包括多晶金刚石膜的接合衬底的制作方法

包括多晶金刚石膜的接合衬底
1.相关申请的交叉引用
2.申请人要求2020年4月23日提交的美国临时专利申请第63/014,163号的优先权。本技术是分别于2020年5月14日和2018年7月17日提交的美国专利申请第16/874,164号和第16/037,499号的部分继续申请。美国临时专利申请第63/014,163号和美国专利申请第16/874,164号和第16/037,499号的全部公开内容通过引用并入本文。


技术实现要素：

3.本公开涉及一种晶片，其包括含硅层、沉积在含硅层上的多晶金刚石层和位于含硅层的另一侧的用于减小晶片弯曲的弯曲补偿层。减小或消除的晶片弯曲可由含硅层和多晶金刚石层的相应材料的热膨胀系数之间的不匹配引起。
4.根据一个优选实施方案，晶片弯曲(定义如下)可以小于50微米。根据其他优选实施方案，可以在多晶金刚石层上或上方形成一个或多个层，诸如除多晶金刚石之外的沉积材料的抛光层，和/或具有交替的低声阻抗和高声阻抗的沉积的声反射镜层。
5.本公开还涉及一种制造接合结构的方法，其包括在第一衬底的表面上进行活化过程，以至少在该表面上产生悬空键，然后使第一衬底的表面与第二衬底的表面进行接触接合。活化过程可以是例如等离子体活化过程。接合可以在室温下进行，或者接合结构可以在低温下进行热退火。
6.根据一个优选实施方案，除金刚石之外的材料沉积在多晶金刚石层上，然后降低除金刚石之外的材料的表面粗糙度。在难以将多晶金刚石层抛光到适用于接触接合的表面粗糙度的情况下，这种方法尤其有用。如果需要，通过化学机械抛光、离子铣削和/或磁流变精整来降低除金刚石以外的材料的表面粗糙度。
7.根据另一个优选实施方案，为了在两个衬底之间产生化学键所需的悬空键，可以至少在第一衬底的表面上进行水处理过程。悬空键促进化学活性的方式类似于自由基促进化学活性的方式。衬底的接触接合最初可以通过范德华力(van der waals forces)来建立。水可以由合适的来源提供，例如兆频超声波清洗过程或环境湿气。
8.本公开还涉及包括第一衬底和第二衬底的接合结构，其中第一衬底包括含硅层、多晶金刚石层、用于减小第一衬底的晶片弯曲的弯曲补偿层以及接合表面，并且第二衬底包括氮化镓、碳化硅、铌酸锂、钽酸锂、砷化镓、磷化铟或另一种合适的材料和接合表面，并且其中两个衬底的接合表面彼此接触接合。
9.根据一个优选实施方案，第二衬底包括可移除的载体层，所述载体层可用于在两个衬底彼此接合之前处理第二衬底。
附图说明
10.图1是根据本公开构造的晶片结构的截面图；
11.图2是根据本公开构造的另一晶片结构的截面图；
12.图3是将第一晶片结构和第二晶片结构彼此接合的方法的示意图；
13.图4是根据本公开构造的接合结构的截面图；
14.图5是根据本公开构造的不含金刚石的分层结构的截面图；
15.图6是根据本公开构造的又一晶片结构的截面图；
16.图7是包括图5和图6的分层结构和晶片结构的接合结构的截面图；并且
17.图8是图7的接合结构在后续生产阶段的截面图。
具体实施方式
18.现在参考附图，其中相同的元件用相同的附图标记表示，图1中示出根据本公开构造的晶片结构10的实例。晶片结构10包括含有硅(si)的晶片12、沉积在晶片12的正面16上的由多晶金刚石形成的金刚石层14、以及沉积在晶片12的背面20上的弯曲补偿层18。如果需要，晶片12可以由元素硅形成。弯曲补偿层18可以是高抗压强度材料的膜或层。
