（电磁场与微波技术专业论文）siinp晶片低温键合技术的理论分析和实验研究.pdf

s g l n p 晶片低温键合技术的 理论分析与实验研究 摘要 本论文是根据任晓敏教授任首席科学家的国家重点基础研究发展计划( 9 7 3 计划) 项目“新一代通信光电子集成器件及光纤的重要结构工艺创新与基础研究” ( 项目编号：2 0 0 3 c b 3 1 4 9 0 0 ) 和国家自然科学基金资助项目“面向高性能光电子 器件制备的半导体晶片低温键合新途径、新技术的研究”( 项目编号：6 0 5 7 6 0 1 8 1 展开研究的。 s i 是最成熟的微电子材料，在电路方面有着最广泛的应用：但其本身的间接 带隙特性决定了它的发光效率极低。目前长波长的发光器件、光接收器件的有源 区通常是由磷化铟( i n p ) 系材料制作的。因此s i 和i n p 材料之间集成的方法，能 够有效地将电路和发光器件、光接收器件集成在一起。 对于两种异质材料的集成，通常可用异质外延生长和晶片键合技术来实现。 s i 和i n p 这两种材料的晶格失配高达8 1 ，常规的异质外延生长工艺会带来高密 度的位错；利用键合技术集成材料的优势，可以得到高质量的s i i n p 异质结构， 进而获得高性能的器件。键合工艺按照退火温度的不同可分为高温键合和低温键 合，高温键合引入的热失配应力将导致界面缺陷的产生以及器件特性的劣化，因 此低温键合成为实现s i f l n p 异质结构的有效方法。而目前的低温键合技术需要较 高的工艺条件( 如较高的真空度等) 和复杂的设备：我们探索一种成本低廉、简 便的低温键合工艺，在2 7 0 。c 温度下实现了s i i n p 的键合。 本文针对s i i n p 晶片低温键合技术，开展了系统的理论分析和实验研究，本 论文主要工作内容如下： 1 论述了晶片直接键合的基本原理、优点和应用领域，讨论了界面层、键合 强度等界面特性，分析了键合界面三种位错的产生原因。 2 理论探讨了键合晶片的电学特性。根据反向串联s c h o t t k y 二极管模型，得 出了s i i n p 键合晶片的i v 关系，为实验研究提供了依据。 3 由于热应力对键合强度、界面位错等界面特性有着重要影响，本文理论研 究了s i i n p 键合后热应力与晶片厚度、材料性质的关系，结果表明减薄 s i i n p 厚度有利于减小热应力。 4 利用接触弹性力学的d m t 理论，在考虑理晶片表面起伏的情况下，理论 i i 分析了键合过程中对晶片施加的外压力对s 饥n p 键合面积的影响，得出了 键合面积和外部压力的相互关系。 5 夹具特性的好坏对晶片键合的质量有着直接的影响。根据键合的特点，设 计了晶片键合夹具。夹具的弹性部件能够在5 0 0 。c 高温下重复使用，压力 平衡部件使晶片受力均匀，有着一定的创新性，易于操作，获得了良好的 实验效果。 6 论述了常规的晶片低温键合工艺，根据我们实验室的设备和实验条件，探 索了s i i n p 的实验流程。在王文娟、宋海兰博士的指导下完成了2 7 0 。c 氮 气环境中s i i n p 的键合。 7 参与了s i i n p 、g a a s i n p 、s i s i 的i 曲线的测量；对结果进行了对t e ， 分析了键合工艺对键合晶片界面电学特性的影响。根据反向串联s c h o t t k y 二极管模型和试验结果，分析了键合晶片的i v 特性。 关键词：低温晶片键合、s i i n p 、1 w 曲线、热应力、键合夹具 i l l g r a d u a t e1 h e 副sf o rm a s t e rd e g r e eo f b u p t t h e o r ya n a l y s i sa n de x p e r i m e n tr e s e a r c h o fl o wt e m p e r a t u r es i i n p a f e rb o n d i n g t e c h n o l o g y a b s t r a c t 1 飞er e s e a r c hw o r ko f t h i st h e s i si sc a r r i e do u to nt h eb a s i so ft h en 砒i o n a lb a s i e r e s e a r c hp r o g r a mo fc h i n a ( n o 2 0 0 3 c b 31 4 9 0 0 ) f o rw h i c hp r o f e s s o rr e nx i a o m i ni s r e s p o n s i b l ea s ac h i e fs c i e n t i s ta n dt h e p r o j e c to ft h en a t i o n a l n a t u r a ls c i e n c e f o u n d a t i o no f c h i n am o ：6 0 5 7 6 0 1 8 ) s ii so n eo ft h