專利名稱：晶片鍵合的硼化物表面處理劑及鍵合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種晶片鍵合工藝，特別是晶片鍵合的硼化物表面處理 劑以及使用這種表面處理劑進(jìn)行晶片鍵合的方法。
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(如砷化鎵(GaAs)，磷化銦(InP)，氮化鎵(GaN)以及硅(Si)等)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(shì)，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(duì)于兩種晶格常數(shù)差異 較大的材料，目前的外延生長(zhǎng)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(zhǎng)。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(guò)表面清潔和表面處 理后，面對(duì)面貼緊，然后經(jīng)過(guò)高溫?zé)崽幚?即退火)，在兩個(gè)晶片的界 面產(chǎn)生化學(xué)鍵，使得兩個(gè)晶片高強(qiáng)度地結(jié)合在一起。它的優(yōu)勢(shì)在于由 晶格失配導(dǎo)致的缺陷僅局限于鍵合界面，不會(huì)遷移至器件的有源區(qū)從而 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(shí)鍵 合界面的原子級(jí)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50(TC 70(TC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(shí)由于兩種材料的熱漲系數(shù)不同，熱處理中升溫和冷卻 過(guò)程所產(chǎn)生的大應(yīng)力，會(huì)使得鍵合的晶片分開(kāi)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(duì)于第一種方法，對(duì)環(huán)境和設(shè)備的要求較高，因此成本較為昂貴；對(duì)于第二種 方法，在晶片間會(huì)引入厚的膠體層(約0.1~1.0微米厚)，厚的膠體層 會(huì)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 用的硒化物溶液有較大的毒性，同時(shí)在晶片間也會(huì)引入厚的間隔層(約 1.0 3.0微米厚)。中國(guó)專利申請(qǐng)"一種低溫晶片直接鍵合方法"(CN1933096A)公開(kāi) 一種低溫下晶片鍵合方法，但其所涉及的工藝過(guò)程極為復(fù)雜，包括數(shù) 小時(shí)的低溫預(yù)鍵合、100小時(shí)100 16(TC的鍵合、晶片減薄、1 20小 時(shí)的低溫?zé)崽幚?、以及最后的更高溫度退火處理等工藝步驟。其長(zhǎng)時(shí) 間、復(fù)雜的工藝過(guò)程會(huì)增加加工成本，長(zhǎng)時(shí)間的退火過(guò)程還會(huì)造成晶體 質(zhì)量的下降；同時(shí)該公開(kāi)文本中沒(méi)有注明最后的退火溫度有多高，無(wú)法 判斷該工藝是否屬于低溫鍵合。本申請(qǐng)人的在先申請(qǐng)"晶片健合表面處 理劑及晶片健合方法"(CN1632925A)。該鍵合方法主要針對(duì)III-V族 晶片(如GaAs和InP)之間的鍵合技術(shù)，所涉及的工藝并不適用于本 發(fā)明的技術(shù)方案所涉及的硅晶片與III-V族晶片間的鍵合；同時(shí)該申請(qǐng) 中的退火溫度還是比較高(360°C 380°C)。

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)在更低的熱 處理溫度、更短的熱處理時(shí)間的條件下，半導(dǎo)體晶片間的高質(zhì)量鍵合， 并且環(huán)保無(wú)毒的晶片鍵合工藝中的表面處理劑。本發(fā)明的另一目的在于提供使用所述表面處理劑進(jìn)行晶片鍵合的方法。本發(fā)明提供一種晶片鍵合的硼化物表面處理劑，其中所述的表面處 理劑為硼化物溶液，所述的硼化物裙液中含有硼酸根離子、硼氫根離子 或硼酸根離子和硼氫根離子混合物。其中所述硼化物溶液的溶質(zhì)選自硼酸、硼氫化鈉、或者硼酸和硼氫 化鈉混合物。其中所述硼化物溶液的溶劑選自硫化碳、四氯化碳、甲醇、乙醇、 氨水以及水，優(yōu)選為氨水和水。其中以重量百分比計(jì)所述硼化物溶液的濃度為0.001% 20%，優(yōu) 選為0.01% 2%。