专利名称：晶片键合的硼化物表面处理剂及键合方法
技术领域：
本发明涉及一种晶片键合工艺，特别是晶片键合的硼化物表面处理 剂以及使用这种表面处理剂进行晶片键合的方法。
背景技术：
-随着光电子集成技术的飞速发展，由于不同的材料(如砷化镓(GaAs)，磷化铟(InP)，氮化镓(GaN)以及硅(Si)等)在光学 特性、电学特性和机械特性等方面各具优势，实现不同材料间的集成， 将能大大提高光电子器件的功能和集成度。但是对于两种晶格常数差异 较大的材料，目前的外延生长工艺还很难实现两者间的高质量集成，即 异质生长。于是， 一种新的技术——晶片键合技术(Wafer bonding)孕 育而生了。晶片键合技术是指将两片表面平整的晶片，通过表面清洁和表面处 理后，面对面贴紧，然后经过高温热处理(即退火)，在两个晶片的界 面产生化学键，使得两个晶片高强度地结合在一起。它的优势在于由 晶格失配导致的缺陷仅局限于键合界面，不会迁移至器件的有源区从而 影响器件的性能，因此能够实现不同晶格常数的材料间的集成；同时键 合界面的原子级结合使得器件具有良好的电学、光学特性和高的机械强 度。但是在目前的键合工艺中，其退火温度通常在50(TC 70(TC之 间，这么高的温度将导致晶片中原子的扩散、界面缺陷的扩散以及器件 性能的劣化；同时由于两种材料的热涨系数不同，热处理中升温和冷却 过程所产生的大应力，会使得键合的晶片分开甚至断裂。为了降低晶片键合的温度，通常采取三种办法采用等离子体激活 晶片的表面，使得在较低的温度下实现高强度的结合；采用粘合剂，如 硅胶等；采用表面处理剂处理晶片表面，以提高晶片表面活性。对于第一种方法，对环境和设备的要求较高，因此成本较为昂贵；对于第二种 方法，在晶片间会引入厚的胶体层(约0.1~1.0微米厚)，厚的胶体层 会造成器件的导电性能和光学性能劣化；至于第三种方法，目前通常使 用的硒化物溶液有较大的毒性，同时在晶片间也会引入厚的间隔层(约 1.0 3.0微米厚)。中国专利申请"一种低温晶片直接键合方法"(CN1933096A)公开 一种低温下晶片键合方法，但其所涉及的工艺过程极为复杂，包括数 小时的低温预键合、100小时100 16(TC的键合、晶片减薄、1 20小 时的低温热处理、以及最后的更高温度退火处理等工艺步骤。其长时 间、复杂的工艺过程会增加加工成本，长时间的退火过程还会造成晶体 质量的下降；同时该公开文本中没有注明最后的退火温度有多高，无法 判断该工艺是否属于低温键合。本申请人的在先申请"晶片健合表面处 理剂及晶片健合方法"(CN1632925A)。该键合方法主要针对III-V族 晶片(如GaAs和InP)之间的键合技术，所涉及的工艺并不适用于本 发明的技术方案所涉及的硅晶片与III-V族晶片间的键合；同时该申请 中的退火温度还是比较高(360°C 380°C)。
发明内容
本发明的目的在于解决上述的技术难题，提供可以实现在更低的热 处理温度、更短的热处理时间的条件下，半导体晶片间的高质量键合， 并且环保无毒的晶片键合工艺中的表面处理剂。本发明的另一目的在于提供使用所述表面处理剂进行晶片键合的方法。本发明提供一种晶片键合的硼化物表面处理剂，其中所述的表面处 理剂为硼化物溶液，所述的硼化物裙液中含有硼酸根离子、硼氢根离子 或硼酸根离子和硼氢根离子混合物。其中所述硼化物溶液的溶质选自硼酸、硼氢化钠、或者硼酸和硼氢 化钠混合物。其中所述硼化物溶液的溶剂选自硫化碳、四氯化碳、甲醇、乙醇、 氨水以及水，优选为氨水和水。其中以重量百分比计所述硼化物溶液的浓度为0.001% 20%，优 选为0.01% 2%。