一种硅基碳化硅薄膜材料制备方法

1.本发明涉及信息功能材料制备领域，特别涉及一种硅基碳化硅薄膜材料制备方法。


背景技术：

2.作为第三代半导体中的代表性材料，碳化硅结合了宽带隙、高物理强度、高热导率，高抗腐蚀性、高熔点、高光学二阶三阶非线性系数、宽透光窗口、广域缺陷发光窗口等多方面的优异特性于一身，是集成光学、非线性和光机械器件的理想材料。高折射率实现了光学模式的高限制，在色散领域将带来更大的灵活性。宽带隙使得在大功率下的光吸收损失最小化，高二阶和三阶使得碳化硅在非线性光学应用中具有出色的性能，因此，高质量的高纯碳化硅薄膜和低折射率层的集成材料结构是大规模集成光量子学的理想平台。
3.碳化硅材料具有200多种晶型，其中应用最多的是3c-sic，4h-sic和6h-sic。3c-sic薄膜主要是利用常压化学气相沉积(apcvd)和减压化学气相沉积(rpcvd)的方法，在硅衬底表面沉积碳化硅薄膜。用这种方法制备的3c-sic薄膜主要是多晶薄膜，晶体质量无法达到单晶。而对于4h-sic和6h-sic，由于4h-sic和6h-sic的生长温度大于硅的熔点温度，无法通过传统薄膜沉积异质外延的方法在硅衬底生长单晶碳化硅薄膜，而在碳化硅上同质外延sic薄膜则由于没有中间氧化层的阻隔，造成光学器件性能下降。因此，这造成了碳化硅薄膜在针对集成光学应用的生长上的困难。而由于碳化硅自身的硬度大和耐腐蚀等特性，直接加工体材料同样十分困难。
4.目前，国际上已报道的碳化硅异质集成薄膜的制备方法主要有两种，一种是利用离子注入智能剥离的方法，另一种是利用键合后机械研磨减薄的方法。前者具有由于离子注入的损伤会造成器件性能下降的问题，后者则因为减薄工艺对薄膜厚度控制极差，薄膜厚度偏差大造成器件间性能差距大无法可控制备。


技术实现要素：

5.鉴于以上所述现有技术的缺点，本技术所要解决现有技术中碳化硅薄膜制备技术中单晶质量差、无法通过传统薄膜沉积异质外延、薄膜均匀性差的问题。
6.为解决上述技术问题，本技术公开了一种硅基碳化硅薄膜材料制备方法，包括：
7.获取第一碳化硅晶圆，所述第一碳化硅晶圆的第一表面形成有第一键合介质层，面向所述第一表面对所述第一碳化硅晶圆进行离子注入，在所述第一碳化硅晶圆内形成缺陷层；
8.获取第二碳化硅晶圆，所述第二碳化硅晶圆的第一表面形成有第二键合介质层，将所述第一碳化硅晶圆和所述第二碳化硅晶圆通过所述第一键合介质层与所述第二键合介质层键合形成第一键合结构；
9.对所述第一键合结构进行退火处理，沿所述缺陷层剥离部分所述第一碳化硅晶圆；
10.在退火后的所述第一键合结构的所述第一碳化硅晶圆上外延生长第一纯度的碳化硅外延层，所述碳化硅外延层表面形成有第三键合介质层；
11.获取硅衬底，所述硅衬底的第一表面形成有第四键合介质层，将退火后的所述第一键合结构和所述硅衬底通过所述第三键合介质层和所述第四键合介质层键合形成第二键合结构；
12.面向所述第二碳化硅晶圆切割至所述第一键合介质层，去除所述第二碳化硅晶圆和所述第一碳化硅晶圆，暴露所述碳化硅外延层，得到硅基碳化硅薄膜材料。
13.进一步的，所述第一键合介质层、所述第二键合介质层、所述第三键合介质层及所述第四键合介质层的厚度为0～5μm，形成所述第一键合介质层、所述第二键合介质层、所述第三键合介质层及所述第四键合介质层的方法包括气相沉积法或热氧化法，其中所述热氧化法的热氧化温度为1000℃～1150℃，热氧化时间0～24小时。
14.进一步的，所述离子注入的离子包括氢离子或氦离子，所述离子的注入剂量为1
×
10
15
cm-2
～1
×
10
18
cm-2
，注入能量为20kev～2mev。
15.进一步的，所述方法还包括：
