平坦的SiC半导体基板的制作方法
【专利说明】平坦的SiC半导体基板
[0001] 相关专利申请的交叉引用
[0002] 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，该两份专利申请的名称 均为"FLATSiCSEMICONDUCTORSUBSTRATE"(平坦的SiC半导体基板），它们的全部公开 内容据此W引用方式并入本文。
【背景技术】
[0003] 1.巧术领域
[0004] 本公开设及半导体晶片的制造，更具体地讲，设及由碳化娃制成的半导体晶片。 [000引2.相关巧术
[0006] 半导体巧片行业很大程度上的成功归因于娃的天然性质。该些性质包括易于生长 自然氧化物（Si〇2)、其自然氧化物优异的绝缘性W及相对容易制造娃晶片和娃晶片内的器 件。例如，娃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） 娃晶片的许多方法。娃晶片是用于制造供计算和功率电子器件用的巧片的主要材料。
[0007] 其他材料比如藍宝石、GaN(氮化嫁）、A1N(氮化侣）和SiC(碳化娃）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，当加工该些其他半导体材料时，无法采用标准 娃方法。例如，虽然纯单晶娃可容易地用柴氏长晶法生长，但是该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 采用标准娃晶片切割技术来进行SiC晶片切割。
[0008] 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，M0SFET和大功率开关用高温晶闽管，W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，100mmSiC晶片的当前制造远远落 后于柄准300mm娃晶片。
[0009] 此外，在单晶碳化娃中，无法通过扩散而可靠地形成晶体管和二极管中的复杂渗 杂分布形状。复杂几何渗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渗杂剂渗入所需的注入，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。
[0010] 一般来讲，半导体基板的特征在于评估平坦度和粗趟度时的若干指标。该些指标 包括弯曲度、翅曲度、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，参见例如沈MIM1-1103、ASTMF657、ASTMF1390、ASTM F1530)〇
[0011] 除了为平坦的W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 的粗趟度和机械损伤将会导致不良的膜质量。
[0012] 制备平坦和光滑的基板最常用的方法设及一系列按顺序的切割步骤W逐渐实现 高水平的平坦度和低粗趟度。每个抛光步骤使用越来越小的磨料颗粒将表面粗趟度降低到 目标值。选择具有经策略性选择的机械性质的抛光垫，W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。
[0013] 例如，在娃基板加工中，对晶片进行切片，然后用研磨或磨削方法处理W使得基板 的每个面平行，从而实现全局平坦度。但是，该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翅曲度的增加。为了移除损伤，通常将娃晶片浸入用来蚀刻表面损伤 的化学溶液中。该方法（通常称为银伤移除）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，应用一系列称为巧料移除（stock removal)的工序。在娃加工中，巧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，该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W小移除目标值进一步抛光晶片，W便 实现所需的平坦度和粗趟度技术规格。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趟度的娃晶 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。
[0014] 若干出版物描述了抛光娃晶片W实现对全局和局部平坦度的同时控制的方法。用 于娃晶片的该些方法之中最常见的是一系列切片、边缘倒角、研磨或磨削、蚀刻、抛光，其中 抛光步骤是单面或双面抛光-或按顺序使用的该两种类型。双面抛光在US3691694中有所 描述。US6583050详细描述了用于实现对娃晶片平坦度的控制的采用双面抛光的方法。
[0015] 然而，由于其作为硬质和耐化学性材料的性质，单晶SiC的切割、研磨和抛光方法 诉诸于使用金刚石和金属碳化物磨料来进行基板的初步成形。SiC的化学性质使得对基板 进行蚀刻W移除粗切割相关表面损伤是不切实际的。当对娃晶片进行抛光时，使用化学机 械抛光方法，并且材料的移除非常有效，因为抛光化学物质可同时氧化蚀刻和磨蚀晶片。对 SiC采用化学增强机械抛光是不切实际的，原因是化学反应速率非常慢并且与方法相关的 成本变得非常高。
[0016] 加工SiC所需的金刚石磨料与用于抛光娃基板的标准磨料相比非常贵。SiC抛光 时间相当长，甚至用金刚石磨料也是如此-SiC的材料移除速率是相应的娃基板过程的1/5 至1/20。实际上，SiC是用于切割和抛光娃晶片的磨料。低效的移除速率和昂贵的磨料使 得用该方法抛光SiC的成本极高，特别是在将制备平坦晶片的常规策略应用于SiC时。
[0017] 为了满足可接受SiC半导体器件的商业和经济要求，必须开发抛光SiC基板的创 新方法。必须实现W最低程度的磨料使用和最少的中间步骤切割和抛光SiC基板的有效方 法。抛光过程的持续时间必须对于高产量制造而言切实可行。抛光策略的总体性能还必须 实现通常将通过比如用于娃抛光中的批量化学蚀刻工序所获得的晶片表面晶体质量效益 (光滑且无损伤）。最后，抛光的基板必须适于外延方法，并且具有外延层的最终基板必须 满足与制造电气设备所需的光刻步骤相关的平坦度要求。
[0018] US8436366描述了将实现在外延和器件制造期间对晶片全局平坦度的控制的制 备SiC晶片的方法。该方法由W下步骤组成；SiC晶片切片，然后双面磨削W调节平坦度， 用金刚石浆液双面研磨w减小粗趟度，用金刚石浆液双面机械抛光w进一步减小粗趟度，W及单面化学机械抛光。该方法叙述了目标在于控制晶片的弯曲度和翅曲度的步骤顺序， 但并未详细描述影响晶片平坦度参数的步骤之间的相互影响，或每个步骤对最终晶片形状 的影响，只是举出双面加工为关键的要素。该方法并未公开控制局部平坦度指标或局部平 坦度/厚度指标所产生的性能的手段。通过包括许多不同材料的移除步骤，结果将是高昂 的制造成本。该抛光的晶片被设计为具有平坦度性能偏差，W补偿在半导体器件制造步骤 中可能发生的不期望的晶片弯曲。
[0019] 本发明出人意料的结果在于可W使用简单的方法W良好的全局和局部平坦度W 及厚度抛光碳化娃晶片。该方法需要研磨或按顺序的两面磨削步骤W确立低全局和局部平 坦度值并设定厚度，且需要双面抛光步骤W将粗趟度降低到可接受的值。本发明的关键特 征是使用大直径的研磨和抛光设备同时地控制和维持局部和全局平坦度。不需要晶片蚀 刻即可实现平坦度或厚度控制，也无需使用蚀刻来移除机械损伤。在本发明的抛光晶片上 实现的全局和局部平坦度性能均可在用于将均方根粗趟度降低到较小的值的化学机械抛 光步骤之后，或者在执行气相蚀刻并将SiC外延膜层施加到抛光晶片的表面上之后得W维 持。作为抛光晶片制造策略的结果，最终的外延晶片具有有利的全局和局部平坦度性能，该 将产生更佳的实用性W制造具有大有效面积的半导体器件。
【发明内容】
[0020] 列入了W下
【发明内容】
W提供本发明的一些方面和特征的基本理解。该
【发明内容】
不 是本发明的详细综述，因此并非旨在特别指出本发明的关键或重要因素或划定本发明的范 围。其唯一目的是W简化形式提出本发明的