专利名称：低温晶片键合的方法
技术领域：
本发明涉及半导体技术领域，特别是指一种低温晶片键合的方法，其
是利用真空键合机实现低温ni—v族材料与si材料的键合。
背景技术：
光电子器件越来越向集成化、小型化发展，利用键合技术将ni-v族 半导体材料和Si键合，从而制备各种激光器、探测器等半导体器件的技 术越来越受到广泛关注。这种技术是将两个表面平整洁净的晶片在一定的 条件下通过表面的化学键相互结合起来，而不受两种晶片材料的晶格、晶 向的限制。利用键合技术组合新结构材料有极大的自由度，可以充分利用 ni-v族半导体材料的优越的光特性和si材料优越的电特性，从而获得理 想的半导体器件材料；另外还可以与Si电子电路集成，从而形成大规模、 功能齐全的光电子集成器件。
1996年Aaron R. Hawkins等人键合制备的InGaAs/Si APD已经做到 了增益带宽积315GHz， f3dB为13GHz(A. R. Hawkins, W. Wu， P, Abraham, K. Streubel， and J. E. Bowers, "High gain-bandwidth-product Silicon heterointerface photodetector， ，，Appl. Phys. Lett., vol. 70， pp. 303-305, 1996.); 2002年YiMing Kang等人实现了一种低噪声指数的 InGaAs/Si APD结构，此器件的电容为1PF， f3dB为1. 5GHz，噪声指数为 2.3， k为O. 02，暗电流很小，在-5V下为6nA，雪崩击穿电压Vb的热系 数为InGaAs/InP APD的一半(Y. Kang， P. Mages， A. R. Clawson， P. K. L. Yu and etc, "Fused InGaAs-Si Avalanche Photodiodes With Low-Noise Performances", IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 14， NO. 11，ppl593-1595， 2002)。这两者的键合温度都为650度，虽然高温有利于键 合界面原子型结合，但是高温带来的应力也极容易导致解键合。我们在尝 试了多次高温键合后，发现不容易成功。后来改用低温键合，并且采用多 阶段低温热处理，结果键合质量很高，键合后的晶片可以耐住所有的半导 体工艺如高温煮沸、腐蚀、减薄等。目前国际上低温键合的成功范例很多， 如童勤义等人利用等离子体处理晶片表面后，在200度获得界面键合能高 于体InP材料的键合能；加州大学的Mages等人也是先经过低温热处理后 再进行高温键合；国内曾有过赵洪泉等人的低温键合技术。不过前两者对 实验仪器和条件要求都很高，而第三者虽然对实验仪器条件要求不高，但 是键合时间很长，键合过程中对操作人员的要求很高；而本发明在本实验 室自制的真空键合机的基础上，在本实验室的超净间进行晶片清洗及键 合，可重复性比较高，键合时间大大縮短，只需要按照设定的操作流程认 真执行，就可以获得质量很高的键合晶片。 一般的衬底晶片厚度在350, 左右，对于比较厚的外延片(如400,-460pm)也可使用本发明得到高质量 的键合晶片。
发明内容
本发明的目的在于提供一种InGaAs(InP)与Si的低温晶片键合方法， 利用真空键合机实现高真空、设置压力及键合热处理温度。本发明对晶片 表面的均方根粗糙度要求很高，对于表面沾污颗粒的清洗及化学处理，都 要求在满足均方根粗糙度小于0. 5nm的条件下。
本发明提供一种低温晶片键合的方法，其特征在于，包括如下步骤