本发明还提供一种晶片键合方法，包括如下的工艺步骤a. 在容器中配制如权利要求1所述的表面处理剂；b. 将待键合的晶片进行清洗，然后将晶片置于步骤a中制备的表面 处理剂中在0。C 10(TC的水浴中放置lmin 1小时；c. 将两块晶片面对面贴紧取出，并用夹具夹紧；d. 将夹好的晶片和夹具一起放入退火炉中进行热处理，处理温度为 廳。C 300。C，处理时间为0.5 2小时。其中步骤b中的晶片选自GaAs、 InP或硅基晶片，且所述晶片含有 外延生长的器件结构层，当待键合晶片中含有硅晶片时，在清洗晶片前 需预先在待键合硅片表面形成一层厚度为2-500纳米的氧化硅。其中步骤b所述的水浴温度为20°C 30°C，放置时间为10 40min。其中步骤d中热处理温度为100°C 300°C，处理时间为1.0 2小时。通过本发明所提供的表面处理剂处理待键合晶片表面，并使用本发明所提供的键合方法，可以在较低的热处理温度下，实现半导体晶片间的低成本、高质量键合。待键合的半导体晶片如砷化镓(GaAs)，磷化铟(InP)或硅片(Si)，通过硼化物溶液的处理，由于硼化物中的硼酸根(BO,)和硼氢根(BH4')能够和晶片的原子(如Ga， As， Si ， In，或P原子)在较低的温度下反应生成共价键(形成类似于B203-POx(/AsOx) -Si02(/POx)的玻璃态物资)，从而实现两晶片间高强度的结 合。本发明所提供的晶片键合方法中，晶片置于本发明所提供的表面处 理剂中处理一段时间后，能够与晶片表面原子反应，并在晶片表面上吸 附形成极薄(约纳米级厚度)的玻璃态物资，从而实现低温下晶片间的 高强度键合。而且由于硼化物的BO,和BH/能够和晶片的原子(如Ga， As, Si ， In, P原子)在较低的温度下反应生成共价键，因此在300。C以下的热处理温度下就能实现GaAs与InP、 InP与硅、GaAs与硅、以及硅与 硅晶片间的高强度结合，远远低于500'C 70(TC常规退火温度，由于退 火温度大大降低，不但降低了生产成本，也降低了因为高温下晶片中原 子的扩散、界面缺陷的扩散以及器件性能的劣化，热处理中升温和冷却 过程所产生的应力也因为热处理温度的降低而降低，减低了键合的晶片 分开甚至断裂的风险。键合好的GaAs/InP、 InP/Si、以及Si/Si晶片的截断面的扫描电子显 微镜图像(SEM)，如图1，2禾B3所示。从图中可以看出，键合的晶片 与晶片已经紧紧的结合在一起，断裂的截面非常平整(不是按着各自的 晶向裂开)，这说明晶片间形成了牢固的共价键，这也说明本发明所提 供的晶片表面处理剂和晶片键合方法能很好的实现晶片的牢固键合，并 且降低了成本，提高了产品质量。本发明所提供的硼化物溶液晶片键合表面处理剂与现在使用的含硒 表面处理剂相比，具有无毒环保的优点，并且键合温度更低。与 CN1933096A中所涉及的工艺相比，本发明所提供的工艺简单，只需要 一步退火过程，无需长达100多小时的热处理和衬底减薄和再次高温热 处理等过程，而且退火时间更短，小于2小时。与CN1632925A相比， 本发明所提供的技术方案适用范围更广，可用于硅晶片与GaAs基晶片 或InP基晶片之间的键合，同时热处理温度更低(小于30(TC)。
图1为键合好的GaAs/InP晶片的截断面的电子显微镜图像。 图2为键合好的InP/Si晶片的截断面的电子显微镜图像。 图3为键合好的Si/Si晶片的截断面的电子显微镜图像。
