键合材料和制备方法以及半导体器件技术

本发明专利技术公开了键合材料和制备方法以及半导体器件。该方法包括：在第一衬底的一侧进行含H离子注入，所述第一衬底为非硅晶体材料形成的；在所述第一衬底以及第二衬底表面的至少之一处形成键合增强层；将所述第一衬底和所述第二衬底进行键合，并令所述键合增强层位于键合界面处，以形成第一键合结构；对所述第一键合结构进行第一退火处理，使所述第一键合结构自所述第一衬底内部发生剥离，以获得具有所述第二衬底的所述键合材料。由此，该方法可以简便地获得键合材料，无需长时间的高温处理即可获得高键合强度，特别适用于形成SiC

【技术实现步骤摘要】
键合材料和制备方法以及半导体器件


[0001]本专利技术涉及半导体技术以及半导体制造领域，具体而言，本专利技术涉及键合材料和制备方法以及半导体器件。

技术介绍

[0002]近年来随着半导体技术的发展，基于硅(Si)材料以及碳化硅(SiC)、砷化镓、磷化铟等半导体衬底的半导体器件也得到了飞速的发展。以SiC材料为例，与Si材料相比较，SiC具有更宽的带隙、更高的击穿电场、更快的载流子饱和速度、更高的导热系数等优点得到了广泛的关注，例如SiC的这些优良特性可以使半导体器件体积更小、损耗更低、工作温度更高、频率更高、散热更简单。虽然目前6英寸单晶4H型碳化硅晶圆和许多种类的碳化硅器件如肖特基二极管，双极结型晶体管(BJT)，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和结型场效应晶体管(JFET)已经在市面上可以取得，但高质量SiC衬底材料的制备仍然具有挑战性：
[0003]SiC材料没有固定的熔点，常用的SiC单晶的制备方法是物理气相输运法(PVT)。在PVT法生长SiC单晶时，其工艺窗口窄，得到的SiC晶体的缺陷密度高，成品率低。尤其对大尺寸的SiC晶体而言，尺寸越大，工艺窗口越窄，成品率越低，缺陷密度越难以控制；加之碳化硅材料的硬度高，晶片加工困难，加工成本也居高不下。因此，大直径(直径6英寸及以上)、低缺陷密度的高质量碳化硅晶片不易获得且成本昂贵。
[0004]SiC晶片直接键合也非常困难。由于Si和C反应形成Si
‑
C键需要很高的温度，Si
‑
C键又非常稳定，使得SiC晶体的表面活性非常差。SiC晶片直接键合时，键合界面不易直接形成Si
‑
C键，键合强度低。同时，SiC材料硬度高，塑性差，即便在高压下直接键合，键合界面也不易贴合，易在键合界面形成空洞。通过直接键合来制备SiC晶片还存在技术难点。
[0005]因此，目前的键合材料和制备方法仍有待改进。

