專利名稱：InSb晶片與Si晶片鍵合的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體行業(yè)晶格失配異質(zhì)結(jié)材料生長技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種可廣泛應(yīng)用于紅外焦平面技術(shù)的InSb晶片與Si晶片鍵合的方法。
背景技術(shù)：
紅外焦平面探測器特別是中波波段銻化銦(InSb)紅外焦平面陣列(FPA)探測器的發(fā)展較為成熟，已在紅外制導(dǎo)、跟蹤、凝視成像武器裝備領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。銻化銦(InSb)紅外焦平面陣列(FPA)探測器系統(tǒng)由InSb像元陣列與Si讀出電路倒裝互連形成。InSb像元陣列與Si讀出電路倒裝互連后引入了應(yīng)力，當應(yīng)變超出InSb的承受能力時就會碎裂，同時應(yīng)變還會降低探測器的性能，產(chǎn)生盲元，應(yīng)變分布不均，導(dǎo)致探測器響應(yīng)均勻性差。為減小熱應(yīng)力的影響，國際上有人采用Si襯底上外延InSb材料的辦法制備InSb像元陣列，以期利用Si襯底與Si讀出電路的匹配，來獲得高性能InSb FPA探測器。但由于InSb材料和Si的晶格失配較大，外延生長過程中產(chǎn)生的大量界面缺陷及應(yīng)力會導(dǎo)致材料性能急劇惡化。而半導(dǎo)體鍵合技術(shù)具有很多的優(yōu)勢，能將InSb和Si這兩種晶格失配以及熱膨脹系數(shù)失配的材料通過鍵合的方式連接起來，可以突破晶向、晶格匹配等限制，位錯僅局域于界面，從而使集成技術(shù)的靈活性大大提高。鍵合后的InSb/Si晶片通過對InSb減薄到幾十微米厚度，然后進行擴散等一系列器件工藝，最后將做好的InSb/Si像元陣列與Si讀出電路通過In柱相連，這樣Si襯底上的InSb薄膜與Si讀出電路的應(yīng)力大大減小，提高了探測器的性能，降低了器件的碎裂幾率。半導(dǎo)體材料之間的直接鍵合，其鍵合界面處的半導(dǎo)體材料摻雜濃度和表面粗糙度都有極其嚴格的要求，否則鍵合質(zhì)量不高，導(dǎo)致器件效率降低甚至假鍵合。InSb與Si晶格常數(shù)相差很大，約19.3%;熱膨脹系數(shù)相差約107%。這么大差異在鍵合過程中必將因為熱應(yīng)力而導(dǎo)致鍵合界面出現(xiàn)較多的缺陷態(tài)，影響界面的機械、光電特性。目前國際上低溫鍵合的成功范例很多，如童勤義等人利用等離子體處理晶片表面后，在200度獲得界面鍵合能高于體InP材料的鍵合能等。然而，在實現(xiàn)本發(fā)明的過程中，申請人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的InSb晶片與Si晶片鍵合方法的工藝均非常復(fù)雜，實用性較差。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問題為解決上述的一個或多個問題，本發(fā)明提供了一種InSb晶片與Si晶片鍵合的方法。( 二 )技術(shù)方案根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種InSb晶片與Si晶片鍵合的方法。該方法包括:步驟A，對至少單面拋光的InSb晶片和Si晶片在有機溶劑中分別進行高溫超聲煮洗，而后用去離子水清洗；步驟B，將Si晶片置于酸溶液中煮洗，而后用去離子水沖洗；步驟C，將Si晶片置于堿溶液中煮洗，而后用去離子水沖洗；步驟EJf InSb晶片和Si晶片各自的拋光面向內(nèi)進行貼合，而后將貼合后的兩晶片置于真空鍵合機內(nèi)進行熱處理，以完成InSb晶片和Si晶片的鍵合。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明InSb晶片與Si晶片鍵合的方法具有以下有益效果:(I)工藝簡單，具有較強的實用性；(2)重復(fù)性比較高、鍵合參數(shù)容易實現(xiàn)，鍵合時間縮短，并且對晶片厚度沒有嚴格限制，鍵合晶片的機械強度、光電特性等達到器件的要求。


圖1為本發(fā)明實施例1nSb晶片和Si晶片鍵合方法的流程圖；圖2A為圖1所示方法中經(jīng)過清洗處理步驟的InSb晶片和Si晶片的示意圖；圖2B為圖1所示方法中經(jīng)過鍵合步驟的InSb/Si晶片的示意圖；圖2C為圖1所示方法中經(jīng)過減薄步驟的InSb/Si晶片的示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號。附圖中未繪示或描述的實現(xiàn)方式，為所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應(yīng)了解，參數(shù)無需確切等于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計約束內(nèi)近似于相應(yīng)的值。