一种共晶键合的结构和方法与流程

本申请涉及半导体技术领域，尤其涉及一种共晶键合的结构和方法。

背景技术：

在半导体器件的制造过程中，为了实现器件的小型化、多功能化、高性能化，常常需要把两个基板键合起来。特别是具有可动微结构的微机电系统(mems)器件，为了防止可动微结构的损伤，或者维持其环境气体压力稳定来保障器件功能的稳定，常常需要将微结构进行气密性封装，而且，这种封装的气密性需要长时间的稳定性。比如mems加速度传感器、陀螺仪以及压力计等器件，对封装的气密性有很高的要求。这种气密性封装常用基板键合技术来实现。

在各种基板键合技术之中，共晶键合可以实现较高的气密度和较好的气密度稳定性。同时，共晶键合往往具有键合温度较低、键合强度大的特点。比如，专利文献wo2006/101769提供了一个用alge共晶键合将mems器件和cmos基板键合密封的技术。这个技术提供的铝(al)和锗(ge)的共晶键合不仅温度低(约450℃)，而且材料也是和cmos兼容的。同时，alge共晶还具有较好的导电性从而可以实现键合基板间的电连接。在alge共晶键合中，一般先在两基板上分别形成al或ge的单层薄膜、或形成al和ge交替叠加的多层膜、再把薄膜加工成所设计的图形。然后把两个基板对准，加热到略高于alge共晶熔点(约424℃)的温度，比如450℃。同时，在两基板间加上一定的压力，使两基板紧密接触。虽然这时的基板温度远远低于纯ge的熔点938℃或纯al的熔点660℃，但是由于温度超过了alge的共晶熔点，al和ge就会在二者的界面处液化并互相扩散。互相扩散后，再把温度降到alge共晶熔点以下时，二者就会形成稳定的固态共晶。

如上所述，共晶键合时要经过一个共晶材料的液化过程。液化过程中，融化的共晶材料在键合压力作用下会在键合界面产生流动。这种流动性会产生两个问题。第一个问题是，共晶材料溢流到所需位置之外。这不仅可能对周围结构产生影响，也可能因为材料流失导致键合空洞。第二个问题是，引起键合基板间在键合界面的相对滑动，从而降低键合基板间的对准精度。上述问题不仅发生在共晶键合之中，是所有键合过程中键合界面材料发生流动的键合(比如胶键合)的共同课题。

为了减轻第一个问题，一个常用的办法是在正规图形之外形成一些供流动材料溢走的沟道或孔穴。为了减轻第二个问题，一个常用的办法是在基板上形成一定面积的增加摩擦力的构造。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

技术实现要素：

本申请的发明人发现，在现有技术中：在为了解决上述第一个问题而采取的方案中，沟道或孔穴占用基板的一定面积，不利于微细图形的高密度化；而且，由于一部分键合材料溢走，可能引起材料不足而导致键合空洞。在为了解决上述第二个问题而采取的方案中，为了使摩擦力足够大，往往需要占用基板很大部分的面积，从而减少单片基板的器件数量，这不利于降低器件生产成本，另一方面，这种增加摩擦力的构造的制备也增加了加工程序，从而提高了器件的生产成本。

本申请提供一种共晶键合的结构和方法，通过在键合材料的图形的内侧和外侧形成闭合的围挡结构，能够有效地降低共晶键合过程中融化的共晶材料的流动，从而减小共晶材料的溢流，并且有效地减少基板的相对滑动。本申请提供的共晶键合的结构和方法，结构和制作工艺比较简单，占用基板有效面积小，因而可以降低生产成本。

根据本申请实施例的一个方面，提供一种共晶键合的方法，包括：

在第一基板的表面形成第一键合材料的图形；

在第二基板的表面形成第二键合材料的图形；

在第一基板的所述表面形成位于所述第一键合材料的图形的内侧和外侧的闭合的围挡结构；以及

将所述第一键合材料的图形和所述第二键合材料的图形相互接触使二者的至少一部分共融形成共晶。根据本申请实施例的另一个方面，其中，该围挡结构的材料的熔点不低于所述第一键合材料和所述第二键合材料的共晶熔点。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，该围挡结构的材料与所述第一键合材料相同或不同。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，在垂直于所述第一基板的表面的方向，该围挡结构的高度大于所述第一键合材料的图形的厚度，并且，小于所述第一键合材料的图形与所述第二键合材料的图形的厚度之和。

