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摘要：研究了通过 O2 等离子体活化实现 SiC/Si 的低温直接键合。

经过优化，键合效率达到 90% 以上。通过反应离子刻蚀 (RIE) O2 等离子体 30 秒实现表面活化，无明显轰击损伤。

通过透射电子显微镜 (TEM) 观察到光滑无空隙的界面，同时还检测到了明显的非晶态氧化物层。通过将退火温度从 150 ◦C 提高到 300 ◦C，非晶态层从 48 nm 急剧减少到 11 nm。基于系统的实验和分析，讨论了 SiC/Si 低温等离子体活化键合的机理。

关键词：直接键合；等离子体活化；碳化硅；键合界面

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键合可以亲水键合+退火或者室温表面活化键合+改性层

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1. 引言

碳化硅 (SiC) 具有优异的物理和热性能，包括大的能带隙、高的击穿电压、高的热导率、高的电子饱和速度和优异的稳定性 [1]。SiC 与 Si 技术的结合将在高温、高压和大功率系统中具有广阔的应用前景 [2]。特别是，SiC/Si 异质结二极管有可能呈现出优于肖特基势垒二极管 (SBD) 的电气性能 [3–5]。通过在 SiC 衬底顶部引入 Si 层，可以在 Si 层上生长栅极氧化物，这可以提高 SiC MOSFET 栅极氧化物的可靠性 [6–8]。此外，基于 SiC/Si 结构，在微电子和微机电系统 (MEMS) 和光电器件中将有更多应用 [9,10]。

自从 SiC/Si 异质结构被提出以来，已经进行了大量研究。由于Si和SiC之间晶格失配较大，通过外延法制备SiC/Si异质结构仍存在问题[3,10,11]。无论是在SiC衬底上生长的Si薄膜还是在Si上生长的SiC薄膜都无法克服晶格失配问题[9]。直接晶圆键合作为一种独特的单片集成技术，可以实现两种材料的组合，尽管它们之间存在晶体差异[12]。Liang等人通过表面活化键合(SAB)[2,13,14]成功制备出电性能更好的SiC/Si异质结，其中在1000 ◦C退火后界面处的非晶层被消除。然而，SAB需要一个成本高昂的复杂系统，这限制了其在SiC/Si异质结中的进一步研究和应用。作为一种实用的晶圆键合方法，等离子活化键合(PAB)可以以低成本实现低温晶圆键合[15]。然而，PAB 用于 SiC/Si 晶片键合的研究尚未完成，键合效率较低。低温 PAB 几乎无法获得 90% 以上的高键合面积率 [16]。此外，尚未提出通过等离子体活化实现 SiC 与 Si 低温直接键合的合理机理。本文研究了通过等离子体活化实现 SiC/Si 低温直接键合。采用反应离子刻蚀 (RIE) O2 等离子体作为等离子体源来激活键合表面。研究并优化了等离子体活化和退火参数。为了表征键合界面并研究键合机理，我们在实验中采用了特定的测试方法。特别地，对不同退火温度下 SiC/Si 界面的 TEM 结果进行了比较，以研究对非晶层的影响。经过一系列测量，讨论了 SiC/Si PAB 的合理键合机理。 

2. 实验

实验中，4英寸双抛光N型4H-SiC（厚度=350μm）和单抛光P型Si（厚度=500μm）衬底晶片均切成20mm×20mm的样品。Si晶片为100取向，4H-SiC的键合面为Si面（0001取向）。

基本工艺流程如图1所示。依次用食人鱼溶液（H2SO4：H2O2）、RCA2（HCl：H2O2：H2O）和稀HF清洗SiC和Si晶片。

为了获得亲水表面，用NH4OH：H2O2：H2O（比例为0.25：1：5）在70℃下清洗10分钟。清洗干燥后，立即用 O2 等离子体 RIE 激活晶圆。RIE 功率和气体流量分别设置为 200 W 和 50 sccm。为了研究激活时间对键合效率的影响，激活时间分别设置为 0 s、30 s、60 s、90 s 和 120 s。等离子激活后，立即对 SiC 和 Si 晶圆进行预键合。为了增强键合强度，将键合样品在 Suss MicroTec SB6e 晶圆键合机中退火。对预键合样品施加 2500 mBar 的工具压力和 1 × 10−3 mBar 的腔室压力。为了研究退火时间的影响，两组样品分别在 150 ◦C 和 300 ◦C 下退火 3 小时

图1. O2等离子体激活键合过程示意图。

用原子力显微镜（AFM）测试了不同激活条件下Si和SiC样品的表面粗糙度。用X射线光电子能谱（XPS）表征表面化学状态。此外，用透射电子显微镜（TEM）观察了键合界面SiC/Si。

3. 结果与讨论

3.1. 键合参数的影响

等离子激活时间是 PAB 的关键参数。研究了键合效率与 O2 等离子激活时间之间的关系。有效的键合面积比可以使两种不同的材料完全结合。因此，我们主要采用键合面积比来表示实验的键合效率。键合面积比越高，键合样品之间的连接越好，这对于直接晶圆键合至关重要。图 2 显示了等离子激活时间的影响和键合结果的光学图像。

