專利名稱：磷化銦和砷化鎵材料的直接鍵合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供了一種III-V族化合物半導(dǎo)體磷化銦(InP)和砷化鎵(GaAs)材料的直接鍵合方法，屬于半導(dǎo)體光電子、微電子器件工藝技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體材料外延技術(shù)如分子束外延(MBE)、金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)等技術(shù)的發(fā)展，III-V族半導(dǎo)體材料生長已能很精確地控制其生長厚度、組份等參數(shù)。然而半導(dǎo)體材料生長體系卻受到了材料間晶格失配度和熱膨脹系數(shù)失配的極大限制，當(dāng)生長材料的厚度大于由該材料體系失配度決定的臨界厚度時，材料中將產(chǎn)生位錯，位錯線可從異質(zhì)材料的界面爬升到外延層表面，由此在外延材料中引入缺陷，從而極大地影響器件性能；在大的晶格失配度情形下，位錯可使器件材料無法工作。例如，InP與GaAs半導(dǎo)體材料之間的晶格失配高達3.8％，熱膨脹系數(shù)也存在比較大的差別，GaAs的熱膨脹系數(shù)為5.8×10-6/K，InP的熱膨脹系數(shù)為4.5×10-6/K。因此，像InGaAs，InAsP，InGaAsP等微電子、光電子微結(jié)構(gòu)材料，只能在InP襯底上才能生長出低位錯密度的外延材料，另一方面，像AlGaAs材料則只能在GaAs襯底上才能生長出高質(zhì)量的外延層，為了達到優(yōu)異的器件性能，人們往往需要將這些在不同襯底上生長的材料組合到一起，如何將InP基微結(jié)構(gòu)材料、器件組裝到GaAs基材料上是國內(nèi)外III-V族半導(dǎo)體研究領(lǐng)域的熱點之一。
InP和GaAs材料的直接鍵合技術(shù)在光電子和微電子器件制造中具有很重要的應(yīng)用前景，例如，近年來垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)在光通信領(lǐng)域的應(yīng)用受到了極大地關(guān)注和廣泛地研究，和傳統(tǒng)邊發(fā)射激光器相比，面發(fā)射激光器具有單模工作、高調(diào)制帶寬、高耦合效率、低功耗等優(yōu)點。面發(fā)射激光器由兩個分布布拉格反射鏡(DBR)及夾在其中的發(fā)光有源區(qū)組成。由于材料自身性能的缺點，工作在1.3μm和1.55μm的InP基面發(fā)射激光器，受到了InP基分布布拉格反射鏡熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率及反射率的限制。而GaAs基分布布拉格反射鏡在這方面比InP基要優(yōu)越得多，因此利用鍵合技術(shù)，獲得高質(zhì)量InP-GaAs光學(xué)和電學(xué)性能的組合材料，是實現(xiàn)高性能的垂直腔面發(fā)射激光器的重要途徑之一。
直接鍵合技術(shù)不同于外延技術(shù)。外延技術(shù)由生長過程中的熱力學(xué)過程支配，原子在襯底表面遷移并吸附凝結(jié)，以襯底晶格為模板堆砌外延材料原子層，當(dāng)外延材料晶格常數(shù)不同于襯底，原子堆砌到一定厚度時過大的晶格失配應(yīng)力使外來原子不再嚴格按照襯底堆砌，即產(chǎn)生位錯；而鍵合過程是發(fā)生在外延材料界面處，在一定外加壓力和溫度下，原子相互擴散并形成化學(xué)鍵而使兩層材料牢固地鍵合，因此即使兩層材料有很大的晶格失配度，經(jīng)過鍵合后位錯只存在于材料界面附近，而不會擴展到整個材料中，這幾乎不影響鍵合后材料的性能。