本发明属于半导体材料复合衬底制造，具体涉及一种具有元素掺杂金刚石改质层的复合衬底及半导体器件。
背景技术：
1、公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
2、异质异构集成是后摩尔时代集成电路技术发展的必然趋势，该技术能实现更小工艺尺度、更高器件集成密度以及更多功能集成，以满足未来集成电路系统的更高需求。异质晶圆键合技术作为异质集成技术的关键技术之一，得益于集成器件的高质量和易加工性成为异质集成的首选技术，在先进封装、高效热管理、新型光子平台以及光电集成等领域应用广泛。
3、金刚石薄膜具有热导率高、化学稳定性强、载流子迁移率高以及载流子饱和浓度大等优点，因此期望获得金刚石薄膜在高温、高频、大功率半导体器件方面的制作和应用，尤其是在散热领域，金刚石是已知半导体材料中热导率最高的材料之一，其热导率高达2200w/m·k，是sic材料的4倍之多，是si材料的13倍之多。这些特性使金刚石作为散热衬底，一方面可以减小半导体器件的热阻，从而极大地提高精密仪器的运行功率，避免热量聚集引起的各类电子器件损坏；另一方面还可在相同尺寸下制造具有更大功率密度的半导体功率器件。
4、但是金刚石与其他半导体材料存在较大的晶格失配和热膨胀系数失配，使键合界面在高温退火及冷却过程中会产生极大的热应力，键合界面无法抵抗热膨胀应力，可能带来高温键合层崩破的问题。在晶圆的键合面刻蚀形成微结构是现有解决该问题的主流方法，可以有效地释放退火过程中产生的热应力提供空间余量，减小复合结构在退火过程中产生的热应力而带来的不良影响。但是微结构设计会减小有效键合面积从而影响键合强度，此外，金刚石晶圆在和si、sic和gan等半导体直接键合时，需施加较大的压力，微结构的存在会使键合晶片受力均匀性等难以有效控制，导致试样在键合过程中易破碎，良品率较低。
5、因此，针对异质晶圆键合过程中的痛点和难点，通过改进键合片的结构设计和生产工艺，提供一个既可以有效缓冲键合中异质材料的热失配问题以提高键合质量，又具有高平整度的衬底以提高键合强度的高热导率金刚石改质层具有十分重要的意义。
技术实现思路
1、为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种具有元素掺杂金刚石改质层的复合衬底及半导体器件，本发明提供的复合衬底在金刚石衬底表面形成交叠的张应力缓冲层和压应力缓冲层，进而代替结构设计，通过元素掺杂实现缓解键合界面产生的热应力匹配问题。
2、为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
3、本发明的第一个方面，提供一种具有元素掺杂金刚石改质层的复合衬底的制备方法，包括如下步骤：
4、利用光刻技术在金刚石衬底表面形成第一离子注入区和非离子注入区；多个非离子注入区间隔设置，相邻两个非离子注入区之间设置第一离子注入区；
5、将晶格常数大于金刚石的元素离子注入第一离子注入区，形成元素掺杂金刚石改质层；
6、对元素掺杂金刚石改质层高温激活；
7、将高温激活后的元素掺杂金刚石改质层进行加工，得到具有元素掺杂金刚石改质层的复合衬底。
8、本发明通过在金刚石衬底表面注入晶格常数大于金刚石的元素，在金刚石表面形成张应力缓冲层，因晶格常数相差大，非离子注入区形成压应力缓冲层，从而形成交叠的张应力缓冲层和压应力缓冲层，进而代替结构设计通过元素掺杂实现缓解键合界面产生的热应力匹配问题。张应力缓冲层的原理在于通过注入晶格常数大于金刚石的元素，使得在金刚石表面局部区域产生拉伸应力。这种拉伸应力能够在高温条件下有效地吸收和分散由于晶格失配引起的热应力，从而降低热应力对键合界面的破坏作用。而压应力缓冲层的原理则是通过注入晶格常数小于金刚石的元素，在金刚石表面引入压缩应力。这种压缩应力在高温下能够部分抵消由于热膨胀引起的应力集中现象，从而进一步平衡界面处的热应力。通过交替注入不同晶格常数的元素，形成张应力和压应力缓冲层的周期性结构，可以有效地形成梯度应力分布。这种梯度应力分布使得键合界面的应力更加均匀地分布，从而显著提高了金刚石与其他半导体材料在高温下的界面稳定性和键合强度。
