CN110473778B - 一种利用等离子体活化直接键合氧化锆和三氧化二铝的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用等离子体活化直接键合氧化锆和三氧化二铝的方法,所述方法包括如下步骤:步骤一、采用O2/NH3/H2O等离子体对待键合的ZrO2和Al2O3晶片进行活化;步骤二、将活化的ZrO2和Al2O3表面置于大气环境下相互贴合形成预键合,并将预键合的ZrO2/Al2O3样品在大气下静置;步骤三、将静置后的ZrO2/Al2O3预键合样品进行退火处理。本发明实现了超硬材料Al2O3和ZrO2的无中间层直接键合,键合后的Al2O3和ZrO2晶片依然能保持原有的单一晶体取向。因此,能够减小场效应晶体管的漏电流,降低其特征尺寸,减小器件的损耗,提高器件的性能。
Description
技术领域
本发明属于晶圆直接键合技术领域,涉及一种等离子体活化直接键合ZrO2和Al2O3的方法,具体涉及一种利用O2、NH3、H2O三种混合气体等离子体(即O2/NH3/H2O等离子体)活化低温直接键合单晶的Al2O3和ZrO2,来制备单晶态ZrO2/Al2O3异质结构的方法。
背景技术
为了降低电子产品的能量消耗,增加其运行速率,器件小型化已经成为一种必然的发展趋势。相应地,降低场效应晶体管的漏电流和减小其特征尺寸势在必行。因此,采用高介电常数的氧化锆(Zirconia,ZrO2)来替代目前常用的二氧化硅(Silicon dioxide,SiO2)来作为栅极绝缘材料是一种可行且有效的方案。其中,ZrO2的介电常数为25~47,SiO2的介电常数为3.9。但现有的实验结果表明在硅(Silicon,Si)衬底与ZrO2的界面处常常会形成低介电常数的中间层,在一定程度上限制了栅极绝缘层的最小特征尺寸。为了解决这一问题,在Si与ZrO2之间引入热稳定性和化学稳定性良好的三氧化二铝(Aluminumtrioxide,Al2O3)作为钝化层在理论上能起到较好的效果。其中,Al2O3的介电常数为8~9。
然而,Al2O3和ZrO2两者之间的晶格常数不匹配。其中,Al2O3为六方晶系,晶格常数a=b=4.748Å,c=12.97Å;ZrO2为立方晶系,晶格常数a=b=c=4.147Å。通过沉积或者溅射的方法制备ZrO2/Al2O3异质结构时,ZrO2通常以多晶态存在。而晶界的产生增加了漏电流产生的路径,降低了器件的性能和可靠性。因此,如何制备Al2O3和ZrO2均为单晶的ZrO2/Al2O3异质结构,对于器件小型化的发展和降低能量损耗具有重要的研究意义。
发明内容
针对上述ZrO2/Al2O3异质结构中存在多晶ZrO2的问题,本发明提供了一种利用等离子体活化直接键合氧化锆和三氧化二铝的方法。该方法能够在300℃下对单晶的Al2O3和ZrO2实现高强度直接键合,并且维持ZrO2/Al2O3异质结构两侧基体的单晶晶体结构。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
一种利用等离子体活化直接键合氧化锆和三氧化二铝的方法,包括如下步骤:
步骤一、采用O2/NH3/H2O等离子体对待键合的ZrO2和Al2O3晶片进行活化,其中:所述O2/NH3/H2O等离子体由高压瓶内的纯O2和加热NH3·H2O溶液逸出的NH3和H2O导入等离子体装置中而产生,加热NH3·H2O溶液的温度为40~100℃;活化时间为1~20min;O2/NH3/H2O等离子体的体积比为5~30:1~3:5~10;
步骤二、将活化的ZrO2和Al2O3表面置于大气环境下相互贴合形成预键合,并将预键合的ZrO2/Al2O3样品在大气下静置,其中:所述大气环境的湿度为20~80%;所述静置时间为1~72h;
步骤三、将静置后的ZrO2/Al2O3预键合样品进行退火处理,其中:所述退火温度为100~700℃,退火时间为1~72h。
低温直接键合机理如下:
Al2O3和ZrO2均为超硬氧化物,结构稳定,原子之间难以发生扩散形成稳定连接。由于二者均为两性氧化物,因此,能在酸性和碱性条件下分别与H+和OH-发生反应。而在O2/NH3/H2O等离子体活化过程中,O2等离子体能够实现去除待键合晶片表面的有机污染物并且改善表面亲水性。对于NH3/H2O等离子体,一方面提供碱性的环境,另一方面增加等离子体中的OH-密度,进而对Al2O3和ZrO2的表面起到刻蚀和软化的作用,使得预键合易于发生,以及退火过程中界面处的原子易于扩散,形成稳定的连接。由于在O2/NH3/H2O等离子体活化直接键合的过程中,等离子体仅作用于待键合材料的表面,因此,单晶的Al2O3和ZrO2基体依然能够维持原有的单一晶体取向,所以能够实现单晶的ZrO2/Al2O3异质结构。
