多層半導體晶片及其制造方法

文檔序號：6888424閱讀：294來源：國知局

專利名稱：多層半導體晶片及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及包括承載晶片和碳化硅施體層的多層半導體晶片，以及其制備方法。
背景技術：
氮化鎵(GaN)通常被用作半導體器件中的活性層，原因在于其高的直接帶隙、高的電子飽和速率和高的電壓阻斷容量。該直接帶隙非常適合于制造綠色和藍色LED以及激光二極管。氮化鎵鋁(GaAlN)和氮化鎵銦 (GalnN)的晶體也可以用于這些應用中，GaAlN具有較大的帶隙，GalnN 具有較小的帶隙?；诘锏钠骷脖挥糜谖⒉ㄆ骷?、高功率器件和 HEMT中。
但是，GaN晶體難于生長，迄今為止還沒有商業(yè)的晶體生長方法可供用于制備純的晶錠。GaN晶片通常是通過在適宜的襯底上生長GaN、隨后移除所述襯底而制備的。這些"準大塊"的GaN晶片具有高的缺陷密度，并且生長相對昂貴。在很多器件應用中是在適宜的襯底上生長GaN薄層。
碳化硅(SiC)襯底通常被用作生長GaN薄膜和晶片的襯底。盡管這些襯底提供了用于GaN生長的可接受的晶格常數(shù)匹配與良好的電性能和熱性能及器件特性，但是它們受限于小于100mm的較小直徑。單晶SiC晶片則比硅晶片要貴得多。此外，大塊的SiC晶片具有缺陷如微管，以及不同的多型體夾雜物，這些缺陷是在晶體生長期間產(chǎn)生的。
備選途徑是直接地或通過中間的外延SiC層、使用大塊的硅晶片進行 GaN層的外延生長。盡管大直徑的硅晶片已經(jīng)是可以得到的，但是在緩沖層上生長GaN薄膜會導致高的位錯密度，這限制了這種材料的應用。此外，可能會產(chǎn)生GaN薄膜的破裂，原因在于GaN層上的硅晶片誘導產(chǎn)生的極端的拉伸應力。該應力的產(chǎn)生是由于硅晶片和GaN層的不同的熱膨脹系數(shù)。如果所述應力太大，則所述晶片甚至會在外延過程中破裂。還有，SiC的外延生長的缺點是會產(chǎn)生很多缺陷，特別是孿晶和凸起(hillock)。
同樣已知使用硅晶片作為用于SiC離子束合成的襯底(WO 03/034484 A2)。在此方法中，用碳離子注入硅晶片并在高溫下退火，在硅表面下產(chǎn) 生SixCy的包埋層。包埋的離子束合成的SiC(IBS-SiC)層具有變化的化學計量度(x， y)和變化的結晶度，不用清楚限定與頂部硅層和硅襯底底部的邊界。埋層不具有自由表面，并包含很多不同取向的SiC納米夾雜物、晶格缺陷、單晶SiC區(qū)、無定型夾雜物和末端范圍注入損傷。在適宜的注入和退火條件下，單晶SiC區(qū)在大約對應于注入碳離子的平均深度的深度上形成。如果頂部硅層被移除，則GaN就可以生長在IBS-SiC層上。但是，還存在著在GaN沉積期間產(chǎn)生破裂的問題，原因是硅和GaN層的不同的熱膨脹系數(shù)。
在GaN層的外延生長期間，破裂或晶片破損問題可以通過轉(zhuǎn)移薄的單晶SiC層至具有匹配的熱膨脹系數(shù)的基底或承載晶片來解決，例如使其由多晶SiC構成。US 6328796公開了一種方法，其中淺表的3c-SiC層通過以下步驟產(chǎn)生使硅施體晶片的表面碳化、將硅施體晶片的SiC層與由多晶SiC構成的基底晶片粘合、以及移除硅施體晶片的剩余部分，以便暴露出SiC層。
硅襯底的碳化產(chǎn)生大量的位錯、層積缺陷、空隙、和面缺陷，例如反相疇界(APB) (Mendez等，Materials Science Forum， Vols. 483-485 (2005)，第189-192頁)。與碳化有關的較大缺陷產(chǎn)生部分是由于在硅和SiC(20%) 之間的大的晶格失配，以及由于具有不同的相和堆疊順序的彼此獨立成核的SiC島的聚并，從而導致高密度面缺陷(Zetterling等的Process technology for SiC devices, EMIS Processing Series 2， ISBN 0852969988，第2章第39-40 頁)。此外，前體氣體中的C:Si之比需要在碳化過程中和在接下來的SiC 外延生長期間進行嚴格控制，以避免其它的缺陷。由于某些反相疇界的自湮滅，SiC在碳化層上的外延生長可以減少某些早期生長階段的晶體破壞，但是，SiC的生長相對較慢(約0.5-8pm/hr)，所以缺陷的減少不是非常有效。外延生長也會使表面粗糙，原因在于階梯式生長，因此不會自湮滅的成核缺陷將會在外延過程中繼續(xù)生長，并且確實某些與外延有關的缺陷將會另外成核，并生長出例如堆疊缺陷和生長凸起。此夕卜，突出物和大臺階(macro step)也是問題(Takashi等，Materials Science Forum，第389-393巻，(2002)，
8第323-326頁)。與碳化及隨后的外延步驟有關的缺陷問題在一定程度上可以通過非取向(off-orientated)晶體來減少，但是與SiC島聚并有關的根本問題及所得孿晶和凸起生長仍然存在。其它在硅上的基于碳化的外延SiC生長的缺陷是在碳化的SiC/Si界面處會產(chǎn)生空隙。
最后結果是，如果GaN層沉積在SiC層上，而LED在GaN層上制造，則LED的效率相對較低。因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于外延生長含氮化物的層的襯底，其不含上述的缺陷，并且能夠用來制造高質(zhì)量的器件，例如高效LED。

發(fā)明內(nèi)容
所述問題通過一種制造多層半導體晶片的方法來解決，該半導體晶片包括承載晶片(5)和與承載晶片(5)粘合的碳化硅施體層(44)，該方法包括以
下步驟
a) 提供承載晶片(5)，
b) 提供施體晶片(l)，該施體晶片(1)包括施體層(2)和所述施體晶片的剩余物C3)，所述施體層(2)包含單晶硅，
e) 將所述施體晶片(1)的施體層(2)與承載晶片(5)粘合，以及
f) 移除施體晶片的剩余物(3)，以便使仍保持與承載晶片(5)粘合的施體層(2)暴露，
所述方法特征在于以下的其它步驟
c) 將碳離子注入施體層(2)中，以便產(chǎn)生包含注入碳的層(4)，以及
d) 熱處理包括包含注入碳的層(4)的施體層(2)，以形成在至少部分施體層(2)中的碳化硅施體層(44)。
與US 6328796中公開的方法相反，本發(fā)明使用所謂的"離子束合成" 用于制造碳化硅(SiC)施體層(44)。該層也被稱為離子束合成的碳化硅 (IBS-SiC)層。
本發(fā)明還涉及一種多層半導體晶片，其包括承載晶片(5)和與承載晶片 (5)粘合的碳化硅施體層(44)，其中通過X射線衍射確定，所述碳化硅施體層(44)不含孿晶，且不含額外的碳化硅多型體。
本發(fā)明另外涉及一種多層半導體晶片，其包括承載晶片(5)和與承載晶片(5)粘合的碳化硅施體層(44)，其中所述碳化硅施體層(44)包括至少一個
9變化碳濃度的區(qū)(41, 43)，其中碳原子的濃度在垂直于層(44)的界面的方向上變化。

通過參考以下附圖1-7，對本發(fā)明進行更詳細描述圖1所示為在硅施體晶片(1)中形成的包含碳化硅的層(40)的結構。所述附圖是穿過所述施體晶片的垂直截面的TEM圖像。
圖2所示為根據(jù)本發(fā)明的多層半導體晶片的結構示意圖。
圖3所示為帶有額外外延層的圖2的多層半導體晶片示意圖。
圖4所示為根據(jù)本發(fā)明的第一優(yōu)選實施方案的方法。
圖5所示為根據(jù)本發(fā)明的第二優(yōu)選實施方案的方法。
圖6所示為根據(jù)本發(fā)明的第三優(yōu)選實施方案的方法。
圖7所示為根據(jù)本發(fā)明的第四優(yōu)選實施方案的方法。
附圖標記目錄
1施體晶片
15粘合界面
2施體層
21施體晶片的表面層
3施體晶片的剩余物
31施體晶片的剩余物的剩余部分
4包含注入碳的層
40包含碳化硅的層
41上部變化碳濃度的區(qū)域
42單晶碳化硅區(qū)
43下部變化碳濃度的區(qū)域
44碳化硅施體層
5承載晶片
6外延層
具體實施例方式