em a t u r e s tm i c r o e l e c t r o n i c sm a t e r i a l sa n dp o p u l a r l ya p p l i e di n e l e c t r o n i c sc i r c u i tr e g i o n h o w e v e r , t h ec h a r a c t e ro fi n d i r e c tb a n dg a pd e t e r m i n e si t s l o wl u m i n e s c e n te f f i c i e n c y n l ea c t i v er e g i o no fl o n gw a v e l e n g t hl a s e r sa n dp h o t o - d e t e c t o r sa r eg e n e r a l l yf a b r i c a t e db yi n ps e r i a lm a t e r i a l s t h ei n t e g r a t i o no fs i i n pi s a ne f f e c t i v ea p p r o a c ht oi n t e g t a t ee l e c t r o n i c sc i r c u i t sw i t l ll a s e ro rp h o t o d e t e c t o r n 豫i n t e g r a t i o no ft w od i f f e r e n tm a t e r i a l sc a r lb ea c h i e v e db yt w oa p p r o a c h e s ： h e t e r o e p i t a x i a lg r o w nt e c h n o l o g ya n d w a f e rb o n d i n gt e c h n o l o g y t h el a t t i c ec o n s t a n t m i s m a t c ho fs ia n di n pi su pt o8 1 s oc o n v e n t i o n a l h e t e r o e p i t a x i a lg r o w n t e c h n o l o g yw i l li n t r o d u c ee v i d e n tm i s f i td i s l o c a t i o n o nt h ec o n t r a r y , w a f e rb o n d i n g t e c h n o l o g yp o s s e s s e sm a n ya d v a n t a g e sw h i c hc a l lb eu t i l i z e dt oo b t a i ng o o dq u a l i t yo f s i l n ph e t e r o j u c t i o n a c o r d i n gt ot h ea n n e a l i n gt e m p e r a t u r e ，w a f e rb o n d i n gt e c h n o - l o g yc a r l b ec l a s s i f y i e da sh i 曲一t e m p e r a t u r ew a f e rb o n d i n ga n dl o w - t e m p e r a t u r e w a f e r b o n d i n g h i g h t e m p e r a t u r et h e r m a lt r e a t m e n ti nb o n d i n gp r o c e s sw i l lr e s u l t i n l a r g e t h e r m a ls t r e s s ，w h i c hl e a d st od i s l o c a t i o n si nt h ei n t e r f a c eo fs i i n pa n dd e g r a d a t i o n o fd e v i c e s t h e n ，t h eo t h e ro n e ，l o w - t e m p e r a t u r eb o n d i n gt e c h n o l o g y , b e c o m e sa n e f f e c t i v ea p p r o a c ht oi m p l e m e n ts i i n ph e t e r o j u c t i o n i ng e n e r a l ，l o w - t e m p e r a t u r e b o n d i n gt e c h n o l o g yn e e d sm o r es t r i c tc o n d i t i o n sa n dm o r ec o m p l i c a t e de q u i p m e n t s w i t hh i 曲c o s t h o w e r v e r , w ed e v e l o pal o w - e o s ta n de f f i c i e n tl o w - t e m p e r a t u r e t e c h n o l o g yw h i c hi su s e dt ob o n dt h es i ，i n pw f e r sa t2 7 0 。