專利名稱：晶片鍵合的硼化物表面處理劑及鍵合方法
技術領域：
本發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行晶片鍵合的方法。
背景技術：
-隨著光電子集成技術的飛速發展，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 特性、電學特性和機械特性等方面各具優勢，實現不同材料間的集成， 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差異 較大的材料，目前的外延生長工藝還很難實現兩者間的高質量集成，即 異質生長。于是， 一種新的技術——晶片鍵合技術(Wafer bonding)孕 育而生了。晶片鍵合技術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，然后經過高溫熱處理(即退火)，在兩個晶片的界 面產生化學鍵，使得兩個晶片高強度地結合在一起。它的優勢在于由 晶格失配導致的缺陷僅局限于鍵合界面，不會遷移至器件的有源區從而 影響器件的性能，因此能夠實現不同晶格常數的材料間的集成；同時鍵 合界面的原子級結合使得器件具有良好的電學、光學特性和高的機械強 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，這么高的溫度將導致晶片中原子的擴散、界面缺陷的擴散以及器件 性能的劣化；同時由于兩種材料的熱漲系數不同，熱處理中升溫和冷卻 過程所產生的大應力，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現高強度的結合；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，對環境和設備的要求較高，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 會造成器件的導電性能和光學性能劣化；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，同時在晶片間也會引入厚的間隔層(約 1.0 3.0微米厚)。中國專利申請"一種低溫晶片直接鍵合方法"(CN1933096A)公開 一種低溫下晶片鍵合方法，但其所涉及的工藝過程極為復雜，包括數 小時的低溫預鍵合、100小時100 16(TC的鍵合、晶片減薄、1 20小 時的低溫熱處理、以及最后的更高溫度退火處理等工藝步驟。其長時 間、復雜的工藝過程會增加加工成本，長時間的退火過程還會造成晶體 質量的下降；同時該公開文本中沒有注明最后的退火溫度有多高，無法 判斷該工藝是否屬于低溫鍵合。本申請人的在先申請"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III-V族 晶片(如GaAs和InP)之間的鍵合技術，所涉及的工藝并不適用于本 發明的技術方案所涉及的硅晶片與III-V族晶片間的鍵合；同時該申請 中的退火溫度還是比較高(360°C 380°C)。
發明內容
本發明的目的在于解決上述的技術難題，提供可以實現在更低的熱 處理溫度、更短的熱處理時間的條件下，半導體晶片間的高質量鍵合， 并且環保無毒的晶片鍵合工藝中的表面處理劑。本發明的另一目的在于提供使用所述表面處理劑進行晶片鍵合的方法。本發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，優選為氨水和水。其中以重量百分比計所述硼化物溶液的濃度為0.001% 20%，優 選為0.01% 2%。本發明還提供一種晶片鍵合方法，包括如下的工藝步驟a. 在容器中配制如權利要求1所述的表面處理劑；b. 將待鍵合的晶片進行清洗，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；c. 將兩塊晶片面對面貼緊取出，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行熱處理，處理溫度為 廳。C 300。C，處理時間為0.5 2小時。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 外延生長的器件結構層，當待鍵合晶片中含有硅晶片時，在清洗晶片前 需預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，放置時間為10 40min。其中步驟d中熱處理溫度為100°C 300°C，處理時間為1.0 2小時。通過本發明所提供的表面處理劑處理待鍵合晶片表面，并使用本發明所提供的鍵合方法，可以在較低的熱處理溫度下，實現半導體晶片間的低成本、高質量鍵合。待鍵合的半導體晶片如砷化鎵(GaAs)，磷化銦(InP)或硅片(Si)，通過硼化物溶液的處理，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生成共價鍵(形成類似于B203-POx(/AsOx) -Si02(/POx)的玻璃態物資)，從而實現兩晶片間高強度的結 合。本發明所提供的晶片鍵合方法中，晶片置于本發明所提供的表面處 理劑中處理一段時間后，能夠與晶片表面原子反應，并在晶片表面上吸 附形成極薄(約納米級厚度)的玻璃態物資，從而實現低溫下晶片間的 高強度鍵合。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生成共價鍵，因此在300。C以下的熱處理溫度下就能實現GaAs與InP、 InP與硅、GaAs與硅、以及硅與 硅晶片間的高強度結合，遠遠低于500'C 70(TC常規退火溫度，由于退 火溫度大大降低，不但降低了生產成本，也降低了因為高溫下晶片中原 子的擴散、界面缺陷的擴散以及器件性能的劣化，熱處理中升溫和冷卻 過程所產生的應力也因為熱處理溫度的降低而降低，減低了鍵合的晶片 分開甚至斷裂的風險。鍵合好的GaAs/InP、 InP/Si、以及Si/Si晶片的截斷面的掃描電子顯 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 與晶片已經緊緊的結合在一起，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，這也說明本發明所提 供的晶片表面處理劑和晶片鍵合方法能很好的實現晶片的牢固鍵合，并 且降低了成本，提高了產品質量。本發明所提供的硼化物溶液晶片鍵合表面處理劑與現在使用的含硒 表面處理劑相比，具有無毒環保的優點，并且鍵合溫度更低。與 CN1933096A中所涉及的工藝相比，本發明所提供的工藝簡單，只需要 一步退火過程，無需長達100多小時的熱處理和襯底減薄和再次高溫熱 處理等過程，而且退火時間更短，小于2小時。與CN1632925A相比， 本發明所提供的技術方案適用范圍更廣，可用于硅晶片與GaAs基晶片 或InP基晶片之間的鍵合，同時熱處理溫度更低(小于30(TC)。
