基於圖形識別在襯底上集成多種材料的方法
2023-05-02 20:12:41 3
專利名稱：基於圖形識別在襯底上集成多種材料的方法
技術領域：
本發明屬於半導體技術領域，具體涉及基於圖形識別在襯底上集成多種材料的方法。
背景技術：
摩爾定律自1965年被戈登 摩爾提出以來，一直指導著世界半導體行業向更低成本、更高集成度以及更大經濟效益的發展。隨著半導體器件的尺寸不斷減小，傳統的體矽材料正接近其物理極限，摩爾定律將不再適用。在這個背景下，國際半導體技術藍圖(ITRS)在2005年中的技術線路圖中指出，集成電路發展的主要有兩個趨勢和特徵第一，繼續專注於CMOS技術，沿著摩爾定律前進，即延續摩爾定律(more Moore);另一方面，產品多功能化趨勢日益明顯，即超越摩爾定律(more than Moore)。然而,無論是more Moore還是more than Moore,都將面臨將不同的材料集成在同一襯底上的問題。例如,more Moore中將以具有更高空穴遷移率的Ge材料作為溝道P-MOS與以具有更高電子遷移率的II1- V半導體材料為溝道的N-MOS集成在同一襯底上；在more than Moore中,將不同材料所製得的不同器件集成到同一襯底上。此外，在光電集成領域中，也需要將不同材料的光子單元與電子單元集成到同一襯底上。由此可見，如果能夠解決異質半導體材料的材料兼容問題，實現II1- V族化合物半導體之間、化合物半導體與元素半導體(如S1、Ge)之間以及其它半導體材料之間的異質兼容，將具有廣闊的應用前景。目前的異質結合主要通過異質外延生長、選擇性外延以及直接鍵合等技術實現。然而，此類方法不僅工藝上較為複雜造成生產成本過高而且還存在較大的異質失配的問題，導致所生長的半導體材料質量不好，具有較大的缺陷從而影響器件的性能。
發明內容
鑑於以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種基於圖形識別在襯底上集成多種材料的方法，用於解決現有技術中II1- V族化合物半導體之間、化合物半導體與元素半導體(如S1、Ge)之間以及其它半導體材料之間的異質兼容成本過高而且還存在較大的異質失配的問題。為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種基於圖形識別在襯底上集成多種材料的方法，該方法包括通過光刻以及RIE刻蝕過程製備具有微型井圖形的襯底以及製備與所述微型井圖形互補的、不同材料的微單元的步驟；然後將具有微型井圖形的襯底以及與所述微型井圖形互補的、不同材料的微單元放入盛有酸性組裝液的容器中，利用脈衝湍流系統在容器中產生湍流，從而對微單元產生擾動使得形狀互補的微單元與具有微型井圖形的襯底通過圖形辨認自組裝集成一體。優選地，所述利用脈衝湍流系統在容器中產生湍流是指由工作頻率為3 10赫茲、抽出或注入的組裝液的體積為f 1.5ml的機械活塞泵作用於裝設有組裝液中的玻璃管管口產生的。
優選地，所述的微單元的材料包括矽、鍺以及三五族化合物半導體材料中的任意一種。優選地，所述微型井圖形以及微單元的橫截面形狀為三角形、圓形、長方形、正方形、多邊形或無規則圖形。優選地，所述具有微型井圖形的襯底材料包括剛性襯底或者柔性聚合物襯底。優選地，所述剛性襯底包括體矽或SOI等襯底。優選地，所述柔性聚合物襯底包括PET或PI襯底等柔性或塑性襯底。優選地，所述乙二醇的溫度為120-180攝氏度，優選為150攝氏度。優選地，所述刻蝕的微型井井深小於襯底厚度，所述微單元的橫截面圖形小於微型井圖形。本發明提供了一種簡易且生產成本較低的方法，直接利用自組裝通過圖形辨認實現將不同材料組成的微單元集成到同一襯底上，避免了異質集成時所面對的晶格失配以及熱失配等問題，同時大大的降低了異質材料的生長成本，滿足了半導體行業「後摩爾時代」以及光電集成領域對於材料的需求。所製得的材料相較於傳統的異質結合質量更佳、成本
更低、方法更簡單，具有重要的意義。因此，該方法具有廣闊的應用前景以及深遠的經濟效