c i nt h i s t h e s i s ，t h e o r ya n a l y s i sa n de x p e r i m e n tr e s e a r c ha b o u tl o wt e m p e r a t u r e s i i n pw a f e rb o n d i n ga r es y s t e m a t i c a l l yc a r r i e d0 1 1 1 1 1 1 ew o r kc a r lb es u m m a r i z e da s f o u o w s ： g r a d u a t et h e s i sf o rm a s t e r d e g r e e0 f b u p ta b s t r a c t 1 t h ep r i n c i p l e a d v a n t a g e sa n da p p l i c a t i o no fd i r e c tw a f e rb o n d i n gi sd i s c u s s e d ； n l eb o n d i n gi n t e r f a c ec h a r a c t e r ss u c ha si n t e r f a c el a y e ra n db o n d i n gs t r e n g t ha r e i n v e s t i g a t e d ；n l eo r i 【g i no f t h r e ek i n d so f m i s f i td i s l o c a t i o ni sa n a l y z e d 2 t h ei ，vc h a r a c t e r so fs i i n pb o n d e dw a f e r sa r et h e o r e t i c a l l yr e s e a r c h e d u s i n gt h e m o d e lo f t w os c h o t t k yd i o d e sb a c k - t o - b a c k , a n dt a k i n gi n t oa c c o u n tt h er e s i s t a n c e a f f e c t i o n , c u r r e n t v o l t a g er e l a t i o ni sa b t a i n e d 3 t h er e l a t i o no ft h e r m a ls t r e s sa r i s i n gi nt h e r m a lt r e a t m e n tw i t l lw a f e rt h i c k n e s s a n ds i 耻m a t e r i a lc h a r a c t e r si st h e o r yr e s e a r c h e d , b e c a u s ei tg r e a t l yi m p a c t st h e q u a l i t yo fw a f e rb o n d i n g t h er e s u l ts h o wt h a tt h et h e r m a ls t r e s sc a l lb er e d u c e d b yt h i n n i n gt h ew a f e r sb o n d e d 4 t h ea p p l i e dl o a di n f l u e n c et ot h ec o n t a c ta r e ai sr e s e a r c h e d b a s e do nt h ed m t t h e o r yo nt h ec o n t a c ta n da d h e s i o nb e t w e e ne l a s t i cb o d i e sw i mar a n d o m d i s t r i b u t i o no fw a f e rs u r f a c ec o n s i d e r e d t h er e l a t i o no fb o n d i n ga r e aa n da p p l i e d l o a di so b t a i n e d 5 t h eb o n d i n gc l a m pp e r f o r