异质键合结构及制备方法技术

本发明专利技术提供一种异质键合结构及制备方法，通过对异质衬底进行离子注入与退火，在异质衬底中形成结构松散层，以容纳亲水性键合过程中界面处产生的水汽，以及离子束剥离与转移工艺中键合界面处的离子和气体分子，解决了亲水性键合过程中键合界面处水汽聚集引起的起泡问题和利用离子束剥离与转移技术进行半导体材料异质集成时注入离子聚集在键合界面处引起的电场拥簇和起泡的问题，优化了异质键合工艺，提高了异质衬底与键合材料的界面质量，以及利用该异质键合结构制成的器件的可靠性，对由异质键合结构制成的器件的发展意义重大。由异质键合结构制成的器件的发展意义重大。由异质键合结构制成的器件的发展意义重大。

【技术实现步骤摘要】
异质键合结构及制备方法


[0001]本专利技术涉及半导体制造领域，特别是涉及一种异质键合结构及制备方法。

技术介绍

[0002]随着电子信息产业的迅速发展，人类对于半导体的需求不再仅仅局限于传统的半导体材料技术，已经由硅(Si)基半导体材料发展到以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表的第二代半导体材料，并逐渐向碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化镓(Ga2O3)等第三代宽禁带半导体材料发展。虽然硅材料仍是当今电子信息产业中最重要的半导体材料之一，但是间接带隙、禁带宽度窄、击穿电场低等因素限制了硅在高频、高功率器件和光电子领域等的应用。另外，经过半个多世纪的发展，硅已经接近了器件性能和器件尺寸的极限，但同时，在器件层面，实现可靠的基于化合物半导体的晶体管仍然面临着许多困难，如寻找高质量的栅绝缘体、形成低阻接触以及制造有效传导空穴的p型晶体管。因此实现化合物半导体与其他半导体材料的异质集成十分重要。
[0003]目前实现化合物半导体与其他半导体材料的异质集成的主要方式可分为基于外延的方法与基于键合的方法。对于基于外延的方法来说，由于化合物半导体与硅本身具有较大的晶格失配和热失配，因此外延出的化合物半导体材料质量有限。基于晶圆键合与薄层转移工艺可以实现化合物半导体与其他半导体材料异质集成，但在亲水性键合过程中，在键合界面处会聚集水汽，进而发生起泡现象影响键合强度；而在离子束剥离与转移工艺，即智能切割工艺中，是一种可以用于实现化合物半导体与其他半导体材料的异质集成的技术，具有如下优点：
[0004](a)对晶格匹配度几乎没有要求，薄膜材料与衬底材料的选择较为灵活；
[0005](b)离子束剥离与转移的薄膜是被剥离的单晶块材的一部分，具有块材的单晶质量；
[0006](c)被剥离的单晶块材可以循环使用，充分利用材料；
[0007](d)可以在同一基底上同时集成不同种类的高质量单晶薄膜，且各薄膜材料的性能不受制备过程的影响，极大地提高器件的集成度与设计的灵活度。
[0008]但不论是使用亲水性键合、表面活化键合、金属键合或是阳极键合，在键合界面处都会出现注入离子的聚集，聚集的注入离子一方面会在界面处产生电场拥簇现象，使器件整体更容易被击穿；另一方面，聚集的注入离子会在界面处形成H2或He的气体分子，影响键合强度，严重时甚至会发生起泡现象，从而导致键合的薄膜从衬底上脱落。
[0009]基于此，提供一种异质键合结构及制备方法，实属必要。