步骤1:将单面抛光的Si外延片和InGaAs外延片用有机溶剂清洗， 去除表面的有机物，该InGaAs外延片的底层为InP衬底；
步骤2:再分别对Si外延片和InGaAs外延片进行表面处理，以去除 表面的杂质离子、除碳和亲水性处理；
步骤3:将Si外延片和InGaAs外延片进行贴合，贴合后的晶片对置 于真空键合机内键合，进行第一次热处理，以驱除键合界面的水气；
步骤4:对键合后的晶片进行减薄；
步骤5:再对减薄后的晶片进行第二次热处理； 5步骤6:最后腐蚀掉键合晶片的InP衬底，完成低温晶片键合的制作。 其中Si外延片包括一 n型硅衬底； 一本征层，该本征层制作在n 型硅衬底上；一p型硅，该P型硅制作在本征层上。
其中InGaAs外延片包括一 n型InP衬底；一 InGaAs非故意掺杂层， 该InGaAs非故意掺杂层制作在n型InP衬底上；一 InP本征层，该InP 本征层制作在InGaAs非故意掺杂层上；一 p型InGaAsP层，该p型InGaAsP 层制作在InP本征层上；一 p型InP层，该p型InP层制作在p型InGaAsP 层上；一 InGaAs本征层，该InGaAs本征层制作在p型InP层上。 其中真空键合的真空度为10—4-10_5Pa。 其中所述的本征层的材料为非故意掺杂的硅。 其中所述的第一次热处理时，键合的压力为l-5MPa。 其中所述的第一次热处理包括四个温度阶段(1)30-9(TC范围内预键 合2小时；(2) 120-20(TC范围内预键合1小时；(3)250'C预键合1小时； (4)缓慢降温，至室温后可取出晶片，进行下一步的处理。
其中所述的第二次热处理包括五个温度阶段(1)30-9(TC范围内预键 合1小时；(2) 120-20(TC范围内预键合1小时；(3)25(TC键合1小时； (4)350-400。C范围内键合0.5小时；(5)然后开始缓慢降温，至室温后可 取出晶片，进行下一步的工艺处理。
其中所述的第二次热处理在温度达到25(TC以上时，升温要求缓慢， 平均0.2-0.5'C/分钟；降温过程也要求同样缓慢，平均0.2-0.5。C/分钟； 低于25(TC以后可采取关掉键合机的温度控制系统，使键合晶片自然降温 的办法降温。
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实例及附图，详细说明如 后，其中
图l(a、 b、 c)是键合晶片结构和键合过程示意图，是Si外延片10 和InGaAs外延片20经过前述方法清洗后，将本征InGaAs层19的表面与 P-Si层13的表面键合在一起，进行第一次热处理，然后减薄InP衬底14 和Si衬底11，再进行第二次热处理，最后用腐蚀液去掉InP衬底14，将InGaAs薄膜转移到了 Si衬底11上。
具体实施例方式
本发明是利用真空键合机实现InGaAs (InP)晶片和Si晶片的键合。
请参阅图l所示， 一种低温晶片键合的方法，包括如下步骤
步骤1:将单面抛光的Si外延片10和InGaAs外延片20用有机溶剂
清洗，去除表面的有机物，该InGaAs外延片20的底层为InP衬底14。所
述的Si外延片lO包括 一n型硅衬底11;
一本征层12，该本征层12制作在n型硅衬底ll上； 一p型硅13，该P型硅13制作在本征层12上。 所述的InGaAs外延片20包括 一n型InP衬底14;
一 InGaAs非故意掺杂层15，该InGaAs层15制作在n型InP衬底14
上；
一 InP本征层16，该InP本征层16制作在InGaAs层15上；
一 p型InGaAsP层17，该p型InGaAsP层17制作在InP本征层16
