在微电子学中用于接合异种材料的技术制造技术

提供了在微电子学中用于接合异种材料的技术。示例技术使用厚度介于100纳米至1000纳米之间的薄氧化物、碳化物、氮化物、碳氮化物或氧氮化物中间物，在环境室温下直接键合异种材料。中间物可以包括硅。异种材料可能具有显著不同的热膨胀系数(CTE)和/或显著不同的晶格晶胞几何形状或尺寸，常规上讲会导致应变过大以使得直接键合不可行。在直接键合异种材料之后，环境室温下的固化时段允许直接键合增强200％以上。以每分钟1℃或更低的温度增加速率缓慢施加的相对低温的退火会进一步增强和巩固直接键合。示例技术可以在各种新型光学器件和声学器件的制作过程中将钽酸锂LiTaO3直接键合到各种传统衬底。键合到各种传统衬底。键合到各种传统衬底。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】在微电子学中用于接合异种材料的技术
[0001]相关申请
[0002]本专利申请要求于2019年7月2日提交的Fountain等人的美国非临时专利申请号16/459,610和于2018年7月3日提交的Fountain等人的美国临时专利申请号62/693,671的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术介绍

[0003]因为某些类型的微电子器件可能需要接合尚未非常成功地被键合在一起的不同材料，所以传统上并不鼓励制造这些微电子器件。这些微电子器件中的键合表面有时只有几微米宽。本文中所使用的单位的缩写包括针对微米(micron)或微米(micrometer)的“μm”(1微米＝千分之一毫米)；以及针对纳米的“nm”(1000纳米＝1微米)。
[0004]在尝试在不同材料之间形成有用表面键合时，存在一些难题，这些不同材料被用在半导体器件制造和微电子封装中。首先，沉积在各种衬底上的多层电介质层和金属层经常引起应力，该应力表现为整个晶片的弯曲和衬底的局部翘曲。键合这些具有高度翘曲的衬底的一个挑战是需要将它们置于真空下以在键合期间迫使表面平坦。
[0005]其次，不同材料的晶格特性不同。传统键合技术使用升高的温度和压力来接合材料。然而，在键合之后，合成的系统被冷却到室温以供后续处理，然后被冷却到操作温度(其通常远低于键合温度)。直接键合提供了一种降低总体应力和应变、并且在较低温度下接合的方式。金属和非金属两者都拥有晶格晶胞，其是每种材料在原子级处或原子级附近的基本结构构建块。不同材料的晶格单元的几何形状可能不同，或几何形状可能相似，但是这些相似单元的尺度不同。无论哪种方式，具有不同的晶格晶胞几何形状的材料之间的直接面对面键合都会在界面处引起应变问题。通过直接键合，键合期间两种材料之间的热波动、以及退火中的随后升高温度、或器件处于电操作时的随后升高温度可能会引起：键合在一起的两种材料随着温度升高而由于它们各自的热膨胀系数(CTE)的差异，以不同速率膨胀。
[0006]理想情况下，面对面键合的一侧上的第一材料应当拥有结晶性质，该结晶性质相对于第二材料的内部晶体结构具有至少一个明确定义的定向，并且该定向有时被称为单域外延(single-domain epitaxy)。晶格常数为材料中的一种材料的晶格中的晶胞的物理尺寸。三维晶格通常具有三个晶格常数：a、b和c。期望对要在小微电子尺度下键合的材料之间的晶格常数进行匹配，以用于避免两种不同材料之间的弱键和缺陷键。
[0007]将不同材料键合在一起还可以具有在微电子器件中重要的电子效应。例如，对两种不同的半导体材料之间的晶格结构进行匹配可以形成带隙改变的区域，而不会更改晶体结构。这使得能够存在一些类型的光学器件，诸如发光二极管和激光器。带隙是没有电子态的一个固体中或两个键合的固体中的能量范围，并且该带隙可以被表征为：半导体和绝缘体中的价带(valance band)的顶部与导带(conduction band)的底部之间的能量差，或从另一角度看，被表征为：释放束缚(价)电子以成为用于传导电流的传导电子所需的能量。
[0008]诸如砷化镓、砷化铝镓和砷化铝之类的具有类似晶格常数的物质的传统键合在一起已经提供了许多突破性的光学器件，诸如例如，LED和激光器。将更多种材料有效键合在
一起的能力有望提供更多个具有微电子尺度的新型器件。
[0009]有时，在不考虑材料彼此之间的电子效应的情况下，微电子器件的制造仅需要将两种不同的材料跨非常薄的键合界面被可靠地直接键合，但是传统上讲，材料的CTE的相应差异、以及它们晶格常数(晶格晶胞的几何形状)的差异使得这些材料的接合不可能或不切实际。

