CN115662881B - 一种复合碳化硅衬底及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种复合碳化硅衬底及其制备方法，所述衬底包括单晶碳化硅层以及碳化硅支撑层；所述单晶碳化硅层以及碳化硅支撑层之间设置有第一掺杂碳化硅层；所述第一掺杂碳化硅层和单晶碳化硅层之间设置有键合界面层。所述制备方法为：（1）在所述碳化硅支撑层上沉积第一掺杂碳化硅层，得到第一复合层；（2）将步骤（1）所得第一复合层与经过离子注入或激光照射的单晶碳化硅层相互键合，施加应力后得到所述复合碳化硅衬底组件；（3）热处理步骤（2）所得复合碳化硅衬底组件，得到所述复合碳化硅衬底。本发明提供的复合碳化硅衬底可以减轻或消除键合界面电阻，且制备方法简便高效，可控性好。
Description
技术领域
本发明属于半导体材料技术领域，涉及一种碳化硅衬底，尤其涉及一种复合碳化硅衬底及其制备方法。
背景技术
利用碳化硅单晶制作的器件具有耐高温、耐高压、高频、大功率、抗辐射、效率高等优势，在射频、新能源等领域具有重要的应用价值。
碳化硅单晶衬底的常规制造方法包括以下流程：利用物理气相传输法生长碳化硅单晶，得到碳化硅单晶的晶锭；加工晶锭的外周，得到所需要的直径和表面质量，再将晶锭切成薄片，将薄片研磨、抛光至所需要的厚度和平整度，得到最终的碳化硅单晶衬底。物理气相传输方法生长碳化硅单晶效率很低，导致单一碳化硅单晶衬底成本很高。
为了降低碳化硅衬底的成本，相关技术人员提出了一种复合衬底结构，具体如下所述：在价格较低的支撑衬底上键合一层单晶碳化硅薄层。该方案会在单晶碳化硅薄层和支撑衬底之间形成键合层，键合层的存在可能会对衬底的垂直导电产生负面影响。
为了减轻或消除键合界面的电阻，相关学者提出在键合前，向待键合的两个表面进行离子注入，提高待键合表面附近的掺杂浓度，再进行键合。该方案虽然可以有效降低键合界面的电阻，但是需要进行多次离子注入工序，使得制备工艺复杂。
综上所述，提供一种可以减轻或消除键合界面的电阻，且制备工艺简单高效的复合衬底已经是本领域亟需解决的问题之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合碳化硅衬底及其制备方法，所述复合碳化硅衬底可以减轻或消除键合界面电阻，且制备方法简便高效，可控性好。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种复合碳化硅衬底，所述复合碳化硅衬底包括单晶碳化硅层以及碳化硅支撑层；
所述单晶碳化硅层以及碳化硅支撑层之间设置有第一掺杂碳化硅层；
所述第一掺杂碳化硅层和单晶碳化硅层之间设置有键合界面层；
所述第一掺杂碳化硅层的掺杂浓度≥1×1019/cm2，例如可以是1×1019/cm2、5×1019/cm2、1×1020/cm2、4×1020/cm2、8×1020/cm2或1×1021/cm2，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。
本发明提供的复合碳化硅衬底通过增加掺杂碳化硅层进一步减轻或消除了键合界面层的电阻，从而减少该衬底制造的半导体器件的界面导通损耗和发热。
本发明所述第一掺杂碳化硅层的掺杂浓度≥1×1019/cm2，掺杂浓度过低会导致第一掺杂层不能有效地减轻或消除键合界面层的电阻。
本发明所述单晶碳化硅层为高质量碳化硅层，所述碳化硅支撑层是低质量碳化硅层，所述高质量和低质量的区别在于：碳化硅晶体中的微管、位错、碳包裹等缺陷密度，高质量碳化硅层中的缺陷密度小于低质量碳化硅层。所述碳化硅支撑层可以是多晶。采用低质量碳化硅层可以降低复合衬底的总体成本，并不会明显降低质量。
作为本发明的优选技术方案，所述碳化硅支撑层远离单晶碳化硅层的一侧设置有第二掺杂碳化硅层。
本发明所述碳化硅支撑层两个对立面的表面上都可以沉积有掺杂碳化硅层。在两个相对的表面（正面和背面）同时沉积掺杂碳化硅层可以减少沉积过程中的衬底形变，并且最终的复合衬底的碳化硅支撑层背面存在一层掺杂碳化硅层，可以进一步降低在其上制造的背面电极的欧姆接触电阻。
优选地，所述碳化硅支撑层和第一掺杂碳化硅层和/或第二掺杂碳化硅层之间设置有粗糙化界面层。
本发明所述粗糙化界面层可以吸收复合衬底在外延生长过程中的应力，减少外延生长中的复合衬底的形变，提高外延层的质量。
优选地，所述粗糙化界面层的形状包括起伏状和/或波浪状。
优选地，所述粗糙化界面层的起伏高度为3~500nm，例如可以是3nm、5nm、10nm、100nm、200nm、300nm、400nm或500nm，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。
