一种基于铝锗共晶的低温键合方法
【专利摘要】本发明提供一种基于铝锗共晶的低温键合方法，其包括制备上基板，其中上基板包括基板材料和形成于基板材料上的键合层材料，所述键合层材料为铝或锗的单层或多层膜；制备下基板，其中下基板包括基板材料和形成于基板材料上的键合层材料，所述键合层材料为铝或锗的单层或多层膜；将上基板与下基板对准进行低温键合。本发明的方法，以铝和锗为中间键合层材料，其中铝和锗材料与CMOS工艺兼容,不仅可以用作键合材料，同时也可以用作导电材料，而且键合中会先形成液态的铝锗合金，可以消除键合表面粗糙度的影响。
【专利说明】一种基于铝锗共晶的低温键合方法
【【技术领域】】
[0001]本发明是关于半导体制程领域，特别是关于一种低温键合方法。
【【背景技术】】
[0002]键合可以将表面硅加工和体硅加工有机地结合在一起，已成为MEMS器件开发和实用化的关键技术之一。此外，键合技术还可用于芯片的圆片级封装、SOI材料制备、三维集成等。与其它键合方法相比，低温键合可以防止高温键合(如硅熔融键合)引起的下列问题:〈I〉高温对圆片上的温度敏感电路和微结构造成热损坏〔如超过500°c的高温就会对CMOS铝电路造成破坏〉；(2)高温易引入杂质，造成衬底杂质的重新分布；〔3〉对于热膨胀系数(CTE)差较大的材料间键合，高温导致很大的变形和残余热应力，直接影响到器件性能和成品率。
[0003]目前已研发出了多种低温键合技术，如表面活化低温键合、阳极键合、焊料键合、热压键合等。表面活化低温键合工艺时间长(一般为几小时到几十小时)，效率较低，且由于涉及表面处理，难以满足含图形和电路的圆片键合要求。阳极键合目前在MEMS器件制备过程中得到了广泛的应用，其缺点是不能对两硅片直接进行键合，而且由于钠离子的存在，不能和MOS工艺兼容。键合过程中的高电压产生的静电力也可能使MEMS器件中其他要求可动的硅结构粘附到玻璃上，导致器件失效，同时高电势会使硅材料改变其半导体特性，影响器件性能。焊料键合对键合表面的平整度要求不高，但是焊料表面往往容易氧化，键合面的氧化层将严重影响键合的实现，同时，焊料往往通过电镀法制备，增加了工艺难度和复杂性。热压键合往往需要较大的键合压力，以消除键合表面粗糙度的影响。
[0004]因此，有必要提供一种更好的低温键合方法，以克服前述各种低温键合方法的缺陷。
【
【发明内容】
】
[0005]本发明的目的在于提供一种效率高且直接能进行两片硅片直接键合，并且对键合表面平整度要求不高且键合压力较小的低温键合技术。
[0006]为达成前述目的，本发明一种基于铝锗共晶的低温键合方法，其包括制备上基板、制备下基板，在上下基板之间形成键合层材料，将上基板与下基板对准进行键合，其中所述键合层材料为铝和锗材料。
[0007]根据本发明的一实施例，所述键合层材料为分别形成于上基板和/或下基板的铝和/或锗的膜层。
[0008]根据本发明的一实施例，制备上基板步骤中，其中上基板包括基板材料和形成于基板材料上的键合层材料，所述键合层材料为铝和/或锗；制备下基板步骤中，其中下基板包括基板材料和形成于基板材料上的键合层材料，所述键合层材料为锗和/或铝；将上基板与下基板对准进行键合。
[0009]根据本发明的一实施例，所述键合的温度为420°C -500°C，键合施加的压力为0.2-0.9兆帕，加压时间为20-50分钟。
[0010]根据本发明的一实施例，所述上基板的基板材料为硅，所述上基板的基板材料上沉积有一层氧化硅，所述上基板的氧化硅层上的待键合处蒸发有500-2000nm厚度的铝膜，下基板的基板材料为硅，在所述下基板的基板材料上沉积有一层氧化硅，所述下基板的氧化硅层上的待键合处蒸发有10-1OOOnm厚度的锗膜。
[0011]根据本发明的一实施例，所述上基板的基板材料为娃，所述上基板的基板材料上沉积有一层氧化硅，所述上基板的氧化硅层上的待键合处蒸发有500-2000nm厚度的铝膜，在招I吴上蒸发有10-1OOOnm厚度的错I吴，下基板的基板材料为娃，在所述下基板的基板材料上沉积有一层氧化硅。
