CN111048407A - SiC同质外延层的剥离方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种SiC同质外延层的剥离方法，其包括如下步骤：(1)制造缺陷层；(2)退火修复表面；(3)获得SiC外延层；(4)剥离。本发明通过离子注入的方法在SiC衬底表面附近制造缺陷层，同质外延生长后进行激光剥离，最终实现外延层和衬底的分离，整体过程步骤简洁，易于实现；而且对离子注入后的SiC衬底进行快速退火，这样使得缺陷层在后续的SiC外延生长的高温下也相对稳定；同时利用缺陷层对激光的强烈吸收，既可以增强激光的烧蚀效率，同时还减少了激光对SiC外延层的损伤；另外被剥离下来的SiC剩余衬底通过抛光后可以再次用来生长SiC外延层，有效提高了SiC衬底的利用率，降低了外延的生产成本。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种SiC同质外延层的剥离方法。
背景技术
SiC半导体材料因其具有宽带隙、高热导率、高饱和电子迁移速率、高临界击穿场强以及高键合能等优异的物理性质，被人们广泛地用于高温、高电压、大功率以及抗辐射等电子电力器件领域。随着能源问题的日益显现，SiC的功率器件备受人们关注。相比于传统的Si功率器件，SiC在3kV以上的高压超高压应用领域具有明显的优势。其不仅器件体积小，而且性能优异，功耗也更小。目前SiC大功率器件基本上都是制备在SiC外延层上的，而生长SiC外延层的理想衬底就是SiC衬底。SiC衬底的生长方法和加工难度导致了同质外延片具有较高的成本。
一般来说，考虑到SiC衬底加工时可能存在的翘曲和CVD外延时引入的应力问题，商用SiC衬底的厚度在350μm以上。而基于SiC外延层的功率器件，为了降低器件的导通阻抗，在器件制备过程中都需要将SiC衬底部分减薄至150μm以下，其余部分被金刚石砂轮研磨掉。这就导致了200μm以上的SiC衬底的浪费。
针对SiC外延衬底的浪费这个技术问题，已经有相关的专利公开发布。公开号“CN107326435A”，名称为“一种生长GaN的SiC衬底的剥离方法”的专利公开了一种生长GaN的SiC衬底的剥离方法，其通过在SiC衬底表面附近离子注入H+，在850-950℃下退火使得有H+注入的区域形成一层气泡，进而采用激光沿着氢层切割，即完成SiC衬底与GaN外延层的分离。公开号“CN110079859A”，名称为“一种SiC基GaN外延片的剥离方法”的专利同样公开了一种SiC基GaN外延片的剥离方法，与专利CN107326435A不同的是，其采用氧离子注入，通过退火形成气泡层，再用激光剥离衬底和外延层。上述方法对于GaN外延生长温度(950-1050℃)是有效的，但对于SiC同质外延生长SiC来说，由于其外延温度在1500℃以上，衬底中注入的氢离子和氧离子可能会从表面溢出，导致无法有效地形成气泡层。
因此，如何快速有效的将SiC同质外延层和SiC衬底剥离，是提高SiC衬底利用率，减低外延所需成本的一个亟待解决的技术问题。
发明内容
针对上述的不足，本发明目的在于，提供一种能提高目前SiC同质外延衬底的利用率，增强激光切割的效率且可降低激光对外延层的损伤的SiC同质外延层的剥离方法。
一种SiC同质外延层的剥离方法，其包括如下步骤：
(1)制造缺陷层：采用离子注入的方法，在SiC衬底的上表面内侧位置制造缺陷层；所述SiC衬底可以为n型或p型；
(2)退火修复表面：采用快速退火方法，修复所述SiC衬底的表面晶格缺陷，且对所述缺陷层进一步增厚；优选在离子注入后的SiC衬底在接近或高于SiC外延生长的温度下进行快速退火，这样使得缺陷层在后续的SiC外延生长的高温下也相对稳定；
(3)获得SiC外延层：对所述SiC衬底进行晶圆清洗，再放入外延炉中进行原位刻蚀，然后生长获得SiC外延层；
(4)剥离：采用激光辐照所述SiC衬底，将激光聚焦到所述缺陷层下方，实现剥离出外延层，以及获得被激光剥离后的SiC剩余衬底；
(5)抛光：对剥离后的外延层和SiC剩余衬底进行抛光处理，直至粗糙度达到指定值；SiC剩余衬底通过抛光后可以再次用来生长SiC外延层，进而提高了SiC衬底的利用率，降低了外延的生产成本。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤(1)中的离子注入的温度为室温，离子注入的参数可根据注入的深度及浓度分布用模拟软件TRIM进行预测，能量不小于300keV，剂量大于或等于1E10cm-2，注入时衬底法线相对离子束倾斜一定角度。该角度为5～10度，优选为7度。所述步骤(1)中的离子注入的离子种类可以为N+，P+，Al+，Ne+或Ar+。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤(2)中的快速退火方法具体包括以下步骤：将离子注入后的SiC衬底放入有Ar气保护的快速退火炉中，在1500-1700℃温度下退火10-30min。在退火过程中，优选在所述SiC衬底表面覆盖碳材料，能防止高温退火下SiC表面粗糙化。
