一种低裂纹碳化硅晶圆制备方法及碳化硅晶圆

摘要

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种低裂纹碳化硅晶圆制备方法及碳化硅晶圆，包括：具有裂纹的待加工碳化硅晶圆进行粒子辐照形成空位，再进行退火，退火工艺中溢出的硅原子与氧气反应生成具有粘性流动的二氧化硅，并且所述空位层中的原子借助空位的长程传输，在所述二氧化硅和所述原子的长程传输的共同作用下，填充待加工碳化硅晶圆表面的裂纹，形成自愈合层，最后通过研磨和抛光，获得低裂纹碳化硅晶圆。本发明采用粒子辐照先在待加工碳化硅晶圆的表面至内部一定深度位置形成空位，在后续退火工艺，形成自愈合层，自愈合层阻止了裂纹在后续的研磨和抛光工艺中向待加工碳化硅晶圆内部延伸以及裂纹之间的耦合，最终得到低裂纹的碳化硅晶圆。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种低裂纹碳化硅晶圆制备方法及碳化硅晶圆。

背景技术

碳化硅具备耐高压、耐高温、高频、抗辐射等优良特性，已经在电力电子、射频微波以及量子传感领域展示了重要的应用潜力，突破硅基半导体材料物理限制，是第三代半导体核心材料。碳化硅产业链涉及多个复杂技术环节，包含碳化硅晶圆制造、碳化硅外延、芯片与模组等环节。由于碳化硅晶圆制备难度大，良率低，产能小，目前产业链最重要的环节集中于晶圆制造部分。碳化硅的高硬度、高脆性也是导致碳化硅加工难度大、晶圆制造难的重要原因。

目前碳化硅晶圆的加工工序主要包括线切割、减薄、研磨以及化学机械抛光（CMP）等步骤，其中在减薄过程中，由于碳化硅属于高硬脆材料，减薄过程中容易在晶圆表面产生大量裂纹，而这些裂纹也将在下一步加工过程中扩展交叉，从而降低晶圆的断裂强度，导致加工效率低，增加破片率和碳化硅晶圆的制造成本。

发明内容

为解决碳化硅晶圆减薄后产生大量裂纹的问题，本发明提供一种低裂纹碳化硅晶圆制备方法，包括：

提供待加工碳化硅晶圆，所述待加工晶圆表面具有裂纹；

对所述待加工碳化硅晶圆进行粒子辐照，形成具有空位的空位层；

将形成有空位层的所述待加工碳化硅晶圆在氧气气氛下进行退火工艺，退火工艺中溢出硅原子，所述硅原子与氧气反应生成具有粘性流动的二氧化硅，并且所述并且所述空位层中的原子借助空位的长程传输，在所述二氧化硅和所述原子的长程传输的共同作用下，将所述待加工碳化硅晶圆表面的裂纹填充，形成自愈合层，所述自愈合层位于所述待加工碳化硅晶圆表面至所述待加工碳化硅晶圆内部粒子辐照位置；

