CN109676437B - 碳化硅晶片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种碳化硅晶片及其制造方法。所述碳化硅晶片的制造方法包括：提供碳化硅晶片，具有待抛光面；其中，所述待抛光面具有第一表面与第二表面；以抛光器在第一抛光液中，对所述待抛光面的所述第一表面与所述第二表面的其中一个表面进行抛光；其中，所述抛光器包含抛光垫及固定于所述抛光垫的多个研磨颗粒；以及以所述抛光器在第二抛光液中，对所述待抛光面的所述第一表面与所述第二表面的其中另一表面进行抛光；其中，所述第一抛光液的pH值不大于7，而所述第二抛光液的pH值不小于7。所述碳化硅晶片的制造方法能有效地提升所述碳化硅晶片的表面平坦度，以及减少所述碳化硅晶片表面的刮痕或缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体晶片及其制造方法，尤其涉及一种碳化硅晶片及其制造方法。
背景技术
碳化硅晶片作为宽带隙半导体，具有高热导率及高饱和电子漂移速率等特点。随着高速及高频无线电技术日益增长的需要，宽带隙半导体越来越受到人们的关注，这种半导体器件能够满足普通硅基半导体所不能满足的诸多优点，例如能够在更高功率水平、更高温度、和更加恶劣的环境下工作。事实上，以此基础制造的金属半导体场效应管和金属氧化物半导体场效应管等均已实现。因此获得高质量的碳化硅晶片(碳化硅基板)显得越来越重要。这里所指的高质量，不仅仅是指碳化硅晶片本身的质量，尤为重要的是指碳化硅晶片表面的高质量(低的缺陷率)和优良的平坦度参数。这不仅是器件制备的需求，也是磊晶薄膜的需求。事实上，磊晶薄膜对晶片(基板)的依赖性很强，当晶片表面起伏较大时，将会严重影响磊晶薄膜质量。而生长出来的磊晶层也会受到晶片表面缺陷和平整度的影响。晶片上的所有缺陷会传递到新的磊晶层中。这类缺陷不仅会引起漏电现象，还会显著降低电子迁移率。
于是，本发明人认为上述缺陷可改善，乃特潜心研究并配合科学原理的运用，终于提出一种设计合理且有效改善上述缺陷的本发明。
发明内容
本发明实施例在于提供一种碳化硅晶片及其制造方法，能有效地改善现有技术中碳化硅晶片表面所可能产生的缺陷及平整度不佳问题。
本发明实施例公开一种碳化硅晶片的制造方法，包括：提供一碳化硅晶片，具有一待抛光面；其中，所述待抛光面具有一第一表面与一第二表面；以一抛光器在一第一抛光液中，对所述待抛光面的所述第一表面与所述第二表面的其中一表面进行抛光；其中，所述抛光器包含有一抛光垫及固定于所述抛光垫的多个研磨颗粒；以及以所述抛光器在一第二抛光液中，对所述待抛光面的所述第一表面与所述第二表面的其中另一表面进行抛光；其中，所述第一抛光液的pH值不大于7，而所述第二抛光液的pH值不小于7。
优选地，所述第一抛光液的pH值不大于2，并且所述抛光器在所述第一抛光液中，是对所述待抛光面的所述第一表面进行抛光；所述第二抛光液的pH值不小于8，并且所述抛光器在所述第二抛光液中，是对所述待抛光面的所述第二表面进行抛光。
优选地，所述第一抛光液包含有一氧化剂，所述第二抛光液包含有一金属盐类。
优选地，所述碳化硅晶片的制造方法进一步包括：以所述抛光器在一第三抛光液中，对所述待抛光面的所述第一表面与所述第二表面的其中一表面进行抛光；及以所述抛光器在一第四抛光液中，对所述待抛光面的所述第一表面与所述第二表面的其中另一表面进行抛光，使所述待抛光面形成一抛光面；其中，所述第三抛光液的pH值不大于7，而所述第四抛光液的pH值不小于7。
