CN1632925A - 晶片键合表面处理剂及晶片键合方法 - Google Patents

晶片键合表面处理剂及晶片键合方法 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了一种晶片键合工艺中的表面处理剂以及晶片键合方法，本发明所提供的表面处理剂是硫化物溶液，其溶质选自硫脲(CS(NH2) 2)，硫化氨((NH4) 2Sx)或氯化硫(S2Cl2)，溶剂选自硫化碳、四氯化碳、甲醇、乙醇、氨水，溶液浓度为0.1％～50％；本发明所提供的晶片键合方法，先将待键合的两块晶片在乙醇和丙酮中清洗，除去表面的油渍，将处理过的晶片置于本发明所提供的表面处理剂中水浴中加热后将两块晶片取出用夹具夹紧放入退火炉中进行热处理，实现在较低的热处理温度下，半导体晶片间的高质量键合，并且环保。

Description

晶片键合表面处理剂及晶片键合方法
技术领域
本发明涉及一种晶片键合工艺中的表面处理剂以及使用这种表面处理剂进行晶片键合的方法。通过本发明所提供的晶片键合方法利用本发明所提供的表面处理剂处理待键合晶片表面，可以在较低的热处理温度下，实现半导体晶片的低成本、高质量键合。
背景技术
随着光电子集成技术的飞速发展，由于不同的材料在光学特性、电学特性和机械特性等方面各具优势，实现不同材料间的集成，将能大大提高光电子器件的功能和集成度。但是对于两种晶格常数差异较大的材料，目前的外延生长工艺还很难实现两者间的高质量集成，即异质生长。于是，一种新的技术——晶片键合技术(Wafer bonding)孕育而生了。
晶片键合技术是指将两片表面平整的晶片，通过表面清洁和表面处理后，面对面贴紧，然后经过高温热处理(即退火)，在两个晶片的界面产生化学键，使得两个晶片高强度地结合在一起。它的优势在于：由晶格失配导致的缺陷仅局限于键合界面，不会迁移至器件的有源区而影响器件的性能，因此能够实现不同晶格常数的材料间的集成；同时键合界面的原子级结合使得器件具有良好的电学、光学特性和高的机械强度。
但是在目前的键合工艺中，其退火温度通常在500℃～700℃之间，这么高的温度将导致晶片中原子的扩散、界面缺陷的扩散以及器件性能的劣化；同时由于两种材料的热涨系数不同，热处理中升温和冷却过程所产生的大应力，会使得键合的晶片分开甚至断裂。
为了降低晶片键合的温度，通常采取三种办法：采用等离子体激活晶片的表面，使得在较低的温度下实现高强度的结合；采用粘合剂，如硅胶等；采用表面处理剂处理晶片表面，以提高晶片表面活性。对于第一种方法，对环境和设备的要求较高，因此成本较为昂贵；对于第二种方法，在晶片间会引入厚的胶体层(约0.1～1.0微米厚)，厚的胶体层会造成器件的导电性能和光学性能劣化；至于第三种方法，目前通常使用的硒化物溶液有剧毒。
发明内容
本发明的目的在于解决上述的技术难题，提供可以实现在较低的热处理温度下，半导体晶片间的高质量键合，并且环保低毒的晶片键合工艺中的表面处理剂。
本发明另一目的在于提供使用所述表面处理剂进行晶片键合方法。
本发明所提供的晶片键合表面处理剂是硫化物溶液，其溶质选自硫脲(CS(NH2)2)，硫化氨((NH4)2Sx)或氯化硫(S2Cl2)，其中硫化氨((NH4)2Sx)的X＝1～6；溶剂选自硫化碳、四氯化碳、甲醇、乙醇或氨水，溶液浓度为0.1％～50％，溶液浓度优选为5％～20％，所述的溶质优选为硫脲，所述的溶剂优选为氨水。最优选为10％的硫脲/氨水溶液。
本发明所提供的晶片键合方法，包括如下的工艺步骤：
a.将待键合的两块晶片在乙醇和丙酮中清洗，除去表面的油渍；
b.在容器中配制本发明所提供的表面处理剂；
c.将步骤a中处理过的晶片置于表面处理剂中在30℃～100℃的水浴中加热，加热时间不少于1分钟；
d.将两块晶片面对面贴紧取出，并用夹具夹紧；
e.将夹好的晶片和夹具一起放入退火炉中进行热处理，处理温度为260℃～500℃，处理时间不少于10分钟。
其中步骤a中两块晶片之一的表面上可以外延生长了器件结构，步骤c所述的水浴温度优选为60℃～100℃，加热时间优选为10～60分钟，步骤e中热处理温度优选为360℃～380℃，处理时间优选为0.5～2小时。
经过大量的实验证明，利用本发明所提供的晶片键合表面处理剂，待键合的半导体晶片如砷化镓(GaAs)，磷化铟(InP)或硅片(Si)的表面氧化层可以被去除，并且在晶片表面生成致密的硫化物层。由于硫可以和晶片的原子(如Ga，As，Si或In原子)在较低的温度下反应生成共价键，从而实现两晶片间高强度的结合。
本发明所提供的硫化物溶液晶片键合表面处理剂与现在使用的剧毒性硒化物表面处理剂相比，具有无毒或者低毒环保的优点。
