一种可分离的复合碳化硅衬底及其制备和分离方法与流程

1.本发明涉及半导体材料领域，特别涉及一种可分离的复合碳化硅衬底及其制备和分离方法。


背景技术：

2.碳化硅(sic)具有优越的物理性能，如高禁带宽度(对应高击穿电场和高功率密度)、高电导率、高热导率等。碳化硅晶片作为半导体衬底材料，经过外延生长、器件制造等环节，可制成碳化硅基功率器件和微波射频器件，是第三代半导体产业发展的重要基础材料。考虑碳化硅衬底加工过程中的翘曲，外延过程中引入的应力，以及器件工艺中夹持的问题，商用碳化硅衬底的厚度一般在350um或以上。从目前碳化硅功率器件的工艺来看，以垂直结构的mosfet为例，为了提高器件的纵向热导，以及降低垂直沟道导通电阻，在350um厚碳化硅单晶衬底01上进行外延02、以及图形05等平面工艺后，需要对碳化硅单晶衬底做减薄处理，然后在减薄后的衬底03背面做金属欧姆接触电极，作为mosfet的漏极。该减薄工艺过程要去除200-300um厚的单晶衬底04，如图1所示。碳化硅具有高硬度(莫氏硬度高达9.5)、高脆性和低断裂韧性等物理特性，因此其在背面减薄工艺上有很多难点，磨削加工时很容易引起材料脆性断裂或产生严重表面损伤，且减薄速度很慢，产能效率低下。
3.专利us2021/0225709a1给出了激光隐切减薄sic器件工艺晶圆的方法，对一个在上表面完成器件图形工艺的晶圆，将一束超快激光从背面入射，并聚焦在晶圆的设定深度处，将焦点处的碳化硅分解，产生结构缺陷；激光束斑扫描整个晶圆后，产生一个结构缺陷层；然后在晶圆上下表面贴合pdms等有机材料；然后用液氮或其他方法对pdms降温至tg以下，pdms层剧烈收缩，使碳化硅上下层分别向两个外表面翘曲，从而沿激光缺陷层分开，实现晶圆背面减薄。因为用于隐切割的激光束是可以在垂直方向上穿透整个碳化硅晶圆，所以入射激光除了在焦点处被sic吸收外，还有一小部分激光会透过焦点处，照射至器件层，如图2所示。该激光会引起某些器件图形的不良，如肖特基结在激光照射后，肖特基节的势垒会发生变化。因此，在激光减薄工艺中，需要有效避免激光穿过吸收层，照射到器件层。


