一種金剛石與GaN晶圓片直接鍵合的方法與流程

2024-03-28 00:02:05

本發明涉及半導體集成電路製造技術領域，具體涉及一種金剛石與氮化鎵進行直接鍵合的方法，應用於高功率、高擊穿電壓的第三代半導體器件的性能提升技術。

背景技術：

氮化鎵半導體材料相對矽、砷化鎵和磷化銦半導體材料而言，被稱為第三代半導體材料，它固有的高擊穿場強和高場強下具有的高飽和漂移速度等優良特性決定了它將在未來的高頻、高溫、特大功率器件中居領先地位。GaN材料是一種寬禁帶(3.49eV)半導體，它具有電子飽和漂移速度快(2.7×107cm/s)、臨界擊穿場強高(3.3MV/cm)、二維電子氣密度高(15×1012cm‐2)、熱導率高(>1.7W/cm.k)的特點。最新研究報導表明：通過將GaN器件鍵合到高導熱的金剛石材料上，可以大幅提高器件的散熱性能。然而，將GaN材料與金剛石材料進行有效的鍵合仍是一項具有挑戰性的技術，通過技術研發，提高GaN材料與金剛石材料之間的鍵合率成為必需，以滿足異構集成的高性能GaN器件的技術要求。

技術實現要素：

(一)要解決的技術問題

本發明的主要目的是提供一種金剛石與氮化鎵直接鍵合的方法，以實現以氮化鎵為溝道的HEMT器件和MOSHEMT器件的射頻和功率性能的進一步提升，滿足大功率氮化鎵基射頻和功率器件技術的要求。

(二)技術方案

為達到上述目的，本發明提供了一種金剛石與GaN晶圓片進行直接鍵合的方法，該方法包括如下步驟：(1)對金剛石和GaN表面進行有機清洗、RCA清洗；(2)對GaN表面進行O2氣等離子體處理；(3)對金剛石表面進行H2氣等離子處理；(4)將兩者在無水乙醇中進行貼合；(5)將貼合好的樣品放置在鍵合機中進行高溫真空環境下的鍵合。

在上述方案中，步驟(2)中對GaN表面進行氧氣等離子體處理的工藝條件為：O2＝30sccm，RF功率為50W,壓力為2Par。

在上述方案中，步驟(3)中對金剛石表面進行氫氣等離子體處理的工藝條件為：H2＝20sccm，RF功率為60W,壓力為1Par。

在上述方案中，步驟(4)中涉及的無水乙醇溶液的溫度為25度，兩個外延片在溶液中完全貼合，縫隙中無氣泡殘留。

在上述方案中，步驟(5)中鍵合的條件是壓力為1MPar，環境條為真空環境，溫度為400度，持續加壓的時間為1小時。

(三)有益效果

從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果：

本發明提供的一種金剛石與氮化鎵直接鍵合的方法，採用等離子處理的方法使得金剛石和氮化鎵晶圓表面處於不同的具有相吸特性的懸掛鍵，再通過在有機溶液中進行無氣泡的貼合，最後通過真空熱鍵合的方法將金剛石和氮化鎵晶圓片鍵合在一起，從而實現氮化鎵外延和金剛石材料的鍵合，這種以金剛石外基底的氮化鎵器件，在散熱性能上比傳統器件優越3倍，可以實現器件的更緻密分布，並減低器件尺寸。所以可以實現GaN‐HEMT器件和GaN‐MOSHEMT器件的射頻和功率性能的進一步提升，滿足大功率氮化鎵基射頻和功率器件技術的要求。

附圖說明

圖1是本發明提供的金剛石與氮化鎵直接鍵合的流程圖；

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖1，對本發明進一步詳細說明。

如圖1所示，本實施例提供了一種金剛石與GaN晶圓片進行直接鍵合的方法，該方法包括如下步驟：(1)對金剛石和GaN表面進行有機清洗、RCA清洗；(2)對GaN表面進行O2氣等離子體處理；(3)對金剛石表面進行H2氣等離子處理；(4)將兩者在無水乙醇中進行貼合；

(5)將貼合好的樣品放置在鍵合機中進行高溫真空環境下的鍵合。

在本實施例中，步驟(2)中對GaN表面進行氧氣等離子體處理的工藝條件為：O2＝30sccm，RF功率為50W,壓力為2Par。完成該步工藝的設備為反應離子刻蝕機。

在本實施例中，步驟(3)中對金剛石表面進行氫氣等離子體處理的工藝條件為：H2＝20sccm，RF功率為60W,壓力為1Par。完成該步工藝的設備為反應離子刻蝕機。

在本實施例中，步驟(4)中涉及的無水乙醇溶液的溫度為25度，兩個外延片在溶液中完全貼合，縫隙中無氣泡殘留。

在本實施例中，步驟(5)中鍵合的條件是壓力為1MPar，環境條為真空環境，溫度為400度，持續加壓的時間為1小時，具體的實施方法為，將貼合好的晶圓片放置在鍵合機中，緩慢加壓10牛，關閉腔體，抽真空，抽至真空度為1mTorr；加壓1MPar，並開始加熱，從室溫加熱到400度，升溫速率為10度/分鐘；加熱到400度後，持續該溫度和壓力1小時；最後降溫至室溫，撤銷壓力，取出晶圓片。