CN112259451B - 一种碳化硅晶片的位错识别方法及碳化硅晶片与应用 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种碳化硅晶片的位错识别方法及碳化硅晶片与应用。该方法包括将待测碳化硅晶片进行抛光处理，得到第一碳化硅晶片，其表面粗糙度Rq≤0.8nm，使用热碱液腐蚀所述第一碳化硅晶片的表面，得到表面显现出位错腐蚀坑的第二碳化硅晶片，对所述第二碳化硅晶片进行光学显微观测，识别所述位错。现有技术通常在热碱腐蚀前进行研磨、机械抛光、化学机械抛光等工艺，本申请发现只需使表面粗糙度降低至一定阈值，即可去除光学显微观测位错时存在的水滴状干扰，不需要将表面粗糙度降得过低，如在机械抛光阶段进行工艺优化，可以省去最终化学机械抛光加工工艺。本申请方法具有操作简便，不需要复杂的试剂、效率高、成本低等优点。

Description

一种碳化硅晶片的位错识别方法及碳化硅晶片与应用

技术领域

本发明涉及碳化硅加工工艺领域，具体涉及一种碳化硅晶片的位错识别方法及碳化硅晶片与应用。

背景技术

碳化硅作为一种新型的功率元器件材料，因其具有高电阻率、高强度及良好的导热性而被广泛关注。但由于其生长条件要求较高，在生长过程中引入的缺陷限制了其性能的提高和进一步的应用与发展。因此，对缺陷的表征及统计成为改善其缺陷的首要前提。位错，作为一种线缺陷，依据其形成机理的不同和造成的半原子面的差异，可分为贯穿刃位错(TED)、贯穿螺位错(TSD)及基平面位错(BPD)。不同位错及其密度的大小对后续外延生长的影响也各不相同，因此，准确区分各类位错对于碳化硅晶体质量的确定至关重要。

目前，在工业生产上常采用热碱液腐蚀的方法腐蚀SiC表面，使其衬底表面显现出各类位错。由于碳化硅的碳面表面能低于硅面，因此在热碱液腐蚀过程中碳面具有比硅面更高的腐蚀速率，在腐蚀过程中表现为碳面各向同性腐蚀，硅面各向异性腐蚀。且由于不同位错的伯氏矢量不同，在腐蚀后不同位错显现为不同尺寸和形状的腐蚀坑。

为了能够在显微镜下清晰的观测到各类位错的分布情况，并对SiC衬底的质量进行表征，在腐蚀前常将SiC衬底进行切割、研磨、抛光至洁净透亮，从而在光学显微镜下观测时便于光线穿过。由于切割、研磨会引入较强的损伤层，抛光后衬底表面虽洁净透亮，通过宏观肉眼甚至显微镜下均无法观测到衬底损伤层，但通过热碱液腐蚀后损伤层得以显现，且对位错的识别和判断带来较大干扰，如图1中所示，左图损伤层较重衬底比右图损伤层较轻衬底的光学显微图片背景中干扰(箭头所示水滴状处)明显较多。为了达到去除损伤层，使衬底表面达到洁净透亮的程度，现有技术中多采用机械抛光(MP)后再采用化学机械抛光(CMP)的方式去除损伤层，即现有技术认为CMP过程可达到预期目的，使衬底表面粗糙度下降，损伤层去除更为干净，CMP处理后能够更好地进行位错识别。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳化硅晶片的位错识别方法及碳化硅晶片与应用。

本申请发明人发现，只需在机械抛光阶段进行工艺优化，使晶片达到表面粗糙度达到一定阈值，即可省去最终化学机械抛光加工工艺，并达到与现有技术中先MP后再CMP的方式或CMP方式去除损伤层的相同或相近的位错观测效果。另外，如果对于CMP后的碳化硅衬底清洗不当会导致CMP酸液残留，容易酸碱中和导致后续热碱腐蚀效果不理想，具体表现为在相同腐蚀工艺下，CMP后清洗不充分进行热碱腐蚀，腐蚀坑显现不明显(如图2所示)，即使用CMP处理后，会导致碳化硅衬底表面酸液残留影响后续热碱腐蚀显现各类位错的效果；且使用CMP处理会使工业生产增加额外成本投入。

