CN110600417B - 一种GaAs衬底上的外延转移方法及制得的半导体器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种GaAs衬底上的外延转移方法及制得的半导体器件。方法包括下列步骤：步骤a：在GaAs衬底上生长InGaP牺牲层和GaAs转移层，步骤b：在所述GaAs转移层侧进行离子注入，使所述InGaP牺牲层内形成缺陷层；步骤c：在所述离子注入后，将一硅基半导体晶圆与所述GaAs转移层键合；步骤d：在所述键合后，对所述缺陷层进行退火处理，将所述GaAs衬底剥离。本发明实现了硅器件和GaAs基器件的高效集成，简化了流程，减少了转移中产生的质量缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料领域，特别涉及一种GaAs衬底上的外延转移方法及制得的半导体器件。
背景技术
基于硅基CMOS技术的现代集成电路随着CMOS器件的特征尺寸的不断缩小，在集成度、功耗和器件特性方面不断进步。另一方面，化合物半导体器件与集成电路在超高速电路、微波电路、太赫兹电路、光电集成电路等领域获得长足发展。由于硅基半导体CMOS芯片与化合物半导体半导体芯片很难在同一晶圆厂生产，无法实现工艺兼容，但是如果将两者有机结合进而突破集成电路设计领域存在的器件选型有限，各种不同材料器件不能混合集成的难题，必将实现集成电路设计、性能的大幅度提升。
在硅基半导体上实现GaAs外延材料的硅基转移，是实现硅器件和GaAs 基器件集成的重要途径，必然可以提升异构集成集成电路的制造能力。现有技术通过离子束剥离键合技术实现集成，但通常将待转移的材料同时作为层裂层和牺牲层，用刻蚀的方法去除牺牲层或进行减薄，这导致工序更复杂，并且可能引入杂质粒子。
发明内容
本发明的目的在于提供一种GaAs衬底上的外延转移方法，该方法实现了硅器件和GaAs基器件的高效集成，简化了流程，减少了转移中产生的质量缺陷。
为了实现以上目的，本发明提供了以下技术方案：
一种GaAs衬底上的外延转移方法，包括下列步骤：
步骤a：在GaAs衬底上生长InGaP牺牲层和GaAs转移层，
步骤b：在所述GaAs转移层侧进行离子注入，使所述InGaP牺牲层内形成缺陷层；
步骤c：在所述离子注入后，将一硅基半导体晶圆与所述GaAs转移层键合；
步骤d：在所述键合后，对所述缺陷层进行退火处理，将所述GaAs衬底剥离。
如上述，本发明采用直接键合技术实现两种材料(GaAs外延和硅晶圆)的键合，在传统的智能剥离(SMART-CUT)技术基础上，对外延结构、牺牲层进行了优化，尤其是牺牲层和外延结构采用不同的材料，使外延转移更加简单；其次，利用本发明实现外延转移后，GaAs衬底可以二次利用，大大降低了材料成本，实现了更好的经济效益；第三，在后期除去衬底时避免使用减薄步骤，降低发热，也避免了因此带来的质量缺陷。
本发明生长InGaP牺牲层和GaAs转移层可以采用本领域常规的沉积方法，例如固态源分子束生长等手段。
本发明所述的键合是指直接键合，即利用GaAs转移层和硅之间的分子间作用力键合，通常在低温下进行。
另外，本发明还对每个步骤的工艺条件进行了优化，以进一步降低质量缺陷，或降低工艺成本，具体如下。
优选地，在所述步骤b之前：在所述GaAs转移层上生长SiO2保护层。
在GaAs转移层上生长SiO2保护层，可以降低质量缺陷。
优选地，在所述键合时腐蚀掉所述SiO2保护层。
优选地，所述SiO2保护层的厚度为30～50nm。
优选地，所述InGaP牺牲层的厚度为30～3000nm。
SiO2保护层和InGaP牺牲层作为最终牺牲的层，不宜过厚。
优选地，所述离子注入的类型为Si、Be、P和B离子中的一种。
优选地，所述退火处理的温度为450～750℃，时间为30s～1min。
本发明采用高温退火处理，一方面能提高衬底的剥离速度，另一方面可以显著晶体质量。
优选地，所述剥离GaAs衬底的方法是：加速腐蚀所述InGaP牺牲层使GaAs 衬底脱落。
加速腐蚀的方法可采用湿法腐蚀，例如采用柠檬酸系腐蚀液、盐酸系腐蚀液腐蚀，或者采用不同腐蚀液分步腐蚀。
综上，与现有技术相比，本发明达到了以下技术效果：
(1)采用InGaP作为牺牲层，既可以避免剥离时对外延层——GaAs的不利影响，又可以降低剥离难度，提高剥离效率；
(2)GaAs衬底可以回收二次使用，降低了工艺成本。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例1提供的外延转移方法流程图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
