一种制备半导体衬底的方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种制备半导体衬底的方法。

背景技术

随着半导体技术的发展，对于制备半导体器件的基本结构半导体衬底的要求也越来越高，但现有半导体衬底的制备方法存在生产成本高的问题。

因此，有必要对制备半导体衬底的方法进行改进。

发明内容

本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识所做出的：

目前半导体衬底的制备方法存在生产成本高的问题。以碳化硅（SiC）衬底为例，碳化硅晶体的制造非常困难，制造成本高，目前工业界采用的物理气相传输（PVT）法，生长温度2300℃，生长速度很慢（几百微米/小时)，生产成本高。制造出的碳化硅晶锭通过切割来制备碳化硅衬底。具体地，碳化硅衬底的切割目前工业上采用的是多线切割法，利用钢线携带金刚石粉进行切割，由于碳化硅非常硬，所需的钢线较粗，切割造成的碳化硅材料刀口损失一般在200微米左右，刀口损失很大，同时该方法存在切割时间长、生产效率低的问题。而且，该方法切出来的碳化硅切面的表面粗糙度较大，切割之后，切割面的损伤层较深，需要通过研磨和抛光来去除较深的碳化硅损伤层，进一步加大了碳化硅材料损失，增高了制造成本。

本发明旨在至少在一定程度上改善上述技术问题的至少之一。

本发明提供一种制备半导体衬底的方法，包括：采用第一半导体材料片和第二半导体材料片键合形成复合衬底片；对所述第一半导体材料片进行激光扫描处理，以便在所述第一半导体材料片的内部预设的待切割区域形成微裂纹富集区；对所述复合衬底片进行超声处理，使所述微裂纹富集区内裂纹扩展并分离所述复合衬底片，以便获得第一部件和第二部件，所述第一部件携带所述第二半导体材料片并含有第一半导体材料残余层；对所述第一部件中所述第一半导体材料残余层表面进行抛光处理，以便获得所述半导体衬底。由此，本发明通过激光扫描处理与超声处理，可以快速的对复合衬底片进行切割分离，本发明的方法具有材料损耗少、加工速率快、生产效率高的优点，可以降低半导体衬底的生产成本。

根据本发明的实施例，所述方法进一步包括：将所述第二部件进行抛光处理，以去除所述微裂纹富集区，将经过所述抛光处理后的第二部件作为所述第一半导体材料片与所述第二半导体材料片键合形成复合衬底片。由此，第二部件可以重复前文所述方法，用于制备半导体衬底。

根据本发明的实施例，所述第一半导体材料片包括碳化硅、氮化镓、氧化镓、氮化铝材料中的一种或多种。

根据本发明的实施例，所述第一半导体材料片为碳化硅单晶材料，所述碳化硅单晶材料满足基平面位错密度不高于1500/cm

根据本发明的实施例，所述第二半导体材料片包括硅、碳化硅、氮化镓、氧化镓、氮化铝材料中的一种或多种。

根据本发明的实施例，所述第二半导体材料片为碳化硅材料，所述第二半导体材料片的电阻率不超过0.01Ω·cm。

根据本发明的实施例，形成复合衬底片包括：在所述第一半导体材料片以及所述第二半导体材料片表面的至少之一处形成键合增强层；将所述第一半导体材料片和所述第二半导体材料片进行键合，并令所述键合增强层位于键合界面处，形成复合衬底片。由此，可以提高第一半导体材料片和第二半导体材料片的键合强度。

根据本发明的实施例，所述第一半导体材料片和所述第二半导体材料片之间的键合界面是导电的。由此，得到的复合衬底片、以及最终得到的半导体衬底可以用于制作垂直结构的器件。

根据本发明的实施例，所述微裂纹富集区在垂直于所述第一半导体材料片和所述第二半导体材料片界面的方向上的长度不超过100微米。由此，本发明的微裂纹富集区在半导体材料的厚度方向上的长度较小，由此可以减少后续的减薄量，减少半导体材料的损耗，从而降低生产成本。

根据本发明的实施例，所述激光扫描处理是从所述第一半导体材料片远离所述第二半导体材料片的一侧实施的。

根据本发明的实施例，所述激光扫描处理时，所述激光的波长大于355nm，能量密度为4-9J/cm

根据本发明的实施例，同一区域被所述激光扫描的次数不低于两次。由此，可以增加微裂纹的密度，有利于剥离。

根据本发明的实施例，所述抛光处理后所述第一半导体材料残余层的厚度不低于1纳米。由此，可以使半导体衬底具有较高的品质，满足使用需求。

根据本发明的实施例，所述抛光处理后所述第一半导体材料残余层中不含有所述裂纹。由此，可以使半导体衬底具有较高的品质。

附图说明

图1是本发明一个实施例中，制备半导体衬底的方法流程图；

图2是本发明另一个实施例中，制备半导体衬底的方法流程示意图。

附图标记说明

100、100b-第一半导体材料片，100a、100a1-第一半导体材料残余层，200-第二半导体材料片，F-微裂纹富集区，A-第一部件，B-第二部件。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明提供一种制备半导体衬底的方法，参考图1，所述方法包括：

