СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СОСТАВНОЙ ПОДЛОЖКИ ИЗ SIC
METHOD OF MAKING COMPOSITE SUBSTRATE FROM SIC

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение относится к способу изготовления составной подложки из карбида кремния (SiC) с монокристаллическим слоем SiC на поликристаллической подложке из SiC, причем данную составную подложку можно использовать при изготовлении мощных полупроводниковых приборов, таких как диоды с барьером Шоттки, pn-диоды, pin-диоды, полевые транзисторы и биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), используемые для регулирования питания при высоких температурах, частотах и уровнях мощности, и при выращивании нитрида галлия, алмаза и наноуглеродных тонких пленок.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0002] Подложки из монокристаллического кремния в настоящее время широко используются в качестве подложек для полупроводников. Однако, их характеристики не всегда делают их пригодными для последних тенденций по использованию повышенных выдерживаемых напряжений и повышенных частот. Следовательно, хотя это и дорого, использование должно начаться с изготовления подложек из монокристаллического SiC и монокристаллического GaN. Например, при применении полупроводниковых приборов с карбидом кремния (SiC), который является полупроводниковым материалом с более широкой запрещенной зоной, чем у кремния (Si), для построения силовых преобразователей, таких как инверторы и преобразователи переменного тока в постоянный, было достигнуто снижение потерь мощности, недостижимое с полупроводниковыми приборами, в которых использован кремний. По сравнению с более ранним уровнем техники, использование полупроводниковых приборов на основе SiC снижает потери, связанные с преобразованием мощности, и обеспечивает более низкую массу, меньший размер и высокую надежность преобразователей мощности. Подложки из монокристаллического SiC также находятся в стадии исследования в качестве исходных материалов для наноуглеродных тонких пленок (включая графен) в качестве материала для устройств следующего поколения.
[0003] Типичными способами изготовления таких монокристаллических подложек из SiC и монокристаллических подложек из GaN являются следующие. (1) Монокристаллические подложки из SiC получают с использованием процесса возгонки SiC, который позволяет выращивать зародышевые кристаллы при возгонке SiC путем воздействия на порошок высокочистого SiC повышенной температурой в по меньшей мере 2000°C. (2) Монокристаллические подложки из GaN получают способом, который позволяет выращивать зародышевые кристаллов GaN в высокотемпературной атмосфере аммиака высокого давления, или путем дополнительного вызывания гетероэпитаксиального роста GaN на подложке из сапфира или монокристаллического SiC. Однако, поскольку эти способы изготовления осуществляются при крайне требовательных условиях и сложны, качество и выход подложек неизбежно низки, приводя к очень высокой стоимости подложек, что препятствует их коммерциализации и широкому применению.
[0004] Толщина подложки, на которой функции прибора фактически проявляются на этих подложках, в каждом случае составляет 0,5-100 мкм. Остальная часть толщины выполняет в первую очередь механическую удерживающую/защитную функцию при обращении с подложкой; то есть, она служит в первую очередь в качестве несущего элемента (подложки).
2
2
3
2
3
3
4
[0005] В последнее время были исследованы подложки, в которых монокристаллический слой SiC, у которого уровень позволяющей обращаться с ним толщины относительно тонок, присоединен к поликристаллической подложке из SiC через промежуточную керамику, такую как SiO, AlO, ZrO, SiN или AlN, или промежуточный металл, такой как кремний, титан, никель, медь, золото, серебро, кобальт, цирконий, молибден или олово. Однако, когда промежуточным материалом для присоединения монокристаллического слоя SiC и поликристаллической подложки из SiC является первое (т.е. керамика), тот факт, что этот материал является изолятором, делает затруднительным получение электродов одновременно с изготовлением прибора; когда промежуточным материалом является последний (т.е. металл), металлические примеси загрязняют прибор и приводят к ухудшению его характеристик, что является невыгодным.
