《Surfaces and Interfaces》：Twist Angle Measurement of a SiC-SiC Bonded Wafer Interface via Electron Diffraction
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SiC键合片twist角度测量方法研究，通过TEM lamella制备与双衍射法（DDM）和单晶衍射法（SDM）实现高精度测量，验证了2.41°±0.04°与2.47°±0.06°的可靠性，为异质集成器件界面分析提供新途径。
作者：郑北天、陈旭、周长吉、张杰雄、秦晓、王若兰、谭宝华、李凯轩、江仁辉、刘俊、肖珂、杨安丽、杨冰、沈安迪
中国湖北省九峰山实验室，九龙湖街9号，武汉430206
摘要
直接晶圆键合是众多当前和新兴先进设备的关键技术。碳化硅（SiC）材料及器件的发展，特别是通过晶圆键合技术，对于提高半导体器件在苛刻环境下的性能、效率和集成度以及降低成本至关重要。尽管关于碳化硅晶圆键合界面的深入研究报告仍然有限，但现有研究发现键合扭转角与键合界面电阻之间存在正相关关系。因此，精确表征键合扭转角对于研究键合界面的物理性质至关重要。在这项研究中，我们提出了一种测量SiC晶圆间键合扭转角的方法，该方法利用了专门的透射电子显微镜（TEM）薄片制备技术和电子衍射成像技术。通过将样品制备成倾斜角度的平面视图TEM（PVTEM），并与键合界面对齐，得到了由上晶圆、下晶圆及其混合界面组成的TEM薄片。使用双衍射方法（DDM）从混合区域测量得到的扭转角为2.41° ± 0.04°，这与使用单晶衍射方法（SDM）从单个晶圆区域测得的2.47° ± 0.06°的值相当。本研究为研究晶圆键合和异质集成系统中的界面结构提供了一种简单而有效的方法。
引言
随着基于硅（Si）的集成电路接近摩尔定律的物理极限，晶圆键合技术已成为三维集成和异质系统的关键工艺[1,2]。这种创新方法展示了结构新颖性、高性能多功能器件的制造优势，以及在多种基底与CMOS兼容硅之间的材料集成方面的成本效益[3,4]。基于这些优势，已经开发出了多种键合方法，如熔融键合、低温等离子体激活键合（PAB）、表面激活键合（SAB）、阳极键合、金属键合、玻璃熔块键合和混合键合等。其中许多方法已经在工业上取得了突破性应用，例如绝缘体上硅（SOI）晶圆的制造和3D-NAND中的金属互连。
与硅材料相比，碳化硅（SiC）具有多种优异的特性，包括宽禁带、高热导率以及出色的电场击穿抗性[[5], [6], [7], [8], [9]]。这些特性使SiC成为功率器件应用的理想材料。然而，要广泛采用SiC应用，一个关键问题是高质量单晶SiC晶片的高成本。学术界和工业界的研究人员正在研究同质外延晶圆键合技术，并试图解决SiC晶片制造的持续成本挑战[10,11]。与SiC晶圆基底相比，SiC-SiC的直接晶圆键合至少具有两个关键优势：1）通过高质量和/或功能性单晶SiC薄膜转移提高材料利用率，从而降低成本；2）通过与多晶SiC基底的键合显著改善热管理性能。值得注意的是，SOITEC的Smart Cut?技术使MOSFET和二极管的单晶SiC消耗量减少了90%[12]。Wang等人最近证明，SiC-SiC同质外延键合可使基底成本降低40%[13]。同时，它还表现出超低的界面热阻（2.8 m2·K/GW）和出色的电稳定性。这些报告表明，SiC-SiC晶圆键合在降低成本和提升SiC基底性能方面具有巨大潜力。