S100、采用第一半导体材料片和第二半导体材料片键合形成复合衬底片；

参考图2，第一半导体材料片100和第二半导体材料片200进行键合，形成复合衬底片。

根据本发明的一些实施例，所述第一半导体材料片100的晶体质量优于所述第二半导体材料片200的晶体质量。半导体衬底在半导体器件中主要有两个作用，第一是作为器件的有源区，或者作为外延的成核层，外延层作为器件的有源区，第二是作为晶圆加工中的支撑层。由于器件有源区和外延成核层均无需很厚，并且支撑层无需很高的质量，本发明通过将高品质的第一半导体材料片100与价格便宜的低品质第二半导体材料片200进行键合，可以获得成本更低、并满足使用需求的半导体衬底。

根据本发明的实施例，所述第一半导体材料片100包括碳化硅、氮化镓、氧化镓、氮化铝材料中的一种或多种。

根据本发明的实施例，所述第一半导体材料片100为碳化硅单晶材料，所述碳化硅单晶材料满足基平面位错密度不高于1500/cm

根据本发明的实施例，第一半导体材料片100和第二半导体材料片200的材料可以相同，也可以不同。进一步地，所述第二半导体材料片200包括硅、碳化硅、氮化镓、氧化镓、氮化铝材料中的一种或多种。

根据本发明的实施例，所述第二半导体材料片200为碳化硅材料，进一步地，所述第二半导体材料片200可以是单晶、多晶或非晶，所述第二半导体材料片200的电阻率不超过0.01Ω·cm。

根据本发明的实施例，形成复合衬底片包括：在所述第一半导体材料片100以及所述第二半导体材料片200表面的至少之一处形成键合增强层；将所述第一半导体材料片100和所述第二半导体材料片200进行键合，并令所述键合增强层位于键合界面处，形成复合衬底片。由此，可以提高第一半导体材料片100和第二半导体材料片200的键合强度。

常见的半导体键合技术中，通常键合界面是不导电的，例如，Si-Si键合往往会在界面形成二氧化硅，二氧化硅可以增强其键合强度。不导电的键合界面会对器件性能产生不良影响，甚至会使制备的半导体衬底不能用于制作垂直结构的器件。

根据本发明的实施例，所述第一半导体材料片100和所述第二半导体材料片200之间的键合界面是导电的。由此，得到的复合衬底片、以及最终得到的半导体衬底可以用于制作垂直结构的器件。

键合增强层可以通过离子注入、等离子体轰击等使第一半导体材料片100和/或第二半导体材料片200的表面改性来形成，也可以利用磁控溅射等手段在第一半导体材料片100和/或第二半导体材料片200的表面沉积一层利于键合的材料来形成。离子注入、等离子体轰击、磁控溅射等可以是半导体制造中的一些常见工艺，这里不再赘述。

S200、对所述第一半导体材料片进行激光扫描处理，以便在所述第一半导体材料片的内部预设的待切割区域形成微裂纹富集区；

参考图2，对第一半导体材料片100进行激光扫描处理，激光聚焦到半导体材料100内部预设的待切割区域，在局部形成高温，诱生大量微裂纹，可以在第一半导体材料片100的内部形成微裂纹富集区F。

根据本发明的实施例，微裂纹富集区F内具有多个裂纹，每个所述裂纹的方向和长度可以相同或不同。例如，一些裂纹是沿平行于所述第一半导体材料片100和所述第二半导体材料片200的界面方向延伸的，即一些裂纹是沿着剥离面方向延伸的，还有一些裂纹的延伸方向与上述剥离面方向之间具有一定的夹角。

根据本发明的实施例，所述微裂纹富集区F在垂直于所述第一半导体材料片100和所述第二半导体材料片200界面的方向上的长度不超过100微米。优选地，该长度不超过30微米。由此，激光扫描处理所形成的裂纹在第一半导体材料片100和第二半导体材料片200厚度方向上的长度较小，进而可以减少后续的抛光去除量，减少半导体材料的损耗，进一步降低生产成本。

根据本发明的实施例，当第二半导体材料片200对激光的吸收率较高时，所述激光扫描处理是从所述第一半导体材料片100远离所述第二半导体材料片200的一侧实施的。由此，可以避免由于第二半导体材料片200对激光的吸收所造成的激光能量的损耗。

根据本发明的一些实施例，当第一半导体材料片100对激光的吸收率较高时，此时可以从第二半导体材料片200远离第一半导体材料片100的一侧实施激光扫描处理。由此，可以避免由于材料吸收激光所造成的激光能量的损耗。