技术实现思路

[0006]本专利技术是基于专利技术人对以下事实和问题的发现和认识而做出的：
[0007]如前所述，目前高质量SiC晶体等衬底材料的制备存在一定工艺难度。以SiC材料为例，大规模生产对于高效率和低成本是非常重要的，然而，大尺寸、低成本、高晶体质量的SiC晶体材料较难获得。在相同的击穿电压下，碳化硅器件可以比对应的硅器件薄10倍，常规碳化硅器件中，电学控制有效层的厚度在十余微米甚至几微米范围内，这部分电学有效层要求高晶体质量的碳化硅，而数百微米厚的碳化硅衬底的绝大部分厚度主要起到机械支撑和电学导通的作用，这部分机械支撑的碳化硅对晶体质量没有要求。有时为了提升电学性能，还需要将机械支撑的碳化硅减薄，越薄则器件电学性能越优。基于此，将高质量的碳化硅晶片键合到低成本的衬底上也许是降低碳化硅晶片成本的可行方案。为了耐受器件加工过程中的高温工艺，并避免沾污，将高质量的碳化硅晶片直接键合到低成本的碳化硅衬底是优选。然而，SiC直接键合存在键合强度低、界面质量差等缺点，相关技术中常用到的
SiC
‑
SiC直接键合方法都是在高真空度、高温下操作的，键合过程中产生较大的热应力，且键合界面差也会影响用其制作的器件(主要是具有垂直结构的MOSFET、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、肖特基势垒二极管(SBD)等功率器件)性能。因此，如能够采用工艺简单的较低温键合工艺，获得高质量的键合材料，将有利于基于前述半导体材料的器件的发展。
[0008]本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
[0009]在本专利技术的一个方面，本专利技术提出了一种制备键合材料的方法。该方法包括：在第一衬底的一侧进行含H离子注入，所述第一衬底为非硅晶体材料形成的；在所述第一衬底以及第二衬底表面的至少之一处形成键合增强层；将所述第一衬底和所述第二衬底进行键合，并令所述键合增强层位于键合界面处，以形成第一键合结构；对所述第一键合结构进行第一退火处理，使所述第一键合结构自所述第一衬底内部发生剥离，以获得具有所述第二衬底的所述键合材料。由此，该方法可以简便地获得键合材料，无需长时间的高温处理，在键合增强层的辅助下获得高键合强度，特别适用于形成SiC
‑
SiC等材料的键合材料。
[0010]根据本专利技术的实施例，所述键合增强层至少形成在所述第一衬底上，在所述第一衬底上注入有含H离子一侧的表面形成所述键合增强层，或者，在所述第一衬底一侧表面形成所述键合增强层之后，对所述表面进行所述含H离子注入。
[0011]根据本专利技术的实施例，所述第一衬底为SiC单晶材料，所述SiC单晶材料满足基平面位错密度不高于1500/cm2。由此，可为该键合材料提供高晶体质量的优质SiC单晶表层。
[0012]根据本专利技术的实施例，所述第二衬底为SiC材料，且所述第一衬底的SiC材料晶体质量优于所述第二衬底的SiC材料晶体质量。由此，通过采用低成本的第二衬底材料，有利于降低该键合材料的成本。
[0013]根据本专利技术的实施例，所述键合增强层为非晶层。非晶层表面化学活性强，易于键合，由此，有利于提高第一衬底和第二衬底的键合强度。
[0014]根据本专利技术的实施例，所述非晶层由磁控溅射、离子注入中的一种或两种方法获得。磁控溅射和离子注入成本低廉，由此，可简便地获得非晶的键合增强层。
[0015]根据本专利技术的实施例，所述磁控溅射的材料为碳化硅。由此，可简便地获得非晶的键合增强层。
[0016]根据本专利技术的实施例，所述离子注入包括等离子体源离子注入和等离子体浸没离子注入中的至少之一。由此，可以较为轻松获得高的注入剂量，进而容易使表面非晶化，利于提高键合强度。
[0017]根据本专利技术的实施例，所述离子注入的元素包括Si、C、Al、B、Ga、N、P、As、Sb中的一种或多种。Si和C是碳化硅本身的元素，不会引入额外的污染，而Al、B、Ga、N、P、As、Sb是SiC材料的半导体掺杂剂，可以有利于形成p型或n型半导体导电层。
[0018]根据本专利技术的实施例，所述键合增强层导电。由此，在实现降低第一衬底和第二衬底键合难度目的的同时，有利于利用得到的键合材料制备具有垂直结构的器件，例如具有垂直结构的MOSFET、IGBT和SBD。
[0019]根据本专利技术的实施例，所述键合增强层包括金属硅化物。金属硅化物具有很好的导电性能，进而可进一步提高键合材料的性能。
[0020]根据本专利技术的实施例，所述金属硅化物为硅化镍、硅化钨、硅化钼、硅化钛、硅化钽中的一种或多种。上述硅化物耐高温，在实现导电的同时可以不引入过多的沾污而导致器
件性能下降。
[0021]根据本专利技术的实施例，形成所述键合增强层之后对具有所述键合增强层一侧的所述第一衬底进行所述含H离子注入，形成所述键合增强层包括：在所述第一衬底的一侧表面，以及第二衬底的一侧表面均形成金属层，对表面有所述金属层的所述第一衬底和第二衬底进行第二退火处理，以形成金属硅化物。由此，有利于提高形成的键合增强层和衬底的结合本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制备键合材料的方法，其特征在于，包括：在第一衬底的一侧进行含H离子注入，所述第一衬底为非硅晶体材料形成的；在所述第一衬底以及第二衬底表面的至少之一处形成键合增强层；将所述第一衬底和所述第二衬底进行键合，并令所述键合增强层位于键合界面处，以形成第一键合结构；对所述第一键合结构进行第一退火处理，使所述第一键合结构自所述第一衬底内部发生剥离，以获得具有所述第二衬底的所述键合材料。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述键合增强层至少形成在所述第一衬底上，在所述第一衬底上注入有含H离子一侧的表面形成所述键合增强层，或者，在所述第一衬底一侧表面形成所述键合增强层之后，对所述表面进行所述含H离子注入。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第一衬底为SiC单晶材料，所述SiC单晶材料满足基平面位错密度不高于1500/cm2。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第二衬底为SiC材料，且所述第一衬底的SiC材料晶体质量优于所述第二衬底的SiC材料晶体质量。5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述键合增强层为非晶层。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述非晶层由磁控溅射、离子注入中的一种或两种方法获得。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述磁控溅射的材料为碳化硅。8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述离子注入包括等离子体源离子注入和等离子体浸没离子注入中的至少之一。9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述离子注入的元素包括Si、C、Al、B、Ga、N、P、As、Sb中的一种或多种。10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述键合增强层导电。11.根据权利要求10所述的方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：武娴，
申请(专利权)人：北京清芯昇能半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：