[0012]根据本发明的一实施例，所述上基板的基板材料为玻璃或氮化镓，下基板的基板材料为玻璃或氮化镓。
[0013]为达成前述目的，本发明一种基于铝锗共晶的键合方法，其包括:
[0014]制备上基板，在抛光的单晶硅片上，热生长或化学气相沉积一层氧化硅，在氧化硅层上的待键合处蒸发500-2000nm厚的铝膜；
[0015]制备下基板，在抛光的单晶硅片上，热生长或化学气相沉积一层氧化硅，在氧化硅层上的待键合处蒸发10-1OOOnm厚的锗膜；
[0016]将上基板与下基板的键合面对准并贴合，再送入键合机，升温至420-500°C，并施加0.2-0.9兆帕的压力，加压时间为20-50分钟，然后撤除压力，冷却到室温，键合完成。
[0017]为达成前述目的，本发明一种基于铝锗共晶的键合方法，其包括:
[0018]制备上基板，在抛光的单晶硅片上，热生长或化学气相沉积一层氧化硅，在氧化硅层上的待键合处蒸发500-2000nm厚的铝膜；在铝膜上蒸发一层10-1OOOnm厚的锗膜；
[0019]制备下基板，提供一抛光的单晶硅片；
[0020]将上基板与下基板的键合面对准并贴合，再送入键合机，升温至420-500°C，并施加0.2-0.9兆帕的压力，加压时间为20-50分钟，然后撤除压力，冷却到室温，键合完成。
[0021]为达成前述目的，本发明一种基于铝锗共晶的键合方法，其包括:
[0022]制备上基板，在玻璃或氮化镓上蒸发500-2000nm厚的铝膜；
[0023]制备下基板，在玻璃或氮化镓上蒸发10-1OOOnm厚的锗膜；
[0024]将上基板与下基板的键合面对准并贴合，再送入键合机，升温至420-500°C，并施加0.2-0.9兆帕的压力，加压时间为20-50分钟，然后撤除压力，冷却到室温，键合完成。
[0025]本发明的方法铝和锗材料与CMOS工艺兼容，不仅可以用作键合材料，同时也可以用作导电材料，当键合温度大于铝锗的共晶温度时，反应中会形成液态的铝锗合金，液态的合金不仅会增强铝和锗的扩散，还可以消除键合表面粗糙度的影响。该键合方法不仅可以用于娃材料的键合，还可以用于非娃材料的键合。
【【专利附图】
【附图说明】】
[0026]图1是本发明的键合方法的第一实施例的流程图；
[0027]图2是本发明的键合方法的第一实施例中上基板和下基板的结构示意图；
[0028]图3是本发明的键合方法的第二实施例的流程图；
[0029]图4是本发明的键合方法的第二实施例中上基板和下基板的结构示意图；
[0030]图5是本发明的键合方法的第三实施例的流程图；
[0031]图6是本发明的键合方法的第三实施例中上基板和下基板的结构示意图；
[0032]图7是本发明的键合方法的第四实施例的流程图；
[0033]图8是本发明的键合方法的第四实施例中上基板和下基板的结构示意图。
【【具体实施方式】】
[0034]此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
[0035]键合可以将表面硅加工和体硅加工有机地结合在一起，已成为MEMS器件开发和实用化的关键技术之一。此外，键合技术还可用于芯片的圆片级封装、SOI材料制备、三维集成等。键合简单的说是用于将两块材料连接在一起，现有的键合的种类很多，其通常是对两块材料施加一定的压力和温度将两块材料连接在一起，如前所述，现有的键合存在一定的缺陷，因此本发明提出一种新的键合方法。
[0036]本发明的键合方法包括提供一块上基板和一块下基板，在上下基板之间设置键合层材料，通过对上基板、键合层材料以及下基板施加一定的温度和压力，使键合层材料将上基板与下基板连接在一起，其中本发明所使用的键合层材料为铝和锗的材料。
[0037]在本发明的键合方法中，键合层材料并不是单独设置的，需要事先依附于上基板材料或下基板材料上，这样将上基板材料与下基板材料进行键合时才便于操作，而键合层材料依附于上基板材料或下基板材料上的形成方法下面将举几个实施例进行具体说明。