基于此，本发明提供了一种碳化硅晶片的位错识别方法，包括如下步骤：

S1、将待测碳化硅晶片进行抛光处理，得到第一碳化硅晶片，所述第一碳化硅晶片的表面粗糙度Rq≤0.8nm、和/或Ra≤0.6nm，

S2、使用热碱液腐蚀所述第一碳化硅晶片的表面，得到表面显现出位错腐蚀坑的第二碳化硅晶片，

S3、对所述第二碳化硅晶片进行光学显微观测，识别所述位错。

所述表面粗糙度是指加工表面具有的较小间距和微小峰谷的不平度，其两波峰或两波谷之间的距离(波距)很小(在1mm以下)，属于微观几何形状误差，表面粗糙度越小，则表面越光滑；

Rq为轮廓均方根偏差：在取样长度(lr)内，各点轮廓高度值平方和平均值的算术平方根；

Ra为轮廓算术平均偏差：在取样长度内轮廓偏距绝对值的算术平均值；

所述位错包括如下类型：贯穿刃位错(TED)、贯穿螺位错(TSD)及基平面位错(BPD)。

在上述碳化硅晶片的位错识别方法中，步骤S1中，所述抛光处理包括机械抛光处理和/或化学机械抛光处理，优选机械抛光处理；

所述机械抛光处理使用的磨料中包括金刚石粉，所述机械抛光处理包括第一次机械抛光处理和第二次机械抛光处理，

所述第一次机械抛光处理中金刚石粉的粒径为10.0-1.0μm，

所述第二次机械抛光处理中金刚石粉的粒径为小于0.5μm。

在上述碳化硅晶片的位错识别方法中，优选的，所述第一次机械抛光处理后，所述待测碳化硅晶片的Rq≤1.1nm，和/或Ra≤0.85nm，

和/或，所述第二次机械抛光处理后，所述待测碳化硅晶片的Rq≤0.8nm，和/或Ra≤0.6nm。

在上述碳化硅晶片的位错识别方法中，优选的，所述第一次机械抛光处理包括第一次粗抛光和第二次粗抛光，

所述第一次粗抛光中金刚石粉的粒径为10-5.0μm，主要目的为将碳化硅衬底抛光至透亮，并初步进行研磨损伤层去除，

所述第二次粗抛光中金刚石粉的粒径为3.5-1.5μm，选用了粒径更小的金刚石粉进行抛光，其目的之一是为了增加金刚石粉的利用率，通过第一次粗抛光后金刚石粉细化用于第二次粗抛光处理；目的之二是使用粒径更小的金刚石粉可进行更为精细化的机械抛光，从而使表面粗糙度的降低，损伤层进一步去除。

在上述碳化硅晶片的位错识别方法中，优选的，所述第一次粗抛光后，所述待测碳化硅晶片的Rq≤1.5nm，所述第二次粗抛光后，所述待测碳化硅晶片的Rq≤1.1nm。

在上述碳化硅晶片的位错识别方法中，优选的，所述第一次粗抛光中，主盘转速为10-20r/min，载荷为0.3-0.5kg/cm²，时间为3-5h；

所述第二次粗抛光中，主盘转速为30-40r/min，载荷为0.7-0.9kg/cm²，时间为5-7h；

所述第二次机械抛光处理中，主盘转速为70-90r/min，载荷为0.7-0.9kg/cm²，时间为5-7h。

在上述碳化硅晶片的位错识别方法中，优选的，所述抛光处理使用的抛光液溶剂为水，优选去离子水，溶质及其在所述溶剂中的浓度为：增稠剂30-40g/L、和分散剂10-20g/L；所述金刚石粉在所述抛光液中的浓度为50-80g/L；优选的，所述增稠剂包括纤维素醚，所述分散剂包括正磷酸钠；优选的，所述抛光液的pH值为8-10，通过醋酸-醋酸钠缓冲溶液调节；

和/或，所述抛光处理使用13B双面抛光机及其使用方法进行；

和/或，所述待测碳化硅晶片的厚度为100-1000μm，优选400-700μm，更优选500-600，更优选550-580μm；所述待测碳化硅晶片的晶型为4H单晶、6H单晶、3C、或15R，优选4H单晶；