根据本申请实施例的一个方面，其中，在形成共晶之前，在平行于所述第一基板的表面的方向，所述围挡结构与所述第一键合材料的图形之间具有间隙或不具有间隙。

根据本申请实施例的一个方面，其中，所述方法还包括：

在将所述第一键合材料的图形形成在所述第一基板的所述表面之前，在所述第一键合材料的表面形成第一扩散阻止层；和/或

在将所述第二键合材料的图形形成在所述第二基板的所述表面之前，在所述第二键合材料的表面形成第二扩散阻止层。

根据本申请实施例的一个方面，其中，所述第一键合材料是铝和锗中的一者，所述第二键合材料是铝和锗中的另一者。

根据本申请实施例的一个方面，提供一种共晶键合的结构，包括：

在第一基板的表面形成的第一键合材料的图形；

在第二基板的表面形成的第二键合材料的图形；

在第一基板的所述表面形成的位于所述第一键合材料的图形的内侧和外侧的闭合的围挡结构；以及

所述第一键合材料的图形和所述第二键合材料的图形相互接触而形成的共晶材料。

根据本申请实施例的一个方面，其中，该围挡结构的材料的熔点不低于所述第一键合材料和所述第二键合材料的共晶熔点。

根据本申请实施例的一个方面，其中，所述共晶材料所围的区域中具有可动结构。

本申请的有益效果在于：通过在键合材料的图形的内侧和外侧形成闭合的围挡结构，能够有效地降低共晶键合过程中共晶材料的溢流，并且有效地减少基板的相对滑动。本申请提供的共晶键合的结构和方法，结构和制作工艺比较简单，占用基板有效面积小，因而可以降低生产成本。

参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

所包括的附图用来提供对本申请实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本申请的实施方式，并与文字描述一起来阐释本申请的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1是共晶键合的方法的一个示意图；

图2是该方法的各步骤所对应的器件结构的一个示意图；

图3是该方法的各步骤所对应的器件结构的另一个示意图。

具体实施方式

参照附图，通过下面的说明书，本申请的前述以及其它特征将变得明显。在说明书和附图中，具体公开了本申请的特定实施方式，其表明了其中可以采用本申请的原则的部分实施方式，应了解的是，本申请不限于所描述的实施方式，相反，本申请包括落入所附权利要求的范围内的全部修改、变型以及等同物。

在本申请中，为了说明方便，在第一基板和第二基板终，将基板的形成有键合材料的图形的表面称为“上表面”，将基板的与该“上表面”相对的面称为“下表面”，由此，“上”方向是指从“下表面”指向“上表面”的方向，“下”方向与“上”方向相反，并且，将“上”方向与“下”方向统称为“纵向”，将与基板的“上表面”平行的方向称为“横向”，各层沿纵向的尺寸被称为“高度”。需要说明的是，在本申请中，“上”和“下”的设定是相对而言，仅是为了说明方便，并不代表具体使用或制造该薄膜时的方位。

在本申请中，第一基板和第二基板可以是半导体制造领域中常用的晶圆，例如硅晶圆、绝缘体上的硅silicon-on-insulator，soi晶圆、锗硅晶圆、锗晶圆或氮化镓galliumnitride，gan晶圆、sic晶圆等，也可以是石英、蓝宝石等绝缘性晶圆。另外，该基板也可以是半导体制造领域中常用的晶圆，在晶圆的表面上进一步具有半导体器件、mems器件所需的各种薄膜以及各种构造。本申请对此并不限制。

实施例1

本申请实施例1提供一种共晶键合的方法。

图1是本实施例的共晶键合的方法的一个示意图，图2是该方法的各步骤所对应的器件结构的一个示意图，其中，图2c)是图2a)的aa断面图，图2d)是图2b)的bb断面图。如图1和图2所示，该方法可以包括：