m a n c e sd i r e c t l ya f f e c tt h eb o n d i n gq u a l i t y a c c o r d i n gt o t h eb o n d i n gc h a r a c t e r s ，t h eb o n d i n gc l a m pw h i c hi ss u c c e s s f u l l yd e s i g n e di se a s y t oo p e r a t ea n dh a ss o m ei n n o v a t ! o n n 璩e l a s t i cc o m p o n e n tc a nb er e p e a t e d l yu s e d a t5 0 0 0 c t h ep r e s s u r ec o m p o n e n tc a l lt h ep r e s s u r e0 1 2s i i n pw a f e r su n i f o r m 6 c o n v e n t i o nw a f e rb o n d i n gf a b r i c a t i o np r o c e s si sd i s c u s s e d b a s e do nt h e e q u i p m e n ta n df a c i l i t y i no u rl a b o r a t o r y , it a k ep a r ti nt h ef a b r i c a t i o np r o c e s s d e v e l o p i n go fl o wt e m p e r a t u r es “i n pw a f e rb o n d i n g w i t l lt h eh e l po fd r w a n g w e n j u a na n dd r s o n gh a i l a n , ic o m p l e t e ds 珊w a f e rb o n d i n g 7 i vc u r v e so fs i 脚、g a a s i n p 、s i s ia r em e a s u r e da n dt h ei n f l u e n c eo fw a f e r b o n d i n go nd e v i c ee l e c t r i c a lc h a r a c t e ri sd i s c u s s e d u s i n gt h em o d e lo ft w o s c h o t t k yd i o d e sb a c k - t o - b a c ka n dm e a s u r e dr e s u l t ，t h ei - vc u r v e si sa n a l y z e d k e yw o r d s ：l o wt e m p e r a t u r ew a f e rb o n d i n g ，s i i n p , i - vc u r v e s ，t h e r m a ls t r e s s ， b e n d i n gc l a m p v 声明 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：塑j 瓠星 日期：2112 ：2 ：至i 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名 导师签名 塑聋攀 啪树 日期：丝叠三：堑 日期：扣! i 。幺 ，p 啼 第一章绪论 本论文研究工作是围绕国家重点基础研究发展计划( 9 7 3 计划) 项目“新一 代通信光电子集成器件及光纤的重要结构工艺创新与基础研究”( 项目编号： 2 0 0 3 c b 3 1 4 9 0 0 ) 中的子课题“低温晶片键合及准单片光电子集成技术的创新与 基础研究”( 项目编号：2 0 0 3 c b 3 1 4 9 0 2 ) 、国家自然科学基金资助项目“面向高 性能光电子器件制备的半导体晶片低温键合新途径、新技术的研究”( 项目编号： 6 0 5 7 6 0 1 8 ) 展开的。在任晓敏教授、黄永清教授、黄辉副教授的精心指导下，针 对s i h l p 晶片低温键合技术，开展了系统的理论分析和实验研究；探索了s i i n p 晶片键合的工艺，与其他人合作，在2 7 0 。c 的低温条件下实现了并实现了s i i n p 晶片的低温键合。较低的键合温度改善了键合的界面特性，使所键合的器件的光 学和电学特性影响较小：所采用的键合工艺简便，减小了成本，降低了s i i r i p 集 成的难度，为进一步集成s i 基和i n p 基器件提供了条件。 在本论文的绪论部分，将就本论文的研究背景、意义和论文的结构安排作以 简单扼要的介绍。 1 1 论文的研究背景和意义 光通信系统的迅速发展，应部分归功于新型光电子器件的出现和发展，以 及新型半导体材料和工艺技术的进展。