CN116024664A - 一种大尺寸碳化硅衬底及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大尺寸碳化硅衬底，所述碳化硅衬底的厚度小于400微米，弯曲度bow值不大于‑1微米，且满足Y＝‑A/X，其中，X为厚度，Y为弯曲度bow值，A为300～8000，warp值不大于bow值绝对值的3倍。与现有技术相比，本发明一方面可提供更薄厚度的衬底，从而增加同等厚度SiC晶体产出晶片的数量，降低成本；另一方面，通过特定的几何外形及结晶的原子面弯曲保证下游外延、器件对晶片制作过程中的要求；第三方面提供低厚度衬底同时外形翘曲变化可以满足整个产业链的要求，也极大降低器件环节的减薄成本。

Description

一种大尺寸碳化硅衬底及其制备方法

技术领域

本发明属于半导体材料技术领域，尤其涉及一种大尺寸碳化硅衬底及其制备方法。

背景技术

第三代半导体材料是指以碳化硅、氮化镓为代表的宽禁带半导体材料，具有击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等优势，因此采用第三代半导体材料制备的半导体器件不仅能在更高的温度下稳定运行，适用于高电压、高频率场景，还能以较少的电能消耗，获得更高的运行能力。

相比于Si，SiC具有10倍的击穿电场强度、3倍的禁带、2倍的极限工作温度和超过2倍的饱和电子漂移速率，此外SiC还具有3倍的热导率，这意味着3倍于Si的冷却能力。

碳化硅衬底主要有2大类型：半绝缘型和导电型。在半绝缘型碳化硅市场，目前主流的衬底产品规格为4英寸。在导电型碳化硅市场，目前主流的衬底产品规格为6英寸。由此可见，目前，碳化硅产业中衬底仍以4-6英寸为主。若将尺寸由6英寸提高至8英寸，SiC的单片面积将增大77.8％，可利用面积大大提高。并且，大直径衬底能够有效降低器件制备成本，以直径6英寸衬底为例，使用直径6英寸衬底相对直径4英寸衬底能够节省大约30％的器件制备成本。

碳化硅晶片作为半导体材料，最终要制作成半导体器件，例如SBD、MOSFET等，才能应用的日常工况中。半导体材料制备工序大部分为衬底制备、外延生长、器件制作、封装应用。其中，在器件工序中，现有碳化硅晶片用作器件时需要进入光刻机，但光刻机对弯曲度太大的晶片无法操作。因此，现有碳化硅单晶晶片对于弯曲度都希望尽可能的小，要求表面平整。

基于此，碳化硅衬底的厚度不能太薄，否则就不能控制其在外延、器件制作工序中的翘曲度(warp)、弯曲度bow值。目前行业通用的6英寸碳化硅衬底厚度为350微米左右，8英寸衬底厚度在500微米左右，并且由于目前碳化硅生长技术难度较大，单一晶体的长度较短，导致成本相对较高，制约其厚度的进一步降低，也制约其进一步大规模的应用。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种厚度较薄的大尺寸碳化硅衬底及其制备方法。

本发明提供了一种大尺寸碳化硅衬底，所述碳化硅衬底的厚度小于400微米，弯曲度bow值不大于-1微米，且满足Y＝-A/X，其中，X为厚度，Y为弯曲度bow值，A为300～8000，warp值不大于bow值绝对值的3倍。

