一种生长低翘曲半导体衬底晶片的方法与流程

1.本发明涉及半导体外延技术领域，特别涉及一种生长低翘曲半导体衬底晶片的方法。


背景技术：

2.目前，人类的生活已经离不开半导体材料，在新能源发电、功率处理、微波射频、光电等领域的应用无处不在。作为半导体器件应用的上游工段，外延生长是十分重要的基础环节。衬底晶片的翘曲度是外延片质量的一个重要参数，外延前后翘曲度通常有一个较为明显的增加，尤其是在大尺寸、厚外延时影响更为明显，会降低曝光精度，增加碎片风险；还会伴生着晶体缺陷甚至微裂纹来缓和应力的积累；此外，外延生长过程中通常在衬底晶片表面有一较厚的掩膜层，也会增加翘曲度，降低加工精度。虽然现有技术通过高温退火工艺来降低翘曲度，但衬底晶片的翘曲度仍然较大。


技术实现要素：

3.为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种生长低翘曲半导体衬底晶片的方法。
4.本发明的目的通过下述技术方案实现：一种生长低翘曲半导体衬底晶片的方法，包括如下步骤：
5.s1)沉积介质层：在衬底晶片的背面和正面沉积第一介质层和第二介质层，第一介质层和第二介质层的刚度高于衬底晶片的刚度，第一介质层和第二介质层的热膨胀系数分别是α1、α2，第一介质层和第二介质层的厚度分别是t1、t2，第一介质层和第二介质层满足α1×
t1＝α2×
t2；衬底晶片位于第一介质层和第二介质层之间，第一介质层和第二介质层的协同热膨胀能够使得衬底晶片在高温退火时翘曲度降低；
6.s2)高温退火：将步骤s1)的衬底晶片进行高温退火处理、并缓慢降至室温；高温退火处理为隔绝空气条件，温度500-1500℃，时间5-30min，高温退火结束后，缓慢降至室温，降温速率＜40℃/min；
7.s3)去除第二介质层并磨抛清洗：将步骤s2)的衬底晶片正面沉积的第二介质层去除、并磨抛清洗；
8.s4)衬底晶片进行外延生长：将步骤s3)背面沉积有第一介质层的衬底晶片进行外延生长；
9.s5)去除第一介质层并磨抛清洗：将步骤s4)的衬底晶片背面沉积的第一介质层去除、并磨抛清洗，得到低翘曲度的衬底晶片。
10.作为本发明生长低翘曲半导体衬底晶片的方法的一种改进，所述第一介质层和所述第二介质层的材料均包括钨、钼、钽、铌、钒、铬、钛、锆、稀土金属及其合金和非金属的硼化物、碳化物、氮化物、硅化物、磷化物、硫化物或以上任意两种或两种以上的材料组合。
11.作为本发明生长低翘曲半导体衬底晶片的方法的一种改进，所述第一介质层和所
述第二介质层的沉积方法包括磁控溅射、电化学沉积、物理气相沉积或化学气相沉积。
12.作为本发明生长低翘曲半导体衬底晶片的方法的一种改进，所述第一介质层和第二介质层的热膨胀系数和厚度均相同，所述第一介质层和第二介质层为同一种材料。
13.作为本发明生长低翘曲半导体衬底晶片的方法的一种改进，所述步骤s3)去除第二介质层的方法包括等离子刻蚀、化学试剂刻蚀的湿法或干法刻蚀工艺，磨抛清洗工艺为先机械研磨，再化学机械抛光cmp，然后进行清洗去除衬底晶片正面的有机和无机物杂质，经过上述去除和磨抛清洗工艺后，得到平整光滑洁净的衬底晶片正面。
14.作为本发明生长低翘曲半导体衬底晶片的方法的一种改进，所述步骤s5)去除第一介质层的方法包括等离子刻蚀、化学试剂刻蚀的湿法或干法刻蚀工艺，磨抛清洗工艺为先机械研磨，再化学机械抛光cmp，磨抛过程中，衬底晶片上表面被打蜡保护，磨抛结束后进行清洗去除衬底晶片表面和背面的有机和无机物杂质。
15.作为本发明生长低翘曲半导体衬底晶片的方法的一种改进，步骤s4)所述的外延生长的反应气体源为甲烷、三氯氢硅、氮气，载气为氢气，流量80scl-100scl，生长温度为1000-1600℃，生长速率为50-60um/h，碳硅比为1，压力70-100mbar。