优选地，所述单晶碳化硅层的厚度为0.1~10μm，例如可以是0.1μm、1μm、2μm、4μm、6μm、8μm或10μm，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。
优选地，所述键合界面层的厚度为0.5~5nm，例如可以是0.5nm、1nm、2nm、3nm、4nm或5nm，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。
优选地，所述碳化硅支撑层的厚度为200~1000μm，例如可以是200μm、400μm、600μm、800μm或1000μm，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。
优选地，所述第一掺杂碳化硅层的厚度为5~50000nm，例如可以是5nm、100nm、1000nm、10000nm、20000nm、30000nm、40000nm或50000nm，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。
优选地，所述第二掺杂碳化硅层的厚度为5~50000nm，例如可以是5nm、100nm、1000nm、10000nm、20000nm、30000nm、40000nm或50000nm，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。
本发明对所述复合衬底中各层的厚度均有所限制：
若单晶碳化硅层的厚度低于0.1μm，厚度过小会增加厚度均匀性控制的难度和成本；若单晶碳化硅层厚度大于10μm，厚度过大会增加高质量单晶材料的用量，增加成本。
若键合界面层的厚度小于0.5nm，厚度过小会增加制造的难度和成本；若键合界面层的厚度大于5nm，厚度过大会增加键合界面层的电阻，影响该衬底制造的半导体器件的性能。
若碳化硅支撑层的厚度小于200μm，厚度过小会导致支撑层容易变形，起不到良好的支撑作用；若碳化硅支撑层的厚度大于1000μm，厚度过大会增加碳化硅材料的用量，增加成本。
若第一/第二掺杂碳化硅层的厚度小于5nm，厚度过小会导致第一掺杂层不能有效地减轻或消除键合界面层的电阻、第二掺杂层不能有效地降低背面电极的欧姆接触电阻；若第一/第二掺杂碳化硅层的厚度大于50000nm，厚度过大会增加制造所需要的时间，从而增加成本。
优选地，所述第二掺杂碳化硅层的掺杂浓度≥1×1019/cm2，例如可以是1×1019/cm2、5×1019/cm2、1×1020/cm2、4×1020/cm2、8×1020/cm2或1×1021/cm2，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。
优选地，所述第一掺杂碳化硅层以及第二掺杂碳化硅层中的掺杂元素包括B、N、P或Al中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括B和N的组合，B和P的组合，B和Al的组合，B、N和P的组合，P、N和Al的组合，或B、N、P和Al的组合。
优选地，所述单晶碳化硅层的晶型为4H、6H或3C中的任意一种；优选为4H。
优选地，所述碳化硅支撑层的晶型为4H、6H或3C中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括4H和6H的组合，4H和3C的组合，6H和3C的组合，或4H、6H和3C的组合。
优选地，所述碳化硅支撑层的掺杂浓度≥1×1017/cm2，例如可以是1×1017/cm2、3×1017/cm2、7×1017/cm2、1×1018/cm2、5×1018/cm2、或9×1018/cm2，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。
优选地，所述复合碳化硅衬底的直径为2~8英寸，例如可以是2英寸、4英寸、6英寸或8英寸，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。
第二方面，本发明提供了一种如第一方面所述复合碳化硅衬底的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
（1）在所述碳化硅支撑层上沉积第一掺杂碳化硅层，得到第一复合层；
（2）将步骤（1）所得第一复合层与经过离子注入或激光照射的单晶碳化硅层相互键合，施加应力后得到复合碳化硅衬底组件；
（3）对步骤（2）所得复合碳化硅衬底组件进行热处理，得到复合碳化硅衬底。
优选地，步骤（1）所述沉积包括化学气相沉积或液相外延。