和/或，步骤S2中，所述热碱液腐蚀所述第一碳化硅晶片的表面包括如下步骤：使用450-550℃的熔融热碱液处理所述第一碳化硅晶片4-8min，

和/或，步骤S2中，所述热碱液包括熔融KOH熔液、熔融NaOH熔液、和/或熔融KOH和Na₂O₂的混合碱液，优选熔融KOH熔液。

另一方面，本发明还提供了一种碳化硅晶片的机械抛光方法，所述方法包括以上任一所述碳化硅晶片的位错识别方法中的所述的步骤S1。以上论述表明，步骤S1处理得到的碳化硅晶片可以经热碱腐蚀用于准确观测位错。

由此，本发明还提供了一种碳化硅晶片，所述碳化硅晶片的制备方法包括以上任一所述碳化硅晶片的位错识别方法中所述的步骤S1，优选的，所述步骤S1之后，还包括以上任一所述碳化硅晶片的位错识别方法中所述的步骤S2。

本发明还保护以上任一所述碳化硅晶片在制作半导体电子器件、外延、或芯片衬底中的应用。

本发明的有益效果如下：

现有技术通常在热碱腐蚀前进行研磨、机械抛光、化学机械抛光等工艺，本申请发现只需使表面粗糙度降低至一定阈值，即可去除光学显微观测位错时存在的水滴状干扰，不需要将表面粗糙度降得过低，如在机械抛光阶段进行工艺优化，可以省去最终化学机械抛光加工工艺。本申请方法具有操作简便，不需要复杂的试剂、效率高、成本低等优点。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为损伤层对KOH腐蚀衬底的Olympus MX63光学显微镜观测影响对比图，左图为损伤层较重衬底，右图为损伤较轻衬底。

图2为CMP处理后KOH腐蚀衬底的Olympus MX63光学显微镜观测结果，左图为碳化硅衬底CMP后清洗不充分的位错腐蚀结果，右图为碳化硅衬底CMP后清洗充分的位错腐蚀结果。

图3为第一次粗抛光后的原子力显微测试(AFM)结果。

图4为第二次粗抛光后的AFM结果。

图5为优化MP的AFM结果。

图6为常规MP的AFM结果。

图7为常规MP碳面(a)、硅面(b)与优化MP碳面(c)、硅面(d)的KOH热腐蚀的OlympusMX63光学显微镜观测图。

图8为Olympus MX63光学显微镜观测优化MP(左)与CMP(右)结果。

具体实施方式

实施例1、碳化硅晶片的位错识别—机械抛光

一、抛光处理

1、机械抛光优化方案

按正常切割、研磨工艺得到碳化硅衬底研磨片，厚度为550-580μm，晶型为4H单晶，以该碳化硅衬底研磨片为待测碳化硅晶片，进行机械抛光(MP)处理，得到第一碳化硅晶片；

其中，MP处理使用的抛光机型号为13B双面抛光机，使用的抛光液中，溶剂为去离子水，溶质及其在溶剂中的浓度为：增稠剂(纤维素醚)35g/L、分散剂(正磷酸钠)15g/L，所述抛光液的pH值为9，通过醋酸-醋酸钠缓冲溶液调节；使用的磨料为金刚石粉，其在抛光液中的浓度为70g/L；

MP处理具体包括依次进行的第一次粗抛光、第二次粗抛光和第三次精抛光，以Rq为粗糙度判定依据，第一次粗抛光后晶片Rq≤1.5nm(可保证晶片首先从研磨后不透亮状态抛光至透亮状态)，第二次粗抛光后晶片Rq≤1.1nm(为中间过渡态，对损伤层进行二次去除)，第三次精抛光后晶片Rq≤0.8nm为宜(为精抛状态，可保证损伤层得以完全去除，即腐蚀后衬底经光学显微观测表面无满面液滴状损伤层干扰)，若不符合上述标准，Rq过大，不能保证损伤层得以完全除去，影响后续碱腐蚀后对位错的观测；Rq过小，由于后续抛光料粒径小，会增加抛光时长，增加成本。详细的抛光参数和结果如下表1所示。

表1

注：表1中Rq和Ra为经AFM测试后结果，测试图如图3-图5所示。

不同Rq值代表衬底表面粗糙度的不同，用该指标间接代表衬底表面损伤层的去除情况。Rq值越小，表面粗糙度越小，表面光洁度越高。Rq值与损伤层厚度成正相关关系，Rq值越小，损伤层越薄。通过AFM对比可发现，第二次粗抛光后衬底测试透光性明显高于第一次粗抛光后，结果如图3和图4所示。

