專利名稱：晶片鍵合表面處理劑及晶片鍵合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種晶片鍵合工藝中的表面處理劑以及使用這種表面處理劑進(jìn)行晶片鍵合的方法。通過本發(fā)明所提供的晶片鍵合方法利用本發(fā)明所提供的表面處理劑處理待鍵合晶片表面，可以在較低的熱處理溫度下，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體晶片的低成本、高質(zhì)量鍵合。
背景技術(shù)：
隨著光電子集成技術(shù)的飛速發(fā)展，由于不同的材料在光學(xué)特性、電學(xué)特性和機(jī)械特性等方面各具優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)不同材料間的集成，將能大大提高光電子器件的功能和集成度。但是對于兩種晶格常數(shù)差異較大的材料，目前的外延生長工藝還很難實(shí)現(xiàn)兩者間的高質(zhì)量集成，即異質(zhì)生長。于是，一種新的技術(shù)——晶片鍵合技術(shù)(Wafer bonding)孕育而生了。
晶片鍵合技術(shù)是指將兩片表面平整的晶片，通過表面清潔和表面處理后，面對面貼緊，然后經(jīng)過高溫?zé)崽幚?即退火)，在兩個晶片的界面產(chǎn)生化學(xué)鍵，使得兩個晶片高強(qiáng)度地結(jié)合在一起。它的優(yōu)勢在于由晶格失配導(dǎo)致的缺陷僅局限于鍵合界面，不會遷移至器件的有源區(qū)而影響器件的性能，因此能夠?qū)崿F(xiàn)不同晶格常數(shù)的材料間的集成；同時鍵合界面的原子級結(jié)合使得器件具有良好的電學(xué)、光學(xué)特性和高的機(jī)械強(qiáng)度。
但是在目前的鍵合工藝中，其退火溫度通常在500℃～700℃之間，這么高的溫度將導(dǎo)致晶片中原子的擴(kuò)散、界面缺陷的擴(kuò)散以及器件性能的劣化；同時由于兩種材料的熱漲系數(shù)不同，熱處理中升溫和冷卻過程所產(chǎn)生的大應(yīng)力，會使得鍵合的晶片分開甚至斷裂。
為了降低晶片鍵合的溫度，通常采取三種辦法采用等離子體激活晶片的表面，使得在較低的溫度下實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度的結(jié)合；采用粘合劑，如硅膠等；采用表面處理劑處理晶片表面，以提高晶片表面活性。對于第一種方法，對環(huán)境和設(shè)備的要求較高，因此成本較為昂貴；對于第二種方法，在晶片間會引入厚的膠體層(約0.1～1.0微米厚)，厚的膠體層會造成器件的導(dǎo)電性能和光學(xué)性能劣化；至于第三種方法，目前通常使用的硒化物溶液有劇毒。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決上述的技術(shù)難題，提供可以實(shí)現(xiàn)在較低的熱處理溫度下，半導(dǎo)體晶片間的高質(zhì)量鍵合，并且環(huán)保低毒的晶片鍵合工藝中的表面處理劑。
本發(fā)明另一目的在于提供使用所述表面處理劑進(jìn)行晶片鍵合方法。
本發(fā)明所提供的晶片鍵合表面處理劑是硫化物溶液，其溶質(zhì)選自硫脲(CS(NH2)2)，硫化氨((NH4)2Sx)或氯化硫(S2Cl2)，其中硫化氨((NH4)2Sx)的X＝1～6；溶劑選自硫化碳、四氯化碳、甲醇、乙醇或氨水，溶液濃度為0.1％～50％，溶液濃度優(yōu)選為5％～20％，所述的溶質(zhì)優(yōu)選為硫脲，所述的溶劑優(yōu)選為氨水。最優(yōu)選為10％的硫脲/氨水溶液。
本發(fā)明所提供的晶片鍵合方法，包括如下的工藝步驟a.將待鍵合的兩塊晶片在乙醇和丙酮中清洗，除去表面的油漬；b.在容器中配制本發(fā)明所提供的表面處理劑；c.將步驟a中處理過的晶片置于表面處理劑中在30℃～100℃的水浴中加熱，加熱時間不少于1分鐘；d.將兩塊晶片面對面貼緊取出，并用夾具夾緊；e.將夾好的晶片和夾具一起放入退火爐中進(jìn)行熱處理，處理溫度為260℃～500℃，處理時間不少于10分鐘。
其中步驟a中兩塊晶片之一的表面上可以外延生長了器件結(jié)構(gòu)，步驟c所述的水浴溫度優(yōu)選為60℃～100℃，加熱時間優(yōu)選為10～60分鐘，步驟e中熱處理溫度優(yōu)選為360℃～380℃，處理時間優(yōu)選為0.5～2小時。
