CN116084024A - 基于金属粘接层的氧化镓与金刚石的晶片及其键合方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于半导体工艺技术领域，具体涉及一种基于金属粘接层的氧化镓与金刚石的晶片及其键合方法，其键合方法包括以下步骤：对氧化镓和金刚石表面进行抛光；对抛光后的氧化镓键合面和金刚石键合面进行氩等离子体处理；在经氩等离子体处理后的氧化镓和金刚石表面分别溅射底层金属薄膜，之后再溅射键合层金属薄膜，底层和键合层金属薄膜为键合粘接层；对于沉积的金属纳米粘接层，先进行氧化镓和金刚石的第一次键合，之后再进行第二次键合，得到金刚石基氧化镓晶片。本发明的键合方法工艺流程简单，对晶片表面粗糙度和键合环境要求也较低，即便是在室温大气环境下，仍可以获得非常高的键合强度，且对实验室要求较低。

Description

基于金属粘接层的氧化镓与金刚石的晶片及其键合方法
技术领域
本发明属于半导体工艺技术领域，具体涉及一种基于金属粘接层的氧化镓与金刚石的晶片及其键合方法。
背景技术
氧化镓(GaO)材料具有大的禁带宽度(4.9eV)、高的击穿场强(8MV/cm)和高的电子饱和速度(2.4×107cm/s)等特点，得益于这些优异的优点，以GaO为基础材料的功率器件具有更高的击穿电压与更低的导通电阻，从而拥有更低的导通损耗和更高的功率转换效率，在功率电子器件方面具有极大的应用潜力，研究表明，相较于碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)所制成的产品，以GaO材料制作的功率器件，更加耐热且高效、成本更低、应用范围更广，因此，GaO有望替代SiC和GaN成为新一代半导体材料的代表。
然而，GaO的迁移率(300cm2/V·s)和热导率(27W/m·K)低，不及SiC和GaN，受到自热效应影响，导致器件性能下降，散热能力不足是GaO器件的一大弊端，通过将GaO材料制备在高热导率的金刚石衬底上，可改善器件的散热性能，从而充分发挥其性能优势。
现有技术中是在金刚石衬底上异质外延GaO薄膜，由于GaO和金刚石衬底之间存在大的热失配和晶格失配，导致外延生长的GaO材料晶体质量较差，无法满足制备高性能器件的要求。
发明内容
针对现有技术中GaO晶片与金刚石衬底结合受限的问题，本发明提供一种基于金属粘接层的氧化镓与金刚石的晶片及其键合方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于金属粘接层的氧化镓与金刚石的晶片键合方法，包含如下步骤：
1)对GaO晶片的键合面和金刚石衬底的键合面进行抛光；
2)清洗GaO晶片和金刚石衬底；
3)对GaO晶片的键合面和金刚石衬底的键合面进行氩等离子体处理，在GaO晶片的键合面上形成非晶GaO层，在金刚石衬底的键合面上形成非晶C层；
4)在非晶GaO层和非晶C层上分别溅射纳米粘接层；
5)将非晶GaO层和非晶C层以溅射纳米粘结层互相对中，进行GaO晶片与金刚石衬底的第一次键合，获得半成品晶片；
6)对半成品晶片进行第二次键合，获得金刚石基GaO晶片。
优选的，步骤1)中，抛光后的GaO晶片键合面和金刚石衬底键合面的均方根粗糙度均小于10nm。
优选的，步骤2)中，清洗时的步骤为：先用王水浸泡金刚石衬底，之后对GaO晶片和金刚石衬底进行超声波清洗并用氮气吹干。
优选的，步骤3)中，在10-2～10-3Pa的真空条件下，利用气体放电产生的氩等离子体轰击GaO晶片键合面和金刚石衬底键合面60～600s，其中，放电功率为30～150W。
优选的，步骤4)中，纳米粘接层为双层金属薄膜结构。
优选的，纳米粘接层包括底层金属薄膜和键合层金属薄膜，其中，底层金属薄膜为Mo薄膜、W薄膜和Cr薄膜中的任意一种，厚度为5～100nm；键合层金属薄膜为Au薄膜和Cu薄膜中的任意一种，厚度为5～100nm。
优选的，步骤5)中，在大气环境和室温条件下，通过机械加压方式，将GaO晶片与金刚石衬底互相对中并施加1～5MPa的键合压力，进行第一次键合，键合时间为1～3min。
