[发明专利]基于晶圆键合技术的Ⅲ-Ⅴ/Si异质结构及集成方法

说明书

本发明提供一种基于晶圆键合技术的Ⅲ‑Ⅴ/Si异质结构及集成方法，集成方法包括：1)于硅波导层上形成介质层，于介质层中形成Ⅲ‑Ⅴ族材料异质集成窗口；2)于集成窗口内及介质层上形成非晶材料层并抛光，非晶材料层为非晶硅层或者非晶Ⅲ‑Ⅴ族材料层；3)键合Ⅲ‑Ⅴ族材料衬底及非晶材料层，并减薄Ⅲ‑Ⅴ族材料衬底；4)采用退火工艺实现非晶材料层的固相外延，形成单晶材料层，单晶材料层为单晶硅层或单晶Ⅲ‑Ⅴ族材料层。本发明通过将具有单晶结构的Ⅲ‑Ⅴ族材料衬底与硅直接键合方式集成，可获得高质量的Ⅲ‑Ⅴ族材料。本发明可有效发挥硅材料与Ⅲ‑Ⅴ族材料优势，形成Ⅲ‑Ⅴ族材料/硅异质结结构，大大提升光电器件的性能。

技术领域

本发明属于半导体设计及制造领域，特别是涉及一种基于晶圆键合技术的Ⅲ-Ⅴ/Si异质结构及集成方法。

背景技术

硅材料是现代半导体器件、集成电路和微电子工业的基础，硅晶体管微缩引领着摩尔定律不断延伸。然而，随着器件尺寸逐步逼近物理极限，摩尔定律的延伸极具挑战。2015年最后一版的国际半导体技术路线图(ITRS)指出，摩尔定律将于2021年终止。新的国际半导体器件与系统路线图提出基于硅基多材料体系的功能集成将成为未来半导体发展的主要方向。其中，Ⅲ-Ⅴ族材料，因为高的载流子迁移率和好的光学特性，在微波射频和光电子领域有着广泛的应用。

然而，由于Ⅲ-Ⅴ族材料与Si之间存在大的晶格失配，Si上外延生长Ⅲ-Ⅴ族材料极具挑战。以晶圆键合为基础的Ⅲ-Ⅴ混合集成是另一种主流集成方案。在这种方案中，Ⅲ-Ⅴ族材料与Si材料之间需要通过介质层连接。硅波导中的光，需要通过耦合器耦合进入Ⅲ-Ⅴ波导，进而进入Ⅲ-Ⅴ器件。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于晶圆键合技术的Ⅲ-Ⅴ/Si异质结构及集成方法，以实现Ⅲ-Ⅴ族材料与Si材料的直接键合，提高结构质量。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于晶圆键合技术的Ⅲ-Ⅴ/Si异质结构的集成方法，所述集成方法包括步骤：1)提供一硅波导层，于所述硅波导层上形成介质层，并通过光刻刻蚀方法于所述介质层中形成Ⅲ-Ⅴ族材料异质集成窗口，该集成窗口显露所述硅波导层；2)于所述集成窗口内及所述介质层上形成非晶材料层，并采用化学机械抛光工艺形成非晶材料层的平坦表面，所述非晶材料层为非晶硅层或者非晶Ⅲ-Ⅴ族材料层；3)提供一Ⅲ-Ⅴ族材料衬底，采用晶圆键合工艺键合所述Ⅲ-Ⅴ族材料衬底及所述非晶材料层，并减薄所述Ⅲ-Ⅴ族材料衬底；4)采用退火工艺实现所述非晶材料层的固相外延，形成单晶材料层，所述单晶材料层为单晶硅层或单晶Ⅲ-Ⅴ族材料层。

可选地，当所述非晶材料层为非晶硅层时，所述非晶硅层基于与其相接触的所述硅波导层进行再结晶，形成所述单晶硅层；当所述非晶材料层为非晶Ⅲ-Ⅴ族材料层时，所述非晶Ⅲ-Ⅴ族材料层基于与其相接触的所述Ⅲ-Ⅴ族材料衬底进行再结晶，形成所述单晶Ⅲ-Ⅴ族材料层。

可选地，所述非晶Ⅲ-Ⅴ族材料层包括InP、GaAs、GaN及InGaAs/InP中的一种，所述Ⅲ-Ⅴ族材料衬底的材料包括InP、GaAs、GaN及InGaAs/InP中的一种。

可选地，步骤2)化学机械抛光工艺后，位于所述介质层表面上的非晶材料层的厚度介于5纳米～20纳米之间。

可选地，步骤3)采用智能剥离方法或者选择性刻蚀方法减薄所述Ⅲ-Ⅴ族材料衬底。

可选地，所述智能剥离方法包括步骤：a)在步骤3)的键合前，在Ⅲ-Ⅴ族材料衬底中上注入H离子，形成剥离界面；b)在步骤3)的键合后，通过退火工艺使所述Ⅲ-Ⅴ族材料衬底在所述剥离界面处实现剥离。

可选地，步骤4)实现所述非晶材料层的固相外延的退火温度范围介于300℃～1000℃，退火时间介于0.5分钟～60分钟之间。

可选地，还包括步骤：5)通过光刻刻蚀定义Ⅲ-Ⅴ族器件区域，并在所述Ⅲ-Ⅴ族器件区域制备出Ⅲ-Ⅴ族光电器件。