1)在GaAs衬底生长InGaP牺牲层和GaAs转移层，InGaP牺牲层的厚度为30～3000nm左右；
2)在GaAs外延层上生长SiO2保护层，厚度为30nm；
3)离子注入：Si离子，深度直达InGaP牺牲层，使牺牲层形成缺陷层；
4)提供一硅基半导体晶圆，使其与步骤3处理后的GaAs转移层进行直接键合，同时湿法腐蚀掉SiO2保护层；
5)高温退火：温度为450℃，时间为1分钟；
6)加速腐蚀InGaP牺牲层，使GaAs衬底脱落，得到硅上GaAs材料，脱落的GaAs衬底回收待用。
实施例2
1)在GaAs衬底生长InGaP牺牲层和GaAs转移层，InGaP牺牲层的厚度为30～3000nm左右；
2)在GaAs外延层上生长SiO2保护层，厚度为50nm；
3)离子注入：Si离子，深度直达InGaP牺牲层，使牺牲层形成缺陷层；
4)提供一硅基半导体晶圆，使其与步骤3处理后的GaAs转移层进行直接键合，同时湿法腐蚀掉SiO2保护层；
5)高温退火：温度为750℃，时间为30秒；
6)加速腐蚀InGaP牺牲层，使GaAs衬底脱落，得到硅上GaAs材料，脱落的GaAs衬底回收待用。
实施例3
1)在GaAs衬底生长InGaP牺牲层和GaAs转移层，InGaP牺牲层的厚度为30～3000nm左右；
2)在GaAs外延层上生长SiO2保护层，厚度为40nm；
3)离子注入：B离子，深度直达InGaP牺牲层，使牺牲层形成缺陷层；
4)提供一硅基半导体晶圆，使其与步骤3处理后的GaAs转移层进行直接键合，同时湿法腐蚀掉SiO2保护层；
5)高温退火：温度为600℃，时间为30s～1mi；
6)加速腐蚀InGaP牺牲层，使GaAs衬底脱落，得到硅上GaAs材料，脱落的GaAs衬底回收待用。
实施例4
1)在GaAs衬底生长InGaP牺牲层和GaAs转移层，InGaP牺牲层的厚度为30～3000nm左右；
2)在GaAs外延层上生长SiO2保护层，厚度为40nm；
3)离子注入：P离子，深度直达InGaP牺牲层，使牺牲层形成缺陷层；
4)提供一硅基半导体晶圆，使其与步骤3处理后的GaAs转移层进行直接键合，同时湿法腐蚀掉SiO2保护层；
5)高温退火：温度为600℃，时间为30s～1mi；
6)加速腐蚀InGaP牺牲层，使GaAs衬底脱落，得到硅上GaAs材料，脱落的GaAs衬底回收待用。
实施例5
1)在GaAs衬底生长InGaP牺牲层和GaAs转移层，InGaP牺牲层的厚度为30～3000nm左右；
2)在GaAs外延层上生长SiO2保护层，厚度为40nm；
3)离子注入：Be离子，深度直达InGaP牺牲层，使牺牲层形成缺陷层；
4)提供一硅基半导体晶圆，使其与步骤3处理后的GaAs转移层进行直接键合，同时湿法腐蚀掉SiO2保护层；
5)高温退火：温度为600℃，时间为30s～1mi；
6)加速腐蚀InGaP牺牲层，使GaAs衬底脱落，得到硅上GaAs材料，脱落的GaAs衬底回收待用。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种GaAs衬底上的外延转移方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤a：在GaAs衬底上生长InGaP牺牲层和GaAs转移层，
步骤b：在所述GaAs转移层侧进行离子注入，深度直达InGaP牺牲层，使所述InGaP牺牲层内形成缺陷层；所述离子注入的类型为Si、Be、P和B离子中的一种；
步骤c：在所述离子注入后，将一硅基半导体晶圆与所述GaAs转移层键合；
步骤d：在所述键合后，对所述缺陷层进行退火处理，湿法腐蚀所述InGaP牺牲层使GaAs衬底脱落；所述退火处理的温度为450～750℃，时间为30s～1min。
2.根据权利要求1所述的外延转移方法，其特征在于，在所述步骤b之前：在所述GaAs转移层上生长SiO2保护层。
3.根据权利要求2所述的外延转移方法，其特征在于，在所述键合时腐蚀掉所述SiO2保护层。
4.根据权利要求2所述的外延转移方法，其特征在于，所述SiO2保护层的厚度为30～50nm。
5.根据权利要求1所述的外延转移方法，其特征在于，所述InGaP牺牲层的厚度为30～3000nm。
6.采用权利要求1-5任一项所述的方法制得的半导体器件。
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