优选的，所述碳化硅衬底的尺寸为6英寸，碳化硅衬底的厚度小于300微米，A为300～4000。

优选的，所述碳化硅衬底的尺寸为8英寸，碳化硅衬底的厚度小于400微米，A为400～8000。

本发明还提供了一种大尺寸碳化硅衬底的制备方法，包括：

S1)将碳化硅晶体通过切割或剥离得到碳化硅晶片；

S2)将所述碳化硅晶片进行退火处理，得到退火处理后的晶片；

S3)采用凸形吸盘吸附退火处理后的晶片的第二表面，然后对退火处理后的晶片的第一表面进行单面研磨，得到单面研磨的晶片；

S4)将所述单面研磨的晶片进行退火处理，得到单面处理的晶片；

S5)采用表面平整的吸盘吸附单面处理的晶片的第一表面，然后对单面处理的晶片的第二表面进行研磨，得到研磨的晶片；

S6)将所述研磨的晶片进行退火处理，得到双面处理的晶片；

S7)将所述双面处理的晶片的第一表面进行化学机械抛光，得到大尺寸碳化硅衬底。

优选的，所述步骤S2)、步骤S4)与步骤S6)中退火处理的温度各自独立地为1000℃～1500℃；所述步骤S2)、步骤S4)与步骤S6)中退火处理的升温段的时间各自独立地为1.5～2.5h，高温段保持的时间各自独立地为4～6h。

优选的，所述步骤S3)中凸形吸盘的中心凸出5～40μm，且所述凸形吸盘的直径大于碳化硅晶片的直径；所述吸附的真空压为-20～-120kPa。

优选的，所述步骤S3)中单面研磨时砂轮的自转转速为1800～3000rpm；砂轮向下的给进速度为0.1～0.4μm/s；所述单面研磨具体为先进行粗磨再进行精磨；所述粗磨的砂轮颗粒度为500#～1000#；所述精磨的砂轮颗粒度为2000#～30000#；所述单面研磨的晶片的第一表面的粗糙度小于0.5μm。

优选的，所述步骤S5)中研磨时砂轮的自转转速为1800～3000rpm；砂轮向下的给进速度为0.1～0.4μm/s；所述研磨具体为先进行粗磨再进行精磨；所述粗磨的砂轮颗粒度为500#～100#；所述精磨的砂轮颗粒度为2000#～30000#；所述研磨的晶片的第二表面的粗糙度小于0.5μm。

优选的，所述化学机械抛光的抛光液包括磨料、氧化剂与水；所述磨料的质量为抛光液质量的15％～25％；所述磨料为氧化铝或氧化硅；所述氧化铝的粒径为80～400nm；所述氧化硅的粒径为40～300nm；所述抛光液中氧化剂的质量浓度小于等于7％；所述氧化剂为高锰酸钾。

优选的，所述化学机械抛光的压力为50～124kg；转速为100～120rpm；温度为45℃～50℃；抛光液的流量为40～60mL/min。

本发明提供了一种大尺寸碳化硅衬底，所述碳化硅衬底的厚度小于400微米，弯曲度bow值不大于-1微米，且满足Y＝-A/X，其中，X为厚度，Y为弯曲度bow值，A为300～8000，warp值不大于bow值绝对值的3倍。与现有技术相比，本发明一方面可提供更薄厚度的衬底，从而增加同等厚度SiC晶体产出晶片的数量，降低成本；另一方面，通过特定的几何外形及结晶的原子面弯曲保证下游外延、器件对晶片制作过程中的要求；第三方面提供低厚度衬底同时外形翘曲变化可以满足整个产业链的要求，也极大降低器件环节的减薄成本。

附图说明

图1为自由状态下碳化硅晶片的结构示意图；

图2为采用凸形吸盘吸附退火处理后的晶片的第二表面的结构示意图；

图3为对晶片的第一表面进行单面研磨的示意图；

图4为对晶片的第二表面进行研磨的示意图；

图5为得到的大尺寸碳化硅衬底的结构示意图；

图6为本发明提供的实施例中得到的碳化硅衬底TKR78CAW08的表面测试结果；

图7为本发明提供的实施例中得到的碳化硅衬底TKS73DEU10的表面测试结果。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种大尺寸碳化硅衬底，所述碳化硅衬底的厚度小于400微米，弯曲度bow值不大于-1微米，且满足Y＝-A/X，其中，X为厚度，Y为弯曲度bow值，A为300～8000，warp值不大于bow值绝对值的3倍。