19.含硅晶片12和金刚石层14的材料的热膨胀系数(cte)之间的不匹配倾向于在晶片结构10内引起不希望的晶片弯曲。弯曲补偿层18通过提供晶片背面补偿来防止或至少减小此种晶片弯曲的程度。弯曲补偿层18可以是高抗压强度材料的膜，诸如氮化铝(aln)、氮化硅(sin)或一些其他合适的介电材料。可选地，弯曲补偿层18可以包括高抗压强度金属或一些其他高抗压强度材料。
20.如本文所用，术语“晶片弯曲”意指晶片12的背面20的中心部分22从延伸穿过晶片12的背面边缘26、28的平面24的相应中心部分向上偏转(如图1所示)的程度。换句话说，如本文所用，术语“晶片弯曲”意指(a)晶片12的背面中心部分22和(b)平面24之间在垂直于平面24的方向上的距离。如果需要，晶片结构10可以具有《50μm，更优选《35μm，甚至更优选《25μm，并且甚至更优选《15μm的晶片弯曲。
21.在图1所示的实例中，通过在晶片12的正面16上沉积或将多晶金刚石接合到所述晶片的正面，然后抛光金刚石层14的正面30来形成金刚石层14。如果尽管进行此种抛光，金刚石层正面30的表面粗糙度对于表面接合太粗糙，则一种或多种外来材料可能沉积在金刚石层正面30上，并被抛光到足够低并适用于晶片接合的表面粗糙度。
22.沉积在金刚石层正面30上的一种或多种外来材料可以包括例如介电材料如二氧化硅(sio2)、金属层或半导体层如硅(si)。可以在一种或多种外来材料上进行化学机械抛光(cmp)，以提供足够低并适用于晶片接合的表面粗糙度。如果化学机械抛光导致不希望的晶片内不均匀性(wwnu)，则可以通过磁流变精整(mrf)或离子铣削来补充或替代抛光。
23.根据本公开的一个方面，化学机械抛光过程是可选的。如果需要，根据不需要化学机械抛光的过程，一种或多种外来材料可以沉积或以其他方式施加到具有足够光滑表面的金刚石层正面30上。例如，sio2层可以沉积或以其他方式施加到具有足够光滑表面的金刚石层正面30上，使得不需要sio2层的化学机械抛光。根据本公开的另一个实施方案，例如，可以在金刚石层上应用旋涂玻璃过程，以提供用于所需接合过程的足够光滑的表面，使得不需要化学机械抛光。
24.用于形成晶片结构10的合适过程如下：在含硅晶片12(衬底的一个实例)的正面16上生长多晶金刚石，以产生金刚石层14(但是具有粗糙表面)。然后，金刚石层14的粗糙表面被抛光成镜面光洁度，连同其他处理步骤以获得期望的晶片规格。然后，通过在晶片12的背面20上沉积氮化铝层18来进行补偿过程，从而防止或至少减小由晶片12和多晶金刚石层14
的热膨胀系数之间的不匹配引起的弯曲。
25.图2示出在正面102上具有适当低的表面粗糙度的晶片结构100。晶片结构100在图1的晶片结构10的金刚石层正面30上依次包括声反射镜层104、106、108的堆叠。第一层104可以包括sio2。第二层106可以包括w、aln或sic。第三层108可以包括sio2或si。晶片结构100可以通过沉积声反射镜层104、106、108或低声/高声材料的其他组合，或者通过以相同顺序或不同顺序交替沉积低声阻抗层和高声阻抗层以构造用于反射声波的有效声反射镜来制造。如果需要，类似于所示的层104、106、108的附加层(未示出)可以以重复的图案沉积在晶片结构10上，以获得所需的物理、声学、热学或其他益处和特性。
26.如果需要，晶片结构100的最顶层108可以是几十微米厚，或者小于十微米厚，或者小于一微米厚。最顶层108可以是例如约1.5μm的低声阻抗材料(sio2或si，优选非晶硅)层。最顶层108的表面102可以被化学机械抛光以获得期望的表面粗糙度，所述粗糙度可以是ra≤2nm，或者更优选≤1nm。如果抛光表面102具有不可接受的晶片内不均匀性，则可以采用离子修整或磁流变精整来将sio2/si最顶层108进一步减小到均匀厚度。
