[发明专利]一种利用金属材料扩散互溶实现硅-硅键合的方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体制造技术领域，具体涉及到一种利用金属材料扩散互溶实现硅-硅键合的方法，该方法可以有效实现硅-硅之间的键合，并根据制造需求实现硅腔体内特定气氛或特定真空度的封装，为灵活制造各种硅基MEMS器件及相关器件的封装奠定基础。

背景技术

微电子机械系统MEMS，以其微型化、智能化、集成化以及低成本的优势，在国民经济和军事系统方面都有着广泛的应用。MEMS产品包括加速度计、压力传感器、陀螺仪等，随着智能化系统的提升，更为复杂的新型MEMS结构及MEMS与IC的集成化封装成为MEMS产品市场化需要突破的技术瓶颈。

晶圆级键合技术是实现三维MEMS器件结构及MEMS器件的封装与保护不可缺少的关键技术。MEMS器件的封装除了需要具备IC封装的基本功能外，还具有自身的特殊性，例如需要特殊的信号界面、特殊的立体结构、特殊的腔体环境(甚至高真空环境)等。针对不同的传感器，需要考虑晶圆级键合工艺对器件性能的影响，如键合温度对悬空结构应力及电学连接的影响，键合界面应力对谐振频率、迟滞性能的影响等。

目前，用于硅-硅晶圆级键合的工艺有多种。硅-硅直接键合(熔融键合)是经高温处理后将两个硅片直接键合在一起，需要800-1000℃的高温处理且要求硅片表面是原子级平滑表面，因此硅-硅直接键合工艺目前仅被用到SOI晶片制备中。为了降低硅-硅键合温度及对键合界面的要求，通常采用加入过渡层的方法。采用玻璃浆料的键合工艺易于实现粘接，但很难实现气密性封装且玻璃浆料与IC工艺并不兼容。采用金属过渡层的共晶键合是目前实现硅-硅键合最常用的技术，其原理是利用两种金属材料在共熔温度的特定温度下相互熔合将两个硅片键合一起，可用于共熔晶键合的金属材料有AuSn、AuGe、CuSn、AlGe等，合金沉积当量或者说金属层的厚度决定了合金的共熔温度，因此需要金属层精确的组份控制(少许偏差将会引起大的共熔温度偏差)，金属过渡层的厚度通常需要到微米量级，键合界面的过渡层将会造成大的热失配和热应力，同时，常用的Au材料与CMOS工艺不兼容。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的在于提供一种利用金属材料扩散互溶实现硅-硅键合的方法，该方法利用金属与硅材料在界面扩散互溶机理实现硅-硅之间高强度键合，键合气密性极好，可以解决传统方法中高温键合条件或中间异质层带来的应力问题。工艺简单，适用范围宽，为实现硅-硅键合及硅基MEMS器件的真空封装提供一种有效方法。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种利用金属材料扩散互溶实现硅-硅键合的方法，包括如下步骤：

步骤1：取一第一硅片；

步骤2：采用电子束蒸发或磁控溅射的方法，在第一硅片上制备第一薄膜金属层；

步骤3：取一第二硅片；

步骤4：将第一硅片制备有第一薄膜金属层的一面与第二硅片进行热压键合，在温度和压力的作用下通过硅-硅界面的金属扩散互溶形成金属硅化物作为键合层，将第一和第二硅片键合在一起；通过键合时腔室的气氛或真空度控制实现硅-硅的预定气氛封装或真空封装。

(三)有益效果

本发明与已有的技术相比，有益效果为：

(1)本发明利用金属材料与硅扩散互溶的原理实现硅-硅的有效键合，其中键合材料为薄膜，可以通过常规淀积工艺很容易得到，同时薄层金属的存在及良好的延展性使得对键合材料的表面平整度、表面粗糙度的要求大大降低。

(2)本发明利用键合材料与硅的扩散互溶原理，使金属与硅基底形成金属硅化物作为键合层，在键合界面能够实现非熔化充分互溶，因此可以大大增加键合强度，键合气密性极好，易于实现高真空封装，且键合条件相对宽松。

(3)本发明中间层很薄并具有过渡性质，大大降低了传统键合方法中中间层热应力的不匹配对MEMS器件性能的影响。

(4)本发明采用的金属材料体系，均与CMOS工艺兼容，摒弃了已有的共晶键合技术中Au等材料及过渡层键合技术中玻璃浆料的使用等。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例和附图，对本发明进一步详细说明，其中：

图1是利用本发明的方法制作的键合结构的截面示意图。

图2是本发明提出的利用金属材料扩散互溶实现硅-硅键合的方法的工艺流程图。

图3是本发明实施例2制作的键合结构的截面示意图。

具体实施方式