一种低界面热阻金刚石基晶圆及其低温键合方法技术

本发明专利技术提供一种低界面热阻金刚石基晶圆及其低温键合方法，属于金刚石和氮化镓键合技术领域；方法包括：S1、在金刚石和半导体晶圆上分别通过等离子体刻蚀处理进行表面活化；S2、之后分别沉积纳米尺寸的梯度层；S3、之后将步骤S2得到的其中一片晶圆倒置，使得两片晶圆上的梯度层相互接触；S4、然后在键合条件下进行键合；其中，梯度层依次具有初始层、过渡层、结束层，初始层选自Ti、Ta、Cr、Ni、W、Mo中的至少一种，结束层为Ag；初始层的厚度不超过5nm，过渡层的厚度不超过10nm，结束层的厚度不超过15nm。本发明专利技术能具有较低的界面热阻，同时键合强度高，对键合环境要求较低。对键合环境要求较低。对键合环境要求较低。

【技术实现步骤摘要】
一种低界面热阻金刚石基晶圆及其低温键合方法


[0001]本专利技术涉及金刚石和氮化镓键合
，特别是指一种低界面热阻金刚石基晶圆及其低温键合方法。

技术介绍

[0002]由于GaN基功率器件的自热效应和原始衬底的低热导率，导致功率输出能力降低，影响器件的稳定性和可靠性，致使器件性能严重退化。而金刚石具有超高的热导率且热膨胀系数非常小，因此金刚石成为首选的衬底材料。不过，大的晶格失配和材料之间的热膨胀系数的差异，使得GaN与金刚石的高质量集成相当困难。金刚石与GaN键合是一种可行的方法，其原理是将两个或多个材料通过范德华力、分子力甚至原子力结合成一个整体的技术，从而提高晶圆的集成度，是半导体制造领域中不可缺少的重要环节。GaN和金刚石的键合是一个并行的过程，可以分别制备GaN层和金刚石衬底，低温键合技术可以避免高温生长GaN产生的晶格失配和热膨胀系数的差异，同时避免了形核层热导率低的问题。金属键合是一种很有前途的技术，通过在两片要键合的晶圆上沉积纳米晶金属薄膜，然后将晶圆表面相互接触，施加一定的温度和压力，促进金属原子扩散和晶粒长大，从而使键合界面处的金属原子之间形成金属键。金属键合能使键合界面保证很高的键合强度，且金属材料热导率比较高，有利于界面热阻的降低。金属键合可以实现低温键合，避免了高温条件下对器件造成损伤。
[0003]一般来说，通过金属中间层键合金刚石与GaN，需要满足键合强度大、界面热阻低和键合温度低等要求。比如专利CN 109860049 A中报道的一种金刚石基氮化镓高电子迁移率晶体管异质集成方法，采用W和Au做中间层，有较高的键合强度和良好的散热效果，工艺简单且无需超高真空、高平整度和高温退火等苛刻条件，成功应用于金刚石基GaN HEMT的制备。
[0004]然而，上述这种传统的金属键合方法，键合中间层为多层结构，可能产生更多的界面热阻；此外，采用常温Au键合，其键合强度难以保证，晶圆键合成功率受衬底加工状态影响显著。因此，开发一种尽量减少键合界面，同时对键合环境要求较低的键合体系，对于适用于散热系统的半导体材料集成工艺来说，具有重要的意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题是提供一种低界面热阻金刚石基晶圆及其低温键合方法，其能具有较低的界面热阻，同时键合强度高，对键合环境要求较低。本专利技术方法特别适用于半导体材料集成领域对于一些温度敏感器件的应用需求。由于该方法键合温度较低，键合界面热导率高，适用于集成热膨胀系数差异较大的半导体材料。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]第一方面，提供一种低界面热阻金刚石基晶圆低温键合方法，包括以下步骤：
[0008]S1、在金刚石和半导体晶圆上分别通过等离子体刻蚀处理进行表面活化；
[0009]S2、在步骤S1表面活化的金刚石和半导体晶圆表面分别沉积纳米尺寸的梯度层；
[0010]S3、之后将步骤S2得到的其中一片晶圆倒置，使得两片晶圆上的梯度层相互接触；
[0011]S4、然后在键合条件下进行键合。
[0012]金刚石是一种热导率超高的材料，使用金刚石作为GaN等功率器件的散热衬底能有效提高器件近结区散热能力，从而降低峰值温度，大大提高器件的最大输出功率和可靠性。
[0013]其中，优选地，所述金刚石的厚度为400
‑
600μm，所述半导体晶圆的厚度为1
‑
3μm。该优选方案，更利于与特定的梯度层相适配。
[0014]所述半导体晶圆可以包括或不包括衬底，例如可以为半导体晶圆，也可以为硅基半导体晶圆。
[0015]其中，梯度层依次具有初始层、过渡层、结束层，初始层选自Ti、Ta、Cr、Ni、W、Mo中的至少一种，结束层为Ag。可以理解的是，所述过渡层为初始层元素和结束层Ag的成分渐变的层。
[0016]本专利技术所述梯度层的厚度在30nm以下。
[0017]优选地，初始层的厚度不超过5nm，过渡层的厚度不超过10nm，结束层的厚度不超过15nm。该优选方案下，能够最大化地减少中间层对键合后半导体材料性能的影响。
