氮化鎵到硅的直接晶片粘結(jié)的制作方法
【專利摘要】一種用于結(jié)合GaN和硅基片的直接晶片粘結(jié)方法，其涉及在氨等離子體中預(yù)處理各晶片，從而將各接觸表面變成親氨性的。GaN基片和硅基片可各自包括單晶晶片。所得混合半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可用于形成高質(zhì)量低成本LED。
【專利說明】氮化鎵到硅的直接晶片粘結(jié)
[0001]相關(guān)申請交叉參考
[0002]本申請根據(jù)35U.S.C.§ 120，要求2012年5月31日提交的美國申請系列號13/484，542的優(yōu)先權(quán)，本文以該申請為基礎(chǔ)并將其全文通過引用結(jié)合于此。
[0003]背景
[0004]本發(fā)明總體涉及晶片粘結(jié)，具體來說，涉及形成基片封裝的方法，該基片封裝包括粘結(jié)到硅支架的氮化鎵層。該基片封裝可用于制造發(fā)光二極管。
[0005]預(yù)期在不久的將來，發(fā)光二極管(LED)將取代白熾燈和熒光燈泡，因為前者效率低下，而后者壽命較短。用于這種LED的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)起始材料是單晶氮化鎵。為了制造常規(guī)LED，在單晶GaN層上外延生長薄膜半導(dǎo)體例如GalnN。
[0006]可將自立式GaN基片用于GaN層，但用于GaN生長的現(xiàn)有技術(shù)對于使產(chǎn)品LED在成本上具有競爭力而言是相當(dāng)昂貴的。因此，對于使用GaN的大多數(shù)LED，在下面的支架上外延生長GaN層。支架的性能特征包括熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)等。但是，支架的最重要的性能特征可能是它的晶格常數(shù)。
[0007]為了使得能進(jìn)行外延生長，支架必須具有和GaN的晶格常數(shù)接近匹配的晶格常數(shù)。備選的支架材料包括藍(lán)寶石、碳化硅和硅。雖然這些材料各自具有足夠接近GaN以使得能外延生長的晶格常數(shù)，但晶格不匹配的程度導(dǎo)致在GaN膜中形成限制性能的缺陷。
[0008]在上述備選支架材料中，娃是最經(jīng)濟(jì)的。但是，娃也具有與GaN最大的晶格常數(shù)不匹配。因此，由在Si上生長的GaN膜制造的LED通常質(zhì)量較低。另一方面，雖然碳化硅使得能形成最高質(zhì)量的GaN，但SiC是最貴的選擇。認(rèn)為藍(lán)寶石提供了外延GaN成本和質(zhì)量之間的合理折衷。
[0009]提供外延GaN的一種替代方法是和基片分離地形成GaN，并使用層轉(zhuǎn)移工藝來從源基片收獲GaN材料的薄膜。這種層轉(zhuǎn)移工藝不要求GaN膜和支架基片之間的晶格常數(shù)匹配。實際上，支撐基片無需是晶體。因此，可選擇用于支架的材料來滿足其它參數(shù)例如熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)，而不是集中于接近匹配的晶格常數(shù)的要求。
[0010]層轉(zhuǎn)移工藝通常涉及沿著由進(jìn)入源晶片的離子注入限定的割開平面來割開源晶片。通常，將氫用作離子注入物質(zhì)。層轉(zhuǎn)移工藝的優(yōu)勢之一在于氫注入誘導(dǎo)的脫層可重復(fù)很多次，從而可從初始自立式GaN晶片收獲很多薄膜?？捎蛇@樣轉(zhuǎn)移的GaN膜來制造LED。
[0011]涉及GaN的常規(guī)的層轉(zhuǎn)移工藝在GaN表面包括二氧化硅(S12)層，從而所得復(fù)合基片在GaN和娃之間包括二氧化娃層。二氧化娃層在GaN的表面上形成，并形成親水性表面，其可與另一親水性表面粘結(jié)。不限于理論，據(jù)信在氮化物化合物(包括氮化鎵)中形成親水性表面是非常困難的。因此，可將硅氧化物沉積在GaN上，并用作中間層以提供適于將GaN連接到硅的表面。
[0012]但是，對于LED制造而言，在GaN和支架基片之間的絕緣S12層是不利的。中間介電層阻止將支架晶片用作LED的電氣連接件。因此，為了將常規(guī)的層轉(zhuǎn)移工藝用于提供LED制造所用的GaN，需要使GaN和S12去粘結(jié)，并必須沉積另一電氣導(dǎo)電層。不幸的是，額外的剝離和沉積步驟增加了工藝和所得產(chǎn)品的成本。
[0013]鑒于上述，非常需要將GaN或其它氮化物表面直接粘結(jié)到硅支架基片的經(jīng)濟(jì)的方法。這種直接粘結(jié)方法將使得能低成本地制造具有單晶GaN層的復(fù)合基片，其適于形成用于普通照明的高效率和低成本LED。