上世纪6 0 年代初，光电子领域也发生了革 命性的事件：1 9 6 2 年半导体激光器问世；1 9 6 6 年高锟先生作出低损耗光纤的预言。 1 9 7 0 年半导体激光器实现了室温连续运转、光纤损耗降低到可以商业应用的 2 0 d b p r a n 以下【1 1 ，光通信的发展揭开新的篇章，因此这一年被人们称作“光通信元 年”。随着i n g a a s p 激光器和探测器的成功研制，光纤通信的工作波长也由最初 的0 8 1 x m 波段转移到1 3 u m 和1 5 5 r t m 波段。掺铒光纤放大器( e d f a ) 的出现，克 服了传统的0 ，e o 中继放大的种种缺点和不足，真正实现了全光放大，延长了传 输距离，降低了成本。e d f a 的出现和实用化，使得光纤通信的整个系统更加简 单和灵活，引起了光纤通信的场革命性。2 0 世纪9 0 年代后，由于市场的有力推 动，光纤通信成为一个发展迅速、技术更新快、新技术不断出现的领域。波分复 用( w d m ) 系统、智能光网络、全光网络相继提出，并逐步的实现。这些系统 和网络的实现的关键，就是相关的新型光电子器件的研究和实现1 2 j 。 光纤通信系统的进一步发展和光接入网的普及，一方面要求更高的传输速率 嚣， l 臼弋嘎士 性l 位， 支 和更大容量，一方面要求更高的可靠性、更小的体积、和更低的成本。光通信系 统的发展，就成为推动集成光电子器件的迅速发展的巨大动力，也对光电子器件 的速率、带宽、小型化和低寄生效应等方面提出了更高的要求。相对于分立器件 而言，集成光电子器件可以在同一芯片中集成多个不同的元器件，具有更紧凑的 结构、更高的速度，具有较好光学和电学性能，且极大地降低了器件封装的成本。 在光纤传输系统中，光接收机是光纤传输系统的重要组成部分。单片集成光接收 器件是实现大容量、低价格、小体积、高可靠性的光接收机的一个极其有效的方 法，能够很好满足光网络发展的要求。光电集成的发展可以追溯到2 0 世纪7 0 年代，1 9 7 8 年第一个单片集成光发射机芯片就研制成功【3 】。 光接收器件的电路主要由s i 材料制作，s i 也是最成熟的微电子材料；但其本 身的间接带隙特性决定了它的发光效率极低目前常波长的发光器件、光接收器件 通常是由磷化铟( h 1 p ) 系材料制作的。因此s i 和i n p 材料之间集成的方法，能够 有效地将电路和发光器件、光接收器件集成在一起，有着重要的科研价值和现实 意义。 s i 、i n p 材料参数如表1 1 所示，这些参数是研究s i i n p 键合的电流电压特性、 热应力、位错的基本依据。 表1 - 1s i ，i n p 材料参数表 晶格常数能带大小热膨胀系数杨氏模量( p a )泊松系数 8 ( a )( e v )【1 0 0 】面 s i5 43 1a 1 12 6x 1 0 。k 。l3 0 x 1 0 1 。0 2 8 i n p5 9 9 8 al3 54 8 1 0 。k - 6 0 6 6 2x1 0 “ 0 3 6 对于两种异质材料的集成，通常可用异质外延生长和晶片键合技术来实现。 然而s i 和i n p 这两种材料的晶格失配高达8 1 ，常规的异质外延生长工艺会带 来高密度的位错，使得器件特性劣化，器件无法使用。异质外廷生长技术对于大 失配的异质材料来说存在着先天不足，致使该项技术的发展与应用受到相当的限 制。对于大失配材料之间的集成，晶片键合技术的却有着巨大的优势： 1 晶格失配产生的位错缺陷仅局限于键合界面区，不会迁移至器件有源区影 响器件的性能，不同材料之间的晶格失配问题得到较好的解决，而且位错 密度大大减少。 2 键合界面原子级的结合不仅使器件具有良好的电学光学特性，还提供了足 够的键合强度，让键合材料可以象单一晶体材料一样进行解理、切磨，抛 光等机械加工。 3 构思新颖，增加了器件( 特别是集成器件) 设计的自由度。 2 ，章 4 简化了现有工艺，降低了光电子集成的难度。 正因为晶片键合技术具有这些特有的优势，所以被广泛地应用于光电子件、微电 子电路、传感器、功率器件、微机械加工等领域。键合技术还开辟了制作s o i ( s i l i c o n - o n - i n s u l a t o r 绝缘体) 材料及其他复合材料的新思路。在光电子器件方面， 晶片键合技术主要有以下几个方面的应用： 长波长v c s e l ； 雪崩光电二极管( a p d ) ； 光电子集成； 解理g a n ； 柔性衬底。 在过去的十几年中，已有数百篇有关键合技术的文章和许多项专利发表， 晶片键合技术成为全世界研究的热点，取得了丰硕的成果。 键合工艺按照退火温度的不同可分为高温键合和低温键。高温键合有利于获 得较大的键合强度；但是在退火过程中，会产生严重的负面效应： 高温退火会导致缺陷扩散、掺杂源扩散； 如果异质材料之间的存在较大的热失配，退火后还会引入很大的热应力。 热应力会导致位错、缺陷的产生，降低键合强度，甚至解键合；因此导 致限制键合样品的尺寸。 高温退火使得某些对温度敏感的器件性能劣化，甚至失效。 低温键合能够有效克服上面三方面的缺点，但是降低退火温度使得键合强 度下降。