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圖1a-圖1d為本發明製備圖形化襯底的流程圖。其中，圖1a顯不為一體娃，厚度約為300 μ m ;圖1b顯示為在體矽樣品頂部塗一層均勻的光刻膠；圖1c顯示為利用光刻技術曝光並顯影，如圖顯示幾種特定的圖案；圖1d顯示為表示利用RIE刻蝕技術將顯影后的所暴露出矽的部分進行刻蝕，刻蝕深度約為50微米，形成微型井，最終形成具有特殊圖形微型井的圖形化體矽襯底。圖2a_2f為本發明製備微單元的流程圖。其中，圖2a顯示為一 XOI襯底，，其中X包括矽、鍺以及三五族化合物半導體等材料，頂層X薄膜厚度不大於50微米；圖2b顯示為在XOI材料上旋塗一層厚度均勻的光刻膠；圖2c和圖2d顯示為分別光刻技術中的曝光與顯影，以及利用RIE刻蝕技術將暴露出來的頂層矽刻蝕，一直到中間埋氧層；圖2e顯示為將樣品浸在49%的HF中，直至埋氧層被完全腐蝕掉；圖2f顯示為最終得到的與微型井形狀互補的微 單元。圖3a和圖3b顯示為本發明中自組裝製備MSMOS材料過程的具體示意圖。其中圖3a顯示為盛有乙二醇溶液的容器在酸性環境中加熱至150°C ;圖3b顯示為將圖1d和圖2f中所得到的具有微型井圖形的襯底以及微單元放入該容器中。圖4a和圖4b顯示為最終得到的MSMOS材料的平面圖以及截面圖。其中，圖4a為MSMOS材料的平面圖，圖4b為MSMOS材料的截面圖。
具體實施方式
以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實施方式
加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基於不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。請參閱圖1a至圖4b所示。需要說明的是,本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪製，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為複雜。本發明涉及一種基於圖形識別在襯底上集成多種材料的方法，該方法包括通過光刻以及RIE刻蝕技術製備具有微型井圖形的襯底以及製備與所述微型井圖形互補的、不同材料的微單元的步驟；然後將具有微型井圖形的襯底以及與所述微型井圖形互補的、不同材料的微單元放入盛有酸性組裝液的容器中，利用脈衝湍流系統在容器中產生湍流，從而對微單元產生擾動使得形狀互補的微單元與具有微型井圖形的襯底通過圖形辨認自組裝集成一體。其中，製備具有微型井圖形的襯底採用光刻技術以及RIE刻蝕技術。所述利用脈衝湍流系統在容器中產生湍流是指由工作頻率為3 10赫茲、抽出或注入的組裝液的體積為f 1.5ml的機械活塞泵作用於裝設有組裝液中的玻璃管管口產生的。在毛細力的作用下，形狀互補的微單元將與對應的微型井相連接。機械泵所產生的流體力以及自身重力下，一方面可以使未進入或者未完全進入微型井的微單元隨流體流動而不會停留在圖形化襯底，另一方面可以使系統處於能量最低狀態。所述的微單元的材料包括矽、鍺以及三五族化合物半導體材料中的任意一種。所述微型井圖形以及微單元的橫截面形狀為三角形、圓形、長方形、正方形、多邊形或無規則圖形。所述具有微型井圖形的襯底材料包括剛性襯底或者柔性聚合物襯底。所述剛性襯底包括體矽或SOI襯底。所述柔性聚合物襯底包括PET或PI襯底。所述乙二醇的溫度為120-180氏度,優選為150攝氏度。所述刻蝕的微型井井深小於襯底厚度,所述微單兀的橫截面圖形小於微型井圖形。
本發明通過自組裝方法將不同材料集成到體矽襯底上，一方面降低了異質結構的生長成本，另一方面解決了異質結構中所面臨的失配問題。下面結合附圖對基於圖形識別在襯底上集成多種材料的方法，即MSMOS材料作進