[0006] До сих пор были описаны различные приемы, предназначенные для ослабления этих недостатков. Например, в патенте № JP 5051962 (патентный документ 1) раскрыт способ, который включает в себя соединение, по поверхностям оксида кремния, исходной подложки, которая является несущей на себе тонкую пленку оксида кремния монокристаллической подложкой из SiC, которая была подвергнута ионной имплантации водородом или т.п., с промежуточной опорой (несущей подложкой) из поликристаллического нитрида алюминия со сформированным на ее передней стороне оксидом кремния, тем самым перенося тонкую пленку монокристаллического SiC на поликристаллический нитрид алюминия (промежуточную опору), с последующим осаждением на нее поликристаллического SiC и затем помещением заготовки в ванну HF для растворения и отделения поверхностей из оксида кремния. Однако, как правило, поскольку поверхности из оксида кремния очень тесно и сильно связаны друг с другом, HF нелегко проникает по всей площади поверхностей оксида кремния, особенно в их центральных частях, в результате чего отделение происходит трудно и занимает избыточное количество времени, вызывая очень плохую производительность. Другая проблема состоит в том, что при изготовлении составной подложки из SiC большого диаметра с использованием данного изобретения возникает большая степень коробления, вызванная разностью между коэффициентами термического расширения у осажденного слоя поликристаллического SiC и у нитрида алюминия (промежуточной опоры).
[0007] В JP-A 2015-15401 (патентном документе 2) для подложек, поверхности которых сложно подвергать планаризации, раскрыт способ, в котором поверхность несущей поликристаллический SiC подложки подвергают аморфной модификации, без образования оксидной пленки, посредством пучка быстрых атомов, и поверхность монокристаллического SiC также подвергают аморфной модификации, после чего обе поверхности приводят в контакт и осуществляют термическую сварку, тем самым накладывая слой монокристаллического SiC на несущую поликристаллический SiC подложку. Однако, в данном способе пучок быстрых атомов изменяет не только отслоенную границу монокристаллического SiC, но и внутренность кристалла. В результате этот монокристаллический SiC даже при последующей термообработке нелегко восстановить до высококачественного монокристаллического SiC; следовательно, при использовании в подложке прибора, шаблоне или т.д., получение прибора с высокими характеристиками или высококачественной эпитаксиальной пленкой SiC затруднено.
[0008] В дополнение к этим недостаткам, для соединения монокристаллического SiC с поликристаллическим SiC несущей подложки в предшествующем уровне техники соединяемая поверхность должна была обладать гладкостью, соответствующей шероховатости поверхности (среднеарифметической шероховатости поверхности Ra) в 1 нм или менее. Кроме того, SiC, как известно, является следующим по сложности труднообрабатываемым на станке материалом после алмаза. Даже если поверхность монокристаллического SiC была подвергнута аморфной модификации, последующие процессы сглаживания, такие как шлифовка, полировка или химико-механическая полировка (ХМП) занимают крайне длительное время, делая повышенную стоимость неизбежной. Более того, поскольку поликристаллические материалы имеют межзеренные границы, осуществление аморфизации с помощью пучков быстрых атомов для достижения внутриплоскостной однородности затруднено, приводя к проблемам, связанным с прочностью сцепления и короблением, что создает серьезные препятствия для коммерциализации.
ДОКУМЕНТЫ УРОВНЯ ТЕХНИКИ
[0009] ПАТЕНТНЫЕ ДОКУМЕНТЫ
Патентный документ 1: JP 5051962
Патентный документ 2: JP-A 2015-15401
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ТЕХНИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА
[0010] Как было описано выше, в уровне техники существуют большие проблемы, препятствующие коммерциализации составных подложек из SiC, включая их высокую стоимость, возникающую вследствие плохой кристалличности монокристаллического SiC и сложного способа изготовления, и их неприменимость в прецизионных процессах полупроводникового производства ввиду сильного коробления составной подложки из SiC.
[0011] Настоящее изобретение было создано при вышеуказанных обстоятельствах. Задачей данного изобретения является обеспечение способа изготовления составных подложек из SiC, который прост и удобен и пригоден для получения составных подложек из SiC с монокристаллическим слоем SiC, обладающим хорошей кристалличностью и слабым короблением.
РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ
[0012] Для решения этой задачи изобретение предлагает следующий способ получения составных подложек из SiC.
[1] Способ изготовления составной подложки из SiC, содержащей монокристаллический слой SiC на поликристаллической подложке из SiC, причем способ содержит следующие этапы в таком порядке: обеспечение монокристаллического слоя SiC на передней стороне опорной подложки, которая выполнена из кремния и имеет пленку оксида кремния на передней и задней своих сторонах, с получением носителя монокристаллического слоя SiC; удаление некоторой части или всей толщины пленки оксида кремния по некоторой области или всей задней стороне опорной подложки в носителе монокристаллического слоя SiC с тем, чтобы придать коробление носителю монокристаллического слоя SiC; осаждение поликристаллического SiC на монокристаллический слой SiC путем химического осаждения из паровой фазы с образованием поликристаллической подложки из SiC; и физическое и/или химическое удаление опорной подложки.