技术实现思路

[0010]提供了在微电子学中用于接合异种材料的技术。示例技术包括在室温下使用薄非晶材料层将异种材料彼此直接键合到彼此，该薄非晶材料层被添加到异种材料中一者或两者的键合表面，该异种材料可以采用要接合在一起的两个不同衬底的形式。氧化硅、氮化硅、或碳化硅、碳氮化硅、氧氮化硅以及这些电介质材料的混合物是用于制造薄非晶层的材料的示例，该薄非晶层构成例如大约100nm至1000nm厚的薄膜。异种衬底材料可能具有显著不同的热膨胀系数(CTE)和/或显著不同的晶格晶胞几何形状或尺寸，其传统上讲导致应变过大而无法使得直接键合可行或可靠。在直接键合之前制备衬底可以包括：向衬底的背侧添加电介质层以减少翘曲，以便使这些衬底平坦而无需真空，从而减少键合界面处的应力和应变。在达到其目的之后，可以在标准的键合后处理中移除这些翘曲减少层。在键合之后，退火序列实现了良好键合的界面。该过程包括直接键合异种材料之后室温下的固化时段，这可以增强直接键合，和使得由此产生的直接键合能量提高200％以上。以每分钟1℃的速率缓慢施加的相对低温的退火进一步增强了直接键合。示例技术可以用于将III-V半导体、钽酸锂LiTaO3或其他非硅材料直接键合到硅或其他材料(这些材料先前面临键合挑战)，并且在晶片对晶片(W2W)过程、芯片到晶片(D2W)过程和芯片到芯片(D2D)过程中，直接键合到各种传统衬底，从而实现了各种新颖光学器件、电气器件和声学器件。
[0011]本
技术实现思路
既不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助限制所要求保护的主题的范围。
附图说明
[0012]以下参考附图对本公开的某些实施例进行描述，其中相同的附图标记表示相同的元件。然而，应当理解，附图图示了本文中所描述的各种实现方式，并不意味着限制本文中所描述的各种技术的范围。
[0013]图1是使用本文中所描述的示例技术、由经由沉积的氧化物层或自然氧化物膜直接键合在一起的异种材料制成的、诸如管芯和/或晶片之类的示例衬底的示意图。
[0014]图2是关于本文中所描述的示例技术的直接键合能量-固化时间的图。
[0015]图3是用于将LiTaO3与硅直接键合的示例过程的流程图。
[0016]图4是用于将LiTaO3与蓝宝石直接键合的示例过程的流程图。
[0017]图5是用于将LiTaO3与熔融二氧化硅玻璃直接键合的示例过程的流程图。
[0018]图6是用于通过产生LiTaO3和/或硅的自然氧化物、将LiTaO3与硅直接键合的示例过程的流程图。
[0019]图7是用于通过产生LiTaO3和/或蓝宝石的自然氧化物、将LiTaO3与蓝宝石直接键合的示例过程的流程图。
[0020]图8是通过产生LiTaO3和/或熔融二氧化硅玻璃的自然氧化物、将LiTaO3与熔融二氧化硅玻璃直接键合的示例过程的流程图。
[0021]图9是在不同的退火持续时间和不同的温度下示例直接键合能量增加的图，其中温度在退火期间缓慢增加。
具体实施方式
[0022]概述