本發(fā)明還提供一種晶片鍵合方法，包括如下的工藝步驟a. 在容器中配制如權(quán)利要求1所述的表面處理劑；b. 將待鍵合的晶片進(jìn)行清洗，然后將晶片置于步驟a中制備的表面 處理劑中在0。C 10(TC的水浴中放置lmin 1小時(shí)；c. 將兩塊晶片面對(duì)面貼緊取出，并用夾具夾緊；d. 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 廳。C 300。C，處理時(shí)間為0.5 2小時(shí)。其中步驟b中的晶片選自GaAs、 InP或硅基晶片，且所述晶片含有 外延生長(zhǎng)的器件結(jié)構(gòu)層，當(dāng)待鍵合晶片中含有硅晶片時(shí)，在清洗晶片前 需預(yù)先在待鍵合硅片表面形成一層厚度為2-500納米的氧化硅。其中步驟b所述的水浴溫度為20°C 30°C，放置時(shí)間為10 40min。其中步驟d中熱處理溫度為100°C 300°C，處理時(shí)間為1.0 2小時(shí)。通過(guò)本發(fā)明所提供的表面處理劑處理待鍵合晶片表面，并使用本發(fā)明所提供的鍵合方法，可以在較低的熱處理溫度下，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體晶片間的低成本、高質(zhì)量鍵合。待鍵合的半導(dǎo)體晶片如砷化鎵(GaAs)，磷化銦(InP)或硅片(Si)，通過(guò)硼化物溶液的處理，由于硼化物中的硼酸根(BO,)和硼氫根(BH4')能夠和晶片的原子(如Ga， As， Si ， In，或P原子)在較低的溫度下反應(yīng)生成共價(jià)鍵(形成類似于B203-POx(/AsOx) -Si02(/POx)的玻璃態(tài)物資)，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 理劑中處理一段時(shí)間后，能夠與晶片表面原子反應(yīng)，并在晶片表面上吸 附形成極薄(約納米級(jí)厚度)的玻璃態(tài)物資，從而實(shí)現(xiàn)低溫下晶片間的 高強(qiáng)度鍵合。而且由于硼化物的BO,和BH/能夠和晶片的原子(如Ga， As, Si ， In, P原子)在較低的溫度下反應(yīng)生成共價(jià)鍵，因此在300。C以下的熱處理溫度下就能實(shí)現(xiàn)GaAs與InP、 InP與硅、GaAs與硅、以及硅與 硅晶片間的高強(qiáng)度結(jié)合，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于500'C 70(TC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?子的擴(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(guò)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(kāi)甚至斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。鍵合好的GaAs/InP、 InP/Si、以及Si/Si晶片的截?cái)嗝娴膾呙桦娮语@ 微鏡圖像(SEM)，如圖1，2禾B3所示。從圖中可以看出，鍵合的晶片 與晶片已經(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(kāi))，這說(shuō)明晶片間形成了牢固的共價(jià)鍵，這也說(shuō)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。本發(fā)明所提供的硼化物溶液晶片鍵合表面處理劑與現(xiàn)在使用的含硒 表面處理劑相比，具有無(wú)毒環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，并且鍵合溫度更低。與 CN1933096A中所涉及的工藝相比，本發(fā)明所提供的工藝簡(jiǎn)單，只需要 一步退火過(guò)程，無(wú)需長(zhǎng)達(dá)100多小時(shí)的熱處理和襯底減薄和再次高溫?zé)?處理等過(guò)程，而且退火時(shí)間更短，小于2小時(shí)。與CN1632925A相比， 本發(fā)明所提供的技術(shù)方案適用范圍更廣，可用于硅晶片與GaAs基晶片 或InP基晶片之間的鍵合，同時(shí)熱處理溫度更低(小于30(TC)。