圖1為鍵合好的GaAs/InP晶片的截斷面的電子顯微鏡圖像。 圖2為鍵合好的InP/Si晶片的截斷面的電子顯微鏡圖像。 圖3為鍵合好的Si/Si晶片的截斷面的電子顯微鏡圖像。
具體實施例方式現在通過幾個具體實施例進一步解釋說明本發明所提供的晶片鍵合 表面處理劑和晶片鍵合方法，這些實施例并非限制本發明的保護范圍， 所有根據本發明的概念所做的變換，其所產生的功能作用仍未超出說明 書及附圖所涵蓋的精神時，均應在本發明的保護范圍。在下列的實施例中，在InP晶片的表面上外延生長了器件結構，使 用的夾具由螺母、夾板和半球形金屬塊組成，旋轉螺母的松緊可以調整 夾板對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行熱處理，在295"C的熱 處理溫度下保持0.5小時，實現晶片間高強度的結合。實施例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號溶液)； 取0.5ml氨水(2號溶液)；配1%的硼酸(H3B03)水溶液，取25ml該 溶液(3號溶液)；將l、 2、 3號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行熱處理，在27(TC的熱 處理溫度下保持1.5小時，實現晶片間高強度的結合。實施例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行熱處理，熱處理溫度為 180°C，處理時間為l..O小時，實現晶片間高強度的結合。實施例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行熱處理，熱處理溫度為 110°C，處理時間為l..O小時，實現晶片間高強度的結合。實施例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號溶液)；取 0.5ml氨水(2號溶液)；將l、 2號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行熱處理，在25(TC的熱 處理溫度下保持2小時,實現晶片間高強度的結合。實施例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號溶液)；取 0.5ml氨水(2號溶液)；將l、 2號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； 將兩塊晶片面對面貼緊取出，并用夾具夾緊；將夾好的晶片和夾具一起放入退火爐中進行熱處理，在28(TC的熱 處理溫度下保持2小時,實現晶片間高強度的結合。
權利要求
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、 根據權利要求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選自硼酸、硼氫化鈉、或硼酸和硼氫化鈉混合物。
3、 根據權利要求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、 根據權利要求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、 根據權利要求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所述硼化物溶液的濃度為0.001% 20%。
6、 根據權利要求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. 在容器中配制如權利要求1所述的表面處理劑；b. 將待鍵合的晶片進行清洗，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；c. 將兩塊晶片面對面貼緊取出，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行熱處理，處理溫度為 100°C 300°C，處理時間為0.5 2小時。
8、 根據權利要求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的器件結構層，當 待鍵合晶片中含有硅晶片時，在清洗晶片前需預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、 根據權利要求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，放置時間為10 40分鐘。
10、 根據權利要求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，處理時間為1.0 2小時。
全文摘要
本發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％。本發明所提供的晶片鍵合方法，先將待鍵合的晶片進行清洗，然后將晶片置于置于本發明所提供的步驟a中制備的表面處理劑中在0℃～100℃的水浴中放置1分鐘～1小時將兩塊晶片面對面貼緊取出夾緊；將夾好的晶片和夾具一起放入退火爐中進行熱處理，處理溫度為100～300℃，處理時間為0.5～2小時，實現在較低的熱處理溫度下，半導體晶片間高質量鍵合，并且工藝過程環保無毒。
文檔編號H01L21/02GK101281856SQ200710091028
公開日2008年10月8日 申請日期2007年4月5日 優先權日2007年4月5日
發明者任曉敏, 宋海蘭, 琦 王, 王文娟, 輝 黃, 黃永清 申請人:北京郵電大學