本發(fā)明提出了一種新的實現(xiàn)InSb與Si鍵合的方法，可應(yīng)用于InSb FPA探測器。在本發(fā)明的一個示例性實施例中，提供了一種InSb晶片與Si晶片鍵合的方法。如圖1所示，該InSb晶片與Si晶片鍵合的方法包括以下步驟:步驟A，對至少單面拋光的InSb晶片和Si晶片分別進行高溫超聲煮洗，而后用去離子水清洗；進一步地，步驟A中對單面拋光的InSb晶片10進行高溫超聲清洗的過程具體程包括:子步驟Al，用丙酮棉球擦拭InSb晶片10的表面，在顯微鏡下觀察無明顯的臟污顆粒，這樣的晶片才可以用于鍵合；子步驟A2，用乙醇、丙酮、三氯乙烯按順序來回高溫超聲煮洗InSb晶片各3遍，以去除表面的有機物及油污；子步驟A3，用乙醇清洗完后，用去離子水反復(fù)沖洗5分鐘以上，目的在于清除表面有機物污染。本步驟中，對Si晶片的清洗過程與對InSb晶片的清洗過程用類似，此處不再詳細說明。步驟B，將Si晶片置于強酸溶液，例如按照以下摩爾配比配制的硫酸溶液:5H2504: IH2O2，中，煮洗10分鐘，再用去離子水沖洗15分鐘；需要說明的是，H2SO4溶液也可以用其他類型的酸代替，例如:摩爾濃度為20 30%鹽酸溶液等等。此外，煮洗的時間可以根據(jù)需要靈活掌握，但應(yīng)當大于5min。步驟C，將Si晶片置于RCAl (NH4OH: 4H202: 20H20)溶液中，煮洗10分鐘，再用去離子水沖洗10分鐘；需要說明的是，RCAl溶液也可以用其他類型的弱堿溶液代替。此外，煮洗的時間可以根據(jù)需要靈活掌握，但應(yīng)當大于5min。步驟D，對InSb晶片和Si晶片進行兆聲清洗，清洗時間約2 5分鐘即可，兆聲清洗后備用，如圖2A所不；步驟E，將清洗干凈的InSb晶片和Si晶片剖光面向內(nèi)進行貼合，置于真空鍵合機內(nèi)鍵合，進行熱處理以驅(qū)除鍵合界面的水氣，從而實現(xiàn)InSb晶片與Si晶片的鍵合；進一步地，步驟E中，將貼合后的晶片置于真空鍵合機內(nèi)鍵合的步驟包括:子步驟E1，將放置有兩貼合好的晶片的夾具置于真空鍵合機內(nèi)，密封之后通過施力裝置給晶片施加一定的壓力，一般在IMPa 5MPa之間；子步驟E2，對真空鍵合機抽真空，在真空度達到10_4 10_5Pa之后，可以開始設(shè)定低溫30 90度，在30 90°C溫度范圍內(nèi)預(yù)鍵合I小時左右，此時，兩晶片之間依靠范德瓦爾斯進行結(jié)合；子步驟E3，預(yù)鍵合后的晶片進行緩慢升溫，在120 200度保持I小時，保持晶片兩側(cè)的壓力；此過程可以去除界面間的水汽，此過程鍵合時間越長鍵合能越大。子步驟E4，晶片再進行緩慢升溫，保持I小時左右的300 350度的低溫鍵合。本子步驟可以進一步清除界面水汽，增加界面鍵合能。鍵合界面的成鍵方式伴隨溫度的上升和氣體的逸出，從預(yù)鍵合時的范德瓦爾斯結(jié)合轉(zhuǎn)變成為原子鍵結(jié)合。子步驟E5，然后開始緩慢降溫，到室溫后從真空鍵合機中取出晶片，如圖2B所示，從而獲得InSb/Si鍵合晶片。需要注意的是，升溫過程中，到達250°C以后要緩慢升溫；同樣，從350°C往250°C降溫時，也要緩慢降溫；平均0.2 0.5°C /分鐘左右，防止熱應(yīng)力得不到及時釋放而導(dǎo)致鍵合失敗。步驟F,機械減薄InSb/Si鍵合晶片中的InSb部分到20 μ m,從而完成InSb晶片和Si晶片的鍵合，如圖2C所不。實驗證明，鍵合晶片上的InSb晶片(350 μ m)經(jīng)過機械減薄，達到20 μ m左右時，除邊角有少量磨損之外，整個鍵合晶片仍基本保持完整，表明鍵合強度已經(jīng)達到后續(xù)工藝要求。經(jīng)過上述步驟A至步驟F的鍵合工藝之后，InSb/Si鍵合晶片就可以進行擴散摻雜等下一步紅外焦平面探測器的制作工藝。此外，當需要制備InSb FPA探測器時，還需要將InSb/Si與Si讀出電路通過In柱互連，形成熱匹配。該部分并不是本發(fā)明的重點，此處不再贅述。本實施例中，InSb與Si鍵合后，各種位錯、缺陷僅局限在鍵合界面幾十納米的厚度內(nèi)(我們組能將界面層控制在IOnm左右)，不會深入體材料內(nèi)部；當溫度大范圍變化時，InSb與Si之間的應(yīng)力增加，但由于界面層只有幾十納米，因此InSb薄膜將隨著Si —起膨脹收縮而不產(chǎn)生位錯等缺陷，發(fā)生鍵合界面分離或InSb碎裂的可能性減小。而InSb/Si鍵合晶片的Si襯底和Si讀出電路是匹配的,通過In柱連接,S1-Si實現(xiàn)了熱匹配,InSb FPA碎裂的可能性大大降低。同時還可大大提高紅外焦平面探測器件響應(yīng)均勻性及成品率，減小器件盲兀。至此，本實施例1nSb晶片和Si晶片鍵合方法介紹完畢。本領(lǐng)域技術(shù)人員結(jié)合自身的專業(yè)知識，應(yīng)當對本發(fā)明有了清楚的了解。