化合物半导体单晶薄膜层的转移方法及单晶GaAs-OI复合晶圆的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种化合物半导体单晶薄膜层的转移方法及单晶GaAs‑OI复合晶圆的制备方法，包括：在第一衬底上制备石墨过渡层；在石墨过渡层上生长化合物半导体单晶薄膜层；在化合物半导体单晶薄膜层上制备第一介质层；在第二衬底上制备第二介质层；通过第一介质层和第二介质层的键合，使第一衬底和第二衬底相结合；施加一个横向的外部压力，使化合物半导体单晶薄膜层与第一衬底在石墨过渡层处横向分裂，将化合物半导体单晶薄膜层转移到第二衬底上。本发明专利技术可将外延生长的高质量化合物半导体单晶薄膜层通过介质层键合的方式转移到Si基衬底上，可以实现高质量、大面积、低成本化合物半导体单晶薄膜层在SOI衬底上的制备。

Transfer method of compound semiconductor single crystal film layer and preparation method of single crystal GaAs oi composite wafer

The invention discloses a transfer method of compound semiconductor single crystal film layer and a preparation method of single crystal GaAs \u2011 oi composite wafer, including: preparing a graphite transition layer on the first substrate, growing compound semiconductor single crystal film layer on the graphite transition layer, preparing a first dielectric layer on the compound semiconductor single crystal film layer, preparing a second dielectric layer on the second substrate, and preparing a second dielectric layer through the second substrate The bonding of a dielectric layer and a second dielectric layer combines the first substrate and the second substrate; applying a lateral external pressure, the compound semiconductor single crystal film layer and the first substrate are horizontally split at the graphite transition layer, and the compound semiconductor single crystal film layer is transferred to the second substrate. The invention can transfer the epitaxial growth high-quality compound semiconductor single crystal film layer to the Si base substrate by the way of medium layer bonding, and can realize the preparation of high-quality, large area and low-cost compound semiconductor single crystal film layer on the SOI substrate.