以下段落描述了所述方法的所有單個步驟，其對于本發(fā)明所有實施方案都是共同的，而將這些步驟結合起來的最有用的方法在以下的"優(yōu)選實施方案"部分中描述。
步驟a)
在根據(jù)本發(fā)明方法的步驟a)中(圖4-7)，提供了承載晶片(5)。優(yōu)選所述承載晶片被選擇用于改進器件性能和/或在轉(zhuǎn)移的IBS-SiC層上的外延生長。例如，硅的熱膨脹性能使得在硅上難以生長沒有裂紋的GaN。使用由諸如多晶SiC或藍寶石的材料構成的承載晶片，使得在外延生長期間能有更好的熱膨脹匹配，從而可以生長不含裂紋的GaN。理想地是，所述承載晶片可以以所有的直徑獲得，并且相對便宜。所述承載晶片可以是單晶、多晶或無定型的。一種在轉(zhuǎn)移的IBS-SiC層上生長GaN的理想的承載晶片由多晶SiC構成。這些承載晶片可以以所有的直徑獲得，并且可以以比小直徑單晶SiC晶片低得多的成本獲得。所述承載晶片的導熱性和導電性可以進行選擇，以便與單晶SiC相容。一種特別低成本制造大塊SiC的途徑是通過燒結方法，其晶片成本與等同硅晶片的相似或略低，且遠低于單晶 SiC的成本。承載晶片不限于藍寶石或SiC，其可以選自具有適宜的外延生長用熱膨脹性能、且具有適宜的導熱性和導電性的任何材料。對于含氮化物的外延生長應用來說，多晶SiC晶片為優(yōu)選。多晶SiC也具有足夠接近GaN的熱膨脹系數(shù)，能夠防止GaN層在轉(zhuǎn)移至承載晶片的IBS-SiC層上的外延沉積期間的破裂。
承載晶片應當具有足夠低的翹曲值(warpvalue),以使其能夠進行晶片粘合，優(yōu)選為S20nm。所選的承載晶片也可以具有一些孔隙，這對于燒結陶瓷是常見的。典型地商購晶片的厚度為大于200Mm且小于150(nim，雖然其它厚度也是可能的。
步驟b)
在根據(jù)本發(fā)明方法的步驟b)中(圖4-7)，提供了施體晶片(l)。所述施體晶片(1)在其正面包括施體層(2)，隨后其將與承載晶片(5)粘合。施體層(2) 定義為當施體晶片的剩余物(3)在步驟f)中被移除時，仍保持與承載晶片(5) 粘合著的層。該情形可以是，所述施體層(2)可以包含單晶硅，或包含注入碳的層(4)，或碳化硅施體層(44)。包含注入碳的層(4)在步驟c)中通過將碳離子注入包含單晶硅的施體層(2)中產(chǎn)生。碳化硅施體層(44)在步驟d)中通過熱處理包括包含注入碳的層(4)的施體晶片產(chǎn)生。
施體晶片(l)-在碳離子注入和熱處理之前的-總是包括以下這樣的施體層(2)，其包含單晶硅或由單晶硅構成。施體晶片的剩余物(3)僅僅承載施體層(2)，因此其不會受到任何的根本限制。施體晶片優(yōu)選為單晶硅晶片。施體層(2)或整個施體晶片(1)的取向?qū)τ诎蓟璧膶?40)的形成并不重要，至少其部分會形成碳化硅施體層(44)。取向?qū)τ诹呅稳∠虻木w例如氮化鎵(GaN)背面的外延生長是有利的，但是<111 >取向是優(yōu)選而非強制性的。Czochralski(CZ)和Float-Zone(FZ)生長的單晶硅可以構成施體層(2) 或整個施體晶片(l)。在施體晶片(l)不是單晶硅晶片的情況下，其可以是僅僅包括包含單晶硅或由單晶硅構成的施體層(2)的復合襯底。例如，施體晶片(1)也可以是包括外延生長的硅的施體層(2)的晶片，或者是包括由于退火而具有減少的缺陷密度的施體層(2)的退火晶片。目前方法的一個主要優(yōu)點在于，硅晶片相對便宜、具有非常低的缺陷度，且目前可以以50mm-300mm 的全直徑獲得。碳離子的注入對于所有這些直徑也都是可能的，所以存在有在任何直徑的硅晶片上制造碳化硅施體層(44)的可能性。
施體晶片應當具有足夠低的翹曲值，以使其能夠進行晶片粘合，在硅晶片直徑為100mm的情況下其優(yōu)選為小于20pm，在硅晶片直徑為200mm 的情況下優(yōu)選為小于60nm。
承載晶片和施體晶片的其它方面
承載晶片和施體晶片兩者的表面應當拋光至足以進行晶片粘合的程度，通常應拋光至根據(jù)AFM測量在lpm x 1^im區(qū)域上粗糙度為^lnm RMS。化學-機械拋光(CMP)是典型的平滑襯底和層的方法，并可用于大多數(shù)的與半導體兼容的材料。
額外的層可以在拋光和粘合之前在承載晶片或施體晶片之一上或在兩者上制成。這可以通過沉積薄層如氧化硅(Si02)、多晶硅、SiC或氮化硅來實現(xiàn)。通常，這些沉積的層比單晶碳化硅(42)或多晶SiC承載晶片(5)更容易平滑。該薄層然后就可以被拋光以供粘合。材料的選擇可以依賴于具體的應用和平滑方法。對于需要高導電性襯底的器件，導電層為優(yōu)選，而對于絕緣襯底，絕緣層為優(yōu)選。例如，多晶硅可以是良好的熱隔絕體和電絕緣體，并可以用常規(guī)的硅技術平滑?；蛘?，多晶硅可以摻雜成為良好的
導電體。氧化硅是絕緣體，并可以用常規(guī)的化學-機械拋光(CMP)法進行平滑。SiC更難沉積，且更難以進行平滑。沉積材料必須也與其它器件加工相容，尤其是含氮化物的層的外延沉積以及LED制造、或電子器件如 HEMT(高電子遷移率晶體管)器件、或功率器件。
使用多晶SiC或陶瓷襯底作為承載晶片可以避免在隨后的外延沉積期間的殘余熱應力。但是，這些陶瓷晶片經(jīng)常以燒結方法制造，這會導致相對高的孔隙率、粗糙的表面和高金屬含量。因此，同樣滿意的是用適宜的材料密封承載晶片，因為這樣會防止金屬污染物從本體材料向外擴散。這樣還具有的優(yōu)點是，其可以密封在表面材料上的任何可能的開孔，例如在燒結的多晶SiC晶片表面上的開孔。密封層可以任選拋光，以實現(xiàn)良好的粘合質(zhì)量。通常所述密封層是多晶SiC、多晶硅、氧化硅或氮化硅。
也可以在包括施體晶片和承載晶片之一或兩者的表面上包括光反射層。這種光反射層可用于LED器件中以反射光。光反射層優(yōu)選是金屬，并且可以被拋光，以便能夠進行粘合。如果其后將要進行高溫熱處理，則具有非常高熔點的金屬為優(yōu)選。這種金屬是例如銥、鋯、鈦和鉑。對于低于 100(TC的熱處理，則也可以使用金、銀和銅。金屬的選擇可以依賴于器件工藝和金屬對器件特性的影響。
光反射層可以是分開的密封層，或者與其它密封層結合。如果需要，光反射層也可以被CMP拋光。在使用具有光反射層的額外密封層的情況下，任一層可以在施體晶片或承載晶片的表面上。
步驟c)
在根據(jù)本發(fā)明方法的步驟c)中(圖4-7),碳離子被注入施體層(2)中，以形成包含注入碳的層(4)。此步驟可以在將其與承載晶片(5)在步驟e)中粘合之前在施體晶片(l)上進行，或者在步驟e)和f)中在已轉(zhuǎn)移至承載晶片(5) 的施體層(2)上進行。
如WO03/034484A2中公開的，離子束合成的碳化硅(IBS-SiC)層可以在大直徑的硅襯底上制造。在該方法中，碳離子以高的能量被注入單晶硅晶片中，以限定包含注入碳的層(4)。隨后，所述晶片被高溫熱處理(退火)(參考根據(jù)本發(fā)明方法的步驟d))，以產(chǎn)生包含碳化硅的包埋的層(40)，其也稱為IBS-SiC層。包含注入碳的層(4)的結構性能依賴于注入能、劑量和注入溫度。關于注入溫度、劑量、能量和退火條件對后注入物和后退火結構的影響的詳細回顧描述在J.K.N. Lindner的"Silicon Carbide - Recent major Advances",第251-266頁，ISBN 3-540-40458-9, Springer Verlag， August 2004 中。
注入后的碳濃度是深度的函數(shù)，其可以通過離子注入能量和劑量來控制。注入碳原子的濃度深度關系曲線近似于單注入能的高斯分布。包含注入碳的層(4)包括與間隙硅原子有關的缺陷，例如堆疊缺陷和位錯環(huán)。
典型來說，注入溫度選擇為100°C-900°C，優(yōu)選200。C-70(TC，最優(yōu)選為400。C-60(TC。典型地，注入劑量為2E17-1E18原子/cm、注入能為50keV -幾個MeV，優(yōu)選50keV-300keV。在表面法線與離子束(傾斜)之間的角度也可以變化，且通常是0°-10°。
具有不同注入能的多重注入物也可能形成非高斯分布的碳注入?yún)^(qū)。