上；
一 p型InP层18，该p型InP层18制作在p型InGaAsP层17上； 一 InGaAs本征层19，该InGaAs本征层19制作在p型InP层18上。 步骤2:再分别对Si外延片10和InGaAs外延片20进行表面处理， 以去除表面的杂质离子、除碳和亲水性处理。这里包括两个步骤
(1) 外延片的清洗过程
① 用丙酮棉球擦拭Si外延片10和InGaAs外延片20的表面，在显微 镜下观察无明显的脏污颗粒，这样的外延片才可以用于键合；
② 用乙醇、丙酮、三氯乙烯按顺序来回高温超声煮洗Si外延片10和 InGaAs外延片20各3遍，最后用乙醇清洗完后，用去离子水反复冲洗15 分钟，目的在于清除表面有机物污染；
(2) 将经过有机溶剂清洗的外延片分别置于不同的容器，进行化学处
理① 对Si外延片IO的处理
I 、将Si外延片10置于5H2S04:1H202中，煮沸5-10分钟，然后冷却， 将Si外延片10用去离子水(DI水)反复冲洗10分钟。
II 、将Si外延片10置于RCA1 (1:1:4)溶液中(80度)注意双氧水在 沸腾以后加。RCA1溶液配比为NH4OH:H202:H20=10ml: 10ml :40ml，煮沸10-15 分钟，然后冷却，将Si外延片10用去离子水反复冲洗10分钟；
III、 在1HF: 10H2O中浸泡10秒，DI水冲洗10分钟以上；
IV、 RCA1煮沸，DI水冲洗10分钟。经过RCA1处理过的Si外延片10 为亲水性表面。
② 对InGaAs片的处理
对InGaAs晶片不需要特殊的处理，可以在有机溶剂清洗之后反复用
去离子水冲洗，置于装去离子水的容器内。
步骤3:将Si外延片10和InGaAs外延片20进行贴合，贴合后的晶
片对置于真空键合机内键合，进行第一次热处理，以驱除键合界面的水气。 对于步骤2中的Si外延片10和InGaAs外延片20的处理，若采用亲 水性处理过的表面进行键合，则将步骤2处理过的两外延片置于同一容器 内，用去离子水反复冲洗，在水中对准晶向进行贴合，用镊子取出，小心 吸掉背面的水分(注意不要沾污晶片正面)，置于键合夹具中。
如果需要进行疏水性表面键合，则可将按照步骤2处理过的两外延片 同时置于HF稀释液中10-20秒，马上贴合，置于键合夹具中。 这里所述的第一次热处理包括
(1) 将放置有两贴合好的外延片的夹具置于真空键合机内，密封之后通 过施力装置给晶片施加一定的压力， 一般在l-5MPa之间。然后开始抽真 空，到达一定的真空度(3x10—3pa以下)后可以开始设定低温30-90度，在 30-90'C温度范围内预键合2小时左右。在保温过程中真空度保持在 10—4-10_5Pa。
(2) 预键合后的晶片进行1小时以上的120-200度的低温键合，压力同 上。此过程可以去除界面间的水汽，因为200度以下所造成的热应力在临 界应力以下，所以此过程键合时间越长键合能越大。
(3) 预键合后的晶片再进行1小时左右的250度的低温键合。进一步清除界面水汽，增加界面键合能。
(4)然后开始缓慢降温，到室温后可取出晶片，进行下一步的处理。 步骤4:对键合后的晶片进行减薄。
将上述键合的晶片取出后，机械减薄衬底，我们使用的Si外延片lO
比较厚，最好将Si衬底11减到200,以下，同时将InP衬底14减薄到 100pm左右。
步骤5:再对减薄后的晶片进行第二次热处理。在第二次热处理过程
中，不需要施加压力，在保温过程中保持真空度在10—4-10_5Pa。
其中所述的第二次热处理包括四个温度阶段
(1) 30-90。C范围内预键合1小时左右；
(2) 120-200°。范围内预键合1小时左右；