本发明提供的SiC衬底产品相对于通用技术具有更薄厚度及更弯曲的几何外形。虽然对于衬底来说是弯曲，但是在后续外延时其表面生长一层SiC外延薄膜后，bow、warp均会得到降低，从而通过低厚度、特定弯曲度满足后续器件制作的要求，并且由于SiC器件在制作后期是需要减薄的，最终大部分碳化硅器件中SiC晶片的厚度不超过150微米，甚至不超过100微米。本发明在衬底环节就提供低厚度衬底，同时外形翘曲变化可以满足整个产业链的要求，也极大降低器件环节的减薄成本。

本发明提供的大尺寸碳化硅衬底可为6英寸衬底也可为8英寸衬底。

当所述碳化硅衬底的尺寸为6英寸时，所述碳化硅衬底的厚度优选小于300微米；A优选为300～4000，更优选为300～2000，再优选为300～1500。

当所述碳化硅衬底的尺寸为8英寸时，碳化硅衬底的厚度优选小于400微米；A优选为400～8000。

本发明一方面可提供更薄厚度的衬底，从而增加同等厚度SiC晶体产出晶片的数量，降低成本；另一方面，通过特定的几何外形及结晶的原子面弯曲保证下游外延、器件对晶片制作过程中的要求；第三方面提供低厚度衬底同时外形翘曲变化可以满足整个产业链的要求，也极大降低器件环节的减薄成本。

本发明还提供了一种上述大尺寸碳化硅衬底的制备方法，包括：S1)将碳化硅晶体通过切割或剥离得到碳化硅晶片；S2)将所述碳化硅晶片进行退火处理，得到退火处理后的晶片；S3)采用凸形吸盘吸附退火处理后的晶片的第二表面，然后对退火处理后的晶片的第一表面进行单面研磨，得到单面研磨的晶片；S4)将所述单面研磨的晶片进行退火处理，得到单面处理的晶片；S5)采用表面平整的吸盘吸附单面处理的晶片的第一表面，然后对单面处理的晶片的第二表面进行研磨，得到研磨的晶片；S6)将所述研磨的晶片进行退火处理，得到双面处理的晶片；S7)将所述双面处理的晶片的第一表面进行化学机械抛光，得到大尺寸碳化硅衬底。

其中，本发明对所有原料的来源并没有特殊的限制，为市售即可。

在本发明中，所述碳化硅晶体为本领域技术人员熟知的碳化硅晶体即可，并无特殊的限制，本发明中优选为采用PVT法生长获得高质量的碳化硅晶体。

将碳化硅晶体通过切割或剥离得到碳化硅晶片；在本发明中优选通过多线切割或激光剥离的方法，得到碳化硅晶片；所述碳化硅晶片的厚度优选小于400微米，更优选小于300微米。参见图1，图1为自由状态下碳化硅晶片的结构示意图。

将所述碳化硅晶片进行退火处理，得到退火处理后的晶片；通过退火处理，可释放切割环节的损伤和内应力，保证衬底原子面弯曲度尽可能小。所述退火处理的温度优选为1000℃～1500℃，更优选为1000℃～1300℃；所述退火处理包括升温段与高温段；所述升温段的时间优选为1.5～2.5h；所述高温段保持的时间优选为4～6h；退火处理后，优选自然冷却至室温，得到退火处理后的晶片。

