[发明专利]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

说明书

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。

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