CN1933096B - 一种低温晶片直接键合方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及晶片直接键合技术领域，提供的是一种利用低温键合技术将InP基材料键合到Si表面的方法。单面抛光的Si和InP晶片，在通过有机溶剂去除覆盖在表面的一层疏水性的有机物的处理后，再对InP和Si分别进行表面除杂质离子、除碳和表面清水性处理，之后进行预键合。再将经过预键合的晶片对置于一真空温控加热加压炉系统内，施加一适当温度和适当压力的热处理，以驱除键合界面的水气。之后对键合片进行减薄处理，再对晶片进行进一步不加压力的驱除界面残留气体的热处理，随后对键合片进行旨在提高界面键合能的更高温度热处理。最后对键合片进行去InP衬底腐蚀。本发明可广泛应用于微电子和硅基光电子领域。

Description

一种低温晶片直接键合方法

技术领域

本发明涉及晶片键合技术领域，特别是一种低温晶片键合方法。

背景技术

随着对III-V族半导体材料的越来越广泛的应用，利用晶片键合方法实现III-V族半导体材料与Si的键合吸引了越来越多人的兴趣。对晶格不匹配和热膨胀系数大失配的Si和InP和GaAs材料进行键合以制备成Si基长波长激光器或者光子晶体的报道早前已经有过。Hiroshi Wada等利用lift-off方法实现了将InP基长波长垂直腔面发射激光器键合在Si上并成功激射，“Room-Temperature Photo-Pumped Operation of 1.58-μmVertical-Cavity Lasers Fabricated on Si Substrates Using WaferBonding，”IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS，Vol.8：11，pp.1426-1428(1996)。Shinpei Ogawa等利用多层键合方法实现了InP基三维光子晶体在GaAs上的键合，“Analysis of thermal stress in waferbonding of dissimilar materials for the introduction of anInP-based light emitter into a GaAs-based three-dimensionalphotonic crystal，”Appl.Phys.Lett.，Vol.82：20，pp.3406-3406(2003)。但是这两者的键合温度都比较高，前者的键合温度在400℃，后者更高，在525℃左右。我们在前面实验过程中曾经利用比较高温度(400℃以上)对晶片进行热处理，虽然也有过成功键合的例子，但是可重复性很低，为解决高温键合热膨胀系数大失配形成的大的应力从而导致的解键合问题，我们研究出了本发明中的低温键合方法。前面也有童勤义等在低温键合方法方面有过相当多的研究。他们主要是利用等离子体对晶片表面进行清洗和激活，增加晶片表面的悬挂键以增加低温键合界面键合能，同时利用注氢智能剥离方法在较低温度下将衬底剥离。童勤义曾利用B₂H₆等离子体对p-型Si表面进行处理，在200℃热处理下，InP-Si界面键合能达到超过InP体材料强度(630mJ/m²)以上的键合能(695mJ/m²)。这样高的键合能完全满足其后的器件制作工艺，同时因为热处理温度只有200℃，所引起的应力在临界应力以下，不会造成解键合问题。但是该实验对实验仪器和方法要求都相当高。此外还有合金键合如利用Cu-Cu直接键合，Au-Au扩散键合，In-Sn、Cu-Ti、AuGeNiCr合金键合等，键合温度与合金成分相关，在一些特定器件制作上有应用。

综上所述，前面有一些研究者在高温下进行过键合实验，并取得一些成果，但是高温下键合因为热膨胀系数差所造成的应力和解键合问题仍然是不容忽视的。也有一些研究人员利用等离子体辅助方法和智能剥离方法等先进的实验手段，在低温键合条件下获得了较高键合能，但是对先进实验条件和环境的依赖性也比较高。本发明的目的在于针对上面两种情况，在对设备条件和实验环境要求不高的情况下，利用发明中的低温键合方法手段，成功地将III-V族化合物键合在Si上，所获得的键合界面界面能能够满足下步器件制作工艺要求。

发明内容

本发明是对含不同晶格常数和热膨胀系数的半导体晶片进行低温键合，以进行下步器件制作工艺的一种方法。本发明对材料表面粗糙度要求甚高，一般以表面均方根粗糙度(RMS)评定晶片表面粗糙度优劣，此键合工艺中要求RMS≤0.5nm，因此，本发明非常重视对晶片表面的保护，其一系列清洗和化学处理过程不会对晶片表面粗糙度造成大的影响。