本发明所述化学气相沉积是利用反应气体在高温的反应室中发生反应，在低质量碳化硅衬底的表面生长高掺杂碳化硅层。反应气体至少包括硅源气体、碳源气体和掺杂气体，硅源气体可以是硅烷、三氯氢硅、四氯氢硅或二氯氢硅中的任意一种或至少两种的组合；碳源气体可以是乙烯、丙烷或乙炔的任意一种或至少两种的组合；掺杂气体一般为氮气。
所述液相外延方法是：将含硅助熔剂置于石墨坩埚中，加热熔化助熔剂，石墨坩埚中的碳溶解到助熔剂中；然后将低质量碳化硅衬底的表面和助溶剂溶液接触或浸入，由于碳化硅衬底表面的过冷，碳在碳化硅衬底的固液界面上析出，并和助熔剂中的硅结合形成高掺杂碳化硅层。掺杂可以通过向反应室中通过氮气实现，也可以通过在助溶剂中添加Al等金属元素实现。
优选地，步骤（1）所述沉积还包括在所述碳化硅支撑层远离第一掺杂碳化硅层的一侧沉积第二掺杂碳化硅层。
优选地，步骤（1）所述沉积前还包括粗糙化处理；
优选地，所述粗糙化处理包括化学刻蚀和/或等离子刻蚀。
本发明所述化学刻蚀为湿法刻蚀。
优选地，所述粗糙化处理后表面的起伏高度为3~500nm，例如可以是3nm、5nm、10nm、100nm、200nm、300nm、400nm或500nm，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。
优选地，步骤（2）所述离子注入采用的离子包括氢离子和/或氦离子。
优选地，所述离子注入的深度≤5μm，例如可以是5μm、4μm、3μm、2μm或1μm，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。
优选地，步骤（2）所述激光照射采用的激光包括脉冲激光。
优选地，所述脉冲激光包括固态激光或光纤激光。
优选地，步骤（2）所述激光照射的脉冲宽度为100~300fs，例如可以是100fs、140fs、180fs、220fs、260fs或300fs，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。
优选地，步骤（2）所述激光照射的深度≤150μm，例如可以是150μm、140μm、130μm、120μm、110μm或100μm，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。
离子注入或激光照射的目的是：在单晶碳化硅层内距离离子注入或激光照射的表面一定深处的位置形成弱化层。
优选地，步骤（2）所述键合后得到键合界面层。
优选地，步骤（2）所述键合前还包括对待键合表面的预处理过程。
优选地，所述预处理过程包括依次进行的研磨以及抛光。
优选地，所述抛光后待键合表面的粗糙度为0.05~0.5nm，例如可以是0.05nm、0.1nm、0.2nm、0.3nm、0.4nm或0.5nm，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。
优选地，步骤（2）所述施加应力的方式包括热处理或机械分离。
优选地，步骤（2）所述施加应力方式为热处理时，热处理的温度为700-1300℃，例如可以是700℃、800℃、900℃、1000℃、1100℃、1200℃或1300℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。
施加应力的目的是：使单晶碳化硅层沿所述弱化层裂开，将所述单晶碳化硅层分为两部分：待回收层和复合碳化硅衬底上的单晶碳化硅层。
优选地，步骤（3）所述的热处理的温度为1500-1900oC，例如可以是1500℃、1600℃、1700℃、1800℃或1900℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。
优选地，步骤（3）所述热处理的时间为10-10000s，例如可以是10s、100s、1000s、5000s或10000s，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。
步骤（3）所述热处理的目的是：修复键合界面层的损伤，减少或消除键合界面层引入的电阻。
本发明步骤（3）所述热处理前可以利用公知技术在复合衬底表面沉积一层碳膜或类金刚石膜，厚度在30-600nm之间，用于防止表面硅的升华、蒸发。
本发明所述的数值范围不仅包括上述例举的点值，还包括没有例举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明提供的复合碳化硅衬底能有效降低或消除键合界面层的电阻；