在本发明中，退火处理后的晶片的两个表面分别为第一表面与第二表面，采用凸形吸盘吸附退火处理后的晶片的第二表面，然后对退火处理后的晶片的第一表面进行单面研磨，得到单面研磨的晶片；参见图2与图3，图2为采用凸形吸盘吸附退火处理后的晶片的第二表面的结构示意图；图3为对晶片的第一表面进行单面研磨的示意图；通过单面研磨可去除损伤层，晶片在吸力的作用下产生弹性变形，晶片去除量中心多，边缘少，从而初步形成像C面弯曲的几何表面；所述凸形吸盘的直径优选大于碳化硅晶片的直径；所述凸形吸盘优选为由边缘到中心延曲线凸起的吸盘；所述凸形吸盘的中心优选凸出5～40μm，更优选凸出10～35μm，再优选凸出15～30μm，最优选凸出20～25μm；所述凸形吸盘的表面延伸方向与水平方向的夹角优选为0.5°～2°，更优选为0.7°～1.8°，再优选为0.9°～1.6°，最优选为1.2°～1.4°；所述吸附的真空压优选为-20～-120kPa，更优选为-50～-120kPa，再优选为-80～-100kPa；通过单面研磨可实现减薄与抛光；所述单面研磨的砂轮的自转转速优选为1800～3000rpm，更优选为2000～3000pm，再优选为2200～2800rpm，最优选为2500rpm；砂轮向下的给进速度优选为0.1～0.4μm/s；在本发明中所述单面研磨优选包括粗磨与精磨，通过粗磨实现减薄通过精磨实现抛光的目的；所述粗磨的砂轮颗粒度优选为500#～1000#，更优选为600#～900#，再优选为700#～800#；所述粗磨时砂轮向下的给进速度优选为0.3～0.4μm/s；粗磨的时间可根据来料厚度与目标厚度确定；所述精磨的砂轮颗粒度优选为2000#～30000#，更优选为5000#～30000#，再优选为10000#～30000#，最优选为20000#～30000#；所述精磨时砂轮向下的给进速度优选为0.1～0.2μm/s；所述单面研磨的晶片的第一表面的粗糙度小于0.5μm。

将所述单面研磨的晶片进行退火处理，得到单面处理的晶片；通过退火处理可释放切割环节的损伤和内应力，保证衬底原子面弯曲度尽可能小。所述退火处理的温度优选为1000℃～1500℃，更优选为1000℃～1300℃；所述退火处理包括升温段与高温段；所述升温段的时间优选为1.5～2.5h；所述高温段保持的时间优选为4～6h；退火处理后，优选自然冷却至室温，得到单面处理的晶片。

采用表面平整的吸盘吸附单面处理的晶片的第一表面，然后对单面处理的晶片的第二表面进行研磨，得到研磨的晶片；参见图4，图4为对晶片的第二表面进行研磨的示意图；所述吸盘的直径大于晶片的直径，同时吸盘上吸孔均匀分布，晶片两个表面的吸附压差超过2个大气压，以保证对晶片的均匀吸附。在本发明中，所述吸附的真空压优选为-20～-120kPa，更优选为-50～-120kPa，再优选为-80～-100kPa；通过研磨可实现第二表面的减薄与抛光；所述研磨的砂轮的自转转速优选为1800～3000rpm，更优选为2000～3000pm，再优选为2200～2800rpm，最优选为2500rpm；砂轮向下的给进速度优选为0.1～0.4μm/s；在本发明中所述研磨优选包括粗磨与精磨，通过粗磨实现减薄再通过精磨实现抛光的目的；所述粗磨的砂轮颗粒度优选为500#～1000#，更优选为600#～900#，再优选为700#～800#；所述粗磨时砂轮向下的给进速度优选为0.3～0.4μm/s；所述精磨的砂轮颗粒度优选为2000#～30000#，更优选为5000#～30000#，再优选为10000#～30000#，最优选为20000#～30000#；所述精磨时砂轮向下的给进速度优选为0.1～0.2μm/s；所述研磨的晶片的第二表面的粗糙度小于0.5μm。

将所述研磨的晶片进行退火处理，得到双面处理的晶片；通过退火处理可释放切割环节的损伤和内应力，保证衬底原子面弯曲度尽可能小。所述退火处理的温度优选为1000℃～1500℃，更优选为1000℃～1300℃；所述退火处理包括升温段与高温段；所述升温段的时间优选为1.5～2.5h；所述高温段保持的时间优选为4～6h；退火处理后，优选自然冷却至室温，得到双面处理的晶片。