圖1為鍵合好的GaAs/InP晶片的截?cái)嗝娴碾娮语@微鏡圖像。 圖2為鍵合好的InP/Si晶片的截?cái)嗝娴碾娮语@微鏡圖像。 圖3為鍵合好的Si/Si晶片的截?cái)嗝娴碾娮语@微鏡圖像。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在通過(guò)幾個(gè)具體實(shí)施例進(jìn)一步解釋說(shuō)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說(shuō)明 書(shū)及附圖所涵蓋的精神時(shí)，均應(yīng)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(zhǎng)了器件結(jié)構(gòu)，使 用的夾具由螺母、夾板和半球形金屬塊組成，旋轉(zhuǎn)螺母的松緊可以調(diào)整 夾板對(duì)晶片所施加的壓力大小，而半球形金屬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1 (GaAs/InP鍵合)將待鍵合的InP晶片和GaAs晶片在丙酮、乙醇、氨水和去離子水 中清洗，以除去表面的污漬；將硼酸(H3B03)溶于氨水(NH4OH)里，配成室溫下的飽和溶液， 作為表面處理劑；將清洗后的晶片置于表面處理劑中，99。C下放置l分鐘；將兩塊晶片面對(duì)面貼緊取出，并用夾具夾緊；將夾好的晶片和夾具一起放入退火爐中進(jìn)行熱處理，在295"C的熱 處理溫度下保持0.5小時(shí)，實(shí)現(xiàn)晶片間高強(qiáng)度的結(jié)合。實(shí)施例2 (Si/InP鍵合)將待鍵合的InP晶片在丙酮、乙醇、氨水和去離子水中清洗，以除 去表面的污漬；在待鍵合的Si晶片表面形成一層極薄的氧化硅(厚度大約10納 米)；將Si晶片用H2S04:H20jn HC1:H202:H20溶液清洗，以除去表面 的污漬；配1%的硼氫化鈉(NaBH4)水溶液，取3ml該溶液(l號(hào)溶液)； 取0.5ml氨水(2號(hào)溶液)；配1%的硼酸(H3B03)水溶液，取25ml該 溶液(3號(hào)溶液)；將l、 2、 3號(hào)溶液混合配制成表面處理劑；將清洗后的晶片置于表面處理劑中，6(TC下放置IO分鐘；將兩塊晶片面對(duì)面貼緊取出，并用夾具夾緊；將夾好的晶片和夾具一起放入退火爐中進(jìn)行熱處理，在27(TC的熱 處理溫度下保持1.5小時(shí)，實(shí)現(xiàn)晶片間高強(qiáng)度的結(jié)合。實(shí)施例3 (Si/Si鍵合)在待鍵合的Si晶片表面形成一層薄的氧化硅(厚度大約5納米)；將Si晶片用H2S04:H20jn HC1:H202:H20溶液清洗，以除去表面 的污漬；取O.lg的硼氫化鈉(NaBH4)與50ml的硼酸氨水溶液，混合配制 成表面處理劑；將清洗后的晶片置于表面處理劑中，室溫下放置30分鐘； 將兩塊晶片面對(duì)面貼緊取出，并用夾具夾緊；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 180°C，處理時(shí)間為l..O小時(shí)，實(shí)現(xiàn)晶片間高強(qiáng)度的結(jié)合。實(shí)施例4 (Si/Si鍵合)在待鍵合的Si晶片表面形成一層薄的氧化硅(厚度大約500納 米)；將Si晶片用H2S04:H20jn HC1:H202:H20溶液清洗，以除去表面 的污漬；取O.lg的硼氫化鈉(NaBH4)與50ml的硼酸氨水溶液，混合配制 成表面處理劑；將清洗后的晶片置于表面處理劑中，室溫下放置30分鐘； 將兩塊晶片面對(duì)面貼緊取出，并用夾具夾緊；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 110°C，處理時(shí)間為l..O小時(shí)，實(shí)現(xiàn)晶片間高強(qiáng)度的結(jié)合。實(shí)施例5 (Si/InP鍵合)將待鍵合的InP晶片在丙酮、乙醇、氨水和去離子水中清洗，以除 去表面的污漬；在待鍵合的Si晶片表面形成一層極薄的氧化硅(厚度大約100納 米)；將Si晶片用H2S04:H20jf] HC1:H202:H20溶液清洗，以除去表面 的污漬；配1%的硼酸(H3B03)水溶液，取25ml該溶液(1號(hào)溶液)；取 0.5ml氨水(2號(hào)溶液)；將l、 2號(hào)溶液混合配制成表面處理劑； 將清洗后的晶片置于表面處理劑中，l(TC下放置45分鐘； 將兩塊晶片面對(duì)面貼緊取出，并用夾具夾緊；將夾好的晶片和夾具一起放入退火爐中進(jìn)行熱處理，在25(TC的熱 處理溫度下保持2小時(shí),實(shí)現(xiàn)晶片間高強(qiáng)度的結(jié)合。實(shí)施例6 (GaAs/Si鍵合)將待鍵合的GaAs晶片在丙酮、乙醇、氨水和去離子水中清洗，以 除去表面的污漬；在待鍵合的Si晶片表面形成一層薄的氧化硅(厚度大于5納 米)；將Si晶片用H2S04:H20jn HC1:H202:H20溶液清洗，以除去表面 的污漬；配1%的硼酸(H3B03)水溶液，取25ml該溶液(1號(hào)溶液)；取 0.5ml氨水(2號(hào)溶液)；將l、 2號(hào)溶液混合配制成表面處理劑； 將清洗后的晶片置于表面處理劑中，0。C下放置1小時(shí)； 將兩塊晶片面對(duì)面貼緊取出，并用夾具夾緊；將夾好的晶片和夾具一起放入退火爐中進(jìn)行熱處理，在28(TC的熱 處理溫度下保持2小時(shí),實(shí)現(xiàn)晶片間高強(qiáng)度的結(jié)合。