9、在本发明的一些实施例中，所述第一离子注入区的形状包括但不限于条状、圆环状、网格状或放射状。本发明所述第一离子注入区的形状为其俯视图中第一离子注入区的形状，不同形状的第一离子注入区的宽度和间距需要根据实际情况和具体目标效果而定。
10、本发明中，多个非离子注入区间隔设置，相邻两个非离子注入区之间设置第一离子注入区，可以避免离子注入区发热，减少发热的区的聚集，增加电阻的功率能力。
11、在本发明的一些实施例中，所述光刻技术为常规光刻技术，例如，可包括如下内容：
12、s1、对金刚石衬底进行彻底清洁，确保表面无污染，并在其表面涂覆掩膜材料，形成掩膜层；
13、s2、利用具有几何图案的掩模板对掩膜层进行精确曝光；
14、s3、蚀刻掩膜，暴露出用于元素离子注入的第一离子注入区，未蚀刻部位为非离子注入区。
15、优选的，所述掩膜材料包括但不限于光刻胶、金属薄膜、氧化物薄膜等。当掩膜材料为光刻胶时，所述光刻胶可选用正胶或负胶，制备光刻胶涂层的方式包括但不限于喷涂法、旋涂法或喷墨打印。
16、优选的，所述掩膜版上的几何图案包括但不限于条纹图案、同心圆图案、网格图案或放射图案，图案宽度和间距需要根据实际情况和具体目标效果而定。可以理解的，掩膜版上的几何图案与第一离子注入区的形状相同。
17、优选的，所述精确曝光，曝光技术包括但不限于全息曝光、光学曝光、离子束曝光或电子束曝光技术。优选的，对曝光后的掩膜层进行显影，显影技术包括但不限于正胶显影、负胶显影、湿法显影或干法显影。
18、在本发明的一些实施例中，所述晶格常数大于金刚石的元素包括但不限于磷(p)、硫(s)、硒(se)、硼(b)、铝(al)或硅(si)。
19、在本发明的一些实施例中，将晶格常数大于金刚石的元素离子注入第一离子注入区后，保护第一离子注入区，采用光刻技术蚀刻非离子注入区形成与第一离子注入区同厚度的第二离子注入区；多个第二离子注入区间隔设置，相邻两个第二离子注入区之间设置第一离子注入区；
20、将晶格常数小于金刚石的元素离子注入第二离子注入区，形成元素掺杂金刚石改质层。
21、在本发明的一些实施例中，晶格常数大于金刚石的元素离子和晶格常数小于金刚石的元素离子注入方法相同，注入方法包括直接注入或使用lift-off工艺进行图案化离子注入，均可采用单次或多次注入的方式，注入剂量为1012～1018ions/cm2，注入能量为40～80kev，注入角度为垂直入射，注入时间根据需要注入粒子的能量和剂量而定。
22、优选的，所述直接注入包括对金刚石衬底施加元素的离子注入，构筑元素掺杂金刚石改质层。
23、优选的，所述使用lift-off工艺进行图案化离子注入包括如下步骤：
24、(1)在已经图案化的金刚石衬底上沉积一层保护材料；
25、(2)使用溶剂去除光刻胶和覆盖在光刻胶上的保护材料，保留在衬底上的注入区域；
26、(3)进行元素的离子注入，暴露区域受到注入，其他区域被保护。
27、进一步优选的，所述保护材料包括但不限于金属薄膜(如铝、铜、钛、金、银或铂等)和氧化物薄膜(如二氧化硅、氧化铝、氧化锌、氧化钛或氧化镁等)。
28、进一步优选的，所述溶剂包括但不限于丙酮、异丙醇、n-甲基吡咯烷酮(nmp)、去离子水和专用光刻胶去除剂。
29、在本发明的一些实施例中，将晶格常数大于金刚石的元素离子注入第一离子注入区后，清除光刻胶或保护材料(金属薄膜或氧化物薄膜)残留，为第二次离子注入做准备，并制备光刻胶涂层；采用反相图案的掩模进行第二次光刻曝光；再次显影，蚀刻研磨，暴露出元素离子注入的第二离子注入区。
30、优选的，用于去除金属薄膜和氧化物薄膜的溶剂包括但不限于硝酸、硫酸、盐酸、氢氟酸、过氧化氢和氢氧化钠。
31、在本发明的一些实施例中，所述晶格常数小于金刚石的元素包括但不限于氮(n)、锂(li)或铍(be)。
32、在本发明的一些实施例中，所述高温激活即高温退火处理，以激活离子并修复晶格缺陷，所述高温激活的温度为1100～1400℃，时间为20～120min。
33、在本发明的一些实施例中，所述加工使金刚石衬底表面的元素掺杂金刚石改质层厚度偏差小于3μm，表面粗糙度达到0.2～20nm。对元素掺杂金刚石改性层进行精密加工，以确保其表面接合兼容性。
34、本发明的第二个方面，提供一种具有元素掺杂金刚石改质层的复合衬底，所述复合衬底通过所述的制备方法制得，其由金刚石衬底和其表面的元素掺杂金刚石改质层组成。