任選地，注入前可以在硅晶片表面上沉積層。該層可防止硅表面的濺 f[，也可以防止所述表面接觸無意的金屬和顆粒污染物。典型的層不限于氧化硅或氮化硅。所述層可以任選在注入或退火后移除掉。
步驟d)
在歩驟d)(圖4-7)中，對包括包含注入碳的層(4)的施體層(2)進行熱處理，以形成在至少部分施體層(2)中的包含碳化硅的層(40)。
依賴于注入能、注入溫度、注入劑量(步驟c))和退火溫度，可以形成離子束合成的碳化硅(IBS-SiC)層(40) (J.K.N. Lindner, "Silicon Carbide -Recent major Advances",第251-266頁，ISBN 3-540-40458-9， Springer Verlag, August 2004)。
退火溫度通常是在115(TC-141(TC下1-20小時，優(yōu)選在1200°C-1350°C 下2-15小時。熱處理通常以間歇過程、在高溫度退火爐中進行。
通過離子注入和退火，可以形成包含碳化硅的離子束合成的包埋的層 (40)。該層通常包含單晶碳化硅區(qū)(42)、上部變化碳濃度的區(qū)(41)和下部變化碳濃度的區(qū)(43)。
在至少施體層由單晶硅構成(或者，施體晶片(l)基本上在整體上由單晶硅構成)的施體晶片(l)的情形下，形成了如圖1中透射電子顯微術(TEM) 圖像所示的多層結構。施體晶片的表面層(21)由單晶硅構成，單晶硅融合到包含碳化硅的層(40)中，包含碳化硅的層(40)則與施體晶片的剩余物(3) 的大塊硅融合。包含碳化硅的層(40)通常包括上部變化碳濃度的區(qū)(41)，該區(qū)域與單晶碳化硅區(qū)(42)相融合，而單晶碳化硅區(qū)(42)又與下部變化碳濃度的區(qū)(43)融合。一般來說，并非所有位于所述融合層或區(qū)域之間的界面都明顯(sharp)(參考圖1)，如外延生長層或CVD沉積層中的通常情況，原因
在于碳離子注入的高斯分布特征曲線的尾部。
單晶碳化硅區(qū)(42)定向良好，并具有3c晶體結構。經(jīng)X射線衍射(XPD) 確定，所述層僅僅包括3c多型體。經(jīng)透射電子顯微術(TEM)確定，存在有大量的面缺陷和位錯。所述層未表現(xiàn)出孿晶，這對于外延生長的SiC層是常見的情形，如XRD測量中所觀察到的。經(jīng)掃描電子顯微術未觀察到微管。所述層也不含大的空隙(M50nm)，而空隙通常存在于在碳化的SiC層中，并可以用高分辨率TEM觀察到。
上部變化碳濃度的區(qū)(41)中的碳濃度從與施體晶片的表面層(21)的硅融合的頂部向著與單晶碳化硅區(qū)(42)融合的區(qū)域的下部逐漸變化。就優(yōu)選的40(TC下的注入條件而言，上部變化碳濃度的區(qū)(41)具有中心無定型區(qū)，而在60(TC下，其中心區(qū)包含很多誤取向的3c-SiC納米夾雜物和SiC團簇。上部變化碳濃度的區(qū)(41)的頂部主要是單晶硅結構，而在其下部則以單晶的3c-SiC結構為主。上部變化碳濃度的區(qū)(41)的結晶部分具有大量擴展的晶格缺陷，經(jīng)TEM測量為ME5/cm2，所述缺陷源自離子注入損傷。上面損傷層的結構由TEM和XRD分析確定。
下部變化碳濃度的區(qū)(43)中的碳濃度從與單晶碳化硅區(qū)(42)融合的頂部向著與施體晶片的剩余物(3)的大塊硅融合的區(qū)的下部逐漸變化。就優(yōu)選的40(TC下的注入條件而言，下部變化碳濃度的區(qū)(43)具有中心的無定型區(qū)，而在600。C下，其中心區(qū)包含很多的SiC團簇。下部變化碳濃度的區(qū) (43)的頂部主要是3c-SiC單晶結構，而在所述區(qū)下部則以單晶硅結構為主。下部變化碳濃度的區(qū)(43)的結晶部分具有大量擴展的晶格缺陷，經(jīng)TEM測定為ME5/cm2，該缺陷源自離子注入損傷的末端范圍。下部變化碳濃度的區(qū)(43)的結構由TEM和XRD分析確定。
碳的濃度可以使用SIMS或RBS (Rutherford Back-Scattering)測定。在本發(fā)明中，步驟d)(圖4-7)中的熱處理可以在步驟c)中的離子注入之后立即進行，或者，離子注入在步驟c)中在施體晶片(l)上進行，施體晶片(l)在步驟e)中與承載晶片(5)粘合，其后再進行步驟d)的熱處理。
如上所述，包含注入碳的層(4)包含大量的缺陷，甚至在熱處理之后，上部和下部變化碳濃度的區(qū)(41)和(43)的邊界將分別不再明顯。然而，驚奇地發(fā)現(xiàn)，與承載晶片(5)粘合的單晶SiC層(42)的質(zhì)量優(yōu)于經(jīng)碳化單晶硅施體晶片的表面、轉(zhuǎn)移所述層至承載晶片、并根據(jù)US 6328796 Bl而產(chǎn)生的 SiC層的質(zhì)量，例如在制造LED時。
步驟e)
施體晶片或承載晶片的表面可以在步驟e)中粘合之前氧化。薄層的多晶硅或無定型的層也可以在步驟e)中粘合之前沉積在承載晶片或施體晶片上。粘合之前的額外層的沉積可以用額外的拋光步驟在所述層沉積之前或之后進行。
在步驟e)中，施體晶片(l)的施體層(2)可以通過以下方法與承載晶片(5) 粘合陽極粘合、直接粘合或通過適宜的粘合層。在粘合之前，兩種晶片的表面優(yōu)選進行清潔以除掉顆粒，以及化學制備粘合用表面。粘合可以在室溫下或升溫下進行。粘合強度可以通過在粘合前用等離子體活化一個或兩個晶片的表面來提升。直接晶片粘合是優(yōu)選的，因為這是更為直截了當的方法。在粘合之后，優(yōu)選進行熱處理(稱為"粘合退火")以增強粘合，以便能夠進行其它加工。粘合退火在溫度為1000'C-120(TC下進行2小時或更長是典型的情況。如果粘合過程具有在粘合前的等離子體活化，則更低的溫度也是可能的，例如在40(TC-80(TC下l-10小時。粘合退火可以在粘合之后立即進行，或在隨后處理步驟之后的任何時間進行。
步驟f)
在步驟f)(圖4-7)中，施體層(2)(在優(yōu)選實施方案1-3中為碳化硅施體層(44)，在優(yōu)選實施方案4中為單晶硅施體層)通過移除施體晶片的剩余物 (3)來暴露。施體晶片的剩余物(3)通常包括部分包含碳化硅的層(40)，而包含碳化硅的層(40)的剩余部分是部分施體層(2)。該重疊部分被稱為碳化硅施體層(44)。更具體而言，施體晶片的剩余物(3)可以包括，情況可以是，部分或全部的下部變化碳濃度的區(qū)(43)，以及部分或全部的單晶碳化硅區(qū) (42)。碳化硅施體層(44)包括至少部分的上部變化碳濃度的區(qū)(41)、或單晶碳化硅區(qū)(42)、或下部變化碳濃度的區(qū)(43)。但是，優(yōu)選至少部分單晶碳化硅區(qū)(42)是部分的施體層(2),因而其具有碳化硅施體層(44)。
施體晶片的剩余物(3)通過對施體晶片(1)進行研磨或選擇性蝕刻、或拋光或者其組合、從其未與承載晶片(5)粘合的背面除掉。一種暴露施體層(2) 的方法是從其背面研磨施體晶片(1)。施體晶片的剩余物(3)的剩余部分可以通過化學蝕刻、熱氧化及隨后的氧化物脫除、拋光或這些的組合而移除。暴露的施體層(2)例如可以使用拋光來平滑，優(yōu)選采用CMP。暴露的碳化硅施體層(44)的表面(優(yōu)選實施方案l-3)主要是結晶的SiC。優(yōu)選多于90% 的所述表面由經(jīng)XRD確定的結晶SiC構成。結晶性也可以用高分辨TEM 或光致發(fā)光或任何其它對結晶表面結構敏感的方法進行測定，例如沉積在表面上的不同生長速率的外延層，隨后進行厚度測量。
任選的步驟h)
在完成碳離子注入至施體層(2)中、熱處理以形成在至少部分施體層(2) 中的包含碳化硅的層(40)、粘合、以及通過移除施體晶片的剩余物(3)而暴露碳化硅施體層(44)的步驟(圖4-7)之后(無論這些步驟的順序)，粘合的承載晶片(5)和施體晶片(1)表現(xiàn)出如圖2中所示的以下結構
承載晶片(5)可直接或通過一個或多個額外的層與碳化硅施體層(44)粘合，該額外的層如施體晶片剩余的表面層(21)。在本發(fā)明第四實施方案(圖 7)的情況下，碳化硅施體層(44)可以被表面層(21)和施體晶片的上部變化碳濃度的區(qū)(41)覆蓋。該額外的層和覆蓋碳化硅施體層(44)的至少部分上部變化碳濃度的區(qū)(41)根據(jù)本發(fā)明的第四實施方案除掉，以便使碳化硅施體層 (44)暴露。在所述第四實施方案中，也可以完全移除上部變化碳濃度的區(qū) (41)，另外可以除掉部分單晶碳化硅區(qū)(42)，以暴露碳化硅施體層(44)。
碳化硅施體層(44)的暴露表面可能不夠平滑，以至于不能在其上生長外延層。在此情況下，在任選的步驟h)中平滑碳化硅施體層(44)的表面，以便能夠在所述表面上進行外延生長。拋光及尤其是CMP在使該層平滑上是特別有效的。通過拋光，保持了高度平滑的(經(jīng)AFM在1 x l阿的部位上測量為3nm，優(yōu)選0.5nmRMS)碳化硅施體層(44)的表面。碳化硅施體層(44)非常薄，典型為小于300nm。因此，典型的高移除率的SiC拋光應當避免。
所得的碳化硅施體層(44)的平滑表面足以進行外延層(6)的生長。根據(jù)本發(fā)明的多層半導體晶片的描述
所述方法導致以下多層半導體晶片(圖2)，其包括承載晶片(5)和與承載晶片(5)直接地或通過一個或多個插入層粘合的碳化硅施體層(44)。該碳化硅施體層(44)是離子束合成的SiC層。由于其制備方法，經(jīng)X射線衍射確定，兩者皆不含孿晶且不含額外的碳化硅多型體。優(yōu)選碳化硅施體層(44) 具有3c晶體結構，并且也不含微管，如通過掃描電子顯微術所確定的。
碳化硅施體層(44)在步驟d)和f)下具有以上所述的相同結構。其可以包括(也參見圖1)一個或多個上部變化碳濃度的區(qū)(41)、單晶碳化硅區(qū)(42) 和下部變化碳濃度的區(qū)(43)。優(yōu)選地，碳化硅施體層(44)的表面具有未與承載晶片(5)粘合的界面，其由至少90%結晶碳化硅構成。同樣優(yōu)選地，所述碳化硅施體層(44)包含單晶碳化硅區(qū)(42)。在此情況下，其可以額外地包括至少一個變化碳濃度的區(qū)(41， 43)，其中碳原子的濃度在垂直于層(44)的界面的方向上變化。碳化硅施體層(44)優(yōu)選厚度為2nm-800nm，最優(yōu)選厚度為15nm-300nm。
優(yōu)選在承載晶片(5)和碳化硅施體層(44)之間存在至少一個插入層，所述插入層選自以下組中絕緣層、反射層或密封層。這些層的功能在上文中已進行了描述。優(yōu)選所述多層半導體晶片還包含由單晶硅構成的額外的層(21)，其插入在承載晶片(5)和碳化硅施體層(44)之間。絕緣層可以包含氧化硅或氮化硅，反射層可以包括金屬，密封層可以包括多晶硅、氧化硅或氮化硅。這些層的功能描述在以上的"承載晶片和施體晶片的其它方面" 部分中。
本發(fā)明的多層半導體晶片優(yōu)選直徑為大于100mm，且高達300mm，或甚至450mm。
除了匹配熱膨脹系數(shù)外，在復合結構中還可以包括適應層或應力釋放層。優(yōu)選由硅構成的施體晶片的表面層(21)被用作應力釋放層。在含氮化物的外延層在IOO(TC下的外延生長期間，硅中會產(chǎn)生位錯環(huán)，這有助于釋放含氮化物的層中的應力，因此避免產(chǎn)生裂紋。上文中已描述了承載晶片(參考步驟a))。含氮化物的外延層被用在很多器件應用中。發(fā)光二極管(LED)使用外延的含氮化物的層來發(fā)出可見光。承載晶片(5)的材料需要是導電性的。SiC是理想的，因為其可以根據(jù)摻雜類型和濃度而選擇為絕緣的或?qū)щ娦缘摹?br> 通常，在垂直導電器件中需要導電性襯底。在橫向?qū)щ娖骷校欣?的是具有絕緣的襯底。這可以通過使用非摻雜SiC作為承載晶片(5)、或插入絕緣層在碳化硅施體層(44)和承載晶片(5)之間來實現(xiàn)。絕緣層如氧化硅和氮化硅是典型的。依賴于器件要求，可以使用絕緣或?qū)щ娨r底。典型的器件是高電子遷移率晶體管、微波功率器件和垂直導電功率器件。
暴露的碳化硅施體層(44)也可被用于SiC的外延生長。在此情況下，承載晶片(5)通常是硅或非單晶的SiC，其中多晶SiC是優(yōu)選的。通常在大塊單晶SiC上制備的器件現(xiàn)在是在外延層中制備的，并且用多晶SiC承載晶片(5)制備。外延SiC層的導電率和多晶SiC通過適宜的摻雜來選擇。
同樣優(yōu)選的是轉(zhuǎn)移并進一步加工碳化硅施體層(44)，以作用為在SOI 晶片包埋的氧化物層之下的散熱層。
在SiC上的氮化物系電子器件的制造期間，有利的是保持金屬雜質(zhì)遠離活性器件區(qū)域，因為這些金屬會干擾器件的加工，并不利地影響器件性能，例如，有害的金屬污染物會形成復合中心，其會破壞電子器件中的載流子壽命，并在光電子器件中帶來不希望的輻射復合中心。這可以通過使用一種上述的密封層來實現(xiàn)。但是，同樣碳化硅施體層(44)可以getter不希望的金屬。此外，碳化硅施體層(44)也會對金屬起到擴散阻礙作用，以使來自本體區(qū)域的金屬污染物不會進入器件區(qū)域中。
僅僅使用單晶層用于異質(zhì)外延生長的另一缺點是，應力可能會僅僅被吸附于在外延層中產(chǎn)生額外應力所誘導的晶體缺陷的單晶層中，這在高應力下會產(chǎn)生裂紋。置于襯底和外延層之間、可以在外延生長期間發(fā)生塑性變形的中間層被證明在減少應力誘導的晶體缺陷方面是有益的，可防止外延層的破裂。這種中間層可以是無定型的層、多孔的層、或富含位錯的層、或包括擴展的晶體缺陷的硅富集的區(qū)域、離子注入損傷、無定型區(qū)域和SiC 微晶夾雜物的夾雜物或其混合物。如果施體晶片的薄的表面層(21)如超薄的單晶硅層、或變化碳濃度的區(qū)(41， 43)或兩者皆保留在粘合界面(15)和單晶碳化硅區(qū)(42)之間，那么額外的應力釋放將是可能的，因為額外的層在暴露的碳化硅施體層(44)之上的外延生長期間可以彈性和塑性變形。這可以有助于防止GaN層在外延生長期間的破裂。
任選的步驟i)
碳化硅施體層(44)的暴露表面可以被用于碳化硅的均質(zhì)外延生長，或其它半導體材料的異質(zhì)外延生長(圖3、 4)。步驟i)僅在圖4進行了說明，雖然根據(jù)本發(fā)明的第二至第四優(yōu)選實施方案，在暴露的碳化硅施體層(44) 上當然也可能進行層的外延生長。尤其是所述暴露表面可被用來生長結晶的、由以下氮化物材料構成的外延層諸如氮化鎵(GaN)、氮化鋁(A1N)、氮化銦(InN)、氮化鎵鋁(GaAlN)或氮化鎵銦(GalnN)。含氮化物層的外延生長可以采用分子束外延(MBE)或金屬有機化學蒸氣沉積(MOCVD)進行。 MBE方法通常在^70(TC的較低溫度下進行。MOCVD方法則通常在高于 900'C的溫度下進行。外延法的溫度越高，在外延層和襯底之間需要匹配的熱膨脹系數(shù)越接近。
將要在碳化硅施體層(44)的表面上生長的外延層(6)與可以在單晶SiC 晶片上生長的那些相同。GaN的生長可以在具有或沒有緩沖層下進行。典型的緩沖層是低溫的GaN或A1N。這種復合襯底的優(yōu)點在于傳統(tǒng)的m-V 外延生長可以在大直徑的假SiC襯底上進行，不用對生長工藝有大的變動。氧化鋅(ZnO)、氧化鎘(CdO)或氧化鎂(MgO)的外延生長也是可能的。該晶片與MBE、 MOVPE和MOCVD生長過程是相兼容的。由SiC施體層中的孿晶和多型體導致的缺陷可以得到避免，特別是如果暴露的碳化硅施體層 (44)的表面來自單晶碳化硅區(qū)(42)。
如果高比例(>90%)的暴露表面是結晶的SiC,則含氮化物的外延層的生長也可以發(fā)生在上部和下部的變化碳濃度的區(qū)(41)和(43)。盡管所得外延層的結構遜于在單晶碳化硅區(qū)(42)上生長的氮化物外延，但是所述外延層仍然可被用于光電子器件中，尤其是發(fā)光二極管中。這種生長在一個變化碳濃度的區(qū)(41, 43)上的含氮化物的外延層是特別有用的，如果在含氮化物外延層中的所得缺陷仍然允許光學發(fā)射的話。光學發(fā)射也可以包括不同于峰值發(fā)射波長的遷移波帶，這會導致光學器件有更寬的發(fā)射光譜。相似的效果對ZnO、 CdO和MgO的外延層也是可能的。
本發(fā)明解決了在碳化的SiC層上制造的LED的低效率問題。碳化的SiC層包含大量的孿晶。存在的孿晶是不能夠被退火的。它們進一步生長成為外延沉積在SiC層上的氮化鎵(GaN)層。當GaN層被用來制造LED時，孿晶會作用為電子的非輻射復合中心，因此降低了 LED的效率。根據(jù)本發(fā) 明的IBS-SiC層不含孿晶。由于不存在孿晶，生長在IBS-SiC上的GaN層上所制造的LED的效率增加了。
優(yōu)選實施方案1
在所述方法流程中有幾種可能的變化形式，其中一些在以下優(yōu)選實施方案中來舉例說明。額外的步驟也是可能的。
在第一優(yōu)選實施方案(圖4)，根據(jù)本發(fā)明的方法包括以下給定順序的步
驟
a) 提供承載晶片(5)，
b) 提供施體晶片(l)，該施體晶片(1)包括施體層(2)和施體晶片(1)的剩余物(3)，施體層(2)包含單晶硅，
c) 將碳離子注入施體層(2)中，以便產(chǎn)生包含注入碳的層(4)，
d) 熱處理包括包含注入碳的層(4)的施體晶片(1)，以形成至少與施體層(2)重疊的包含碳化硅的層(40)，重疊的部分形成碳化硅施體層(44)，所述碳化硅施體層(44)被包含單晶硅的表面層(21)覆蓋，該表面層(21)位于施體層(2)的表面，
e) 將施體晶片(1)的施體層(2)與承載晶片(5)粘合，以及
f) 移除施體晶片的剩余物(3)，以便使仍保持與承載晶片(5)粘合的碳化硅施體層(44)暴露。
在此優(yōu)選實施方案，碳離子在步驟c)中被注入施體晶片(l)的施體層(2) 中。為了在步驟d)中形成包含碳化硅的層(40)的熱處理在步驟e)中施體晶片(1)與承載晶片(5)粘合之前進行。
在步驟c)中的碳離子注入之后，施體晶片(l)具有以下這樣的結構，其等同于第二和第三優(yōu)選實施方案(圖5和6)的步驟c)之后的施體晶片(l)的結構所述施體層(2)包括至少部分包含注入碳的層(4)。通常，在整個施體層(2)在離子注入之前是由單晶硅構成時，包含注入碳的層(4)被基本由單晶硅構成的施體晶片的表面層(21)所覆蓋。包含注入碳的層(4)可以與施體晶片的剩余物(3)重疊，或可以完全位于施體層(2)中，而包含注入碳的層(4)的上邊界與施體層(2)和施體晶片的剩余物(3)之間的邊界相同。
已注意到在很多情況下，例如在單晶硅施體晶片(l)的情況下，施體層 (2)和施體晶片(1)的剩余物(3)不能在結構上被區(qū)分。在這些情況下，"施體晶片的剩余物(3)"僅由可以在步驟f )中被移除的材料的量限定。
在步驟d)中的熱處理后，施體晶片(l)具有以下的結構施體層(2)包括至少部分的包含碳化硅的層(40)，該部分被稱為碳化硅施體層(44)。碳化硅施體層(44)可以包括部分或全部的一個或多個如上所述的上部變化碳濃度的區(qū)(41)、單晶碳化硅區(qū)(42)和下部變化碳濃度的區(qū)(43)。通常，在整個施體層(2)在離子注入之前是由單晶硅構成時，碳化硅施體層(44)被基本由單晶硅構成的施體晶片的表面層(21)所覆蓋。包含碳化硅的層(40)可以與施體晶片的剩余物(3)重疊，或包含碳化硅的層(40)的邊界可以與施體層(2)和施體晶片的剩余物(3)之間的邊界相重合。通常，施體晶片的剩余物(3)包括部分或全部的下部變化碳濃度的區(qū)(43)。
一種變化是在步驟e)中粘合晶片之前部分移除施體層(2)的表面部分，并平滑所得表面至適于晶片粘合的水平，優(yōu)選〈lnmRMS。移除的程度可以選擇為僅移除施體晶片的表面層(21)，或移除上部變化碳濃度的區(qū)(41)，或移除甚至部分或全部的單晶碳化硅區(qū)(42)。因為碳化硅不易平滑，所以適宜材料的層可以在平滑之前沉積在所得的施體層(2)的表面上。為此，要選擇一種更易于平滑的材料。可以沉積和平滑的典型的層是例如氧化硅、多晶硅、CVDSiC、高熔點金屬和氮化硅。所述材料需要選擇為與待加工的器件相兼容。在粘合前沉積如金屬層的光反射層有利于發(fā)光應用。沉積絕緣層如氧化硅或氮化硅可能會適合于需要絕緣襯底的器件。CMP是平滑襯底和層的典型方法，且可用于大多數(shù)的半導體兼容的材料。如果采用 Smart-cut方法(參考優(yōu)選實施方案5),為了在步驟f)中除掉施體晶片的剩余物(3)，則在粘合前使用氫注入，以限定將要在粘合后待除掉的施體晶片的剩余物(3)。
碳化硅施體房(44)不是必須要在粘合前暴露。因為碳化硅施體層(44) 優(yōu)選在施體層(2)的表面之下少于500nm，所以也可以將施體晶片的硅表面層(21)與承載晶片(5)粘合。這樣的優(yōu)點是減少了加工步驟的數(shù)量，以及減少通過CMP來平滑暴露的SiC表面的需要，因為施體晶片的表面層(21) 已經(jīng)被拋光了。也可以在注入之后、但在粘合之前薄化施體晶片的表面層(21)。薄化可以通過與暴露碳化硅施體層(44)的相似技術進行。薄化技術包括但不限于拋光、液體或氣體化學蝕刻、及熱氧化和隨后的氧化物脫除。然后，施體晶片(1)的施體層(2)經(jīng)由粘合界面(15)與承載晶片(5)粘合。
粘合的成對晶片此時優(yōu)選進行退火，以強化晶片的結合，但是該粘合退火不必在粘合后立刻進行。所述粘合退火可以在步驟f)中暴露碳化硅施體層 (44)之前或之后進行。
施體晶片的剩余物(3)在步驟f)中被移除，以暴露碳化硅施體層(44)，提供外延生長用的表面。最大部分的施體晶片的剩余物(3)優(yōu)選通過研磨施體晶片(l)、而從其背面去除至單晶碳化硅區(qū)(42)的幾微米內(nèi)。施體晶片的剩余物(3)的剩余部分可以通過化學蝕刻、熱氧化及隨后的氧化物移除、拋光或這些方法的組合來移除。優(yōu)選使用選擇性蝕刻，以包含碳化硅的層(40) 作用為蝕刻阻擋層。同樣證明有利的是熱氧化及隨后蝕刻碳化硅表面，以便移除可能存在的下部變化碳濃度的區(qū)(43)。
暴露的碳化硅施體層(44)可以在另外的步驟h)中被平滑，例如采用拋光，優(yōu)選CMP。在拋光后，高度光滑的(粗糙度S 0.5nm RMS)的暴露的碳化硅施體層(44)得以保留。該表面足夠用于外延半導體層的生長。
在另外的步驟i)中，例如含氮化物如GaN的層的外延層(6)可以在碳化硅施體層(44)的表面上生長。
該實施方案的優(yōu)點在于，在高溫退火期間，只使用超純的硅晶片，所以來自承載晶片、由于雜質(zhì)擴散而導致的污染危險受到了限制。此外，包含碳化硅的層(40)僅在施體襯底上退火，因此其可以被轉(zhuǎn)移至不同的施體晶片(l)，這使得操作流程更加靈活。其缺點在于兩次分開的退火，即注入退火獨立于粘合退火。
優(yōu)選實施方案2
在第二優(yōu)選實施方案(圖5)，根據(jù)本發(fā)明的方法包括以下給定順序的步
驟
a) 提供承載晶片(5)，
b) 提供施體晶片(l)，該施體晶片(1)包括施體層(2)和施體晶片(1)的剩余物(3)，所述施體層(2)包含單晶硅，
c) 將碳離子注入施體層(2)中，以便產(chǎn)生包含注入碳的層(4)，包含注入碳的層(4)被包含單晶硅的表面層(21)覆蓋，所述表面層(21)位于施體層(2) 的表面，
e) 將施體晶片(1)的施體層(2)與承載晶片(5)粘合，
d)熱處理粘合的承載晶片(5)和包括包含注入碳的層(4)的施體晶片
(1) ，以形成至少與施體層(2)重疊的包含碳化硅的層(40),重疊的部分形成碳化硅施體層(44)，以及
f) 移除施體晶片的剩余物(3)，以便使仍保持與承載晶片(5)粘合的碳化硅施體層(44)暴露。
在此優(yōu)選實施方案中，碳離子在步驟c)中被注入施體晶片(l)的施體層
(2) 中。用于在步驟d)中形成包含碳化硅的層(40)的熱處理在步驟e)中將施體晶片(1)與承載晶片(5)粘合之后進行。
在步驟c)中的碳離子注入后，施體晶片(l)與第一優(yōu)選實施方案步驟c) 之后的施體晶片(l)具有相同的結構。施體晶片(1)的施體層(2)然后與承載晶片(5)粘合。
在熱處理后，施體晶片(l)通常具有與優(yōu)選實施方案1熱處理之后相同的結構，但是其施體層(2)己經(jīng)與承載晶片(5)經(jīng)由粘合界面(15)粘合，如圖 5中所示。
在此實施方案的變化形式中，也可以有以下的方法步驟或方法步驟的
順序在粘合之前完全地或部分地移除施體晶片的表面層(21)，以及任選
部分的包含注入碳的層(4)。所述移除可以經(jīng)由拋光、化學蝕刻、或熱氧化及隨后的氧化物移除或它們的組合來進行。施體晶片的表面層(21)及任選部分的包含注入碳的層(4)的移除優(yōu)點是在最終結構中不包括單晶硅，這就徹底消除了由于在隨后器件加工中由單晶硅而導致的熱膨脹失配。暴露的表面可以任選采用CMP來平滑，并包括任選的光反射層或絕緣層。
粘合的成對晶片此時優(yōu)選進行退火，以強化晶片的結合，但是該粘合退火不必在粘合后立刻進行。粘合退火可以在步驟f)中暴露碳化硅施體層 (44)之前或之后進行。
另外的步驟f)以及任選的步驟h)和i)可以按照如第一優(yōu)選實施方案中所描述的進行。 '
該實施方案的優(yōu)點在于，粘合退火和施體退火可以結合，所以減少了加工步驟的數(shù)量。在厚的施體晶片和承載晶片之間的熱失配以及從承載晶片向外擴散的污染危險在較高溫度下可能會導致問題。退火期間源自承載晶片的污染危險可以通過使用非常純的承載晶片或通過使用適宜的密封層來消除。
優(yōu)選實施方案3
在第三優(yōu)選實施方案(圖6)中，根據(jù)本發(fā)明的方法包括以下給定順序的
步驟
a) 提供承載晶片(5)，
b) 提供施體晶片(l)，該施體晶片(1)包括施體層(2)和所述施體晶片的剩余物(3)，所述施體層(2)包含單晶硅，
c) 將碳離子注入施體層(2)中，以便產(chǎn)生包含注入碳的層(4)，包含注入碳的層(4)被包含單晶硅的表面層(21)覆蓋，所述表面層(21)位于施體層(2)
的表面，
e) 將所述施體晶片(1)的施體層(2)與承載晶片(5)粘合，
f) 移除施體晶片的至少部分剩余物(3)，所述施體層(2)仍保持與承載晶片(5)粘合，以及
d) 熱處理粘合的承載晶片(5)和包括包含注入碳的層(4)的施體層(2)，以形成至少與施體層(2)重疊的包含碳化硅的層(40),重疊的部分形成碳化硅施體層(44)。
在步驟d)中的退火后，施體晶片可能殘留的部分(31)可以通過化學蝕刻、拋光、熱氧化及隨后的氧化物移除、或它們的組合來移除。
在此優(yōu)選實施方案中，碳離子在步驟c)中被注入施體晶片(l)的施體層 (2)中。用于在步驟d)中形成包含碳化硅的層(40)的熱處理在步驟e)中將施體晶片(1)與承載晶片(5)粘合、以及在步驟f)中移除施體晶片的至少部分剩余物(3)之后進行。
在步驟c)中的碳離子注入后，施體晶片(l)具有與第一優(yōu)選實施方案步驟c)之后的施體晶片(l灘同的結構。施體晶片(1)的施體層(2)然后通過粘合界面(15)與承載晶片(5)粘合。
在此實施方案的變化形式中，也可以有以下的方法步驟或方法步驟的順序在粘合之前完全地或部分地移除施體晶片的表面層(21)，以及任選部分的包含注入碳的層(4)。所述移除可以通過拋光、化學蝕刻、或熱氧化及隨后的氧化物移除、或它們的組合來進行。施體晶片的表面層(21)及任選部分包含注入碳的層(4)的移除優(yōu)點是在最終結構中不包含單晶硅，這就徹底消除了由于在隨后器件加工中的單晶硅而導致的熱膨脹失配。暴露的表面可以任選采用CMP來平滑，并包括任選的光反射層或絕緣層。
粘合的成對晶片此時優(yōu)選進行退火，以強化晶片的結合，但是該粘合退火不必在粘合后立刻進行。粘合退火可以在步驟f)中移除施體晶片的至少部分剩余物(3)之前或之后進行。
施體晶片的剩余物(3)的移除可以在高溫退火后僅使用包含碳化硅的層(40)作為蝕刻阻擋層。在其中移除步驟f)在退火前進行的情況下，在第一移除步驟后，小部分(31)的、通常幾個微米的施體晶片的剩余物(3)殘留。施體晶片的剩余物(3)的剩余小部分(31)然后通過高溫退火后的第二移除步驟移除。這種技術方案選項可以是有用的，如果與承載晶片(5)和施體晶片 (l)的不同的熱膨脹系數(shù)相關的應力變得如此之大，以至于在包含注入碳的層(4)中或在施體晶片的表面層(21)中產(chǎn)生了應力時。
任選的步驟h)和i)可以如第一優(yōu)選實施方案中所描述的進行。
該實施方案消除了在實施方案2中與厚的施體晶片和承載晶片有關的熱膨脹系數(shù)失配的問題，同時保持了注入退火與粘合退火相結合的優(yōu)點。源自承載晶片的在退火期間的污染危險可以通過使用非常純的承載晶片、或使用適宜的密封層來消除。設想熱失配限制了實施方案2中的退火溫度，則該實施方案3就能夠允許較高的退火溫度，因為厚的施體晶片已在退火 (步驟d)之前被薄化(步驟f )了。
優(yōu)選實施方案4
在第四優(yōu)選實施方案(圖7)，根據(jù)本發(fā)明的方法包括以下給定順序的步
驟
a) 提供承載晶片(5)，
b) 提供施體晶片(l)，該施體晶片(1)包括施體層(2)和所述施體晶片的剩余物(3)，所述施體層(2)包含單晶硅，
e) 將所述施體晶片(1)的施體層(2)與承載晶片(5)粘合，
f) 移除施體晶片的剩余物(3)，以便使仍保持與承載晶片(5)粘合的施體層(2)暴露，c) 將碳離子注入施體層(2)中，以便產(chǎn)生包含注入碳的層(4)，
d) 熱處理粘合的承載晶片(5)和包括包含注入碳的層(4)的施體層(2)，以形成至少與施體層(2)重疊的包含碳化硅的層(40)，重疊的部分形成碳化硅施體層(44)，所述碳化硅施體層(44)被包含單晶硅的表面層(21)覆蓋，該表面層(21)位于施體層(2)的表面，以及
g)移除包含單晶硅的至少表面層(21)，以便使碳化硅施體層(44)暴露。
在此優(yōu)選實施方案中，在步驟e)中施體層(2)與承載晶片(5)粘合、且在步驟f)中施體晶片的剩余物(3)已移除后，碳離子才被注入施體層(2)中。隨后進行熱處理，以在步驟d)中形成包含碳化硅的層(40)。
施體晶片(1)與承載晶片(5)的粘合導致圖7中所描繪的結構承載晶片 (5)與施體層(2)通過粘合界面(15)相連，施體層(2)被施體晶片的剩余物(3) 覆蓋。所述施體層(2)包含單晶硅，但是不含注入的碳。粘合的成對晶片此時優(yōu)選進行退火，以強化晶片的結合，但是在使用等離子體活化粘合的情形下，該粘合強度足夠用于進一步的加工，且粘合退火歩驟可以與步驟d) 的注入退火相結合。
需要注意的是，在很多情況下，例如在單晶硅施體晶片的情況下，施體層(2)和施體晶片的剩余物(3)不能夠在結構上被區(qū)分。在這些情況下，"施體晶片的剩余物(3)"僅僅由可以在步驟f )中被移除的材料的量限定。
接下來，施體晶片的剩余物(3)在步驟f)中被移除。這可以通過借助于研磨或拋光的機械處理、或借助于蝕刻的化學處理、或機械和化學處理相組合來完成。優(yōu)選步驟f)包括通過CMP拋光來平滑施體層(2)表面的步驟。
在步驟c)中將碳離子注入施體層(2)中之前，優(yōu)選沉積氧化物層在施體層(2)的表面上，以避免表面的硅的濺射。
在步驟c)中的碳離子注入之后，與承載晶片(5)通過粘合界面(15)粘合的施體層(2)具有以下結構(圖7):施體層(2)包括包含注入的碳的層(4)和包含單晶硅的表面層(21)。包含注入碳的層(4)的下邊界可以位于施體層(2) 內(nèi)，或位于承載晶片(5)內(nèi)，或可以與粘合界面(15)重合。
接下來，在步驟d)中進行對包括包含注入碳的層(4)的施體層(2)的熱處理。在熱處理后，與承載晶片(5)相連的施體層(2)具有以下的結構(圖7): 包含碳化硅的層(40)已在施體層(2)內(nèi)形成。該包含碳化硅的層(40)可以被包含單晶硅的表面層(21)覆蓋。表面層(21)位于施體層(2)的表面。依賴于位置和組成，包含碳化硅的層(40)可以整體上位于施體層(2)內(nèi)，或部分包含碳化硅的層(40)可以延伸至承載晶片(5)。位于施體層(2)內(nèi)的部分包含碳化硅的層(40)在此實施方案中被稱為碳化硅施體層 (44)。
包含單晶硅的表面層(21)、優(yōu)選部分的碳化硅施體層(44)在步驟g)中被移除。例如，如果碳化硅施體層(44)包括上部變化碳濃度的區(qū)(41)，則優(yōu)選移除至少部分或全部的該區(qū)域。這可以以類似于前述第一優(yōu)選實施方案中步驟f)的方式進行。