然而，SiC直接晶圆键合的界面微观结构尚未得到频繁或细致的研究。尽管界面原子的排列（如扭转错位[14,15]）可以改变一个界面的物理性质，从而影响键合晶片的性能。Yushin等人研究了扭转角（从0.2°到24.0°）对键合SiC-SiC界面电性质的影响[16]，结果表明扭转角越小，界面电阻越低。Kim等人通过扩散晶圆键合制备了27°扭转的SiC-SiC，并指出界面处存在约2 μm厚的载流子耗尽层[17]。然而，作者并未明确说明这些扭转角是键合前的设计值还是键合后的测量结果，也未讨论测量方法的细节。鉴于缺乏测量直接键合复合晶圆扭转角的标准方法，迫切需要建立一种系统可靠的方法。从微观角度来看，透射电子显微镜（TEM）是实现这一目标的首选技术[18]。传统的TEM界面角度测量方法包括莫尔条纹法和弗兰克定律法[[19], [20], [21], [22]]。莫尔条纹法基于两组晶格平面之间的电子波干涉现象，需要非常薄的TEM样品，因此非常适合二维材料表征，例如扭曲石墨烯的魔角测量。弗兰克定律法依赖于周期性位错网络的成像，在Si-Si晶圆键合的低角度晶界应用中较为流行。然而，这两种方法不适用于涉及复合半导体键合界面的应用，因为它们的晶体结构与扭曲石墨烯或键合硅不同。
在这项工作中，我们使用SAB方法将4H-SiC和4H-SiC晶圆键合在一起。我们提出了一种通过电子衍射在PVTEM薄片上测量其界面扭转角的方法，该薄片包含三个区域：上晶圆、下晶圆及其混合层。通过从混合区域使用双衍射方法（DDM）测得的扭转角为2.41° ± 0.04°；通过对另外两个区域的电子衍射分析，得到的扭转角为2.47° ± 0.06°，后者称为单晶衍射方法（SDM）。DDM方法的精度略高于SDM方法，但其衍射图案更复杂。双衍射机制和图案形成几何结构也得到了系统的研究。通过横截面TEM和高分辨率TEM（HRTEM）成像测得的界面倾斜角接近0°。利用上述三个区域的电子衍射成像，我们可以以0.01°的极高精度测量扭转角。
实验方法
商用4H-SiC晶片可以是P型掺杂或N型掺杂的。此外，还有Si终止或C终止的4H-SiC晶片可供选择。在这项工作中，我们选择了N型且表面为Si终止的4H-SiC晶片，并专注于开发一种测量晶圆键合扭转角的方法。该SiC晶片直径为6英寸，厚度为350 μm。我们使用EVG ComBond系统进行晶圆键合过程。
结果与讨论
上方的SiC晶片称为SiC A，下方的SiC晶片称为SiC B。如图1a所示，使用FIB沿着键合界面制备了PVTEM薄片。TEM薄片包含三个区域：i) 仅包含SiC A（位置1，也称为loc1）；ii) 仅包含SiC B（位置2，也称为loc2）；iii) 同时包含SiC A和SiC B的复合区域（位置3，也称为loc3），如图1b所示。对这些区域进行了SAED分析
结论
总之，本研究提出了一种准确测量SiC晶圆间键合扭转角的方法，这对于理解半导体器件中键合界面的物理性质至关重要。通过使用专门的TEM薄片制备技术和倾斜角度的PVTEM，我们通过DDM从混合区域测量得到的扭转角为2.41° ± 0.04°，与通过SDM从单个晶片获得的2.47° ± 0.06°的值非常接近
作者贡献声明
郑北天：撰写——原始草稿、可视化、研究、验证、正式分析。
陈旭：撰写——审稿与编辑、方法论、概念化、研究、正式分析、资金获取。
周长吉：可视化、验证、研究、正式分析。
张杰雄：撰写——审稿与编辑、研究、正式分析。
秦晓：可视化、验证、研究、正式分析。
王若兰：可视化、验证、正式分析。
数据可用性
数据可根据请求提供。
手稿准备过程中未使用任何AI工具
表1
作者贡献声明
郑北天：撰写——原始草稿、可视化、研究、正式分析、验证。
陈旭：撰写——审稿与编辑、方法论、研究、资金获取、正式分析、概念化。
周长吉：研究、正式分析、验证、可视化。
张杰雄：撰写——审稿与编辑、研究、正式分析。
秦晓：研究、正式分析、验证、可视化。
王若兰：研究、正式分析、可视化。
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。