27.在一个替代实施方案中，至少过渡层(未示出)可以沉积在晶片结构10上，以实现可接受的表面粗糙度。
28.制备包括多晶金刚石材料层的接合衬底以生产图2所示的装置100的过程可以包括表面准备，以获得晶片与晶片接合所需的低表面粗糙度，如下所述：首先，在多晶金刚石层14的正面30上沉积至少一个外来材料层108。用于实现期望的低表面粗糙度的外来材料可以是各种不同材料或装置中的一种或多种，包括但不限于介电材料、金属材料或半导体材料，诸如pecvd二氧化硅。然后，外来材料的表面102被抛光到适用于晶片与晶片接合的表面粗糙度。然后，作为任选步骤，通过合适的方法，诸如离子铣削或磁流变精整，将抛光的外来层108减小到均匀的期望厚度。
29.图3所示的过程可用于将包括氮化镓(gan)、碳化硅(sic)、铌酸锂(linbo3)、钽酸锂(litao3)或另一合适材料的一个或多个层接合到包括多晶金刚石的分层结构100，其中接合在低温下(例如，在接合温度《250℃下)进行。首先，在等离子体活化步骤202中，晶片结构100的最顶层108的表面102被等离子体活化，以在晶片表面102上产生悬空键。等离子体可以包含氮气、氧气、化学活性气体或惰性气体。如果需要，也可以使用类似或合适的表面活化过程来活化另一个衬底的表面。
30.根据本公开的其他实施方案，如果需要，本文所述的表面活化过程可以与除金刚石以外的材料结合使用。通常，可以使用一种或多种活化过程来促进均不含金刚石的衬底的接触接合。
31.然后，在任选的水处理步骤206中，等离子体活化的表面102被水进一步活化，水可以由兆频超声波清洗过程提供，或者由环境中的湿气提供。如果需要，可以通过水或空气中的湿气来活化待接合在一起的两个衬底的表面。
32.然后，在任选的对准步骤208中，根据需要对准晶片。然后，在接合步骤210期间，晶片通过例如范德华力彼此接触接合以在其间建立接合，然后，在退火步骤212期间，接合的晶片在低温下进行热退火。退火温度可以例如≤300℃，或≤450℃，或≤600℃。然后，可以将接合的结构进一步加工成所需装置，该装置可以是无源装置或有源装置。
33.根据本发明的另一方面，为了实现低温或室温的晶片与晶片接合，可以通过在真
空下的快速原子束(fab)处理来活化包含金刚石的衬底的表面102。所需的活化在活化的表面上产生悬空键。另一个衬底(不包括金刚石的衬底)的表面可以通过类似的过程来活化。在一个或两个表面被活化后，它们可以在高真空下对准，然后彼此接合。接合过程可以任选地在压力下进行。
34.如果希望将gan、sic、linbo3或litao3层接合到包括金刚石的衬底上，则接合过程可以在甚至更低的温度(例如室温)下进行。室温接合过程的晶片表面准备可以与低温过程的相同；然而，如果需要，可以通过快速原子束处理来活化晶片表面，并且接合压力可以《1.0
×
10-5
pa。
35.图4示出根据本公开构造的晶片结构的另一个实例，其中衬底300包括多晶金刚石层14和铌酸锂(linbo3)层302。图4中所示的衬底300包括图1中所示的晶片结构10。如图4中所示，沉积在金刚石层14上的sio2层108的抛光的正面102可以接合到铌酸锂层302上。如果需要，在铌酸锂层302接合到sio2层108之前，sio2层108的厚度可以减小到小于2微米，更优选小于1微米。
36.图5示出分层结构400的实例，该分层结构包含外延沉积在外延沉积衬底上的氮化镓(gan)的沟道层402。虽然层402在所示的实例中包括氮化镓，但是外延沉积层402可以另选地包括碳化硅、铌酸锂、钽酸锂或另一种合适的材料。所示结构400具有沉积在硅或碳化硅衬底406上的氮化铝(aln)成核层404。algan过渡层408沉积在成核层404上。gan缓冲层410沉积在过渡层408上，并且gan层402沉积在缓冲层410上。
