本发明涉及goi材料的制备方法，尤其是涉及利用直流磁控溅射非晶硅(a-si)薄膜实现无界面气泡goi键合的一种无界面气泡绝缘层上锗键合方法。
背景技术：
随着现代通信技术、集成电路和光通信技术的发展，半导体材料科学和技术领域也得到了迅速的发展。目前，以硅材料为主导的32nm的微纳米集成电路工艺已经进入了工业化阶段，随着器件特征尺寸的进一步缩小，集成电路的发展遇到了诸多瓶颈，特征线宽的进一步降低导致的器件性能弱化等原因导致mosfet研究陷入僵局[1,2]。因此，寻找新的高性能材料、新的器件结构工艺，是进一步提高器件性能的必然途径。
锗(ge)材料由于具有高的电子和空穴迁移率[3,4]，且在通信波段有较高的吸收系数[5,6]，此外ge材料的工艺与成熟的sicmos工艺基本兼容，ge器件在si基光电集成方面具有非常良好的应用。因此，近年来ge材料受到了越来越多的关注。然而，与si器件相比，ge器件在低功耗、抗辐射、耐高温等方面的性能并无明显优势。而且由于ge的禁带宽度较小，ge器件也承受着大漏电流的致命缺点，这也严重阻碍了ge器件的更广泛应用。绝缘层上锗(goi)继承了soi衬底材料的低功耗、抗辐射、耐高温、高集成度等特点很好的解决了体ge材料的缺点，成为提升器件性能的首选材料[7,8]。
目前制备goi的方法有ge浓缩法[9]，液相外延法[10]和键合法[11]等，相比于其他方法，键合方法制备的goi中ge层的穿透位错密度最低(<106cm-2)，材料质量最好，然而在键合过程中由于界面亲水反应的发生难免会在界面引入高密度的气泡，从而导致键合面积减少，气泡密度过多将导致goi无法正常使用。因此，如何降低goi键合过程中的气泡密度成为goi键合的关键。
参考文献：
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[2]tsuchiyama,k.,etal."monolithicintegrationofsi-mosfetandgan-ledusingsi/sio2/gan-ledwafer."appliedphysicsexpress9.10(2016):104101.
[3]kim,j.,etal."theefficacyofmetal-interfaciallayer-semiconductorsource/drainstructureonsub-10-nmn-typegefinfetperformances."ieeeelectrondeviceletters35.12(2014):1185-1187.
[4]li,c.,etal."improvedelectricalcharacteristicsofgepmosfetswithzro2/hfo2stackgatedielectric."ieeeelectrondeviceletters37.1(2016):12-15.
[5]wang,c.,etal."high-performancegepnphotodiodeachievedwithpreannealingandexcimerlaserannealing."ieeephotonicstechnologyletters27.14(2015):1485-1488.
[6]yu,h.,etal."high-efficiencypinphotodetectorsonselective-area-growngeformonolithicintegration."ieeeelectrondeviceletters30.11(2009):1161-1163.
[7]yu,x.,etal."evaluationofmobilitydegradationfactorsandperformanceimprovementofultrathin-bodygermanium-on-insulatormosfetsbygoithinningusingplasmaoxidation."ieeetransactionsonelectrondevices64.4(2017):1418-1425.
[8]poborchii,v.,etal."ramanspectroscopiccharacterizationofgermanium-on-insulatornanolayers."appliedphysicsletters108.8(2016):083107.
[9]tezuka,t.,etal."anovelfabricationtechniqueofultrathinandrelaxedsigebufferlayerswithhighgefractionforsub-100nmstrainedsilicon-on-insulatormosfets."japanesejournalofappliedphysics40.4s(2001):2866.
[10]liu,y.etal."high-qualitysingle-crystalgeoninsulatorbyliquid-phaseepitaxyonsisubstrates."appliedphysicsletters84.14(2004):2563-2565.
[11]yu,c-y.,etal."low-temperaturefabricationandcharacterizationofge-on-insulatorstructures."appliedphysicsletters89.10(2006):101913.
