[发明专利]一种低温下化合物半导体与硅基半导体进行键合的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种低温下化合物半导体和硅基半导体进行键合的方法，属于半导体制造的技术领域。

背景技术

硅基半导体是现代微电子产业的基石，但由于硅本身的物理性质，硅基半导体器件都是无源器件，当将硅基半导体应用于光电信息领域时，需要与化合物半导体结合并由化合物半导体提供能量才能组成整套光电信息处理系统。其中，Ⅲ-Ⅴ（如GaAs，InP等）族化合物半导体由于其发射波长对硅材料是透明的，因此Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体和硅基半导体的混合集成被认为是目前最有应用前景适于高密度集成的光子或光电子芯片技术。然而，由于Ⅲ-Ⅴ族化合物和硅基半导体之间的晶格不匹配而无法直接采用外延生长的方式实现结合，于是通常采用键合技术来实现不同材料或器件间的集成。

键合技术分为直接键合法和中间介质键合法。其中，直接键合法存在以下问题：第一，在进行键合前，需要对化合物半导体和硅基半导体的表面在高温下进行专门的表面结合键增强处理，耗用设备多，热处理时间长，键合工艺较为复杂；第二，由于化合物半导体和硅基半导体具有不同的热膨胀系数，在键合过程中两者的晶相难以对准，在键合层容易产生空洞和非键合区，键合率低，存在夹层，键合结果并不理想，从而影响器件的制备性能。因此，中间介质键合法由于其工艺简单、操作方便而成为实现Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体和硅基半导体之间键合的重要方法。

现有技术中，中国专利文献CN102569031A公开了一种用铟进行外延片（相当于本发明中的化合物半导体）/硅片键合的方法，该方法的具体步骤如下：（1）首先，在蒸镀有反射镜层的外延片上蒸发金层，然后将经过镜面抛光的硅片表面在55℃的硫酸、双氧水和水组成的混合液中浸泡30秒，混合液中各组分的摩尔比例为硫酸：双氧水：水=5:1：1；（2）之后将硅片用去离子水冲洗干净，并将其放置于甩干机中甩干，在电子束蒸发台中蒸发上一定厚度的金层和铟层；（3）最后，将上述外延片和硅片相对并保持铟层在中间，放入键合机中通过热压键合方法将外延片和硅片键合在一起，其中，热压键合压力为500Kg，键合温度为阶梯式：140-160℃保持60秒，随后温度升至键合恒温220-240℃，恒温时间为1800秒，恒温时间完成后将温度降至70-90℃，保持60秒。上述键合方法不需要在键合前对外延片和硅片进行专门的表面结合键增强处理，对设备没有额外要求，设备操作简便；此外，该方法还利用外延片和硅片表面的金铟金键合，以形成很好的欧姆接触，使得键合层的电阻率大幅度降低。然而，上述键合方法必须先在蒸镀有反射镜层的外延片表面蒸镀上金层，并在经过镜面抛光的硅片表面依次蒸镀上金层和铟层，之后在进行键合时，将上述外延片和硅片相对并保持铟层在中间，才能形成金-铟-金的中间介质键合层，以实现在较低温度220-240℃下能将外延片和硅片键合在一起，其中将金-铟-金作为中间介质键合层，不仅成本较高，还容易出现中间介质键合层中的铟层溢流、粘片且难以卸片的问题，此外，上述工艺由于需要至少蒸镀三层金属介质层，因此工艺较为繁杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术中采用中间介质键合法对Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体和硅基半导体进行键合时，需要形成金-铟-金的中间介质键合层，才能实现在较低温度220-240℃时将两种半导体键合，不仅成本较高，易出现中间介质键合层中的铟层溢流、粘片且难以卸片的问题，而且工艺较为繁杂，从而提供一种以钯层或钯-钯层为中间介质键合层的低温下化合物半导体与硅基半导体进行键合的方法。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种低温下化合物半导体和硅基半导体进行键合的方法，其包括如下步骤：（1）对硅基半导体进行清洗，之后在其表面镀钯；

（2）对化合物半导体进行清洗，之后与步骤（1）中所述镀钯的硅基半导体相对，保持钯层位于两种半导体之间作为中间介质键合层，之后将两种半导体进行热压键合。

所述化合物半导体为Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体。

所述Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体为砷化镓和/或磷化铟。

所述步骤（1）中，对所述硅基半导体进行RCA清洗。

在所述步骤（2）中，对所述化合物半导体进行如下清洗：将所述化合物半导体浸入质量浓度37%的盐酸和去离子水以体积比1:10组成的混合溶液中，之后再依次在丙酮、异丙醇、甲醇、去离子水中进行各1分钟的超声波清洗。

步骤（2）中，所述热压键合的温度程序设置为：首先以5℃·min^-1的升温速率将温度从50升至200-300℃，恒温60min，之后将温度降至50℃并保持30min。