[发明专利]平坦的SiC半导体基板

说明书

相关专利申请的交叉引用

本申请要求2012年10月26日提交的美国临时专利申请No.61/719,310和2013年8月6日提交的美国专利申请No.13/959,896的权益和优先权，这两份专利申请的名称均为“FLAT SiC SEMICONDUCTOR SUBSTRATE”(平坦的SiC半导体基板)，它们的全部公开内容据此以引用方式并入本文。

背景技术

1.技术领域

本公开涉及半导体晶片的制造，更具体地讲，涉及由碳化硅制成的半导体晶片。

2.相关技术

半导体芯片行业很大程度上的成功归因于硅的天然性质。这些性质包括易于生长自然氧化物(SiO₂)、其自然氧化物优异的绝缘性以及相对容易制造硅晶片和硅晶片内的器件。例如，硅及其自然氧化物易于用湿法或干法等离子体蚀刻方法蚀刻。因此，已开发了用于制造高纯(99.9999999％纯)单晶和相对大的(300mm，同时450mm的制备正在进行中)硅晶片的许多方法。硅晶片是用于制造供计算和功率电子器件用的芯片的主要材料。

其他材料比如蓝宝石、GaN(氮化镓)、AlN(氮化铝)和SiC(碳化硅)表现出可用于制造半导体器件诸如检测器、光发射器和功率器件的性质；然而，迄今为止，它们在主流制造中的应用因制造困难而受阻。一般来讲，当加工这些其他半导体材料时，无法采用标准硅方法。例如，虽然纯单晶硅可容易地用柴氏长晶法生长，但是这样的生长方法无法用于生长SiC。相反，必须采用高温升华方法。相似地，由于SiC无法容易地蚀刻，因此无法轻易地采用标准硅晶片切割技术来进行SiC晶片切割。

在另一方面，高温/高压半导体电子器件可受益于SiC的天然性质。例如，将SiC用于超快、高压肖特基二极管，MOSFET和大功率开关用高温晶闸管，以及大功率LED。因此，增加SiC的可用性可有助于开发此类半导体器件。例如，100mm SiC晶片的当前制造远远落后于标准300mm硅晶片。

此外，在单晶碳化硅中，无法通过扩散而可靠地形成晶体管和二极管中的复杂掺杂分布形状。复杂几何掺杂构型必须使用离子注入通过用步进型光刻方法形成的微米/亚微米几何掩模来实现。为了实现在半导体内的目标掺杂剂掺入所需的注入，必须将平坦的基板用于光刻过程，特别是随着器件的几何尺寸增大时。

一般来讲，半导体基板的特征在于评估平坦度和粗糙度时的若干指标。这些指标包括弯曲度、翘曲度、总厚度变化(TTV或全局背面指示读数-GBIR)、局部厚度变化(LTV或部位后表面基准理想平面/范围-SBIR)和部位正面最小二乘焦平面范围(部位平坦度质量要求-SFQR)。(有关定义和计算，参见例如SEMI M1-1103、ASTM F657、ASTM F1390、ASTM F1530)。

除了为平坦的以外，基板在表面上还必须为光滑的且无机械损伤。该要求是强制性的，作为器件制造方法的一部分，基板将被置于用来生长晶体薄膜的化学气相沉积外延过程中。随着薄膜的生长，其复制在基板表面上呈现的晶体结构。因此，在基板表面上过高的粗糙度和机械损伤将会导致不良的膜质量。

制备平坦和光滑的基板最常用的方法涉及一系列按顺序的切割步骤以逐渐实现高水平的平坦度和低粗糙度。每个抛光步骤使用越来越小的磨料颗粒将表面粗糙度降低到目标值。选择具有经策略性选择的机械性质的抛光垫，以控制会影响基板的最终波纹度的“平整化长度”，并实现局部平坦度目标。

例如，在硅基板加工中，对晶片进行切片，然后用研磨或磨削方法处理以使得基板的每个面平行，从而实现全局平坦度。但是，这些方法导致对基板表面大量的机械损伤，并可导致基板弯曲度或翘曲度的增加。为了移除损伤，通常将硅晶片浸入用来蚀刻表面损伤的化学溶液中。该方法(通常称为锯伤移除)可使得基板表面的波纹度极高，并且必须应用后续平坦化方法。接下来，为了将基板带到目标厚度范围，应用一系列称为坯料移除(stock removal)的工序。在硅加工中，坯料移除包括一个或若干个使用化学机械抛光方法的抛光步骤，这些方法用于将基板的厚度有效降低到接近目标厚度并降低波纹度。接下来，用更细磨料的化学机械抛光方法、长平整化长度抛光垫并以小移除目标值进一步抛光晶片，以便实现所需的平坦度和粗糙度技术规格。虽然存在许多步骤，但从研磨/磨削到完成的过程持续时间仅为几个小时，并且其可得到具有满足光刻目标而需要的平坦度和粗糙度的硅晶片，甚至在将CVD(化学气相沉积)外延层施加到基板上之后也是如此。