具有改善的單晶材料使用效率的偽襯底的制作方法
【專利說明】具有改善的單晶材料使用效率的偽襯底
[0001]本發(fā)明涉及包含給定厚度的單晶材料的偽襯底的制造，該單晶材料常見于晶片的形式，并通過單晶錠的生長和晶片化(wafering)步驟獲得。
[0002]絕緣體上硅或SOI材料是偽襯底的已知實例，因為其包含經(jīng)氧化硅層與硅基襯底分隔開的表面單晶硅薄層。認為這種復合襯底是偽襯底的原因是:氧化物層在襯底的前側(cè)和后側(cè)之間引入結(jié)晶中斷，其不能通過常規(guī)的錠生長技術(shù)和隨后的晶片化工藝制造。
[0003]使用Smart Cut?技術(shù)(通過離子注入深度弱化、分子鍵合、分離，以及任何所需的修整步驟)制造表面層應當具有厚度約為I ym以下的SOI襯底，而使用機械鍵合和減薄技術(shù)獲得表面層需要約10 μm以上的SOI襯底。兩種技術(shù)都需要減薄步驟，由此意味著初始施主材料有一定水平的犧牲。此外，兩種技術(shù)都使用單晶晶片作為初始點。
[0004]此種晶片通過切割單晶錠的切片(slice)來制造，隨后這些切片通過各種晶片化步驟進行制備。從原材料使用的角度來看，這些步驟昂貴且不是最優(yōu)化。比如，為了制造500 μπι厚的晶片，需要至少Imm的切片，這意味著晶片化工藝中損耗了初始原材料的至少—半°
[0005]襯底厚度受到機械穩(wěn)定性極限的約束，該極限是下述的一種極限:當切片或?qū)拥陀谶@個極限時，其在單獨取用時，例如在隨后的元件制造或圖案化處理期間可能斷裂。這個臨界厚度依賴于工藝，依賴于晶片上施加的力(量級可以為數(shù)百MPa)和其他導致晶片破裂的可能因素。機械穩(wěn)定性可以被定義為以100%的可能性或例如僅有低于約30/1，000，000的切片破裂的概率經(jīng)受工藝處理的能力。在一些應用中，為了最優(yōu)化最終的元件，在制造工藝結(jié)束時對襯底進行減薄甚至可完全去除該襯底。比如，基于GaN襯底的LED應用和用于動力電子設備的SiC基元件需要減薄和/或甚至去除襯底，以改善最終器件的性能。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法使用從單晶錠切取的晶片，然后在元件制造過程結(jié)束時減薄或甚至完全去除襯底，因此該方法導致晶片的極大損耗或甚至完全損耗，而上述應用中使用的晶片是由昂貴材料制造的。
[0007]EP 1324385 Α2描述了通過將SiC或GaN單晶材料的切片組裝到操作襯底以獲得偽襯底的改良方法。從SiC單晶錠切取500 μ m厚度的初始切片，然后進行拋光，隨后將拋光側(cè)附接至操作支撐體上。需要進行拋光以使SiC材料和操作支撐體之間能夠分子鍵合。然后組件再次進行拋光，以改善表面區(qū)域的結(jié)晶品質(zhì)。施主偽襯底然后可以用于隨后的方法步驟。在GaN的情況下，100 μ m到200 μ m厚的GaN單晶錠層通過Smart Cut?技術(shù)進行轉(zhuǎn)移，并且通過分子鍵合而與操作支撐體附接。
[0008]盡管這種方法與自晶片開始的已知工藝相比，已經(jīng)可以損耗更少材料，但是，昂貴材料的使用仍然沒有最優(yōu)化，并且表面處理步驟損耗了高價材料。
[0009]因此，半導體工業(yè)中需要在使用偽襯底時提供更有效的使用昂貴單晶材料的方式。
[0010]本發(fā)明目的通過下述偽襯底的制造方法而實現(xiàn)，該方法包括以下步驟:提供單晶錠，提供操作襯底，從單晶錠切取薄切片(thin slice)，并將薄切片附接至操作襯底以形成偽襯底。依據(jù)本發(fā)明，薄切片的厚度大致等于或小于臨界厚度，在低于該臨界厚度時，切片在單獨取用時將不再是機械穩(wěn)定的。
[0011]本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)偽襯底或偽襯底的制造，并且能夠從其制造的初始步驟開始改善單晶材料的使用。與通常使用的方法相比，本發(fā)明的主要區(qū)別和優(yōu)點是，本發(fā)明不需要使用經(jīng)修整的晶片(其隨后使用層轉(zhuǎn)移技術(shù)如Smart Cut?進行減薄)或晶片級的拋光步驟，因為本發(fā)明的方法使用直接從晶錠切取的、具有最優(yōu)化厚度的材料，而無需進行額外的晶片化處理步驟。