16.在形成所述第一键合结构之前，对所述第一键合介质层与所述第二键合介质层进行等离子体激活，所述等离子体激活中所采用的气体包括氮气、氩气或氧气；
17.在形成所述第二键合结构之前，对所述第三键合介质层与所述第四键合介质层进行等离子体激活，所述等离子体激活中所采用的气体包括氮气、氩气或氧气。
18.进一步的，形成所述第一键合结构和所述第二键合结构的键合方式为直接键合，所述直接键合的键合环境包括真空、氧气或氮气，键合温度为0℃～800℃。
19.进一步的，在对所述第一键合结构进行退火处理，沿所述缺陷层剥离部分所述第一碳化硅晶圆中，所述退火处理的退火温度为500℃～1100℃，退火时间为1分钟～24小时，退火气氛包括氮气、氩气、氢气或真空。
20.进一步的，在所述退火后的所述第一键合结构的所述第一碳化硅晶圆上外延生长第一纯度的碳化硅外延层中，所述碳化硅外延层的厚度为200nm～20μm，所述外延生长的生长温度为1300℃～1700℃，生长气压为10-3
pa～105pa。
21.进一步的，在所述面向所述第二碳化硅晶圆切割至所述第一键合介质层，去除所述第二碳化硅晶圆和所述第一碳化硅晶圆之前，还包括：
22.对所述第二碳化硅晶圆减薄处理，所述减薄处理的方法包括机械研磨及精密抛光，减薄后的所述第二碳化硅晶圆的厚度为5μm～50μm。
23.进一步的，所述面向所述第二碳化硅晶圆切割至所述第一键合介质层，去除所述第二碳化硅晶圆和所述第一碳化硅晶圆，包括：利用飞秒激光面向所述第二碳化硅晶圆切割至所述第一键合介质层，所述飞秒激光切割所述第二碳化硅晶圆的图形尺寸为10
×
10μm2～5000
×
5000μm2，所述飞秒激光的光斑直径大小为2μm～1mm，激光功率为5w～100w。
24.进一步的，所述去除所述第二碳化硅晶圆和所述第一碳化硅晶圆的方法包括：
25.利用氢氟酸湿法腐蚀去除所述第二碳化硅晶圆；
26.利用干法刻蚀或化学机械抛光处理所述第一碳化硅晶圆表面。
27.采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
28.本发明在有保护层保护的碳化硅晶圆上同质生长碳化硅外延层，并通过离子注
入、键合等技术将碳化硅外延层转移至硅衬底上，可以有效克服目前利用离子束技术制备硅基碳化硅薄膜的离子损伤的问题，同时解决利用传统研磨减薄方法难以避免的碳化硅薄膜均匀度问题，在硅基衬底上异质集成得到高均匀性、高质量、高纯度的碳化硅单晶薄膜，保证光学器件的性能。
29.本发明其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，其中，相同的参照标号通常代表相同部件。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1为本技术实施例的硅基碳化硅薄膜材料制备方法的流程示意图；
32.图2至图11为本技术实施例的硅基碳化硅薄膜材料制备方法中根据相应步骤分别对应的结构示意图。
33.以下对附图作补充说明：
34.100、第一碳化硅晶圆；101、第一键合介质层；102、缺陷层；200、第二碳化硅晶圆；201、第二键合介质层；300、碳化硅外延层；301、第三键合介质层；400、硅衬底；401、第四键合介质层；500、第一键合结构；600、第二键合结构。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
37.参照图1，其所示为本发明实施例提供的一种硅基碳化硅薄膜材料制备方法的流程示意图。需要说明的是，本说明书提供了如实施例或流程图的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的劳动可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的系统或服务器产品执行时，可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行。具体的如图1所示，