[2] Способ изготовления составной подложки из SiC по пункту [1], в котором пленка оксида кремния опорной подложки представляет собой термооксидную пленку.
[3] Способ изготовления составной подложки из SiC по пункту [1] или [2], в котором некоторую часть или всю пленку оксида кремния по всей задней стороне опорной подложки в носителе монокристаллического слоя SiC удаляют химическим травлением.
[4] Способ изготовления составной подложки из SiC по любому из пунктов [1]-[3], в котором монокристаллический слой SiC обеспечивают путем перенесения на опорную подложку монокристаллической тонкой пленки SiC, отслоенной от монокристаллической подложки из SiC путем расслаивания с помощью ионной имплантации.
[5] Способ изготовления составной подложки из SiC по любому из пунктов [1]-[3], в котором монокристаллический слой SiC обеспечивают путем гетероэпитаксиального выращивания SiC на опорной подложке.
[6] Способ изготовления составной подложки из SiC по любому из пунктов [1]-[5], в котором составная подложка из SiC имеет величину прогиба, которая задана в диапазоне от -50 мкм до +50 мкм.
ВЫГОДНЫЕ ЭФФЕКТЫ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0013] Данное изобретение, за счет удаления некоторой части или всей толщины пленки оксида кремния по некоторой области или всей задней стороне опорной подложки в носителе монокристаллического слоя SiC для того, чтобы придать коробление носителю монокристаллического слоя SiC, а затем осаждения на него поликристаллического SiC с образованием поликристаллической подложки из SiC, способно устранить коробление из-за напряжения (термического напряжения и внутреннего напряжения), вызванного поликристаллической подложкой из SiC, короблением, приданным носителю монокристаллического слоя SiC, таким образом обеспечивая возможность получения составных подложек из SiC превосходной формы.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0014] [ФИГ. 1] ФИГ. 1 представляет собой диаграмму, показывающую технологические операции в варианте воплощения способа изготовления составной подложки из SiC согласно изобретению.
[ФИГ. 2] ФИГ. 2 показывает принципиальные схемы, отображающие способ измерения величины прогиба в подложке.
[ФИГ. 3] ФИГ. 3 представляет собой график, показывающий соотношение между количеством оксидной пленки, удаляемой с задней стороны носителя монокристаллического слоя SiC в опытном примере 1, и величиной прогиба в носителе монокристаллического слоя SiC.
[ФИГ. 4] ФИГ. 4 представляет собой график, показывающий соотношение между количеством оксидной пленки, удаляемой с задней стороны носителя монокристаллического слоя SiC в опытном примере 1, и величиной прогиба в составной подложке из SiC.
ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ
[0015] Авторы изобретения осуществили следующие исследования для решения вышеуказанных проблем. То есть, поскольку обычно можно эпитаксиально выращивать слой SiC, нет проблем с получением высококачественного монокристаллического слоя SiC, служащего в качестве зародыша, который должен быть тонким. Поэтому можно подумать, что цены можно сильно снизить путем отслаивания тонкой пленки от объемной пластины из монокристаллического SiC и ее перенесения на нижележащую опорную пластину. Однако, поскольку процессы изготовления приборов с использованием традиционных подложек из SiC достигают температур 1800°C, опорная пластина должна быть выполнена из материала, который может выдержать такие повышенные температуры и которому, более того, не страшно загрязнение металлами. В свете этого представляется наиболее подходящим, чтобы опорной пластиной была подложка из поликристаллического SiC. В этом случае, учитывая, что как тонкая пленка, так и опорная пластина выполнены из SiC, таких проблем, как коробление и растрескивание, вызванные разностью в коэффициентах термического расширения, также можно избежать. Здесь процесс соединения понимается как способ пакетирования тонкой пленки монокристаллического SiC и поликристаллической подложки из SiC, хотя соединение требует сглаживания поверхности поликристаллической подложки из SiC на атомном уровне (порядка ангстремов). Однако, в поликристаллических подложках из SiC границы кристаллических зерен (межзеренные границы) и ориентации кристаллов расположены случайным образом, что делает сглаживание на атомном уровне крайне затруднительным. Поэтому авторы изобретения разработали следующий способ изготовления составных подложек из SiC.