[0018]其中，优选地，步骤S1中所述金刚石和半导体晶圆均满足：表面平整度＜3μm，粗糙度Rq≤2nm。该优选方案下，半导体衬底材料与下述特定梯度层的沉积更适配，从而更利于提高界面键合强度。
[0019]优选地，所述半导体晶圆选自GaN、Si、Ge、GaAs、InP、GaO、SiC、AlN中的一种或多种半导体材料。
[0020]其中，步骤S1中所述等离子体刻蚀处理，可以是ICP，RIE和其它低温等离子体处理方法。优选地，步骤S1中所述等离子体刻蚀处理具体为采用ICP Ar等离子体轰击键合晶圆的表面。
[0021]其中，优选地，步骤S1中所述表面活化的条件包括：在真空度3
×
10
‑3Pa以下，RF功率为40
‑
60W，处理气氛为不含氧的保护气氛，处理时间40
‑
80s。该优选方案，更利于去除吸附的气体和天然氧化物层，去除键合面氧原子吸附，同时不显著改变键合面的表面粗糙度，增加键合强度及键合成功率，清洁晶圆表面并增加活化能，同时使得晶圆的表面具有适宜的平整度和粗糙度，进而利于特定梯度层的键合。而等离子体处理时间不应过长，能量不宜过高，否则会增加表面粗糙度。
[0022]所述不含氧的保护气氛例如可以选择Ar，N2，和H2等非O类气氛。
[0023]其中，优选地，所述低温键合方法还包括在进行步骤S1之前的晶圆表面清洗步骤：先用丙酮或异丙醇超声清洗10
‑
30min，再用无水乙醇超声清洗10
‑
20min，最后再用去离子水超声清洗10
‑
20min，清洗完毕后取出用保护气体吹干。
[0024]所述保护气体包括但不限于氮气和惰性气体等。
[0025]在一些具体实施方式中，所述清洗步骤具体包括：先用丙酮或异丙醇超声清洗15分钟，再用无水乙醇超声清洗10分钟，最后再用去离子水超声清洗10分钟，清洗完毕后取出用氮气吹干备用。
[0026]其中，步骤S2中所述沉积可以是溅射也可以是蒸发法。优选地，步骤S2中所述沉积
采用物理气相沉积法。
[0027]所述沉积优选通过多靶反应磁控溅射制备梯度层。
[0028]本专利技术由于设置含过渡层的梯度层，过渡层无明显界面，且应力逐渐释放，能显著提高结合力，减少膜层与衬底之间应力失配。
[0029]沉积时要满足低温、小功率、短时间的条件，以保证沉积的梯度层为适宜纳米尺寸。其中，优选地，步骤S2中所述沉积的过程包括：
[0030]在真空度5
×
10
‑4Pa以下，首先进行预溅射，溅射功率为90
‑
110W，Ar气流量为40
‑
60sccm，预溅射时间为10
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低界面热阻金刚石基晶圆低温键合方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、在金刚石和半导体晶圆上分别通过等离子体刻蚀处理进行表面活化；S2、在步骤S1表面活化的金刚石和半导体晶圆表面分别沉积纳米尺寸的梯度层；S3、之后将步骤S2得到的其中一片晶圆倒置，使得两片晶圆上的梯度层相互接触；S4、然后在键合条件下进行键合；其中，梯度层依次具有初始层、过渡层、结束层，初始层选自Ti、Ta、Cr、Ni、W、Mo中的至少一种，结束层为Ag；初始层的厚度不超过5nm，过渡层的厚度不超过10nm，结束层的厚度不超过15nm。2.根据权利要求1所述的低温键合方法，其特征在于，步骤S1中所述金刚石和半导体晶圆均满足：表面平整度＜3μm，粗糙度Rq≤2nm。3.根据权利要求1所述的低温键合方法，其特征在于，步骤S1中所述等离子体刻蚀处理具体为采用ICPAr等离子体轰击键合晶圆的表面；和/或，步骤S1中所述表面活化的条件包括：在真空度3
×
10
‑3Pa以下，RF功率为40
‑
60W，处理气氛为不含氧的保护气氛，处理时间40
‑
80s。4.根据权利要求1所述的低温键合方法，其特征在于，所述低温键合方法还包括在进行步骤S1之前的晶圆表面清洗步骤：先用丙酮或异丙醇超声清洗10
‑
30min，再用无水乙醇超声清洗10
‑
20min，最后再用去离子水超声清洗10
‑
20min，清洗完毕后取出用保护气体吹干。5.根据权利要求1所述的低温键合方法，其特征在于，所述半导体晶圆选自GaN、Si、Ge、GaAs、InP、GaO、SiC、AlN中的一种或多种半导体材料。6.根据权利要求1所述的低温键合方法，其特征在于，步骤S2中所述沉积的过程包括：在真空度5
×
10
‑4Pa以下，首先进行预溅射，溅射功率为90
‑
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【专利技术属性】
技术研发人员：魏俊俊，乔冠中，王越，尹育航，周浩钧，陶洪亮，郑宇亭，李成明，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：