201、在第一基板10的表面形成第一键合材料的图形1，对应于图2的a)；

202、在第二基板20的表面形成第二键合材料的图形2，对应于图2的b)；

203、在第一基板10的表面形成位于第一键合材料的图形1的内侧1a和外侧1b的闭合的围挡结构3，对应于图2的a)；

204、将第一键合材料的图形1和第二键合材料的图形2相互接触使二者的至少一部分共融形成共晶，对应于图2的e)和f)，其中，图2的e)是将图形1和图形2对准的一个示意图，图2的f)是将形成共晶4的示意图。

根据本实施例，通过在键合材料的图形的内侧形成闭合的围挡结构，并且在键合材料的图形的外侧形成闭合的围挡结构，能够从键合材料的图形的内侧和外侧对共晶材料进行阻挡和限制，防止共晶材料流动到键合材料的图性的内侧区域和外侧区域，并且有效地减少基板的相对滑动，同时降低生产成本；由此，无需像现有技术那样，形成沟道或孔穴，并且，围挡结构的宽度可以较小，从而增加单片基板的器件数量，有利于降低器件生产成本。同时，围挡结构限制了共晶材料的流动，共晶键合时基板间的相互滑动也会变小。所以，无需像现有技术那样，形成增加摩擦力的图形，从而可以把节省下来的基板面积用来增加器件数量，有利于降低器件生产成本。

在本实施例中，第一基板10和第二基板20可以是半导体制造领域中常用的晶圆，例如硅晶圆、绝缘体上的硅silicon-on-insulator，soi晶圆、锗硅晶圆、锗晶圆或氮化镓galliumnitride，gan晶圆、sic晶圆等，也可以是石英、蓝宝石等绝缘性晶圆。另外，该基板也可以是半导体制造领域中常用的晶圆，在晶圆的表面上进一步具有半导体器件、mems器件所需的各种薄膜以及各种构造。本实施例对此并不限制。

在本实施例的步骤201、202和203中，如图2的a)、b)、c)、d)所示，图形1的宽度为d1，图形2的宽度为d2，图形1的内侧1a和外侧1b的围挡结构3的宽度都是d3，其中，d1与d2可以相等或不等，d3可以小于d1和d2，由此，能够使围挡结构3所占的面积较小，从而增加单片基板的器件数量，有利于降低器件生产成本。

在本实施例中，图形1的高度为t1，图形2的高度为t2，图形1的内侧和外侧的围挡结构3的高度都是t3，其中，t1与t2可以相等或不等，t3可以大于t1，并且，t3可以小于t1与t2之和，由此，在共晶键合的过程中，能够确保图形1和图形2有效接触，并且，围挡结构3能够有效地阻挡共晶4的溢流。

在本实施例中，围挡结构3的材料的熔点可以不低于第一键合材料和第二键合材料的共晶熔点，由此，当第一键合材料的图形1和第二键合材料的图形2形成共晶时，围挡结构3不会熔化。

在本实施例中，第一键合材料是铝(al)和锗(ge)中的一者，第二键合材料是铝和锗中的另一者。此外，第一键合材料和第二键合材料可以是其它材料。

在本实施例中，围挡结构3的材料与第一键合材料相同或不同。

在本实施例中，该围挡结构3的材料是与第一键合材料或第二键合材料或两者的共晶材料不形成共晶的材料，此外，本实施例不限于此，围挡结构3的材料也可以是能够与第一键合材料或第二键合材料或两者的共晶材料形成共晶的材料。

在本实施例中，如图2的a)、b)、c)、d)所示，在形成共晶4之前，在平行于第一基板的表面的方向，围挡结构3与第一键合材料的图形1之间可以具有间隙，由此，第一键合材料的图形1的内侧和外侧的围挡结构3之间可以容纳较多的共晶4。此外，本实施例可以不限于此，围挡结构3与第一键合材料的图形1之间也可以不具有间隙。

