[发明专利]硅片直接键合方法

说明书

本发明属于半导体直接键合技术领域。

硅片直接键合（SDB）技术是由IBM公司及东芝公司首先开发的微电子和电力电子领域的重要新技术。它是将两片氧化或未氧化的硅片，实现直接的化学键合而形成整体，两硅片之间没有任何粘接剂。目前，国内外的硅片直接键合方法，通常需要对氧化或未氧化的硅片进行专门的表面结合键增强处理，使键合工艺带来了复杂化。中国专利CN87108314提供了一种半导体直接键合的工艺方法，首先将经过镜面抛光好的氧化或未氧化过的两硅片进行表面结合键增强处理，采用等离子体对硅片表面进行激活，将硅片浸入酸性、碱性或分子型表面活性剂溶液中，使硅片表面亲水;然后将硅片清洗、烘干，再把硅片面对面地装入夹具中夹紧后，在200～500℃温度下烘焙30～60分钟;最后把初步键合的硅片去掉夹具，在1000～1200℃高温下恒温30～60分钟，实现扩散键合。这种键合工艺复杂，不仅需要化费大量的化学药品和时间等，而且在初步键合过程中会使两硅片之间产生空洞，这些空间在高温键合中很难消除，因此难以得到大面积无空洞的键合硅片。

本发明针对现有技术的不足，其目的在于提供一种工艺简单、操作方便的硅片直接键合方法，它可以实现大面积无空洞的键合硅片。

本发明将经过镜面抛光的硅片直接进行清洗甩干，再将清洗好的两硅片在室温下实现镜面紧密接触，使两硅片重合在一起，然后快速投入高温炉中进行热处理，恒温处理后再缓慢降温即可实现硅片的直接键合。高温热处理的温度可以为980-1050℃，恒温时间为30～90分钟。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.工艺极其简单。在清洗过程中硅片表面不需要进行专门的活化处理，不仅省时.省力，而且可以节省大量的化学药品。清洗甩干后的硅片只需在室温下预重合，而不需在200-500℃下的预键合，更不需要夹具。

2.重合速度快。对于表面无凹坑和颗粒的硅片，清洗甩干后，只需几秒钟时间即可将两硅片重合在一起，且无空洞。对于硅硅键合，由于表面呈疏水状，键合后的硅片可得到良好的欧姆接触。

3.键合周期短。重合好的硅片即可快速投入1000℃左右的炉中进行热处理，且可以不出现空洞。

4.键合面积大。键合后的硅片，除了2～5mm的边缘以外，可以实现整个面积的键合，其强度可达到体硅的强度。

5.可用于多种材料的键合。不仅可用于N⁺/N、P⁺/N^-、N⁺N^-/N^-、N^-P⁺/N⁺等的硅硅键合，而且可用于SOI材料的制备，还可以用于有图形表面的硅片键合。

6.设备简单，成本低廉，可以在大量生产中推广应用。

本发明可采用以下实施方案实现：

首先检查镜面抛光后的硅片表面，将表面无凹坑或颗粒的硅片在H₂SO₄与H₂O₂的混合液中煮（或浸泡），混合液比例可以为H₂SO₄∶H₂O₂＝（1～5）∶1，时间为5～10分钟（也可以采用其它常规清洗方法），用去离子水冲洗干净后在（0.5-10）%的HF溶液中漂10秒～10分钟（对于未氧化的硅片，其表面呈疏水状），用去离子水冲洗干净，并在室温下甩干后即可对准晶向重合。重合好的硅片快速投入1000℃炉中，恒温40～60分钟，然后缓慢降温，即可实现硅片牢固地键合成一体。为了提高键合硅片的质量，高温处理过程中可通过氮气等保护气体。