本发明实施例提供的硅基碳化硅薄膜材料制备方法包括：
38.s101：获取第一碳化硅晶圆100，所述第一碳化硅晶圆100的第一表面形成有第一键合介质层101，面向所述第一表面对所述第一碳化硅晶圆100进行离子注入，在所述第一碳化硅晶圆100内形成缺陷层102；
39.具体的，参照图2，其所示为本发明实施例中在第一碳化硅晶圆100的第一表面形成有第一键合介质层101。第一碳化硅晶圆100的材料包括但不限于多晶sic，α-sic，β-sic等，本技术实施例中采用n型sic，第一碳化硅晶圆100的厚度选取为300μm～500μm，有利于后续离子注入和切割。第一键合介质层101为二氧化硅氧化层，其厚度为0～5μm，制备方法包括气相沉积法或热氧化法。气相沉积法采用等离子体增强化学气相沉积，利用辉光放电,在高频电场下使稀薄气体电离产生等离子体,这些离子在电场中被加速而获得能量,可在较低温度下实现二氧化硅薄膜的沉积；热氧化法是在高温环境下使硅片表面氧化形成二氧化硅薄膜的方法。
40.本技术实施例中，采用热氧化法在第一碳化硅晶圆100上形成第一键合介质层101。热氧化的温度控制在1000℃～1150℃，热氧化时间0～24小时，根据二氧化硅薄膜厚度而调节热氧化的时间。生长完后对所述第一键合介质层101进行打磨处理，方法包括但不限于化学机械抛光。
41.作为一种可选的实施方式，所述离子注入的离子包括氢离子或氦离子，所述离子的注入剂量为1
×
10
15
cm-2
～1
×
10
18
cm-2
，注入能量为20kev～2mev。
42.具体的，参照图3，其所示为本发明实施例中面向所述第一表面对所述第一碳化硅晶圆100进行离子注入，在所述第一碳化硅晶圆100内形成缺陷层102。离子注入是将离子源产生的离子经加速后高速射向材料表面，当离子进入表面，将与固体中的原子碰撞，将其挤进内部，并在其射程前后和侧面激发出一个尾迹。这些撞离原子再与其它原子碰撞，后者再继续下去，在一定时间内，材料中将建立一个有数百个间隙原子和空位的区域。当材料回复到平衡，大多数原子回到正常的点阵位置，而留下一些“冻结”的空位和间隙原子。这一过程在表面下建立了富集注入元素并具有损伤的缺陷层。本技术实施例中，通过将氢离子或氦离子经加速后高速射向第一碳化硅晶圆100的第一表面，离子的注入剂量为1
×
10
15
cm-2
～1
×
10
18
cm-2
，注入能量为20kev～2mev，在第一碳化硅晶圆100表面下形成富集氢离子或氦离子并具有损伤的表层，即缺陷层102。通过在第一碳化硅晶圆100上形成缺陷层102，有利于后续工序中对第一碳化硅晶圆100减薄，完成薄膜转移。
43.s102：获取第二碳化硅晶圆200，所述第二碳化硅晶圆20的第一表面形成有第二键合介质层201，将所述第一碳化硅晶圆100和所述第二碳化硅晶圆200通过所述第一键合介质层101与所述第二键合介质层201键合形成第一键合结构500；
44.具体的，参照图4，其所示为本发明实施例中将所述第一碳化硅晶圆100和所述第二碳化硅晶圆100通过所述第一键合介质层101与所述第二键合介质层201键合形成第一键合结构500。第二碳化硅晶圆200可以选取和第一碳化硅晶圆100相同的材料，且厚度也选取为300μm～500μm。第二键合介质层201为二氧化硅氧化层，其厚度为0～5μm，制备方法同第一键合介质层101的制备方法。通过在碳化硅晶圆表面形成保护层，使得后续工序中在碳化硅晶圆上同质生长外延层，保护碳化硅晶圆，保证光学器件的性能。
45.作为一种可选的实施方式，在形成所述第一键合结构500之前，对所述第一键合介