[0016] Этот способ изготовления представляет собой способ изготовления составной подложки из SiC, имеющей монокристаллический слой SiC на поликристаллической подложке из SiC, и характеризуется обеспечением монокристаллического слоя SiC на одной стороне опорной подложки из кремния с получением носителя монокристаллического слоя SiC, последующим осаждением поликристаллического SiC на монокристаллический слой SiC методом химического осаждения из паровой фазы с получением слоистой структуры с SiC, состоящей из наслоенных на опорную подложку монокристаллического слоя SiC и поликристаллической подложки из SiC, а затем физическим и/или химическим удалением опорной подложки.
[0017] При этом, поскольку выполненная из кремния (Si) подложка обладает механической прочностью, и ее физическое и/или химическое удаление (т.е. сошлифовывание или химическое травление) осуществлять легко, она является подходящей для использования в качестве опорной подложки в изобретенном способе изготовления. Опорная подложка может представлять собой либо поликристаллическую кремниевую пластину, либо монокристаллическую кремниевую пластину. В случаях, когда в качестве опорной подложки используется монокристаллическая кремниевая пластина, доступность высококачественных подложек большого диаметра по низкой стоимости также позволяет снизить расходы на производство составных подложек из SiC. В качестве альтернативы, также можно гетероэпитаксиально выращивать монокристаллический кубический SiC на монокристаллической Si-ой пластине. Это устраняет необходимость в этапах присоединения и расслаивания монокристаллической подложки из SiC, что дает возможность получать составные подложки из SiC большого диаметра при более низкой стоимости, чем серийно выпускаемые объемные пластины SiC.
[0018] При таком способе изготовления составных подложек из SiC опорная подложка представляет собой не сложную для обработки подложку из AlN, а легкую для обработки подложку из Si, а значит, механическую и химическую обработку можно осуществлять значительно проще. Поэтому опорную подложку можно легко удалять путем простой и удобной шлифовки или полировки, или путем недорогой обработки методом химического травления KOH, HF или т.п., что устраняет необходимость в повторном использовании/введении в оборот трудоемкого и дорогостоящего AlN, как в патентном документе 1, и дает возможность получать высококачественные составные подложки из SiC с низкой стоимостью.
[0019] Однако, поскольку опорная подложка из кремния обладает коэффициентом термического расширения, который отличается от коэффициента термического расширения монокристаллического слоя SiC или поликристаллической подложки из SiC (в частности, SiC обладает более высоким коэффициентом термического расширения, чем Si), и, более того, поскольку в поликристаллической подложке из SiC, образованной химическим осаждением из паровой фазы, склонно накапливаться внутреннее напряжение, в содержащей опорную подложку слоистой структуре легко возникает коробление (в частности, при возвращении слоистой структуры к комнатной температуре, центральная часть подложки в слоистой структуре с SiC имеет тенденцию становиться выгнутой вниз). Когда такое коробление возникает в ходе изготовления и остается неисправленным, форма составной подложки из SiC в итоге отражает такое коробление, и поэтому плоская подложка не получается. Когда составная подложка из SiC не имеет плоскостности, не только сложно обращаться с составной подложкой из SiC на последующих этапах, но и становится более сложным изготовление прецизионных приборов с элементами уменьшенных размеров. Например, использование фотолитографических процессов при изготовлении приборов становится затруднительным, что препятствует коммерциализации составной подложки из SiC.
[0020] Авторы изобретения провели различные исследования по этой проблеме коробления, вследствие чего им стало понятно, что когда в ходе получения составной подложки из SiC осаждают поликристаллический SiC на носитель монокристаллического слоя SiC, возникает термическое напряжение, вызванное разностью в коэффициентах термического расширения между носителем монокристаллического слоя SiC (причем носитель монокристаллического слоя SiC нанесен на опорную подложку из кремния) и поликристаллическим SiC, и внутреннее напряжение, происходящее из самой пленки, полученной химическим осаждением из паровой фазы, приводящие к появлению коробления в составной подложке из SiC. Более того, при дальнейшем исследовании они обнаружили, что, когда носителю монокристаллического слоя SiC придают коробление, подходящим образом снимая напряжение, которое возникает в ходе осаждения поликристаллического SiC, и осаждая поликристаллический SiC до толщины, пригодной для выдерживания этого напряжения, может быть получена составная подложка из SiC, в которой практически отсутствует коробление. Авторы изобретения провели еще более интенсивные исследования, исходя из этой обнаруженного факта, и усовершенствовали разработанный выше способ изготовления составной подложки из SiC путем добавления к нему конкретных этапов, придя в итоге к настоящему изобретению.