雖然國際上InP基材料與GaAs基材料的鍵合技術(shù)有一些文獻報道但均存在不同的缺點文獻1[Z.L.Liau and D.E.Mull，Wafer fusionA novel technique foroptoelectronic device fabrication and monolithic integration，Appl.Phys.Lett.，Vol.56，No.8，737(1990)]雖然也報道了InP與GaAs的直接鍵合方法，主要特征是(1)采用的溫度高，為830℃，太高的溫度會引起III-V族化合物的分解；(2)夾具所加的壓力不能調(diào)整；文獻2[Yae Okuno，Kazuhisa Uomi，Masahiro Aoki，and TomonobuTsuchiya，Direct wafer bonding of III-V compound semiconductors forfree-material and free-orientation integration，IEEE Journal of QuantumElectronics，Vol.33，No.6，959(1997)]報道的是InP基外延薄膜的鍵合，是用氮氣吹干后在空氣中疊合，易氧化致使鍵合成功率不高；文獻3[H.C.Lin，K.L.Chang，G.W.Pickrell，K.C.Hsieh，and K.Y.Cheng，Low temperature wafer bonding by spin on glass，J.Vac.Sci.Technol.B Vol.20 No.2.，752(2002)]則是介紹用Spin on glass(SOG)介質(zhì)來鍵合InP與GaAs材料，SOG是硅烷醇與甲基高分子在酒精中的溶合物，雖然鍵合溫度較低，但是由于鍵合介質(zhì)具有一定厚度，導(dǎo)電性差，吸收光等缺點，因此局限性較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種用于進行III-V族化合物半導(dǎo)體材料InP和GaAs的直接鍵合方法。
鍵合過程包括三個步驟表面清潔、疊片和高溫退火。InP和GaAs襯底經(jīng)表面有機物和氧化物的去除，表面粗糙度在幾十埃以下。當(dāng)兩個潔凈的樣品在甲醇溶液中面對面、邊對邊地相互疊合，處于其間的甲醇溶液部分地阻止了到達退火溫度之前這段時間內(nèi)空氣和灰塵進入接觸界面，整個退火過程在氮氣氣氛下進行。當(dāng)樣品退火溫度到達200～400℃時，甲醇、水蒸氣以及其他化學(xué)反應(yīng)物首先從InP-GaAs接觸界面逃逸，而當(dāng)升高溫度到達500～700℃時，界面處發(fā)生原子的遷移。首先從InP表面分解的P逐漸向GaAs面擴散并填充在接觸界面間的隙縫，但同時GaAs體材料阻止了P的向內(nèi)擴散，這使得界面間P氣壓逐漸升高，P氣壓的升高則減弱了InP的分解，因此最后界面及其附近形成P的穩(wěn)定分布；由于P的分解InP表面剩下多余的In，In原子主要在側(cè)向遷移并較多地填充在由于界面無規(guī)起伏形成的微小空位處，這樣一個原子遷移過程以及此過程中的外加壓強使得原來InP-GaAs接觸界面空位和隙縫大部分被In原子和P原子所填充，InP和GaAs因此接觸更加緊密。當(dāng)退火結(jié)束溫度降低，界面及兩側(cè)附近材料發(fā)生再結(jié)晶過程，形成一層化學(xué)鍵結(jié)合的InGaAsP無定形層，InP和GaAs依靠這一層無定形層鍵合在一起，鍵合的質(zhì)量由表面潔凈程度、外加壓強、退火溫度和退火時間共同決定。鍵合過程中主要是界面附近原子發(fā)生遷移，InP和GaAs材料內(nèi)部并沒有發(fā)生變化，然而由于InP和GaAs晶格失配很大，鍵合界面處則有大量位錯群產(chǎn)生，實驗證明這樣一個具有大量位錯的鍵合界面沒有使鍵合后InP-GaAs材料結(jié)構(gòu)性能變差，這與直接外延生長的InP-GaAs異質(zhì)結(jié)有本質(zhì)的不同。相反，鍵合過程中500～700℃的退火過程可能會改進材料的光學(xué)合電學(xué)性能。