作为本发明的一种优选方案，经所述步骤(2)退火后，所述缺陷层在所述SiC衬底的表面下方深度不小于0.5μm。所述缺陷层的厚度不小于100nm。所述缺陷层主要由缺陷导致的深能级构成，其对激光具有强烈的吸收。
作为本发明的一种优选方案，经所述步骤(3)的原位刻蚀具体包括以下步骤：在外延炉中，用H2刻蚀SiC衬底时使刻蚀深度小于缺陷层距离SiC表面的深度，刻蚀时间为5-10min，温度为1500-1650℃。标准的SiC外延生长体系包括但不限于SiH4+C3H8+H2、SiH4+C3H8+H2+HCl以及SiHCl3+C2H4+H2等，优选地，生长时SiC衬底的温度为1550–1650℃，生长的SiC外延层厚度不小于10μm。
作为本发明的一种优选方案，所述激光的光子能量小于SiC衬底的带隙值，所述激光可以是连续激光也可以是脉冲激光，所述激光从SiC衬底的下表面或者SiC衬底侧面进行辐照。
作为本发明的一种优选方案，对被剥离下来的衬底和SiC外延层采用抛光工艺进行处理直至粗糙度达到指定值。
本发明的有益效果为：本发明通过离子注入的方法在SiC衬底表面附近制造缺陷层，同质外延生长后进行激光剥离，最终实现外延层和衬底的分离，整体过程步骤简洁，易于实现；而且对离子注入后的SiC衬底进行快速退火，这样使得缺陷层在后续的SiC外延生长的高温下也相对稳定；同时利用缺陷层对激光的强烈吸收，既可以增强激光的烧蚀效率，同时还减少了激光对SiC外延层的损伤；另外被剥离下来的SiC剩余衬底通过抛光后可以再次用来生长SiC外延层，有效提高了SiC衬底的利用率，降低了外延的生产成本。
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
图2为本发明离子注入的示意图。
图3为本发明激光切割原理的示意图。
图4为本发明剥离的结构示意图。
具体实施方式
实施例1：本实施例提供的一种SiC同质外延层的剥离方法，其包括如下步骤：
(1)采用N+离子100注入在n型的SiC衬底1的上表面内侧位置制造缺陷层2；离子注入的温度为室温，能量为500keV，剂量为1×1E11cm-2，注入时衬底法线相对离子束倾斜7度,注入深度为1μm左右；
(2)将离子注入后的SiC衬底1放入有Ar气保护的快速退火炉中，在1500-1700℃温度下退火30min,退火过程中在SiC衬底1表面覆盖碳材料，防止高温退火下SiC表面粗糙化。通过上述退火，使SiC衬底1表面因离子注入造成的晶格损伤得以修复，并对所述缺陷层2进一步增厚；缺陷层2在距离上表面0.5μm处，该缺陷层2相比于SiC衬底1对激光具有强烈的吸收，缺陷层2的厚度约为200nm；该缺陷层2主要包含Z1/2(EC-0.63eV)能级，其对激光具有强烈的吸收；
(3)对所述SiC衬底1进行晶圆清洗，再放入外延炉中，用H2对SiC衬底1进行刻蚀，刻蚀温度为1500-1650℃，刻蚀时间10min，刻蚀厚度为100nm,；随后采用SiHCl3+C2H2+H2的生长体系进行外延层生长，生长时SiC的衬底温度为1550–1650℃，生长压力为100mbar，获得厚度为30μm的SiC外延层3；
(4)剥离：采用波长为1064nm的脉冲激光从衬底背面辐照SiC衬底1，激光200聚焦在缺陷层2下方，如图3所示。在激光烧蚀缺陷层2时，缺陷层2不仅可以增强激光烧蚀的效率，也可以吸收散射激光。参见图4，最终无损剥离出SiC外延层3，获得SiC外延层3以及被激光剥离后的SiC剩余衬底11；其中SiC外延层3上还相连有一定量的SiC衬底薄层12；
(5)抛光：对剥离后的SiC外延层3和SiC剩余衬底进行抛光处理，直至粗糙度达到指定值；其中SiC剩余衬底通过抛光后可作为下一次外延生长的备用衬底。
实施例2：本实施例提供的一种SiC同质外延层的剥离方法，其包括如下步骤：
(1)采用Ne+离子100注入在p型的SiC衬底1的上表面内侧位置制造缺陷层2；离子注入的温度为室温，能量为400keV，剂量为1×1E10cm-2，注入时衬底法线相对离子束倾斜7度,注入深度为0.9μm左右；