技术实现思路

[0010]鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种异质键合结构及制备方法，用于解决现有技术中，在进行异质键合工艺中，在键合界面所遇到的上述关于键合质量的问题。
[0011]为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种异质键合结构的制备方法，包括以下步骤：
[0012]提供键合材料晶片，所述键合材料晶片的一表面为抛光面；
[0013]提供异质衬底，所述异质衬底的一表面为抛光面；
[0014]自所述异质衬底的抛光面进行离子注入，于所述异质衬底中形成掺杂层；
[0015]将所述键合材料晶片的抛光面与所述异质衬底的抛光面键合，制备复合结构；
[0016]对所述复合结构进行退火处理，其中，所述掺杂层中的掺杂离子与所述异质衬底反应转化为结构松散层，获得异质键合结构，所述异质键合结构包括依次叠置的所述异质衬底、结构松散层及键合材料晶片。
[0017]可选地，于所述异质衬底中形成掺杂层的所述离子注入包括O离子注入及N离子注入中的一种或组合；所述离子注入的能量为15keV～190keV，剂量为1
×
10
16
ions/cm2～7
×
10
17
ions/cm2，温度为20℃～200℃。
[0018]可选地，形成的所述掺杂层的厚度为2nm～100nm。
[0019]可选地，所述结构松散层包括氧化硅层及氮化硅层中的一种或组合。
[0020]可选地，对所述复合结构进行退火处理的工艺条件包括在真空环境下或在氮气、氧气及惰性气体中至少一种气体形成的保护气氛下进行，退火温度为400℃～1100℃，退火时间为1min～240h。
[0021]可选地，所述键合材料晶片包括氧化镓晶片、氮化镓晶片、碳化硅晶片、磷化铟晶片、砷化镓晶片、锑化镓晶片中的一种；所述异质衬底包括硅衬底及碳化硅衬底中的一种。
[0022]可选地，所述键合的方法包括表面活化键合、金属键合、亲水性键合及阳极键合中的一种。
[0023]可选地，所述键合的真空度为1
×
10
‑7Pa～5
×
10
‑7Pa，压力为10MPa～20MPa，温度为25℃。
[0024]可选地，所述键合材料晶片包括采用离子注入形成的具有缺陷层的缺陷键合材料晶片；在进行所述退火处理时，所述缺陷键合材料晶片自所述缺陷层剥离。
[0025]本专利技术还提供一种异质键合结构，所述异质键合结构采用权利要求1～9中任一所述异质键合结构的制备方法制备。
[0026]如上所述，本专利技术的异质键合结构及制备方法，通过对异质衬底进行离子注入与退火，在异质衬底中形成结构松散层，以容纳亲水性键合过程中界面处产生的水汽，以及离子束剥离与转移工艺中键合界面处的离子和气体分子，解决了亲水性键合过程中键合界面处水汽聚集引起的起泡问题和利用离子束剥离与转移技术进行半导体材料异质集成时注入离子聚集在键合界面处引起的电场拥簇和起泡的问题，优化了异质键合工艺，提高了异质衬底与键合材料的界面质量，以及利用该异质键合结构制成的器件的可靠性，对由异质键合结构制成的器件的发展意义重大。
附图说明
[0027]图1显示为本专利技术实施例一中制备异质键合结构的工艺流程图。
[0028]图2显示为本专利技术实施例一中提供的键合材料晶片的结构示意图。
[0029]图3显示为本专利技术实施例一中提供的异质衬底的结构示意图。
[0030]图4显示为本专利技术实施例一中对异质衬底进行离子注入形成掺杂层的结构示意图。
[0031]图5显示为本专利技术实施例一中制备复合结构后的结构示意图。
[0032]图6显示为本专利技术实施例一中进行退火处理后形成异质键合结构的结构示意图。
[0033]图7显示为本专利技术实施例二中提供的缺陷键合材料晶片的结构示意图。
[0034]图8显示为本专利技术实施例二中对异质衬底进行离子注入形成掺杂层的结构示意图。
[0035]图9显示为本专利技术实施例二中制备复合结构后的结构示意图。
[0036]图10显示为本专利技术实施例二中进行退火处理后形成异质键合结构的结构示意图。
[0037]元件标号说明
[0038]100
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键合材料晶片
[0039]100a
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种异质键合结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：提供键合材料晶片，所述键合材料晶片的一表面为抛光面；提供异质衬底，所述异质衬底的一表面为抛光面；自所述异质衬底的抛光面进行离子注入，于所述异质衬底中形成掺杂层；将所述键合材料晶片的抛光面与所述异质衬底的抛光面键合，制备复合结构；对所述复合结构进行退火处理，其中，所述掺杂层中的掺杂离子与所述异质衬底反应转化为结构松散层，获得异质键合结构，所述异质键合结构包括依次叠置的所述异质衬底、结构松散层及键合材料晶片。2.根据权利要求1所述的异质键合结构的制备方法，其特征在于：于所述异质衬底中形成掺杂层的所述离子注入包括O离子注入及N离子注入中的一种或组合；所述离子注入的能量为15keV～190keV，剂量为1
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ions/cm2～7
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ions/cm2，温度为20℃～200℃。3.根据权利要求1所述的异质键合结构的制备方法，其特征在于：形成的所述掺杂层的厚度为2nm～100nm。4.根据权利要求1所述的异质键合结构的制备方法，其特征在于：所述结构松散层包括氧化硅层及氮化硅层中的一种或组合。5.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：欧欣，瞿振宇，游天桂，徐文慧，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：