本发明提供的是一种利用低温键合方法将InP基材料键合到Si表面。单面抛光的Si和InP晶片，在通过有机溶剂去除覆盖在表面的一层疏水性的有机物的处理后，再对InP和Si分别进行表面除杂质离子、除碳和表面亲水性处理，之后进行预键合。再将经过预键合的晶片对置于一真空温控加热加压炉系统内，施加一适当温度和适当压力的热处理，以驱除键合界面的水气。之后对键合片进行减薄处理，再对晶片进行进一步不加压力的驱除界面残留气体的热处理，随后对键合片进行旨在提高界面键合能的更高温度热处理。最后对键合片进行去InP衬底腐蚀。本发明不但突破了键合方法一直要求在超高真空或者超净环境下进行的环境要求，而且突破了国内外一些专家提出的利用特殊等离子体处理晶片表面才能达到的低温键合能，为硅基光电子集成的实现提供了方法基础，且对实验环境和实验仪器的要求不高，可广泛应用于微电子和硅基光电子领域。

在本发明的实验过程中使用的InP片是含InGaAsP量子阱外延层结构的MOCVD生长的外延结构片，在最靠近InP衬底的一层外延层是约30nm左右的刻蚀阻挡层InGaAsP层，晶片最表面是约1.5μm厚的InP层。所使用的Si片是2英寸、280μm厚、电阻率为1-50Ω、单面抛光的p-型Si，实验中InP外延片和Si片的表面RMS≤0.5nm。

本发明是对含不同晶格常数和热膨胀系数的半导体晶片进行低温键合，以进行下步器件制作工艺的一种方法。前面以单一材料为例对本发明进行了说明，但不构成对本发明的限制。

本发明可直接应用于硅基光电子器件制作领域，如将长波长的InP或GaAs基的激光器或者探测器等键合到Si晶片的表面，或者将InP基的激光器与GaAs基衬底相键合等。这些键合材料在晶格和热膨胀系数差上都存在很大的不匹配，本发明提供的低温键合方法突破这两者的材料限制。

技术方案

一种低温晶片键合方法，单面抛光的Si和InP晶片，在通过有机溶剂去除覆盖在表面的一层疏水性的有机物的处理后，再对InP和Si分别进行表面除杂质离子、除碳和表面亲水性处理，之后进行预键合，再将经过预键合的晶片对置于一真空温控加热加压炉系统内，施加一适当温度和适当压力的热处理，以驱除键合界面的水气，之后对键合片进行减薄处理，再对晶片进行进一步不加压力的驱除界面残留气体的热处理，随后对键合片进行旨在提高界面键合能的更高温度热处理，最后对键合片进行去InP衬底腐蚀。

其具体步骤包括：清洗和表面处理，热处理，腐蚀：

一.清洗和表面处理：

(1)对晶片的清洗过程：

1)将通过解理的晶片用去离子水反复冲洗，煮洗，超声清洗，这个过程的目的是初步清除表面吸附的颗粒；

2)用乙醇，丙酮，三氯乙烯，四氯化碳按顺序依次来回煮洗2-4遍，最后用乙醇煮洗完后用去离子水反复冲洗，以清除表面有机物污染；

3)用去离子水煮洗若干遍，然后用去离子水超声清洗，以避免有机清洗过程中有机溶剂带入的污染；

(2)将经过前面清洗的晶片分置不同容器内，进行不同的化学处理：

1)对InP衬底的处理过程：将晶片用去离子水反复冲洗后将水倒干，用1-10％wt氢氟酸25℃处理1-10秒钟，以去除表面氧化物；之后反复用去离子水清洗1-10分钟，超声清洗约1-5分钟，随后进行表面除碳元素处理，最后是表面亲水性处理；

2)对Si晶片的处理过程：去离子水反复冲洗后，用2号溶液进行表面除杂质吸附，主要是除离子型和原子型杂质的化学吸附，清洗后用1-10％wt氢氟酸溶液常温处理1-10秒，以清除Si表面一层约数纳米的疏松的氧化层，这层氧化层极易将吸附的杂质网罗在层内，其后再用去离子水清洗，接下来进行清除晶片表面碳元素污染的清洗过程；再用改进的1号溶液80℃处理8-15分钟，重新在Si表面形成一层极薄的氧化膜，并形成亲水性表面；