[0014]在以下的詳細(xì)描述中給出了本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)，其中的部分特征和優(yōu)點(diǎn)對本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，根據(jù)所作描述就容易看出，或者通過實施包括以下詳細(xì)描述、權(quán)利要求書以及附圖在內(nèi)的本文所述的本發(fā)明而被認(rèn)識。
[0015]應(yīng)理解，前面的一般性描述和以下的詳細(xì)描述都提出了本發(fā)明的實施方式，目的是提供理解要求保護(hù)的本發(fā)明的性質(zhì)和特性的總體評述或框架。包括的附圖提供了對本發(fā)明的進(jìn)一步的理解，附圖被結(jié)合在本說明書中并構(gòu)成說明書的一部分。附圖舉例說明了本發(fā)明的各種實施方式，并與描述一起用來解釋本發(fā)明的原理和操作。
[0016]概述
[0017]一種直接粘結(jié)GaN和硅晶片的方法涉及在接觸之前使待結(jié)合的表面變成親氨的(ammophilic)。在結(jié)合之前，用氨等離子體處理待結(jié)合的表面。
[0018]用于形成混合半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法包括提供待粘結(jié)的硅表面和待粘結(jié)的氮化物表面，將所述硅表面和氮化物表面暴露于含氨的等離子體，來分別形成氨處理的表面，結(jié)合所述氨處理的硅表面和氨處理的氮化物表面以形成中間粘結(jié)結(jié)構(gòu)，和對所述中間粘結(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行退火以形成具有在所述硅表面和氮化物表面之間的粘結(jié)界面的粘結(jié)的混合半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。所述方法可用來提供用于形成發(fā)光二極管的基片。
[0019]對待粘結(jié)的各表面的等離子體處理可包括將各表面暴露于含氨等離子體以在所述表面上形成氨自由基，以及隨后將自由基封端的表面暴露于分子氨以形成包括氨自由基和分子氨的復(fù)合氨層。
[0020]附圖簡要說明
[0021]圖1是氮化鎵晶片和硅晶片之間的中間粘結(jié)結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0022]圖2是層轉(zhuǎn)移工藝的一部分的示意圖；
[0023]圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的GaN-Si混合結(jié)構(gòu)；以及
[0024]圖4顯示了使用常規(guī)層轉(zhuǎn)移工藝制造的GaN-S12-Si結(jié)構(gòu)。
[0025]詳細(xì)描述
[0026]使用對待粘結(jié)的表面進(jìn)行氨等離子體處理，可直接粘結(jié)氮化鎵和硅晶片。氨處理通過使表面變得親氨的，改變了各表面的封端化學(xué)。
[0027]用于形成混合半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法包括將硅表面和氮化物表面各自暴露于含氨等離子體以形成各氨處理的表面，和結(jié)合所述氨處理的硅表面和氨處理的氮化物表面以形成中間粘結(jié)結(jié)構(gòu)。然后對該中間粘結(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行退火以形成具有在所述硅表面和氮化物表面之間的粘結(jié)界面的粘結(jié)的混合半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。在實施方式中，所述粘結(jié)的混合半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可包括硅-疊-絕緣體結(jié)構(gòu)。
[0028]在實施方式，在兩相繼的步驟中實施氨處理。在第一步中，將待粘結(jié)的表面暴露于活性的含氨等離子體。等離子體暴露在各晶片表面引入酰氨基自由基(例如NH2_陰離子)。在第二步中，將之前用等離子體處理的表面暴露于分子氨(例如NH3),在該步驟中一或更多單層氨分子吸附到自由基化的表面上。然后，可使處理的晶片表面接觸以形成中間粘結(jié)結(jié)構(gòu)，其在硅和氮化物之間包括氨自由基和分子的橋。圖1示意性地顯示了實施中間粘結(jié)結(jié)構(gòu)的自由基和分子中間層。