2、对照

常规MP工艺采用单次抛光，首先，主盘转速为40r/min，载荷0.5kg/cm²进行5h抛光后，再调整主盘转速为70r/min，载荷为0.7kg/cm²，再进行5h抛光。全程所用金刚石粉粒径为W3.5，经AFM测试后，Rq＝1.46nm，Ra＝0.9nm，测试结果如图6所示。

比较图5和图6结果可知，图6中的白色斑点(为残留颗粒，白色箭头处)明显多于图5，且深色线条(为划痕，白色箭头处)明显深于图5，即按步骤1的MP优化工艺进行衬底抛光处理，与对照的常规MP相比，晶片粗糙度明显降低，且两种工艺的粗糙度可代表两种抛光方式平均水平。衬底研磨片表面经过切割、研磨工序后粗糙度较大，宏观观测为不透亮的毛晶圆状态，经过MP抛光后可加工至光亮状态，但表面粗糙度在一定程度上反应前期切割研磨在衬底表面损伤层的存在状态，因此通过使用细化金刚石粉，配合相应主盘转速可对碳化硅衬底表面进行再次抛光，从而使其粗糙度进一步降低。此外，通过将前边使用后的金刚石粉重新配料可作为后续MP再次抛光的抛光料，可在一定程度上节约加工成本。

二、热碱液腐蚀

对步骤一中的第一碳化硅晶片和对照中处理过的晶片分别使用KOH熔液于500℃腐蚀处理6min，使表面显现出位错腐蚀坑，具体检测结果见步骤三。

三、位错识别

使用光学显微镜观测表面显现出位错腐蚀坑的晶片表面，结果如图7所示，其中图a和b显示，采用常规MP无法对衬底表面损伤层进行去除，损伤层中的水滴状干扰(箭头所示处)仍然存在，图c和d显示，采用优化后的MP损伤层中的水滴状干扰几乎不存在，且位错腐蚀坑形状和边界清晰，说明优化后的MP方法可以对KOH热腐蚀碳化硅衬底观测位错起到明显的优化提升作用。常规MP方法优化前由于损伤层的存在使得热碱腐蚀后表面观察到一系列密集水滴状物质存在。该现象对于衬底的不同位错腐蚀坑，TSD、TED，尤其伯格斯矢量(Burgers vector)较小的BPD观测造成极大困扰。因此，通过优化加工工艺使衬底表面由于前期切割、研磨引入的损伤层得以去除，使其表面粗糙度得到较大程度的降低，对于对SiC表面粗糙度或表面损伤层有要求的测试，如热碱液腐蚀、XRD、Raman等测试，无需对碳化硅衬底进行机械化学抛光，在节约成本及提升加工效率上起到明显的积极作用。

实施例2、碳化硅晶片的位错识别—机械抛光

按照实施例1的步骤一至步骤三进行，不同之处在于：在抛光过程中，金刚石粉粒度会随抛光次数的增加逐渐细化，若使用粒度过大或过小金刚石粉既影响抛光效率，又影响抛光工艺及最终抛光质量，因此，为保证抛光效果三次抛光金刚石粉粒度使用下限以及步骤一中抛光参数和结果如下表2所示。

表2

注：表2中Rq和Ra为经AFM测试后结果。

结果：步骤三的位错识别结果与实施例1无显著差异，无水滴状干扰。

对比例1、碳化硅晶片的位错识别—机械抛光Rq和Ra不同的影响

按照实施例1的步骤一至步骤三进行，不同之处在于：第三次精抛光后晶片Rq＞0.8nm，Ra＞0.6nm，步骤一中抛光参数和结果如下表3所示。

表3

注：表3中Rq和Ra为经AFM测试后结果。

结果：步骤三的位错识别结果为损伤层中的水滴状干扰较多，该结果与实施例1结果相比说明，碳化硅表面粗糙度不符合阈值Rq≤0.8nm、和/或Ra≤0.6nm条件时，碳化硅表面经热碱腐蚀后的光学显微观测位错时损伤层的干扰依然存在，位错观测的准确性会降低。

对比例2、碳化硅晶片的位错识别—化学机械抛光(CMP)

按照实施例1的步骤一至步骤三进行，不同之处在于：步骤一中的步骤1采用如下CMP处理代替MP处理：

使用1.5μm金刚石粉作为研磨料，配合氧化剂、分散剂及pH缓冲剂配成pH为12的碱性研磨料。采用质软抛光布进行抛光，抛光压力为400～500g/cm²，抛光温度控制在30～40℃，底盘转速为70～100r·min^-1。

