一种异质集成体及其制备方法

1.本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种异质集成体及其制备方法。


背景技术：

2.异质集成是指通过将两种或者两种以上的半导体材料进行键合集成，进而能够形成具有多功能的异质界面或异质结，从而制备出更高功率、更高频率、更高速率的高性能器件。
3.在现有技术中，异质集成往往是基于离子注入的智能剥离实现的，即，该异质集成方法为从任意单晶晶圆上剥离高质量的单晶薄膜，并通过键合的方法将其与异质材料进行组合，以解决异质集成过程中的失配问题，进而，不仅能够制备出高质量的异质集成晶圆材料，还可以形成陡峭的异质界面。但是，基于离子注入的智能剥离的异质集成过程中，往往剥离工艺会对异质界面造成严重的损伤，进而影响了声、光、电异质集成器件的性能。
4.因此，需要一种改进的异质集成技术方案，以解决上述现有技术中存在的问题。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种异质集成体及其制备方法的技术方案，其技术方案如下所述：
6.一方面，提供了一种异质集成体的制备方法，所述方法包括：
7.提供第一晶圆和第二晶圆，所述第一晶圆包括第一面，所述第二晶圆包括第二面；
8.对所述第一面和所述第二面进行激活处理，分别得到第一激活面和第二激活面；
9.向所述第一激活面和所述第二激活面提供水蒸气或含有羟基的气态物质，以在所述第一激活面上形成亲水性基团，在所述第二激活面上形成亲水性基团；
10.对所述第一晶圆与所述第二晶圆进行脱水键合处理，得到所述异质集成体。
11.进一步地，向所述第一激活面和所述第二激活面提供所述水蒸气或所述气态物质后的环境压强为10-5
pa-10-1
pa。
12.进一步地，所述向所述第一激活面和所述第二激活面提供水蒸气或含有羟基的气态物质的持续时间为1s-300s。
13.进一步地，所述对所述第一晶圆与所述第二晶圆进行脱水键合处理，得到所述异质集成体，包括：
14.对所述第一晶圆与所述第二晶圆进行预键合处理，得到预集成体；
15.对所述预集成体进行脱水处理，得到所述异质集成体。
16.进一步地，所述脱水处理的脱水温度为50℃-600℃，脱水时间为0.5h-96h。
17.进一步地，在对所述第一晶圆与所述第二晶圆进行脱水键合处理，得到所述异质集成体之前，还包括：
18.将所述第一晶圆与所述第二晶圆进行对齐处理，以使得所述第一晶圆与所述第二晶圆之间的晶格失配度满足预设失配条件。
19.进一步地，所述对所述第一面和所述第二面分别进行激活处理，分别得到第一激活面和第二激活面，包括：
20.在真空环境下，对激活气体进行处理，以形成等离子体；
21.利用所述等离子体对所述第一面和所述第二面分别进行激活处理，以分别得到所述第一激活面和所述第二激活面。
22.进一步地，所述激活处理的激活功率为20w-2000w。
23.进一步地，所述激活气体为氩气或氮气。
24.另一方面，提供了一种异质集成体，采用如上述任一方案所述的异质集成体的制备方法制成。
25.另一方面，提供了一种异质集成体，包括第一晶圆层和第二晶圆层，所述第一晶圆层通过共价键与所述第二晶圆层连接，所述共价键通过羟基之间的脱水键合形成。
26.本发明提供的一种异质集成体及其制备方法，具有如下技术效果：
27.本发明通过对第一晶圆中的第一面和第二晶圆中的第二面进行激活处理，并分别在第一激活面和第二激活面上形成亲水性基团，以便显著减少异质材料界面的缺陷，形成高质量的异质界面，进而可提高利用上述异质集成体制备的异质集成器件的性能。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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。
29.图1为本发明实施例提供的一种异质集成体的制备方法的流程示意图；
30.图2为本发明实施例提供的制备异质集成体的结构流程示意图；
31.其中，附图标记对应为：1-异质集成体；11-第一晶圆；111-第一面；12-第二晶圆；121-第二面；2-离子源；3-水蒸气；4-真空环境。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“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，以便这里描述的本发明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。
34.请参阅图1-图2，下面结合图1-图2对本发明的技术方案进行详细描述。