經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)證明，利用本發(fā)明所提供的晶片鍵合表面處理劑，待鍵合的半導(dǎo)體晶片如砷化鎵(GaAs)，磷化銦(InP)或硅片(Si)的表面氧化層可以被去除，并且在晶片表面生成致密的硫化物層。由于硫可以和晶片的原子(如Ga，As，Si或In原子)在較低的溫度下反應(yīng)生成共價鍵，從而實(shí)現(xiàn)兩晶片間高強(qiáng)度的結(jié)合。
本發(fā)明所提供的硫化物溶液晶片鍵合表面處理劑與現(xiàn)在使用的劇毒性硒化物表面處理劑相比，具有無毒或者低毒環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明所提供的晶片鍵合方法中，晶片置于本發(fā)明所提供的表面處理劑中水浴加熱經(jīng)過一段時間后，能夠除去晶片表面的氧化層，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)在較低的溫度下反應(yīng)生成共價鍵，甚至在360℃以下的熱處理溫度下就能實(shí)現(xiàn)GaAs和InP或硅晶片間高強(qiáng)度的結(jié)合，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于500℃～700℃常規(guī)退火溫度，由于退火溫度大大降低，不但降低了生產(chǎn)成本，也降低了因?yàn)楦邷叵戮性拥臄U(kuò)散、界面缺陷的擴(kuò)散以及器件性能的劣化，熱處理中升溫和冷卻過程所產(chǎn)生的應(yīng)力也因?yàn)闊崽幚頊囟鹊慕档投档停瑴p低了鍵合的晶片分開甚至斷裂的風(fēng)險。
鍵合好的GaAs/InP晶片截斷面掃描電子顯微鏡圖像(SEM)，如圖1所示。從圖中可以看出，GaAs晶片和InP晶片已經(jīng)緊緊的結(jié)合在一起，斷裂的截面非常平整(不是按著各自的晶向裂開)，這說明晶片間形成了牢固的共價鍵，這也說明本發(fā)明所提供的晶片表面處理劑和晶片鍵合方法能很好的實(shí)現(xiàn)晶片的牢固鍵合，并且降低了成本，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。


圖1鍵合好的GaAs/InP晶片截斷面電子顯微鏡圖像。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在通過下列的具體實(shí)施例進(jìn)一步解釋說明本發(fā)明所提供的晶片鍵合表面處理劑和晶片鍵合方法，這些實(shí)施例并非限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，所有根據(jù)本發(fā)明的概念所做的變換，其所產(chǎn)生的功能作用仍未超出本發(fā)明所涵蓋的精神時，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍。
在下列的實(shí)施例中，在InP晶片的表面上外延生長了器件結(jié)構(gòu)，使用的夾具由螺母、夾板和半球形石墨塊組成，旋轉(zhuǎn)螺母的松緊可以調(diào)整夾板對晶片所施加的壓力大小，而半球形石墨壓塊則使得夾板所施加的壓力均勻地分布在晶片上。
實(shí)施例1a.將待鍵合的InP晶片和GaAs晶片在乙醇和丙酮中反復(fù)清洗，除去表面的油漬；b.將氯化硫按0.5％的比例溶于四氯化碳里，配制成表面處理劑；c.將晶片置于表面處理劑中，30℃下水浴加熱80分鐘；d.將兩塊晶片面對面貼緊取出，并用夾具夾緊；e.將夾好的晶片和夾具一起放入退火爐中進(jìn)行熱處理，在500℃的熱處理溫度下保持10分鐘，實(shí)現(xiàn)晶片間高強(qiáng)度的結(jié)合。
實(shí)施例2a.將待鍵合的InP晶片和GaAs晶片在乙醇和丙酮中反復(fù)清洗，除去表面的油漬；b.將氯化硫(S2Cl2)按5％的比例溶于四氯化碳里，配成表面處理劑；c.將晶片置于表面處理劑中，45℃下水浴加熱60分鐘；d.將兩塊晶片面對面貼緊取出，并用夾具夾緊；e.將夾好的晶片和夾具一起放入退火爐中進(jìn)行熱處理，在450℃的熱處理溫度下保持10分鐘，實(shí)現(xiàn)晶片間高強(qiáng)度的結(jié)合。
實(shí)施例3a.將待鍵合的InP晶片和Si晶片在乙醇和丙酮中反復(fù)清洗，除去表面的油漬；b.將硫化氨((NH4)2S)以10％的比例溶于乙醇里，配成表面處理劑；c.將晶片置于表面處理劑中，50℃下水浴加熱40分鐘；d.將兩塊晶片面對面貼緊取出，并用夾具夾緊；e.將夾好的晶片和夾具一起放入退火爐中進(jìn)行熱處理，熱處理溫度為380℃處理時間為1小時，實(shí)現(xiàn)晶片間高強(qiáng)度的結(jié)合。