一步說明。圖1a-圖1d顯示為利用本發明中的方法製備載有所需圖形微型井的圖形化體矽襯底的不意圖。首先，如圖1a所示，提供一(100)矽襯底，厚度約為300微米；該襯底材料可以為剛性襯底或者柔性聚合物襯底。所述剛性襯底包括體矽或SOI襯底等。所述柔性聚合物襯底包括PET或PI襯底等。接著，請參閱圖1b所示，在該矽襯底上旋塗厚度均勻的光刻膠備用；然後，參閱圖1c所示，利用光刻技術根據需要經過曝光、顯影過程初步得到各種微型井的圖形；所述微型井圖形橫截面形狀可以是正三角形、圓形、長方形、正方形等對稱圖形，也可以是普通三角形、多邊形等無規則圖形或者非對稱圖形。接著，請參閱圖1d所示，在光刻膠為掩膜的作用下，利用RIE刻蝕技術對體矽進行刻蝕，刻蝕深度約為50μπι-250μπι，最終得到具有所需形狀的微型井圖形的體矽襯底。圖2a_2f顯示為本發明中製備微單元的具體示意圖。步驟一，請參閱圖2a所示，提供一 XOI材料，該XOI的頂層矽厚度不大於50 μ m,晶向任意；其中，X為是矽、鍺以及三五族化合物半導體等材料。步驟二，請參閱圖2b所示，在XOI材料的頂層矽上旋塗一層厚度均勻的光刻膠；步驟三，請參閱圖2c所示，採用光刻技術中的掩膜板的作用對光刻膠進行曝光與顯影，暴露出頂層X薄膜的形狀與圖1d中所需的微型井形狀互補(對應)；步驟四，請參閱圖2d所示，在光刻膠為掩膜的作用下，利用RIE刻蝕技術將暴露出來的頂層X薄膜刻蝕，一直到XOI材料中間的埋氧層；步驟五，請參閱圖2e所示，在光刻膠為掩膜的作用下，利用RIE刻蝕技術將暴露出來的頂層X薄膜刻蝕，一直到XOI材料中間的埋氧層之後，將該樣品浸在49%的HF中，直至埋氧層被完全腐蝕掉； 步驟六，請參閱圖2f所示，最終得到的與圖形化矽襯底上的微型井形狀互補(對應)的微單元。該微單元厚度小於等於微型井的深度，本實施例中，如果微型井的深度約為250 μ m,則微單元的厚度大致為200 μ m。接著將製備的刻蝕有微型井圖形的襯底以及與所述微型井圖形互補的、不同材料的微單元在酸性環境中進行自組裝過程。具體的，需在組裝液乙二醇中滴入適量的硫酸使液態環境的PH值約為2.5。圖3a_3b顯示為本發明中自組裝製備MSMOS材料過程的具體示意圖(I)如圖3a所示，將組裝液(主要為乙二醇溶液)放入固定容器中，為去除材料表面的氧化層，通過滴加硫酸使溶液的PH值約為2. 5 ；(2)將容器在油域環境中加熱至150°C，使高溫下的乙二醇粘度降低，從而使微單元在流體的作用下更好的移動；(3)將所得到的具有微型井的圖形化襯底放入該容器中，並使其與容器底面的夾角成20° 60° ；(4)通過機械泵的作用在乙二醇中產生湍流，其中機械泵每次抽出注入的液體體積約為1 1. 5ml，機械泵的頻率為3 IOHz不等；(5)將所得到的微單元人工放入盛有150°C乙二醇的容器中。然後利用脈衝湍流系統在容器中產生湍流，從而對微單元產生足夠強的、可再生的擾動。最終，形狀互補的微單元與圖形化襯底通過圖形辨認自組裝集成在一起。本實施例中，在毛細力的作用下，形狀互補的微單元將與對應的微型井相連接。機械泵所產生的流體力以及自身重力的作用下，一方面可以使未進入或者未完全進入微型井的微單元隨流體流動而不會停留在圖形化襯底，另一方面可以使系統處於能量最低狀態。本實施例中，所述脈衝湍流系統是由機械活塞泵作用於插入組裝液乙二醇中的管口直徑約為2_的玻璃管產生的。由湍流系統產生的對微單元的擾動，通過圖形辨認自組裝到圖形化襯底上。自組裝過程是通過微單元與圖形化襯底之間的幾何圖形匹配來辨認不同的單元組成。微型井與微單元之間的毛細力能夠將微單元綁定到固定目標位置。湍流系統所產的流體力以及微單元自身重力能夠輸運微單元並使整個系統處於最低的能量狀態。