将退火后的所述待加工碳化硅晶圆进行研磨和抛光，去除所述自愈合层，最终获得低裂纹碳化硅晶圆。

可选的，所述待加工碳化硅晶圆为N型、半绝缘型或者P型中的一种。

可选的，所述待加工碳化硅晶圆的TTV小于4μm，所述待加工碳化硅晶圆表面的粗糙度范围为0.1μm~0.3μm。

可选的，所述粒子辐照的能量范围为0.5MeV~2MeV，所述粒子辐照的剂量范围为0.1dpa~0.5dpa。

可选的，氦离子辐照、电子辐照、硅离子辐照、氢离子辐照或者中子辐照。

可选的，所述粒子辐照以不同能量、分多次进行粒子辐照。

可选的，所述分多次进行粒子辐照为分4次进行粒子辐照，所述不同能量分别为0.5MeV、1MeV、1.5MeV、2MeV。

可选的，所述退火的温度范围为1400℃~1600℃；所述退火的时间范围为1h~10h。

可选的，所述退火的温度为1500℃；所述退火的时间为1h。

可选的，所述自愈合层的厚度范围为5μm~10μm，所述研磨的厚度范围为5μm~10μm。

本发明实施例还提供一种碳化硅晶圆，包括：根据上述方法制备的碳化硅晶圆。

综上所述，本发明的优点及有益效果为：

本发明提供的一种低裂纹碳化硅晶圆制备方法及碳化硅晶圆，包括：提供具有裂纹的待加工碳化硅晶圆，将所述待加工碳化硅晶圆进行粒子辐照，形成具有空位的空位层，将形成有空位层的待加工碳化硅晶圆在氧气气氛下退火溢出硅原子，所述硅原子与氧气反应生成具有粘性流动的二氧化硅，并且所述空位层中的原子借助空位的长程传输，在所述二氧化硅和所述原子的长程传输的共同作用下，，将所述待加工碳化硅晶圆表面的裂纹填充，形成自愈合层，所述自愈合层为所述待加工碳化硅晶圆表面至所述待加工碳化硅晶圆内部粒子辐照位置，最后通过研磨和抛光，去除所述自愈合层，最终获得低裂纹碳化硅晶圆。

由于待加工碳化硅晶圆表面具有裂纹，在对所述碳化硅晶圆进行研磨、抛光的过程中，由于应力挤压，会出现裂纹向所述待加工碳化硅晶圆内部延伸以及裂纹之间耦合的问题，影响碳化硅晶圆的质量。本发明采用粒子辐照先在所述待加工碳化硅晶圆的表面至内部一定深度位置形成具有空位的空位层，在后续退火工艺，利用空位通过原子的长程传输和溢出的硅原子形成的粘性流动的二氧化硅使得所述待加工碳化硅晶圆表面的裂纹得到填补，形成自愈合层，所述自愈合层阻止了裂纹在后续的研磨和抛光工艺中向所述待加工碳化硅晶圆内部延伸以及裂纹之间的耦合，且所述自愈合层随着后续的研磨和抛光过程被去除，最终得到低裂纹的碳化硅晶圆。

本发明采用粒子辐照的方式，对所述待加工碳化硅晶圆进行轰击，由于碳原子的质量相对硅原子的质量小，更容易引起碳原子偏离正常的格点位置从而产生空位，在所述待加工碳化硅晶圆表面至内部粒子辐照位置形成具有大量碳空位缺陷的空位，由于空位位置没有了原子，原子扩散过程中必须克服的周围原子对其阻碍的势垒也就降低了，即所述空位会显著降低所述待加工碳化硅晶圆中原子的扩散激活能，使得所述待加工碳化硅晶圆在后续的退火工艺中，由于扩散激活能的降低，使得原子更容易向裂纹方向的空位移动，占据空位格点，而原子原来所在的格点位置又产生新空位，产生的新空位又有新的原子占据，从而通过空位辅助实现原子向裂纹处的长程传输，最终填补裂纹，实现裂纹愈合。

同时，在1400℃~1600℃的温度进行退火工艺，所述待加工碳化硅晶圆中的碳化硅在高温下会分解变成硅和碳，一方面为硅原子和碳原子在长程传输的过程中提供了能量，另一方面由于硅的熔点、沸点都低于退火工艺的温度，由于退火工艺中的饱和蒸汽压高，导致硅升华，使得硅从所述碳化硅晶圆表面溢出，溢出的硅被周围环境中的氧气氧化生成二氧化硅，在1400℃~1600℃的温度下，生成的二氧化硅具有粘性流动的特性，使得二氧化硅在所述待加工碳化硅晶圆的表面流动，填充了所述待加工碳化硅晶圆表面的裂纹缝隙，进一步提升裂纹的愈合。

本发明提供的方法对设备要求低，提高了碳化硅晶圆的加工效率，降低了碳化硅加工成本增加破片率。

附图说明

图1为本发明实施例的一种低裂纹碳化硅晶圆制备方法的流程图；

图2为本发明实施例的一种低裂纹碳化硅晶圆制备方法的能量为0.5MeV、1MeV、1.5MeV、2MeV的氦离子辐照的深度的示意图；

图3为本发明实施例的一种低裂纹碳化硅晶圆制备方法的空位辅助碳化硅中碳原子和硅原子扩散机理示意图；

图4为本发明实施例的一种低裂纹碳化硅晶圆制备方法的自愈合层示意图；

图5为本发明实施例的一种低裂纹碳化硅晶圆制备方法的提供的待加工碳化硅晶圆表面裂纹的示意图；

图6为本发明实施例的一种低裂纹碳化硅晶圆制备方法的获得的低裂纹碳化硅晶圆表面裂纹的示意图；

图7为传统碳化硅晶圆制备方法的lasertec测试裂纹数目的示意图；

图8为本发明实施例的一种低裂纹碳化硅晶圆制备方法的lasertec测试裂纹数目的示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面将结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明提供一种低裂纹碳化硅晶圆制备方法，请参考图1，包括：

