Si/InP晶片低温键合技术的理论分析和实验研究

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(973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：2003CB314900)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：60576018)展开研究的。 Si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(InP)系材料制作的。因此Si和InP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。Si和InP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Si/InP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Si/InP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270℃温度下实现了Si/InP的键合。 本文针对Si/InP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Schottky二极管模型，得出了Si/InP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Si/InP键合后热应力与晶片厚度、材料性质的关系，结果表明减薄Si/InP厚度有利于减小热应力。 4．利用接触弹性力学的DMT理论，在考虑理晶片表面起伏的情况下，理论分析了键合过程中对晶片施加的外压力对Si/InP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500℃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Si/lnP的实验流程。在王文娟、宋海兰博士的指导下完成了270℃氮气环境中Si/InP的键合。 7．参与了Si/InP、GaAs/InP、Si/Si的Ⅰ/Ⅴ曲线的测量；对结果进行了对比，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Schottky二极管模型和试验结果，分析了键合晶片的I-V特性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1论文的研究背景和意义

1.2论文研究内容

参考文献

第二章晶片键合技术

2.1键合的基本原理

2.2键合的界面特性

2.2.1键合强度

2.2.2界面层与空洞

2.2.3界面位错

2.3键合的应用与研究现状

参考文献

第三章Si/InP晶片低温键合的理论分析

3.1 Si/InP异质结的电流电压特性

3.1.1 n-Si/n-InP同型异质结的能带

3.1.2 n-Si/n-InP异质结势垒高度的修正

3.1.3 Si/InP键合异质结的I/V特性

3.2键合界面的热应力分析

3.2.1理论分析模型

3.2.2结构力学分析结果

3.3.3减少热应力的途径

3.3外压力对晶片键合的影响

3.2.1理论模型

3.2.2数值结果及分析

参考文献

第四章Si/InP晶片低温键合的实验研究

4.1键合夹具的研制

4.2低温键合的工艺探索

4.2.1晶片的表面处理

4.2.2晶片预键合

4.2.3晶片退火处理

4.2.4 Si/InP键合工艺：

4.3键合晶片I/V特性的实验研究

4.3.1 n-Si/n-Si和n-InP/n-InP的I/V曲线

4.3.2 n-Si/n-InP的I/V曲线

4.3.3 n-GaAs/n-InP的I/V曲线

参考文献

致谢