35.本发明实施例提供了一种异质集成体1的制备方法，如图1所示，该制备方法具体包括：
36.s1：提供第一晶圆11和第二晶圆12，第一晶圆11包括第一面111，第二晶圆12包括
1000w、60w-1500w、70w-1700w、80w-1800w或90w-2000w，优选的，激活处理的激活功率为50w-1000w，激活持续时间可以为5s-400s、8s-440s、10s-540s、12s-550s、15s-600s或15s-700s，优选的，激活持续时间为10s-540s。
53.在实际应用中，当激活处理的激活功率为20w时，持续时间可以为600s，或者，当激活处理的激活功率为50w时，持续时间可以为500s，亦或者，当激活处理的激活功率为100w时，持续时间可以为400s，可见，在激活过程中，激活功率越高，持续时间越短，激活功率越低，持续时间越长，因此，本发明可实现低的辐照能量激活条件下的高强度集成，有助于降低激活条件，节约能源消耗。
54.在一个可选的实施方式中，步骤s2之前还可以包括：s12：对第一晶圆11和第二晶圆12进行清洗处理。
55.具体的，可利用食人鱼溶液或boe溶液对第一晶圆11和第二晶圆12进行清洗处理，在一具体实施例中，可将第一晶圆11和第二晶圆12放置在食人鱼溶液或boe溶液中，以便去除第一晶圆11上的第一面111和第二晶圆12上的第二面121的沾污和自然氧化层，进而可显著提高第一晶圆11与第二晶圆12间键合界面的质量。
56.s3：向第一激活面和第二激活面提供水蒸气3或含有羟基的气态物质，以在第一激活面上形成亲水性基团，在第二激活面上形成亲水性基团。
57.具体的，水蒸气3用于对第一激活面和第二激活面提供亲水性基团，或者含有羟基的气态物质用于对第一激活面和第二激活面提供亲水性基团，在一实施例中，亲水性基团为羟基基团，通过向第一激活面和第二激活面提供水蒸气3或含有羟基的气态物质，以在第一激活面上形成亲水性基团，在第二激活面上形成亲水性基团，进而可显著增加第一激活面和第二激活面上的亲水性基团，以便利用亲水性基团实现第一晶圆11与第二晶圆12的稳定连接，且能够形成高质量的异质界面，从而可提高利用异质集成体1制备的异质集成器件的性能。
58.在一具体实施例中，气态物质可以为气态有机物，示例性的，含有羟基的气态物质可以为气态甲醇或气态乙醇等。
59.在实际的应用中，步骤s3的具体实施方式可以为，对第一晶圆11和第二晶圆12所在的腔体空间注入水蒸气3或含有羟基的气态物质，以便在第一激活面上形成亲水性基团，在第二激活面上形成亲水性基团。
60.在一个可选的实施方式中，向第一激活面和第二激活面提供水蒸气或气态物质后的环境压强为10-5
pa-10-1
pa，其中，该环境压强为向第一激活面和第二激活面提供水蒸气或气态物质后，第一晶圆11和第二晶圆12所在腔体空间的压强。
61.可选的，水蒸气3或气态物质的环境压强可以为10-5
pa-10-4
pa、10-4
pa-10-2
pa、10-3
pa-10-2
pa或10-2
pa-10-1
pa，优选的，水蒸气3或气态物质的环境压强为10-2
pa-10-1
pa。
62.在一个可选的实施方式中，向第一激活面和第二激活面提供水蒸气3或含有羟基的气态物质的持续时间为1s-300s。
63.可选的，持续时间可以为1s-100s、2s-150s、2s-200s、3s-150s、3s-200s、4s-300s或5s-200s，优选的，持续时间为5s-200s。
64.进而，本发明通过向第一激活面和第二激活面提供水蒸气3或含有羟基的气态物质后的环境压强达到10-5
pa-10-1
pa，并向第一激活面和第二激活面提供水蒸气3或含有羟
基的气态物质的持续时间为1s-300s，以便提高亲水性基团附着在第一激活面和附着在第二激活面的效率。
65.s4：对第一晶圆11与第二晶圆12进行脱水键合处理，得到异质集成体1。
66.在本发明实施例中，脱水键合处理包括预键合处理和脱水处理，具体的，通过对第一晶圆11与第二晶圆12进行预键合处理，以使得第一晶圆11和第二晶圆12的表面紧密接触并通过分子间的作用力结合在一起，此时，第一晶圆11与第二晶圆12间的键合界面为范德瓦尔斯力或氢键结合，通过对第一激活面上的亲水性基团和第二激活面上的亲水性基团进行脱水处理，以在第一晶圆11和第二晶圆12间的键合界面上形成强度较高的共价键，以增强异质集成体1的集成强度。
67.在一个可选的实施方式中，步骤s4可以包括：
68.s41：对第一晶圆11与第二晶圆12进行预键合处理，得到预集成体。