具体实施例方式现在通过几个具体实施例进一步解释说明本发明所提供的晶片键合 表面处理剂和晶片键合方法，这些实施例并非限制本发明的保护范围， 所有根据本发明的概念所做的变换，其所产生的功能作用仍未超出说明 书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围。在下列的实施例中，在InP晶片的表面上外延生长了器件结构，使 用的夹具由螺母、夹板和半球形金属块组成，旋转螺母的松紧可以调整 夹板对晶片所施加的压力大小，而半球形金属块则使得夹板所施加的压 力均匀地分布在晶片上。实施例1 (GaAs/InP键合)将待键合的InP晶片和GaAs晶片在丙酮、乙醇、氨水和去离子水 中清洗，以除去表面的污渍；将硼酸(H3B03)溶于氨水(NH4OH)里，配成室温下的饱和溶液， 作为表面处理剂；将清洗后的晶片置于表面处理剂中，99。C下放置l分钟；将两块晶片面对面贴紧取出，并用夹具夹紧；将夹好的晶片和夹具一起放入退火炉中进行热处理，在295"C的热 处理温度下保持0.5小时，实现晶片间高强度的结合。实施例2 (Si/InP键合)将待键合的InP晶片在丙酮、乙醇、氨水和去离子水中清洗，以除 去表面的污渍；在待键合的Si晶片表面形成一层极薄的氧化硅(厚度大约10纳 米)；将Si晶片用H2S04:H20jn HC1:H202:H20溶液清洗，以除去表面 的污渍；配1%的硼氢化钠(NaBH4)水溶液，取3ml该溶液(l号溶液)； 取0.5ml氨水(2号溶液)；配1%的硼酸(H3B03)水溶液，取25ml该 溶液(3号溶液)；将l、 2、 3号溶液混合配制成表面处理剂；将清洗后的晶片置于表面处理剂中，6(TC下放置IO分钟；将两块晶片面对面贴紧取出，并用夹具夹紧；将夹好的晶片和夹具一起放入退火炉中进行热处理，在27(TC的热 处理温度下保持1.5小时，实现晶片间高强度的结合。实施例3 (Si/Si键合)在待键合的Si晶片表面形成一层薄的氧化硅(厚度大约5纳米)；将Si晶片用H2S04:H20jn HC1:H202:H20溶液清洗，以除去表面 的污渍；取O.lg的硼氢化钠(NaBH4)与50ml的硼酸氨水溶液，混合配制 成表面处理剂；将清洗后的晶片置于表面处理剂中，室温下放置30分钟； 将两块晶片面对面贴紧取出，并用夹具夹紧；将夹好的晶片和夹具一起放入退火炉中进行热处理，热处理温度为 180°C，处理时间为l..O小时，实现晶片间高强度的结合。实施例4 (Si/Si键合)在待键合的Si晶片表面形成一层薄的氧化硅(厚度大约500纳 米)；将Si晶片用H2S04:H20jn HC1:H202:H20溶液清洗，以除去表面 的污渍；取O.lg的硼氢化钠(NaBH4)与50ml的硼酸氨水溶液，混合配制 成表面处理剂；将清洗后的晶片置于表面处理剂中，室温下放置30分钟； 将两块晶片面对面贴紧取出，并用夹具夹紧；将夹好的晶片和夹具一起放入退火炉中进行热处理，热处理温度为 110°C，处理时间为l..O小时，实现晶片间高强度的结合。实施例5 (Si/InP键合)将待键合的InP晶片在丙酮、乙醇、氨水和去离子水中清洗，以除 去表面的污渍；在待键合的Si晶片表面形成一层极薄的氧化硅(厚度大约100纳 米)；将Si晶片用H2S04:H20jf] HC1:H202:H20溶液清洗，以除去表面 的污渍；配1%的硼酸(H3B03)水溶液，取25ml该溶液(1号溶液)；取 0.5ml氨水(2号溶液)；将l、 2号溶液混合配制成表面处理剂； 将清洗后的晶片置于表面处理剂中，l(TC下放置45分钟； 将两块晶片面对面贴紧取出，并用夹具夹紧；将夹好的晶片和夹具一起放入退火炉中进行热处理，在25(TC的热 处理温度下保持2小时,实现晶片间高强度的结合。