本發(fā)明提供的一種InP和GaAs的直接鍵合方法，其特征在于(a)將InP和GaAs襯底解理成正方形或長方形；(b)清洗襯底是依次用異丙醇、丙酮和無水乙醇超聲清洗，然后用去離子水漂洗3分鐘以上，且用高純氮氣吹干。所述的清洗樣品片各3次，每次3-5分鐘；(c)去除InP和GaAs表面氧化物，InP是在靜止的H2SO4+H2O2+H2O溶液中腐蝕，三者的體積比為3∶1∶1；時間為腐蝕5-15秒；GaAs是在靜止的H2SO4+H2O溶液中腐蝕，二者的體積比為1∶20；腐蝕時間為30-60秒腐蝕完成后用去離子水漂洗，然后將InP和GaAs片不經(jīng)高純氮氣吹干直接浸入HF+H2O溶液中，HF和H2O的體積比為1∶10；再用去離子水沖洗3-5次，且以上腐蝕過程均在20-25℃室溫下進行的；(d)第二次去除InP和GaAs表面氧化物是將步驟(c)中去除表面氧化物的InP和GaAs片，不經(jīng)高純氮氣吹干直接放入還原性氨水溶液中(濃度為25～28％)浸泡，浸泡后直接放入防氧化的甲醇溶液中；(e)疊片是在甲醇溶液中進行的，將InP的拋光面朝下置于GaAs拋光面的正上方，將InP和GaAs邊一邊對齊疊合在一起；(f)將步驟(e)的疊片移至夾具的正方形或長方形開口槽中，槽尺寸為25×25×15mm。再加上一定的壓力，壓力為0.5～35Kg/cm2，鍵合溫度為500～700℃；整個鍵合和退火過程用氮氣保護。氮氣流速為150-250毫升/分鐘；25-500℃溫度區(qū)間的升漸速率為10-15℃/分鐘，500-700℃溫度區(qū)間的升溫速率為5-10℃/分鐘，將爐溫升至退火溫度(在500-700℃之間)，在退火溫度下保持30-40分鐘上。退火完成后，退火爐的溫度在700-450℃區(qū)間的降溫速率為3-4℃/分鐘，在450-300℃區(qū)間的降溫速率為2-3℃/分鐘；待爐溫降至300℃以下時關(guān)閉N2，最后隨爐自然冷卻至低于100℃取出。
由此可見本發(fā)明提供的InP-GaAs材料直接鍵合方法，雖然工藝過程與文獻報道的類同，但實質(zhì)是不同的，也本發(fā)明的積極效果是顯而易見的(1)鍵合溫度控制在500-700℃遠比文獻1所述的低，不會引起III～V族化合物分解；(2)動作表面氧化物層的方法與文獻(1)不同，且采用二步去除表面氧化物的方法；(3)本發(fā)明使用的去氧化物層的腐蝕配方與文獻報道的也不同；(4)是發(fā)明是在有機溶劑中直接鍵合而不是用氮氣吹干后在空氣中疊合，從而防止氧化，保持鍵合面干凈，從而使鍵合成功率接近100％(5)本發(fā)明鍵合是一次可鍵合多片，如圖1所示待鍵合的InP-GaAs邊與邊對齊后可疊在一起，疊層高度只要略低于開口槽的高度即可，且施加壓力的方式多樣，或是鋼塊重壓物，或是螺絲堅固件或是液壓裝置所實施，用壓力傳感器或壓力表讀出；且施加的壓力是在0.5-35Kg/cm2范圍連續(xù)可調(diào)的。鍵合溫度高則施加壓力較低，反之亦然。
(6)本發(fā)明提供的直接鍵合方法在鍵合過程以及由此引入的InP-GaAs交界面并不會使鍵合后整個材料結(jié)構(gòu)的光學(xué)和電學(xué)性能變差，InP和GaAs直接鍵合后，可進行機械研磨減薄、拋光、化學(xué)腐蝕和反應(yīng)離子刻蝕等器件工藝過程，該技術(shù)既可以利用InP基材料的優(yōu)點又可以利用GaAs基材料的優(yōu)點，對III-V族半導(dǎo)體集成光電子和微電子器件的發(fā)展具有重要的意義。