35、在本发明的一些实施例中，所述元素掺杂金刚石改质层的厚度为10nm～10μm。可以理解的，所述元素掺杂金刚石改质层指由离子注入后的第一离子注入区和非离子注入区构成的元素掺杂金刚石改质层或由离子注入后的第一离子注入区和第二离子注入区构成的元素掺杂金刚石改质层。
36、本发明的第三个方面，提供一种半导体器件，包括所述的复合衬底和键合于所述复合衬底的元素掺杂金刚石改质层的半导体材料。
37、在本发明的一些实施例中，所述半导体材料包括但不限于si、sio2、gan、inp、sic、gaas、aln或li3po4。
38、本发明的第四个方面，提供一种所述的半导体器件的制备方法，包括如下步骤：
39、将半导体材料低温键合于所述的复合衬底的元素掺杂金刚石改质层即得。
40、在本发明的一些实施例中，所述半导体材料包括但不限于si、sio2、gan、inp、sic、gaas、aln或li3po4。
41、在本发明的一些实施例中，所述低温键合包括但不限于等离子活化键合、亲水性键合、疏水性键合、阳极键合或bcb键合。
42、本发明的有益效果为：
43、针对金刚石与其他半导体材料之间因晶格常数和热膨胀系数失配导致的键合界面在高温下产生巨大热应力的问题，本发明提出了一种具有元素掺杂金刚石改质层的复合衬底。本发明充分发挥了金刚石衬底出色的热导性，又通过交错离子注入的元素掺杂对金刚石衬底进行改质，形成交叠的张应力缓冲层和压应力缓冲层，进而缓解键合界面产生的热应力失配问题。此外，通过采用元素掺杂金刚石改质层代替传统微结构设计解决热应力问题，增加了有效键合面积，显著提升了晶圆的键合强度。
44、本发明通过在金刚石衬底表面注入晶格常数大于金刚石的元素，在金刚石表面形成张应力缓冲层，因晶格常数相差大，非离子注入区形成压应力缓冲层，从而形成交叠的张应力缓冲层和压应力缓冲层，进而代替结构设计通过元素掺杂实现缓解键合界面产生的热应力匹配问题。为进一步缓解键合界面产生的热应力匹配问题，在金刚石衬底表面注入晶格常数大于金刚石的元素，在金刚石表面形成张应力缓冲层；交替注入晶格常数小于金刚石的元素，在金刚石表面形成压应力缓冲层，形成交叠的张应力缓冲层和压应力缓冲层，进一步缓解了键合界面产生的热应力失配问题。
1.一种具有元素掺杂金刚石改质层的复合衬底的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的具有元素掺杂金刚石改质层的复合衬底的制备方法，其特征在于，所述第一离子注入区的形状包括条状、圆环状、网格状或放射状。
3.如权利要求1所述的具有元素掺杂金刚石改质层的复合衬底的制备方法，其特征在于，所述晶格常数大于金刚石的元素包括磷、硫、硒、硼、铝或硅。
4.如权利要求1所述的具有元素掺杂金刚石改质层的复合衬底的制备方法，其特征在于，将晶格常数大于金刚石的元素离子注入第一离子注入区后，保护第一离子注入区，采用光刻技术蚀刻非离子注入区，形成与第一离子注入区同厚度的第二离子注入区；多个第二离子注入区间隔设置，相邻两个第二离子注入区之间设置第一离子注入区；
5.如权利要求1或4所述的具有元素掺杂金刚石改质层的复合衬底的制备方法，其特征在于，所述注入，注入方法包括直接注入或使用lift-off工艺进行图案化离子注入，注入剂量为1012～1018ions/cm2，注入能量为40～80kev，注入角度为垂直入射。
6.如权利要求1所述的具有元素掺杂金刚石改质层的复合衬底的制备方法，其特征在于，所述高温激活的温度为1100～1400℃，时间为20～120min。
7.如权利要求1所述的具有元素掺杂金刚石改质层的复合衬底的制备方法，其特征在于，所述加工使金刚石衬底表面的元素掺杂金刚石改质层厚度偏差小于3μm，表面粗糙度达到0.2～20nm。
8.一种具有元素掺杂金刚石改质层的复合衬底，其特征在于，所述复合衬底通过权利要求1-7任一所述的制备方法制得，其由金刚石衬底和其表面的元素掺杂金刚石改质层组成；
9.一种半导体器件，其特征在于，包括如权利要求8所述的复合衬底和键合于所述复合衬底的元素掺杂金刚石改质层的半导体材料；
10.一种权利要求9所述的半导体器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