(3) 25CTC键合1小时左右；
(4) 350-400。C范围内键合0. 5小时左右。键合界面的成键方式伴随温 度的上升和气体的逸出，从预键合时的范德瓦尔斯结合转变成为原子键结 合。
注意25CTC以后升温和降温的过程要比较缓慢，平均0. 2-0. 5"C/分钟 左右，防止热应力得不到及时释放而导致键合失败。
步骤6:最后腐蚀掉键合晶片的InP衬底14，完成低温晶片键合的制 作。InP衬底14腐蚀步骤如下
(1) 步骤5的键合温度降到常温后就可以取出晶片，用光刻胶或蜡保护 晶片侧面，防止腐蚀液侧蚀。
(2) 将键合好的晶片置于3HCL: 1H20溶液中进行InP衬底14的腐蚀；然 后用H3P04:H202:H20(1:1:5)腐蚀去掉InGaAs阻挡层15;最后用3HCL:1H20 选择腐蚀掉i-InP层16，获得表面层为p-InGaAsP 17的金属接触层，这 样表面约几微米的InGaAs薄膜就转移到了 Si衬底上，得到了键合的 InGaAs/Si晶片。
(3) 利用有机溶剂去除胶或蜡，这里如果键合的质量不好，在热处理除 蜡的过程中晶片会出现解键合。我们这种低温键合的方法得到的晶片键合 能比较高，在除蜡过程中晶片完整，没有出现解键合现象。
从我们实验的结果来看，这种低温晶片键合的效果比高温晶片键合强很多。我们将键合温度分别为600度和570度的InGaAs/Si键合晶片分别 进行红外透视测试，可以看见，键合晶片出现裂纹和牛顿环，这是由于高 温后InGaAs材料和Si材料的热膨胀系数相差很大导致的热应力太大，界 面处InGaAs受到较大的张应力从而使InGaAs晶片出现裂纹导致解键合。
而由键合温度为350度的InP与Si键合晶片、InGaAs与Si键合晶片 红外透视图可见，在较低温热处理后晶片键合质量比较好，红外透视图非 常亮，没有牛顿环，表明界面间没有键合上的部分很少。这是由于较低温 情况下InGaAs材料和Si材料的热膨胀系数导致的热应力在比较缓慢的升 降温过程中得到了充分释放，因此在界面处材料处于弹性形变范围内，从 而使键合晶片间的气泡或未键合上部分的面积达到最小。
利用盐酸等腐蚀液将键合晶片InP衬底腐蚀完后，InGaAs薄膜己经转 移到了Si衬底上，在1000倍显微镜下观察InGaAs表面，可见表面一层 薄薄的InGaAs (白色)薄膜很均匀地附着在Si外延片上。将腐蚀完InP 衬底的晶片进行器件工艺，包括先后刻蚀InGaAs薄膜和Si外延片20得 到台面，淀积Si02绝缘薄膜、蒸镀P电极、刻蚀电极图形、Si衬底14 减薄、蒸镀N电极、合金、解理、封装管芯、测试，键合晶片经受住了所 有工艺的考验，制备出InGaAs/Si APD器件。最后测试得到器件的I-V特 性及光电流曲线，说明我们键合的InGaAs/Si晶片界面实现了载流子输 运，键合界面的电特性良好。
对制作的InGaAs/Si APD器件进行了键合界面的SEM图测试。从放大 的i-InGaAs 19与p-Si 13界面情况看，界面十分平整，中间有一层厚度 约22.5nm的过渡层。这是由于我们采用了亲水性处理晶片表面，键合界 面就出现了受氧化层影响的界面层， 一般疏水性处理的键合界面层为几 nm，所以一般为了防止这层界面层带来的影响(如电导率和热导率的降低) 都采用疏水清洗键合的方法。疏水性处理就是在所有的化学处理之后，将 两晶片同时置于稀释的HF溶液中10-20秒，马上贴合，后面的步骤和亲 水性处理相同。HF的作用是去除晶片表面一层疏松的氧化层，从而防止了 这层氧化层有可能在键合操作过程中攫取一些脏污颗粒。
权利要求
