[发明专利]低温晶片键合的方法

说明书

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III—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III-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III-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 Siliconheterointerface 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0.02，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-NoisePerformances”，IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS，VOL.14，NO.11，pp1593-1595，2002)。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，键合时间大大缩短，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350μm左右，对于比较厚的外延片(如400μm-460μm)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；

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。