优选的，步骤6)中，第二次键合条件为：真空度范围为10-2～105Pa，键合压力范围为10～60MPa，键合时间范围为5～10min，键合温度范围为25～200℃，保温时间为5～10min。
一种由基于金属粘接层的氧化镓与金刚石的半导体晶片键合方法制备的金刚石基GaO晶片，具有GaO层/非晶GaO层/金属纳米粘接层/非晶C层/金刚石衬底结构。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明提供一种基于金属粘接层的氧化镓与金刚石的半导体晶片键合方法，该方法基于金属纳米粘接层，在大气压环境和室温条件下，实现了GaO晶片与金刚石衬底的高质量键合，能够制备具有GaO层/非晶GaO层/金属纳米粘接层/非晶C层/金刚石衬底结构的金刚石基GaO晶片，可应用于半导体功率器件制备领域。
本发明一种基于金属粘接层的氧化镓与金刚石的半导体晶片键合方法，首先将GaO晶片和金刚石衬底分别制备，然后利用键合技术将GaO和金刚石衬底键合到一起，从而实现半导体材料的异质集成。相比于湿法键合、阳极键合和表面活化键合，基于金属粘接层键合技术得益于纳米金属薄膜，工艺流程简单，对晶片表面粗糙度和键合环境要求也较低，即便是在室温大气环境下，仍可以获得非常高的键合强度，且对实验室要求较低。
进一步的，金刚石材质坚硬，将其表面抛光至1nm以下成本较大，且很难通过加压的方式来改善键合质量，而基于金属纳米粘接层键合，可以通过增加金属纳米粘接层厚度来降低表面粗糙度造成的影响，降低了研磨成本，并利用金属纳米薄膜的延展性实现GaO与金刚石衬底的高质量键合。
进一步的，沉积的底层金属材料Mo(138W/m·K)、W(174W/m·K)、Cr(93.7W/m·K)和键合层金属材料Au(317W/m·K)、Cu(401W/m·K)的热导率较高，且厚度较薄，不会在键合界面产生高的界面热阻，因此，不会对GaO的器件热阻产生明显影响。同时，Mo、W和Cr底层金属材料不仅可以与活化的GaO、金刚石形成强的化学键，而且还与Au、Cu键合层金属材料具有强的结合力，保证了GaO与金刚石的键合可行性。
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/Mo-Au金属纳米粘接层/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/W-Cu金属纳米粘接层/非晶C层/金刚石衬底结构的金刚石基GaO晶片示意图；
图3为采用本发明键合方法制备出的具有GaO层/非晶GaO层/Cr-Au金属纳米粘接层/非晶C层/金刚石衬底结构的金刚石基GaO晶片示意图。
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。
本发明公开了一种基于金属粘接层的氧化镓与金刚石的晶片键合方法，包含如下步骤：
1)对GaO晶片的键合面和金刚石衬底的键合面进行抛光，抛光后的GaO晶片键合面和金刚石衬底键合面的均方根粗糙度均小于10nm。
2)清洗GaO晶片和金刚石衬底，具体步骤为：先用王水浸泡金刚石衬底，之后对GaO晶片和金刚石衬底进行超声波清洗并用N2吹干。
3)对GaO晶片的键合面和金刚石衬底的键合面进行氩等离子体处理，在GaO晶片的键合面上形成非晶GaO层，在金刚石衬底的键合面上形成非晶C层；具体步骤为：在10-2～10-3Pa的真空条件下，利用气体放电产生的氩等离子体轰击GaO晶片键合面和金刚石衬底键合面60～600s，其中，放电功率为30～150W。
4)在非晶GaO层和非晶C层上分别溅射纳米粘接层，纳米粘接层为双层金属薄膜结构，包括底层金属薄膜和键合层金属薄膜，其中，底层金属薄膜为Mo薄膜、W薄膜和Cr薄膜中的任意一种，厚度为5～100nm；键合层金属薄膜为Au薄膜和Cu薄膜中的任意一种，厚度为5～100nm。底层金属薄膜和键合层金属薄膜的厚度可以相同，也可以不同，制备底层薄膜是为了增强衬底与键合层薄膜之间的结合力，底层一般比键合层薄。