圖1 InP-GaAs疊片與加壓示意圖。
具體實施例方式
下面通過具體實施例進一步闡明本發(fā)明的實質(zhì)性特點和顯著進步正方形。
實施例1InP和GaAs直接鍵合工藝步驟是1.將InP和GaAs襯底解理成邊長為2.5cm正方形；
2. 清洗襯底依次用異丙醇、丙酮和無水乙醇超聲清洗樣品片各3次，每次5分鐘，然后用去離子水漂洗3分鐘以上；3.去表面氧化物InP在靜止的H2SO4+H2O2+H2O(體積比為3∶1∶1)中腐蝕10秒鐘，GaAs在靜止的H2SO4+H2O(體積比為1∶20)中腐蝕40秒鐘，腐蝕前InP和GaAs均需用高純氮氣吹干，腐蝕完成后用去離子水漂洗5分鐘以上；然后，將InP和GaAs片不經(jīng)高純氮氣吹干直接浸入HF+H2O(體積比為1∶10)中浸泡30秒，再用去離子水沖洗三遍；以上腐蝕過程均在室溫(20～25℃)下完成；4.第二次去表面氧化物將InP和GaAs襯底片不經(jīng)高純氮氣吹干直接放入還原性氨水溶液(濃度為28％)中3分鐘，之后直接放入防氧化甲醇溶液中。
5.疊片在甲醇溶液中浸泡三分鐘以上，用鑷子小心夾住InP襯底片，并小心翻轉(zhuǎn)使其正面朝下置于GaAs正上方，整個過程均不能使外延片露出甲醇溶液；小心用鑷子調(diào)節(jié)InP片位置，使InP和GaAs邊對邊地疊合在一起(邊與邊夾角在±2°之內(nèi))；6.裝片用鑷子同時夾住InP和GaAs外延片背面，小心放入如圖1所示夾具的正方形開槽位置，再次微調(diào)片子位置，使片子正好位于開口中央，并且InP和GaAs片仍邊對邊疊合在一起；共10對一起鍵合小心壓上鋼塊重壓物，并安裝螺絲加壓裝置，小心用手擰緊螺絲，加壓大小為10Kg/cm2，總壓力由壓力傳感器或壓力表讀出。若所選則鍵合的溫度較低，則需加的壓力適當(dāng)大一些；整個過程中均不要使鋼塊和底盤發(fā)生移動，以免InP和GaAs片因受力不均勻而至碎裂；7.退火安裝完需要鍵合的外延片后，立即將夾具放入退火爐中，通入N2保護氣體，N2的流速為200ml/分鐘；以10-11℃/分鐘(100-500℃)及7-8℃/分鐘(500-700℃)的升溫速率，將爐溫升至退火溫度(在500-700℃之間)，在退火溫度下保持35分鐘，之后關(guān)閉爐子電源使其自然降溫，所使用的爐子降溫速率為3℃/分鐘(700-450℃)和2℃/分鐘(450-300℃)；待爐溫降至300℃以下關(guān)閉N2，退火結(jié)束；
8.隨爐降溫至100℃以下取出樣品。
實施例2本實施例InP和GaAs解理成長方形，邊長分別為1.5cm和2.5cm，邊與邊對齊疊合夾角為1°。鍵合溫度為680℃，保持30分鐘施加的壓力較小，為2Kg/cm2，在為680-450℃溫度區(qū)間降溫率為3.5℃/分鐘，450-300℃區(qū)間的降溫速率為2℃/分鐘，其余同實施例1。
權(quán)利要求
1.一種InP和GaAs的直接鍵合方法，包括表面清潔、疊片和高溫退火三個工藝過程，其特征在于具體直接鍵合的工藝步驟是(a)將InP和GaAs襯底解理成正方形或長方形；(b)清洗襯底是依次用異丙醇、丙酮和無水乙醇超聲清洗，然后用去離子水漂洗；(c)去除InP和GaAs表面氧化物，InP是在靜止的H2SO4+H2O2+H2O溶液中腐蝕，三者的體積比為3∶1∶1；GaAs是在靜止的H2SO4+H2O溶液中腐蝕，二者的體積比為1∶20；腐蝕完成后用去離子水漂洗，然后將InP和GaAs片不經(jīng)高純氮氣吹干直接浸入HF+H2O溶液中，HF和H2O的體積比為1∶10；再用去離子水沖洗干凈；(d)第二次去除InP和GaAs表面氧化物是將步驟(c)中去除表面氧化物的InP和GaAs片，不經(jīng)高純氮氣吹干直接放入還原性氨水溶液中浸泡，浸泡后直接放入防氧化的甲醇溶液中；(e)疊片是在甲醇溶液中進行的，將InP的拋光面朝下置于GaAs拋光面的正上方，將InP和GaAs邊與邊對齊疊合在一起；(f)將步驟(e)的疊合片移至夾具的開口槽中，一次可鍵合多片，再加上一定的壓力，鍵合溫度為500～700℃；整個鍵合和退火過程用氮氣保護，退火溫度為500-700℃，在退火溫度下保持30-40分鐘，退火完成后，按一定速率降溫至300℃以下關(guān)閉N2，待爐冷卻至低于100℃取出。
2.按權(quán)利要求1所述的InP和GaAs的直接鍵合方法，其特征在于一次鍵合過程每對InP-GaAs疊層高度略低于開口槽的深度。
3.按權(quán)利要求1所述的InP和GaAs的直接鍵合方法，其特征在于將InP和GaAs襯底解理成正方形或長方形，邊長在0.5～2.5cm之間。
4.按權(quán)利要求1所述的InP和GaAs的直接鍵合方法，其特征在于InP在H2SO4+H2O2+H2O溶液中腐蝕5～15秒；GaAs在H2SO4+H2O溶液中腐蝕時間為30～60秒，腐蝕前需用高純氮氣吹干，腐蝕后用去離子水漂洗5分鐘以上，然后在HF+H2O溶液中浸泡20～40秒；再用去離子水沖洗2～5遍。
5.按權(quán)利要求1所述的InP和GaAs的直接鍵合方法，其特征在于步驟(d)中的InP或GaAs襯底片在還原性氨水中浸泡2～5分鐘，氨水濃度為25-28％。
6.按權(quán)利要求1或2所述的InP和GaAs的直接鍵合方法，其特征在于步驟(e)中InP和GaAs襯底邊對邊疊在一起時邊與邊對齊，其夾角在±2°之內(nèi)。
7.按權(quán)利要求1或2所述的InP和GaAs的直接鍵合方法，其特征在于所述的開口槽為正方形或長方形。
8.按權(quán)利要求1所述的InP和GaAs的直接鍵合方法，其特征在于退火時氮氣流速為150-250豪升/分鐘；退火完成后，退火爐的溫度在700-450℃區(qū)間的降溫速率為3-4℃/分鐘上，在450-300℃區(qū)間的降溫速率為2-3℃/分鐘。
9.按權(quán)利要求1所述的InP和GaAs的直接鍵合方法，其特征在于步驟(f)中的InP和GaAs疊片鍵合時所加壓力或是鋼塊重壓物，或是螺絲堅固件或是液壓裝置所實施，用壓力傳感器或壓力表讀出；且在0.5-35kg/cm2范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種InP和GaAs的直接鍵合方法，包括表面清潔、疊片和高溫退火三個工藝過程，其特征在于直接鍵合的工藝是在鍵合前InP和GaAs表面兩次去氧化物層，然后不經(jīng)高純氮吹干而直接放入還原性氮水中浸泡，浸泡后直接放入防氧化的甲醇溶液中，疊片在甲醇溶液中進行，將InP的拋光面朝下置于GaAs拋光面的正上方，將InP和GaAs邊與邊對齊疊合在一起；鍵合溫度在500－700℃，鍵合后退火，持續(xù)30－40分鐘，鍵合和退火均在氮氣保護下進行的。本發(fā)明一次可鍵合多片且鍵合時壓力可調(diào)，鍵合溫度低于文獻報道，鍵合成功率接近100％，鍵合后InP－GaAs交界面并不會使鍵合后整個材料結(jié)構(gòu)的光學(xué)和電性能變差。
文檔編號H01S5/00GK1588612SQ20041005271
公開日2005年3月2日 申請日期2004年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月9日
發(fā)明者吳惠楨, 勞燕鋒, 郝幼生 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所