将所述双面处理的晶片的第一表面进行化学机械抛光，得到大尺寸碳化硅衬底；参见图5，图5为得到的大尺寸碳化硅衬底的结构示意图，其在自由状态下存在翘曲度，保留凸形吸盘的影响；所述化学机械抛光所用的抛光液优选包括磨料、氧化剂与水；所述磨料的质量优选为抛光液质量的15％～25％；所述磨料优选为氧化铝或氧化硅；所述氧化铝的粒径为80～400nm；所述氧化硅的粒径为40～300nm；；所述抛光液中氧化剂的质量浓度优选小于等于7％，更优选为3％～5％；所述氧化剂优选为高锰酸钾；抛光液的pH值优选为3～5；在本发明中，所述化学机械抛光优选采用阻尼布材质软质抛光垫；所述化学机械抛光的压力优选为50～124kg，更优选为50～104kg，再优选为50～87kg；进一步优选的，化学机械抛光时外环与中心压力不同，外环的压力优选为50～60kg；中心的压力优选为70～124kg，更优选为80～104kg，再优选为87kg；化学机械抛光的转速优选为100～120rpm；温度优选为45℃～50℃；抛光液的流量优选为40～60mL/min，更优选为45～55mL/min，再优选为50mL/min；在本发明中，优选利用化学机械抛光使第一表面的表面粗糙度小于0.15nm，得到大尺寸碳化硅衬底，其划痕完全去除满足外延生长要求。

为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种大尺寸碳化硅衬底及其制备方法进行详细描述。

以下实施例中所用的试剂均为市售。

实施例

将两片6英寸导电碳化硅晶片按照下面的方法制备碳化硅衬底，根据来料厚度的区别对得到的碳化硅衬底命名，来料厚度为290μm碳化硅晶片得到的碳化硅衬底命名为TKR78CAW08，来料厚度为298μm碳化硅晶片得到的碳化硅衬底命名为TKS73DEU10。

制备过程：

S1)将采用PVT法生长获得高质量的碳化硅晶体通过多线切割得到碳化硅晶片；

S2)对碳化硅晶片进行退火处理，退火温度1300℃，升温段的时间为2h；高温段保持的时间为5h；退火处理后，自然冷却至室温；

S3)使用减薄机对退火后的切割片的第一表面进行减薄研磨，先使用粗磨砂轮进行加工，再使用精磨砂轮进行加工，研磨工艺设置如下：

吸盘类型：中心凸出25μm吸盘；

吸附真空压：-80kPa；

机械抛光参数：①砂轮自转转速：2500rpm②所用砂轮颗粒度：粗磨：800#精磨：30000#③砂轮沿Z向下给进速度：粗磨给进0.4μm/s精磨给进速度0.1μm/s；本次试验粗磨去除量为15μm，用时48s(包含空切时间即砂轮接近晶片前减速运行的时间)，精磨去除量为10μm，用时113s(包含空切时间)。

S4)对单面研磨的晶片进行退火处理，退火温度1300℃，升温段的时间为2h；高温段保持的时间为5h；退火处理后，自然冷却至室温；

S5)使用减薄机对晶片的第二表面进行减薄研磨，先使用粗磨砂轮进行加工，再使用精磨砂轮进行加工。然后再使用单片CMP设备进行加工。

研磨工艺加工如下：

吸盘类型：中心平整吸盘

吸附真空压：-80kPa

机械抛光参数：①砂轮自转转速：2500rpm；②所用砂轮颗粒度：粗磨：800#；精磨：30000#；③砂轮沿Z向下给进速度：粗磨给进0.4μm/s；精磨给进速度0.1um/s；本次试验粗磨去除量为15μm，用时48s(包含空切时间)，精磨去除量为10μm，用时113s。

S6)对双面研磨后的晶片进行退火处理，退火温度1300℃，升温段的时间为2h；高温段保持的时间为5h；退火处理后，自然冷却至室温；

S7)最后对第一表面进行化学机械抛光，抛光液组成：磨料为氧化铝(固含量17％，粒径集中在200nm)；分散剂为水；氧化剂为高锰酸钾(浓度3％～5％)；

抛光垫：阻尼布材质软质抛光垫；

化学机械抛光参数：①压力：外环50kg，中心87kg；②大盘转速：120rpm，PP转速：119rpm③温度：50℃；④pH值3～5；⑤流量50mL/min；时间固定为8min/片。