1、一种低温晶片键合的方法，其特征在于，包括如下步骤步骤1将单面抛光的Si外延片和InGaAs外延片用有机溶剂清洗，去除表面的有机物，该InGaAs外延片的底层为InP衬底；步骤2再分别对Si外延片和InGaAs外延片进行表面处理，以去除表面的杂质离子、除碳和亲水性处理；步骤3将Si外延片和InGaAs外延片进行贴合，贴合后的晶片对置于真空键合机内键合，进行第一次热处理，以驱除键合界面的水气；步骤4对键合后的晶片进行减薄；步骤5再对减薄后的晶片进行第二次热处理；步骤6最后腐蚀掉键合晶片的InP衬底，完成低温晶片键合的制作。
2、 根据权利要求1所述的低温晶片键合的方法，其特征在于，其中 Si外延片包括一n型硅衬底；一本征层，该本征层制作在n型硅衬底上；一p型硅，该p型硅制作在本征层上。
3、 根据权利要求1所述的低温晶片键合的方法，其特征在于，其中 InGaAs外延片包括一n型InP衬底；一 InGaAs非故意掺杂层，该InGaAs非故意掺杂层制作在n型InP 衬底上；一 InP本征层，该InP本征层制作在InGaAs非故意掺杂层上； 一 p型InGaAsP层，该p型InGaAsP层制作在InP本征层上； 一 p型InP层，该p型InP层制作在p型InGaAsP层上； 一 InGaAs本征层，该InGaAs本征层制作在p型InP层上。
4、 根据权利要求1所述的低温晶片键合的方法，其特征在于，其中 真空键合的真空度为l(r4-10-5Pa。
5、 根据权利要求1所述的低温晶片键合的方法，其特征在于，其中 所述的本征层的材料为非故意掺杂的硅。
6、 根据权利要求1所述的低温晶片键合的方法，其特征在于，其中所述的第一次热处理时，键合的压力为l-5MPa。
7、 根据权利要求1所述的低温晶片键合的方法，其特征在于，其中所述的第一次热处理包括四个温度阶段(1) 30-90 °C范围内预键合2小时；(2) 120-200 °C范围内预键合1小时；(3) 25(TC预键合1小时；(4) 缓慢降温，至室温后可取出晶片，进行下一步的处理。
8、 根据权利要求1所述的低温晶片键合的方法，其特征在于，其中 所述的第二次热处理包括五个温度阶段(1) 30-9(TC范围内预键合1小时；(2) 120-200。C范围内预键合l小时；(3) 25CTC键合1小时；(4) 350-400"范围内键合0. 5小时；(5) 然后开始缓慢降温，至室温后可取出晶片，进行下一步的工艺处理。
9、 根据权利要求8所述的低温晶片键合的方法，其特征在于，其中 所述的第二次热处理在温度达到25(TC以上时，升温要求缓慢，平均 0.2-0.5TV分钟；降温过程也要求同样缓慢，平均0,2-0.5'C/分钟；低于 25(TC以后可采取关掉键合机的温度控制系统，使键合晶片自然降温的办 法降温。
全文摘要
一种低温晶片键合的方法，其特征在于，包括如下步骤步骤1将单面抛光的Si外延片和InGaAs外延片用有机溶剂清洗，去除表面的有机物，该InGaAs外延片的底层为InP衬底；步骤2再分别对Si外延片和InGaAs外延片进行表面处理，以去除表面的杂质离子、除碳和亲水性处理；步骤3将Si外延片和InGaAs外延片进行贴合，贴合后的晶片对置于真空键合机内键合，进行第一次热处理，以驱除键合界面的水气；步骤4对键合后的晶片进行减薄；步骤5再对减薄后的晶片进行第二次热处理；步骤6最后腐蚀掉键合晶片的InP衬底，完成低温晶片键合的制作。
文档编号H01L21/18GK101677057SQ20081022233
公开日2010年3月24日 申请日期2008年9月17日 优先权日2008年9月17日
发明者何国荣, 彭红玲, 杨国华, 渠红伟, 岩 石, 郑婉华, 陈良惠 申请人:中国科学院半导体研究所