图 2. (a) SiC/Si 样品的键合效率与 O2 等离子体激活时间的关系。退火温度为 (b) 150 ◦C 和 (c) 300 ◦C 时 SiC/Si 样品的光学图像。

正如图 2a 中的键合结果所显示的那样，当晶圆表面未激活时，键合面积比不足。随着激活时间增加到 30 秒，键合效率超过 90%，这对于直接键合来说相当高。然后，随着激活时间的增加，键合效率呈现波动下降。经过 30 秒的 RIE O2 等离子体激活后，退火温度为 150 ◦C 和 300 ◦C 时 SiC/Si 样品的光学图像分别如图 2b、c 所示。由于SiC是一种透明材料，从图2b、c的光学图像中可以直接看到SiC/Si样品的键合面积，其中前层为SiC层，后层为Si层。标记未键合区域，并可以通过其与整个样品的面积比计算键合面积比。除了残留污染物造成的一些不可避免的空隙外，光学图像显示出良好的键合效果。因此，采用30秒的等离子体激活时间来进一步研究键合机理。

3.2.表面和界面表征

表面粗糙度是直接键合的重要因素。表面粗糙度直接影响晶圆键合的效率和强度。通常，更光滑、更清洁的表面将带来更好的键合效果[17]。图3显示了O2等离子体激活前后Si和SiC表面的均方根(RMS)。经过 30 s 的 O2 等离子体活化后，Si 晶片的表面粗糙度从 0.596 nm 降低到 0.514 nm，SiC 晶片的表面粗糙度从 0.147 nm 降低到 0.134 nm。根据表面粗糙度的降低，通过 RIE 等离子体活化清洁了 Si 和 SiC 晶片的表面。O2 等离子体处理减少了主表面上的有机污染物。此外，粗糙度的降低也可能来自凹凸峰的氧化和蚀刻。此外，三维表面形貌表明 30 s 的等离子体活化不会对晶片表面产生明显的损伤。

图 3. Si 表面在 O2 等离子体活化 30 秒之前 (a) 和之后 (b) 以及 SiC 表面在 O2 等离子体活化 30 秒之前 (c) 和之后 (d) 的三维表面形貌和粗糙度 (Rq)。

等离子体活化后，需要表征表面化学状态以研究键合机理。为了研究表面化学状态，包括表面元素组成和功能组，进行了 X 射线光电子能谱 (XPS)。图 4a、b 显示了 Si 表面的 Si 2p 光谱。主要峰分别为 Si 2p3/2、Si 2p1/2 和 Si–O。O2 等离子体活化后，Si–O 共价键峰的强度增加。这种变化表明 O2 等离子体破坏了 Si–Si 键，形成了 Si 表面的氧化，这可能会产生更多的 Si–O 悬空键。 Si–O键具有较高的能量，可以连接空气中的游离羟基，形成Si–OH基团。这些增加的Si–O键对于退火过程中键合界面共价键的重新形成至关重要。对于SiC表面，Si 2p的主要峰是Si–C和SiOxCy，如图4c，d所示。与Si表面类似，在O2等离子体活化后，SiOxCy峰大大增加，这意味着SiC表面在O2等离子体活化后也被氧化。在键合和退火过程中，这些不饱和含氧基团可以相互反应形成稳定的共价键。同时，它们还可以将外部氧气带入系统，这将影响长期的界面性质。

图 4. (a) 裸 Si、(b) O2 等离子体激活后的 Si、(c) 裸 SiC 和 (d) O2 等离子体激活后的 SiC 的 XPS Si 2p 光谱。

我们的实验中使用 TEM 来表征键合和退火后的键合界面。TEM 样品采用聚焦离子束 (FIB) 技术制造。获得了在 150 ◦C 和 300 ◦C 下退火的 SiC/Si 键合样品的 TEM 图像，如图 5 所示。

对于在 150 ◦C 下退火的键合样品，所选区域的 TEM 图像如图 5a、b 所示。晶格衍射图案表明，Si 和 SiC 层在键合和退火后保持单晶状态。从SiC/Si界面的横截面TEM图像可以看出，SiC层和Si层之间存在明显的48nm非晶态中间层，该中间层比预期的要厚得多。此外，靠近Si侧的非晶层发生了扭曲，这可能是由于Si层的氧化引起的。为了确定中间层的成分，利用EDS对Si，O和C进行了元素分析。界面处的EDS线分析结果如图5c所示。由于亲水键合和O2等离子体活化，在中间层中检测到了大量的O原子。从元素分析中，我们可以确认非晶层基本上由氧化物组成。此外，O2等离子体处理可以增加非晶层的孔隙率，从而引入额外的吸收水分子[17]。当退火温度仍然很低时，亲水表面吸收的许多水分子仍留在界面中。储水的

氧化层可能是造成厚的非晶层的原因。此外，剩余的水分子向原生氧化物下方的 Si 本体扩散，这可以通过 Si 层附近 O 原子的集中分布来证明。因此，检测到 Si 层和氧化物之间的弯曲边界，如图 5a 所示。