因此，低温键合所面临的核心问题就是在降低退火温度的同时，提高键 合强度；尽量减小键合工艺对对器件光学、电学特性的影响，改善键合晶片的界 面特性。解决的方法就是要努力探索键合的工艺流程： 改善待键合晶片表面的平整度； 有效除去晶片表面的金属离子、氧化物和各种杂质； 提高晶片表面活化后的表面能； 研制高性能的键合夹具和设备； 键舍时施加适当的外压力； 采用合适的退火温度。 s i 1 1 1 p 晶片低温键合技术一个重要的应用方向，就是可以将s i 基前端放大电 路和有源区为i n p 系材料的激光器或光探测器集成在同一芯片上。我们实验室在 新型光探测器方面有着丰富的研究经验；s i i n p 晶片低温键合技术的实现，为研 制出性能可靠、体积小、成本低的s i 基的长波长集成光接收机提供了有效的方 法。在提高集成器件的整体性能的同时，简化了工艺，降低了集成的复杂度，相 蠢，c k k 问仕院o l 位，e ，巴，f 应的也就降低了成本，有利于实现光电子集成的商业化。对实现完全具有自主 知识产权的单片集成光接收机具有重大的意义 4 1 。 1 2 论文研究内容 本文针对s i i n p 晶片低温键合技术，开展了系统的理论分析和实验研究；在 2 7 0 。c 的低温条件下，成功实现了并实现了s i i n p 晶片的键合。论文的结构安排 如下： 第一章，说明了本论文的研究的背景意义、研究内容和结构安排。 第二章，论述了晶片键合技术的基本原理，分析键合晶片的键合强度、界面 空洞等界面特性，讨论了三种界面位错的特点，最后论述了晶片键合技术在半导 体领域的典型应用。 第三章，从以下三个方面，对s i i n p 晶片低温键合的理论进行了分析： 1 理论探讨了键合晶片的电学特性。根据反向串联s c h o t t k y - - - 极管模型，得 出了s i i n p 键合晶片的i 关系，为实验研究提供了依据。 2 理论研究了键合界面的热应力特性，根据热应力的理论模型，得出了剪应 力、剪切力与晶片厚度、晶片材料特性的关系。 3 详细分析了外压力对s i i n p 晶片键合的影响的理论模型，得出了外界压力、 键合面积二者之间的联系。 第四章，本章总结了所做的三方面的实验工作。 1 根据键合的特点，设计了晶片键合夹具。夹具的弹性部件能够在5 0 0 。c 高 温下重复使用，压力平衡部件使晶片受力均匀可调，有着一定的创新性， 易于操作，获得了良好的实验效果。 2 论述了常规的晶片低温直接键合的工艺，根据我们实验室的设备和实验条 件，探索了s i i n p 的实验流程，参与并成功在2 7 0 。c 的低温条件下实现了 s i i n p 的晶片键合。 3 测量了g a a s i n p 晶片、$ i i n p 晶片、i n p i n p 晶片、s i s i 晶片的i 曲线，对 结果进行了对比和分析，分析了键合工艺对键合晶片界面电学特性的影 响，从而评估了键合的质量。根据反向串联s c h o t 吐呵二极管模型，根据试 验结果推断了s i i n p 的反向饱和电流和势垒。 接下来，将逐章节对上述研究工作进行详细介绍。 4 ，f j t 参考文献 【1 】d j a f a rkm y n b a e v , l o w e l lls c h e i n e r , 光纤通信技术，机械工业出版社， 北京，2 0 0 2 1 2 】顾畹以，李国瑞光纤通信系统，北京邮电大学出版社，1 9 9 9 【3 】小林功朗，光集成器件，科学出版社，北京，2 0 0 2 【4 1 陈斌，单片、准单片通信光电子器件中异质兼容问题的理论与实验研究， 博士论文 ，北京邮电大学，2 0 0 5 5 北京邮电大学顾：e 研究生学位论文 第二章 第二章晶片键合技术 半导体材料键合技术是集成光电子领域的一种有效的工艺方法。在外延生长 技术中，若两种材料之间存在很大的晶格失配，一般工艺条件下则很难保证低的 位错密度。利用外延生长技术也很难得到晶向失配的结构，因为外延层是按照衬 底的品格结构生长的。晶片键合技术适用于晶格失配和晶向失配的情况，所集成 的材料可以是非晶体、多晶体或大晶格失配的单晶体。因此对半导体晶片键合技 术的研究对实现不同材料器件的单片集成、光电子器件的性能改善和新型半导体 器件的发展有着非同寻常的意义。 2 1 键合的基本原理 键合是指在不需要任何粘合剂的条件下，将任何表面镜面光滑，平整，洁净 的晶片对放在一起，它们可以通过v a nd e rw a a l s 力或以其它成键方式粘合在一 起1 1 i 。 晶片键合技术有多种实现方式，按照退火温度的高低可以将晶片键合分为低 温晶片键合和高温晶片键合；按照品片键合过程中是否使用介质层，由可以将晶 片键合分为： 。 直接键合( d i r e c tb o n d i n g ) 2 1 阳极键合( a n o d i cb o n d i n g ) 1 3 1 。 中问层键合( i n t e r m e d i a t e - l a y e rb o n d i n g ) 。 