5)将非晶GaO层和非晶C层以溅射纳米粘结层互相对中，进行GaO晶片与金刚石衬底的第一次键合，获得半成品晶片；相关参数设置为：在大气环境和室温条件下，通过机械加压方式，将GaO晶片与金刚石衬底互相对中并施加1～5MPa的键合压力，进行第一次键合，键合时间为1～3min。
6)对半成品晶片进行第二次键合，获得金刚石基GaO晶片。第二次键合时的相关参数设置为：真空度范围为10-2～105Pa，键合压力范围为10～60MPa，键合时间范围为5～10min，键合温度范围为25～200℃，保温时间为5～10min。
本发明公开了一种基于金属粘接层的氧化镓与金刚石的晶片键合方法，能够制备具有GaO层/非晶GaO层/金属纳米粘接层/非晶C层/金刚石衬底结构的金刚石基GaO晶片，可应用于半导体功率器件制备领域。
实施例1
参见图1，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单面抛光，使GaO和金刚石的表面粗糙度分别达到1nm和1.5nm左右，并将其抛光面作为键合面，其中，GaO尺寸为10mm×10mm×0.5mm，金刚石尺寸为10mm×10mm×0.5mm；
2)先用王水浸泡金刚石衬底4小时，然后依次用丙酮、乙醇对GaO晶片和金刚石衬底进行超声波清洗，时间为10min，之后用去离子水清洗其键合面并用N2气吹干；
3)将清洗过的GaO晶片和金刚石衬底放入磁控溅射机中，在10-2Pa的真空环境下，利用气体放电产生的氩等离子体轰击GaO晶片键合面和金刚石衬底键合面240s，其中，放电功率为50W；
4)利用磁控溅射机，在经过氩等离子体处理的GaO晶片键合面和金刚石衬底键合面分别依次沉积15nm的Mo薄膜和30nm的Au薄膜；
5)从磁控溅射机中取出GaO晶片和金刚石衬底，在大气压环境和室温条件下，立即将沉积了Mo/Au粘接层的GaO晶片和金刚石衬底互相接触，通过机械加压方式施加2MPa的压力，时间为1min，进行第一次键合；
6)利用晶圆键合机，在大气环境和室温条件下，对经过第一次键合的GaO晶片和金刚石衬底施加40MPa的压力，键合时间为10min，之后撤销键合压力，得到金刚石基GaO晶片。
实施例2
参见图2，实施例2与实施例1中的制备步骤1)至步骤3)类似，具体制备方法包括以下步骤：
4)利用磁控溅射机，在经过氩等离子体处理的GaO晶片键合面和金刚石衬底键合面分别依次沉积10nm的Mo薄膜和20nm的Au薄膜；
5)从磁控溅射机中取出GaO晶片和金刚石衬底，在大气压环境和室温条件下，立即将沉积了Mo/Au粘接层的GaO晶片和金刚石衬底互相接触，通过机械加压方式施加2.5MPa的压力，时间为2min，进行第一次键合；
6)利用晶圆键合机，在大气环境条件下，对经过第一次键合的GaO晶片和金刚石衬底施加50MPa的压力，键合温度为200℃，键合时间和保温时间均为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2，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)将清洗过的GaO晶片和金刚石衬底放入磁控溅射机中，在10-3Pa的真空环境下，利用气体放电产生的氩等离子体轰击GaO晶片键合面和金刚石衬底键合面300s，其中，放电功率为60W；
4)利用磁控溅射机，在经过氩等离子体处理的GaO晶片键合面和金刚石衬底键合面分别依次沉积30nm的W薄膜和50nm的Cu薄膜；
5)从磁控溅射机中取出GaO晶片和金刚石衬底，在大气压环境和室温条件下，立即将沉积了W/Cu粘接层的GaO晶片和金刚石衬底互相接触，通过机械加压方式施加1MPa的压力，时间为1min，进行第一次键合；
6)利用晶圆键合机，在大气环境和室温条件下，对经过第一次键合的GaO晶片和金刚石衬底施加30MPa的压力，键合时间为5min，之后撤销键合压力，得到金刚石基GaO晶片。
实施例4
参见图3，实施例4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)将清洗过的GaO晶片和金刚石衬底放入磁控溅射机中，在10-3Pa的真空环境下，利用气体放电产生的氩等离子体轰击GaO晶片键合面和金刚石衬底键合面360s，其中，放电功率为60W；