步骤S100，提供待加工碳化硅晶圆，所述待加工晶圆表面具有裂纹；

步骤S200，对所述待加工碳化硅晶圆进行粒子辐照，形成具有空位的空位层；

步骤S300，将形成有空位层的所述待加工碳化硅晶圆在氧气气氛下进行退火工艺，退火工艺中溢出硅原子，所述硅原子与氧气反应生成具有粘性流动的二氧化硅，并且所述空位层中的原子进行长程传输，在所述二氧化硅和所述原子的长程传输的共同作用下，将所述待加工碳化硅晶圆表面的裂纹填充，形成自愈合层，所述自愈合层位于所述待加工碳化硅晶圆表面至所述待加工碳化硅晶圆内部粒子辐照位置；

步骤S400，将退火后的所述待加工碳化硅晶圆进行研磨和抛光，去除所述自愈合层，最终获得低裂纹碳化硅晶圆。

具体的，执行步骤S100，提供待加工碳化硅晶圆10，所述待加工晶圆10表面具有裂纹；

本发明实施例中，所述待加工碳化硅晶圆10为n型、半绝缘型或者p型中的一种。

本发明实施例中，所述待加工碳化硅晶圆10的TTV（总厚度偏差）小于4μm，所述待加工碳化硅晶圆10表面的粗糙度范围为0.1μm~0.3μm。

本发明实施例中，所述待加工碳化硅晶圆的厚度范围为340μm~360μm。

执行步骤S200，对所述待加工碳化硅晶圆10进行粒子辐照，形成具有空位的空位层（未图示）。

本发明实施例中，对所述待加工碳化硅晶圆10的硅面进行粒子辐照。

所述粒子辐照的能量范围为0.5MeV~2MeV，所述粒子辐照的剂量范围为0.1dpa~0.5dpa。

所述粒子辐照以不同能量、分多次进行粒子辐照。

本发明实施例中，所述粒子辐照采用氦粒子辐照，所述分多次进行粒子辐照为分4次进行氦离子辐照，所述分多次进行氦离子辐照的能量分别为0.5MeV、1MeV、1.5MeV、2MeV。

本发明实施例中，请参考图2，采用0.5MeV、1MeV、1.5MeV、2MeV的能量对所述待加工碳化硅晶圆10进行氦离子辐照，所述氦离子辐照的深度范围为0μm~5μm。

本发明采用氦离子辐照的方式，轰击所述待加工碳化硅晶圆10，由于所述待加工碳化硅晶圆10中碳原子的质量相对硅原子的质量小，在氦离子辐照过程中，更容易引起碳原子偏离正常的格点位置从而产生碳空位。

同时，分4次不同的能量对所述待加工碳化硅晶圆10进行氦离子辐照，在所述待加工碳化硅晶圆10的表面至内部不同的深度处形成峰值，由于协同效应，最终使得所述待加工碳化硅晶圆10从表面至内部一定深度的范围内形成相对均匀的空位，即形成空位均匀分布的空位层（未图示），在后续退火工艺中，有利于所述待加工碳化硅晶圆10深度方向上的裂纹的填补，即从所述待加工碳化硅晶圆10的表面至氦离子辐照的最深处的裂纹愈合。

本发明采用氦离子辐照，氦离子进入所述待加工碳化硅晶圆10内部，与所述碳空位形成团簇，由于所述碳空位本身带负电，使得氦离子与所述碳空位结合，在后续退火工艺中，所述氦离子形成氦泡，脱离碳化硅晶圆，从而避免了辐照过程中的杂质引入。

其他实施例中，所述粒子辐照为电子辐照、硅离子辐照、氢离子辐照、中子辐照或者其他适合的粒子进行辐照。

执行步骤S300，将形成有有空位层（未图示）的所述待加工碳化硅晶圆10在氧气气氛下进行退火工艺，退火工艺中溢出硅原子，所述硅原子与氧气反应生成具有粘性流动的二氧化硅，在所述具有粘性流动的二氧化硅，并且所述空位层（未图示）中的原子借助空位的长程传输，在所述二氧化硅和所述原子的长程传输的共同作用下，的共同作用下，将所述待加工碳化硅晶圆表面的裂纹填充，形成自愈合层20，所述自愈合层位于所述待加工碳化硅晶圆表面至所述待加工碳化硅晶圆内部粒子辐照位置。

