《Surfaces and Interfaces》：Investigation on the High Temperature Stability and Potential Barrier of Si/Al
2O
3/Si bonded by Surface Activated Bonding Technology
编辑推荐：
硅基Al?O?埋层SOI结构制备及界面性能研究：通过表面激活键合（SAB）结合原子层沉积（ALD）3nm Al?O?层，实现了96.4%的键合良率和3.24 J/m2的高界面结合能，电镜证实Al?O?使界面电势垒从-14mV提升至22.8mV，有效抑制界面电流泄漏并增强热稳定性。
邢向杰|张宏泽|王新华|穆凤文|谭向虎|郭超|方天琪|刘福超|黄森|魏凯|刘新宇
中国科学院微电子研究所高频高压器件与集成电路研发中心，中国北京100029
摘要
在低功耗和抗辐射应用中，绝缘体上硅（SOI）器件表现出卓越的性能。然而，传统的带有SiO?埋层结构的SOI器件存在导热性差的问题。为了解决这一问题，人们更倾向于使用导热性更好的Al?O?来替代SiO?。在本研究中，开发了一种在超高真空环境下的表面活化键合（SAB）技术，通过在各键合表面沉积3纳米厚的Al?O?薄膜实现硅与硅之间的键合。实验获得了96.4%的高键合率和3.24 J/m2的高键合能量。通过静电力显微镜检测发现，Al?O?在键合界面引入了更高的电子势垒——具体来说，界面势垒从无Al?O?时的–14 mV增加到了有Al?O?时的22.8 mV，这有助于抑制垂直界面电流泄漏。本研究为制备具有Al?O?埋层的新型SOI衬底提供了一种解决方案。
引言
随着集成电路的发展，由于对器件性能要求的提高，出现了对器件小型化的新需求。绝缘体上硅（SOI）结构可能是一种可行的解决方案[1]。这种结构由一层薄的硅器件层通过绝缘层与硅衬底分隔开来，能够减少器件与衬底之间的电容耦合，从而提高器件速度并降低功耗。与传统体硅器件相比，SOI技术在有效减少寄生电容和电流泄漏方面具有显著优势，进而提升了器件速度、降低了功耗，并实现了更高的器件密度和三维集成[[2], [3], [4], [5], [6]]。然而，使用二氧化硅（SiO?）作为SOI结构中的埋层面临诸多挑战。由于SiO?的介电常数较低[6]且导热性较差[7]，SOI器件在高计算能力和高功率电路中的应用受到很大限制。
表面活化键合（SAB）是一种室温下的晶圆键合技术，它通过等离子体活化消除表面污染物并生成活性悬挂键来实现紧密的界面接触[9,10]。该过程通常在超高真空（UHV）环境下进行，这具有双重作用：一方面防止表面活化后污染物的重新吸附，另一方面有效清除残留气体或水分。UHV环境以及没有羟基的存在使得SAB技术特别适合制备具有高热稳定性的无孔隙界面，因为它避免了高温退火过程中亲水键合方法常见的H?O气泡形成。通过键合技术，可以用其他材料替代传统的SiO?作为新的埋层。氧化铝（Al?O?）作为一种有前景的介电材料，其介电常数（约9）、击穿场强（约10 MV/cm）、导热性和熔点均优于SiO?[[11], [12], [13], [14]]。在SOI结构中用Al?O?替代SiO?可以减少层间缺陷、提高热稳定性并降低电流泄漏，从而显著改善器件性能和稳定性。Baine[15]提出了使用亲水键合方法进行Si-Al?O?键合，但由于-OH键的数量较多，羟基在高温下会结合形成H?O分子，导致键合界面产生气泡并降低键合率。Utsumi[16]研究了在高真空条件下使用表面活化键合技术进行Al?O?薄膜与Al?O?块状蓝宝石之间的键合，但发现Al?O?薄膜间的键合能量非常低，仅为0.3 J/m2。目前，对于使用Al?O?作为低温键合的预埋层时出现的界面起泡、键合强度低以及退火后界面起泡等问题，尚未找到统一的解决方案。
在本研究中，我们结合了超高真空表面活化键合和原子层沉积（ALD）Al?O?薄膜技术来形成Si/Al?O?/Si结构。这种方法有效避免了H?O分子的生成，且键合过程中的超高真空环境消除了潜在的残留气体。结果，我们通过SAB技术实现了3.24 J/m2的高键合能量。带有Al?O?的键合界面表现出优异的稳定性和可靠性，即使在1100 °C退火后也保持完整。此外，我们观察到Al?O?层有效抑制了杂质元素的原子扩散。利用静电力显微镜（EFM），我们首次观察到了插入层引起的界面势垒变化。Al?O?插入层显著增加了界面势垒高度，从而抑制了垂直界面电流泄漏并提高了击穿电压。
实验方法
实验使用厚度为350 μm的2英寸<001>硅晶圆作为Si-Si键合的衬底。键合前，通过RCA清洗去除晶圆表面的颗粒和自然氧化层。对于实验组，在200 °C下通过原子层沉积（ALD）在硅晶圆的两侧沉积了3纳米厚的Al?O?层。共有10片硅晶圆接受了ALD处理：其中4片晶圆使用H?O作为氧化剂前驱体进行ALD，另外4片晶圆使用O?作为前驱体
Al?O?沉积与晶圆键合中的无孔隙方法
为了获得无孔隙的Si/Al?O?/Si界面，研究了原子层沉积（ALD）Al?O?前驱体（H?O vs. O?）和键合技术（亲水键合 vs. 高真空表面活化键合）对键合界面的影响，并通过红外光谱分析了键合率。如图1.(a)和(b)所示，采用等离子体辅助亲水键合处理的两组样品均出现了界面孔隙，而使用O?前驱体的组别键合率达到了82.6%
结论
本研究系统优化了Al?O?沉积工艺和键合技术，制备出了具有Al?O?埋层的新型SOI衬底，确定了表面活化键合（SAB）是实现具有优异界面完整性和超过3.24 J/m2键合能量的Si/Al?O?/Si结构的最佳方法。Al?O?层间层不仅具有等离子体屏蔽作用，有助于保持界面原子结构，还提高了热稳定性
作者贡献声明
邢向杰：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学设计，数据分析，概念构建，形式化分析。张宏泽：方法学设计，数据分析，形式化分析，验证，撰写 – 原稿。王新华：撰写 – 审稿与编辑，资金争取，形式化分析，项目管理，监督，概念构建。穆凤文：形式化分析，数据分析，资源协调，撰写 – 审稿与编辑。谭向虎：验证，形式化分析
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究部分得到了国家自然科学基金（项目编号62427814和62074161）、中国科学院青年创新促进会、中国科学院大学以及中国科学院-克鲁彻基金计划（项目编号CAS22801）的支持，同时还得到了微电子联合实验室（JLFS/E-601/24）的资助。
