利用非晶锗薄膜实现低温Si‑Si键合的方法

摘要

利用非晶锗薄膜实现低温Si‑Si键合的方法，涉及Si晶片键合方法。选择晶向为(100)的Si基底材料，清洗；先用H2SO4和H2O2的混合溶液煮沸，再用HF和H2O2的混合溶液浸泡；经处理后的Si片，先用NH4OH、H2O2和H2O的混合溶液煮沸，再用HF和H2O2的混合溶液浸泡；经处理后的Si片，先用HCL、H2O2和H2O的混合溶液煮沸，再用HF和H2O2的混合溶液浸泡；经处理后的Si片甩干后放入直流磁控溅射系统，待溅射室本底真空度小于1×10‑4Pa，向溅射室充入Ar气体；通过调节直流溅射电流和样品托转速溅射a‑Ge薄膜；利用亲水a‑Ge层实现高强度Si‑Si键合。

说明书

技术领域

本发明涉及Si晶片键合方法，尤其是涉及利用非晶锗薄膜实现低温Si-Si键合的方法。

背景技术

Si-Si直接键合作为微电子领域的一项基本工艺越来越被关注。Si-Si直接键合是将两片镜片抛光的Si片经过表面清洗、活化处理、室温贴合及高温热处理等手段而实现晶片一体化的技术([1]Howlader M M R,Wang J G,Kim M J.Influence of nitrogen microwave radicals on sequential plasma activated bonding[J].Materials Letters,2010,64(3):445-448；[2]Toyoda E,Sakai A,Isogai H,et al.Mechanical Properties and Chemical Reactions at the Directly Bonded Si–Si Interface[J].Japanese Journal of Applied Physics,2009,48(1R):011202.)，虽然键合技术起步较晚,但发展极为迅速,其原理、方法和实验设备比较简单,而且不受键合材料的结构、晶向、点阵参数的影响。相对于CVD和MBE等这些常用的外延生长方法，键合技术有其独特的优越性并已经广泛应用于SOI,MEMS和一些压电、声光，光电器件的制备，在未来有着非常广阔的应用前景([3]Bruel M,Aspar B,Auberton-Herve A J.Smart-Cut:a new silicon on insulator material technology based on hydrogen implantation and wafer bonding[J].Japanese journal of applied physics,1997,36(3S):1636；[4]Lasky J B.Wafer bonding for silicon‐on‐insulator technologies[J].Applied Physics Letters,1986,48(1):78-80.)。

Si-Si直接亲水键合虽然可以在室温下通过范德瓦耳斯力进行贴合，然而要实现高强度的键合则需要800-1000℃的后期退火来实现([5]Toyoda E,Sakai A,Isogai H,et al.Mechanical Properties and Chemical Reactions at the Directly Bonded Si–Si Interface[J].Japanese Journal of Applied Physics,2009,48(1R):011202)，而这么高的退火温度显然无法满足大规模电路制备的需求，因此如何实现低温Si-Si键合(≤400℃)逐渐受到人们的关注。有文献报道利用a-Si中间层能实现低温疏水的Si-Si键合，然而由于a-Si不具有亲水性，因此只能通过疏水键合来实现([6]Tong Q Y,Gan Q,Hudson G,et al.Low-temperature hydrophobic silicon wafer bonding[J].Applied physics letters,2003,83(23):4767-4769)。众所周知，由于氢键的结合力比氢氧键的结合力低，因此疏水键合相对于亲水键合来说是比较难以实现的。另一方面，由于a-Si的结晶温度较高，在低温下键合并不能使其晶化，而非晶界面的存在将严重的影响光电子器件的性能，因此要实现低温高质量Si-Si键合则需要一种既能增强Si表面亲水性又能实现低温晶化的中间层材料。

发明内容

本发明的目的在于针对高温Si-Si直接键合无法满足大规模集成电路需求和利用a-Si中间层低温键合界面无法晶化问题，提供利用非晶锗薄膜实现低温Si-Si键合的方法。

本发明包括以下步骤：

1)平整a-Ge薄膜的获得，具体方法如下：

(1)选择晶向为(100)的Si基底材料，清洗，去除基底表面的有机物；

(2)将清洗后的Si片，先用H₂SO₄和H₂O₂的混合溶液煮沸，再用HF和H₂O₂的混合溶液浸泡；

(3)经步骤2)处理后的Si片，先用NH₄OH、H₂O₂和H₂O的混合溶液煮沸，再用HF和H₂O₂的混合溶液浸泡；

(4)经步骤3)处理后的Si片，先用HCL、H₂O₂和H₂O的混合溶液煮沸，再用HF和H₂O₂的混合溶液浸泡；

(5)经步骤4)处理后的Si片甩干后放入直流磁控溅射系统，待溅射室本底真空度小于1×10^-4Pa，向溅射室内充入Ar气体，使其压强为0.3Pa；

(6)通过调节直流溅射电流和样品托转速溅射a-Ge薄膜；

在步骤1)第(1)部分中，所述清洗可采用丙酮和乙醇分别依次超声清洗10min。

在步骤1)第(2)部分中，所述H₂SO₄和H₂O₂的混合溶液中，H₂SO₄与H₂O₂的体积比可为4︰1，所述煮沸的时间可为10min；所述HF和H₂O₂的混合溶液中，HF与H₂O₂的体积比可为1︰20，所述浸泡的时间可为2min。