實(shí)施例4a.將待鍵合的InP晶片和Si晶片在乙醇和丙酮中反復(fù)清洗，除去表面的油漬；
b.將硫化氨((NH4)2S6)以15％的比例溶于氨水，配成表面處理劑；c.將晶片置于表面處理劑中，60℃下水浴加熱40分鐘；d.將兩塊晶片面對面貼緊取出，并用夾具夾緊；e.將夾好的晶片和夾具一起放入退火爐中進(jìn)行熱處理，熱處理溫度為380℃處理時間為1.5小時，實(shí)現(xiàn)晶片間高強(qiáng)度的結(jié)合。
實(shí)施例5a.將待鍵合的InP晶片和Si晶片在乙醇和丙酮中反復(fù)清洗，除去表面的油漬；b.將硫脲以10％的比例溶于氨水里，配制成表面處理劑；c.將晶片置于表面處理劑中，70℃下水浴加熱20分鐘；d.將兩塊晶片面對面貼緊取出，并用夾具夾緊；e.將夾好的晶片和夾具一起放入退火爐中進(jìn)行熱處理，熱處理溫度為360℃處理時間為1.5小時，實(shí)現(xiàn)晶片間高強(qiáng)度的結(jié)合。
實(shí)施例6a.將待鍵合的InP晶片和GaAs晶片在乙醇和丙酮中反復(fù)清洗，除去表面的油漬；b.將硫脲按20％的比例溶于氨水里，配制成表面處理劑；c.將晶片置于表面處理劑中，80℃水浴加熱10分鐘；d.將兩塊晶片面對面貼緊取出，并用夾具夾緊；e.將夾好的晶片和夾具一起放入退火爐中進(jìn)行熱處理，熱處理溫度為360℃，處理時間為2小時，實(shí)現(xiàn)晶片間高強(qiáng)度的結(jié)合。
實(shí)施例7a.將待鍵合的InP晶片和GaAs晶片在乙醇和丙酮中反復(fù)清洗，除去表面的油漬；b.將硫脲按50％比例溶于氨水，配制成表面處理劑；c.將晶片置于表面處理劑中，100℃水浴加熱1分鐘；d.將兩塊晶片面對面貼緊取出，并用夾具夾緊；e.將夾好的晶片和夾具一起放入退火爐中進(jìn)行熱處理，在260℃的熱處理溫度下保持2.5小時，實(shí)現(xiàn)晶片間高強(qiáng)度的結(jié)合。
權(quán)利要求
1.一種晶片鍵合表面處理劑，其中，所述的表面處理劑為硫化物溶液，所述硫化物溶液的溶質(zhì)選自硫脲(CS(NH2)2)、硫化氨((NH4)2Sx)或氯化硫(S2Cl2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶片鍵合表面處理劑，其中所述溶質(zhì)中硫化氨((NH4)2Sx)的X＝1～6。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶片鍵合表面處理劑，其中所述硫化物溶液的溶劑選自硫化碳、四氯化碳、甲醇、乙醇或氨水。
4.根據(jù)權(quán)利要求1～3任一所述的晶片鍵合表面處理劑，其中所述硫化物溶液的濃度為0.1％～50％。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的晶片鍵合表面處理劑，其中所述硫化物溶液的濃度為5％～20％。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的晶片鍵合表面處理劑，其中所述的硫化物溶液為硫脲的氨水溶液，濃度為10％。
7.一種晶片鍵合方法，包括如下的工藝步驟a.將待鍵合的兩塊晶片在乙醇和丙酮中清洗，除去表面的油漬；b.在容器中配制如權(quán)利要求1所述的表面處理劑；c.將步驟a中處理過的晶片置于步驟b中制備的表面處理劑中在30℃～100℃的水浴中加熱，加熱時間不少于1分鐘；d.將兩塊晶片面對面貼緊取出，并用夾具夾緊；e.將夾好的晶片和夾具一起放入退火爐中進(jìn)行熱處理，處理溫度為260℃～500℃，處理時間不少于10分鐘。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的晶片鍵合方法，其中步驟c所述的水浴溫度為60℃～100℃，加熱時間為10～60分鐘。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的晶片鍵合方法，其中步驟e中熱處理溫度為360℃～380℃，處理時間為0.5～2小時。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種晶片鍵合工藝中的表面處理劑以及晶片鍵合方法，本發(fā)明所提供的表面處理劑是硫化物溶液，其溶質(zhì)選自硫脲(CS(NH
文檔編號H01L21/302GK1632925SQ20041008854
公開日2005年6月29日 申請日期2004年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月8日
發(fā)明者黃輝, 任曉敏, 王興妍, 王 琦, 黃永清 申請人:北京郵電大學(xué)