本发明所提供的晶片键合方法中，晶片置于本发明所提供的表面处理剂中水浴加热经过一段时间后，能够除去晶片表面的氧化层，并在晶片表面上吸附硫化物。
而且由于硫可以和晶片的原子(如Ga，As，Si或In原子)在较低的温度下反应生成共价键，甚至在360℃以下的热处理温度下就能实现GaAs和InP或硅晶片间高强度的结合，远远低于500℃～700℃常规退火温度，由于退火温度大大降低，不但降低了生产成本，也降低了因为高温下晶片中原子的扩散、界面缺陷的扩散以及器件性能的劣化，热处理中升温和冷却过程所产生的应力也因为热处理温度的降低而降低，减低了键合的晶片分开甚至断裂的风险。
键合好的GaAs/InP晶片截断面扫描电子显微镜图像(SEM)，如图1所示。从图中可以看出，GaAs晶片和InP晶片已经紧紧的结合在一起，断裂的截面非常平整(不是按着各自的晶向裂开)，这说明晶片间形成了牢固的共价键，这也说明本发明所提供的晶片表面处理剂和晶片键合方法能很好的实现晶片的牢固键合，并且降低了成本，提高了产品质量。
附图说明
图1键合好的GaAs/InP晶片截断面电子显微镜图像。
具体实施方式
现在通过下列的具体实施例进一步解释说明本发明所提供的晶片键合表面处理剂和晶片键合方法，这些实施例并非限制本发明的保护范围，所有根据本发明的概念所做的变换，其所产生的功能作用仍未超出本发明所涵盖的精神时，均在本发明的保护范围。
在下列的实施例中，在InP晶片的表面上外延生长了器件结构，使用的夹具由螺母、夹板和半球形石墨块组成，旋转螺母的松紧可以调整夹板对晶片所施加的压力大小，而半球形石墨压块则使得夹板所施加的压力均匀地分布在晶片上。
实施例1：
a.将待键合的InP晶片和GaAs晶片在乙醇和丙酮中反复清洗，除去表面的油渍；
b.将氯化硫按0.5％的比例溶于四氯化碳里，配制成表面处理剂；
c.将晶片置于表面处理剂中，30℃下水浴加热80分钟；
d.将两块晶片面对面贴紧取出，并用夹具夹紧；
e.将夹好的晶片和夹具一起放入退火炉中进行热处理，在500℃的热处理温度下保持10分钟，实现晶片间高强度的结合。
实施例2：
a.将待键合的InP晶片和GaAs晶片在乙醇和丙酮中反复清洗，除去表面的油渍；
b.将氯化硫(S2Cl2)按5％的比例溶于四氯化碳里，配成表面处理剂；
c.将晶片置于表面处理剂中，45℃下水浴加热60分钟；
d.将两块晶片面对面贴紧取出，并用夹具夹紧；
e.将夹好的晶片和夹具一起放入退火炉中进行热处理，在450℃的热处理温度下保持10分钟，实现晶片间高强度的结合。
实施例3：
a.将待键合的InP晶片和Si晶片在乙醇和丙酮中反复清洗，除去表面的油渍；
b.将硫化氨((NH4)2S)以10％的比例溶于乙醇里，配成表面处理剂；
c.将晶片置于表面处理剂中，50℃下水浴加热40分钟；
d.将两块晶片面对面贴紧取出，并用夹具夹紧；
e.将夹好的晶片和夹具一起放入退火炉中进行热处理，热处理温度为380℃处理时间为1小时，实现晶片间高强度的结合。
实施例4：
a.将待键合的InP晶片和Si晶片在乙醇和丙酮中反复清洗，除去表面的油渍；
b.将硫化氨((NH4)2S6)以15％的比例溶于氨水，配成表面处理剂；
c.将晶片置于表面处理剂中，60℃下水浴加热40分钟；
d.将两块晶片面对面贴紧取出，并用夹具夹紧；
e.将夹好的晶片和夹具一起放入退火炉中进行热处理，热处理温度为380℃处理时间为1.5小时，实现晶片间高强度的结合。
实施例5：
a.将待键合的InP晶片和Si晶片在乙醇和丙酮中反复清洗，除去表面的油渍；
b.将硫脲以10％的比例溶于氨水里，配制成表面处理剂；
c.将晶片置于表面处理剂中，70℃下水浴加热20分钟；
d.将两块晶片面对面贴紧取出，并用夹具夹紧；
e.将夹好的晶片和夹具一起放入退火炉中进行热处理，热处理温度为360℃处理时间为1.5小时，实现晶片间高强度的结合。
实施例6：
a.将待键合的InP晶片和GaAs晶片在乙醇和丙酮中反复清洗，除去表面的油渍；
b.将硫脲按20％的比例溶于氨水里，配制成表面处理剂；
c.将晶片置于表面处理剂中，80℃水浴加热10分钟；
d.将两块晶片面对面贴紧取出，并用夹具夹紧；
e.将夹好的晶片和夹具一起放入退火炉中进行热处理，热处理温度为360℃，处理时间为2小时，实现晶片间高强度的结合。
实施例7：
a.将待键合的InP晶片和GaAs晶片在乙醇和丙酮中反复清洗，除去表面的油渍；
b.将硫脲按50％比例溶于氨水，配制成表面处理剂；
c.将晶片置于表面处理剂中，100℃水浴加热1分钟；
d.将两块晶片面对面贴紧取出，并用夹具夹紧；
e.将夹好的晶片和夹具一起放入退火炉中进行热处理，在260℃的热处理温度下保持2.5小时，实现晶片间高强度的结合。