(2)将离子注入后的SiC衬底1放入有Ar气保护的快速退火炉中，在1500-1700℃温度下退火30min,退火过程中在SiC衬底1表面覆盖碳材料，防止高温退火下SiC表面粗糙化。通过上述退火，使SiC衬底1表面因离子注入造成的晶格损伤得以修复，并对所述缺陷层2进一步增厚；缺陷层2在距离上表面0.5μm处，该缺陷层2相比于SiC衬底1对激光具有强烈的吸收，缺陷层2的厚度约为200nm；该缺陷层2主要包含HK0(EV+0.72eV)和HS1(EV+0.39eV)能级，其对激光具有强烈的吸收；
(3)对所述SiC衬底1进行晶圆清洗，再放入外延炉中，用H2对SiC衬底1进行刻蚀，刻蚀温度为1500-1650℃，刻蚀时间10min，刻蚀厚度为100nm,；随后采用SiH4+C3H8+H2+HCl的生长体系进行外延层生长，生长时SiC的衬底温度为1550–1650℃，生长压力为90mbar，获得厚度为40μm的SiC外延层3；
(4)剥离：采用波长为1064nm的连续激光从衬底背面辐照SiC衬底1，激光200聚焦在缺陷层2下方，如图3所示。在激光烧蚀缺陷层2时，缺陷层2不仅可以增强激光烧蚀的效率，也可以吸收散射激光。参见图4，最终无损剥离出SiC外延层3，获得SiC外延层3以及被激光剥离后的SiC剩余衬底11；其中SiC外延层3上还相连有一定量的SiC衬底薄层12；
(5)抛光：对剥离后的SiC外延层3和SiC剩余衬底进行抛光处理，直至粗糙度达到指定值；其中SiC剩余衬底11通过抛光后可作为下一次外延生长的备用衬底。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。如本发明上述实施例所述，采用与其相同或相似的步骤，均在本发明保护范围内。
Claims (13)
1.一种SiC同质外延层的剥离方法，其特征在于，其包括如下步骤：
(1)制造缺陷层：采用离子注入的方法，在SiC衬底的上表面内侧位置制造缺陷层；
(2)退火修复表面：采用快速退火方法，修复所述SiC衬底的表面晶格缺陷，且对所述缺陷层进一步增厚；
(3)获得SiC外延层：对所述SiC衬底进行晶圆清洗，再放入外延炉中进行原位刻蚀，然后生长获得SiC外延层；
(4)剥离：采用激光辐照所述SiC衬底，将激光聚焦到所述缺陷层下方，实现剥离出SiC外延层，以及获得被激光剥离后的SiC剩余衬底。
2.根据权利要求1所述的SiC同质外延层的剥离方法，其特征在于，所述步骤(1)中的离子注入的温度为室温，能量不小于300keV，剂量大于或等于1E10cm-2，注入时衬底法线相对离子束倾斜一定角度。
3.根据权利要求2所述的SiC同质外延层的剥离方法，其特征在于，所述角度为5～10度。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的SiC同质外延层的剥离方法，其特征在于，所述步骤(1)中的离子注入的离子种类为N+，P+，Al+，Ne+或Ar+。
5.根据权利要求1所述的SiC同质外延层的剥离方法，其特征在于，在离子注入后的SiC衬底在接近或高于SiC外延生长的温度下进行快速退火。
6.根据权利要求1所述的SiC同质外延层的剥离方法，其特征在于，所述步骤(2)退火时，在所述SiC衬底表面覆盖碳材料。
7.根据权利要求1所述的SiC同质外延层的剥离方法，其特征在于，经所述步骤(2)退火后，所述缺陷层在所述SiC衬底的表面下方深度不小于0.5μm。
8.根据权利要求6或7所述的SiC同质外延层的剥离方法，其特征在于，所述步骤(2)中的快速退火方法具体包括以下步骤：将离子注入后的SiC衬底放入有Ar气保护的快速退火炉中，在1500-1700℃温度下退火10-30min。
9.根据权利要求7所述的SiC同质外延层的剥离方法，其特征在于，所述缺陷层的厚度不小于100nm。
10.根据权利要求1所述的SiC同质外延层的剥离方法，其特征在于，经所述步骤(3)的原位刻蚀具体包括以下步骤：在外延炉中，用H2刻蚀SiC衬底时使刻蚀深度小于缺陷层距离SiC表面的深度，刻蚀时间为5-10min，温度为1500-1650℃。
11.根据权利要求1所述的SiC同质外延层的剥离方法，其特征在于，所述SiC外延层的厚度不小于10μm。
12.根据权利要求1所述的SiC同质外延层的剥离方法，其特征在于，所述激光的光子能量小于SiC衬底的带隙值，所述激光从SiC衬底的下表面或者SiC衬底侧面进行辐照。
13.根据权利要求1所述的SiC同质外延层的剥离方法，其特征在于，其还包括步骤(5)抛光：对剥离后的SiC外延层和SiC剩余衬底进行抛光处理。
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