优选地，所述第三抛光液的pH值不大于4，并且所述抛光器在所述第三抛光液中，是对所述待抛光面的所述第一表面进行抛光；所述第四抛光液的pH值不小于8，并且所述抛光器在所述第四抛光液中，是对所述待抛光面的所述第二表面进行抛光；其中，所述抛光面的三维算数平均偏差(Sa)小于2.5纳米，所述抛光面的三维轮廓高低差(Sz)小于20纳米，并且所述抛光面未形成有长度大于5微米的一刮痕。
优选地，所述第一抛光液与所述第二抛光液内皆未包含任何研磨颗粒。
本发明实施例也公开一种碳化硅晶片，包括位于相反侧的两个表面，并且两个所述表面的至少其中一个所述表面为一抛光面且包括：一基准面，未形成有长度大于5微米的一刮痕；以及一微结构模块，形成于所述基准面，所述微结构模块包含有凹设于所述基准面的多个微凹陷以及突出于所述基准面的多个微凸起，并且所述微结构模块的三维算数平均偏差(Sa)小于2.5纳米，而所述微结构模块的三维轮廓高低差(Sz)小于20纳米。
优选地，所述微结构模块的所述三维算数平均偏差与所述三维轮廓高低差的比值(Sa/Sz)小于0.25。
优选地，所述基准面在其每平方厘米(cm2)的区域内的所述微凹陷的数量小于1个，并且所述基准面在其每平方厘米的区域内的所述微凸起的数量小于1个；所述基准面在其每平方厘米的区域内的所述微凹陷与所述微凸起的数量总和小于3个。
优选地，所述微结构模块的任一个所述微凹陷或是任一个所述微凸起正投影至所述基准面的一投影区域，其面积小于100平方微米(μm2)。
综上所述，本发明实施例所公开的碳化硅晶片的制造方法，能通过使用第一抛光液与第二抛光液来对所述待抛光面的第一表面与第二表面进行抛光，并且搭配将多个所述研磨颗粒固定于抛光垫上，从而有效地提升所述碳化硅晶片的表面平坦度，以及减少所述碳化硅晶片表面的刮痕或缺陷(微凹陷、微凸起)。
再者，本发明实施例所公开的碳化硅晶片，能提供无刮痕的抛光面，并且具有优良的平坦度参数(如：抛光面的Sa小于2.5纳米及Sz小于20纳米)，借以在碳化硅晶片的后续应用中，能有效地减少缺陷传递到磊晶层中的情况，并且提升磊晶层的质量。
为能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，但是此等说明与附图仅用来说明本发明，而非对本发明的保护范围作任何的限制。
附图说明
图1为本发明实施例碳化硅晶片的制造方法流程示意图。
图2为本发明实施例碳化硅晶片的立体示意图。
图3为图2的抛光面中的区域III的局部放大示意图。
具体实施方式
请参阅图1至图3，为本发明的实施例，需先说明的是，本实施例对应附图所提及的相关数量与外型，仅用来具体地说明本发明的实施方式，以便于了解本发明的内容，而非用来局限本发明的保护范围。
[碳化硅晶片的制造方法]
如图1，本实施例公开一种碳化硅晶片(silicon carbide wafer)的制造方法。所述碳化硅晶片的制造方法包含步骤S110、步骤S120、以及步骤S130。必须说明的是，本实施例所载的各步骤的顺序与实际的操作方式可视需求而调整，并不限于本实施例所载。
步骤S110为提供一碳化硅晶片。所述碳化硅晶片具有至少一待抛光面。也就是说，所述碳化硅晶片具有位于相反侧的两个表面，并且可以在其一侧的表面具有所述待抛光面(单面抛光)，或者所述碳化硅晶片也可以在其相反两侧的表面皆具有所述待抛光面(双面抛光)。
再者，所述待抛光面具有一第一表面与一第二表面，并且所述第一表面的晶向相异于所述第二表面的晶向。更详细地说，本实施例的第一表面为一碳面，而第二表面为一硅面，但本发明不以此为限。本实施例所指的碳化硅晶片的待抛光面为尚未经过抛光制程加工处理过的表面，并且所述碳化硅晶片的尺寸为四英寸，但本发明不以此为限。举例来说，所述碳化硅晶片的尺寸也可以为六英寸或其它更大或更小的尺寸。再者，所述碳化硅晶片在进行来料检验时，所述待抛光面的线性粗糙度算术平均高度(Ra)可以是小于7纳米，但不受限于此。
