《Surfaces and Interfaces》：Twist Angle Measurement of a SiC-SiC Bonded Wafer Interface via Electron Diffraction
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SiC鍵合片twist角度測量方法研究，通過TEM lamella制備與雙衍射法（DDM）和單晶衍射法（SDM）實現(xiàn)高精度測量，驗證了2.41°±0.04°與2.47°±0.06°的可靠性，為異質(zhì)集成器件界面分析提供新途徑。
作者：鄭北天、陳旭、周長吉、張杰雄、秦曉、王若蘭、譚寶華、李凱軒、江仁輝、劉俊、肖珂、楊安麗、楊冰、沈安迪
中國湖北省九峰山實驗室，九龍湖街9號，武漢430206
摘要
直接晶圓鍵合是眾多當前和新興先進設備的關(guān)鍵技術(shù)。碳化硅（SiC）材料及器件的發(fā)展，特別是通過晶圓鍵合技術(shù)，對于提高半導體器件在苛刻環(huán)境下的性能、效率和集成度以及降低成本至關(guān)重要。盡管關(guān)于碳化硅晶圓鍵合界面的深入研究報告仍然有限，但現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)鍵合扭轉(zhuǎn)角與鍵合界面電阻之間存在正相關(guān)關(guān)系。因此，精確表征鍵合扭轉(zhuǎn)角對于研究鍵合界面的物理性質(zhì)至關(guān)重要。在這項研究中，我們提出了一種測量SiC晶圓間鍵合扭轉(zhuǎn)角的方法，該方法利用了專門的透射電子顯微鏡（TEM）薄片制備技術(shù)和電子衍射成像技術(shù)。通過將樣品制備成傾斜角度的平面視圖TEM（PVTEM），并與鍵合界面對齊，得到了由上晶圓、下晶圓及其混合界面組成的TEM薄片。使用雙衍射方法（DDM）從混合區(qū)域測量得到的扭轉(zhuǎn)角為2.41° ± 0.04°，這與使用單晶衍射方法（SDM）從單個晶圓區(qū)域測得的2.47° ± 0.06°的值相當。本研究為研究晶圓鍵合和異質(zhì)集成系統(tǒng)中的界面結(jié)構(gòu)提供了一種簡單而有效的方法。
引言
隨著基于硅（Si）的集成電路接近摩爾定律的物理極限，晶圓鍵合技術(shù)已成為三維集成和異質(zhì)系統(tǒng)的關(guān)鍵工藝[1,2]。這種創(chuàng)新方法展示了結(jié)構(gòu)新穎性、高性能多功能器件的制造優(yōu)勢，以及在多種基底與CMOS兼容硅之間的材料集成方面的成本效益[3,4]。基于這些優(yōu)勢，已經(jīng)開發(fā)出了多種鍵合方法，如熔融鍵合、低溫等離子體激活鍵合（PAB）、表面激活鍵合（SAB）、陽極鍵合、金屬鍵合、玻璃熔塊鍵合和混合鍵合等。其中許多方法已經(jīng)在工業(yè)上取得了突破性應用，例如絕緣體上硅（SOI）晶圓的制造和3D-NAND中的金屬互連。
與硅材料相比，碳化硅（SiC）具有多種優(yōu)異的特性，包括寬禁帶、高熱導率以及出色的電場擊穿抗性[[5], [6], [7], [8], [9]]。這些特性使SiC成為功率器件應用的理想材料。然而，要廣泛采用SiC應用，一個關(guān)鍵問題是高質(zhì)量單晶SiC晶片的高成本。學術(shù)界和工業(yè)界的研究人員正在研究同質(zhì)外延晶圓鍵合技術(shù)，并試圖解決SiC晶片制造的持續(xù)成本挑戰(zhàn)[10,11]。與SiC晶圓基底相比，SiC-SiC的直接晶圓鍵合至少具有兩個關(guān)鍵優(yōu)勢：1）通過高質(zhì)量和/或功能性單晶SiC薄膜轉(zhuǎn)移提高材料利用率，從而降低成本；2）通過與多晶SiC基底的鍵合顯著改善熱管理性能。值得注意的是，SOITEC的Smart Cut?技術(shù)使MOSFET和二極管的單晶SiC消耗量減少了90%[12]。Wang等人最近證明，SiC-SiC同質(zhì)外延鍵合可使基底成本降低40%[13]。同時，它還表現(xiàn)出超低的界面熱阻（2.8 m2·K/GW）和出色的電穩(wěn)定性。這些報告表明，SiC-SiC晶圓鍵合在降低成本和提升SiC基底性能方面具有巨大潛力。