结果：CMP处理后晶片的表面粗糙度Rq为0.780nm，Ra为0.593nm(符合表面粗糙度Rq＜0.8nm、Ra＜0.6nm)。使用光学显微镜观测表面显现出位错腐蚀坑的晶片表面，结果如图8所示。

图8显示，使用实施例1优化后的机械抛光处理与表面粗糙度相近的化学机械抛光处理相比，均不存在水滴状干扰，去除了损伤层的干扰，对位错的观测程度相同，即使用实施例1优化后的机械抛光处理可替代化学机械抛光处理。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (15)

1.一种碳化硅晶片的位错识别方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将待测碳化硅晶片进行抛光处理，得到第一碳化硅晶片，所述第一碳化硅晶片的表面粗糙度Rq≤0.8nm、和/或Ra≤0.6nm，所述抛光处理为机械抛光处理，且不采用化学机械抛光处理；

所述机械抛光处理使用的磨料中包括金刚石粉，所述机械抛光处理包括第一次机械抛光处理和第二次机械抛光处理，

所述第一次机械抛光处理中所述金刚石粉的粒径为10.0-1.5μm，

所述第二次机械抛光处理中所述金刚石粉的粒径为小于0.5μm；

S2、使用热碱液腐蚀所述第一碳化硅晶片的表面，得到表面显现出位错腐蚀坑的第二碳化硅晶片，

S3、对所述第二碳化硅晶片进行光学显微观测，识别所述位错。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一次机械抛光处理后，所述待测碳化硅晶片的Rq≤1.1nm，和/或Ra≤0.85nm，

和/或，所述第二次机械抛光处理后，所述待测碳化硅晶片的Rq≤0.8nm，和/或Ra≤0.6nm。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一次机械抛光处理包括第一次粗抛光和第二次粗抛光，

所述第一次粗抛光中金刚石粉的粒径为10-5.0μm，

所述第二次粗抛光中金刚石粉的粒径为3.5-1.5μm。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一次粗抛光后，所述待测碳化硅晶片的Rq≤1.5nm，所述第二次粗抛光后，所述待测碳化硅晶片的Rq≤1.1nm。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一次粗抛光中，主盘转速为10-20r/min，载荷为0.3-0.5 kg/cm²，时间为3-5h；

所述第二次粗抛光中，主盘转速为30-40r/min，载荷为0.7-0.9 kg/cm²，时间为5-7h；

所述第二次机械抛光处理中，主盘转速为70-90r/min，载荷为0.7-0.9 kg/cm²，时间为5-7h。

6.根据权利要求1-5中任一所述的方法，其特征在于，所述抛光处理使用抛光液，所述抛光液的溶剂为水，溶质及其在所述溶剂中的浓度为：增稠剂30-40g/L、和分散剂10-20g/L；所述金刚石粉在所述抛光液中的浓度为50-80g/L；

和/或，所述待测碳化硅晶片的厚度为100-1000μm；

和/或，所述待测碳化硅晶片的晶型为4H单晶、6H单晶、3C、或15R；

和/或，步骤S2中，所述热碱液腐蚀所述第一碳化硅晶片的表面包括如下步骤：使用450-550℃的熔融热碱液处理所述第一碳化硅晶片4-8min；

和/或，步骤S2中，所述热碱液包括熔融KOH熔液、熔融NaOH熔液、和/或熔融KOH和Na₂O₂的混合碱液。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述增稠剂包括纤维素醚，所述分散剂包括正磷酸钠。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述抛光液的PH值为8-10。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述待测碳化硅晶片的厚度为400-700μm。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述待测碳化硅晶片的厚度为500-600μm。

11.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述待测碳化硅晶片的厚度为550-580μm。

12.一种碳化硅晶片的机械抛光方法，其特征在于，所述方法包括权利要求1-11中任一所述方法中的步骤S1。

13.一种碳化硅晶片，其特征在于，所述碳化硅晶片的制备方法包括权利要求1-11中任一所述方法中的步骤S1。

14.根据权利要求13所述的碳化硅晶片，其特征在于，所述步骤S1之后，还包括权利要求1或6所述的步骤S2。

15.权利要求13或14所述碳化硅晶片在制作半导体电子器件、外延、或芯片衬底中的应用。

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