相比于现有技术,本发明具有如下优点:
本发明实现了超硬材料Al2O3和ZrO2的无中间层直接键合,键合后的Al2O3和ZrO2晶片依然能保持原有的单一晶体取向。因此,能够减小场效应晶体管的漏电流,降低其特征尺寸,减小器件的损耗,提高器件的性能。
附图说明
图1为本发明O2/NH3/H2O等离子体活化过程示意图;
图2为本发明O2/NH3/H2O等离子体活化直接键合ZrO2和Al2O3界面扫描电子显微图像;
图3为本发明O2/NH3/H2O等离子体活化直接键合ZrO2和Al2O3界面透射电子显微图像;
图中,1为过滤离子用金属板,2为O2流量控制器,3为O2进气口,4为NH3和H2O进气口,5为NH3和H2O流量控制器,6为O2/NH3/H2O等离子体,7为Al2O3晶片,8为ZrO2晶片,9为载物台,10为出气口1,11为出气口2,12为耐高温密封瓶,13为NH3·H2O溶液,14为电源匹配箱,15为射频电源。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明,但并不局限于此,凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围,均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明提供了一种利用O2/NH3/H2O等离子体活化直接键合ZrO2和Al2O3的方法,所述方法利用O2/NH3/H2O等离子体活化实现了低温直接键合单晶的ZrO2和Al2O3。如图1所示,具体实施步骤如下:
(1)将待键合的Al2O3晶片7和ZrO2晶片8平行地置于等离子体装置的载物台9上。
(2)将装有NH3·H2O溶液13的耐高温密封瓶12加热至60℃,并采用O2流量控制器2控制O2的进气量为300mL/min,采用NH3和H2O流量控制器5控制NH3和H2O混合气体的进气量为300mL/min,NH3/H2O的体积比为1:4。
(3)开启等离子装置的射频电源15和电源适配器14,利用所产生的O2/NH3/H2O等离子体6对待键合的Al2O3晶片7和ZrO2晶片8活化3min。
(4)将活化好的Al2O3晶片7和ZrO2晶片8表面在湿度为30%的大气环境下相互贴合,形成预键合,并将预键合的样品静置在温度为23℃、湿度为30%的大气环境下24h。
(5)将静置后的预键合样品在300℃的温度下退火12h,从而实现ZrO2和Al2O3的直接键合。
图2所示为ZrO2和Al2O3直接键合界面的扫描电子显微图像。从图2中可以发现,本发明实现了ZrO2和Al2O3的直接键合,键合界面无缺陷。图3所示为ZrO2和Al2O3直接键合界面的透射电子显微图像。从图3中可以看出,键合界面的过度层仅为3.2 nm,并且ZrO2和Al2O3均保持原有的单晶状态。
Claims (8)
1.一种利用等离子体活化直接键合氧化锆和三氧化二铝的方法,其特征在于所述方法包括如下步骤:
步骤一、采用O2/NH3/H2O等离子体对待键合的ZrO2和Al2O3晶片进行活化,所述O2/NH3/H2O等离子体的体积比为5~30:1~3:5~10;
步骤二、将活化的ZrO2和Al2O3表面置于大气环境下相互贴合形成预键合,并将预键合的ZrO2/Al2O3样品在大气下静置;
步骤三、将静置后的ZrO2/Al2O3预键合样品进行退火处理。
2.根据权利要求1所述的利用等离子体活化直接键合氧化锆和三氧化二铝的方法,其特征在于所述O2/NH3/H2O等离子体由高压瓶内的纯O2和加热NH3·H2O溶液逸出的NH3和H2O导入等离子体装置中而产生。
3.根据权利要求2所述的利用等离子体活化直接键合氧化锆和三氧化二铝的方法,其特征在于所述加热温度为40~100℃。
4.根据权利要求1所述的利用等离子体活化直接键合氧化锆和三氧化二铝的方法,其特征在于所述活化时间为1~20min。
5.根据权利要求1所述的利用等离子体活化直接键合氧化锆和三氧化二铝的方法,其特征在于所述大气环境的湿度为20~80%。
6.根据权利要求1所述的利用等离子体活化直接键合氧化锆和三氧化二铝的方法,其特征在于所述静置时间为1~72h。
7.根据权利要求1所述的利用等离子体活化直接键合氧化锆和三氧化二铝的方法,其特征在于所述退火温度为100~700℃。
8.根据权利要求1所述的利用等离子体活化直接键合氧化锆和三氧化二铝的方法,其特征在于所述退火时间为1~72h。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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