69.具体的，预键合处理为对第一晶圆11和第二晶圆12施加键合压力，以使得第一晶圆11和第二晶圆12的表面紧密接触并通过分子间的作用力结合在一起，其中，施加的键合压力可以为4000n-8000n，可选的，施加的键合压力还可以为4500n-6000n、5000n-7000n、6000n-7000n、6500n-8000n或6000n-8000n，优选的，键合压力为5000n-7000n，进而，可增强异质集成体1的集成精度，同时，通过对第一晶圆11和第二晶圆12施加7000n的键合压力，以便增加第一晶圆11和第二晶圆12键氢键的接触面，有助于增强异质集成体1的集成强度。
70.s42：对预集成体进行脱水处理，得到异质集成体1。
71.具体的，脱水处理为将第一晶圆11上的亲水性基团与第二晶圆12上的亲水性基团进行脱水，以便相对应的两个亲水性基团脱去一个水，剩余一个氧原子，并通过氧原子与第一晶圆11和第二晶圆12形成连接强度较高的共价键，以便进一步增强异质集成体1的集成强度。
72.在一个可选的实施方式中，脱水处理的脱水温度为50℃-600℃，脱水时间为0.5h-96h。
73.可选的，脱水处理的脱水温度还可以为50℃-300℃、70℃-350℃、80℃-400℃、100℃-500℃、120℃-540℃、150℃-550℃或200℃-600℃，优选的，脱水处理的脱水温度为100℃-500℃，可选的，脱水时间还可以为0.5h-48h、0.5h-50h、0.5h-72h、1h-72h、1.5h-96h或4h-96h，优选的，脱水时间为1h-72h。
74.在实际应用中，当脱水处理的脱水温度为50℃时，脱水时间可以为36h，或者，当脱水处理的脱水温度为70℃时，脱水时间可以为34h，亦或者，当脱水处理的脱水温度为500℃时，脱水时间可以为1.5h等等，可见，在脱水过程中，脱水温度越高，脱水时间越短，脱水温度越低，脱水时间越长，因此，可通过较低的脱水温度和较长的脱水时间来完成整个脱水过程，以便节约能源消耗，还可通过较高的脱水温度和较短的脱水时间，以便提高制备效率。
75.需要说明的是，上述对齐处理过程、激活处理过程和预键合处理过程，以及向第一激活面和第二激活面提供水蒸气3或含有羟基的气态物质的过程均在真空环境4下进行。
76.在一个可选的实施方式中，步骤s41之后，还包括：对预集成体进行退火处理。
77.具体的，通过对预集成体进行退火处理，以便进一步增强异质集成体1的集成强度，在一具体实施例中，退火处理的退火温度为300℃-2000℃，退火时间为1min-72h。
78.可选的，退火处理的退火温度还可以为300℃-1000℃、400℃-1000℃、500℃-1500
℃、600℃-1000℃、650℃-2000℃或700℃-2000℃，优选的，退火处理的退火温度为500℃-1500℃，可选的，退火时间还可以为1min-36h、1min-24h、10min-36h、20min-72h、15min-36h或20min-72h，优选的，退火时间为1min-24h。
79.在一个可选的实施方式中，在执行步骤s4之前，该制备方法还包括：
80.s11：将第一晶圆11与第二晶圆12进行对齐处理，以使得第一晶圆11与第二晶圆12之间的晶格失配度满足预设失配条件。
81.在本发明实施例中，对齐处理为通过夹具分别夹持第一晶圆11和第二晶圆12，并转动第一晶圆11和第二晶圆12，以使得第一晶圆11与第二晶圆12之间的晶格失配度满足预设失配条件的处理方式，即，通过转动对第一晶圆11和第二晶圆12，以使得第一晶圆11的第一晶向与第二晶圆12的第二晶向平行，且由第一晶向上的晶格常数与第二晶向上的晶格常数确定的晶格失配度满足预设失配条件。
82.具体的，晶格失配度与第一晶向上的晶格常数和第二晶向上的晶格常数之间的关系可以为：
[0083][0084]
式中，p为晶格失配度，as为第一晶圆11的第一晶向上的晶格常数，ae为第二晶圆12的第二晶向上的晶格常数。
[0085]
需要说明的是，第一晶圆11包括多个第一晶向，且多个第一晶向中每一晶向上的晶格常数可以均不同，第二晶圆12包括多个第二晶向，且多个第二晶向中每一晶向上的晶格常数可以均不同，因此，可通过对第一晶圆11和第二晶圆12进行对齐处理，以确定第一晶圆11和第二晶圆12之间的晶格失配度满足预设失配条件，故，本发明所制备的异质集成体1可适用于集成两种结构较为复杂的晶圆，以形成多种具有高质量异质界面的异质集成体1，且适用性较广。
[0086]
在一具体实施例中，预设失配条件可以为小于等于0.01-0.2，可选的，预设失配条件还可以为小于等于0.01-0.03、0.02-0.03、0.04-0.1、0.05-0.12、0.1-0.15或0.1-0.2，优选的，预设失配条件为小于等于0.02-0.03。