需要說明的是，上述對各元件和方法的定義并不僅限于實施方式中提到的各種具體結(jié)構(gòu)、形狀或方式，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可對其進行簡單地熟知地替換，例如:(I)煮洗時間、鍵合時間和酸/堿溶液的濃度等均可根據(jù)需要調(diào)整；(2)鍵合使用的夾具可以用自制的夾具或者鍵合設(shè)備供應(yīng)商提供的夾具來代替；(3)清洗過程中有機物或油污的處理還可以根據(jù)技術(shù)人員自己的經(jīng)驗來組合各種有機試劑，比如丙酮、三氯乙烯可以用甲醇、四氯化碳、異丙醇替代等形式。綜上所述，通過本發(fā)明的方法，可以實現(xiàn)InSb晶片和Si晶片無應(yīng)力鍵合，非常適合于制備大面陣紅外焦平面陣列探測器件，可大大提高紅外焦平面探測器件響應(yīng)均勻性及成品率，減小器件盲元。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種InSb晶片與Si晶片鍵合的方法，其特征在于，包括: 步驟A，將至少單面拋光的InSb晶片和Si晶片在有機溶劑中分別進行高溫超聲煮洗，而后用去離子水清洗； 步驟B，將所述Si晶片置于酸溶液中煮洗，而后用去離子水沖洗； 步驟C，將所述Si晶片置于堿溶液中煮洗，而后用去離子水沖洗； 步驟EJf InSb晶片和Si晶片各自的拋光面向內(nèi)進行貼合，而后將貼合后的兩晶片置于真空鍵合機內(nèi)進行熱處理，以完成InSb晶片和Si晶片的鍵合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟A中將晶片在有機溶劑中高溫超聲煮洗為: 將晶片用乙醇、丙酮和三氯乙烯按順序多次高溫超聲煮洗。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟B中，所述酸溶液為硫酸溶液，該硫酸溶液中H2SO4與H2O2的摩爾比為5: 1，所述煮洗的時間大于5min。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟C中，所述堿溶液為RCAl溶液，該RCAl溶液中ΝΗ40Η、Η202、Η20的摩爾比為I: 4: 20，所述煮洗的時間大于5min。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟E中將貼合后的兩晶片置于真空鍵合機內(nèi)進行熱處理，包括: 子步驟E1，將貼合后的兩晶片置于真空鍵合機內(nèi)，通過施力裝置給兩晶片施加壓力； 子步驟E2，在真空環(huán)境下，保持兩晶片的軸向壓力，將兩晶片在30 90°C的溫度環(huán)境下進行鍵合； 子步驟E3，升溫，保持兩晶片的軸向壓力，將兩晶片在120 200°C的溫度環(huán)境下進行鍵合； 子步驟E4，升溫，保持兩晶片的軸向壓力，將兩晶片在300 350°C的溫度環(huán)境下進行鍵合； 子步驟E5，降溫，將鍵合后的兩晶片從真空鍵合機中取出。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述子步驟El至E4中，對兩晶片兩側(cè)施加壓力介于IMPa 5MPa之間,所述真空環(huán)境的真空度介于10 4 10 5Pa之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述子步驟E1、子步驟E2和子步驟E3中，鍵合的保溫時間均為lhour。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述子步驟E2、子步驟E3和E4的升溫、步驟E5的降溫步驟中，升/降溫的速率介于0.2 0.5°C /分鐘之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的方法，其特征在于，所述步驟C之后還包括: 步驟D,對InSb晶片和Si晶片進行兆聲清洗,清洗時間介于3 5min。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的方法，其特征在于，所述步驟E之后還包括: 步驟F,機械減薄InSb/Si鍵合晶片中的InSb部分至預(yù)設(shè)厚度。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種InSb晶片與Si晶片鍵合的方法。該方法包括步驟A，將至少單面拋光的InSb晶片和Si晶片在有機溶劑中分別進行高溫超聲煮洗，而后用去離子水清洗；步驟B，將所述Si晶片置于酸溶液中煮洗，而后用去離子水沖洗；步驟C，將所述Si晶片置于堿溶液中煮洗，而后用去離子水沖洗；步驟E，將InSb晶片和Si晶片各自的拋光面向內(nèi)進行貼合，而后將貼合后的兩晶片置于真空鍵合機內(nèi)進行熱處理，以完成InSb晶片和Si晶片的鍵合。本發(fā)明InSb晶片與Si晶片鍵合的方法工藝簡單，具有較強的實用性。
文檔編號H01L31/18GK103199156SQ20131010901
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月29日
發(fā)明者彭紅玲, 鄭婉華 申請人:中國科學院半導(dǎo)體研究所