[0029]所批露的晶片粘結(jié)方法可與層轉(zhuǎn)移工藝聯(lián)用，例如待粘結(jié)的氮化鎵表面是從GaN源晶片上割開的。圖2示意性地顯示的部分的這種層轉(zhuǎn)移工藝。用氫將GaN的單晶晶片120離子注入到所需的深度，以限定要轉(zhuǎn)移的GaN的薄膜122。將注入的晶片120預(yù)粘結(jié)至支架基片140，例如硅基片。加熱預(yù)粘結(jié)的組件，導(dǎo)致形成富氫平面124，并從GaN晶片120割開限定的GaN薄膜122。然后，可加熱具有轉(zhuǎn)移的膜122的支架基片140以結(jié)束所述基片和所述轉(zhuǎn)移的膜之間的粘結(jié)。GaN薄膜可進(jìn)行表面拋光，并去除過量的支架基片以形成所需的結(jié)構(gòu)162?？蓪aN源晶片120和過量的支架基片140各自回收到工藝中。
[0030]在實施方式中，通過加熱來完成將氮化鎵預(yù)粘結(jié)到硅支架基片?？蓪㈩A(yù)粘結(jié)加熱步驟和用來從源晶片割開GaN薄膜的加熱一起實施。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解，理想地GaN晶片和支架基片之間的預(yù)粘結(jié)的粘結(jié)強(qiáng)度在割開GaN基片之前形成，且這種初始粘結(jié)足夠牢固，從而能形成自始自終且在割開事件之后仍然粘附到基片的GaN膜。
[0031]在退火步驟中，加熱中間粘結(jié)結(jié)構(gòu)驅(qū)散了表面封端物質(zhì)(順2_陰離子和NH3分子)，并得到完全粘結(jié)的硅-氮化物界面?？墒褂美绾嫦?，在400°C -1200°C的溫度下實施中間粘結(jié)結(jié)構(gòu)的退火，加熱時間可為5-60分鐘。
[0032]在熱處理后的混合結(jié)構(gòu)中，粘結(jié)的界面不含酰胺基自由基和氨，且不包括氧和含氧物質(zhì)。使用所批露的方法制造的氮化鎵-硅混合結(jié)構(gòu)的示意圖見圖3。根據(jù)常規(guī)層轉(zhuǎn)移工藝制造的比較性氮化鎵-硅結(jié)構(gòu)見圖4。雖然比較性結(jié)構(gòu)(圖4)在氮化鎵和硅之間包括氧化物層，但使用本發(fā)明的方法形成的氮化鎵-硅混合結(jié)構(gòu)不含這種界面氧化物層。
[0033]在形成氨處理的表面之前，可分別預(yù)清潔待粘結(jié)的晶片，以去除污染物，包括表面吸附的物質(zhì)例如水、羥基，和天然的氧化物薄膜(在硅的情況下)。例如，在水性氟化氫中蝕亥IJ，可用來從硅晶片去除S12天然氧化物。
[0034]氮化物晶片可包括氮化鎵晶片。在下面的實施例中，顯示了本發(fā)明的各種實施方式，將氮化鎵晶片直接粘結(jié)到硅晶片。
[0035]實施例1
[0036]氮化鎵(GaN)晶片是自立式的半透明基片，厚度為180微米且直徑為2英寸。通過氫化物氣相外延法(HVPE)來形成GaN晶片，且將待粘結(jié)的GaN表面預(yù)拋光到0.2納米RMS的表面粗糙度。硅晶片是4英寸直徑的最佳等級晶片(SEMI標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格)。
[0037]首先，使用常規(guī)的RCA清潔來加工兩晶片。為了除去天然氧化物，還在稀釋的HF浴中淋洗硅晶片。
[0038]將清潔的晶片裝載進(jìn)入具有13.56MHz功率來源的反應(yīng)性離子蝕刻車床(Technics 800Micro-RIE)。向蝕刻車床提供氨作為加工氣體，且提供氮?dú)庾鳛榇祾邭怏w。
[0039]在基礎(chǔ)壓力為I毫托(mTorr)和等離子體功率為100W時，進(jìn)行等離子體加工。等離子體加工時氨氣體流量為1sccm (標(biāo)準(zhǔn)厘米3/分鐘)。等離子體加工時間是I分鐘。
[0040]晶片臺安裝了加熱/冷卻工位(stat1n)，用于評估親氨性。在進(jìn)行等離子體加工之前，將晶片臺上的晶片冷卻到_80°C，以防止液體無水氨在晶片表面上沸騰。在氮?dú)饬鲃酉聦嵤┚鋮s，以最小化在晶片表面上的水冷凝。
[0041]為了評估親氨性，使各晶片的粘結(jié)表面和一滴液體無水氨接觸。在等離子體加工之前，硅粘結(jié)表面是高度疏氨性的:氨液滴在硅上的潤濕角約為120°。在等離子體加工之前，GaN粘結(jié)表面是氨中性的(即，既非疏氨性也非親氨性)氨液滴在GaN表面上的潤濕角約為90° ο
