CN116005269A - 基于超高真空表面活化的氧化镓与金刚石键合方法及晶片 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体材料制备工艺领域，具体涉及一种基于超高真空表面活化的氧化镓与金刚石键合方法及晶片，该方法制备的金刚石基氧化镓晶片具有氧化镓层/非晶氧化镓层/纳米粘接层/非晶碳层/金刚石衬底和氧化镓层/非晶氧化镓层/非晶碳层/金刚石衬底两种结构，主要制备步骤为：对氧化镓和金刚石表面进行精细抛光；利用快速氩原子束对抛光后的氧化镓和金刚石表面进行活化处理；在经表面活化处理后的氧化镓和金刚石表面分别沉积纳米粘接层，将沉积了纳米粘接层的氧化镓和金刚石互相接触进行间接键合，或不需要沉积纳米粘接层，将经过表面活化处理的氧化镓和金刚石进行直接键合。本发明制备的金刚石基氧化镓晶片，可提高氧化镓器件的散热性能。
Description
技术领域
本发明属于半导体材料制备工艺领域，具体涉及一种基于超高真空表面活化的氧化镓与金刚石键合方法及晶片。
背景技术
氧化镓(GaO)是一种新型超宽禁带半导体材料，与碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)相比，GaO的禁带宽度达到了4.9eV，高于SiC的3.25eV和SiC的3.4eV，大的禁带宽度使得GaO材料拥有更高的功率特性以及深紫外光电特性，同时具有良好的抗辐照和抗高温能力，可以在超低温、强辐射等极端环境下保持稳定的性质；GaO的击穿场强理论上可以达到8MV/cm，是GaN的2.5倍，是SiC的3倍多，高的击穿场强特性则确保了制备的GaO器件可以在超高电压下使用；此外，GaO能以比SiC和GaN更低的成本获得大尺寸、高质量、可掺杂的块状单晶。因此，有望基于GaO材料开发出小型化、高效、耐热性优良的超大功率晶体管。然而，GaO的热导率非常低，仅为27W/m·K，散热能力不足是限制GaO发展的一大瓶颈。
发明内容
针对现有技术中GaO器件散热能力不足的问题，本发明提供一种基于超高真空表面活化的氧化镓与金刚石键合方法及晶片。
一种基于超高真空表面活化的氧化镓与金刚石键合方法，包含如下步骤：
11)对GaO晶片和金刚石衬底进行抛光处理；
12)对GaO晶片和金刚石衬底进行清洗；
13)在真空度为10-5～10-7Pa的条件下对GaO晶片的抛光面和金刚石衬底的抛光面进行表面活化处理，在GaO晶片上形成非晶GaO层，在金刚石衬底上形成非晶C层；
14)在非晶GaO层和非晶C层上分别沉积纳米粘接层，并在真空度为10-5～10-7Pa的条件下以沉积纳米粘结层对中接触进行间接键合，获得金刚石基GaO晶片；其中，纳米粘接层为Si薄膜，厚度为5～50nm。
优选的，步骤11)中，GaO晶片抛光面和金刚石衬底抛光面的均方根粗糙度均小于1nm。
优选的，步骤13)中，利用快速氩原子束上下分别轰击GaO晶片抛光面和金刚石衬底抛光面60～600s，其中，电流范围为10～80mA，离子加速电压范围为150～360V。
优选的，步骤14)中，键合时的参数设置为：键合压力为10～100MPa，时间为1～5min，键合温度为25～200℃，保温时间为1～5min。
一种由所述的基于超高真空表面活化的氧化镓与金刚石键合方法所制备的金刚石基GaO晶片，其特征在于，具体结构由上到下依次为氧化镓层/非晶氧化镓层/纳米粘接层/非晶碳层/金刚石衬底。
一种基于超高真空表面活化的氧化镓与金刚石键合方法，包含如下步骤：
21)对GaO晶片和金刚石衬底进行抛光处理；
22)对GaO晶片和金刚石衬底进行清洗；
23)在真空度为10-5～10-7Pa的条件下对GaO晶片的抛光面和金刚石衬底的抛光面进行表面活化处理，在GaO晶片上形成非晶GaO层，在金刚石衬底上形成非晶C层；
24)在真空度为10-5～10-7Pa的条件下将非晶GaO层与非晶C层直接接触进行键合，获得金刚石基GaO晶片。
优选的，步骤21)中，GaO晶片抛光面和金刚石衬底抛光面的均方根粗糙度均小于0.5nm。