根据本发明的实施例，所述激光扫描处理时，所述激光的波长大于355nm，由此，激光能够穿透并聚焦到待切割区域。例如，所述激光的波长可以为1064nm。如果激光的波长过短，则不能穿透到待切割区域。在本发明的一些实施例中，所述半导体材料为碳化硅，如果激光波长为355nm或更短，碳化硅表层对激光的吸收很严重；如果激光波长为1064nm，则激光可以穿透到数毫米甚至数厘米的碳化硅，聚焦到待切割区域，在待切割区域产生高温，进而诱生大量微裂纹。

根据本发明的实施例，所述激光扫描处理时，到达半导体材料的激光的能量密度大于等于4J/cm

根据本发明的实施例，同一区域被所述激光扫描的次数不低于两次。由此，通过多次扫描同一区域，可以增加同一区域的微裂纹密度，有利于剥离。

进一步地，根据本发明的实施例，可以通过激光光斑重叠的方式实现多次激光扫描，具体地，激光光斑在扫描时是重叠的，激光光斑的重叠率越高，则扫描次数越多。可以通过调节激光光斑的重叠率，来控制激光扫描的次数。

需要说明的是，微裂纹富集区是在单位截面（25μm x 25μm）的面积上，使用扫描电子显微镜观测，裂纹的数量大于2个，裂纹沿分离面方向上的长度大于5微米。

S300、对所述复合衬底片进行超声处理，使所述微裂纹富集区内裂纹扩展并分离所述复合衬底片，以便获得第一部件和第二部件，所述第一部件携带所述第二半导体材料片并含有第一半导体材料残余层；

参考图2，超声处理时，微裂纹扩展，大量的微裂纹扩展并相连时，即可以分离复合衬底片，得到第一部件A和第二部件B，第一部件A包括层叠设置的第二半导体材料片200和第一半导体材料残余层100a，第二部件B包含第一半导体材料片100b，第一半导体材料残余层100a和第一半导体材料片100b中都包含微裂纹富集区F，第一半导体材料残余层100a的厚度与第一半导体材料片100b的厚度之和等于第一半导体材料片100的厚度。

超声处理可以将晶片放置在带有超声波发生装置的液体槽中进行，例如，以水为超声波的传输介质，将复合衬底片放入水中，超声波的频率为13-400kHz，在超声波的作用下，微裂纹扩展，并使得第一部件A和第二部件B分离。优选地，超声处理时超声波的频率为13-200kHz，当超声波的频率过高，裂纹不易扩展，而如果超声波的频率过低，裂纹扩展过快，垂直于分离面的裂纹也同时快速扩展，造成微裂纹富集区的厚度加大，增加后期去除微裂纹富集区处理的加工量，不利于减少材料的加工损失。

根据本发明的实施例，所述方法进一步包括：将所述第二部件B进行抛光处理，以去除第一半导体材料片100b中的微裂纹富集区F，将经过所述抛光处理后的第二部件B作为所述第一半导体材料片100与所述第二半导体材料片200键合形成复合衬底片。也就是说，第二部件B可以多次重复利用，具体地，第二部件B在进行抛光处理之后可以按照前文所述的方法，用于制备半导体衬底。

S400、对所述第一部件中所述第一半导体材料残余层表面进行抛光处理，以便获得所述半导体衬底。

参考图2，对第一部件A进行抛光处理，以去除第一半导体材料残余层100a中的微裂纹富集区F，得到第一半导体材料残余层100a1，第一半导体材料残余层100a1的厚度小于第一半导体材料残余层100a的厚度，得到由层叠设置的第二半导体材料片200和第一半导体材料残余层100a1所组成的半导体衬底。抛光处理工艺可以采用半导体材料常见的抛光工艺，这里不再赘述。

根据本发明的一些实施例，在所述抛光处理之前，可以采用磨削处理来去除微裂纹富集区F，例如，可以用金刚石磨轮来磨削去除微裂纹富集区。采用金刚石粒径很细的磨削处理之后，第一半导体材料残余层表面的损伤层厚度低于5微米，可以降低后续的抛光处理去除量。当第一半导体材料为碳化硅时，其抛光速率非常低，仅靠抛光处理要完全去除微裂纹富集区会需要较长的抛光时间，此时可采用先磨削后抛光的工艺，降低抛光去除量，提高生产效率。

根据本发明的实施例，所述抛光处理后所述第一半导体材料残余层100a1的厚度不低于1纳米。优选地，所述抛光处理后所述第一半导体材料残余层100a1的厚度为1-10微米。这一厚度的第一半导体材料残余层完全可以作为外延的成核层，生长高质量的外延层。由此，可以使半导体衬底具有较高的品质，满足使用需求。

根据本发明的实施例，所述抛光处理后所述第一半导体材料残余层100a1中不含有所述裂纹。也就是说，通过抛光处理，可以去除微裂纹富集区F，使半导体衬底具有高的品质。

需要说明的是，本说明书中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“另一个实施方式”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。