其中中间层键合又可分为：低共熔体键合( e u t e c t i cb o n d i n g ) f 4 】和粘和键合 ( a d h e s i v eb o n d i n g ) 1 5 1 等。本文只研究直接键合技术。 直接键合技术是由l a s k y 最先出的，主要过程可分为两步：第一步是将两片 抛光的晶片( 氧化或未氧化的) 经过化学处理后，在室温下面对面粘贴在一起， 通过表面吸附的分子膜建立起的氢键连接，完成预键合。第二步是对预键合的晶 片进行高温退火处理，界面原子的排列发生重组和互相融合，形成牢固的共价键 连接，这个过程就是熔融键合。高温退火对键合界面质量的影响很大，降低了退 火温度是键合技术需要解决的重要问题。 北京郎也大学硕士研究生学位论文第二章 两个抛光的晶片经过化学处理后，在室温下将抛光面相对粘贴在一起，两 个晶片就会通过表面吸附的分子膜建立起氢键连接。再经过高温退火之后，界面 原子的捧列就会发生重组而相互熔合，在界面处形成牢固的共价键连接，这就是 直接键合。影响直接键合成功的主要因素是：晶片表面的平整度、粗糙度、化学 吸附状态，退火温度以及时问。由于直接键合是在高温下进行的，这就不可避免 地引入杂质扩散、热应力以及空洞和位错的产生。 实际晶片表面原子的排列与内部有较为明显的差别。由于表面处原子排列 突然发生中断，形成了附加的表面能。如果在该处原子仍按照内部方式排列，则 势必增大系统的自由能。为此，表面附近原子的排列必须进行调整。调整的方式 分为两种：一个是自行调整。表面层原子受力情况与体内不同，引起表面品格常 数改变，使得表面处原子排列与内部有明显不同。这种洁净的表面上存在的电子 态称为本征表面态：另一个是靠外来因素，如吸附杂质等。因为表面原子通常有 不饱和键，活性比较大，在吸附外来杂质的同时，发生电子交换，产生附加的非 本征表面态。从热力学角度来看，原子重排减小了表面能，使系统稳定，但悬挂 键的密度下降。 在1 0 r 9 1 0 mt o r t 的超高真空条件下，如果清洁的半导体晶片表面经过特 殊处理，如高温热处理、离子轰击加退火、真空解理、真空外延等，晶片表面可 以获得原子级清洁的表面。对晶体而言，经过4 6 个原子层后，原子的排列与体 内已相当接近，这个距离可以看作实际清洁表面的范围。原子级清洁晶片表面具 有很强的表面能，比如硅表面末被钝化的表面能为t 3 6 j m z 。 室温下如果将两个具有原予级清洁表面的晶片贴在一起，表面张力会驱使 晶片表面间的原子形成较强v a nd e rw a a l s 相互作用，从而降低了表面能。这一过 程无激活能，对于不同物质无选择性晶片问v a nd e r w a a l s 相互作用是键合的基 础，所有粒子问都有v a n d c r w a a l s 吸引力的作用，这是一种电矩问的耦合作用， 并不产生电子的转移。在合适的条件下( 如升高温度) ，晶片表面上原子会通过电 子的转移或电子云的重叠实现界面化学键连接，这种过程即为晶片的直接键合。 这一过程要有激活能，对不同物质有选择性1 6 】。 不同的工艺成键的原理有所不同。亲水处理后的晶片表面会暴露出大量未饱 和的悬挂键，对表面有自然氧化层的亲水性晶片而言，表面以o h 基团为终端， 通过水分子之间氢键的吸附可以形成室温下晶片的自发键合，使得表面较为粗糙 的晶片也能键合。 7 北京邮电大学硕上研究生学位论文第二章 嗡辫瞄辫 卢pp 匕么z “厶4 “山z 4 z 圳 ”“h y a 3 n 慝惑蕊阏蕊蕊蕊阏 垮鬻印呼鬻万! ! 印 l 厅 9 蕊蕊蕊瀚慝蕊裂漓 ( 3 ) 热处理( 4 ) 晶片问成键 图2 - 1 亲水性界面成键过程原理图 2 2 键合的界面特性 一共价键 氯键 晶片键合的界面特性，对于分析晶片直接键合的机理具有重要意义，而且界 面形貌是用于判断键合质量的最为直接有力的标准。本文从界面位错、界面层、 键合强度三个方面，对晶片键合的界面特性给予详细的论述。 2 2 1 键合强度 评价键合质量的一个重要手段就是键合强度的表征。它直观地反应了键合 质量的好坏。键合强度与很多因素”1 有关，比如退火温度、退火时间、键合前晶 片表面处理、外加压力等。 1 退火温度的影响 室温下，亲水性处理后的s i t a l p 晶片表面存在大量的o h - 团，s i i n p 晶片贴 在一起后就会形成氢键。如果预键合的s i i n p 晶片在适当温度( 1 0 0 c - 4 0 0 。c ) 下退火，水分子h 2 0 开始从界面处逃逸出来，从而形成了h p _ 0 心i 键。由于 l n p - - o - s i 键比氢键强得多，因此键合强度开始大大增加。如果退火温度再高一些 ( 5 0 0 0 c ) ，h a p 中的磷蒸发和i n 原子迁移开始变得显著，这就会导致界面处的原 子重组，因此将形成更强的键。h i r o s l dw a d a 等人的实验结果【8 i 如图2 2 所示。键 合强度基本上随着温度的升高而增大。所测试的结果比较分散，可能是由于键合 过程中界面形成了空洞、键合工艺可重复性差等原因形成的，测试装置也不是很 完善。 