步骤S120为对所述碳化硅晶片进行一粗抛制程。所述粗抛制程包含以一抛光器在一第一抛光液中，对所述待抛光面的第一表面与第二表面的其中一表面进行抛光。接着，以所述抛光器在一第二抛光液中，对所述待抛光面的第一表面与第二表面的其中另一表面进行抛光。其中，所述抛光器包含有一抛光垫及固定于所述抛光垫的多个研磨颗粒，而所述第一抛光液与第二抛光液内皆未包含任何研磨颗粒。再者，所述第一抛光液的pH值不大于7(酸性抛光液)，而所述第二抛光液的pH值不小于7(碱性抛光液)。
进一步地说，在本实施例的粗抛制程中，所述抛光器的抛光参数为抛光压力大于20g/cm2、旋转速度不小于25rpm、及化学机械抛光时间介于0.5至2小时。而在所述抛光器中，固定于所述抛光垫的多个研磨颗粒的平均粒径是小于20μm，且多个所述研磨颗粒分布在抛光垫上的密度是小于50％。再者，多个所述研磨颗粒是选自钻石(金刚石)、碳化硅、氧化铝、碳化硼、及立方体状氮化硼的至少其中之一，而本实施例是采用钻石，但不受限于此。
较佳地，本实施例第一抛光液的pH值不大于2(酸性抛光液)，并且所述抛光器在第一抛光液中，是对所述待抛光面的第一表面(碳面)进行抛光。而所述第二抛光液的pH值不小于8(碱性抛光液)，并且所述抛光器在所述第二抛光液中，是对所述待抛光面的第二表面(硅面)进行抛光。而所述碳化硅晶片在经过粗抛制程后，所述待抛光面所检测出的线性粗糙度算术平均高度(Ra)介于0.5纳米(nm)至1纳米间。
更详细地说，所述第一抛光液(如：酸性抛光液)包含有一氧化剂，并且所述第一抛光液是选自过锰酸盐、过氧化氢、过硫酸氢钾、硝酸铵铈、过碘酸盐、碘酸盐、过硫酸盐、氯酸盐、铬酸盐、溴酸盐、过溴酸盐、铁酸盐、高铼酸盐、高钌酸盐的至少其中之一，而本实施例是采用过锰酸盐，但不受限于此。又，所述第二抛光液(如：碱性抛光液)包含有一金属盐类，并且所述第二抛光液是选自碳酸钠、碳酸钾、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化铵、四甲基氢氧化铵的至少其中之一，而本实施例是采用氢氧化钾，但不受限于此。
必须说明的是，在本实施例的粗抛制程中，较佳地是先使用第一抛光液对所述待抛光面的第一表面(碳面)进行抛光，再使用第二抛光液对所述待抛光面的第二表面(硅面)进行抛光。主要原因是由于第一表面(碳面)的硬度大于第二表面(硅面)的硬度，再加上一般业界对于第二表面(硅面)的表面加工质量要求较高，若加工的次数越多，会增加晶片表面损伤的机会。为了要减少第二表面(硅面)的加工次数，因此才会先进行第一表面(碳面)的加工，但本发明不以此为限。举例来说，在本发明的另一实施例中，所述粗抛制程也可以是先使用第一抛光液对所述待抛光面的第二表面进行抛光，并且所述第一抛光液可以采用pH值不小于8的碱性抛光液。接着，再使用第二抛光液对所述待抛光面的第一表面进行抛光，并且所述第二抛光液可以采用pH值不大于2的酸性抛光液。
步骤S130为对所述碳化硅晶片进行一细抛制程。所述细抛制程包含以所述抛光器在一第三抛光液中，对所述待抛光面的第一表面与第二表面的其中一表面进行抛光。接着，以所述抛光器在一第四抛光液中，对所述待抛光面的所述第一表面与所述第二表面的其中另一表面进行抛光，以使所述待抛光面形成一抛光面。其中，所述第三抛光液的pH值不大于7(酸性抛光液)，而所述第四抛光液的pH值不小于7(碱性抛光液)，并且所述第三抛光液与第四抛光液内较佳是皆未包含任何研磨颗粒。
进一步地说，在本实施例的所述细抛制程中，所述抛光器的抛光参数为抛光压力大于15g/cm2、旋转速度不小于15rpm、及化学机械抛光时间介于0.5至2小时。而在细抛制程中所使用的抛光器的规格是相同或类似于粗抛制程中的抛光器的规格，在此不多加赘述。