二.热处理：

1)两不同类型的晶片被再次置于同容器内，反复清洗后两晶片在去离子水中贴合和对准晶向，倒干水后，贴合好的晶片被置于恒温干燥箱中进行40℃～90℃之间的低温预键合，此预键合时间在数小时以上，加10-40N/cm²的垂直表面压力效果更佳；

2)预键合后的晶片进行120℃～160℃之间的低温键合，此键合过程要求时间稍长；

3)在键合晶片界面尚未形成原子成键结合前对晶片进行减薄处理，将键合片InP衬底一面减薄至30-100μm；

4)对减薄后的晶片再进行低温热处理，在40℃～90℃处理1～10小时，随后升温至120℃～160℃处理1～10小时，这个低温阶段时间宜适当延长，以使键合界面残余气体尽量释放，避免在界面产生气泡，此热处理过程不施加任何压力；

5)在前面温度基础上继续升温，使界面水分子完全逸出，界面形成原子键结合；

6)在键合的热处理过程中，升温过程要求相当缓慢，0.1℃-0.5℃/分钟左右，以利于键合界面的水气和其他气体的缓慢逸出；

7)为了最大限度增加低温键合情况下的界面键合能，需要比较长的键合时间；

三.腐蚀：

1)用胶将键合界面四周密封，以防止盐酸钻蚀界面；

2)将键合好的晶片用纯盐酸∶水＝3∶1的腐蚀液进行腐蚀去衬底，若磷酸不对晶片表面有影响，可用纯盐酸∶纯磷酸＝3∶1的腐蚀液进行腐蚀效果更佳；

3)去除密封胶，清洗干净键合片表面残余盐酸，再用有机溶剂将晶片清洗干净。

本发明在对设备条件和实验环境要求不高的情况下，利用发明中的低温键合方法手段，成功地将InP化合物键合在Si上，所获得的键合界面界面能能够满足下步器件制作工艺要求。

附图说明

图1是键合晶片结构和键合过程示意图。

图2是键合晶片界面成键随热处理温度变化示意图。

图3是InP-Si晶片键合温度与InP中导致位错产生的临界应力和键合中产生的热应力三者的关系图。

图4是Si-Si界面键合能与热处理时间-温度关系，由该关系可外推至III-V族化合物与Si键合的相同关系情况图。

图5A和图5B是InP晶片表面除碳污染前后除碳后碳元素含量对比图。

图6A和图6B分别是在未做任何清洗前的InP片和Si片表面的AFM图。

图7A和图7B分别是在经过一系列清洗和化学处理后的InP片和Si片表面的AFM图。

具体实施方式

图1含量子阱外延结构的InP基晶片与p-型Si晶片在经过清洗过程后键合在一起，再经过上述减薄和加热过程提高键合能。随后InP衬底用湿法腐蚀腐蚀掉。

图2(a)图表示在低温(100℃以下)预键合情况下，晶片界面间通过水分子形成的“氢桥”范德华结合；(b)图表示当温度升高到120-160℃左右时，界面水分子被部分蒸发，形成水分子的短程结合，这个时候界面表面能已经足够可以用以减薄晶片了；(c)图表示在200℃以上温度对键合片进行更高温度的处理时，界面水分子完全逸出，界面开始形成共价结合。

图3键合晶片因为材料热膨胀系数差而造成的热应力与导致键合界面产生位错的临界应力图。可见热应力导致界面产生位错的键合温度在280℃左右。

图4说明了键合界面能不但与键合温度相关，还与键合过程中的热处理时间相关，键合温度高时，表面能增加，热处理时间越长，表面能增加。

图5A表示经过有机溶剂处理的InP晶片表面XPS谱的C_1S峰。

图5B表示经过有机溶剂处理后，再经一系列亲水性处理后的InP晶片表面XPS谱的C_1S峰，与图5A比较可知，本发明所使用的对晶片处理过程可有效降低晶片表面的碳污染，而表面所吸附的碳氢化合物污染和吸附的颗粒是造成键合界面气泡的主要原因。

图6A和图6B分别是在未做任何清洗前的InP片和Si片表面的AFM图。

图7A和图7B分别是在经过一系列清洗和化学处理后的InP片和Si片表面的AFM图。可以看出，在经过晶片清洗过程后，InP和Si晶片表面的均方根粗糙度只有稍微的降低，RMS粗糙度都低于0.5nm，这对于保证键合能成功起着关键的作用。