质层101与所述第二键合介质层201进行等离子体激活，所述等离子体激活中所采用的气体包括氮气、氩气或氧气。
46.具体的，对于热氧化的抛光的带有二氧化硅保护层的碳化硅晶圆，在二氧化硅膜的表面和体内，有一些氧原子处于不稳定状态，在一定条件下，其可获得能量离开硅原子，使表面产生悬挂键。本实施例中采用等离子体表面激活处理，所采用的气体包括氮气、氩气或氧气，将处理后的第一碳化硅晶圆100和第二碳化硅晶圆200通过第一键合介质层101与第二键合介质层201键合形成第一键合结构500。在键合前对第一碳化硅晶圆100和第二碳化硅晶圆200进行等离子体激活处理，使其表面容易吸附，增强键合强度，保证键合效果。
47.作为一种可选的实施方式，形成所述第一键合结构500的键合方式为直接键合，所述直接键合的键合环境包括真空、氧气或氮气，键合温度为0℃～800℃。
48.s103：对所述第一键合结构500进行退火处理，沿所述缺陷层102剥离部分所述第一碳化硅晶圆100；
49.具体的，参照图5，其所示为本发明实施例中沿所述缺陷层102剥离部分所述第一碳化硅晶圆100。为使键合后的第一碳化硅晶圆100部分剥离，完成薄膜转移，对第一键合结构500进行退火处理，退火温度为500℃～1100℃，退火时间为1分钟～24小时，退火气氛包括但不限于氮气、氩气、氢气、真空等，退火后处理的方法包括但不限于高温退火、化学机械抛光、反应离子刻蚀、离子束刻蚀、离子束掠入射抛光等，其中高温退火温度为900～1300℃。进行退火处理后第一碳化硅晶圆100沿缺陷层102剥离远离二氧化硅保护层的部分，得到第二碳化硅晶圆200上的碳化硅薄膜，所述碳化硅薄膜的厚度为50nm～10μm。
50.s104：在退火后的所述第一键合结构的所述第一碳化硅晶圆100上外延生长第一纯度的碳化硅外延层300，所述碳化硅外延层300表面形成有第三键合介质层301；
51.具体的，参照图6，其所示为本发明实施例中在退火后的所述第一键合结构500的所述第一碳化硅晶圆100上外延生长第一纯度的碳化硅外延层300。退火后的第一键合结构500上的第一碳化硅晶圆100，即所述碳化硅薄膜上通过外延生长法生长一层碳化硅外延层300，生长外延层有多种方法，本发明实施例中采用气相外延工艺。氢气携带四氯化硅(sicl4)或三氯氢硅(sihcl3)、硅烷(sih4)或二氯氢硅(sih2cl2)等进入反应室，在反应室进行高温化学反应，使含硅反应气体还原或热分解，所产生的原子在所述第一碳化硅表面上外延生长。硅片外延生长时，常需要控制掺杂。所述第一碳化硅晶圆为n型碳化硅，所用的掺杂剂一般为磷烷(ph3)或三氯化磷(pcl3)，同质生长形成的碳化硅外延层300的第一纯度为氮的掺杂浓度10
12
～10
14
cm-3
。
52.作为一种可选的实施方式，所述碳化硅外延层的厚度为200nm～20μm，外延生长的生长温度为1300℃～1700℃，生长气压为10-3
pa～105pa。
53.参照图7，其所示为本发明实施例中在所述碳化硅外延层表面形成有第三键合介质层301。所述第三键合介质层301为二氧化硅保护层，其厚度为0～5μm，第三键合介质层的制备方法包括等离子体增强化学的气相沉积法、低压力化学气相沉积法以及热氧化法，热氧化法制备的二氧化硅保护层厚度受碳化硅外延层300限制。本实施例中采用等离子体增强化学的气相沉积法。
54.s105：获取硅衬底400，所述硅衬底的第一表面形成有第四键合介质层401，将退火后的所述第一键合结构500和所述硅衬底400通过所述第三键合介质层301和所述第四键合
介质层401键合形成第二键合结构600；