技术实现要素：
本发明的目的在于针对goi在键合过程中遇到的键合界面存在高密度气泡的问题，提供利用磁控溅射的a-si界面过渡层来实现键合界面气泡消除的一种无界面气泡绝缘层上锗键合方法。
本发明包括以下步骤：
1)将基底材料ge片、sio2/si片分别超声清洗，去除基底表面吸附颗粒物和有机物；
2)将步骤1)超声清洗后的sio2/si片用h2so4和h2o2的混合溶液煮沸后冲洗，再用nh4oh、h2o2和h2o的混合溶液煮沸后冲洗，然后用hcl、h2o2和h2o的混合溶液煮沸后冲洗；
3)将步骤1)超声清洗后的ge片用盐酸溶液浸泡，漂洗；
4)重复步骤3)，然后将处理后ge片放入氢氟酸溶液中浸泡，冲洗，甩干后放入磁控溅射系统，溅射生长一层a-si过渡层；
5)将步骤2)冲洗后的sio2/si片与步骤4)溅射后的ge片置于氨水溶液中处理，以增强基片表面亲水性，再甩干后进行贴合，得ge/sio2/si贴合片；
6)将步骤5)得到的ge/sio2/si贴合片热压键合，即完成无界面气泡绝缘层上锗键合。
在步骤1)中，所述超声清洗可采用丙酮、乙醇和去离子水依次超声清洗8～10min。
在步骤2)中，所述h2so4和h2o2的混合溶液中h2so4与h2o2的体积比可为4︰1；所述nh4oh、h2o2和h2o的混合溶液中nh4oh、h2o2、h2o的体积比可为1︰1︰4；所述hcl、h2o2和h2o的混合溶液中hcl、h2o2、h2o的体积比可为1︰1︰4；所述煮沸的时间均可为8～12min；所述冲洗均可采用去离子水冲洗10～15次。
在步骤3)中，所述盐酸溶液中hcl与h2o的体积比可为1︰4；所述浸泡的时间可为30s，所述漂洗可在去离子水中漂洗30s。
在步骤4)中，所述重复步骤3)可重复5次；所述氢氟酸溶液中hf与h2o的体积比可为1︰(19～21)；所述浸泡的时间可为2min；所述冲洗可用去离子水冲洗15次；所述甩干可用甩干机甩干；所述溅射生长一层a-si过渡层的具体方法可为：待溅射室本底真空度小于1×10-4pa，向溅射室内充入纯度为5n的ar气体，通过控制气压和转盘转速调控溅射a-si表面的速率和平整度，通过直流磁控溅射生长一层2～5nm的a-si过渡层。
在步骤5)中，所述氨水溶液中nh4oh与h2o的体积比可为1︰10；所述甩干后进行贴合可采用甩干机甩干；所述处理的时间可为30s。
在步骤6)中，所述热压键合可放入晶片键合机中对样品进行热压键合。
本发明在清洗后的ge片表面采用磁控溅射技术生长一层平整的a-si过渡层来实现goi的键合，通过a-si过渡层对键合界面的钝化效应来实现零气泡goi键合。
本发明创造性地提出利用磁控溅射a-si薄膜来实现无气泡goi的键合，该方法不仅可以解决goi亲水键合中由于界面亲水反应形成的气泡问题，而且能在极低温度(250℃)下实现goi的键合。本发明提出的方法是一种简易且低成本的goi材料制备新方法。
附图说明
图1为本发明实施例1所得样品afm图。
图2为本发明实施例1所得样品超声波显微镜测试图。
图3为本发明实施例2所得样品afm图。
图4为本发明实施例2所得样品超声波显微镜测试图。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
实施例1
所用设备为trp-450复合薄膜溅射沉积系统，生长室内安置两个直流靶位和一个射频靶位。所用的靶材为5n(99.999％以上)的高纯si圆形靶材。所用的sio2/si衬底材料晶向为(100)的p型单晶si片，单面抛光，电阻率为0.008～0.02ω·cm，顶层热氧化sio2的厚度为200nm，所用的ge衬底材料为晶向(100)的p型单晶ge片，单面抛光，电阻率为0.05ω·cm。
一，sio2/si和ge基底材料的处理
1)将sio2/si和ge基底材料用丙酮、乙醇、去离子水分别依次超声清洗8min，去除基底表面附着颗粒物和有机物；
2)将有机超声清洗后的sio2/si片用h2so4︰h2o2＝4︰1的溶液煮沸8min，去离子水冲洗15次；
3)将h2so4清洗后的sio2/si片接着用nh4oh︰h2o2︰h2o＝1︰1︰4的溶液煮沸10min，去离子水冲洗15次；
4)将nh4oh清洗后的sio2/si片最后用hcl︰h2o2︰h2o＝1︰1︰4的溶液中煮沸12min，去离子水冲洗15次；
