利用金属过渡层低温键合硅晶片 low-temperature wafer-to-wafer bonding using intermediate metals.pdfVIP

第28卷第2期 半导体学报 V01．28No．2 2007年2月 CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCToRS Feb．，2007 利用金属过渡层低温键合硅晶片* 张小英1 陈松岩1’’ 赖虹凯1 李 成1 余金中1’2 (1厦门大学物理系半导体光子学研究中心，厦门361005) (2中国科学院半导体研究所集成光电子国家重点实验室，北京100083) 基本为欧姆接触；X射线光电子能谱(XPS)测试结果进一步表明，界面主要为Si．Au共晶合金．不同温度的变温退 火实验表明，键合温度越高，键合强度越大，且渐变退火有利于提高键合强度． 关键词：硅片键合；界面特性；金属过渡层；键合机理 PACC：7340L；7340V 中图分类号：TN304 文献标识码：A 文章编号：0253．4177(2007)02-0213．04 氧化层，SiO。和Au之间的黏结性不强． 1 引言 为此，本文提出利用金属过渡层Ti／Au，通过预 键合及变温退火成功地实现了Si／Si的低温键合， 硅片键合技术在材料集成和器件集成中有着广 泛的应用．常见的硅片键合技术包括硅／硅直接键 测试表明键合界面为欧姆接触．x射线光电子能谱 direct 合[1J(silicon SDB)、阳极键合[2](a． bonding nodic bonding)以及利用金属过渡层的硅／硅键接接触，在界面形成共晶相．拉力测试进一步表明退 合[3]．SDB不需要任何粘结剂和外加电场，工艺简火温度越高键合强度越大．这些研究结果，使得利用 单，但温度要求较高，通常在800℃以上．阳极键合 金属过渡层的低温键合有望在高功率器件、微波器 对晶片的平整度要求不高，键合力较强，但实验方法 件和光电材料中获得广泛的应用． 比较复杂，同时需加高电压，对器件中的电极或电路 有影响．SDB和阳极键合的机理主要是利用氢氧网 2 实验 路形成界面层，界面电阻高，电容大，且热导性也不 好． 利用金属过渡层的键合技术由于采用成熟的半 X 导体工艺，界面易于形成欧姆接触，界面寄生参数 2cm．在百级超净室中进行实验操作． 小，且以金属一半导体共晶相形成键合，键合温度较 键合之前先用甲苯、丙酮、乙醇溶液对硅片超声 低而成为近年来的主要研究方向[3~5]．金属过渡层清洗，以去除表面沾污．用稀释的氢氟酸溶液腐蚀硅 通常有铝、金、钛、铬等．因为金．硅共熔温度较低，液 表面的沾污，之后用去离子水反复冲洗硅片．最后再 相粘结性好，所以用金．硅合金共晶相作键合黏结层 用RCAl和RCA2处理． 有很多优点．为此，许多研究者进行了金．硅共晶键 合的研究．Wolffenbuttel等人[3]研究了Au—Ti．Si 系统的键合以及砧-Si的键合，键合温度均高于 500℃．国内王翔等人[6]也利用键合机研究了压阻加间由厚度决定． 速度计的Au—Si共晶键合．但以上利用金属过渡层 将溅射好金属的硅片面对面贴合，用自制的夹 的研究主要用光刻键合机进行键合[6’7]，而光刻键具施加一定的压力，如图1所示．之后，把它放入烘 合机设备较昂贵，工艺要求也较高，这进一步限制了 箱中预键合24h，烘箱温度设置为150℃． 它的广泛应用．另外，通常硅表面存在着自然Si02 预键合完后进行退火处理．将预键合好的硅片 *国家自然科学基金(批准号和福建省自然科学基金(批准号：A0410008)资助项目 t通信作者．Email：syche