[0012]此外，依據(jù)本發(fā)明，可從單晶錠切取(通常為鋸得)厚度比常規(guī)方法切取的切片小至少兩倍以上的切片。特別地，本發(fā)明能夠?qū)⑶衅暮穸葴p小至大致為其自身機械穩(wěn)定性的臨界厚度，甚至低于該臨界厚度。由于臨界厚度依賴于用于切取單晶錠薄切片的工藝，依賴于晶錠上施加的力(量級可以為數(shù)百MPa)和導致切片破裂的其他可能因素，薄切片的機械穩(wěn)定性還可以被定義為在切片單獨取用時以100%的可能性或例如僅有低于約30/1，000，000切片破裂的概率經(jīng)受切割或鋸割處理的能力。機械穩(wěn)定性通過處理或支撐襯底提供。任何隨后的圖案化或制造步驟可因此直接在偽襯底的單晶薄切片上或其中而不是標準晶片上實施。
[0013]本發(fā)明還能夠制造具有期望厚度(如數(shù)十ym以上)的單晶層的偽襯底，而不會如在現(xiàn)有技術(shù)工藝的情況那樣損耗大部分的初始單晶材料，或者在初始點是用于SmartCut?方法中的中間襯底的薄轉(zhuǎn)移層時不需要訴求增厚步驟。
[0014]有利地，本發(fā)明方法可進一步包括在切取薄切片之前，在單晶錠上提供加強物的步驟，以使加強物和薄切片能夠形成機械穩(wěn)定的自支撐結(jié)構(gòu)。加強物的存在為厚度甚至低于臨界厚度的晶錠切割片提供了必要的機械穩(wěn)定性。
[0015]優(yōu)選地，加強物可以是襯底，特別是聚合物，或難熔金屬。這樣，在切割步驟之前，可使用臨時襯底以形成與單晶錠的一端附接的加強層，從而可以切取具有厚度小于臨界厚度的薄切片。附接的襯底由此為薄切片提供足夠的機械穩(wěn)定性，從而在附接步驟之前使薄切片和臨時襯底形成自支撐結(jié)構(gòu)。
[0016]優(yōu)選地，薄切片的附接步驟可使用粘合劑(特別是陶瓷基復合粘合劑或石墨基粘合劑)實施。由于薄切片不直接與操作襯底鍵合(無分子鍵合)，因而在附接步驟之前不需要在薄切片要進行附接的表面進行拋光步驟，這是因為粘合劑層可補償薄切片的表面拓撲結(jié)構(gòu)，并且薄切片的厚度可以大致等于或小于臨界厚度。
[0017]有利地，當使用加強物時，本發(fā)明方法可進一步包括在形成偽襯底之后去除加強物的步驟。然后可以在偽襯底的單晶切片上生長其他結(jié)構(gòu)體。
[0018]優(yōu)選地，加強物可以是沉積層，特別是氧化物層。類似于聚合物或其它襯底的使用，諸如氧化物層等沉積層能夠切取厚度甚至小于臨界厚度的薄切片。在與操作襯底的附接步驟之前，薄切片和沉積層可以由此形成自支撐結(jié)構(gòu)。
[0019]有利地，在沉積諸如氧化物層等加強層的情況下，薄切片與操作襯底的附接可以通過分子鍵合實現(xiàn)。使用本發(fā)明，甚至可以在不對單晶切片的任何表面進行拋光的情況下，例如通過使用沉積層作為鍵合層來實現(xiàn)薄切片與操作襯底的分子鍵合。事實上，沉積層可以用于補償單晶錠的表面拓撲結(jié)構(gòu)并由此在與操作襯底附接之前補償單晶切片的表面拓撲結(jié)構(gòu)。
[0020]附接步驟有利地可包括一個或多個退火步驟。
[0021]有利地，本發(fā)明方法可以如下實施:在附接步驟之前對薄切片要進行附接的表面不進行任何拋光步驟。因此，與現(xiàn)有技術(shù)已知的制造工藝中的晶片化方法相比，切片可以在不受減薄且無需防止原材料進一步損耗的情況下附接至操作或支撐襯底。
[0022]有利地，本發(fā)明方法進一步包括對偽襯底進行拋光或雙側(cè)拋光的步驟。本發(fā)明方法還進一步包括偽襯底表面的至少一個蝕刻步驟。因此，為了減少結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損害，還可以在附接步驟之前去除材料。
[0023]由此，可有利地制備出用于進一步處理步驟的偽襯底。例如，偽襯底的背側(cè)和/或具有自由單晶表面的前側(cè)可以進行拋光，以在改良表面上能夠隨后圖案化或生長(特別是外延生長)任何半導體結(jié)構(gòu)體或器件。由于切片的初始厚度已經(jīng)小于比現(xiàn)有技術(shù)已知的晶片化方法中使用的切片，因此，與現(xiàn)有技術(shù)已知的方法相比，任何進一步拋光步驟可以是最優(yōu)化的，并且使得初始單晶材料的損耗減小。
[0024]優(yōu)選地，上述方法可進一步包括對偽襯底的邊緣進行斜切(chamfer)和/或在偽襯底中切割平面(flat)或槽口(notch)的步驟。
[0025]由于偽襯底可有利地以類似于現(xiàn)有技術(shù)已知晶片的方式使用，因而偽襯底可選地還可以進行斜切，并且偽襯底的自由單晶表面上可以形成平面或槽口，從而例如標記晶體平面取向。不過，這些步驟僅在薄切片已經(jīng)與操作襯底附接時才進行。
[0026]有利地，對于2英寸的直徑而言，薄切片的厚度可以大致等于或小于300 μπι。與本領域已知的方法相比，本發(fā)明具有下述優(yōu)點:單晶材料的初始厚