北京邮电人学硕士研究生学位论文第一二章 晷1 ( a ) t f 嘲m e n tt e m p e r a t u r e o q c o ) 图2 - 2 键合强度与退火温度的关系( a ) 键合强度测试示意图：( b ) 测量结果 由于随着温度的增加，键合强度也相应增大，因此趋向于采用高温键合。但 是另一方面，但是在高温退火过程中，会产生严重的负面效应，严重影响晶体键 合的质量： 1 高温退火会导致缺陷扩散、掺杂源扩散； 如果异质材料之间的存在较大的热失配，退火后还会引入很大的热应力。 2 热应力会导致位错、缺陷的产生，降低键合强度，甚至解键合；因此导 致限制键合样品的尺寸。 3 高温退火使得某些对温度敏感的器件性能劣化，甚至失效。 当退火温度高于7 0 0 。c 时，l n p 界面处就会存在明显的螺位错。这是因为 s i 和i n p 之间的热膨胀系数不同，高温退火会引入较大的热应力，从而导 致螺位错的产生。 2 键合前晶片表面处理 晶片键合在常温时是利用晶片之间的短程作用力把两个晶片拉在一起，退 火时会形成新的化学键。因此，晶片表面的好坏，直接影响了键合界面处分子的 距离和接触面积的大小，进而影响键合强度，而抛光后的晶片表面总有一定的起 伏和表面粗糙度【9 1 。晶片厚度对键合有着一定的影响，室温键合晶片厚度越薄， 对表面的平整度要求就越低，硅片也就越容易发生室温键合，键合强度就越大， 这已经被m a s z a r a 的实验所证实i l o l 。如果晶片键合工艺不是在超净环境中进行的， 则硅片表面会被尘埃、硅的氧化物颗粒等沾污，沾污的颗粒是键合晶片产生空洞 的主要根源之一，界面空洞的存在将大大减小键合强度。在室温预键合过程中， 在键合晶片的表面，晶片围绕颗粒发生变形，留下圆形的未键合区或空洞。因此， 为了提高键合强度，改善键合界面情况，键合前应该采用适当的方法对晶片进行 抛光处理，并除去各种杂质、氧化物和金属离予。 ， 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第一二章 2 2 2 界面层与空洞 在某些情况下，键合界面处会存在空洞或者界面层。空洞的产生是由于三方 面的原因p i ：( 1 ) 表面聚集的颗粒或者尘埃沾污；( 2 ) 聚集的气体；( 3 ) 表面突起。 为了减少键合前的晶片表面沾污，键合应在洁净室中进行。晶片表面的颗粒 沾污物将对键合界面产生较大影响，键合前界面处m 的颗粒就能产生1 伽的空 洞【9 j 。气泡的产生可发生在室温下的预键合或者随后的热处理过程中，晶片表面 吸附碳氢化合物或者氢气氛围中的氢分子。为了防止气泡的产生，可采用的一些 措施有：键合在真空环境下进行；在界面处刻槽以利于气体的逃逸；在氩气或者 氧气环境6 0 0 0 2 - 8 0 0 。c 高温下预处理待键合晶片。 2 2 3 界面位错 界面位错主要是是由晶格失配和热应力引起的。当不同的材料晶片键合时， 由于热膨胀系数的失配，晶片在进行热处理时将产生热应力。如果热应力足够大， 将导致解键合，滑移，裂开，塑性形变，以至于加大失配位错。这样使得整个材 料在结构上和性能上均劣化，甚至无法使用。因此研究晶片键合的热应力分布对 于解决异质材料之问的热失配问题，减少热应力和位错，形成高质量器件具有重 要的理论指导意义。位错产生机制的理论研究出，晶片键合后在界面处将形成以 下三类位错1 1 1 i 。 1 晶格、角度失配引入的位错 这一类位错是由两方面的原因导致的。一是i n p 和s i 之间存在着晶格失配； 二是键合时s i 、i n p 晶片之间由于对准误差和晶片本身固有的原因造成的角度失 配。如图2 3 所示， ( a ) 是晶体生长时自身就有的垂直于键合界面方向的品向角度失配； ( b ) 是键合对准误差产生的在键合。 只有晶片的厚度控制在很薄的水平，两个键合晶片之间的晶格失配才可能通 过纯粹的弹性形变得到调整，而实际情况中，键合的晶片的厚度往往达到几百微 米，所以必然有一部分的晶片通过塑性形变，即以位错的形式得到调整，如图2 4 所示。两个晶格常数分别为柳( 1 + s ) a 的晶片键合后，在键合表面形成周期性 的刃位错，周期长度l 由下式算出 a ( n + 1 ) = a ( 1 + s ) n - - l( 2 1 ) 其中n 为一个周期内的晶格数，l = a s 北京邮电大学硬士研究生学位论文第二章 删二 黑孵非! 一 吃 tb 圉2 - 3 键合晶片问角度失配示意图 ( a ) ：晶片本身固有的角度位错；( b ) ：晶片对准产生的角度位错 高iili ；i li ；i liili ili f 。i ；iiii ；i l ；ll ；iff il i lili ； ， 1l ji|if l il l1 ；i i l ；! ti，f i ： + h + ”| i 十；阜 i 卜善+ 一”pj _一。毒h 卜p _ 1 1 。 。 。l 上一l l 图2 - 4 晶格失配造成的键合界面周期性刃位错示意图 2 晶片表面的不规则形貌引入的位错 第二类位错主要是由于晶片表面的不规则形貌，如微小台阶、突起的键合