[0021] То есть, изобретенный способ изготовления составных подложек из SiC представляет собой способ изготовления составной подложки из SiC, имеющей монокристаллический слой SiC на поликристаллической подложке из SiC, причем данный способ характеризуется тем, что включает следующие этапы, в таком порядке: обеспечение монокристаллического слоя SiC на передней стороне опорной подложки, которая выполнена из кремния и имеет пленку оксида кремния на передней и задней своих сторонах, с получением носителя монокристаллического слоя SiC; удаление некоторой части или всей толщины пленки оксида кремния по некоторой области или всей задней поверхности опорной подложки в носителе монокристаллического слоя SiC с тем, чтобы придать коробление носителю монокристаллического слоя SiC; осаждение поликристаллического SiC на монокристаллический слой SiC путем химического осаждения из паровой фазы с формированием поликристаллической подложки из SiC; и физическое и/или химическое удаление опорной подложки.
[0022] Пленка оксида кремния опорной подложки предпочтительно представляет собой термооксидную пленку. Толщина этой пленки оксида кремния должна иметь такой уровень, чтобы она позволяла регулировать коробление носителя монокристаллического слоя SiC.
[0023] Некоторая часть или вся толщина пленки оксида кремния по всей задней стороне опорной подложки в носителе монокристаллического слоя SiC может быть удалена путем химического травления. Является предпочтительным подходящим образом регулировать удаляемое количество пленки оксида кремния (величину снижения толщины) до такого уровня, чтобы устранить внутреннее напряжение в поликристаллической подложке из SiC и коробление слоистой структуры с SiC. В этом случае величину прогиба в составной подложке из SiC можно отрегулировать в диапазоне от -50 мкм до +50 мкм. При величине прогиба в составной подложке 10 из SiC в этом диапазоне составная подложка 10 из SiC может быть без труда зафиксирована вакуумным или электростатическим держателем в производственном оборудовании в ходе процесса изготовления полупроводникового прибора.
[0024] Является предпочтительным обеспечить промежуточную тонкую пленку из оксида кремния, нитрида кремния или оксинитрида кремния (также называемую переходной пленкой) между опорной подложкой с пленкой оксида кремния и монокристаллическим слоем SiC. Эта тонкая пленка не только сильно связывает монокристаллический слой SiC с опорной подложкой, но и ей может быть придана функция останавливающего травление слоя, когда, после того как большая часть опорной подложки из кремния была удалена путем шлифования или т.п., удаляют химическим травлением то, что осталось от опорной подложки. Также, осуществляя обработку химическим травлением таким образом, что травитель, такой как HF, входит в непосредственный контакт со всей поверхностью промежуточного слоя в ходе удаления опорной подложки, промежуточный слой может быть легко и равномерно удален полностью. В результате получают поверхность монокристаллического слоя SiC в очень гладком и чистом состоянии.
[0025] Также, в этом способе изготовления составной подложки из SiC является предпочтительным переносить на опорную подложку и тем самым обеспечивать тонкую пленку монокристаллического SiC, которая была отслоена от монокристаллической подложки из SiC с помощью процесса ионной имплантации. В качестве альтернативы, тонкая пленка монокристаллического SiC может быть обеспечена на опорной подложке путем гетероэпитаксиального выращивания SiC. Таким путем, путем одиночного расслаивания за счет обработки ионной имплантацией или путем гетероэпитаксиального выращивания можно получить монокристаллический слой SiC, который обладает минимальной требуемой толщиной пленки и определяет характеристики составной подложки из SiC, позволяя составной подложке из SiC иметь исключительные характеристики при экономически выгодном ее изготовлении.
[0026] Является предпочтительным использовать в качестве средства формирования поликристаллического подложки из SiC химическое осаждение из паровой фазы (CVD), а более предпочтительным - термохимическое осаждение из паровой фазы (термо-CVD). Поскольку поликристаллический SiC осаждают и формируют на монокристаллическом слое SiC, в отличие от уровня техники, нет необходимости в операции высокой планаризации, которая основана на шлифовании, полировании, ХМП или т.п. труднообрабатываемого материала SiC.
[0027] Как отмечено выше, перед осаждением поликристаллического SiC на монокристаллический слой SiC, путем удаления некоторой или всей толщины пленки оксида кремния по некоторой области или по всей задней стороне опорной подложки в носителе монокристаллического слоя SiC (т.е. стороне, противоположной той, которая несет монокристаллический слой SiC) и тем самым придания коробления носителю монокристаллического слоя SiC (например, коробления, ориентированного таким образом, что центральная часть подложки становится выгнутой вверх), поскольку это коробление ориентировано в противоположном направлении относительно коробления из-за поликристаллической подложки из SiC, которую формируют позднее (например, коробления, ориентированного таким образом, что центральная часть подложки становится выгнутой вниз), коробление носителя монокристаллического слоя SiC и коробление из-за происходящих от поликристаллической подложки из SiC напряжений (термического напряжения и внутреннего напряжения) нейтрализуют друг друга, обеспечивая легкое и удобное получение высококачественных составных подложек из SiC с небольшим короблением.
[0028] Вариант воплощения изобретенного способа изготовления составных подложек из SiC описан ниже со ссылкой на ФИГ. 1.
(Этап 1)
[0029] Сначала обеспечивают монокристаллическую подложку 12s из SiC, которую необходимо соединить с опорной подложкой 21. Монокристаллическую подложку 12s из SiC предпочтительно выбирают среди подложек, обладающих кристаллической структурой, то есть 4H-SiC, 6H-SiC или 3C-SiC. Размер монокристаллической подложки 12s из SiC и описанной далее опорной подложки 21 задан согласно таким факторам, как размер, требуемый для изготовления полупроводникового элемента или выращивания нитрида галлия, алмаза и наноуглеродной пленки, и стоимость. Также, монокристаллическая подложка 12s из SiC с толщиной, близкой к толщине подложки, указанной в стандартах SEMI или JEIDA, является предпочтительной с точки зрения удобства в обращении. Используемая здесь монокристаллическая подложка 12s из SiC может быть имеющимся в продаже продуктом, таким как монокристаллическая пластина из SiC, которую продают в промышленных масштабах для использования в силовых приборах. Предпочтительным является использование такой подложки, поверхность которой была окончательно отполирована путем химико-механической полировки (или выравнивания) и имеет плоскую и гладкую поверхность.
[0030] Является предпочтительным формирование специальной тонкой пленки 12a на по меньшей мере передней стороне монокристаллической подложки 12s из SiC, которая подлежит присоединению к опорной подложке 21 (ФИГ. 1A). Тонкая пленка 12a должна представлять собой диэлектрическую пленку, такую как пленка оксида кремния, пленка нитрида кремния или пленка оксинитрида кремния, обладающая толщиной от примерно 50 до примерно 600 нм. Эта тонкая пленка 12a не только способствует присоединению к опорной подложке 21, но и обладает эффектом подавления каналирования имплантированных ионов при обработке ионной имплантацией, которую осуществляют после этого. Тонкая пленка 12a может быть обеспечена вслед за описанной далее обработкой ионной имплантацией.
[0031] Для формирования тонкой пленки 12a может быть использован любой способ, при условии, что это будет способ формирования пленки, пригодный для формирования тонкой пленки 12a таким образом, чтобы она хорошо прилипала к монокристаллической подложке 12s из SiC. Например, пленка оксида кремния может быть сформирована путем плазмохимического осаждения из паровой фазы (PECVD) или термического окисления; пленка нитрида кремния или пленка оксинитрида кремния может быть сформирована путем напыления.
(Этап 2)
[0032] Далее обеспечивают опорную подложку 21 из кремния. Следует использовать, например, пластину поликристаллического Si или пластину монокристаллического Si.
[0033] Пленку 21a оксида кремния формируют как на передней, так и на задней сторонах опорной подложки 21 (ФИГ. 1B). При этом является предпочтительным, чтобы пленка оксида кремния на опорной подложке представляла собой термооксидную пленку. Пленка оксида кремния обладает одинаковой толщиной как на передней, так и на задней сторонах, причем толщина имеет такой уровень, который позволяет регулировать коробление носителя монокристаллического слоя SiC путем удаления пленки оксида кремния. Например, предпочтительна толщина 500-2000 нм.
(Этап 3)
[0034] Затем создают область 12i ионной имплантации путем имплантации ионов водорода или т.п. в образующую тонкую пленку 12a сторону монокристаллической подложки 12s из SiC (ФИГ. 1C).
+
+
2
[0035] При этом, в ходе ионной имплантации в монокристаллическую подложку 12s из SiC вводят заданную дозу по меньшей мере ионов водорода (H) или ионов молекулярного водорода (H), при энергии имплантируемых ионов, которая позволяет сформировать область 12i ионной имплантации на желаемую глубину от ее поверхности. Что касается используемых в это время условий, то энергия ионной имплантации должна быть задана так, чтобы можно было получить тонкую пленку желаемой толщины. Одновременно могут быть имплантированы ионы гелия, ионы бора и т.п.; могут быть использованы любые ионы, которые могут дать тот же эффект.
+
16
2
17
2
16
2
17
2
[0036] Доза ионов водорода (H), имплантированных в монокристаллическую подложку 12s из SiC, предпочтительно составляет от 1,0×10 атомов/см до 9,0×10 атомов/см. При менее чем 1,0×10 атомов/см может не произойти охрупчивание границы раздела. С другой стороны, при более чем 9,0×10 атомов/см иногда образуются пузырьки в ходе термообработки после присоединения, что приводит к переносу дефектов.
2
+
15
2
17
2
15
2
17
2
[0037] Когда в качестве имплантируемых ионов используют ионы молекулярного водорода (H), их доза предпочтительно составляет от 5,0×10 атомов/см до 4,5×10 атомов/см. При менее чем 5,0×10 атомов/см может не произойти охрупчивание границы раздела, тогда как при более чем 4,5×10 атомов/см иногда образуются пузырьки в ходе термообработки после присоединения, что приводит к переносу дефектов.
[0038] Глубина в области 12i ионной имплантации от поверхности подвергаемой ионной имплантации подложки (т.е. глубина ионной имплантации) соответствует желаемой толщине монокристаллической тонкой пленки SiC, обеспечиваемой на опорной подложке 21. Она, как правило, составляет от 100 до 2000 нм, предпочтительно от 300 до 500 нм, а более предпочтительно примерно 400 нм. Желательно, чтобы область 12i ионной имплантации (т.е. толщина распространения ионов) обладала толщиной, которая легко допускает расслаивание посредством механического воздействия или т.п.; эта толщина предпочтительно составляет от 200 до 400 нм, а более предпочтительно, примерно 300 нм.
(Этап 4)
[0039] Затем ту сторону монокристаллической подложки 12s из SiC, на которой была сформирована тонкая пленка 12a, и переднюю сторону опорной подложки 21, на которой была сформирована пленка 21a оксида кремния, соединяют между собой путем обработки поверхностей их взаимным активированием. В качестве поверхностно-активационной обработки может быть осуществлена плазменно-активационная обработка, вакуумная ионно-лучевая обработка или обработка погружением в озонированную воду.
[0040] Из них, при осуществлении плазменно-активационной обработки, монокристаллическую подложку 12s из SiC и/или опорную подложку 21, на которой была выполнена обработка согласно описанному выше этапу 3, загружают в вакуумную камеру и вводят в эту камеру плазмообразующий газ при пониженном давлении, после чего подложки в течение примерно 5-10 секунд подвергают воздействию высокочастотной плазмы при примерно 100 Вт, таким образом осуществляя плазменную активацию поверхности. В качестве плазмообразующего газа можно использовать газообразный кислород, газообразный водород, газообразный азот, газообразный аргон, их газовую смесь или смесь газообразного водорода и газообразного гелия.
[0041] В случае вакуумной ионно-лучевой обработки, активационную обработку осуществляют путем загрузки монокристаллической подложки 12s из SiC и/или опорной подложки 21 в высоковакуумную камеру и направления пучка ионов аргона или т.п. на подлежащие соединению поверхности.
[0042] В случае обработки погружением в озонированную воду, монокристаллическую подложку 12s из SiC и/или опорную подложку 21 погружают в озонированную воду (воду, в которой был растворен газообразный озон), тем самым активируя поверхности.
[0043] Эти поверхностно-активационные обработки можно осуществлять только на монокристаллической подложке 12s из SiC или только на опорной подложке 21, хотя предпочтительно такую обработку осуществляют и на монокристаллической подложке 12s из SiC, и на опорной подложке 21.
[0044] Поверхностно-активационную обработку можно осуществлять любым из вышеописанных способов или их сочетанием. Стороны монокристаллической подложки 12s из SiC и опорной подложки 21, где осуществляют поверхностно-активационную обработку, представляют собой те стороны на соответствующих подложках, где следует осуществлять присоединение, т.е. поверхность тонкой пленки 12a и переднюю сторону опорной подложки 21, где была образована пленка 21a оксида кремния.