37.可以由algan形成的阻挡层412沉积在gan沟道层402上，然后sin钝化层414可以沉积在阻挡层412上。载体衬底416可以沉积在钝化层414上或接合到所述钝化层，然后可以移除si或sic衬底406。如果需要，成核层404、过渡层408和/或部分或全部缓冲层410可以与si或sic衬底406一起被去除或在其去除之后被去除。
38.图6示出分层结构500，其包括金刚石并且适于接合到含gan的分层结构400(图5)。图6的分层结构500具有包括氮化铝的最顶层膜502。分层结构500通过在多晶金刚石层14的表面上沉积氮化铝膜502来制备。沉积膜502也可以是介电层、金属层或半导体层。沉积膜502可以经受化学机械抛光、离子修整和/或磁流变精整，以获得期望的低表面粗糙度，其可以是例如ra≤1nm。在抛光之后，氮化铝层502的厚度，即如图6所示，可以在40nm到50nm的范围内。
39.图7示出接合图5和图6的分层结构的结果。在通过快速原子束处理活化之后，可以使用上述室温过程来进行接合。然而，本公开不限于本文描述的实例。因此，该过程不仅可用于将含氮化镓的分层结构接合到沉积在硅晶片上的含金刚石的分层结构上，还可用于将含碳化硅、铌酸锂、钽酸锂或另一合适材料的分层结构接合到沉积在硅晶片上的含金刚石的分层结构上。此外，图5和图7中所示的成核层、过渡层和缓冲层404、408、410可以被去除，以获得改善的物理、热、电或电磁益处。在将分层结构400接合到分层结构500(图6)之前，载体衬底416可以用于处理分层结构400。在接合过程之后，可以移除载体衬底416(图8)。
40.在图8中所示的实例中，接合结构包括弯曲补偿层18。然而，根据本公开的其他优选实施方案，如果接合的衬底不引起大量的晶片弯曲，例如，因为衬底足够小，或者由于一些其他原因，则可以不包括弯曲补偿层18。
41.本公开提供一种在低温或甚至更低的室温下将第一衬底(诸如晶片)接合到第二
衬底(例如另一晶片)的方法。第一衬底可以包含沉积在硅上的多晶金刚石层。第二衬底可以包含氮化镓、氮化硅、铌酸锂、钽酸锂和/或另一种合适的材料。此种衬底的低温或室温接合在需要克服金刚石、硅、铌酸锂、钽酸锂和可能在沉积或接合材料的叠层中的其他相关材料的热膨胀系数之间不匹配的情况下可能是特别有利的。
42.根据本公开，低温下的晶片与晶片接合可以通过由n2、o2和/或惰性气体的等离子体在一个或多个晶片表面上进行表面活化过程来实现，以在活化的表面上产生悬空键，随后将表面彼此接合。如果需要，表面可以在等离子体活化之后和接合之前，通过大气湿气或清洁水进一步活化。
43.通过快速原子束活化或离子束铣削在一个或多个晶片表面上进行表面活化过程，以在活化表面上产生悬空键，随后在真空和室温下将表面彼此接合，可以实现室温下的晶片与晶片接合。如果需要，活化过程可以由化学活化过程来补充或替代，所述化学活化过程使用合适的材料来实现一个或多个待接合的衬底的表面的活化，其中合适的材料是氧化剂、酸、碱等。
44.上面描述的都是实例。本公开旨在包含落入包括所附权利要求在内的本技术范围内的对本文所述主题的改变、修改和变化。如本文所用，术语“包括”意指包括但不限于。术语“基于”意指至少部分基于。此外，在公开内容或权利要求中列举“一个(a/an)”、“第一”或“另一个”元件或其等同物时，其应被解释为包括一个或多于一个此类元件，既不要求也不排除两个或更多个此类元件。
45.要求美国专利证书保护的新内容是: