[發(fā)明專利]一種大尺寸晶圓及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410079235.4
• 申請日: 2014-03-05
• 公開（公告）號: CN103811537B
• 公開（公告）日: 2018-02-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 常永偉;陳邦明;王曦
• 申請（專利權(quán)）人: 上海新儲集成電路有限公司
• 主分類號: H01L29/06
• 分類號: H01L29/06;H01L21/02;H01L21/683
• 代理公司: 上海申新律師事務(wù)所31272
• 代理人: 吳俊

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料的晶圓制備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種大尺寸晶圓及其制備方法。

背景技術(shù)

半導(dǎo)體材料是制備半導(dǎo)體器件和集成電路的電子材料，是半導(dǎo)體工業(yè)的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的分別以硅、砷化鎵為代表的第一代和第二代半導(dǎo)體材料，由于材料本身性能的限制，難以滿足現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展對高溫、大功率、高頻、高壓以及抗輻射等新要求。而以寬禁帶為主要特征的第三代半導(dǎo)體由于擊穿電場強(qiáng)度高、電子飽和漂移速率高、熱導(dǎo)率大、介電常數(shù)小、抗輻射能力強(qiáng)以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性等特點，在軍事、航空航天、探測、核能開發(fā)、新型光源、存儲器等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

第三代半導(dǎo)體又稱為寬禁帶半導(dǎo)體，是指其禁帶寬度大于Si、GaAs等半導(dǎo)體的一類半導(dǎo)體，主要包括Ⅲ族氮化物、金剛石、氧化鋅、碳化硅等，其中主要以GaN和SiC為研究重點。與傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料相比，寬禁帶半導(dǎo)體材料可使電力電子元器件更小、更快、更高效可靠，可以在一個較寬的功率應(yīng)用范圍內(nèi)減小電子元件的重量、體積和生命周期成本。在工業(yè)生產(chǎn)和消費電子等領(lǐng)域，使用寬禁帶半導(dǎo)體材料，可以顯著節(jié)約能源，加快電動汽車和燃料電池的廣泛使用，幫助可再生能源整合到電網(wǎng)。寬禁帶半導(dǎo)體應(yīng)用領(lǐng)域?qū)拸V，未來有望全面取代傳統(tǒng)半導(dǎo)體：（1）耐高溫使得寬禁帶半導(dǎo)體可以適用于工作溫度在650℃以上的軍用武器系統(tǒng)和航空航天設(shè)備中；（2）大功率在降低自身功耗的同時提高系統(tǒng)其它部件的能效，可節(jié)能20%-90%；（3）高頻特性可以極大的提高雷達(dá)效率，在維持覆蓋的前提下減少通信基站的數(shù)量，更可以實現(xiàn)更高速IC芯片的制造；（4）寬禁帶使得高亮度白光LED照明成為可能，同時可降低電力損耗47%；（5）抗輻射可以減少設(shè)備受到的干擾，延長航空航天設(shè)備的使用壽命的同時極大的降低重量。

雖然，寬禁帶半導(dǎo)體材料和設(shè)備發(fā)展迅速并得到公眾認(rèn)可。然而，要想取代傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料Si獲得更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和市場仍面臨很多挑戰(zhàn)。例如，GaN的熔點高，很難采用熔融的液體GaN拉出體單晶，即使采用高溫、高壓技術(shù)，也只能制備出針狀或小尺寸的片狀單晶。SiC的體單晶生長技術(shù)發(fā)展較GaN快。但2～3英寸SiC晶圓只能滿足制作低功率器件的要求，而高功率器件則需要更高價位的更大尺寸高質(zhì)量晶圓。SiC特有的微管道缺陷也會嚴(yán)重影響器件在大功率下的使用。為了滿足制作器件的需要，各種外延技術(shù)成為得到高質(zhì)量、大尺寸單晶片的主要方法。但是存在著晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)失配等技術(shù)難題，國內(nèi)外專家嘗試了AlN插入層技術(shù)、SOI柔性襯底、多孔硅襯底以及對硅襯底表面進(jìn)行刻槽等多種方法在硅襯底上外延生長GaN和SiC薄膜，晶圓質(zhì)量有所改善，但GaN和SiC都只能做到150mm（6英寸），而Si晶圓的主流尺寸已經(jīng)達(dá)到300mm（12英寸）。

鑒于大尺寸晶圓具有更大的面積和切割芯片數(shù)，可大幅度縮短芯片工藝時間而提高生產(chǎn)效率，有利于擴(kuò)大產(chǎn)能，降低每個芯片所分?jǐn)偟脑O(shè)備折舊和人工成本。另外，大尺寸晶圓還會提高能源、水等資源的利用效率，減少對環(huán)境污染、溫室效應(yīng)全球變暖、水資源短缺的影響等。因此，如何制備大直徑的GaN、SiC等晶圓以降低成本的研究成為各國競爭的熱點。

中國專利（公開號：CN101660206A）公開了一種完整性GaN基薄膜的制備方法，通過在單元光斑邊緣區(qū)域預(yù)置通道，一方面，可以大幅降低利用共晶鍵合轉(zhuǎn)移基板過程應(yīng)力導(dǎo)致的GaN外延晶片或支撐基板的破裂；另一方面，轉(zhuǎn)移基板后再通過減薄藍(lán)寶石襯底自然裸露出預(yù)置通道，提供作為激光剝離過程的氣體釋放通道，同時實現(xiàn)相鄰光斑區(qū)域的藍(lán)寶石襯底及其外延薄膜的絕對分離，每個剝離單元之間完全獨立,不存在應(yīng)力的影響，解決了單元GaN基薄膜邊緣的破損問題,即可以保證藍(lán)寶石襯底激光剝離后GaN基薄膜的完整性，提高GaN基薄膜器件的成品率。

中國專利（公開號：CN102263178A）公開了一種外延片，包括：Si晶圓；形成在所述Si晶圓之上的多個凸起結(jié)構(gòu)，所述多個凸起結(jié)構(gòu)之間間隔預(yù)定距離，且所述多個凸起結(jié)構(gòu)呈陣列排列；形成在所述多個凸起結(jié)構(gòu)頂部的第一半導(dǎo)體材料薄層，且所述第一半導(dǎo)體材料薄層中的一部分相對于所述Si晶圓懸空；和形成在所述第一半導(dǎo)體材料薄層之上的過渡層和氮化物系化合物半導(dǎo)體材料層。通過多個凸起結(jié)構(gòu)可以有效釋放Si晶圓和氮化物系化合物半導(dǎo)體材料層之間的熱失配應(yīng)力，從而有利于形成大尺寸的外延片。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述存在的問題，本發(fā)明公開了一種大尺寸晶圓及其制備方法，采用基于硅襯底晶圓的利用離子注入剝離技術(shù)與對稱/非對稱鍵合法制備大尺寸晶圓的新方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)中拉單晶法和外延技術(shù)難以制備大尺寸晶圓的的問題。