所述退火的温度范围为1400℃~1600℃；所述退火的时间范围为1h~10h。

本发明实施例中，所述退火的温度为1500℃；所述退火的时间为1h。

请参考图3，所述空位层（未图示）内的空位23位置没有了原子，降低了原子扩散过程中必须克服的周围原子对其阻碍的势垒，即空位23会显著降低所述待加工碳化硅晶圆中原子的扩散激活能，所述待加工碳化硅晶圆10在退火工艺中，由于扩散激活能的降低，使得所述空位层（未图示）中的原子更容易向裂纹方向移动，占据空位23格点，而原子原来所在的格点位置又产生新空位24，产生的新空位24又被新的原子占据，从而通过粒子辐照产生的空位23和原子扩散过程中产生的新空位24的辅助下，实现原子向裂纹处的长程传输，最终填补裂纹，实现裂纹愈合。

同时，在1400℃~1600℃的温度进行退火工艺，所述待加工碳化硅晶圆10中的碳化硅在高温下会分解变成硅和碳，所述退火工艺一方面为硅原子和碳原子在长程传输的过程中提供了能量，另一方面由于硅的熔点、沸点都低于退火工艺的温度，由于退火工艺中的饱和蒸汽压高，导致硅升华，使得硅从所述待加工碳化硅晶圆10表面溢出，溢出的硅被周围环境中的氧气氧化生成二氧化硅，在1400℃~1600℃的温度下，生成的二氧化硅具有粘性流动的特性，使得二氧化硅在所述待加工碳化硅晶圆10的表面流动，填充了所述待加工碳化硅晶圆10表面的裂纹缝隙，进一步提升裂纹的愈合。

执行步骤S400，将退火后的所述待加工碳化硅晶圆10进行研磨和抛光，去除所述自愈合层20，最终获得低裂纹碳化硅晶圆。

请参考图4，所述自愈合层20的厚度范围为5μm~10μm.

所述研磨的厚度范围为5μm~10μm。

本发明实施例中，所述研磨的厚度为5μm。

本发明实施例中，请参考图5~图6，为所述待加工碳化硅晶圆表面的裂纹和通过本发明获得的低裂纹的碳化硅晶圆表面的裂纹，如图可知，通过本发明提供的方法获得的低裂纹碳化硅晶圆表面的裂纹数量明显减少。

本发明实施例中，通过lasertec测试，测试划痕（裂纹）个数参数，请参考图7，为传统碳化硅晶圆制备方法的碳化硅晶圆表面的裂纹总长度为8255.527mm，裂纹总数为2243个；请参考图8，为本发明提供的一种低裂纹碳化硅晶圆制备方法获得的低裂纹碳化硅晶圆表面的裂纹总长度为579.401mm，裂纹总数为87个。通过实验可知，使用辐照、退火加工工序后裂纹总长度下降，裂纹总数减少，最终获得低裂纹碳化硅晶圆。

由于待加工碳化硅晶圆10表面具有裂纹，在对所述碳化硅晶圆10进行研磨抛光的过程中，由于应力挤压，裂纹会向所述待加工碳化硅晶圆内部延伸以及裂纹之间耦合。本发明采用氦粒子辐照的方式，先在所述待加工碳化硅晶圆的至内部形成具有空位的自愈合层20，再配合退火工艺，通过原子的长程传输和溢出的硅原子形成的二氧化硅使得所述待加工碳化硅晶圆10表面的裂纹得到愈合，阻止了裂纹在后续的研磨加工工艺中向所述待加工碳化硅晶圆10内部延伸以及裂纹之间的耦合的问题，而且所述自愈合层20随着后续的研磨和CMP过程被去除，最终得到低裂纹的碳化硅晶圆。

同时，本发明提供的方法对设备要求低，提高了碳化硅晶圆的加工效率，降低了碳化硅晶圆的加工成本，也降低了碳化硅晶圆的破片率。

本发明实施例还提供一种碳化硅晶圆，包括：根据上述方法制备的碳化硅晶圆。

最后说明，任何依靠本发明方法以及所述实施例的技术方案，进行的部分或者全部技术特征的修改或者等同替换，所得到的本质不脱离本发明的相应技术方案，都属于本发明方法以及所述实施方案的专利范围。