[0038]实施例1:
[0039]请参阅图1及图2所示，其中图2显示本发明的键合方法的一个实施例的步骤流程图，图2显示依据图1所示的方法形成的上基板和下基板的结构示意图。在该实施例中，所键合的上基板和下基板为硅片，请参考图2所示，本发明的键合方法包括如下步骤:
[0040]步骤Sll:制备上基板，如图2所示，在抛光的单晶硅片211上，热生长或化学气相沉积一层氧化硅212，在氧化硅层212上的待键合处蒸发500-2000nm厚的铝膜213，形成上基板21。
[0041]步骤S12:制备下基板，如图2所示，在抛光的单晶硅片221上，热生长或化学气相沉积一层氧化硅222，在氧化硅层222上的待键合处蒸发10-1OOOnm厚的锗膜223，形成下基板22。
[0042]步骤S13:将上基板21与下基板22的键合面对准并贴合，再送入键合机，升温至420-500°C，并施加0.2-0.9兆帕的压力，加压时间为20-50分钟，然后撤除压力，冷却到室温，键合完成。
[0043]实施例2:
[0044]请参阅图3及图4所示，其显示本发明的键合方法的另一个实施例的步骤流程图，图4显示依据图3所示的方法形成的上基板和下基板的结构示意图。在该实施例中，所键合的上基板和下基板为硅片，请参考图4所示，本发明的键合方法包括如下步骤:
[0045]步骤S31:制备上基板，如图5所示，在抛光的单晶硅片411上，热生长或化学气相沉积一层氧化硅412，在氧化硅层412上的待键合处蒸发500-2000nm厚的铝膜413 ;在铝膜上蒸发一层10-1OOOnm厚的锗膜414，形成上基板41。
[0046]步骤S32:制备下基板，如图5所示，提供一片抛光的单晶硅片作为下基板42。
[0047]步骤S33:将上基板41与下基板42的键合面对准并贴合，再送入键合机，升温至420-500°C，并施加0.2-0.9兆帕的压力，加压时间为20-50分钟，然后撤除压力，冷却到室温，键合完成。
[0048]实施例3:
[0049]请参阅图5及图6所示，其显示本发明的键合方法的再一个实施例的步骤流程图，图6显示依据图5所示的方法形成的上基板和下基板的结构示意图。在该实施例中，所键合的上基板和下基板材料为玻璃或氮化镓，请参考图6所示，本发明的键合方法包括如下步骤:
[0050]步骤S51:制备上基板，如图7所示，在抛光的玻璃片或氮化镓片611上的待键合处蒸发500-2000nm厚的铝膜612 ;形成上基板61。
[0051]步骤S52:制备下基板，如图3所示，在抛光的玻璃片或氮化镓片621上的待键合处蒸发10-1OOOnm厚的锗膜622，形成下基板62。
[0052]步骤S53:将上基板61与下基板62的键合面对准并贴合，再送入键合机，升温至420-500°C，并施加0.2-0.9兆帕的压力，加压时间为20-50分钟，然后撤除压力，冷却到室温，键合完成。
[0053]实施例4:
[0054]请参阅图7及图8所示，其显示本发明的键合方法的另一个实施例的步骤流程图，图8显示依据图7所示的方法形成的上基板和下基板的结构示意图。在该实施例中，所键合的上基板和下基板材料为玻璃或氮化镓材料，请参考图8所示，本发明的键合方法包括如下步骤:
[0055]步骤S71:制备上基板，如图5所示，在抛光的玻璃片或氮化镓片811上的待键合处蒸发500-2000nm厚的铝膜812 ;在铝膜812上蒸发一层10-1OOOnm厚的锗膜813，形成上基板81。
[0056]步骤S72:制备下基板，如图5所示，提供一片抛光的玻璃片或氮化镓片作为下基板82。
[0057]步骤S73:将上基板81与下基板82的键合面对准并贴合，再送入键合机，升温至420-500°C，并施加0.2-0.9兆帕的压力，加压时间为20-50分钟，然后撤除压力，冷却到室温，键合完成。
[0058]本发明的方法铝和锗材料与CMOS工艺兼容，不仅可以用作键合材料，同时也可以用作导电材料，当键合温度大于铝锗的共晶温度时，反应中会形成液态的铝锗合金，液态的合金不仅会增强铝和锗的扩散，还可以消除键合表面粗糙度的影响。该键合方法不仅可以用于娃材料的键合，还可以用于非娃材料的键合。