较佳地，本实施例中所述第三抛光液的pH值不大于4(酸性抛光液)，并且所述抛光器在第三抛光液中，是对所述待抛光面的第一表面进行抛光。而所述第四抛光液的pH值不小于8(碱性抛光液)，并且所述抛光器在所述第四抛光液中，是对所述待抛光面的第二表面进行抛光。而所述碳化硅晶片在经过细抛制程后，所述抛光面(经过细抛制程后所产生的抛光面)所检测出的线性粗糙度算术平均高度(Ra)小于0.5纳米。并且所述抛光面的三维算数平均偏差(Sa)小于2.5纳米，所述抛光面的三维轮廓高低差(Sz)小于20纳米，并且所述抛光面未形成有长度大于5微米(μm)的一刮痕(scratch)。另，所述粗抛制程及细抛制程对于所述抛光面厚度的移除速率约大于每小时0.1微米。
更详细地说，所述第三抛光液(如：酸性抛光液)是类似于粗抛制程中的第一抛光液(如：第三抛光液包含有氧化剂)。而所述第四抛光液(如：碱性抛光液)是类似于粗抛制程中的第二抛光液(如：第四抛光液包含有金属盐类)。
必须说明的是，类似于上述的粗抛制程，在本实施例的细抛制程中，较佳地是先使用第三抛光液对所述待抛光面的第一表面进行抛光，再使用第四抛光液对所述待抛光面的第二表面进行抛光，但本发明不以此为限。举例来说，在本发明的另一实施例中，所述细抛制程也可以是先使用第三抛光液对所述待抛光面的第二表面进行抛光，并且所述第三抛光液可以采用pH值不小于8的碱性抛光液。接着，再使用第四抛光液对所述待抛光面的第一表面进行抛光，并且所述第四抛光液可以采用pH值不大于4的酸性抛光液。
[碳化硅晶片抛光面测试]
如图2及图3，针对经过上述碳化硅晶片的制造方法加工处理过的碳化硅晶片100的抛光面1，其详细的测试方式及测试结果，如下所述。其中，本实施例是采用四英寸碳化硅晶片进行抛光制程，但本发明不以此为限。
晶片表面粗糙度(Sa、Sz)测试：将经过上述碳化硅晶片的制造方法加工处理过的多片碳化硅晶片100取出其中的三片做为晶片表面粗糙度测试片(编号为1、2、3)，依据白光干涉量测原理及表面粗糙度的国际标准规格ISO 25178，利用白光干涉仪来进行测试，以获得如图3所示的微结构模块12的三维算数平均偏差(Sa)及三维轮廓高低差(Sz)。必须说明的是，在进行晶片表面粗糙度测试时，是固定挑选平均分布于每片测试片抛光面1的十三个点来进行测试，并且将十三个点的测试结果取平均值，相关测试结果如表1所示(表1仅显示各测试参数的平均值)。
[表1]
| 测试项目/测试片编号 | 1 | 2 | 3 |
| 三维算数平均偏差Sa(nm) | 2.27 | 1.31 | 1.07 |
| 三维轮廓高低差Sz(nm) | 15.08 | 12.99 | 11.30 |
| Sa/Sz | 0.15 | 0.10 | 0.09 |
由表1可得知，上述三片晶片表面粗糙度测试片(编号为1、2、3)的三维算数平均偏差(Sa)是介于1.07纳米至2.27纳米(小于2.5纳米)。三维轮廓高低差(Sz)是介于11.30纳米至15.08纳米(小于20纳米)。而三维算数平均偏差与三维轮廓高低差的比值(Sa/Sz)是介于0.09至0.15(小于0.25)。
晶片表面缺陷(scratch、pit defect、bump defect)测试：将经过上述碳化硅晶片的制造方法加工处理过的多片碳化硅晶片100取出其中的一片做为晶片表面缺陷测试片，并且针对其抛光面1(包括基准面11)做表面缺陷测试，测试的项目包含刮痕(scratch)的数量，及微结构模块12的微凹陷121(pit defect)与微凸起122(bump defect)的数量(如图3)。其中，所述刮痕(scratch)定义为长度大于5微米的表面缺陷。进一步地说，在进行晶片表面缺陷测试时，是先针对整个抛光面1做各种缺陷的数量测试，再进一步计算出其每平方厘米的区域内各种缺陷的数量，计算方式为将各种缺陷的总数量除以四英寸晶片的表面积(四英寸晶片的表面积约为71.5平方厘米)。相关测试结果如表2所示。