[0023]本公开描述了在微电子学中用于将各种和不同的材料彼此成功接合的示例技术、过程和方法，并且描述了所得的层结构和器件。示例过程和结构适用于已经在半导体制造和微电子封装领域中常规使用的材料，以及这些领域本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种在微电子学中用于直接键合异种材料的过程，包括：获得第一材料的第一衬底，所述第一材料具有第一热膨胀系数(CTE)；获得第二材料的第二衬底，所述第二材料具有第二CTE，其中所述第二CTE与所述第一材料的所述第一CTE不同；在所述第一衬底的表面上和/或所述第二衬底的表面上形成或沉积氧化物、碳化物、氮化物、碳氮化物或氧氮化物的薄非晶层，所述薄非晶层作为所述第一衬底与所述第二衬底之间的直接键合中间物；以及在环境室温下，将所述第一衬底和所述第二衬底直接键合在一起以制作接合的堆叠。2.根据权利要求1所述的过程，还包括：将所述接合的堆叠在所述环境室温下维持至少48小时。3.根据权利要求1所述的过程，还包括：以每分钟约1℃或更低的速率，将所述接合的堆叠的温度升高到约50℃。4.根据权利要求1所述的过程，还包括：当所述材料中的一种材料为硅时，以每分钟约1℃或更低的速率，将所述接合的堆叠的温度升高到约100℃。5.根据权利要求1所述的过程，还包括：在将所述第一晶片和所述第二晶片直接键合在一起之前，对所述第一晶片和所述第二晶片的键合表面进行等离子体激活；以及将等离子体激活的所述键合表面暴露于NH4OH(氢氧化铵)。6.根据权利要求1所述的过程，还包括：在将所述第一晶片和所述第二晶片直接键合在一起之前，对所述第一晶片和所述第二晶片的键合表面进行等离子体激活；以及将等离子体激活的所述键合表面暴露于去离子水。7.根据权利要求1所述的过程，其中所述第一衬底的所述表面和/或所述第二衬底的所述表面上形成的所述氧化物、碳化物、氮化物、碳氮化物或氧氮化物包括：沉积的化合物的离散层，所述离散层的厚度介于大约100nm与大约1000nm之间。8.根据权利要求1所述的过程，其中所述第一衬底的所述表面和/或所述第二衬底的所述表面上形成的所述氧化物、碳化物、氮化物、碳氮化物或氧氮化物包括：所述第一衬底的所述第一材料或所述第二衬底的所述第二材料的至少一种自然氧化物，所述至少一种自然氧化物通过使所述第一材料或所述第二材料中的一种或两种材料氧化或反应而形成。9.根据权利要求8所述的过程，还包括：以每分钟约1度或更低的温度增加速率将所述接合的堆叠的温度从50℃升高到100℃。10.根据权利要求1所述的过程，其中所述第一衬底的所述第一材料包括钽酸锂(LiTaO3)或铌酸锂(LiNbO3)，并且所述第二衬底的所述第二材料包括硅(Si)、石英、熔融二氧化硅玻璃、蓝宝石、或玻璃。11.根据权利要求1所述的过程，还包括：将所述接合的堆叠在所述环境室温下维持至少大约48小时，然后以每分钟约1℃或更低的温度增加速率将所述接合的堆叠的温度升高到约50℃。12.根据权利要求1所述的过程，其中所述第一衬底的所述第一材料包括砷化镓(GaAs)或氮化镓(GaN)，并且所述第二衬底的所述第二材料包括硅(Si)、石英、熔融二氧化硅玻璃、
蓝宝石、或玻璃。13.根据权利要求1的过程，还包括：在所述环境室温下执行所述直接键合之前，通过化学机械平坦化(CMP)来对所述第一衬底和所述第二衬底中的每个衬底的键合表面进行平坦化；使用PVA刷擦洗过程和去离子水冲洗过程，清洁被平坦化的表面；进一步使用Megasonic SC1过程清洁所述被平坦化的表面、并且使用去离子水冲洗；以及对所清洁的表面进行旋转干燥。14.根据权利要求13所述的过程，还包括：在偏置电压为-200伏至-300伏的情...

【专利技术属性】
技术研发人员：G，
申请(专利权)人：伊文萨思粘合技术公司，
类型：发明
国别省市：