5)将有机超声清洗后的ge片置于盐酸溶液(hcl︰h2o＝1︰4)中浸泡约30s，在去离子水中漂洗30s，重复清洗5遍，去离子水冲洗15次；
6)将hcl清洗后的ge片用hf︰h2o＝1︰20的溶液浸泡2min，去离子水冲洗15次。
二，si薄膜的溅射与goi的键合
1)将清洗后的ge片用甩干机在4000rpm甩干30s后放入溅射沉积系统，待磁控溅射室本底真空度小于1×10-4pa，向溅射室内充入纯度为5n的ar气体，通过调节气体流量控制溅射室内的压强，当通入的气体流量为3sccm时溅射室内的压强保持在0.3pa，同时开启直流溅射电源；
2)调节直流溅射电源电流为0.1a，样品托转速为10rpm，室温下，在ge衬底上溅射一层厚度为2nm的a-si薄膜，沉积速率为2.42nm/min；
3)将清洗后的sio2/si片与溅射完a-si薄膜的ge片置于稀释的氨水溶液(nh4oh︰h2o＝1︰10)中处理30s，以增强基片表面亲水性；
4)将稀释的nh4oh处理后的ge片和sio2/si片用甩干机甩干后在室温下进行贴合；
5)将贴合后的ge/sio2/si样品放入晶片键合机，待键合机的真空度抽至10-5mbar后对ge/sio2/si样品施加800n的力，并在100℃退火2h，150℃退火1h和250℃退火2h，升温和降温速率为5℃/min；
6)将溅射2nma-si的ge片进行afm测试，从图1可以看出，溅射2nm的ge薄膜表面平整，粗糙度为0.58nm。接着对键合后的goi样品界面气泡进行超声波显微镜测试，从图2可以看出，利用2nma-si层作为过渡层的样品界面的大气泡基本上消失，只剩下几个小气泡。
实施例2
所用设备为trp-450复合薄膜溅射沉积系统，生长室内安置两个直流靶位和一个射频靶位。所用的靶材为5n(99.999％以上)的高纯si圆形靶材。所用的sio2/si衬底材料晶向为(100)的p型单晶si片，单面抛光，电阻率为0.008～0.02ω·cm，顶层热氧化sio2的厚度为200nm，所用的ge衬底材料为晶向(100)的p型单晶ge片，单面抛光，电阻率为0.05ω·cm。
一，sio2/si和ge基底材料的处理
1)将sio2/si和ge基底材料用丙酮、乙醇、去离子水分别依次超声清洗10min，去除基底表面附着颗粒物和有机物；
2)将有机超声清洗后的sio2/si片用h2so4︰h2o2＝4︰1的溶液煮沸10min，去离子水冲洗15次；
3)将h2so4清洗后的sio2/si片接着用nh4oh︰h2o2︰h2o＝1︰1︰4的溶液煮沸10min，去离子水冲洗15次；
4)将nh4oh清洗后的sio2/si片最后用hcl︰h2o2︰h2o＝1︰1︰4的溶液中煮沸10min，去离子水冲洗15次；
5)将有机超声清洗后的ge片置于盐酸溶液(hcl︰h2o＝1︰4)中浸泡约30s，在去离子水中漂洗30s，重复清洗5遍，去离子水冲洗15次；
6)将hcl清洗后的ge片用hf︰h2o＝1︰20的溶液浸泡2min，去离子水冲洗15次。
二，si薄膜的溅射与goi的键合
1)将清洗后的ge片用甩干机在4000rpm甩干30s后放入溅射沉积系统，待磁控溅射室本底真空度小于1×10-4pa，向溅射室内充入纯度为5n的ar气体，通过调节气体流量控制溅射室内的压强，当通入的气体流量为3sccm时溅射室内的压强保持在0.3pa，同时开启直流溅射电源；
2)调节直流溅射电源电流为0.1a，样品托转速为10rpm，室温下，在ge衬底上溅射一层厚度为5nm的a-si薄膜，沉积速率为2.42nm/min；
3)将清洗后的sio2/si片与溅射完a-si薄膜的ge片置于稀释的氨水溶液(nh4oh︰h2o＝1︰10)中处理30s，以增强基片表面亲水性；
4)将稀释的nh4oh处理后的ge片和sio2/si片用甩干机甩干后在室温下进行贴合；
5)将贴合后的ge/sio2/si样品放入晶片键合机，待键合机的真空度抽至10-5mbar后对ge/sio2/si样品施加800n的力，并在100℃退火2h，150℃退火1h和250℃退火2h，升温和降温速率为5℃/min；
6)将溅射完5nma-si的ge片进行afm测试，从图3可以看出，溅射5nm的a-si薄膜表面较为平整，粗糙度为0.75nm。接着对键合后样品的界面气泡进行超声波显微镜测试，从图4可以看出，利用5nma-si层作为过渡层的样品界面的气泡已经完全消失。