[表2]
由表2可得知，上述晶片表面缺陷测试片的抛光面的刮痕总数量为0个，因此其每平方厘米的区域内的刮痕数量也为0个。微结构模块12的微凹陷121总数量为69个，因此其每平方厘米的区域内的微凹陷121数量仅有0.96个(小于1个)。微结构模块12的微凸起122总数量为37个，因此其每平方厘米的区域内的微凸起122数量仅有0.52个(小于1个)。整体而言，所述抛光面1(包括基准面11)在其每平方厘米的区域内的微凹陷121与微凸起122的数量总和小于3个，并且所述微结构模块12的任一个微凹陷121或是任一个微凸起122正投影至基准面11的一投影区域，其面积小于100平方微米(μm2)(表1中未列出数值)。值得一提的是，在所有的微凹陷121及微凸起122中，其缺陷面积皆小于25微米平方厘米(μm2)。也就是说，在所述抛光面1(包括上述基准面11)中完全没有大于25微米平方厘米的微凹陷121或微凸起122。
[碳化硅晶片]
如图2及图3，本实施例也公开一种碳化硅晶片100，所述碳化硅晶片100可以是经过上述碳化硅晶片的制造方法加工处理过，但本发明不受限于此。
具体来说，所述碳化硅晶片100包括有位于相反侧的两个表面，并且两个所述表面的至少其中一个表面为一抛光面1。所述抛光面1包括一基准面11及一微结构模块12。其中，所述基准面11未形成有长度大于5微米的一刮痕(scratch)(图未绘示)，也就是说，所述碳化硅晶片100于本实施例中是包含有无刮痕的抛光面1。
所述微结构模块12形成于基准面11。所述微结构模块12包含有凹设于基准面11的多个微凹陷121(pit defect)以及突出于基准面11的多个微凸起122(bump defect)。并且所述微结构模块12的三维算数平均偏差(Sa)小于2.5纳米(nm)，而所述微结构模块12的三维轮廓高低差(Sz)小于20纳米。所述微结构模块12的三维算数平均偏差与三维轮廓高低差的比值(Sa/Sz)小于0.25。
进一步地说，所述基准面11在其每平方厘米(cm2)的区域内的微凹陷121的数量小于1个，并且所述基准面11在其每平方厘米的区域内的微凸起122的数量小于1个。整体而言，所述基准面11在其每平方厘米的区域内的微凹陷121与微凸起122的数量总和小于3个。并且所述微结构模块12的任一个微凹陷121或是任一个微凸起122正投影至基准面11的一投影区域，其面积小于100平方微米(μm2)。
[本发明实施例的技术功效]
综上所述，本发明实施例所公开的碳化硅晶片的制造方法，能通过在所述粗抛制程中，先使用第一抛光液对所述待抛光面的第一表面进行抛光，再使用第二抛光液对所述待抛光面的第二表面进行抛光，以及在所述细抛制程中，先使用第三抛光液对所述待抛光面的第一表面进行抛光，再使用第四抛光液对所述待抛光面的第二表面进行抛光，并且搭配将多个所述研磨颗粒固定于抛光垫上，从而有效地提升所述碳化硅晶片100的抛光面1平坦度(Sa小于2.5纳米、Sz小于20纳米)，以及减少所述碳化硅晶片100抛光面1的刮痕或缺陷(微凹陷121、微凸起122)。
再者，若所述抛光液中含有多个研磨颗粒，常常会导致多个研磨颗粒彼此团聚的现象发生，从而使得多个研磨颗粒无法均匀地分散于抛光液中。在此情况下进行碳化硅晶片的抛光，彼此团聚的多个研磨颗粒会容易在碳化硅晶片的表面上形成刮痕。相对于上述缺失，本发明实施例能通过将多个研磨颗粒固定于抛光垫上，从而避免了多个研磨颗粒彼此团聚的现象发生，并且可以有效地减少碳化硅晶片表面上的刮痕。
