一种钻石晶体的异质键合方法及异质结构

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种钻石晶体的异质键合方法及异质结构。

背景技术

钻石具有超宽的禁带(Eg≈5.5eV)，在室温下展现出非常高的电子迁移率和空穴迁移率、优于4H-SiC和GaN的击穿场强，因此，钻石作为半导体在电子器件领域是一种潜力巨大的材料，可适用于高频场效应管、高功率器件，具备代替传统高功率真空管的可能性；另外钻石2200Wm-1K-1的热导率几乎比其他材料高出一个数量级，更确立了其在高功率领域的应用，还适合用作高功率器件的衬底来实现高效散热；单晶钻石的化学性质相当稳定并且莫氏硬度为10，基于钻石制备的器件能应对各种极端环境。

除此之外，钻石还是一个优秀的光学平台，在可见光至红外波段的超宽区域具有高透射率，尤其在近红外波段突破了传统硅光子学的瓶颈；相对较高的折射率(2.38)能与传统波导包层形成有效折射率差，实现有效光波传输；不俗的非线性光学效应使其在参数振荡和拉曼激光方向上极具前途；杨氏模量为1220GPa，能提供很高的微谐振器机械共振频率，实现光共振模式与机械共振模式的高效耦合。

然而现有技术中，由于在异质衬底上外延的钻石缺陷多，限制了钻石晶体在电子学和光量子学领域的应用。

发明内容

本发明要解决的是上述现有技术中不能实现在异质衬底上制备出合格的钻石晶体的技术问题。

为解决上述技术问题，本申请在一方面公开了一种钻石晶体的异质键合方法，其特征在于，包括以下步骤：

对钻石晶体进行清洁处理；

在清洁后的该钻石晶体的表面外延生长第一键合介质层，得到待键合钻石晶体结构；

提供一待键合衬底；

将该待键合钻石晶体和该待键合衬底进行键合，得到异质结构；该第一键合介质层与该待键合衬底键合连接。

可选的，该在清洁后的该钻石晶体的表面外延生长第一键合介质层，得到待键合钻石晶体结构之后，还包括：

对该待键合钻石晶体结构进行第一退火处理；

该第一退火处理的温度为300℃－800℃；

该第一退火处理的氛围包括真空、氩气或者氮气。

可选的，该清洁处理的方法为有机溶液清洗、RCA清洗和等离子体处理中的一种或者多种。

可选的，该在清洁后的该钻石晶体的表面外延生长第一键合介质层，得到待键合钻石晶体结构之后，还包括：

对该待键合钻石晶体结构进行表面处理；

该表面处理的方法包括化学机械抛光、低能粒子辐照、离子束掠入射抛光法或者反应离子束刻蚀。

可选的，该外延生长方法包括微波等离子体化学气相沉积法、热辅助化学气相沉积法、等离子增强化学气相沉积法和溅射法；

该第一键合介质层的厚度为1纳米-5微米；

该第一键合介质层的材料包括二氧化硅、氮化硅、氧化铝或者纳米硅。

可选的，该该待键合钻石晶体和该待键合衬底进行键合，得到异质结构之后，还包括：

对该异质结构进行第二退火处理。

可选的，该键合的方法包括表面活化(SAB)键合和亲水性键合；

该键合的温度范围为20℃-800℃；

该键合的氛围包括真空、常温常压或者氮气气氛。

可选的，提供一待键合衬底，包括：

提供一衬底；

在该衬底的表面形成该第二键合介质层；

该第一键合介质层与该第二键合介质层键合连接。

可选的，该衬底的材料包括硅、绝缘体上硅(SOI)、蓝宝石、碳化硅、绝缘体上碳化硅(SiCOI)和氮化铝；

该第二键合介质层的材料包括二氧化硅、氮化硅、氧化铝或者纳米硅。

本申请在另一方面还公开了一种异质结构，其特征在于，包括衬底、键合介质层和钻石晶体；

该衬底的顶部设有该键合介质层；

该键合介质层的顶部设有该钻石晶体；

该键合介质层分别与该衬底、该钻石晶体键合连接。

采用上述技术方案，本申请提供的钻石晶体的异质键合方法具有如下有益效果：

本申请提供的该方法通过在钻石晶体表面引入键合介质层，继而可以采用亲水键合或者SAB键合等键合方法，绕过了钻石晶体不易抛光和键合的缺点，上述键合方法具有键合简单以及键合强度高的优点，最终形成的异质结构也为后续钻石晶体发展集成光子学、量子信息学和高功率器件等应用提供了材料基础。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一种可选的钻石晶体的异质键合方法的流程图；

图2为本申请钻石晶体的异质键合方法的过程示意图；

图3为本申请另一种可选的钻石晶体的异质键合方法的流程图。

以下对附图作补充说明：

1-待键合钻石晶体结构；11-钻石晶体；12-第一键合介质层；2-待键合衬底；21-衬底；22-第二键合介质层；3-异质结构。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。除非另有限定，本文使用的所有技术以及科学术语具有与本发明所属领域普通技术人员通常理解的相同的含义。当存在矛盾时，以本说明书中的定义为准。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本申请至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