然而，SiC直接晶圓鍵合的界面微觀結(jié)構(gòu)尚未得到頻繁或細致的研究。盡管界面原子的排列（如扭轉(zhuǎn)錯位[14,15]）可以改變一個界面的物理性質(zhì)，從而影響鍵合晶片的性能。Yushin等人研究了扭轉(zhuǎn)角（從0.2°到24.0°）對鍵合SiC-SiC界面電性質(zhì)的影響[16]，結(jié)果表明扭轉(zhuǎn)角越小，界面電阻越低。Kim等人通過擴散晶圓鍵合制備了27°扭轉(zhuǎn)的SiC-SiC，并指出界面處存在約2 μm厚的載流子耗盡層[17]。然而，作者并未明確說明這些扭轉(zhuǎn)角是鍵合前的設計值還是鍵合后的測量結(jié)果，也未討論測量方法的細節(jié)。鑒于缺乏測量直接鍵合復合晶圓扭轉(zhuǎn)角的標準方法，迫切需要建立一種系統(tǒng)可靠的方法。從微觀角度來看，透射電子顯微鏡（TEM）是實現(xiàn)這一目標的首選技術(shù)[18]。傳統(tǒng)的TEM界面角度測量方法包括莫爾條紋法和弗蘭克定律法[[19], [20], [21], [22]]。莫爾條紋法基于兩組晶格平面之間的電子波干涉現(xiàn)象，需要非常薄的TEM樣品，因此非常適合二維材料表征，例如扭曲石墨烯的魔角測量。弗蘭克定律法依賴于周期性位錯網(wǎng)絡的成像，在Si-Si晶圓鍵合的低角度晶界應用中較為流行。然而，這兩種方法不適用于涉及復合半導體鍵合界面的應用，因為它們的晶體結(jié)構(gòu)與扭曲石墨烯或鍵合硅不同。
在這項工作中，我們使用SAB方法將4H-SiC和4H-SiC晶圓鍵合在一起。我們提出了一種通過電子衍射在PVTEM薄片上測量其界面扭轉(zhuǎn)角的方法，該薄片包含三個區(qū)域：上晶圓、下晶圓及其混合層。通過從混合區(qū)域使用雙衍射方法（DDM）測得的扭轉(zhuǎn)角為2.41° ± 0.04°；通過對另外兩個區(qū)域的電子衍射分析，得到的扭轉(zhuǎn)角為2.47° ± 0.06°，后者稱為單晶衍射方法（SDM）。DDM方法的精度略高于SDM方法，但其衍射圖案更復雜。雙衍射機制和圖案形成幾何結(jié)構(gòu)也得到了系統(tǒng)的研究。通過橫截面TEM和高分辨率TEM（HRTEM）成像測得的界面傾斜角接近0°。利用上述三個區(qū)域的電子衍射成像，我們可以以0.01°的極高精度測量扭轉(zhuǎn)角。
實驗方法
商用4H-SiC晶片可以是P型摻雜或N型摻雜的。此外，還有Si終止或C終止的4H-SiC晶片可供選擇。在這項工作中，我們選擇了N型且表面為Si終止的4H-SiC晶片，并專注于開發(fā)一種測量晶圓鍵合扭轉(zhuǎn)角的方法。該SiC晶片直徑為6英寸，厚度為350 μm。我們使用EVG ComBond系統(tǒng)進行晶圓鍵合過程。
結(jié)果與討論
上方的SiC晶片稱為SiC A，下方的SiC晶片稱為SiC B。如圖1a所示，使用FIB沿著鍵合界面制備了PVTEM薄片。TEM薄片包含三個區(qū)域：i) 僅包含SiC A（位置1，也稱為loc1）；ii) 僅包含SiC B（位置2，也稱為loc2）；iii) 同時包含SiC A和SiC B的復合區(qū)域（位置3，也稱為loc3），如圖1b所示。對這些區(qū)域進行了SAED分析
結(jié)論
總之，本研究提出了一種準確測量SiC晶圓間鍵合扭轉(zhuǎn)角的方法，這對于理解半導體器件中鍵合界面的物理性質(zhì)至關(guān)重要。通過使用專門的TEM薄片制備技術(shù)和傾斜角度的PVTEM，我們通過DDM從混合區(qū)域測量得到的扭轉(zhuǎn)角為2.41° ± 0.04°，與通過SDM從單個晶片獲得的2.47° ± 0.06°的值非常接近
作者貢獻聲明
鄭北天：撰寫——原始草稿、可視化、研究、驗證、正式分析。
陳旭：撰寫——審稿與編輯、方法論、概念化、研究、正式分析、資金獲取。
周長吉：可視化、驗證、研究、正式分析。
張杰雄：撰寫——審稿與編輯、研究、正式分析。
秦曉：可視化、驗證、研究、正式分析。
王若蘭：可視化、驗證、正式分析。
數(shù)據(jù)可用性
數(shù)據(jù)可根據(jù)請求提供。
手稿準備過程中未使用任何AI工具
表1
作者貢獻聲明
鄭北天：撰寫——原始草稿、可視化、研究、正式分析、驗證。
陳旭：撰寫——審稿與編輯、方法論、研究、資金獲取、正式分析、概念化。
周長吉：研究、正式分析、驗證、可視化。
張杰雄：撰寫——審稿與編輯、研究、正式分析。
秦曉：研究、正式分析、驗證、可視化。
王若蘭：研究、正式分析、可視化。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的財務利益或個人關(guān)系可能影響本文所述的工作。