（2）本发明提供的复合碳化硅衬底中在所述碳化硅支撑层两个相对的表面同时沉积掺杂碳化硅层可以减少沉积过程中的衬底形变，并且最终的复合衬底的碳化硅支撑层背面存在的第二掺杂碳化硅层，可以进一步降低在其上制造的背面电极的欧姆接触电阻；
（3）本发明提供的复合碳化硅衬底中的粗糙化界面层可以吸收复合衬底在外延生长过程中的应力，减少外延生长中的复合衬底的形变，提高外延层的质量。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的复合碳化硅衬底的结构示意图；
图2为本发明实施例2提供的复合碳化硅衬底的结构示意图；
图3为本发明实施例1提供的所述复合碳化硅衬底的制备流程图；
图4为本发明实施例2提供的所述复合碳化硅衬底的制备流程图。
其中：1为碳化硅支撑层，2为第一掺杂碳化硅层，3为单晶碳化硅层，4为第二掺杂碳化硅层，300为弱化层，31为待回收层。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
本实施例提供了一种如图1所示的复合碳化硅衬底，所述复合碳化硅衬底包括单晶碳化硅层以3及碳化硅支撑层1；
所述单晶碳化硅层3以及碳化硅支撑层1之间设置有第一掺杂碳化硅层2；
所述第一掺杂碳化硅层2和单晶碳化硅层3之间设置有键合界面层；
所述第一掺杂碳化硅层2的掺杂浓度为1.2×1020/cm2。
所述单晶碳化硅层的厚度为1.5μm；所述键合界面层的厚度为2nm；所述碳化硅支撑层的厚度为345μm；所述第一掺杂碳化硅层的厚度为5μm。
所述第一掺杂碳化硅层中的掺杂元素为N，所述单晶碳化硅层3的晶型为4H；所述碳化硅支撑层1为多晶，晶型为3C。
所述复合碳化硅衬底的直径为6英寸。
所述复合碳化硅衬底的制备方法中复合碳化硅衬底的制备流程图如图3所示，具体包括如下步骤：
（1）在所述碳化硅支撑层1上沉积第一掺杂碳化硅层2，得到第一复合层；
（2）将步骤（1）所得第一复合层与经过离子注入的单晶碳化硅层3相互键合，施加应力后得到所述复合碳化硅衬底组件；
（3）对步骤（2）所得复合碳化硅衬底组件在1600℃进行10~10000s的热处理，得到所述复合碳化硅衬底。
其中，步骤（2）所述离子注入过程中在单晶碳化硅层3内形成弱化层300。施加应力后，单晶碳化硅层沿所述弱化层300裂开，将所述单晶碳化硅层3分为两部分：待回收层31和复合碳化硅衬底上的单晶碳化硅层；所述离子注入的深度为1.5μm；
所述待回收层31可以进行回收再利用，以重复上述复合衬底的制备方法。
实施例2
本实施例提供了一种如图2所示的复合碳化硅衬底，所述复合碳化硅衬底与实施例1的区别仅在于：
本实施例在所述碳化硅支撑层1的背面沉积了第二掺杂碳化硅层4。
所述第二掺杂碳化硅层4的厚度为5μm。
本实施例所述复合碳化硅衬底的制备方法与实施例1的区别仅在于：
本实施例将步骤（1）所述在所述碳化硅支撑层1上沉积第一掺杂碳化硅层2，更改为在所述碳化硅支撑层1上同时沉积第一掺杂碳化硅层2以及第二掺杂碳化硅层4，如图4所示；
所述第二掺杂碳化硅层设置于所述碳化硅支撑层1远离第一掺杂碳化硅层2一侧。
实施例3
本实施例提供了一种复合碳化硅衬底，所述复合碳化硅衬底与实施例1的区别仅在于：
本实施例在碳化硅支撑层1和第一掺杂碳化硅层2之间设置了呈波浪状的粗糙化界面层，所述粗糙化界面层的起伏高度为200nm。
所述复合碳化硅衬底的制备方法与实施例1的区别仅在于：
本实施例在步骤（1）所述沉积前对所述碳化硅支撑层1的待沉积的表面进行粗糙化处理。
实施例4
本实施例提供了一种复合碳化硅衬底，所述复合碳化硅衬底与实施例2的区别仅在于：
本实施例在碳化硅支撑层1和第一掺杂碳化硅层2与第二掺杂碳化硅层4之间分别独立的设置了呈波浪状的粗糙化界面层，所述粗糙化界面层的起伏高度为200nm。
所述复合碳化硅衬底的制备方法与实施例2的区别仅在于：
本实施例在步骤（1）所述沉积前对所述碳化硅支撑层1的待沉积的表面进行粗糙化处理。
对比例1
本对比例提供了一种复合碳化硅衬底，所述复合碳化硅衬底与实施例1的区别仅在于：
本对比例省略了第一掺杂碳化硅层2，所述碳化硅支撑层的厚度为350μm。
所述单晶碳化硅层的厚度、所述键合界面层的厚度和实施例1相同。
所述复合碳化硅衬底的制备方法与实施例1的区别仅在于：
本对比例省略了步骤（1）所述的沉积过程。
性能检测：
（1）比较实施例1-4以及对比例1提供的复合碳化硅衬底的界面电阻；
所述界面电阻的测量方法为：在复合碳化硅基板的多晶衬底的表面形成背面电极，单晶层的表面形成直径为0.3mm的圆形表面电极。在表面电极和背面电极之间施加电压V，记录相应的电流I，得到V-I曲线，计算出电阻值。
（2）型面质量检测，即BOW和WARP值；所述BOW为型面弯曲度，所述WARP值为型面翘曲度；