优选的，步骤23)中，利用快速氩原子束上下分别轰击GaO晶片抛光面和金刚石衬底抛光面60～600s，其中，电流范围为10～80mA，离子加速电压范围为150～360V。
优选的，步骤24)中，键合时的参数设置为：键合压力为100～500MPa，时间为1～5min，键合温度为25～200℃，保温时间为1～5min。
一种由所述的基于超高真空表面活化的氧化镓与金刚石键合方法所制备的金刚石基GaO晶片，具体结构为氧化镓层/非晶氧化镓层/非晶碳层/金刚石衬底。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明基于超高真空表面活化键合，实现了GaO晶片与金刚石衬底的高质量键合，得到了金刚石基GaO晶片。利用高热导率的金刚石作为GaO功率器件的衬底，可以迅速将器件运行时产生的热量传递出去，有望解决GaO器件随功率增加、频率提高出现的功率密度下降和效率降低等问题。目前制备GaO外延薄膜主要基于异质外延生长法，相比于该方法，基于超高真空表面活化键合的金刚石基GaO晶片，避免了传统生长法因高温生长带来的热应力和高密度位错，并且工艺简单，成本低廉，适宜工业化生产。
进一步的，对于沉积的纳米Si粘接层，整个制备工艺全部在超高真空环境下进行，避免了在大气环境下晶片可能造成的污染，因此获得的金刚石基GaO晶片具有极低的空洞率和高的键合强度，可应用于晶圆级半导体材料的异质集成，并且沉积的纳米Si薄膜热导率较高，不会在键合界面产生高的界面热阻。
进一步的，通过表面活化处理，Si原子可与活化的GaO、金刚石形成强的化学键，而键合界面处的Si原子通过原子重新排列可形成新的化学键，保证了金刚石衬底与GaO晶片的整体性。
进一步的，表面处理使得活化的GaO与C原子形成新的化学键，实现GaO与金刚石的直接键合，可应用于晶圆级半导体材料的键合。
进一步的，表面粗糙度在超高真空表面活化键合技术中起着重要作用，特别是对金刚石材料的键合，使其表面粗糙度减小至1nm以下，才能将其与其他半导体材料直接键合到一起，否则需增加键合中间层材料厚度。
进一步的，表面活化处理会在GaO和金刚石表面各形成一层非晶GaO和非晶C纳米层，其厚度为1～5nm。
附图说明
图1为采用本发明键合方法制备出的具有GaO层/非晶GaO层/Si纳米粘接层/非晶C层/金刚石衬底结构的金刚石基GaO晶片示意图；
图2为采用本发明键合方法制备出的具有GaO层/非晶GaO层/非晶C层/金刚石衬底结构的金刚石基GaO晶片示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及实施例进一步阐述本发明。
金刚石具有已知自然界材料中最高的热导率(2000W/m·K)，通过超高真空表面活化键合，可将GaO材料键合在高热导率的金刚石衬底上进行后端的器件加工，从而降低GaO器件的自热效应，并有望解决随功率增加、频率提高出现的功率密度下降和效率降低等问题。
一种基于超高真空表面活化的氧化镓与金刚石键合方法，包含如下步骤：
11)对GaO晶片和金刚石衬底进行抛光处理，具体步骤为：利用化学机械研磨抛光法，对GaO晶片和金刚石衬底进行抛光，使GaO晶片抛光面和金刚石衬底抛光面的均方根粗糙度均小于1nm。
12)对GaO晶片和金刚石衬底进行清洗，具体步骤为：将GaO晶片和金刚石衬底浸泡在乙醇溶液中2～3小时，然后再将其浸泡在丙酮溶液中1～2小时，之后，依次用丙酮、乙醇对GaO晶片和金刚石衬底进行超声波清洗，并用去离子水清洗其抛光面，最后放入100～130℃的烘箱中烘干3～6min。
13)在真空度为10-5～10-7Pa的条件下对GaO晶片的抛光面和金刚石衬底的抛光面进行表面活化处理，在GaO晶片上形成非晶GaO层，在金刚石衬底上形成非晶C层；相关参数设置为：利用快速氩原子束上下分别轰击GaO晶片抛光面和金刚石衬底抛光面60～600s，其中，电流范围为10～80mA，离子加速电压范围为150～360V。