实施例6 (GaAs/Si键合)将待键合的GaAs晶片在丙酮、乙醇、氨水和去离子水中清洗，以 除去表面的污渍；在待键合的Si晶片表面形成一层薄的氧化硅(厚度大于5纳 米)；将Si晶片用H2S04:H20jn HC1:H202:H20溶液清洗，以除去表面 的污渍；配1%的硼酸(H3B03)水溶液，取25ml该溶液(1号溶液)；取 0.5ml氨水(2号溶液)；将l、 2号溶液混合配制成表面处理剂； 将清洗后的晶片置于表面处理剂中，0。C下放置1小时； 将两块晶片面对面贴紧取出，并用夹具夹紧；将夹好的晶片和夹具一起放入退火炉中进行热处理，在28(TC的热 处理温度下保持2小时,实现晶片间高强度的结合。
权利要求
1. 一种晶片键合的硼化物表面处理剂，其中所述的表面处理剂为硼化物溶液，所述的硼化物溶液中含有硼酸根离子、硼氢根离子或硼酸根离子和硼氢根离子混合物。
2、 根据权利要求1所述的晶片键合的硼化物表面处理剂，其中所 述硼化物溶液的溶质选自硼酸、硼氢化钠、或硼酸和硼氢化钠混合物。
3、 根据权利要求1所述的晶片键合的硼化物表面处理剂，其中所 述硼化物溶液的溶剂选自硫化碳、四氯化碳、甲醇、乙醇、氨水以及 水。
4、 根据权利要求3所述的晶片键合的硼化物表面处理剂，其中所 述硼化物溶液的溶剂为氨水和水。
5、 根据权利要求1 4中任一所述的晶片键合的硼化物表面处理 剂，其中以重量百分比计所述硼化物溶液的浓度为0.001% 20%。
6、 根据权利要求5所述的晶片键合的硼化物表面处理剂，其中重 量百分比计所述硼化物溶液的浓度为0.01% 2%。
7、 一种晶片键合方法，包括如下的工艺步骤a. 在容器中配制如权利要求1所述的表面处理剂；b. 将待键合的晶片进行清洗，然后将晶片置于步骤a中制备的表面 处理剂中在0'C 10(TC的水浴中放置1分钟 1小时；c. 将两块晶片面对面贴紧取出，并用夹具夹紧；d. 将夹好的晶片和夹具一起放入退火炉中进行热处理，处理温度为 100°C 300°C，处理时间为0.5 2小时。
8、 根据权利要求7所述的晶片键合方法，其中步骤b中的晶片选 自GaAs、 InP或硅基晶片，且所述晶片含有外延生长的器件结构层，当 待键合晶片中含有硅晶片时，在清洗晶片前需预先在待键合硅片表面形 成一层厚度为2-500纳米的氧化硅。
9、 根据权利要求7所述的晶片键合方法，其中步骤b所述的水浴 温度为2(TC 3(TC，放置时间为10 40分钟。
10、 根据权利要求7所述的晶片键合方法，其中步骤d中热处理温 度为10(TC 300。C，处理时间为1.0 2小时。
全文摘要
本发明揭示了一种晶片键合的硼化物表面处理剂以及键合方法，本发明所提供的表面处理剂是硼化物溶液，所述硼化物溶液含有硼酸根、硼氢根或硼酸根和硼氢根的混合物。溶剂选自硫化碳、四氯化碳、甲醇、乙醇、氨水和水；溶液浓度为0.001％～20％。本发明所提供的晶片键合方法，先将待键合的晶片进行清洗，然后将晶片置于置于本发明所提供的步骤a中制备的表面处理剂中在0℃～100℃的水浴中放置1分钟～1小时将两块晶片面对面贴紧取出夹紧；将夹好的晶片和夹具一起放入退火炉中进行热处理，处理温度为100～300℃，处理时间为0.5～2小时，实现在较低的热处理温度下，半导体晶片间高质量键合，并且工艺过程环保无毒。
文档编号H01L21/02GK101281856SQ200710091028
公开日2008年10月8日 申请日期2007年4月5日 优先权日2007年4月5日
发明者任晓敏, 宋海兰, 琦 王, 王文娟, 辉 黄, 黄永清 申请人:北京邮电大学