在本實施方案的變化形式中，也可以有以下的方法步驟或方法步驟的順序在步驟d)中的注入退火前，完全地或部分地移除表面層(21)，以及任選部分的包含注入碳的層(4)。所述移除可以通過拋光、化學蝕刻、或熱氧化及隨后的氧化物移除、或它們的組合來進行。表面層(21)和任選部分包含注入碳的層(4)的移除優(yōu)點在于，包含注入碳的層(4)具有自由表面，其可以通過表面擴散效應以及氣體環(huán)境的選擇、和甚至活性前體的選擇來影響碳化硅施體層(44)的形成。暴露的表面可以任選采用CMP來平滑。
任選的步驟h)和i)可以如第一優(yōu)選實施方案所描述的進行。
該實施方案消除了在實施方案2中與厚的施體晶片和承載晶片有關的熱膨脹系數(shù)失配的問題，同時保持了注入退火與粘合退火相結合的優(yōu)點。源自承載晶片在退火期間的污染危險可以通過使用非常純的承載晶片或使用適宜的密封層來消除。設想熱失配限制了實施方案2中的退火溫度，則該實施方案3就允許有較高的退火溫度，因為厚的施體晶片已在退火(步驟d)之前被薄化(步驟f )了。該實施方案還可以控制下部變化碳濃度的區(qū) (43)和與粘合界面(15)之間界面的位置。該位置可以在注入過程中直接控制，無需選擇性地移除層。
優(yōu)選實施方案5
根據(jù)本發(fā)明的第五優(yōu)選實施方案，施體層(2)(情況可以是包含單晶硅、或包含注入碳的層(4)、或碳化硅施體層(44))可以使用如US 5374564中所描述的所謂的"Smart-cut"方法，從施體晶片(1)轉(zhuǎn)移至承載晶片(5)。該優(yōu)選實施方案可以與第一至第四優(yōu)選實施方案的任意一種相組合。
根據(jù)該實施方案，輕離子如氫或惰性氣體被注入施體晶片中，以限定施體層(2)和施體晶片的剩余物(3)之間的分離層。該注入在步驟e)中粘合施體晶片與承載晶片(5)之前進行，優(yōu)選在步驟c)中的碳離子注入和在步驟d) 中的注入退火之后進行。施體晶片的剩余物(3)然后可以在步驟f)中通過稱為"分裂退火"的熱處理來移除。這將導致預先限定的分離層的熱分裂，從而留下裂開的表面部分。"Smart-cut"方法詳細描述在US5374564中。
該優(yōu)選實施方案的優(yōu)點是，施體晶片的剩余物(3)可以再次被要求(例如蝕刻和拋光)，并被進一步使用。在研磨的情形下，施體晶片的剩余物(3) 被破壞。因為硅襯底成本非常低，且研磨和蝕刻是相對低成本的加工步驟，所以研磨和蝕刻襯底更為有利，尤其是對于低成本的較小直徑的硅晶片。
實施例
步驟a)從由熱壓燒結的3c多晶SiC構成的晶錠切割1 OOmm的晶片，制備多晶SiC承載晶片(5)，該多晶SiC具有低的孔隙率(^4%)和高的純度。在切割后，對晶片進行機械研磨和拋光，以實現(xiàn)表面粗糙度為0.7nmRMS (AFM， l(HimxlOMm)。該多晶SiC材料與單晶SiC的熱膨脹系數(shù)匹配。多晶SiC晶片的厚度是400nm，翹曲值為SlOixm， TTV值為〈pm。
步驟b)對拋光過的單晶硅施體晶片(1)在900'C下進行熱氧化，以形成厚度為50nm的氧化物層，該施體晶片(l)直徑為100mm， <111>取向， TTV《urn，翹曲^10um， n型磷摻雜，電阻率為10Qcm， RMS粗糙度為 <0.2nm(AFM， 10拜x lOnm)。該氧化物層保護晶片表面免受注入期間的潛在污染，并且防止硅施體晶片表面的濺射。
步驟c)氧化的施體晶片用碳離子以7。的傾斜度注入，至平均峰深度為470nm。注入?yún)?shù)是6.75原子/cm2的劑量，加速能180keV，在550。C的不變溫度下。
歩驟d)在注入后，將氧化物從施體晶片(l)的表面剝離。然后對施體晶片(l)退火，以合成出包含具有3c晶體結構碳化硅的包埋的層(40)。幾種施體晶片(l)被加載到600'C的臥式爐中，并以10K/min的速率升溫至溫度為IOO(TC，然后以5K/min的速率升溫至溫度為1200°C。然后對施體晶片 (l)在氬氣氛圍中在1200'C下退火10小時，隨后以5 K7min的速率降溫至 600°C，在此將其從所述爐子中取出。在施體晶片(l)中形成的包含碳化硅的層(40)包括三種區(qū)域
29-上部變化碳濃度的區(qū)(41)，其包含硅、SiC納米顆粒和擴展的晶格缺陷，且其平均厚度為100nm，
-層厚為約140nm的單晶碳化硅區(qū)(42)，其位于自表面約400nm，和
-下部變化碳濃度的區(qū)(43)，其包含硅、SiC、擴展的晶格缺陷，以及 EOR(末端破壞范圍)注入損傷，且平均厚度為30nm。包含碳化硅的整個層 (40)都不含孿晶，并且不含除3c多型體外的任何其它SiC多型體。
步驟e)包括包含碳化硅的包埋的層(40)的施體晶片(1)現(xiàn)在用RCA-型清潔進行清潔，以移除顆粒和金屬或有機污染物。施體晶片的硅表面層 (21)的表面粗糙度為〈0.2nmRMS(AFM， 10umxlOjim)，這對于拋光硅晶片是常見的?，F(xiàn)在采用常規(guī)的粘合體系(由EVG提供)，利用僅在粘合前進行的原位親水性表面處理，將施體晶片(1)與承載晶片(5)粘合。粘合在室溫下進行。為了增加粘合強度，使用常規(guī)的臥式爐將粘合的施體晶片和承載晶片(1，5)在IOOO'C下在氬氣氛圍中退火1小時。
步驟f)在粘合退火后，使用以下步驟來移除施體晶片的剩余物(3):
-在后面機械研磨硅，以保留硅厚度為10pm，
-使用HF/HN03的混合物來化學蝕刻剩余的硅，該蝕刻在下部變化碳濃度的區(qū)(43)中停止，以及
-熱氧化下部變化碳濃度的區(qū)(43)的剩余部分，隨后是采用緩沖HF溶液的氧化物剝離。
步驟h)暴露的單晶碳化硅區(qū)(42)的表面使用商業(yè)拋光體系(2磅/平方英寸，5分鐘，二氧化硅膠體槳液，在室溫下)進行化學-機械拋光，隨后將其清潔。所得表面不含擦傷物，且表面粗糙度為0.5nmRMS(AFM， 10pm x 10pm)。 3c晶體結構的殘留的單晶碳化硅區(qū)(42)現(xiàn)在平均厚度為70nm。
步驟i)含III/V化合物的外延層(6)生長在暴露的單晶碳化硅區(qū)(42) 上。第一A1N層的厚度為150nm，并在IIOO'C生長，接下來是沉積GaN 層(4pm厚度，IIO(TC，使用三甲基鎵和氨氣前體、MOCVD及Aixtron的工具)。在從外延的過程冷卻下來之后，在單晶GaN外延層(6)中未檢測到裂縫。缺陷密度相對較低，通過TEM測量通常為低于5E9位錯/cm2。該外延層(6)不含孿晶。
權利要求
1. 一種制造多層半導體晶片的方法，該半導體晶片包括承載晶片(5)和與承載晶片(5)粘合的碳化硅施體層(44)，該方法包括以下步驟a)提供承載晶片(5)，b)提供施體晶片(1)，該施體晶片(1)包括施體層(2)和所述施體晶片的剩余物(3)，所述施體層(2)包含單晶硅，e)將所述施體晶片(1)的施體層(2)與承載晶片(5)粘合，以及f)移除施體晶片的剩余物(3)，以便使仍保持與承載晶片(5)粘合的施體層(2)暴露，所述方法特征在于以下的其它步驟c)將碳離子注入施體層(2)中，以便產(chǎn)生包含注入碳的層(4)，以及d)熱處理包括包含注入碳的層(4)的施體層(2)，以形成在至少部分施體層(2)中的碳化硅施體層(44)。
2. 權利要求1的方法，其中所述承載晶片(5)由非單晶材料構成。
3. 權利要求2的方法，其中所述承載晶片(5)由多晶材料構成。
4. 權利要求3的方法，其中所述承載晶片(5)由多晶碳化硅構成。
5. 權利要求l-4之一的方法，所述方法包括以下給定順序的步驟a) 提供承載晶片(5)，b) 提供施體晶片(l)，該施體晶片(1)包括施體層(2)和所述施體晶片的剩余物(3)，所述施體層(2)包含單晶硅，c) 將碳離子注入施體層(2)中，以便產(chǎn)生包含注入碳的層(4)，d) 熱處理包括包含注入碳的層(4)的施體晶片(1)，以形成至少與施體層(2)重疊的包含碳化硅的層(40)，重疊的部分形成碳化硅施體層(44)，所述碳化硅施體層(44)被包含單晶硅的表面層(21)覆蓋，所述表面層(21)位于施體層(2)的表面，e) 將所述施體晶片(1)的施體層(2)與承載晶片(5)粘合，以及f) 移除施體晶片的剩余物(3)，以便使仍保持與承載晶片(5)粘合的碳化硅施體層(44)暴露。