14)在非晶GaO层和非晶C层上分别沉积纳米粘接层，其中，纳米粘接层为Si薄膜，厚度为5～50nm，并以沉积纳米粘结层对中接触进行间接键合；具体结构由上到下依次为氧化镓层/非晶氧化镓层/纳米粘接层/非晶碳层/金刚石衬底。其中，键合时的参数设置为：真空度为10-5～10-7Pa，键合压力为10～100MPa，时间为1～5min，键合温度为25～200℃，保温时间为1～5min。
实施例1
参见图1，实施例1制备的金刚石基GaO复合晶片具有GaO层/非晶GaO层/Si纳米粘接层/非晶C层/金刚石衬底结构，具体制备方法包括以下步骤：
1)对GaO晶片(GaO尺寸：10mm×10mm×0.5mm)表面和金刚石衬底(金刚石尺寸：10mm×10mm×0.5mm)表面进行抛光处理，使其抛光面的均方根粗糙度均小于1nm，并将其抛光面作为键合面；
2)将抛光过的GaO晶片和金刚石衬底侵泡在乙醇溶液中3小时，然后再将其浸泡在丙酮溶液中2小时，之后，依次用丙酮、乙醇分别对GaO晶片和金刚石衬底进行20min超声波清洗，并用去离子水清洗其键合面，最后放入温度为110℃的烘箱中烘干5min。
3)将抛光后的GaO晶片和金刚石衬底放入超高真空表面活化设备中，使GaO晶片键合面与金刚石衬底键合面上下对中，在10-7Pa的超高真空环境下，利用快速氩原子束对GaO晶片键合面和金刚石衬底键合面轰击120s，进行表面活化处理，其中，氩气流量为5sccm，电流为50mA，离子加速电压280V。
4)利用超高真空表面活化设备，在10-7Pa的超高真空环境下，在经过快速氩原子束轰击的GaO晶片键合面和金刚石衬底键合面分别沉积20nm厚的Si薄膜，作为键合粘接层材料；
5)利用超高真空表面活化设备，在10-7Pa的超高真空环境下，将沉积Si纳米粘接层的GaO晶片和金刚石衬底互相接触，并在200℃下施加60MPa的压力，加压和保温时间均为5min，之后撤销键合压力，得到金刚石基GaO晶片。
实施例2
参见图1，实施例2制备的金刚石基GaO复合晶片具有GaO层/非晶GaO层/Si纳米粘接层/非晶C层/金刚石衬底结构，实施例2与实施例1中的制备步骤1)和2)类似，具体制备方法包括以下步骤：
3)将抛光后的GaO晶片和金刚石衬底放入超高真空表面活化设备中，使GaO晶片键合面与金刚石衬底键合面上下对中，在10-6Pa的超高真空环境下，利用快速氩原子束对GaO晶片键合面和金刚石衬底键合面轰击180s，进行表面活化处理，其中，氩气流量为5sccm，电流为50mA，离子加速电压280V。
4)利用超高真空表面活化设备，在10-6Pa的超高真空环境下，在经过快速氩原子束轰击的GaO晶片键合面和金刚石衬底键合面分别沉积30nm厚的Si薄膜；
5)利用超高真空表面活化设备，在10-6Pa的超高真空环境下，将沉积Si纳米粘接层的GaO晶片和金刚石衬底互相接触，并在100℃下施加50MPa的压力，加压和保温时间均为5min，之后撤销键合压力，得到金刚石基GaO晶片。
实施例3
参见图1，实施例3制备的金刚石基GaO复合晶片具有GaO层/非晶GaO层/Si纳米粘接层/非晶C层/金刚石衬底结构，实施例3与实施例1中的制备步骤1)和2)类似，具体制备方法包括以下步骤：
3)将抛光后的GaO晶片和金刚石衬底放入超高真空表面活化设备中，使GaO晶片键合面与金刚石衬底键合面上下对中，在10-7Pa的超高真空环境下，利用快速氩原子束对GaO晶片键合面和金刚石衬底键合面轰击240s，进行表面活化处理，其中，氩气流量为5sccm，电流为50mA，离子加速电压280V。
4)利用超高真空表面活化设备，在10-7Pa的超高真空环境下，在经过快速氩原子束轰击的GaO晶片键合面和金刚石衬底键合面分别沉积40nm厚的Si薄膜；
5)利用超高真空表面活化设备，在10-7Pa的超高真空环境下，将沉积Si纳米粘接层的GaO晶片和金刚石衬底互相接触，并在室温下施加40MPa的压力，加压时间为5min，之后撤销键合压力，得到金刚石基GaO晶片。
本发明还公开了一种基于超高真空表面活化的氧化镓与金刚石键合方法，包含如下步骤：
21)对GaO晶片和金刚石衬底进行抛光处理，使GaO晶片抛光面和金刚石衬底抛光面的均方根粗糙度均小于0.5nm。
