[发明专利]一种双层复合碳化硅衬底及其制备方法

说明书

本发明提出了一种双层复合碳化硅衬底，所述衬底包括碳化硅单晶层和碳化硅多晶层；所述碳化硅多晶层中含有3C型晶体颗粒；所述晶体颗粒尺寸沿着垂直于衬底方向逆着碳化硅单晶层一侧渐次变小。利用化学气相沉积法在碳化硅单晶层上沉积碳化硅多晶层，控制晶体质量，提高了界面的结合强度，且兼顾了生长成本。本发明解决了碳化硅单晶和碳化硅多晶复合衬底存在的界面空隙和缺陷问题，能有效保持衬底应用性能的稳定性，保证与后续垂直器件工艺的兼容性，且制备过程有效减少碳化硅单晶的损耗，为高性能低成本碳化硅基器件制备奠定基础。

技术领域

本发明涉及半导体材料领域，特别涉及一种双层复合碳化硅衬底及其制备方法。

背景技术

碳化硅(SiC)具有优越的物理性能，如高禁带宽度(对应高击穿电场和高功率密度)、高电导率、高热导率等。碳化硅晶片作为半导体衬底材料，经过外延生长、器件制造等环节，可制成碳化硅基功率器件和微波射频器件，是第三代半导体产业发展的重要基础材料。目前制备SiC晶体的主流工艺是气相输运法(PVT)，该方法将碳化硅粉末加热至2300℃左右，产生多种硅碳化合物气体，这些硅碳化合物气体在低压环境下传输至碳化硅籽晶表面，结晶生成碳化硅单晶晶锭。晶锭通过切割、研磨、抛光和清洗等工序后，得到碳化硅衬底。为了保持衬底足够的机械强度，保证后续在衬底上进行外延、图形和刻蚀等平面工艺的稳定性，对于6英寸碳化硅，目前商用衬底的厚度为通常为350um左右。目前常用的晶锭切割工艺是多线砂浆切片，即利用切割线在混有金刚石颗粒的砂浆池中对碳化硅单晶体进行切割。考虑到切割线引起的损耗，以及后续研磨抛光的损耗，为了最终得到350um厚的单晶衬底，需要消耗约600um厚的晶锭。而在后续器件工艺来看，以垂直结构的MOSFET为例，为了提高器件的纵向热导，以及降低垂直沟道电阻，在350um厚碳化硅单晶衬底01上进行外延02、以及图形05等平面工艺后，需要对碳化硅单晶衬底做减薄处理，然后在减薄后的衬底03背面做金属欧姆接触电极，作为MOSFET的漏极。该减薄工艺过程要去除200-300um厚的单晶衬底04，如图1所示。

从上述工艺来看，存在两大问题：(1)砂浆多线切割工艺所损耗的单晶碳化硅过多；(2)在器件工艺中，大部分单晶衬底只是作为牺牲片起到了结构支撑的作用，在工艺后期会被去除。这两个问题的存在，使得晶锭80％以上消耗在各中间工序，而未作为最终的器件功能层得到有效利用，造成材料的极大浪费。

专利CN201480055772.3公开了一种借助于激光处理和温度诱导应力相组合的晶片制造法，采用激光在晶锭表面下方产生一个缺陷层，然后利用聚合物在低温下产生的应力，从缺陷层剥离出晶片。相比于砂浆线切割，该方法可以将切割损耗从200um左右降低到60um左右，效果明显。专利US20190337100公开了一种从完成单面平面工艺的晶圆上，用整体剥离的方法实现减薄，同时剥离下来的衬底进入下一次平面工艺重复使用。该方法把现有工艺减薄时“浪费”掉的单晶碳化硅利用了起来。专利CN201780044382.X公开了一种半导体基板，其特征在于，由一个单晶SiC基板和多晶SiC基板，以及一个高浓度掺杂氮原子或磷原子的界面层构成。该方法通过掺杂缺陷降低了界面层的电阻。专利CN201480038163.7公开了一种半导体基板的制造方法，将一个碳化硅单晶与一个碳化硅多晶，表面预备处理后通过键合的方法结合在一起，研磨抛光后得到一个包含单晶层与多晶层复合的基板。