[0059]上述说明已经充分揭露了本发明的【具体实施方式】。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的【具体实施方式】所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述【具体实施方式】。
【权利要求】
1.一种基于铝锗共晶的低温键合方法，其包括制备上基板、制备下基板，在上下基板之间形成键合层材料，将上基板与下基板对准进行键合，其特征在于:所述键合层材料为铝和锗材料。
2.如权利要求1所述的键合方法，其特征在于:所述键合层材料为分别形成于上基板和/或下基板的铝和/或锗的膜层。
3.如权利要求2所述的键合方法，其特征在于:制备上基板步骤中，其中上基板包括基板材料和形成于基板材料上的键合层材料，所述键合层材料为铝和/或锗；制备下基板步骤中，其中下基板包括基板材料和形成于基板材料上的键合层材料，所述键合层材料为锗和/或铝；将上基板与下基板对准进行键合。
4.如权利要求1所述的键合方法，其特征在于:所述键合的温度为420°C-500°C，键合施加的压力为0.2-0.9兆帕，加压时间为20-50分钟。
5.如权利要求1所述的键合方法，其特征在于:所述上基板的基板材料为硅，所述上基板的基板材料上沉积有一层氧化硅，所述上基板的氧化硅层上的待键合处蒸发有.500-2000nm厚度的招I吴，下基板的基板材料为娃，在所述下基板的基板材料上沉积有一层氧化硅，所述下基板的氧化硅层上的待键合处蒸发有10-1OOOnm厚度的锗膜。
6.如权利要求1所述的键合方法，其特征在于:所述上基板的基板材料为硅，所述上基板的基板材料上沉积有一层氧化硅，所述上基板的氧化硅层上的待键合处蒸发有.500-2000nm厚度的铝膜，在铝膜上蒸发有10-1OOOnm厚度的锗膜，下基板的基板材料为娃，在所述下基板的基板材料上沉积有一层氧化娃。
7.如权利要求1所述的键合方法，其特征在于:所述上基板的基板材料为玻璃或氮化镓，下基板的基板材料为玻璃或氮化镓。
8.一种基于铝锗共晶的键合方法，其包括: 制备上基板，在抛光的单晶硅片上，热生长或化学气相沉积一层氧化硅，在氧化硅层上的待键合处蒸发500-2000nm厚的铝膜； 制备下基板，在抛光的单晶硅片上，热生长或化学气相沉积一层氧化硅，在氧化硅层上的待键合处蒸发10-1OOOnm厚的锗膜； 将上基板与下基板的键合面对准并贴合，再送入键合机，升温至420-500°C，并施加.0.2-0.9兆帕的压力，加压时间为20-50分钟，然后撤除压力，冷却到室温，键合完成。
9.一种基于铝锗共晶的键合方法，其包括: 制备上基板，在抛光的单晶硅片上，热生长或化学气相沉积一层氧化硅，在氧化硅层上的待键合处蒸发500-2000nm厚的铝膜；在铝膜上蒸发一层10-1OOOnm厚的锗膜； 制备下基板，提供一抛光的单晶娃片； 将上基板与下基板的键合面对准并贴合，再送入键合机，升温至420-500°C，并施加.0.2-0.9兆帕的压力，加压时间为20-50分钟，然后撤除压力，冷却到室温，键合完成。
10.一种基于铝锗共晶的键合方法，其包括: 制备上基板，在玻璃或氮化镓上蒸发500-2000nm厚的铝膜； 制备下基板，在玻璃或氮化镓上蒸发10-1OOOnm厚的锗膜； 将上基板与下基板的键合面对准并贴合，再送入键合机，升温至420-500°C，并施加.0.2-0.9兆帕的压力，加压时间为20-50分钟，然后撤除压力，冷却到室温，键合完成。
【文档编号】H01L21/60GK104241147SQ201310236301
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年6月14日 优先权日:2013年6月14日
【发明者】荆二荣 申请人:无锡华润上华半导体有限公司