圖4a_圖4b分別為最終所得到的MSMOS材料的平面圖以及截面圖。其中，圖4a為MSMOS材料的平面圖，由圖中所示，本發明通過自組裝方法將不同材料集成到體矽襯底上，一方面降低了異質結構的生長成本，另一方面解決了異質結構中所面臨的失配問題。圖4b為MSMOS材料的截面圖。本發明提供了一種簡易且生產成本較低的方法，直接利用自組裝通過圖形辨認實現將不同材料組成的微單元集成到同一襯底上，避免了異質集成時所面對的晶格失配以及熱失配等問題，同時大大的降低了異質材料的生長成本，滿足了半導體行業「後摩爾時代」以及光電集成領域對於材料的需求。所製得的材料相較於傳統的異質結合質量更佳、成本
更低、方法更簡單，具有重要的意義。因此，該方法具有廣闊的應用前景以及深遠的經濟效
益綜上所述，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及範疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應·由本發明的權利要求所涵蓋。
權利要求
1.基於圖形識別在襯底上集成多種材料的方法，其特徵在於，該方法包括通過光刻以及RIE刻蝕過程製備有微型井圖形的襯底以及與所述微型井圖形互補的、不同材料的微單元的步驟；然後將具有微型井圖形的襯底以及與所述微型井圖形互補的、不同材料的微單元放入盛有組裝液的容器中，利用脈衝湍流系統在容器中產生湍流，從而對微單元產生擾動使得形狀互補的微單元與具有微型井圖形的襯底通過圖形辨認自組裝集成一體。
2.根據權利要求1所述的基於圖形識別在襯底上集成多種材料的方法，其特徵在於，所述利用脈衝湍流系統在容器中產生湍流是指由工作頻率為3 10赫茲、抽出或注入的組裝液的體積為f 1.5ml的機械活塞泵作用於裝設有組裝液中的玻璃管管口產生的。
3.根據權利要求1至2任意一項所述的基於圖形識別在襯底上集成多種材料的方法，其特徵在於所述的微單元的材料包括矽、鍺以及三五族化合物半導體材料中的任意一種。
4.根據權利要求3所述的基於圖形識別在襯底上集成多種材料的方法，其特徵在於所述微型井圖形以及微單元的橫截面形狀為三角形、圓形、長方形、正方形、多邊形或無規則圖形。
5.根據權利要求1所述的基於圖形識別在襯底上集成多種材料的方法，其特徵在於所述具有微型井圖形的襯底材料包括剛性襯底或者柔性聚合物襯底。
6.根據權利要求1所述的基於圖形識別在襯底上集成多種材料的方法，其特徵在於所述剛性襯底包括體矽或SOI襯底。
7.根據權利要求1所述的基於圖形識別在襯底上集成多種材料的方法，其特徵在於所述柔性聚合物襯底包括PET或PI襯底。
8.根據權利要求1所述的基於圖形識別在襯底上集成多種材料的方法，其特徵在於所述乙二醇的溫度為120-180攝氏度，優選為150攝氏度。
9.根據權利要求1所述的基於圖形識別在襯底上集成多種材料的方法，其特徵在於所述刻蝕的微型井井深小於襯底厚度，所述微單元的橫截面圖形小於微型井圖形。
全文摘要
本發明涉及基於圖形識別在襯底上集成多種材料的方法，包括通過光刻以及RIE刻蝕過程製備具有微型井圖形的襯底以及製備與所述微型井圖形互補的、不同材料的微單元的步驟；然後將具有微型井圖形的襯底以及與所述微型井圖形互補的、不同材料的微單元放入盛有酸性組裝液的容器中，利用脈衝湍流系統在容器中產生湍流，從而對微單元產生擾動使得形狀互補的微單元與具有微型井圖形的襯底通過圖形辨認自組裝集成一體。本發明最終形成矽基襯底上不同半導體材料集成的結構，即MSMOS(Multi-Semiconductor Materials on Silicon)。這種自組裝形成的材料滿足國際半導體技術發展路線圖(ITRS)所提出的延續摩爾定律以及超越摩爾定律的材料需求；解決了異質生長的失配問題；同時，自組裝形成異質材料集成的方法更加簡易，成本更低。
文檔編號H01L21/02GK103065937SQ201210593800
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月31日 優先權日2012年12月31日
發明者狄增峰, 郭慶磊, 梅永豐, 張苗, 黃高山 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所, 復旦大學