[0042]作為等離子體加工的結(jié)果，氨液滴在硅粘結(jié)表面和氮化鎵粘結(jié)表面上的潤濕角都約為30°，這表明取得了一定程度的親氨性。
[0043]在等離子體加工結(jié)束后，開啟腔室，立刻結(jié)合經(jīng)過氨處理的、等離子體活化的兩晶片的粘結(jié)表面。晶片結(jié)合后，觀察到粘結(jié)波通過半透明的GaN晶片擴(kuò)展。粘結(jié)波的速度小于I厘米/秒鐘，這足以形成無空穴的中間粘結(jié)結(jié)構(gòu)，且在對中間結(jié)構(gòu)進(jìn)行退火之后形成無空穴的混合半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
[0044]將中間粘結(jié)結(jié)構(gòu)在1000°C下退火30分鐘。退火步驟從S1-GaN界面除去氨物質(zhì)，且形成完全粘結(jié)的結(jié)構(gòu)。通過試圖在晶片之前插入剃須刀，來測試粘結(jié)強(qiáng)度。GaN晶片在可測量到任何程度的脫層之前發(fā)生破裂，證明形成了成功的、永久的粘結(jié)。
[0045]實施例2
[0046]還在其它示例實施方式中，以類似于實施例1所用的方式制備了第二硅晶片-氮化鎵晶片對，但在等離子體加工進(jìn)行I分鐘之后且在開啟腔室和結(jié)合晶片之前，向腔室鼓入氨氣。
[0047]作為等離子體加工和額外的暴露于分子氨的結(jié)果，氨液滴在硅粘結(jié)表面和氮化鎵粘結(jié)表面上的潤濕角都小于10°，這表明比實施例1的僅用等離子體加工的方法取得了更強(qiáng)程度的親氨性。
[0048]在等離子體加工和氨氣加工結(jié)束后，開啟腔室，立刻結(jié)合經(jīng)過等離子體活化和氨處理的兩晶片的粘結(jié)表面。粘結(jié)波的速度是幾厘米/秒，這導(dǎo)致在2秒內(nèi)形成完全粘結(jié)的S1-GaN結(jié)構(gòu)。在對中間結(jié)構(gòu)進(jìn)行退火之后，晶片之間的強(qiáng)力吸引力可用來形成無空穴的混合半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。更強(qiáng)的吸引力可用來高產(chǎn)率地粘結(jié)基本上平坦和彎曲的晶片。將中間粘結(jié)結(jié)構(gòu)在1000°C下退火30分鐘。
[0049]能一致地連接彎曲的晶片和平坦的晶片是重要的，例如在層轉(zhuǎn)移衍生的GaN晶片的情況下，其中高劑量的氫離子注入(例如，在l-3X1017/cm2的量級)可誘導(dǎo)顯著的應(yīng)力和相伴地包覆GaN晶片。
[0050]各粘結(jié)表面之間足夠強(qiáng)的吸引力可克服應(yīng)力，得到具有無空穴粘結(jié)界面的高質(zhì)量復(fù)合結(jié)構(gòu)。這種粘結(jié)的混合半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可用于例如制造低成本的高效LED。
[0051]如本文中所用，單數(shù)形式的“一個”、“一種”和“該”包括復(fù)數(shù)指代形式，除非文中另有明確說明。因此，例如，提到的一種“金屬”包括具有兩種或更多種這樣的“金屬”的例子，除非文中有另外的明確表示。
[0052]在本文中，范圍可以表述為自“約”某一具體值始和/或至“約”另一具體值止。表述這樣的范圍時，其例子包括自一個具體值始和/或至另一個具體值止。類似地，當(dāng)使用先行詞“約”表示數(shù)值為近似值時，應(yīng)理解，具體數(shù)值構(gòu)成另一個方面。應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步理解，各范圍的端點(diǎn)與另一端點(diǎn)相關(guān)和無關(guān)時，都是有意義的。
[0053]除非另有明確說明，否則，不應(yīng)將本文所述的任何方法解釋為必須按照特定的順序進(jìn)行其步驟。因此，當(dāng)方法權(quán)利要求實際上沒有陳述其步驟應(yīng)遵循的順序的時候，或者當(dāng)權(quán)利要求或說明書中沒有另外具體說明所述步驟應(yīng)限于特定順序的時候，不應(yīng)推斷出任何特定順序。