Claims (2)

1.一种低温晶片键合方法，单面抛光的Si和InP晶片，在通过有机溶剂去除覆盖在表面的一层疏水性的有机物的处理后，再对InP晶片除表面氧化物、除碳元素和表面亲水性处理，对Si晶片除杂、除氧化层、除碳，除杂、重新形成氧化膜和形成亲水性表面，之后进行预键合，再将经过预键合的晶片对置于一真空温控加热加压炉系统内，施加一适当温度和适当压力的热处理，以驱除键合界面的水气，之后对键合片进行减薄处理，再对晶片进行进一步不加压力的驱除界面残留气体的热处理，随后对键合片进行旨在提高界面键合能的更高温度热处理，最后对键合片进行去InP衬底腐蚀。

2.根据权利要求1所述的低温晶片键合方法，其具体步骤包括：清洗和表面处理，热处理，腐蚀：

一.清洗和表面处理：

(1)对晶片的清洗过程：

1)将通过解理的晶片用去离子水反复冲洗，煮洗，超声清洗，这个过程的目的是初步清除表面吸附的颗粒；

2)用乙醇，丙酮，三氯乙烯，四氯化碳按顺序依次来回煮洗2-4遍，最后用乙醇煮洗完后用去离子水反复冲洗数分钟，以清除表面有机物污染；

3)用去离子水煮洗若干遍，然后用去离子水超声清洗数分钟，以避免有机清洗过程中有机溶剂带入的污染；

(2)将经过前面清洗的晶片分置不同容器内，进行不同的化学处理：

1)对InP衬底的处理过程：将晶片用去离子水反复冲洗后将水倒干，用1-10％wt氢氟酸25℃处理1-10秒钟，以去除表面氧化物；之后反复用去离子水清洗1-10分钟，超声清洗约1-5分钟，随后进行表面除碳元素处理，最后是表面亲水性处理；

2)对Si晶片的处理过程：去离子水反复冲洗后，用RCA2溶液进行表面除杂质吸附，主要是除离子型和原子型杂质的化学吸附，清洗后用1-10％wt氢氟酸溶液常温处理1-10秒，以清除Si表面一层约数纳米的疏松的氧化层，这层氧化层极易将吸附的杂质网罗在层内，其后再用去离子水清洗，接下来进行清除晶片表面碳元素污染的清洗过程；再用改进的RCA1溶液80℃处理8-15分钟，重新在Si表面形成一层极薄的氧化膜，并形成亲水性表面；

二.热处理：

1)两不同类型的晶片被再次置于同容器内，反复清洗后两晶片在去离子水中贴合和对准晶向，倒干水后，贴合好的晶片被置于恒温干燥箱中进行40℃～90℃之间的低温预键合，此预键合时间在数小时以上，加10-40N/cm²的垂直表面压力；

2)预键合后的晶片进行120℃～160℃之间的低温键合，此键合过程要求100小时左右的时间达到该温度域下的饱和键合能，低温热处理过程中施加一约10-40N/cm²左右的垂直晶片表面的压力；

3)在键合晶片界面尚未形成原子成键结合前对晶片进行减薄处理，将键合片InP衬底一面减薄至30-100μm；

4)对减薄后的晶片再进行低温热处理，在40℃～90℃处理1～10小时，随后升温至120℃～160℃处理1～10小时，以使键合界面残余气体尽量释放，避免在界面产生气泡，此热处理过程不施加任何压力；

5)在前面温度基础上继续升温，使界面水分子完全逸出，界面形成原子键结合；

6)在键合的热处理过程中，升温过程要求相当缓慢，0.1℃-0.5℃/分钟左右，以利于键合界面的水气和其他气体的缓慢逸出；

三.腐蚀：

1)用胶将键合界面四周密封，以防止盐酸钻蚀界面；

2)将键合好的晶片用纯盐酸∶水＝3∶1的腐蚀液进行腐蚀去InP衬底，若磷酸不对晶片表面有影响，用纯盐酸∶纯磷酸＝3∶1的腐蚀液进行腐蚀；

3)去除密封胶，清洗干净键合片表面残余盐酸，再用有机溶剂将晶片清洗干净。

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