【技术实现步骤摘要】
化合物半导体单晶薄膜层的转移方法及单晶GaAs-OI复合晶圆的制备方法
本专利技术涉及半导体器件集成
，具体涉及一种化合物半导体单晶薄膜层的转移方法及单晶GaAs-OI复合晶圆的制备方法。
技术介绍
自上世纪七十年代开始，微电子产业按摩尔定律发展了近半个世纪。目前，器件的特征尺寸已经接近10nm。基于硅材料的CMOS技术在速度、功耗、集成度和制造成本等多方面受到了材料的基本物理特性、制造成本乃至经济运行规律等多方面的严峻挑战。国际学术界和工业界普遍认为处在“后摩尔时代”的微纳电子工业表现的三大发展趋势为：延续摩尔定律，即半导体器件尺寸继续缩小；扩展摩尔定律，即追求系统集成的功能多样化；超越COMS。这就给Si基材料带来了相当大的挑战，由于MOS晶体管的短沟道带来的二级效应，对传统平面器件而言，通过不断缩小器件的尺寸来提高性能的方法遇到了越来越大的困难，严重制约了集成度的进一步提升。为了提高MOS晶体管的开态电流，需采用具有高迁移率的沟道材料，如：锗(Ge)和Ⅲ-Ⅴ族半导体，Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料还具备形成高质量MOS界面的能力，从而使同尺寸的MOS器件性能明显优于硅基MOS器件。尤其是到了7nm技术节点时，对FinFET技术而言，栅极或许丧失对沟道的控制能力，Ⅲ-Ⅴ族材料可能被用于沟道。另一方面，人们希望芯片集成更多的功能，随着微处理器工作速度的不断攀升，集成电路中电互连技术遇到瓶颈，面临的带宽、延时、功耗等问题，为充分利用光通信的优点，需要微处理器多核间的高速光互连的实现。因此SOI作为一种高效集成材料，在很多领域被认为具有独特结构的SOI器件能够有效的抑制体硅器件的不足，充分的发挥硅集成技术的潜力，是保证集成电路产业按照摩尔定律走势进行快速发展一大利器。传统的基于硅材料为衬底的体硅集成电路由于其存在寄生可控硅闩锁效应、在射线辐照环境下软失效、寄生电容、热载流子效应等方面的局限，使其应用发展受到了限制。SOI技术具有高性能ULSI、耐高温高压、抗福照、低压低功耗高集成度等领域具有极其广阔的发展前景，被国际上公认为21世纪的硅集成电路技术，近年来，SOI技术已经发展成为制造ULSL集成电路的主流技术之一。SOI材料和GaAs材料的结合集成技术的发展，为实现GaAs半导体光探测器的多功能化打开一扇窗户。将GaAs材料集成到SOI衬底上为大规模的异质集成提供了可能。现有一般采用在Si衬底上外延生长单晶GaAs的方式，这种方式的弊端是Si衬底的晶格结构和单晶GaAs的晶格结构不同，在外延生长过程中会由于位错等原因导致晶格失配，使得外延生长GaAs晶体质量不高，无法满足后期制造高质量器件的要求。
技术实现思路
针对上述问题中存在的不足之处，本专利技术提供一种化合物半导体单晶薄膜层的转移方法及单晶GaAs-OI复合晶圆的制备方法。本专利技术提供一种化合物半导体单晶薄膜层的转移方法，包括：在第一衬底上制备石墨过渡层；在所述石墨过渡层上生长化合物半导体单晶薄膜层，所述化合物半导体单晶薄膜层与第一衬底具有相同晶格结构；在所述化合物半导体单晶薄膜层上制备第一介质层；在第二衬底上制备第二介质层；通过所述第一介质层和第二介质层的键合，使所述第一衬底和第二衬底相结合；施加一个横向的外部压力，使所述化合物半导体单晶薄膜层与第一衬底在所述石墨过渡层处横向分裂，将所述化合物半导体单晶薄膜层转移到所述第二衬底上。作为本专利技术的进一步改进，所述第一衬底为单晶GaAs衬底或单晶Ge衬底。作为本专利技术的进一步改进，所述化合物半导体单晶薄膜层为GaAs单晶薄膜层。作为本专利技术的进一步改进，所述第二衬底为Si衬底。作为本专利技术的进一步改进，所述第一介质层或第二介质层为Si3N4层、SiO2层、Al2O3层或AlN层，所述第二介质层作为所述第二衬底的埋氧层。作为本专利技术的进一步改进，所述第一介质层和第二介质层均选用Si3N4层。本专利技术还提供一种基于上述转移方法的单晶GaAs-OI复合晶圆的制备方法，包括：制备A晶圆：在单晶GaAs衬底或单晶Ge衬底上制备石墨过渡层；在所述石墨过渡层上外延生长GaAs单晶薄膜层；在所述GaAs单晶薄膜层上制备Si3N4介质层；制备B晶圆：在Si衬底表面制备Si3N4介质层作为埋氧层；制备单晶GaAs-OI复合晶圆；将A晶圆、B晶圆上顶层的Si3N4层与Si3N4层之间进行键合，使A晶圆、B晶圆紧密结合；在A晶圆上施加一个横向的外部压力，使复合晶圆在石墨过渡层处横向分裂去除所述单晶GaAs衬底或单晶Ge衬底、所述石墨过渡层，得到单晶GaAs-OI复合晶圆，其结构依次为Si衬底、Si3N4介质层和GaAs单晶薄膜层。作为本专利技术的进一步改进，在所述A晶圆中：所述石墨过渡层的厚度为50-100nm，所述GaAs单晶薄膜层的厚度为10-2000nm，所述Si3N4层的厚度为100-400nm。作为本专利技术的进一步改进，在所述B晶圆中：所述Si衬底与所述Si3N4介质层之间还制备有SiO2层；所述Si3N4层的厚度为100-400nm。作为本专利技术的进一步改进，在外部压力横向分离去除所述单晶GaAs衬底或单晶Ge衬底、所述石墨过渡层后，通过化学腐蚀和机械磨抛法将所述GaAs单晶薄膜层残留的石墨过渡层研磨掉，得到高质量的GaAs单晶薄膜层表面。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术提供的化合物半导体单晶薄膜层的转移方法以及GaAs-OI复合晶圆的制备方法，可将外延生长的高质量化合物半导体单晶薄膜层通过介质层键合的方式转移到Si基衬底上，可以实现高质量、大面积、低成本化合物半导体单晶薄膜层在SOI衬底上的制备，从而促进GaAs-OI上半导体器件的工业应用。附图说明图1为本专利技术一种实施例公开的化合物半导体单晶薄膜层的转移方法的流程图；图2为本专利技术一种实施例公开的A晶圆的结构及制备流程图；图3为本专利技术一种实施例公开的第一种B晶圆的结构及制备流程图；图4为本专利技术一种实施例公开的第二种B晶圆的结构及制备流程图；图5为本专利技术一种实施例公开的第一种单晶GaAs-OI复合晶圆的结构及制备流程图；图6为本专利技术一种实施例公开的第二种单晶GaAs-OI复合晶圆的结构及制备流程图。图中：10、A晶圆；11、单晶GaAs衬底；12、石墨过渡层；13、GaAs单晶薄膜层；14、Si3N4介质层；20、B晶圆；21、Si衬底；22、SiO2层；23、Si3N4层；30、单晶GaAs-OI复合晶圆；31、Si衬底；32、SiO2层；33、Si3N4层；34、GaAs单晶薄膜层。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种化合物半导体单晶薄膜层的转移方法，其特征在于，包括：/n在第一衬底上制备石墨过渡层；/n在所述石墨过渡层上生长化合物半导体单晶薄膜层，所述化合物半导体单晶薄膜层与第一衬底具有相同晶格结构；/n在所述化合物半导体单晶薄膜层上制备第一介质层；/n在第二衬底上制备第二介质层；/n通过所述第一介质层和第二介质层的键合，使所述第一衬底和第二衬底相结合；/n施加一个横向的外部压力，使所述化合物半导体单晶薄膜层与第一衬底在所述石墨过渡层处横向分裂，将所述化合物半导体单晶薄膜层转移到所述第二衬底上。/n