在步骤1)第(3)部分中，所述H₄OH、H₂O₂和H₂O的混合溶液中，NH₄OH、H₂O₂和H₂O的体积比可为1︰1︰4，所述煮沸的时间可为10min；所述HF和H₂O₂的混合溶液中，HF与H₂O₂的体积比可为1︰20，所述浸泡的时间可为2min。

在步骤1)第(4)部分中，所述HCL、H₂O₂和H₂O的混合溶液中，HCL、H₂O₂和H₂O的体积比可为1︰1︰4，所述煮沸的时间可为10min；所述HF和H₂O₂的混合溶液中，HF与H₂O₂的体积比可为1︰20，所述浸泡的时间可为2min。

在步骤1)第(5)部分中，所述甩干可采用旋涂机甩干；所述Ar气体可采用纯度为5N的Ar气体。

2)利用亲水a-Ge层实现高强度Si-Si键合，具体方法如下：

(1)将生长完a-Ge层的Si片浸泡在水中，实现Si片表面羟基的吸附；

(2)将步骤(1)浸泡的Si片甩干后直接贴合；

(3)将步骤(2)获得的贴合Si片退火，即实现低温Si-Si键合。

在步骤2)第(1)部分中，所述浸泡在水中，可浸泡在去离子水中5min。

在步骤2)第(2)部分中，所述甩干可采用旋涂机甩干。

在步骤2)第(3)部分中，所述退火可将步骤(2)获得的贴合Si片放入退火炉中进行两步低温退火，第一步低温退火的条件是350℃退火10h；第二步低温退火的条件是400℃退火10h。

实验表明，在对键合中间层的过程中直流磁控溅射的a-Ge层具有非常好的亲水性，同时a-Ge结晶温度较低(400℃)，因此采用a-Ge层作为中间层来实现低温高强度Si-Si键合。即将Si晶片清洗后生长一层a-Ge中间层，增强Si表面的亲水性，并在低温下实现a-Ge中间层的晶化。

本发明创造性地提出利用a-Ge层实现高强度Si-Si键合方法，不仅可以避免高温键合与传统大规模集成电路不兼容的问题，而且能在低温下实现键合界面的晶化。本发明利用磁控溅射技术来制备a-Ge薄膜来实现高强度Si-Si键合，这是一种简易且低成本的材料制备新方法。

附图说明

图1为本发明实施例所得样品AFM检测结果图；

图2为本发明实施例所得样品SEM检测结果图；

图3为本发明实施例所得样品拉力检测结果图；

图4为本发明实施例所得样品拉曼检测结果图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

所用设备为TRP-450复合薄膜溅射沉积系统，生长室内安置两个直流靶位和一个射频靶位。所用的靶材为5N(99.999％以上)的高纯Ge圆形靶材。所用的Si衬底材料晶向为(100)的N型单晶Si片，单面抛光，电阻率为1～5Ω·m。

1.Si基底材料的处理，具体方法如下：

1)选择晶向为(100)的Si基底材料，用丙酮和乙醇分别依次超声清洗10min，去除基底表面的有机物。

2)将有机超声清洗后的Si片，先用H₂SO₄︰H₂O₂＝4︰1的混合溶液煮沸10min，再用HF︰H₂O₂＝1︰20的混合溶液浸泡2min；

3)经上述2)步骤处理后的Si片，先用NH₄OH︰H₂O₂︰H₂O＝1︰1︰4的混合溶液煮沸10min，再用HF︰H₂O₂＝1︰20的混合溶液浸泡2min；

4)经上述3)步骤处理后的Si片，先用HCL︰H₂O₂︰H₂O＝1︰1︰4的混合溶液中煮沸10min，再用HF︰H₂O₂＝1︰20的混合溶液浸泡2min；

2.利用亲水a-Ge层实现高强度Si-Si键合，具体方法如下：

1)将通过标准清洗的Si片用旋涂机甩干后放入复合薄膜溅射沉积系统，待溅射室本底真空度小于1×10^-4Pa，向溅射室内充入纯度为5N的Ar气体，使其压强保持在0.3Pa，并开启直流溅射电源；

2)在室温下，调节直流电源电流为0.05A，电压为388V，样品托转速为10rpm/min,在Si衬底上溅射厚度为50nm的a-Ge层，沉积速率为3.95nm/min；

3)将生长完a-Ge层的Si片取出后迅速浸泡在去离子水中，浸泡时间为5min，实现Si片表面羟基的吸附；

4)将浸泡后的Si片通过旋涂机甩干后在室温下直接贴合并用手指给贴合样品施加一定的压力，使贴合样品贴合强度较高；

5)将贴合后的Si片放入退火炉中进行两步低温退火，即350℃退火10h和400℃退火10h；

6)对步骤2)生长完a-Ge薄膜的样品进行原子力显微镜测试，如图1所示，可以看出溅射完的a-Ge表面平整，粗糙度RMS仅为0.289nm，满足后续键合要求(RMS<0.5nm)。对步骤5)键合好的样品进行SEM测试，如图2所示，可以看出键合界面结构清晰平整。对步骤5)键合好的样品进行拉力测试，拉力曲线如图3所示，可以看出键合强度已经达到了15.95Mpa，从插图中可以看出键合样品从体Si断裂，说明键合强度已经达到了体Si断裂强度。对步骤2)得到了a-Ge薄膜和步骤5)键合好的样品拉开后进行拉曼测试，如图4所示，可以看出经过后期低温退火后键合界面已经结晶。

经过上述步骤，最终得到高强度的Si-Si键合结构。以上所述仅为本发明的较佳实例。