比较实施例1-4以及对比例1提供的复合衬底在外延过程中的形变量，外延厚度为15μm。当外延结束后对外延衬底的型面进行测量，得到BOW和WARP值，并和外延前进行比较，得到变化量绝对值。
本发明所述性能检测结果如表1所示。
表1
分析表1，对比实施例1-2以及对比例1的电阻值可知本发明所述复合碳化硅衬底中掺杂碳化硅层可以有效降低复合衬底中键合界面的界面电阻，同时降低复合衬底的背面电极的欧姆接触电阻；
对比实施例1和3，以及实施例2和4的BOW和WARP变化量绝对值可知：粗糙化界面层能够有效减少在外延过程中复合衬底的形变。
综上所述，本发明提供的复合碳化硅衬底可以减轻或消除复合衬底中键合界面的界面电阻，降低复合衬底的背面电极的欧姆接触电阻，减少在外延过程中复合衬底的形变，且制备方法简便高效，可控性好。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种复合碳化硅衬底，其特征在于，所述复合碳化硅衬底包括单晶碳化硅层以及碳化硅支撑层；
所述单晶碳化硅层以及碳化硅支撑层之间设置有第一掺杂碳化硅层；
所述第一掺杂碳化硅层和单晶碳化硅层之间设置有键合界面层；
所述第一掺杂碳化硅层的掺杂浓度≥1×1019/cm2；
所述碳化硅支撑层远离单晶碳化硅层的一侧设置有第二掺杂碳化硅层；
所述碳化硅支撑层和第一掺杂碳化硅层和/或第二掺杂碳化硅层之间设置有粗糙化界面层。
2.根据权利要求1所述的复合碳化硅衬底，其特征在于，所述粗糙化界面层的形状包括起伏状和/或波浪状；
所述粗糙化界面层的起伏高度为3~500nm。
3.根据权利要求2所述的复合碳化硅衬底，其特征在于，所述单晶碳化硅层的厚度为0.1~10μm；
所述键合界面层的厚度为0.5~5nm；
所述碳化硅支撑层的厚度为200~1000μm；
所述第一掺杂碳化硅层的厚度为5~50000nm；
所述第二掺杂碳化硅层的厚度为5~50000nm。
4.根据权利要求3所述的复合碳化硅衬底，其特征在于，所述第一掺杂碳化硅层中以及第二掺杂碳化硅层的掺杂元素包括B、N、P或Al中的任意一种或至少两种的组合；
所述单晶碳化硅层的晶型为4H、6H或3C中的任意一种；
所述碳化硅支撑层的晶型为4H、6H或3C中的任意一种或至少两种的组合；
所述碳化硅支撑层的掺杂浓度≥1×1017/cm2；
所述复合碳化硅衬底的直径为2~8英寸。
5.一种如权利要求1-4任一项所述复合碳化硅衬底的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
（1）在所述碳化硅支撑层上沉积第一掺杂碳化硅层，得到第一复合层；
（2）将步骤（1）所得第一复合层与经过离子注入或激光照射的单晶碳化硅层相互键合，施加应力后得到复合碳化硅衬底组件；
（3）对步骤（2）所得复合碳化硅衬底组件进行热处理，得到所述复合碳化硅衬底。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述沉积包括化学气相沉积或液相外延；
步骤（1）所述沉积还包括在所述碳化硅支撑层远离第一掺杂碳化硅层的一侧沉积第二掺杂碳化硅层。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述沉积前还包括粗糙化处理；
所述粗糙化处理包括化学刻蚀和/或等离子刻蚀；
所述粗糙化处理后表面的起伏高度为3~500nm。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述离子注入采用的离子包括氢离子和/或氦离子；
所述离子注入的深度≤5μm；
步骤（2）所述激光照射采用的激光包括脉冲激光；
所述脉冲激光包括固态激光或光纤激光；
步骤（2）所述激光照射的脉冲宽度为100~300fs；
步骤（2）所述激光照射的深度≤150μm。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述键合后得到键合界面层；
步骤（2）所述键合前还包括对待键合表面的预处理过程；
所述预处理过程包括依次进行的研磨以及抛光；
所述抛光后待键合表面的粗糙度为0.05~0.5nm。
10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述施加应力的方式包括热处理或机械分离；
步骤（2）所述施加应力方式为热处理时，热处理的温度为700-1300℃；
步骤（3）所述的热处理的温度为1500-1900oC；
步骤（3）所述热处理的时间为10-10000s。
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