技术实现要素：

4.本发明提出一种可分离的复合碳化硅衬底及其制备方法，旨在提供一种可以快速分离的复合衬底，既可以降低背面减薄的难度，又可以避免激光对器件层的不良影响，从而解决碳化硅衬底背面减薄的工艺难题。
5.为此，本发明采用以下技术方案：
6.一种可分离的复合碳化硅衬底，如图3所示，所述衬底0包括第一碳化硅单晶层1、第二碳化硅单晶层2以及位于两个碳化硅单晶层之间的非晶层3；所述碳化硅衬底，对于波长为1030nm的光，第二碳化硅单晶层2的透过率大于50％，非晶层3的透过率小于0.2％。
7.其中，所述复合碳化硅衬底0在垂直于面内方向上的抗拉强度大于10mpa。
8.其中，所述复合碳化硅衬底0厚度为300-450um；所述第一碳化硅单晶层1的厚度为
20-100um；所述第二碳化硅单晶层2的厚度为200-430um；所述非晶层3厚度为0.1-5um。
9.其中，所述第一碳化硅单晶层1的晶体结构为4h型六方结构；所述第二碳化硅单晶层2的晶体结构为3c型立方结构、4h型六方结构或者6h型六方结构中的一种；所述非晶层3为不含有金属元素的碳硅化合物和混合物，包含碳、硅和碳化硅。
10.本发明还提出一种可分离的复合碳化硅衬底的制备方法，如图4所示，包括如下步骤：
11.1)在第一碳化硅单晶层1的其中一个表面，形成一层硅薄膜31；在第二碳化硅单晶层2的其中一个表面，形成一层碳薄膜32；
12.2)将第一碳化硅单晶层1形成的硅薄膜31与第二碳化硅单晶层2形成的碳薄膜32进行正向堆叠；并在堆叠方向上施加压力，使硅薄膜31与碳薄膜32紧密贴合；
13.3)保持惰性气体的气氛，加热至第一目标温度，保持一定时间，使硅薄膜31部分硅原子扩散至碳薄膜32中；然后再升温至第二目标温度，保持一段时间，使碳薄膜312的部分碳原子和扩散至碳薄膜32中的硅原子发生反应生成无定形碳化硅，形成非晶层3；
14.4)保持堆叠方向上的压力，匀速降温至室温，然后释放压力，第一碳化硅单晶层1与第二碳化硅单晶层2通过非晶层3接合在一起；将晶片进行表面研磨和抛光，得到复合碳化硅衬底0。
15.其中，所述硅薄膜31的厚度为20nm～3um；所述碳薄膜32的厚度为20nm～3um；所述硅薄膜31和碳薄膜32的表面平均粗糙度小于0.2um。其中，硅薄膜31和碳薄膜32的制备方法，是磁控溅射、电子束蒸发、真空热蒸发，热喷涂，气相沉积中的一种；
16.其中，所述硅薄膜31中硅的摩尔质量大于所述碳薄膜32中的碳的摩尔质量。
17.其中，惰性气体的气氛，为氩气或氮气，气压100-1000pa；
18.其中，所述第一目标温度为1300-1400℃，保持时间为0.5～1小时；所述第二目标温度为1600-2100℃，保持时间为1～5小时；所述匀速降温速度小于20℃/min。其中，在所述第一目标温度，硅薄膜31中的硅原子快速蒸发，部分扩散至碳薄膜32中，部分离开界面处；在所述第二目标温度，部分扩散至碳薄膜31中的硅原子，与碳原子发生反应，生成无定形的碳化硅，形成一个非晶层3；
19.其中，所述堆叠方向上施加的压力为1～5mpa，在升温和降温的过程中，通过自动反馈动态调节压力机构，保持压力恒定。
20.本发明还提供一种复合碳化硅衬底的分离方法，图5所示，所述方法包括在第一碳化硅单晶层1上进行外延4以及图形5工艺后，在第二碳化硅单晶层2一侧，用波长为1030nm的激光束透过第二碳化硅单晶层2，聚焦至非晶层3上，非晶层3吸收激光能量发生分解；激光束沿着非晶层3进行面内扫描，非晶层3全部分解后，第一碳化硅单晶层1与第二碳化硅单晶层2实现自然分离。
21.采用以上方法得到的复合碳化硅衬底0翘曲度小于10um；第一碳化硅单晶层1外表面的平均粗糙度小于1nm，第二碳化硅单晶层2外表面的平均粗超度小于100nm；所述复合衬底为圆形，直径50mm～200mm，优选50mm、100mm、150mm,以及200mm。
22.所述抛光研磨，包括粗研磨，细研磨，化学机械抛光(cmp)等常规工艺，业内专业人员采用相应的设备，都可以实施。
23.本发明采用以上技术方案，通过在两个碳化硅单晶层之间，插入一个不透光的非
