[發(fā)明專利]在微電子學(xué)中用于接合異種材料的技術(shù)

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201980044534.5
• 申請(qǐng)日: 2019-07-02
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112368828A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-02-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: G·G·小方丹;C·曼達(dá)拉普;L·W·米卡里米
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 伊文薩思粘合技術(shù)公司
• 主分類號(hào): H01L23/373
• 分類號(hào): H01L23/373;H01L23/14
• 代理公司: 北京市金杜律師事務(wù)所 11256
• 代理人: 楊飛

提供了在微電子學(xué)中用于接合異種材料的技術(shù)。示例技術(shù)使用厚度介于100納米至1000納米之間的薄氧化物、碳化物、氮化物、碳氮化物或氧氮化物中間物，在環(huán)境室溫下直接鍵合異種材料。中間物可以包括硅。異種材料可能具有顯著不同的熱膨脹系數(shù)(CTE)和/或顯著不同的晶格晶胞幾何形狀或尺寸，常規(guī)上講會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變過(guò)大以使得直接鍵合不可行。在直接鍵合異種材料之后，環(huán)境室溫下的固化時(shí)段允許直接鍵合增強(qiáng)200％以上。以每分鐘1℃或更低的溫度增加速率緩慢施加的相對(duì)低溫的退火會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)和鞏固直接鍵合。示例技術(shù)可以在各種新型光學(xué)器件和聲學(xué)器件的制作過(guò)程中將鉭酸鋰LiTaO₃直接鍵合到各種傳統(tǒng)襯底。

相關(guān)申請(qǐng)

本專利申請(qǐng)要求于2019年7月2日提交的Fountain等人的美國(guó)非臨時(shí)專利申請(qǐng)?zhí)?6/459,610和于2018年7月3日提交的Fountain等人的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)?zhí)?2/693,671的優(yōu)先權(quán)，其全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用并入本文。

背景技術(shù)

因?yàn)槟承╊愋偷奈㈦娮悠骷赡苄枰雍仙形捶浅３晒Φ乇绘I合在一起的不同材料，所以傳統(tǒng)上并不鼓勵(lì)制造這些微電子器件。這些微電子器件中的鍵合表面有時(shí)只有幾微米寬。本文中所使用的單位的縮寫(xiě)包括針對(duì)微米(micron)或微米(micrometer)的“μm”(1微米＝千分之一毫米)；以及針對(duì)納米的“nm”(1000納米＝1微米)。

在嘗試在不同材料之間形成有用表面鍵合時(shí)，存在一些難題，這些不同材料被用在半導(dǎo)體器件制造和微電子封裝中。首先，沉積在各種襯底上的多層電介質(zhì)層和金屬層經(jīng)常引起應(yīng)力，該應(yīng)力表現(xiàn)為整個(gè)晶片的彎曲和襯底的局部翹曲。鍵合這些具有高度翹曲的襯底的一個(gè)挑戰(zhàn)是需要將它們置于真空下以在鍵合期間迫使表面平坦。

其次，不同材料的晶格特性不同。傳統(tǒng)鍵合技術(shù)使用升高的溫度和壓力來(lái)接合材料。然而，在鍵合之后，合成的系統(tǒng)被冷卻到室溫以供后續(xù)處理，然后被冷卻到操作溫度(其通常遠(yuǎn)低于鍵合溫度)。直接鍵合提供了一種降低總體應(yīng)力和應(yīng)變、并且在較低溫度下接合的方式。金屬和非金屬兩者都擁有晶格晶胞，其是每種材料在原子級(jí)處或原子級(jí)附近的基本結(jié)構(gòu)構(gòu)建塊。不同材料的晶格單元的幾何形狀可能不同，或幾何形狀可能相似，但是這些相似單元的尺度不同。無(wú)論哪種方式，具有不同的晶格晶胞幾何形狀的材料之間的直接面對(duì)面鍵合都會(huì)在界面處引起應(yīng)變問(wèn)題。通過(guò)直接鍵合，鍵合期間兩種材料之間的熱波動(dòng)、以及退火中的隨后升高溫度、或器件處于電操作時(shí)的隨后升高溫度可能會(huì)引起：鍵合在一起的兩種材料隨著溫度升高而由于它們各自的熱膨脹系數(shù)(CTE)的差異，以不同速率膨脹。

理想情況下，面對(duì)面鍵合的一側(cè)上的第一材料應(yīng)當(dāng)擁有結(jié)晶性質(zhì)，該結(jié)晶性質(zhì)相對(duì)于第二材料的內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)具有至少一個(gè)明確定義的定向，并且該定向有時(shí)被稱為單域外延(single-domain epitaxy)。晶格常數(shù)為材料中的一種材料的晶格中的晶胞的物理尺寸。三維晶格通常具有三個(gè)晶格常數(shù)：a、b和c。期望對(duì)要在小微電子尺度下鍵合的材料之間的晶格常數(shù)進(jìn)行匹配，以用于避免兩種不同材料之間的弱鍵和缺陷鍵。

將不同材料鍵合在一起還可以具有在微電子器件中重要的電子效應(yīng)。例如，對(duì)兩種不同的半導(dǎo)體材料之間的晶格結(jié)構(gòu)進(jìn)行匹配可以形成帶隙改變的區(qū)域，而不會(huì)更改晶體結(jié)構(gòu)。這使得能夠存在一些類型的光學(xué)器件，諸如發(fā)光二極管和激光器。帶隙是沒(méi)有電子態(tài)的一個(gè)固體中或兩個(gè)鍵合的固體中的能量范圍，并且該帶隙可以被表征為：半導(dǎo)體和絕緣體中的價(jià)帶(valance band)的頂部與導(dǎo)帶(conduction band)的底部之間的能量差，或從另一角度看，被表征為：釋放束縛(價(jià))電子以成為用于傳導(dǎo)電流的傳導(dǎo)電子所需的能量。

諸如砷化鎵、砷化鋁鎵和砷化鋁之類的具有類似晶格常數(shù)的物質(zhì)的傳統(tǒng)鍵合在一起已經(jīng)提供了許多突破性的光學(xué)器件，諸如例如，LED和激光器。將更多種材料有效鍵合在一起的能力有望提供更多個(gè)具有微電子尺度的新型器件。