Claims (9)

1、一种晶片键合表面处理剂，其中，所述的表面处理剂为硫化物溶液，所述硫化物溶液的溶质选自硫脲(CS(NH2)2)、硫化氨((NH4)2Sx)或氯化硫(S2Cl2)。
2、根据权利要求1所述的晶片键合表面处理剂，其中所述溶质中硫化氨((NH4)2Sx)的X＝1～6。
3、根据权利要求1所述的晶片键合表面处理剂，其中所述硫化物溶液的溶剂选自硫化碳、四氯化碳、甲醇、乙醇或氨水。
4、根据权利要求1～3任一所述的晶片键合表面处理剂，其中所述硫化物溶液的浓度为0.1％～50％。
5、根据权利要求4所述的晶片键合表面处理剂，其中所述硫化物溶液的浓度为5％～20％。
6、根据权利要求5所述的晶片键合表面处理剂，其中所述的硫化物溶液为硫脲的氨水溶液，浓度为10％。
7、一种晶片键合方法，包括如下的工艺步骤：
a.将待键合的两块晶片在乙醇和丙酮中清洗，除去表面的油渍；
b.在容器中配制如权利要求1所述的表面处理剂；
c.将步骤a中处理过的晶片置于步骤b中制备的表面处理剂中在30℃～100℃的水浴中加热，加热时间不少于1分钟；
d.将两块晶片面对面贴紧取出，并用夹具夹紧；
e.将夹好的晶片和夹具一起放入退火炉中进行热处理，处理温度为260℃～500℃，处理时间不少于10分钟。
8、根据权利要求7所述的晶片键合方法，其中步骤c所述的水浴温度为60℃～100℃，加热时间为10～60分钟。
9、根据权利要求7所述的晶片键合方法，其中步骤e中热处理温度为360℃～380℃，处理时间为0.5～2小时。
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