通过表面活化技术，在室温下将氧化钇稳定的氧化锆直接键合到硅片上，以实现先进的异质集成

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Room-temperature direct bonding of yttria-stabilized zirconia to silicon wafer via surface activation for advanced heterointegration

氧旅石/硅异质集成通过表面激活键合技术实现，解决了传统高温工艺中热膨胀系数差异导致的界面缺陷问题。研究采用Ar原子轰击和Fe原子溅射-沉积协同作用机制，在界面形成9.5纳米厚度的晶态过渡层，兼具原子级平整度和无裂纹完整性。该技术成功保持氧旅石单晶结构，避免高温处理引起的界面反应，为后续氧化物功能器件的低温集成提供新方案。

　　

Xinlong Zhao|Yongfeng Qu|Song Yang|Ningkang Deng|Jin Yuan|Wenbo Hu|Zhaoyang Zhang|Hongxing Wang

教育部物理电子与器件重点实验室，电子科学与工程学院，西安交通大学材料力学行为国家重点实验室，中国西安市西安宁西路28号，710049

摘要

实现单晶氧化物材料与硅基平台之间的高质量异质集成是推进氧化物器件应用的关键前提。氧化钇稳定氧化锆（YSZ）因其优异的晶格匹配性和化学惰性，被视为在硅衬底上外延生长复杂氧化物的理想缓冲层材料。然而，YSZ与硅（Si）之间的热膨胀系数存在显著差异，这使得使用传统的高温工艺制备YSZ缓冲层难以达到理想的质量标准。本研究采用了表面活化键合技术实现了YSZ/Si的高质量异质集成。实验结果表明，YSZ/Si的键合区域非常理想，仅在边缘观察到微量局部空洞。在界面处形成了9.5纳米厚的过渡层，表现出原子级别的平整性和无裂纹的完整性。界面形成机制归因于Ar原子轰击和Fe原子溅射沉积的双重作用，形成了由非晶Si层和α-Fe晶体层组成的双层结构。YSZ在近界面区域保持了优异的单晶质量。这项研究建立了一个高质量的YSZ/Si平台，为各种功能氧化物材料的生长及后续器件制造提供了出色的基底。

引言

异质集成技术是当代半导体、光电子和量子器件发展的关键驱动力[[1], [2], [3], [4]]。该领域面临的主要挑战在于实现单晶氧化物材料与硅基平台之间的高质量异质集成[[5], [6], [7], [8]]。现有的主流技术（如分子束外延[9,10]和脉冲激光沉积[[11], [12], [13]]）存在双重瓶颈：晶格失配障碍（Si与大多数氧化物的晶格失配超过5%）和高温下的化学兼容性限制（超过500°C的工艺会引发界面反应[14,15]）。氧化钇稳定氧化锆（YSZ）具有立方氟石结构（a = 5.14 ?），相对于硅（a = 5.43 ?）的晶格失配较低（约5.4%[16,17]）。由于其卓越的化学惰性和离子导电性，YSZ已成为硅基外延复杂氧化物（如TiO₂[18], [19], [20]）、超导薄膜；Pb(Zr,Ti)O₃[21,22]、铁电体）和宽带隙半导体（β-Ga₂O₃[23,24]、金刚石[[25], [26], [27]）的关键缓冲层。然而，YSZ和Si之间的热膨胀系数差异较大（YSZ：约9 × 10^?6 K^?1，Si：约2.6 × 10^?6 K^?1），在高温外延生长过程中会产生不可控的热应力，从而引发界面裂纹和位错增殖[[28], [29], [30]]。尽管研究人员提出了包括应力辅助退火和两步生长方法在内的改进措施，但热应力的累积影响仍然阻碍了单晶YSZ薄膜的质量，使其难以满足器件层面的日益增长的需求[11,28]。因此，开发一种全新的室温异质集成方法，完全避免晶格失配和高温反应，已成为突破现有技术限制的战略研究方向。

表面活化键合（SAB）作为一种突破性技术，克服了异质材料集成中的温度限制，利用了其在室温下非热力学驱动的键合机制[[31], [32], [33]]。传统的外延生长依赖于高温（>500°C）来促进原子迁移；相比之下，SAB技术在超高真空（UHV，<10^?5 Pa）和室温环境下进行。对基底表面的原位轰击产生了双重效果[34]：首先是物理溅射，去除了表面污染层；其次是激活了由亚表面晶格缺陷引起的悬挂键[35,36]。

尽管通过SAB在宽带隙半导体系统（如SiC/SiC[37,38]、SiC/金刚石[39]、GaN/金刚石[40,41]）中实现了室温下的高强度键合，但所得界面主要由非晶混合层组成。这类界面的键合强度和热稳定性通常需要后续退火来诱导结晶并提升性能。然而，这重新引入了SAB试图避免的热预算和兼容性问题。

本研究成功实现了YSZ/Si在室温下的直接键合，并为单晶氧化物薄膜和宽带隙半导体的外延生长建立了高质量基底。本研究重点探讨了室温键合界面处原子级结构的形成机制、YSZ单晶完整性的保持以及异质界面的空间均匀性。结果证实，该技术能够制备出具有结晶过渡层、完整晶体结构和优异宏观均匀性的YSZ/Si异质结构。这种无需退火的界面结晶技术为SAB技术的发展提供了新的方向。这些器件在低温下的集成及其与现有界面的兼容性，代表了硅基复杂氧化物功能器件集成领域的重大进展。

实验部分

实验方法

在本研究中，所有用于键合过程的样品均为单晶。硅晶圆的直径为两英寸，键合方向与[001]晶面对齐。氧化钇稳定氧化锆（YSZ）样品为10 × 10 × 0.5 mm³的正方形晶圆，也沿[001]晶面进行键合。具体的表面活化键合过程如图1所示。首先，键合样品经过一系列超声清洗。

结果与讨论

如图2所示，展示了YSZ/Si键合样品的宏观光学图像和扫描声学显微镜（SAM）图像。该图旨在帮助评估键合界面的质量和缺陷分布。光学图像（图2a）显示键合界面连续，没有明显的宏观空洞，表明键合质量令人满意。然而，需要注意的是……

结论

本研究通过实施表面活化键合技术，成功实现了YSZ/Si异质单晶在室温下的高质量集成。该方法系统地揭示了界面形成机制和晶体的结构特性。宏观分析确认了键合界面的高完整性，仅在边缘存在微量局部空洞。微观分析显示形成了9.5纳米厚的过渡层。

作者贡献声明

Xinlong Zhao：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，软件，方法学，数据管理。Yongfeng Qu：软件，数据管理。Song Yang：可视化。Ningkang Deng：方法学。Jin Yuan：可视化。Wenbo Hu：项目管理。Zhaoyang Zhang：监督。Hongxing Wang：项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（编号：2021YFB3602100）和国家自然科学基金（编号：U21A2073）的支持。