[0054]還要注意本文關(guān)于將本發(fā)明的組分“構(gòu)造成”或“使其適于”是以特定的方式起作用的描述。關(guān)于這方面，將這樣一個組分“構(gòu)造成”或“使其適于”體現(xiàn)特定的性質(zhì)，或者以特定的方式起作用，這樣的描述是結(jié)構(gòu)性的描述，而不是對預(yù)定應(yīng)用的描述。更具體來說，本文所述的將部件“構(gòu)造成”或“使其適于”的方式表示該部件現(xiàn)有的物理條件，因此可以將其看作該部件的結(jié)構(gòu)特征的限定性描述。
[0055]對本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，可以在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下對本發(fā)明作出各種修改和變化。因為本領(lǐng)域技術(shù)人員可以結(jié)合本發(fā)明的精神和實質(zhì)，對所述的實施方式進(jìn)行各種改良組合、子項組合和變化，應(yīng)認(rèn)為本發(fā)明包括所附權(quán)利要求書范圍內(nèi)的全部內(nèi)容及其等同內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種用于形成混合半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括: 提供待粘結(jié)的硅表面和待粘結(jié)的氮化物表面； 將所述硅表面和氮化物表面暴露于含氨的等離子體，來分別形成氨處理的表面； 結(jié)合所述氨處理的硅表面和氨處理的氮化物表面以形成中間粘結(jié)結(jié)構(gòu)；和 對所述中間粘結(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行退火以形成具有在所述硅表面和氮化物表面之間的粘結(jié)界面的粘結(jié)的混合半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述氮化物表面包含氮化鎵。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述氨處理的表面包括氨自由基。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述氨處理的表面包括分子氨。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述氨處理的表面包括氨自由基和分子氨。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述氨處理的表面包括與待粘結(jié)的表面接觸的氨自由基和與所述氨自由基接觸的分子氨。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括在將所述硅表面和氮化物表面暴露于含氨等離子體之后，將所述硅表面和氮化物表面暴露于分子氨。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，實施所述退火來從氨處理的硅表面和氨處理的氮化物表面去除氨自由基和分子氨。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述粘結(jié)界面基本不含氧。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述粘結(jié)的混合半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)是硅-疊-絕緣體結(jié)構(gòu)。
11.一種中間粘結(jié)結(jié)構(gòu)，其包括待粘結(jié)的硅表面、待粘結(jié)的氮化物表面、與各待粘結(jié)的表面接觸的氨自由基以及和所述氨自由基接觸的分子氨。
12.—種粘結(jié)的混合半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其包括硅表面和氮化物表面之間的粘結(jié)界面，其特征在于，所述粘結(jié)界面基本上不含氧。
13.—種包括如權(quán)利要求12所述的粘結(jié)的混合半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的LED。
【文檔編號】H01L33/00GK104471726SQ201380029045
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2013年5月23日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月31日
【發(fā)明者】A·尤森科 申請人:康寧股份有限公司