当本文中公开一个数值范围时，上述范围视为连续，且包括该范围的最小值及最大值，以及这种最小值与最大值之间的每一个值。进一步地，当范围是指整数时，包括该范围的最小值与最大值之间的每一个整数。此外，当提供多个范围描述特征或特性时，可以合并该范围。换言之，除非另有指明，否则本文中所公开之所有范围应理解为包括其中所归入的任何及所有的子范围。例如，从“1至10”的指定范围应视为包括最小值1与最大值10之间的任何及所有的子范围。范围1至10的示例性子范围包括但不限于1至6.1、3.5至7.8、5.5至10等。

为了更好地说明本申请提供该异质键合方法，以下将先对现有技术中存在的问题进行说明，钻石作为第三代半导体材料，具有许多较为优异的材料性能，例如超宽的禁带、较高的热导率以及对可见光至红外波段的超宽区域具有高透射率，从而使得其可以应用于电子学以及光量子学中；但由于钻石晶体的晶格失配与热失配问题，使得在异质衬底上直接外延的钻石缺陷多，晶体质量不完美，严重限制钻石在电子学和光量子学领域的应用。

想要促进钻石在上述应用中的不断发展，这使得实现钻石的异质集成至关重要。基于此，本申请在一方面公开了一种钻石晶体的异质键合方法，其特征在于，参阅图1-2，图1为本申请一种可选的钻石晶体的异质键合方法的流程图；图2为本申请钻石晶体的异质键合方法的过程示意图。包括以下步骤：

S1O1:对钻石晶体11进行清洁处理；从而能够提高钻石晶体表面的洁净度，从而能够增加钻石晶体11与后续材料的键合强度。

可选的，该钻石晶体11可以单晶体，也可以是多晶体。

于一种可选的实施例中，该清洁处理的方法为有机溶液清洗、RCA清洗和等离子体处理中的一种或者多种；可选的，该有机溶液清洗中采用的有机溶剂包括丙酮、异丙醇、硫酸双氧水混合(SPM)溶液和甲基丙烯酸羟丙酯(Hydroxypropyl methacrylate,HPM)溶液等，从而可以达到清洗钻石晶体表面有机污染物的效果；其中，采用SPM溶液可以清洗有机颗粒和表面有机官能团，采用HPM溶液可以清洗金属污染，采用等离子体处理钻石晶体11，可以改变其表面的悬挂官能团，尤其提高C-OH的比例，从而进一步提高其与后续外延生成的第一键合介质层12的结合强度。

S1O2:在清洁后的该钻石晶体11的表面外延生长第一键合介质层12，得到待键合钻石晶体结构1。

于一种可选的实施例中，该外延生长方法包括但不限于微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD)、热辅助化学气相沉积法(HFCVD)、等离子增强化学气相沉积法(PECVD)、原子层沉积法(ALD)和溅射法；该第一键合介质层12的厚度为1纳米-5微米；该第一键合介质层12的材料包括但不限于二氧化硅、氮化硅、氧化铝或者纳米硅。

S1O3:提供一待键合衬底2。

S1O4:将该待键合钻石晶体11和该待键合衬底2进行键合，得到异质结构3；该第一键合介质层12与该待键合衬底2键合连接。

于一种可选的实施例中，上述待键合钻石晶体结构1与待键合衬底2的键合方法包括表面活化(SAB)键合和亲水性键合；该键合的温度范围为20℃-800℃；该键合的氛围包括真空、常温常压或者氮气气氛。

由上述步骤S101-S104可知，该方法通过在钻石晶体表面引入键合介质层，继而可以采用亲水键合或者SAB键合等键合方法，绕过了钻石晶体不易抛光和键合的缺点，上述键合方法具有键合简单以及键合强度高的优点。

于一种可选的实施例中，为了促进钻石晶体11与第一键合介质层12的键合过程，上述步骤S102之后，还包括：对该待键合钻石晶体结构1进行第一退火处理；该第一退火处理的温度为300℃－800℃；该第一退火处理的氛围包括真空、氩气或者氮气。

于一种可选的实施例中，为了让待键合钻石晶体结构1的表面粗糙度满足键合条件，该条件一般为表面粗糙度Rq<0.5nm，进而提高键合强度，上述步骤S102之后，还包括：对该待键合钻石晶体结构1进行表面处理；该表面处理的方法包括但不限于化学机械抛光(CMP)、低能粒子辐照、离子束掠入射抛光法或者反应离子束刻蚀(RIE)。