图 5. 退火温度为 (a,b) 150 ◦C 和 (d,e) 300 ◦C 时 SiC/Si 键合界面的横截面 TEM 图像。退火温度为 (c) 150 ◦C 和 (f) 300 ◦C 时，使用 EDS 线扫描对界面进行元素分析。

与图 5a、b 中的界面相比，当退火温度升高到 300 ◦C 时，界面得到了极大改善，如图 5d、e 所示。由于退火温度的升高，非晶层的厚度从 48 nm 缩小到 11 nm。

此外，界面变得更直更平，呈现出更可控的界面。所有这些改进都可以归因于退火温度的升高。

只要退火温度足够高，吸收的水分子就会在腔体压力和真空压力下沿界面排出。由于水分子及时消除，没有形成额外的氧化物，并且获得了直边界。然而，TEM 结果也表明，对于低温 O2 等离子体激活晶圆键合，非晶态氧化物层无法消除。

3.3. SiC/Si PAB 的键合机理

根据我们的测量和分析，本节讨论了 SiC/Si PAB 的键合机理，其中我们参考了传统 Si 基键合的经典 PAB 模型 [17,18]。图 6 显示了键合过程中界面的示意图。

图 6. SiC/Si 等离子活化键合机理示意图。界面 (a) 亲水处理后，(b) O2 等离子活化后，(c) 150 ◦C 退火后，(d) 300 ◦C 退火后。

SiC 晶片是一种天然亲水材料，在标准清洗后，很容易从空气中吸收水分子并形成硅醇 (Si-OH) 基团。对于 Si 晶片，在用稀释的 HF 溶液清洗后，获得了疏水表面。经过我们特定的亲水处理后，Si 表面重新获得了吸收水分子的能力。

经过 RIE 等离子体活化后，Si 表面的 Si-Si 键和 SiC 表面的 Si-C 键被 O2 等离子体破坏。O2 等离子体轰击会使晶片表面变形并产生许多悬空键，从而增加实际接触面积。

在室温下进行预键合后，SiC 和 Si 的表面相互接触。由于亲水表面已经从空气中吸收了许多水分子，在此期间，两个晶片主要通过位于相对晶片表面上的化学吸附水分子之间的氢键进行键合。悬空键之间的反应不足以主导键合界面的形成。因此，键合强度仍然很弱。如图 6c 所示，在 150 ◦C 的低温退火下，施加的压力可以使预键合晶片之间充分接触。Si 和 SiC 表面之间的悬空键和不饱和含氧基团通过聚合反应 (1) 和 (2) 连接。

与 Plach 等人 [18] 提出的 Si 基 PAB 模型类似，低温下，原始吸附和反应生成的水分子无法通过纳米间隙完全消除。残留的水可能已经扩散到原生氧化物下方的 Si 块体中，在那里形成了额外的含有结晶水的氧化物。此外，界面氧化主要发生在空隙区域附近。与 Si/SiO2 键合系统 [19] 类似，水应力腐蚀可以软化粗糙度，从而增加键合面积。表面中残留的水还可以帮助亚表面层变得更光滑，粗糙度凹凸变形。此外，界面凹凸的氧化会导致凹凸体积增加，这将有助于关闭界面并增加键合能。当退火温度从 150 升至 300 ◦C 时，水分子可能已经沿着键合界面扩散出来，或者根据反应 (3) 与 Si 发生反应。

由于高真空压力和温度升高，这些蒸发的水分子与氢气一起沿界面排出。因此，非晶氧化物层的厚度减小，这与图5中的TEM结果一致。从键合机理来看，我们可以确认，通过O2等离子体活化的低温晶片键合无法获得SiC / Si的无氧化物界面。几纳米的氧化层是不可避免的，特别是在低温退火下。4.结论总之，我们研究了等离子活化SiC / Si晶片直接键合的最佳条件，从而使键合效率超过90％。尽管键合面积比很高，但在界面上观察到了一层厚的非晶层。非晶氧化物层会损害电性能并限制其进一步应用。TEM结果显示了退火温度对非晶层的影响。当退火温度从 150 ◦C 升高到 300 ◦C 时，非晶态氧化层大幅减少。此外，根据我们的研究，详细讨论了 SiC/Si低温 PAB 的机理。然而，由于低真空和低退火温度的限制，低温 PAB 获得的键合晶片的非晶层无法完全消除。必须采用更高的退火温度和更优越的激活源来避免界面处的氧化层。

作者：Fengxuan Wang 1,2 , Xiang Yang 2, Yongqiang Zhao 2,3, Jingmin Wu 2,3, Zhiyu Guo 2,3, Zhi He 4,*,Zhongchao Fan 1,2,* and Fuhua Yang

1 

School of Microelectronics, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;

2 

Engineering Research Center for Semiconductor Integrated Technology, Institute of Semiconductors,

Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083, China;

3 

College of Materials Science and Opto-Electronic Technology, University of Chinese Academy of Sciences,

4

Institute of Microelectronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China