16.本发明的有益效果在于：本发明预先在衬底晶片的正面和背面均沉积一层刚度大于衬底晶片的介质层，两层介质层的协同热膨胀能够对外延片进行形变约束，使得衬底晶片在高温退火时翘曲度降低，经过高温退火后再去除正面的介质层，保留背面的介质层，背面的介质层能够对衬底晶片进行保护，维持其低翘曲度，能够防止衬底晶片在外延生长时的翘曲，减少衬底晶片进行外延生长工序时的翘曲或碎片等问题，以提高衬底晶片的加工精度和降低碎片等风险。
附图说明
17.图1是本发明的在衬底晶片的背面和正面均沉积介质层的结构示意图；
18.图2是本发明的去除衬底晶片正面的介质层的结构示意图；
19.图3是本发明的外延生长后的衬底晶片结构示意图；
20.图4是本发明的去除衬底晶片背面的介质层的结构示意图；
21.附图标记为：1、衬底晶片2、第一介质层3、第二介质层4、外延层
具体实施方式
22.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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
23.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
24.另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可
以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围内。
25.实施例一：如图1-图4所示，一种生长低翘曲半导体衬底晶片的方法，包括如下步骤：
26.s1)沉积介质层：在衬底晶片1的背面和正面沉积第一介质层2和第二介质层3，第一介质层2和第二介质层3的刚度高于衬底晶片1的刚度，第一介质层2和第二介质层3的热膨胀系数分别是α1、α2，第一介质层2和第二介质层3的厚度分别是t1、t2，第一介质层2和第二介质层3满足α1×
t1＝α2×
t2；衬底晶片1位于第一介质层2和第二介质层3之间，第一介质层2和第二介质层3的协同热膨胀能够对外延片进行形变约束，使得衬底晶片在高温退火时翘曲度降低；第一介质层2和所述第二介质层3的材料均采用碳化钽；第一介质层和第二介质层的沉积方法均采用化学气相法；
27.s2)高温退火：将步骤s1)的衬底晶片1进行高温退火处理、并缓慢降至室温；高温退火处理为隔绝空气条件(或密封的环境下)，温度1200℃，时间30min，高温退火结束后，缓慢降至室温，降温速率为39℃/min；
28.s3)去除第二介质层3并磨抛清洗：将步骤s2)的衬底晶片1正面沉积的第二介质层3去除、并磨抛清洗；去除第二介质层3的方法包括但不限于等离子刻蚀、化学试剂刻蚀的湿法或干法刻蚀工艺，磨抛清洗工艺为先机械研磨，再化学机械抛光cmp，然后进行清洗去除衬底晶片正面的有机和无机物杂质，经过上述去除和磨抛清洗工艺后，得到平整光滑洁净的衬底晶片正面；
29.s4)衬底晶片1进行外延生长，形成外延层4：将步骤s3)背面沉积有第一介质层2的衬底晶片1进行外延生长；外延生长的反应气体源为甲烷、三氯氢硅、氮气，载气为氢气，流量150scl，生长温度为1600℃，生长速率为50um/h，碳硅比为1，压力100mbar。
30.s5)去除第一介质层2并磨抛清洗：将步骤s4)的衬底晶片1背面沉积的第一介质层2去除、并磨抛清洗。去除第一介质层2的方法采用化学试剂刻蚀的湿法或干法刻蚀工艺，磨抛清洗工艺为先机械研磨，再化学机械抛光cmp，磨抛过程中，衬底晶片上表面被打蜡保护，磨抛结束后进行清洗去除衬底晶片表面和背面的有机和无机物杂质，得到低翘曲度的衬底晶片。
31.实施例二：一种生长低翘曲半导体衬底晶片的方法，包括如下步骤：
32.s1)沉积介质层：在衬底晶片1的背面和正面沉积第一介质层2和第二介质层3，第一介质层2和第二介质层3的刚度高于衬底晶片1的刚度，第一介质层2和第二介质层3的热膨胀系数分别是α1、α2，第一介质层2和第二介质层3的厚度分别是t1、t2，第一介质层2和第二介质层3满足α1×
t1＝α2×