[0087]
优选的，在执行步骤s2之前，执行步骤s11，以便提高集成精度，避免对齐过程对激活处理过程和在第二激活面上形成亲水性基团过程造成影响。
[0088]
由本发明实施例的上述技术方案可见，具有如下技术效果：
[0089]
本发明通过对第一晶圆11中的第一面111和第二晶圆12中的第二面121进行激活处理，并分别在第一激活面和第二激活面上形成亲水性基团，以便显著减少异质材料界面的缺陷，形成高质量的异质界面，进而可提高利用上述异质集成体1制备的异质集成器件的性能。
[0090]
本发明实施例还提供一种异质集成体1，采用上述异质集成体1的制备方法制成。
[0091]
本发明实施例还提供另一种异质集成体1，具体的，该异质集成体1包括第一晶圆11层和第二晶圆12层，第一晶圆11层通过共价键与第二晶圆12层连接，共价键通过羟基之间的脱水键合形成。
[0092]
关于上述实施例中的异质集成体，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该制备方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
[0093]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种异质集成体的制备方法，其特征在于，所述方法包括：提供第一晶圆和第二晶圆，所述第一晶圆包括第一面，所述第二晶圆包括第二面；对所述第一面和所述第二面进行激活处理，分别得到第一激活面和第二激活面；向所述第一激活面和所述第二激活面提供水蒸气或含有羟基的气态物质，以在所述第一激活面上形成亲水性基团，在所述第二激活面上形成亲水性基团；对所述第一晶圆与所述第二晶圆进行脱水键合处理，得到所述异质集成体。2.根据权利要求1所述的异质集成体的制备方法，其特征在于，向所述第一激活面和所述第二激活面提供所述水蒸气或所述气态物质后的环境压强为10-5
pa-10-1
pa。3.根据权利要求1所述的异质集成体的制备方法，其特征在于，所述向所述第一激活面和所述第二激活面提供水蒸气或含有羟基的气态物质的持续时间为1s-300s。4.根据权利要求1所述的异质集成体的制备方法，其特征在于，所述对所述第一晶圆与所述第二晶圆进行脱水键合处理，得到所述异质集成体，包括：对所述第一晶圆与所述第二晶圆进行预键合处理，得到预集成体；对所述预集成体进行脱水处理，得到所述异质集成体。5.根据权利要求4所述的异质集成体的制备方法，其特征在于，所述脱水处理的脱水温度为50℃-600℃，脱水时间为0.5h-96h。6.根据权利要求1所述的异质集成体的制备方法，其特征在于，在对所述第一晶圆与所述第二晶圆进行脱水键合处理，得到所述异质集成体之前，还包括：将所述第一晶圆与所述第二晶圆进行对齐处理，以使得所述第一晶圆与所述第二晶圆之间的晶格失配度满足预设失配条件。7.根据权利要求1所述的异质集成体的制备方法，其特征在于，所述对所述第一面和所述第二面分别进行激活处理，分别得到第一激活面和第二激活面，包括：在真空环境下，对激活气体进行处理，以形成等离子体；利用所述等离子体对所述第一面和所述第二面分别进行激活处理，以分别得到所述第一激活面和所述第二激活面。8.根据权利要求1所述的异质集成体的制备方法，其特征在于，所述激活处理的激活功率为20w-2000w。9.根据权利要求7所述的异质集成体的制备方法，其特征在于，所述激活气体为氩气或氮气。10.一种异质集成体，其特征在于，采用如权利要求1至9任一所述的异质集成体的制备方法制成。11.一种异质集成体，其特征在于，包括第一晶圆层和第二晶圆层，所述第一晶圆层通过共价键与所述第二晶圆层连接，所述共价键通过羟基之间的脱水键合形成。

技术总结
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种异质集成体及其制备方法，该方法包括：提供第一晶圆和第二晶圆，第一晶圆包括第一面，第二晶圆包括第二面；对第一面和第二面进行激活处理，分别得到第一激活面和第二激活面；向第一激活面和第二激活面提供水蒸气或含有羟基的气态物质，以在第一激活面上形成亲水性基团，在第二激活面上形成亲水性基团；对第一晶圆与第二晶圆进行脱水键合处理，得到异质集成体，本发明能够显著减少异质材料界面的缺陷，形成高质量的异质界面，进而可提高利用上述异质集成体制备的异质集成器件的性能。成体制备的异质集成器件的性能。成体制备的异质集成器件的性能。


技术研发人员：欧欣 徐文慧 伊艾伦 游天桂 瞿振宇
受保护的技术使用者：中国科学院上海微系统与信息技术研究所
技术研发日：2023.06.09
技术公布日：2023/8/30