權(quán)利要求
1. 一種晶片鍵合的硼化物表面處理劑，其中所述的表面處理劑為硼化物溶液，所述的硼化物溶液中含有硼酸根離子、硼氫根離子或硼酸根離子和硼氫根離子混合物。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶片鍵合的硼化物表面處理劑，其中所 述硼化物溶液的溶質(zhì)選自硼酸、硼氫化鈉、或硼酸和硼氫化鈉混合物。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶片鍵合的硼化物表面處理劑，其中所 述硼化物溶液的溶劑選自硫化碳、四氯化碳、甲醇、乙醇、氨水以及 水。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的晶片鍵合的硼化物表面處理劑，其中所 述硼化物溶液的溶劑為氨水和水。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1 4中任一所述的晶片鍵合的硼化物表面處理 劑，其中以重量百分比計(jì)所述硼化物溶液的濃度為0.001% 20%。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的晶片鍵合的硼化物表面處理劑，其中重 量百分比計(jì)所述硼化物溶液的濃度為0.01% 2%。
7、 一種晶片鍵合方法，包括如下的工藝步驟a. 在容器中配制如權(quán)利要求1所述的表面處理劑；b. 將待鍵合的晶片進(jìn)行清洗，然后將晶片置于步驟a中制備的表面 處理劑中在0'C 10(TC的水浴中放置1分鐘 1小時(shí)；c. 將兩塊晶片面對(duì)面貼緊取出，并用夾具夾緊；d. 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 100°C 300°C，處理時(shí)間為0.5 2小時(shí)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的晶片鍵合方法，其中步驟b中的晶片選 自GaAs、 InP或硅基晶片，且所述晶片含有外延生長(zhǎng)的器件結(jié)構(gòu)層，當(dāng) 待鍵合晶片中含有硅晶片時(shí)，在清洗晶片前需預(yù)先在待鍵合硅片表面形 成一層厚度為2-500納米的氧化硅。
9、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的晶片鍵合方法，其中步驟b所述的水浴 溫度為2(TC 3(TC，放置時(shí)間為10 40分鐘。
10、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的晶片鍵合方法，其中步驟d中熱處理溫 度為10(TC 300。C，處理時(shí)間為1.0 2小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種晶片鍵合的硼化物表面處理劑以及鍵合方法，本發(fā)明所提供的表面處理劑是硼化物溶液，所述硼化物溶液含有硼酸根、硼氫根或硼酸根和硼氫根的混合物。溶劑選自硫化碳、四氯化碳、甲醇、乙醇、氨水和水；溶液濃度為0.001％～20％。本發(fā)明所提供的晶片鍵合方法，先將待鍵合的晶片進(jìn)行清洗，然后將晶片置于置于本發(fā)明所提供的步驟a中制備的表面處理劑中在0℃～100℃的水浴中放置1分鐘～1小時(shí)將兩塊晶片面對(duì)面貼緊取出夾緊；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100～300℃，處理時(shí)間為0.5～2小時(shí)，實(shí)現(xiàn)在較低的熱處理溫度下，半導(dǎo)體晶片間高質(zhì)量鍵合，并且工藝過(guò)程環(huán)保無(wú)毒。
文檔編號(hào)H01L21/02GK101281856SQ200710091028
公開(kāi)日2008年10月8日 申請(qǐng)日期2007年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月5日
發(fā)明者任曉敏, 宋海蘭, 琦 王, 王文娟, 輝 黃, 黃永清 申請(qǐng)人:北京郵電大學(xué)