6. 權利要求5的方法，其中至少所述施體晶片的表面層(21)在步驟 e)之前被移除。
7. 權利要求l-4之一的方法，所述方法包括以下給定順序的步驟a) 提供承載晶片(5)，b) 提供施體晶片(l)，該施體晶片(1)包括施體層(2)和所述施體晶片的剩余物(3)，所述施體層(2)包含單晶硅，c) 將碳離子注入施體層(2)中，以便產(chǎn)生包含注入碳的層(4)，該包含注入碳的層(4)被包含單晶硅的表面層(21)覆蓋，所述表面層(21)位于施體層(2)的表面，e) 將所述施體晶片(1)的施體層(2)與承載晶片(5)粘合，d) 熱處理粘合的承載晶片(5)和包括包含注入碳的層(4)的施體晶片 (1)，以形成至少與施體層(2)重疊的包含碳化硅的層(40)，重疊的部分形成碳化硅施體層(44)，以及f) 移除施體晶片的剩余物(3)，以便使仍保持與承載晶片(5)粘合的碳化硅施體層(44)暴露。
8. 權利要求l-4之一的方法，所述方法包括以下給定順序的步驟a) 提供承載晶片(5)，b) 提供施體晶片(l)，該施體晶片(1)包括施體層(2)和所述施體晶片的剩余物(3)，所述施體層(2)包含單晶硅，c) 將碳離子注入施體層(2)中，以便產(chǎn)生包含注入碳的層(4)，該包含注入碳的層(4)被包含單晶硅的表面層(21)覆蓋，所述表面層(21)位于施體層(2)的表面，e) 將所述施體晶片(1)的施體層(2)與承載晶片(5)粘合，f) 移除施體晶片的至少部分剩余物(3)，所述施體層(2)仍保持與承載晶片(5)粘合，以及d) 熱處理粘合的承載晶片(5)和包括包含注入碳的層(4)的施體層(2)，以形成至少與施體層(2)重疊的包含碳化硅的層(40),重疊的部分形成碳化硅施體層(44)。
9. 權利要求7或8的方法，其中所述施體晶片的至少表面層(21)在步驟e)之前被移除。
10. 權利要求8的方法，其中所述施體晶片的部分剩余物(3)在步驟 f)中被移除，而該施體晶片的剩余物的剩余部分(31)在步驟d)中的熱處理之后的額外步驟中被移除，以便使碳化硅施體層(44)暴露。
11. 權利要求1-4之一的方法，所述方法包括以下給定順序的步驟a) 提供承載晶片(5)，b) 提供施體晶片(l)，該施體晶片(1)包括施體層(2)和所述施體晶片的剩余物(3)，所述施體層(2)包含單晶硅，e) 將所述施體晶片(1)的施體層(2)與承載晶片(5)粘合，f) 移除施體晶片的剩余物(3)，以便使仍保持與承載晶片(5)粘合的施體層(2)暴露，c) 將碳離子注入施體層(2)中，以便產(chǎn)生包含注入碳的層(4)，d) 熱處理粘合的承載晶片(5)和包括包含注入碳的層(4)的施體層(2)，以形成至少與施體層(2)重疊的包含碳化硅的層(40)，重疊的部分形成碳化硅施體層(44)，所述碳化硅施體層(44)被包含單晶硅的表面層(21)覆蓋，該表面層(21)位于施體層(2)的表面，以及g) 移除包含單晶硅的至少表面層(21)，以使碳化硅施體層(44)暴露。
12. 前述權利要求之一的方法，其中所述碳化硅施體層(44)包含單晶碳化硅區(qū)(42)，并且其中所述碳化硅施體層(44)在步驟i)或步驟g)中暴露，或在所述方法結束時的額外步驟中暴露，以使所述單晶碳化硅區(qū)(42)暴露c
13. 前述權利要求之一的方法，其還包括步驟h):使所述碳化硅施體層(44)的暴露表面平滑。
14. 前述權利要求之一的方法，其還包括步驟i):在所述碳化硅施體層(44)的表面上沉積外延層(6)。
15. 權利要求的方法14，其中所述外延層(6)由選自以下組中的材料構成氮化鋁、氮化鎵、氮化銦、氮化鎵鋁、氮化鎵銦、碳化硅、氧化鋅、氧化鎘、和氧化鎂。
16. 前述權利要求之一的方法，其中輕離子被注入施體晶片(l)中，以便在粘合施體晶片(1)與承載晶片(5)之前，在施體層(2)和施體晶片的剩余物(3)之間限定分離層，并且其中施體晶片的剩余物(3)在步驟f)中通過熱處理被移除，所述熱處理導致預先限定的分離層的熱分裂。
17. —種多層半導體晶片，其包括承載晶片(5)和與承載晶片(5)粘合的碳化硅施體層(44)，其中通過X射線衍射確定，所述碳化硅施體層(44) 不含孿晶，且不含碳化硅多型體。
18. 權利要求17的多層半導體晶片，其中所述碳化硅施體層(44)包括至少一個變化碳濃度的區(qū)(41, 43)，其中碳原子的濃度在垂直于層(44) 的界面的方向上變化。
19. 一種多層半導體晶片，其包括承載晶片(5)和與承載晶片(5)粘合的碳化硅施體層(44)，其中所述碳化硅施體層(44)包括至少一個變化碳濃度的區(qū)(41, 43)，其中碳原子的濃度在垂直于層(44)的界面的方向上變化。
20. 權利要求19的多層半導體晶片，其中通過X射線衍射確定，所述碳化硅施體層(44)不含孿晶，且不含額外的碳化硅多型體。
21. 前述權利要求17-20之一的多層半導體晶片，其特征在于，其直徑大于100mm。
22. 前述權利要求17-21之一的多層半導體晶片，其中所述碳化硅施體層(44)具有未與承載晶片(5)粘合的界面，且由至少90%的結晶碳化硅構成。
23. 前述權利要求17-22之一的多層半導體晶片，其中所述碳化硅施體層(44)包含單晶的碳化硅區(qū)(42)。
24. 前述權利要求17-23之一的多層半導體晶片，其中通過掃描電子顯微術確定，所述碳化硅施體層(44)不含微管。
25. 前述權利要求17-24之一的多層半導體晶片，其中所述碳化硅施體層(44)是離子束合成的碳化硅層。
26. 前述權利要求17-25之一的多層半導體晶片，其中所述碳化硅施體層(44)的碳化硅具有3c結構。
27. 前述權利要求17-26之一的多層半導體晶片，其中所述碳化硅施體層(44)厚度為15nm-300nm。
28. 前述權利要求17-27之一的多層半導體晶片，其中所述承載晶片 (5)由多晶碳化硅構成。
29. 前述權利要求17-28之一的多層半導體晶片，其特征在于，至少一個插入層位于承載晶片(5)和碳化硅施體層(44)之間，所述插入層選自以下組中絕緣層、反射層或密封層。
30. 前述權利要求17-29之一的多層半導體晶片，其特征在于，由單晶硅構成額外的層(21)穿插在承載晶片(5)和碳化硅施體層(44)之間。
31. 前述權利要求17-30之一的多層半導體晶片，其特征在于，外延層(6)沉積在碳化硅施體層(44)上，該外延層(6)由選自以下組中的材料構成氮化鋁、氮化鎵、氮化銦、氮化鎵鋁、氮化鎵銦、碳化硅、氧化鋅、氧化鎘和氧化鎂。
32. —種器件，其在根據(jù)權利要求31的襯底上制備，其中所述器件是LED、高電子遷移率晶體管、微波器件、高頻器件或功率器件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制造多層半導體晶片的方法，該半導體晶片包括承載晶片(5)和與承載晶片(5)粘合的碳化硅施體層(40)，該方法包括以下步驟a)提供承載晶片(5)，b)提供施體晶片(1)，施體晶片(1)包括施體層(2)和施體晶片的剩余物(3)，所述施體層(2)包含單晶硅，e)將所述施體晶片(1)的施體層(2)與承載晶片(5)粘合，以及f)移除施體晶片的剩余物(3)，以便使仍保持與承載晶片(5)粘合的施體層(2)暴露，所述方法特征在于以下的其它步驟c)將碳離子注入施體層(2)中，以便產(chǎn)生包含注入碳的層(4)，以及d)熱處理包括包含注入碳的層(4)的施體層(2)，以形成在至少部分施體層(2)中的碳化硅施體層(44)。本發(fā)明還涉及一種多層半導體晶片，其包括承載晶片(5)和與承載晶片(5)粘合的碳化硅施體層(44)，其中通過X射線衍射確定，所述碳化硅施體層(44)不含孿晶，且不含額外的碳化硅多型體。
文檔編號H01L21/70GK101501836SQ200780029952
公開日2009年8月5日申請日期2007年8月22日優(yōu)先權日2006年8月30日
發(fā)明者B·墨菲, R·瓦利希申請人:硅電子股份公司

完整全部詳細技術資料下載