22)对GaO晶片和金刚石衬底进行清洗；具体步骤为：将GaO晶片和金刚石衬底浸泡在乙醇溶液中2～3小时，然后再将其浸泡在丙酮溶液中1～2小时，之后，依次用丙酮、乙醇对GaO晶片和金刚石衬底进行超声波清洗，并用去离子水清洗其抛光面，最后放入100～130℃的烘箱中烘干3～6min。
23)在真空度为10-5～10-7Pa的条件下对GaO晶片的抛光面和金刚石衬底的抛光面进行表面活化处理，在GaO晶片上形成非晶GaO层，在金刚石衬底上形成非晶C层；利用快速氩原子束上下分别轰击GaO晶片抛光面和金刚石衬底抛光面60～600s，其中，电流范围为10～80mA，离子加速电压范围为150～360V。
24)在真空度为10-5～10-7Pa的条件下将非晶GaO层与非晶C层直接接触进行键合，获得金刚石基GaO晶片，具体结构由上到下依次为氧化镓层/非晶氧化镓层/非晶碳层/金刚石衬底。键合时的参数设置为：键合压力为100～500MPa，时间为1～5min，键合温度为25～200℃，保温时间为1～5min。
实施例4
参见图2，实施例4制备的金刚石基GaO复合晶片具有GaO层/非晶GaO层/非晶C层/金刚石衬底结构，具体制备方法包括以下步骤：
1)对GaO晶片表面和金刚石衬底表面进行高精度抛光处理，使其抛光面的均方根粗糙度均小于0.5nm，GaO晶片尺寸为5mm×5mm×0.4mm，金刚石尺寸为5mm×5mm×0.4mm；
2)将抛光过的GaO晶片和金刚石衬底侵泡在乙醇溶液中2小时，然后再将其浸泡在丙酮溶液中1小时，之后，依次用丙酮、乙醇分别对GaO晶片和金刚石衬底进行10min超声波清洗，并用去离子水清洗其键合面，最后放入温度为110℃的烘箱中烘干5min。
3)利用超高真空表面活化设备，在10-7Pa的超高真空环境下，对GaO晶片键合面和金刚石衬底键合面进行表面活化处理，其中，活化时间为100s，氩气流量为5sccm，电流为50mA，离子加速电压300V。
4)利用超高真空表面活化设备，在10-7Pa的超高真空环境和室温条件下，进行直接键合，得到金刚石基GaO晶片，其中，键合压力为500MPa，键合时间为2min。
实施例5
参见图2，实施例5所制备的金刚石基GaO复合晶片具有GaO层/非晶GaO层/非晶C层/金刚石衬底结构，实施例5与实施例4中的制备步骤1)和2)类似，具体制备方法包括以下步骤：
3)利用超高真空表面活化设备，在10-6Pa的超高真空环境下，对GaO晶片键合面和金刚石衬底键合面进行表面活化处理，其中，活化时间为130s，氩气流量为5sccm，电流为50mA，离子加速电压300V。
4)利用超高真空表面活化设备，在10-6Pa的超高真空环境下，进行直接键合，得到金刚石基GaO晶片，其中，键合压力为450MPa，键合温度为150℃，键合时间和保温时间均为3min。
实施例6
参见图2，实施例6所制备的金刚石基GaO复合晶片具有GaO层/非晶GaO层/非晶C层/金刚石衬底结构，实施例6与实施例4中的制备步骤1)和2)类似，具体制备方法包括以下步骤：
3)利用超高真空表面活化设备，在10-7Pa的超高真空环境下，对GaO晶片键合面和金刚石衬底键合面进行表面活化处理，其中，活化时间为160s，氩气流量为5sccm，电流为50mA，离子加速电压300V。
4)利用超高真空表面活化设备，在10-7Pa的超高真空环境下，进行直接键合，得到金刚石基GaO晶片，其中，键合压力为400MPa，键合温度为200℃，键合时间和保温时间均为3min。
本发明基于超高真空表面活化键合，实现了GaO与高热导率金刚石的异质集成，得到的金刚石基GaO晶片，不仅发挥了GaO材料优异的电学性能，而且利用高热导率的金刚石衬底，可以迅速将GaO器件产生的焦耳热传递出去，使得器件结温大幅降低，提高了GaO器件的功率输出，该方法为解决GaO器件的“热管理”问题提供了非常有效的可行性方案。
本发明还公开了一种由基于超高真空表面活化的氧化镓与金刚石键合方法所制备的金刚石基GaO晶片，具体结构由上到下依次为氧化镓层/非晶氧化镓层/纳米粘接层/非晶碳层/金刚石衬底，或者氧化镓层/非晶氧化镓层/非晶碳层/金刚石衬底。