t2；衬底晶片1位于第一介质层2和第二介质层3之间，第一介质层2和第二介质层3的协同热膨胀能够对外延片进行形变约束，使得衬底晶片在高温退火时翘曲度降低；第一介质层2和所述第二介质层3的材料均采用氮化硼，第一介质层和第二介质层的沉积方法均采用电化学沉积法，第一介质层和第二介质层同时沉积；
33.s2)高温退火：将步骤s1)的衬底晶片1进行高温退火处理、并缓慢降至室温；高温退火处理为隔绝空气条件(或密封的环境下)，温度1000℃，时间15min，高温退火结束后，缓慢降至室温，降温速率为30℃/min；
34.s3)去除第二介质层3并磨抛清洗：将步骤s2)的衬底晶片1正面沉积的第二介质层3去除、并磨抛清洗；去除第二介质层3的方法等离子刻蚀工艺，磨抛清洗工艺为先机械研磨，再化学机械抛光cmp，然后进行清洗去除衬底晶片正面的有机和无机物杂质，经过上述去除和磨抛清洗工艺后，得到平整光滑洁净的衬底晶片正面；
35.s4)衬底晶片1进行外延生长，形成外延层4：将步骤s3)背面沉积有第一介质层2的衬底晶片1进行外延生长；外延生长的反应气体源为甲烷、三氯氢硅、氮气，载气为氢气，流量80scl，生长温度为1600℃，生长速率为70um/h，碳硅比为1，压力70mbar。
36.s5)去除第一介质层2并磨抛清洗：将步骤s4)的衬底晶片1背面沉积的第一介质层2去除、并磨抛清洗。去除第一介质层2的方法采用化学试剂刻蚀的湿法或干法刻蚀工艺，磨抛清洗工艺为先机械研磨，再化学机械抛光cmp，磨抛过程中，衬底晶片上表面被打蜡保护，磨抛结束后进行清洗去除衬底晶片表面和背面的有机和无机物杂质，得到低翘曲度的衬底晶片。
37.实施例三：一种生长低翘曲半导体衬底晶片的方法，包括如下步骤：
38.s1)沉积介质层：在衬底晶片1的背面和正面沉积第一介质层2和第二介质层3，第一介质层2和第二介质层3的刚度高于衬底晶片1的刚度，第一介质层2和第二介质层3的热膨胀系数分别是α1、α2，第一介质层2和第二介质层3的厚度分别是t1、t2，第一介质层2和第二介质层3满足α1×
t1＝α2×
t2；衬底晶片1位于第一介质层2和第二介质层3之间，第一介质层2和第二介质层3的协同热膨胀能够对外延片进行形变约束，使得衬底晶片在高温退火时翘曲度降低；第一介质层2和所述第二介质层3的材料均氮化硅；第一介质层和第二介质层的沉积方法均采用物理气相沉积或化学气相沉积；
39.s2)高温退火：将步骤s1)的衬底晶片1进行高温退火处理、并缓慢降至室温；高温退火处理为隔绝空气条件(或密封的环境下)，温度900℃，时间20min，高温退火结束后，缓慢降至室温，降温速率39℃/min；
40.s3)去除第二介质层3并磨抛清洗：将步骤s2)的衬底晶片1正面沉积的第二介质层3去除、并磨抛清洗；去除第二介质层3的方法采用化学试剂刻蚀的湿法或干法刻蚀工艺，磨抛清洗工艺为先机械研磨，再化学机械抛光cmp，然后进行清洗去除衬底晶片正面的有机和无机物杂质，经过上述去除和磨抛清洗工艺后，得到平整光滑洁净的衬底晶片正面；
41.s4)衬底晶片1进行外延生长，形成外延层4：将步骤s3)背面沉积有第一介质层2的衬底晶片1进行外延生长；外延生长的反应气体源为甲烷、三氯氢硅、氮气，载气为氢气，流量100scl，生长温度为1600℃，生长速率为60um/h，碳硅比为1，压力80mbar。
42.s5)去除第一介质层2并磨抛清洗：将步骤s4)的衬底晶片1背面沉积的第一介质层2去除、并磨抛清洗。去除第一介质层2的方法采用等离子刻蚀工艺，磨抛清洗工艺为先机械研磨，再化学机械抛光cmp，磨抛过程中，衬底晶片上表面被打蜡保护，磨抛结束后进行清洗去除衬底晶片表面和背面的有机和无机物杂质，得到低翘曲度的衬底晶片。
43.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和结构的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。