55.具体的，参照图8，其所示为本发明实施例中将退火后的所述第一键合结构500和所述硅衬底400通过所述第三键合介质层301和所述第四键合介质层401键合形成第二键合结构600。具体的，所述硅衬底400的厚度为300μm～550μm，所述第四键合介质层401为二氧化硅保护层，其厚度为0～5μm，制备方法可选用与第一键合介质层101、第二键合介质层201、第三键合介质层301相同的制备方法。
56.作为一种可选的实施方式，在形成所述第二键合结构600之前，对所述第三键合介质层301与所述第四键合介质层401进行等离子体激活，所述等离子体激活中所采用的气体包括氮气、氩气或氧气。此过程中，等离子体激活原理和效果与形成第一键合结构相同，将退火后的所述第一键合结构500和所述硅衬底通过所述第三键合介质层301和所述第四键合介质层401键合形成第二键合结构600。
57.作为一种可选的实施方式，形成所述第二键合结构的键合方式为直接键合，所述直接键合的键合环境包括真空、氧气或氮气，键合温度为0℃～800℃。
58.s106：面向所述第二碳化硅晶圆切割至所述第一键合介质层，去除所述第二碳化硅晶圆200和所述第一碳化硅晶圆100，暴露所述碳化硅外延层300，得到硅基碳化硅薄膜材料。
59.作为一种可选的实施方式，在所述面向所述第二碳化硅晶圆200切割至所述第一键合介质层101，去除所述第二碳化硅晶圆200和所述第一碳化硅晶圆100之前，还包括：对所述第二碳化硅晶圆200减薄处理，所述减薄处理的方法包括机械研磨及精密抛光，减薄后的所述第二碳化硅晶圆200的厚度为5μm～50μm。
60.具体的，参照图9，其所示为本发明实施例中对所述第二碳化硅晶圆200减薄处理。减薄方法包括干法刻蚀或晶圆研磨，研磨后对其进行精密抛光，将第二碳化硅晶圆的厚度减薄至5μm～50μm，利于后续的切割。
61.作为一种可选的实施方式，所述面向所述第二碳化硅晶圆200切割至所述第一键合介质层101，去除所述第二碳化硅晶圆200和所述第一碳化硅晶圆100，包括：利用飞秒激光面向所述第二碳化硅晶圆200切割至所述第一键合介质层101，所述飞秒激光切割所述第二碳化硅晶圆200的图形尺寸为10
×
10μm2～5000
×
5000μm2，所述飞秒激光的光斑直径大小为2μm～1mm，激光功率为5w～100w。用飞秒激光对第二碳化硅晶圆200图形化处理，有利于后续去除第二碳化硅晶圆200。
62.具体的，对于减薄后的第二键合结构600，飞秒激光的切割深度范围包括为减薄后的第二碳化硅晶圆200、第一键合介质层101及第二键合介质层201，飞秒激光切割不同于传统切割方法的使用机械应力切割，采用低功率飞秒激光，通过精确控制激光波长、脉冲宽度、重复频率、平均功率、脉冲能量、光斑面积及切割平台移动速率等参数，利用多光子激发的机理，使碳化硅分子键断裂，避免对下层碳化硅外延层300和硅衬底400的破坏。
63.作为一种可选的实施方式，所述去除所述第二碳化硅晶圆200和所述第一碳化硅晶圆100的方法包括：
64.利用氢氟酸湿法腐蚀去除所述第二碳化硅晶圆200；
65.利用干法刻蚀或化学机械抛光处理第一碳化硅晶圆100表面。
66.具体的，参照图10，其所示为本发明实施例中去除所述第二碳化硅晶圆。飞秒激光
切割后的第二碳化硅晶圆200被切割成多个图形，有利于采用氢氟酸湿法腐蚀第二碳化硅晶圆200、第一键合介质层101及第二键合介质层201，对其进行剥离，暴露第一碳化硅晶圆100。参照图11，其所示为去除所述第一碳化硅晶圆100。所述第一碳化硅晶圆100为离子注入过的晶圆，处理方法包括干法刻蚀或化学机械抛光，本实施例中采用干法刻蚀，暴露出碳化硅外延层300，最后完成对硅基碳化硅薄膜材料的制备。
67.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。