Claims (10)
1.一种基于超高真空表面活化的氧化镓与金刚石键合方法，其特征在于，包含如下步骤：
11)对GaO晶片和金刚石衬底进行抛光处理；
12)对GaO晶片和金刚石衬底进行清洗；
13)在真空度为10-5～10-7Pa的条件下对GaO晶片的抛光面和金刚石衬底的抛光面进行表面活化处理，在GaO晶片上形成非晶GaO层，在金刚石衬底上形成非晶C层；
14)在非晶GaO层和非晶C层上分别沉积纳米粘接层，并在真空度为10-5～10-7Pa的条件下以沉积纳米粘结层对中接触进行间接键合，获得金刚石基GaO晶片；其中，纳米粘接层为Si薄膜，厚度为5～50nm。
2.根据权利要求1所述的一种基于超高真空表面活化的氧化镓与金刚石键合方法，其特征在于，步骤11)中，GaO晶片抛光面和金刚石衬底抛光面的均方根粗糙度均小于1nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于超高真空表面活化的氧化镓与金刚石键合方法，其特征在于，步骤13)中，利用快速氩原子束上下分别轰击GaO晶片抛光面和金刚石衬底抛光面60～600s，其中，电流范围为10～80mA，离子加速电压范围为150～360V。
4.根据权利要求1所述的一种基于超高真空表面活化的氧化镓与金刚石键合方法，其特征在于，步骤14)中，键合时的参数设置为：键合压力为10～100MPa，时间为1～5min，键合温度为25～200℃，保温时间为1～5min。
5.一种由权利要求1～4任一项所述的基于超高真空表面活化的氧化镓与金刚石键合方法所制备的金刚石基GaO晶片，其特征在于，具体结构由上到下依次为氧化镓层/非晶氧化镓层/纳米粘接层/非晶碳层/金刚石衬底。
6.一种基于超高真空表面活化的氧化镓与金刚石键合方法，其特征在于，包含如下步骤：
21)对GaO晶片和金刚石衬底进行抛光处理；
22)对GaO晶片和金刚石衬底进行清洗；
23)在真空度为10-5～10-7Pa的条件下对GaO晶片的抛光面和金刚石衬底的抛光面进行表面活化处理，在GaO晶片上形成非晶GaO层，在金刚石衬底上形成非晶C层；
24)在真空度为10-5～10-7Pa的条件下将非晶GaO层与非晶C层直接接触进行键合，获得金刚石基GaO晶片。
7.根据权利要求6所述的一种基于超高真空表面活化的氧化镓与金刚石键合方法，其特征在于，步骤21)中，GaO晶片抛光面和金刚石衬底抛光面的均方根粗糙度均小于0.5nm。
8.根据权利要求6所述的一种基于超高真空表面活化的氧化镓与金刚石键合方法，其特征在于，步骤23)中，利用快速氩原子束上下分别轰击GaO晶片抛光面和金刚石衬底抛光面60～600s，其中，电流范围为10～80mA，离子加速电压范围为150～360V。
9.根据权利要求6所述的一种基于超高真空表面活化的氧化镓与金刚石键合方法，其特征在于，步骤24)中，键合时的参数设置为：键合压力为100～500MPa，时间为1～5min，键合温度为25～200℃，保温时间为1～5min。
10.一种由权利要求6～9任一项所述的基于超高真空表面活化的氧化镓与金刚石键合方法所制备的金刚石基GaO晶片，其特征在于，具体结构为氧化镓层/非晶氧化镓层/非晶碳层/金刚石衬底。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116377582A (zh) * | 2023-05-30 | 2023-07-04 | 北京青禾晶元半导体科技有限责任公司 | 一种氧化镓薄膜及其生长方法和应用 |
| CN117577518A (zh) * | 2023-11-20 | 2024-02-20 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 金刚石基氧化镓半导体结构及其制备方法 |
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2022
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