于一种可选的实施例中，为了提高该异质结构内的键合强度，该步骤S104之后，该方法还包括：对该异质结构3进行第二退火处理。

于一种可选的实施例中，参阅图3，图3为本申请另一种可选的钻石晶体的异质键合方法的流程图。上述步骤S103可以包括：

S1031：提供一衬底21。

S1032：在该衬底21的表面形成该第二键合介质层22；该第一键合介质层12与该第二键合介质层22键合连接，有利于形成与钻石晶体11较强的键合。

于一种可选的实施例中，该衬底21的材料包括但不限于硅、绝缘体上硅(SOI)、蓝宝石、碳化硅、绝缘体上碳化硅(SiCOI)和氮化铝；该第二键合介质层22的材料包括但不限于二氧化硅、氮化硅、氧化铝或者纳米硅。

本申请在另一方面还公开了一种异质结构3，其特征在于，包括衬底21、键合介质层和钻石晶体11；该衬底21的顶部设有该键合介质层；该键合介质层的顶部设有该钻石晶体11；该键合介质层分别与该衬底21、该钻石晶体11键合连接。

可选的，该键合介质层包括键合连接的第一键合介质层12和第二键合介质层22；该第一键合介质层12与钻石晶体11键合连接，该第二键合介质层22与衬底21键合连接。

需要说明的是，本实施例中的衬底21、第一键合介质层12、第二键合介质层22的材料以及厚度可参考上述的描述，在此不再赘述。

综上所述，本申请提供了一种对钻石晶体11进行异质键合的方法，用于实现钻石晶体11的高强度键合。这种方法通过对钻石晶体11的一系列表面处理方法，加强了钻石晶体11与第一键合介质层12之间的相互作用，既实现了钻石晶体11的异质键合，还保证了键合强度足够高，后续还可以通过对钻石晶体表面等离子激活后在表面外延第一键合介质层12，并进行退火加固，使该第一键合介质层12与钻石晶体表面形成更加牢固的连接；在钻石晶体表面引入第一键合介质层12，采用不同的第一键合介质层12材料可分别实现亲水性键合和SAB键合等键合方法，这种键合方法为钻石晶体11键合提供了一条比较简单高效的方法，绕过了钻石晶体11不易抛光和键合的缺点，基于上述方法得到的异质结构3为后续钻石晶体11发展集成光子学、量子信息学和高功率器件等应用提供了材料基础。

为了更好地体现本申请的方案以及有益效果，以下以具体实施例进行描述：

本申请对钻石晶体11进行异质键合的方法的具体步骤如下：1)提供一钻石晶体11，对钻石表面依次进行丙酮溶液、无水乙醇溶液、SPM溶液和HPM溶液清洗；2)再对上述清洗后的钻石晶体表面进行氧等离子体激活处理；3)对上述氧等离子体激活处理的钻石晶体表面利用PECVD方法外延一层500nm的二氧化硅，得到待键合钻石晶体结构1，该二氧化硅即为第一键合介质层12；4)将待键合钻石晶体结构1放置在退火炉中进行第一退火处理，该第一退火处理为高温退火；5)对所述退火后的钻石晶体表面的第一键合介质层12进行表面处理，使表面粗糙度降至能键的程度；6)提供一表面粗糙度足够低的硅片作为衬底21，并通过热氧化工艺在表面形成一层500nm的二氧化硅，得到待键合衬底2，该二氧化硅即为第二键合介质层22；7)将所述钻石晶体表面的第一键合介质层12与硅片表面的第二键合介质层22进行亲水性键合，得到异质结构3；8)将所述异质结构3放置于退火炉中进行第二退火处理，该第二退火也为高温退火，提高键合强度。

在本实施例中，该第一键合介质层12可以是二氧化硅、氧化铝或者氮化硅。

在本实施例中，上述表面处理方法为化学机械抛光法，可选的，还可以采用反应离子刻蚀法(RIE)或者离子束掠入射抛光法来对第一键合介质层12进行表面处理，以减低表面粗糙度。

在本实施例中，第一退火处理的条件为：采用氮气氛围、500℃条件退火2h。

需要说明的是，在上述方法中，使用丙酮和无水乙醇对钻石晶体表面清洗主要是为了清洗表面的有机物污染，也可以选择异丙醇等具有溶解有机物的溶液；使用SPM溶液可以进一步清洗钻石晶体表面的难溶有机颗粒，清除钻石晶体表面的有机官能团并增加氢氧根(-OH)悬挂键，使用HPM溶液可以清洗剩余的金属颗粒；上述使用氧等离子体对钻石晶体表面进行激活处理，进一步且更有效地去除钻石晶体表面的有机悬挂键并增加氢氧根悬挂键，极大的提高钻石晶体表面的亲水性。

上述第一退火处理可以促进PECVD形成的二氧化硅与钻石晶体11接触界面处的氢氧根的脱水反应，形成Si-O-C键，进而可以增强异质连结强度，提高结构稳定性，利于后续的工艺处理。

上述对待键合晶体结构与待键合衬底2的键合方法，可以根据第一键合介质和第二键合介质的材料选择相应的键合方式，例如亲水性键合和SAB键合，本实施例中第一键合介质和第二键合介质均为二氧化硅，故，优选的，采用亲水性键合。

以上所述仅为本申请可选实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。