在本实施例的步骤204中，可以施加一定的压力和温度，从而使第一键合材料的图形1和第二键合材料的图形2之间形成共晶，例如，当第一键合材料是铝(al)，第二键合材料是锗(ge)时，alge共晶熔点约424℃，al和ge共晶键合时的最高温度被控制为大约是450±10℃，同时，在第一基板和第二基板间加的最大压力约为1-10大气压，最高温度和压力的持续时间约为5-15分钟。

在本实施例的步骤204中，共晶可以消耗尽图形1和图形2中的至少一种材料，即完全共晶化，例如，当第一键合材料为al，第二键合材料为ge的时候，ge和al的体积比约为0.59时，al和ge可以完全共融，全部形成共晶。本实施例可以不限于此，例如，也可以使图形1和/或图形2的材料有剩余，即部分共晶化，只要达到所要求的密封性和键合强度即可。

在本实施例的一个特例中：第一键合材料是铝(al)，第二键合材料是锗(ge)，围挡结构3的材料是硅的氧化物；d1＝30微米，d2＝20微米，d3＝3微米，t1＝1.5微米，t2＝0.9微米，t3＝1.8微米，围挡结构3与第一键合材料的图形1之间的间隙为1微米。上述结构，可以通过半导体的薄膜生长和加工等工艺技术很容易实现。共晶键合条件的一个特例是：键合的最高温度大约是450±3℃，基板间的最大压力约为5大气压，最高温度和压力的持续时间约为10分钟。在本实施例中，如图2的f)所示，共晶4可以完全不溢流到围挡结构3的外围，也可以少量溢流到围挡结构3的外围，只要不影响密封性、键合强度，不对邻近器件造成影响即可。

在本实施例中，键合材料4所围的区域中可以具有可动结构，该可动结构例如可以是微机电系统(mems)器件。该mems器件密封在共晶键合的结构之中，其中，该mems器件具有可动微结构，例如，该mems器件包括mems加速度传感器、mems陀螺仪、mems压力计等器件之一，或其中两种以上的器件。

在本实施例中，如图1所示，本实施例的共晶键合的方法还可以包括：

205、在将所述第一键合材料的图形形成在所述第一基板的所述表面之前，在所述第一键合材料的表面形成第一扩散阻止层；和/或，在将所述第二键合材料的图形形成在所述第二基板的所述表面之前，在所述第二键合材料的表面形成第二扩散阻止层。

通过设置第一扩散阻止层和/或第二扩散阻止层，能够阻止第一键合材料，和/或第二键合材料，和/或共晶4扩散到第一基板和/或第二基板。比如，键合材料之一是al的时候，al的扩散阻止层可以包含ti的氮化物。

需要说明的是，在对图1的说明中，是按步骤201、202、203的顺序进行描述，但是，这并不限定步骤201、202、203的先后顺序，可以根据工艺的实际情况来设置步骤201、202、203的顺序，例如，步骤201、202、203可以同时进行等。

图3是本实施例的共晶键合的方法的各步骤所对应的器件结构另一个示意图。图3与图2的区别在于，围挡结构与第一键合材料的图形之间不具有间隙。在图3中，图3的c)是图3的a)的aa断面图，图3的d)是图3的b)的bb断面图。

如图3的a)，c)，e)，f)所示，在平行于第一基板10的表面的方向，围挡结构3与第一键合材料1之间可以不具有间隙，由此，能够进一步缩小围挡结构3和键合材料1所占的面积，增加单片基板的器件数量，有利于降低器件生产成本。

在本实施例的一个特例中：第一键合材料是铝(al)，第二键合材料是锗(ge)，围挡结构3的材料是铝；d1＝30微米，d2＝20微米，d3＝3微米，t1＝1.5微米，t2＝0.9微米，t3＝1.8微米。上述结构，可以通过半导体的薄膜生长和加工等工艺技术很容易实现。共晶键合条件的一个特例是：键合的最高温度大约是450±3℃，基板间的最大压力约为5大气压，最高温度和压力的持续时间约为10分钟。

以上结合具体的实施方式对本申请进行了描述，但本领域技术人员应该清楚，这些描述都是示例性的，并不是对本申请保护范围的限制。本领域技术人员可以根据本申请的精神和原理对本申请做出各种变型和修改，这些变型和修改也在本申请的范围内。