对得到的碳化硅衬底的性能进行检测，得到结果如表1、图6与图7所示。本次测试结果均为Tropel公司的FM200平面度测量设备进行测试表征，得到测试结果如表1、图6与图7所示。其中图6为TKR78CAW08的测试结果；图7为TKS73DEU10的测试结果；由图6与图7可说明晶片厚度(x)与晶片弯曲度(y)存在反比关系，即y＝-A/X，两片晶片A取值分别为3038和1094。

表1碳化硅衬底测试结果

	厚度	y＝-A/X
			TKR78CAW08	237μm	y＝-3038/X
TKS73DEU10	244μm	y＝-1094/X

将TKR78CAW08邮寄给客户进行外延验证，外延后客户反馈外延片翘曲度结果为：Warp＝28.7μm，Bow＝5.8μm，翘曲度变化优于其他工艺生产的衬底晶片。

Claims (10)

1.一种大尺寸碳化硅衬底，其特征在于，所述碳化硅衬底的厚度小于400微米，弯曲度bow值不大于-1微米，且满足Y＝-A/X，其中，X为厚度，Y为弯曲度bow值，A为300～8000，warp值不大于bow值绝对值的3倍。

2.根据权利要求1所述的大尺寸碳化硅衬底，其特征在于，所述碳化硅衬底的尺寸为6英寸，碳化硅衬底的厚度小于300微米，A为300～4000。

3.根据权利要求1所述的大尺寸碳化硅衬底，其特征在于，所述碳化硅衬底的尺寸为8英寸，碳化硅衬底的厚度小于400微米，A为400～8000。

4.一种大尺寸碳化硅衬底的制备方法，其特征在于，包括：

S1)将碳化硅晶体通过切割或剥离得到碳化硅晶片；

S2)将所述碳化硅晶片进行退火处理，得到退火处理后的晶片；

S3)采用凸形吸盘吸附退火处理后的晶片的第二表面，然后对退火处理后的晶片的第一表面进行单面研磨，得到单面研磨的晶片；

S4)将所述单面研磨的晶片进行退火处理，得到单面处理的晶片；

S5)采用表面平整的吸盘吸附单面处理的晶片的第一表面，然后对单面处理的晶片的第二表面进行研磨，得到研磨的晶片；

S6)将所述研磨的晶片进行退火处理，得到双面处理的晶片；

S7)将所述双面处理的晶片的第一表面进行化学机械抛光，得到大尺寸碳化硅衬底。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2)、步骤S4)与步骤S6)中退火处理的温度各自独立地为1000℃～1500℃；所述步骤S2)、步骤S4)与步骤S6)中退火处理的升温段的时间各自独立地为1.5～2.5h，高温段保持的时间各自独立地为4～6h。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3)中凸形吸盘的中心凸出5～40μm，且所述凸形吸盘的直径大于碳化硅晶片的直径；所述吸附的真空压为-20～-120kPa。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3)中单面研磨时砂轮的自转转速为1800～3000rpm；砂轮向下的给进速度为0.1～0.4μm/s；所述单面研磨具体为先进行粗磨再进行精磨；所述粗磨的砂轮颗粒度为500#～1000#；所述精磨的砂轮颗粒度为2000#～30000#；所述单面研磨的晶片的第一表面的粗糙度小于0.5μm。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S5)中研磨时砂轮的自转转速为1800～3000rpm；砂轮向下的给进速度为0.1～0.4μm/s；所述研磨具体为先进行粗磨再进行精磨；所述粗磨的砂轮颗粒度为500#～100#；所述精磨的砂轮颗粒度为2000#～30000#；所述研磨的晶片的第二表面的粗糙度小于0.5μm。

9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述化学机械抛光的抛光液包括磨料、氧化剂与水；所述磨料的质量为抛光液质量的15％～25％；所述磨料为氧化铝或氧化硅；所述氧化铝的粒径为80～400nm；所述氧化硅的粒径为40～300nm；所述抛光液中氧化剂的质量浓度小于等于7％；所述氧化剂为高锰酸钾。

10.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述化学机械抛光的压力为50～124kg；转速为100～120rpm；温度为45℃～50℃；抛光液的流量为40～60mL/min。

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