Preparation of sputtered aluminun nitride thin films for direct bonding to fabricate alternative silicon on insulator substrates

Abstract

Direct bonding is a clean room compatible process that facilitates the fabrication of bonded silicon on insulator (SOI) wafers using novel materials. The recent advancements in the technology, especially plasma-based surface treatments, facilitate the low-temperature bonding of various material combinations. The choice of buried oxide material is of interest in both microelectromechanical systems and metal-oxide semiconductor field-effect transistors (MOSFETs). Aluminum nitride is a thin film material that exhibits both the chemical and mechanical stability required in micromachining, as well as the thermal conductivity that theoretically solves the self-heating challenges in silica-based SOI-MOSFETs. Mechanical SOI structures are fabricated via hydrophilic bonding; whereas the full capacity of thermal conductivity is achieved via hydrophobic bonding. Herein, the focus is on hydrophilic bonding of an aluminum nitride thin film surface onto a silicon substrate. Stringent requirements for both surface morphology and surface chemistry apply. In this thesis, such conditions are characterized by atomic force microscopy, contact angle measurements, and X-Ray photo-electron spectroscopy. A proper aluminum nitride deposition process yields thin films that require only one-step surface activation via reactive ion etching in order to prepare the surface for direct bonding. Careful cleaning of the surface is required in the absence of suitable wet cleaning procedures. In addition, the bi-axial residual stresses in the thin film could deteriorate the propagation of the hydrophilic polymerization reaction; thus, necessitating an external contact force. The stresses are approximated via both Raman spectroscopy and X-Ray diffraction, which characterizes the microstructural quality, too. The adapted and developed activation process facilitates chip-level Si-AlN direct bonds at room temperature that survive dicing. The utilized process possesses the means to further develop the activation in order to pursue wafer-level full area bonds.

Fuusiobondaus on puhdastilayhteensopiva prosessi silicon on insulator (SOI) substraattien valmistukseen. Viimeaikainen kehitys on mahdollistanut eri materiaalien bondauksen matalissa lämpötiloissa. Erityisesti ohutkalvojen bondaus mahdollistaa variaatioita niin SOI-rakenteessa kuin -prosessoinnissakin. SOI-kiekkoihin pohjautuvat mikroelektromekaaniset laitteet (MEMS) hyötyvät niin ohutkalvojen mekaanisista kuin kemiallisistakin ominaisuuksista, jotka poikkeavat sekä piin että piidioksidin vastaavista. Transistorit hyötyvät kiteisen ohutkalvon lämmönjohtavuudesta, mikä on ehkä piidioksidia eristeenä käyttävien SOI-kiekkoihin pohjautuvien transistorien suurin heikkous. Alumiininitridi soveltuu teoriassa molempiin käyttötarkoituksiin. Kuitenkin kirjallisuustutkimuksen perusteella AlN-Si materiaaliliitoksen mekanismit vaikuttavat sen ominaisuuksiin niin, että n.s. hydrofiiliset liitokset soveltuisivat MEMS laitteisiin siinä missä hydrofobinen bondaus soveltuisi transistoreille. Tämän työn tavoitteena on pohjustaa hydrofiiliseen liitokseen pohjautuva materiaaliliitos sputteroidun alumiininitridiohutkalvon ja piikiekon välille. Suuri osa työstä keskittyy käsitteiden täsmentämiseen siten, että liitoksen onnistumisen kannalta olennaiset parametrit olisivat sekä mitattavissa että vertailtavissa. Pinnanmuotojen suhteen onnistunut ohutkalvon kasvatus saattaa vaatia työvaiheena ainoastaan reaktiivisen ionietsauksen ennen bondausta. Silti prosessin kannalta yhteensopivan kemiallisen etsausmenetelmän puutteessa alumiininitridin pinnan huolellinen puhdistus partikkeleista muilla keinoin on ensiarvoisen tärkeää. Lisäksi kasvatusmetodista johtuva kalvon jännite, sekä siitä seuraava substraatin taipuminen, näyttäisi heikentävän itseohjautuvaa liitosta, joten ulkoisen kontaktipaineen käyttö on suotavaa. Siitä huolimatta piikiekkoa pienempien pinta-alojen osittainen bondaus onnistui huoneenlämpöisessä ilmassa ilman ulkoista voimaa. Käytetty menetelmä mahdollistaa liitoksen kehittämisen kohti täyden pinta-alan liitosta kiekkotasolla.