4)利用磁控溅射机，在经过氩等离子体处理的GaO晶片键合面和金刚石衬底键合面分别依次沉积50nm的Cr薄膜和50nm的Au薄膜；
5)从磁控溅射机中取出GaO晶片和金刚石衬底，在大气压环境和室温条件下，立即将沉积了Cr/Au粘接层的GaO晶片和金刚石衬底互相接触，通过机械加压方式施加1MPa的压力，时间为1min，进行第一次键合；
6)利用晶圆键合机，在大气环境和室温条件下，对经过第一次键合的GaO晶片和金刚石衬底施加20MPa的压力，键合时间为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由基于金属粘接层的氧化镓与金刚石的半导体晶片键合方法制备的金刚石基GaO晶片，具有GaO层/非晶GaO层/金属纳米粘接层/非晶C层/金刚石衬底结构，可应用于半导体功率器件制备领域。
以上所述的仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均属于权利要求书所涵盖的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于金属粘接层的氧化镓与金刚石的晶片键合方法，其特征在于，
包含如下步骤：
1)对GaO晶片的键合面和金刚石衬底的键合面进行抛光；
2)清洗GaO晶片和金刚石衬底；
3)对GaO晶片的键合面和金刚石衬底的键合面进行氩等离子体处理，在GaO晶片的键合面上形成非晶GaO层，在金刚石衬底的键合面上形成非晶C层；
4)在非晶GaO层和非晶C层上分别溅射纳米粘接层；
5)将非晶GaO层和非晶C层以溅射纳米粘结层互相对中，进行GaO晶片与金刚石衬底的第一次键合，获得半成品晶片；
6)对半成品晶片进行第二次键合，获得金刚石基GaO晶片。
2.根据权利要求1所述的一种基于金属粘接层的氧化镓与金刚石的晶片键合方法，其特征在于，步骤1)中，抛光后的GaO晶片键合面和金刚石衬底键合面的均方根粗糙度均小于10nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于金属粘接层的氧化镓与金刚石的晶片键合方法，其特征在于，步骤2)中，清洗时的步骤为：先用王水浸泡金刚石衬底，之后对GaO晶片和金刚石衬底进行超声波清洗并用氮气吹干。
4.根据权利要求1所述的一种基于金属粘接层的氧化镓与金刚石的晶片键合方法，其特征在于，步骤3)中，在10-2～10-3Pa的真空条件下，利用气体放电产生的氩等离子体轰击GaO晶片键合面和金刚石衬底键合面60～600s，其中，放电功率为30～150W。
5.根据权利要求1所述的一种基于金属粘接层的氧化镓与金刚石的晶片键合方法，其特征在于，步骤4)中，纳米粘接层为双层金属薄膜结构。
6.根据权利要求5所述的一种基于金属粘接层的氧化镓与金刚石的晶片键合方法，其特征在于，步骤4)中，纳米粘接层包括底层金属薄膜和键合层金属薄膜，其中，底层金属薄膜为Mo薄膜、W薄膜和Cr薄膜中的任意一种，厚度为5～100nm；键合层金属薄膜为Au薄膜和Cu薄膜中的任意一种，厚度为5～100nm。
7.根据权利要求1所述的一种基于金属粘接层的氧化镓与金刚石的晶片键合方法，其特征在于，步骤5)中，在大气环境和室温条件下，通过机械加压方式，将GaO晶片与金刚石衬底互相对中并施加1～5MPa的键合压力，进行第一次键合，键合时间为1～3min。
8.根据权利要求1所述的一种基于金属粘接层的氧化镓与金刚石的晶片键合方法，其特征在于，步骤6)中，第二次键合条件为：真空度范围为10-2～105Pa，键合压力范围为10～60MPa，键合时间范围为5～10min，键合温度范围为25～200℃，保温时间为5～10min。
9.一种由权利要求1～8任一项所述的基于金属粘接层的氧化镓与金刚石的晶片键合方法制备的金刚石基GaO晶片，其特征在于，具有GaO层/非晶GaO层/金属纳米粘接层/非晶C层/金刚石衬底结构。
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