晶层，构成复合碳化硅衬底。该“三明治”结构的复合衬底，第一碳化硅单晶层用作器件功能层；第二碳化硅单晶层用做结构支撑层，第二碳化硅单晶层可在复合衬底完成外延和平面工艺之后通过非晶层的激光分解被分离去除。采用非晶层用作为两个单晶层的粘结和分离介质，在激光分离工艺中，由于非晶层对激光的透过率低于0.2％，使得大部分激光能量在该层中被吸收，几乎没有多余的激光进入第一碳化硅单晶层，所以对第一碳化硅单晶层表面的器件图形，起到了很好的保护作用。非晶层被激光照射后，粘结力完全消失，无须借助特殊方法，第一碳化硅单晶层和第二碳化硅单晶层就可以很容易地分离，降低了激光减薄的工艺难度。第一碳化硅单晶层和第二碳化硅单晶层的热膨胀吸收差异很小，在25℃～1800℃范围内，小于0.2％。因此在复合衬底制备器件的外延、离子注入，以及退火等高温工艺中，两个单晶层不会发生翘曲和开裂等不良现象。本发明提出的可分离复合衬底，能有效降低碳化硅背面减薄工艺的成本，适用于垂直结构的碳化硅器件，如碳化硅mosfet等。
附图说明
24.图1为现有技术中碳化硅单晶衬底减薄工艺过程示意图。
25.图2为现有技术中碳化硅单晶衬底激光切割减薄方法示意图。
26.图3为本发明可分离的复合碳化硅衬底结构示意图。
27.图4为本发明可分离的复合碳化硅衬底制备方法流程示意图。
28.图5为本发明可分离的复合碳化硅衬底分离方法示意图。
具体实施方式
29.为了使本发明的目的、特征和优点更加的清晰，以下结合附图及实施例，对本发明的具体实施方式做出更为详细的说明，在下面的描述中，阐述了很多具体的细节以便于充分的理解本发明，但是本发明能够以很多不同于描述的其他方式来实施。因此，本发明不受以下公开的具体实施的限制。
30.按照本发明所述的一种可分离的复合碳化硅衬底及其制备和分离方法，进行具体实施说明：
31.一种可分离的复合碳化硅衬底，如图3所示，所述衬底包括第一碳化硅单晶层1、第二碳化硅单晶层2以及位于两个碳化硅单晶层之间的非晶层3；所述碳化硅衬底对波长为1030nm的光，第二碳化硅单晶层2的透过率为85％，非晶层3的透过率小于0.2％。
32.其中，所述碳化硅衬底0在垂直于面内方向上的抗拉强度为20mpa。
33.其中，所述复合碳化硅衬底0厚度为350um；所述第一碳化硅单晶层1的厚度为72um；所述第二碳化硅单晶层2的厚度为275um；所述非晶层3厚度为3um。
34.其中，所述第一碳化硅单晶层1的晶体结构为4h型六方结构；所述第二碳化硅单晶层2的晶体结构为6h型六方结构；所述非晶层3为不含有金属元素的碳硅化合物和混合物，包含碳、硅和碳化硅。
35.本发明还提出一种可分离的复合碳化硅衬底的制备方法，如图4所示，包括如下步骤：
36.1)在第一碳化硅单晶层1的其中一个表面，形成一层硅薄膜31；在第二碳化硅单晶层2的其中一个表面，形成一层碳薄膜32；
37.2)将第一碳化硅单晶层1形成的硅薄膜31与第二碳化硅单晶层2形成的碳薄膜32进行正向堆叠；并在堆叠方向上施加压力，使硅薄膜31与碳薄膜32紧密贴合；
38.3)保持惰性气体的气氛下，加热至第一目标温度，保持一定时间，使硅薄膜31部分硅原子扩散至碳薄膜32中；然后再升温至第二目标温度，保持一段时间，使碳薄膜32中的部分碳原子和扩散至碳薄膜32中的硅原子发生反应生成无定形碳化硅，形成非晶层3；
39.4)保持堆叠方向上的压力，匀速降温至室温，然后释放压力，第一碳化硅单晶层1与第二碳化硅单晶层2通过非晶层3接合在一起；将晶片进行表面研磨和抛光，得到复合碳化硅衬底0。
40.其中，所述硅薄膜31的厚度为1.5um；所述碳薄膜32的厚度为1.5um；所述硅薄膜32和碳薄膜32的表面平均粗糙度为0.1um。其中，碳薄膜32和硅薄膜31的制备方法，采用磁控溅射制备得到；
41.其中，所述硅薄膜31中硅的摩尔质量大于所述碳薄膜32中的碳的摩尔质量。
42.其中，所述第一目标温度为1400℃，保持时间为1小时；所述第二目标温度为1800℃，保持时间为5小时；所述匀速降温速度为10℃/min。其中，在所述第一目标温度，硅薄膜31中的硅原子快速蒸发，部分扩散至碳薄膜32中，部分离开界面处；在所述第二目标温度，部分扩散至碳薄膜32中的硅原子，与碳原子发生反应，生成无定形的碳化硅，形成一个非晶层3；
43.其中，所述堆叠方向上施加的压力为3mpa，在升温和降温的过程中，通过自动反馈动态调节压力机构，保持压力恒定。
44.本发明还提供一种复合碳化硅衬底的分离方法，如图5所示，所述方法包括在第一碳化硅单晶层1上进行外延4以及图形5工艺后，在第二碳化硅单晶层2一侧，用波长为1030nm的激光束透过第二碳化硅单晶层2，聚焦至非晶层3上，非晶层3吸收激光能量发生分解；激光束沿着非晶层3面内扫描，非晶层全部分解后，第一碳化硅单晶层1与第二碳化硅单晶层2实现自然分离。
