge质量比例在47.4％-49.4％之间。

2、在干刻机台中，利用Ar(氩)电桨处理掉第一基片的第一主键合图形和第一补充键合图形表面的氧化层。

3、将电桨处理过的第一基片和第二基片送入键合机腔体，抽真空使得气压达到预定气压，升温至420-450℃，对第一基片和第二基片施加5-100KN的压力，保持压力，维持当前温度5-30分钟。

4、降低第一基片和第二基片的温度到410-430℃，释放压力。

5、通N₂(氮气)气体，继续降温至室温，从键合机腔体中取出键合在一起的第一基片和第二基片，放入片盒。

如图5所示，该共晶键合结构包括：第一基片31，第二基片32，以及位于第一基片和第二基片之间的键合图形500。

如图5所示，该键合图形500具有：第一共晶材料形成的主键合图形501和第二共晶材料形成的补充键合图形502。需要说明的是，在图5中，补充键合图形502位于主键合图形501的外侧，但本实施例并不限于此，补充键合图形502也可以位于主键合图形501的外侧(例如，按照图3所示的键合图形进行键合)，或者，补充键合图形502可以具有两部分，分别位于主键合图形501的外侧和内侧。

主键合图形501和补充键合图形502连通，第一共晶材料中各元素的种类和第二共晶材料中各元素的种类相同，例如，第一共晶材料和第二共晶材料都是由Al-Ge构成；第一共晶材料中各元素的质量比不同于第二共晶材料中各元素的质量比，由此，第一共晶材料和第二共晶材料具有不同的共晶熔化温度。

以上结合具体的实施方式对本申请进行了描述，但本领域技术人员应该清楚，这些描述都是示例性的，并不是对本申请保护范围的限制。本领域技术人员可以根据本申请的精神和原理对本申请做出各种变型和修改，这些变型和修改也在本申请的范围内。

Claims

1.一种共晶键合方法，包括：

将所述第一基片和所述第二基片降温至第二预定温度，

其中，所述第一补充键合图形和所述第二补充键合图形的共晶熔化温度低于所述第一主键合图形和所述第二主键合图形的共晶熔化温度，所述第一主键合图形和所述第二主键合图形的共晶熔化温度低于所述第一预定温度，

其中，

所述第一补充键合图形中第一材料与所述第二补充键合图形中第二材料的第一质量比例，不同于所述第一主键合图形中第一材料与所述第二主键合图形中第二材料的第二质量比例。

2.如权利要求1所述的方法，其中，

通过第一主键合图形、第一补充键合图形、第二主键合图形，以及第二补充键合图形的线宽和/或厚度来调整所述第一质量比例和所述第二质量比例。

3.如权利要求1所述的方法，其中，

所述第一材料是铝(Al)，所述第二材料是锗(Ge)，

所述第二质量比例是47.4％-49.4％。

4.如权利要求1所述的方法，其中，

所述第一质量比例是20％-47.4％或49.4％-80％。

5.如权利要求1所述的方法，其中，

所述第一主键合图形是封闭图形，所述第一补充键合图形位于所述封闭图形的内侧或外侧。

6.如权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括：

在将所述第一基片和所述第二基片加热至第一预定温度，并施加预定压力以前，去除所述第一主键合图形和所述第一补充键合图形表面的氧化层，和/或，所述第二主键合图形和所述第二补充键合图形表面的氧化层。

7.一种共晶键合结构，包括：

所述键合图形具有：

第一共晶材料形成的主键合图形和第二共晶材料形成的补充键合图形，

所述主键合图形和所述补充键合图形连通，

所述第一共晶材料中各元素的种类和所述第二共晶材料中各元素的种类相同，

所述第一共晶材料中各元素的质量比不同于所述第二共晶材料中各元素的质量比。

8.如权利要求7所述的共晶键合结构，其中，

所述主键合图形是封闭图形，所述补充键合图形位于所述封闭图形的内侧或外侧。