【技术特征摘要】
1.一种化合物半导体单晶薄膜层的转移方法，其特征在于，包括：
在第一衬底上制备石墨过渡层；
在所述石墨过渡层上生长化合物半导体单晶薄膜层，所述化合物半导体单晶薄膜层与第一衬底具有相同晶格结构；
在所述化合物半导体单晶薄膜层上制备第一介质层；
在第二衬底上制备第二介质层；
通过所述第一介质层和第二介质层的键合，使所述第一衬底和第二衬底相结合；
施加一个横向的外部压力，使所述化合物半导体单晶薄膜层与第一衬底在所述石墨过渡层处横向分裂，将所述化合物半导体单晶薄膜层转移到所述第二衬底上。


2.如权利要求1所述的转移方法，其特征在于，所述第一衬底为单晶GaAs衬底或单晶Ge衬底。


3.如权利要求2所述的转移方法，其特征在于，所述化合物半导体单晶薄膜层为GaAs单晶薄膜层。


4.如权利要求1所述的转移方法，其特征在于，所述第二衬底为Si衬底。


5.如权利要求1所述的转移方法，其特征在于，所述第一介质层或第二介质层为Si3N4层、SiO2层、Al2O3层或AlN层，所述第二介质层作为所述第二衬底的埋氧层。


6.如权利要求5所述的转移方法，其特征在于，所述第一介质层和第二介质层均选用Si3N4层。


7.一种基于如权利要求1-6中任一项所述的转移方法的单晶GaAs-OI复合晶圆的制备方法，其特征在于，包括：
制备A晶圆...

【专利技术属性】
技术研发人员：代京京，王智勇，兰天，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11