另，本发明实施例所公开的碳化硅晶片100，能提供无刮痕的抛光面1，并且具有优良的平坦度参数(如：抛光面的Sa小于2.5纳米及Sz小于20纳米)，借以在碳化硅晶片100的后续应用中，能有效地减少缺陷传递到磊晶层中的情况，并且提升磊晶层的质量。
以上所述仅为本发明的优选可行实施例，并非用来局限本发明的保护范围，凡依本发明权利要求书所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的权利要求书的保护范围。
Claims (8)
1.一种碳化硅晶片的制造方法，其特征在于，所述碳化硅晶片的制造方法包括：
提供碳化硅晶片，具有待抛光面；其中，所述待抛光面具有第一表面与第二表面；其中，所述第一表面为一碳面，且所述第二表面为一硅面；
以抛光器在第一抛光液中，对所述待抛光面的所述第一表面进行抛光；其中，所述抛光器包含抛光垫及固定于所述抛光垫的多个研磨颗粒；
在以所述抛光器在所述第一抛光液中对所述第一表面进行抛光后，以所述抛光器在第二抛光液中，对所述待抛光面的所述第二表面进行抛光；其中，所述第一抛光液的pH值不大于2，而所述第二抛光液的pH值不小于8；
在以所述抛光器在所述第二抛光液中对所述第二表面进行抛光后，以所述抛光器在一第三抛光液中，对所述待抛光面的所述第一表面进行抛光；及
在以所述抛光器在所述第三抛光液中对所述第一表面进行抛光后，以所述抛光器在一第四抛光液中，对所述待抛光面的所述第二表面进行抛光，使所述待抛光面形成一抛光面；其中，所述第三抛光液的pH值不大于7，而所述第四抛光液的pH值不小于7。
2.根据权利要求1所述的碳化硅晶片的制造方法，其特征在于，所述第一抛光液包含氧化剂，所述第二抛光液包含金属盐类。
3.根据权利要求1所述的碳化硅晶片的制造方法，其特征在于，所述第三抛光液的pH值不大于4；所述第四抛光液的pH值不小于8；其中，所述抛光面的三维算数平均偏差小于2.5纳米，所述抛光面的三维轮廓高低差小于20纳米，并且所述抛光面未形成长度大于5微米的刮痕。
4.根据权利要求1所述的碳化硅晶片的制造方法，其特征在于，所述第一抛光液与所述第二抛光液内皆未包含任何研磨颗粒。
5.一种碳化硅晶片，其特征在于，所述碳化硅晶片包括位于相反侧的两个表面，并且两个所述表面的至少其中一个所述表面为抛光面且包括：
基准面，未形成长度大于5微米的刮痕；以及
微结构模块，形成于所述基准面，所述微结构模块包含凹设于所述基准面的多个微凹陷以及突出于所述基准面的多个微凸起，并且所述微结构模块的三维算数平均偏差小于2.5纳米，而所述微结构模块的三维轮廓高低差小于20纳米。
6.根据权利要求5所述的碳化硅晶片，其特征在于，所述微结构模块的所述三维算数平均偏差与所述三维轮廓高低差的比值小于0.25。
7.根据权利要求5所述的碳化硅晶片，其特征在于，所述基准面在其每平方厘米的区域内的所述微凹陷的数量小于1个，并且所述基准面在其每平方厘米的区域内的所述微凸起的数量小于1个；所述基准面在其每平方厘米的区域内的所述微凹陷与所述微凸起的数量总和小于3个。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的碳化硅晶片，其特征在于，所述微结构模块的任一个所述微凹陷或是任一个所述微凸起正投影至所述基准面的投影区域，所述投影区域的面积小于100平方微米。
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