45.采用以上方法得到的复合碳化硅衬底经测试，其翘曲度为10um；第一碳化硅单晶层外表面的平均粗糙度为0.8nm，第二碳化硅单晶层外表面的平均粗超度为80nm；所述复合衬底为圆形，直径50mm～200mm，优选50mm、100mm、150mm,以及200mm。
46.所述抛光研磨，包括粗研磨，细研磨，化学机械抛光(cmp)等常规工艺，业内专业人员采用相应的设备，都可以实施。
47.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种可分离的复合碳化硅衬底，其特征在于，所述衬底包括第一碳化硅单晶层、第二碳化硅单晶层，以及位于两个碳化硅单晶层之间的非晶层；所述碳化硅衬底，对于波长为1030nm的光，第二碳化硅单晶层的透过率大于50％，非晶层的透过率小于0.2％。2.根据权利要求1所述的一种可分离的复合碳化硅衬底，其特征在于：所述复合碳化硅衬底在垂直于面内方向上的抗拉强度大于10mpa。3.根据权利要求1所述的一种可分离的复合碳化硅衬底，其特征在于：所述复合碳化硅衬底厚度为300-450um；所述第一碳化硅单晶层的厚度为20-100um；所述第二碳化硅单晶层的厚度为200-430um；所述非晶层厚度为0.1-5um。4.根据权利要求1所述的一种可分离的复合碳化硅衬底，其特征在于：所述第一碳化硅单晶层的晶体结构为4h型六方结构；所述第二碳化硅单晶层的晶体结构为3c型立方结构、4h型六方结构或者6h型六方结构中的一种；所述非晶层为不含有金属元素的碳硅化合物和混合物，包含碳、硅和碳化硅。5.一种可分离的复合碳化硅衬底的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)在第一碳化硅单晶层的其中一个表面，形成一层硅薄膜；在第二碳化硅单晶层的其中一个表面，形成一层碳薄膜；2)将第一碳化硅单晶层形成的硅薄膜与第二碳化硅单晶层形成的碳薄膜进行正向堆叠；并在堆叠方向上施加压力，使硅薄膜与碳薄膜紧密贴合；3)保持惰性气体的气氛，加热至第一目标温度，保持一定时间，使硅薄膜部分硅原子扩散至碳薄膜中；然后再升温至第二目标温度，保持一段时间，使碳薄膜中的部分碳原子和扩散至碳薄膜中的硅原子发生反应生成无定形碳化硅，形成非晶层；4)保持堆叠方向上的压力，匀速降温至室温，然后释放压力，第一碳化硅单晶层与第二碳化硅单晶层通过非晶层接合在一起；将晶片进行表面研磨和抛光，得到复合碳化硅衬底。6.根据权利要求5所述一种可分离的复合碳化硅衬底的制备方法，其特征在于，所述硅薄膜的厚度为20nm～3um；所述碳薄膜的厚度为20nm～3um；所述硅薄膜和碳薄膜的表面平均粗糙度小于0.2um。7.根据权利要求5所述一种可分离的复合碳化硅衬底的制备方法，其特征在于，所述硅薄膜中硅的摩尔质量大于所述碳薄膜中的碳的摩尔质量。8.根据权利要求5所述的一种可分离的复合碳化硅衬底的制备方法，其特征在于，所述第一目标温度为1300-1400℃，保持时间为0.5～1小时；所述第二目标温度为1600-2100℃，保持时间为1～5小时；所述匀速降温速度小于20℃/min。9.根据权利要求5所述的一种可分离的复合碳化硅衬底的制备方法，其特征在于，所述堆叠方向上施加的压力为1～5mpa。10.根据权利要求1或者5所述的一种复合碳化硅衬底的分离方法，其特征在于，所述方法包括在第一碳化硅单晶层上进行外延以及图形工艺后，在第二碳化硅单晶层一侧，用波长为1030nm的激光束透过第二碳化硅单晶层，聚焦至非晶层上，非晶层吸收激光能量发生分解；激光束沿着非晶层进行面内扫描，非晶层全部分解后，第一碳化硅单晶层与第二碳化硅单晶层实现自然分离。

技术总结
本发明提出了一种可分离的复合碳化硅衬底，包括第一碳化硅单晶层、第二碳化硅单晶层以及位于两个碳化硅单晶层之间的非晶层；所述碳化硅衬底，对于波长为1030nm的光，第二碳化硅单晶层的透过率大于50％，非晶层的透过率小于0.2％。本发明得到的复合碳化硅衬底，采用波长为1030nm的激光束，从第二碳化硅单晶层射入，聚焦在非晶层，非晶层吸收激光能量发生结构分解，从而第一碳化硅单晶层与第二碳化硅单晶层自然分离，解决了碳化硅器件工艺中背面减薄的问题，能有效保持衬底性能稳定及与后续垂直器件工艺的兼容性，降低了后段器件工艺背面减薄的成本与难度，为高性能低成本碳化硅基器件制备奠定材料基础。件制备奠定材料基础。件制备奠定材料基础。


技术研发人员：王振中
受保护的技术使用者：无锡华鑫检测技术有限公司
技术研发日：2022.03.04
技术公布日：2023/9/12