[发明专利]一种金刚石与GaN晶圆片直接键合的方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体集成电路制造技术领域，具体涉及一种金刚石与氮化镓进行直接键合的方法，应用于高功率、高击穿电压的第三代半导体器件的性能提升技术。

背景技术

氮化镓半导体材料相对硅、砷化镓和磷化铟半导体材料而言，被称为第三代半导体材料，它固有的高击穿场强和高场强下具有的高饱和漂移速度等优良特性决定了它将在未来的高频、高温、特大功率器件中居领先地位。GaN材料是一种宽禁带(3.49eV)半导体，它具有电子饱和漂移速度快(2.7×10⁷cm/s)、临界击穿场强高(3.3MV/cm)、二维电子气密度高(15×10¹²cm^‐2)、热导率高(>1.7W/cm.k)的特点。最新研究报道表明：通过将GaN器件键合到高导热的金刚石材料上，可以大幅提高器件的散热性能。然而，将GaN材料与金刚石材料进行有效的键合仍是一项具有挑战性的技术，通过技术研发，提高GaN材料与金刚石材料之间的键合率成为必需，以满足异构集成的高性能GaN器件的技术要求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的主要目的是提供一种金刚石与氮化镓直接键合的方法，以实现以氮化镓为沟道的HEMT器件和MOSHEMT器件的射频和功率性能的进一步提升，满足大功率氮化镓基射频和功率器件技术的要求。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种金刚石与GaN晶圆片进行直接键合的方法，该方法包括如下步骤：(1)对金刚石和GaN表面进行有机清洗、RCA清洗；(2)对GaN表面进行O₂气等离子体处理；(3)对金刚石表面进行H₂气等离子处理；(4)将两者在无水乙醇中进行贴合；(5)将贴合好的样品放置在键合机中进行高温真空环境下的键合。

在上述方案中，步骤(2)中对GaN表面进行氧气等离子体处理的工艺条件为：O₂＝30sccm，RF功率为50W,压力为2Par。

在上述方案中，步骤(3)中对金刚石表面进行氢气等离子体处理的工艺条件为：H₂＝20sccm，RF功率为60W,压力为1Par。

在上述方案中，步骤(4)中涉及的无水乙醇溶液的温度为25度，两个外延片在溶液中完全贴合，缝隙中无气泡残留。

在上述方案中，步骤(5)中键合的条件是压力为1MPar，环境条为真空环境，温度为400度，持续加压的时间为1小时。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的一种金刚石与氮化镓直接键合的方法，采用等离子处理的方法使得金刚石和氮化镓晶圆表面处于不同的具有相吸特性的悬挂键，再通过在有机溶液中进行无气泡的贴合，最后通过真空热键合的方法将金刚石和氮化镓晶圆片键合在一起，从而实现氮化镓外延和金刚石材料的键合，这种以金刚石外基底的氮化镓器件，在散热性能上比传统器件优越3倍，可以实现器件的更致密分布，并减低器件尺寸。所以可以实现GaN‐HEMT器件和GaN‐MOSHEMT器件的射频和功率性能的进一步提升，满足大功率氮化镓基射频和功率器件技术的要求。

附图说明

图1是本发明提供的金刚石与氮化镓直接键合的流程图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图1，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，本实施例提供了一种金刚石与GaN晶圆片进行直接键合的方法，该方法包括如下步骤：(1)对金刚石和GaN表面进行有机清洗、RCA清洗；(2)对GaN表面进行O₂气等离子体处理；(3)对金刚石表面进行H2气等离子处理；(4)将两者在无水乙醇中进行贴合；

(5)将贴合好的样品放置在键合机中进行高温真空环境下的键合。

在本实施例中，步骤(2)中对GaN表面进行氧气等离子体处理的工艺条件为：O₂＝30sccm，RF功率为50W,压力为2Par。完成该步工艺的设备为反应离子刻蚀机。

在本实施例中，步骤(3)中对金刚石表面进行氢气等离子体处理的工艺条件为：H₂＝20sccm，RF功率为60W,压力为1Par。完成该步工艺的设备为反应离子刻蚀机。

在本实施例中，步骤(4)中涉及的无水乙醇溶液的温度为25度，两个外延片在溶液中完全贴合，缝隙中无气泡残留。

在本实施例中，步骤(5)中键合的条件是压力为1MPar，环境条为真空环境，温度为400度，持续加压的时间为1小时，具体的实施方法为，将贴合好的晶圆片放置在键合机中，缓慢加压10牛，关闭腔体，抽真空，抽至真空度为1mTorr；加压1MPar，并开始加热，从室温加热到400度，升温速率为10度/分钟；加热到400度后，持续该温度和压力1小时；最后降温至室温，撤销压力，取出晶圆片。