[发明专利]在微电子学中用于接合异种材料的技术

说明书

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。

相关申请

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。

背景技术

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)。

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。

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。

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。

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。

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。