[0045] Эти поверхности монокристаллической подложки 12s из SiC и опорной подложки 21, которые были подвергнуты поверхностно-активационной обработке (т.е. поверхность тонкой пленки 12a и поверхность пленки 21a оксида кремния на передней стороне опорной подложки 21) затем соединяют между собой в качестве связывающихся поверхностей.
[0046] После соединения друг с другом монокристаллической подложки 12s из SiC и опорной подложки 21 можно осуществлять термообработку, предпочтительно при температуре между 150 и 350°C, а более предпочтительно между 150 и 250°C, для повышения прочности связи на границе соединения между тонкой пленкой 12a и пленкой 21a оксида кремния. Поскольку в это время возникает коробление подложек из-за разности между коэффициентами термического расширения монокристаллической подложки 12s из SiC и опорной подложки 21, желательно минимизировать коробление за счет использования подходящей для соответствующих их материалов температуры. Хотя время термообработки в некоторой степени зависит также от температуры, предпочтительным является период времени от 2 до 24 часов.
[0047] Таким образом, тонкая пленка 12a и пленка 21a оксида кремния прилипают друг к другу и функционируют как переходный слой 13. Монокристаллическая подложка 12s из SiC и опорная подложка 21 крепко прилипают друг к другу через этот переходный слой, образуя соединенную подложку 13 (Этап 1D).
(Этап 5)
[0048] Что касается соединенной подложки 13, монокристаллическую тонкую пленку SiC, которая была отслоена от монокристаллической подложки 12s из SiC по области 12i ионной имплантации с приложением тепловой энергии или механической энергии к подвергнутой ионной имплантации части, переносят на опорную подложку 21.
[0049] В это время, поскольку тонкая пленка 12a и пленка 21a оксида кремния крепко прилипают друг к другу и, более того, поскольку тонкая пленка 12a и пленка 21a оксида кремния прочно прилипают соответственно к монокристаллической подложке 12s из SiC и опорной подложке 21, расслаивание не возникает в иных местах, кроме зоны расслаивания в области 12i ионной имплантации.
[0050] Используемый способ расслаивания может представлять собой, например, процесс термического расслаивания, который включает в себя нагрев соединенной подложки 13 до повышенной температуры, которая приводит к созданию под действием тепла мелких пузырьков ионно-имплантированного компонента в области 12i ионной имплантации, вызывая возникновение расслаивания и, тем самым, отделение от монокристаллической подложки 12s из SiC. В качестве альтернативы, может быть использован процесс механического расслаивания, в котором, при осуществлении низкотемпературной термообработки на уровне, который не вызывает термического расслаивания (например, при 500-900°C, а предпочтительно при 500-700°C), к одному торцу области 12i ионной имплантации применяют физическое воздействие (удар), вызывая механическое расслаивание и тем самым отделение от монокристаллической подложки 12s из SiC. Механическое расслаивание является более предпочтительным, поскольку поверхность переноса после переноса монокристаллической тонкой пленкой SiC обладает относительно низкой шероховатостью по сравнению с поверхностью, полученной термическим расслаиванием.
[0051] Вслед за обработкой расслаиванием можно осуществлять термообработку для повышения адгезии между монокристаллической тонкой пленкой SiC и опорной подложкой 21 путем нагрева носителя монокристаллической тонкой пленки SiC при температуре между 700 и 1000°C, т.е. более высокой, чем температура в ходе обработки расслаиванием, в течение времени нагрева от 1 до 24 часов.
[0052] Поверхность монокристаллической тонкой пленки SiC на опорной подложке 21 полируют до зеркального блеска с получением монокристаллического слоя 12 SiC, тем самым получая носитель 14 монокристаллического слоя SiC (ФИГ. 1E). В частности, монокристаллическую тонкую пленку SiC подвергают химико-механической полировке (ХМП), тем самым удаляя поврежденный вследствие ионной имплантации слой, а также осуществляя зеркальную полировку поверхности. Это можно осуществлять известным способом ХМП-полировки, используемым для выравнивания кремниевых пластин.
[0053] Монокристаллический слой 12 SiC представляет собой тонкую пленку из монокристаллического SiC, обладающую толщиной не более 5 мкм, предпочтительно не более 2 мкм, более предпочтительно по меньшей мере 100 нм и не более 1 мкм, еще более предпочтительно по меньшей мере 200 нм и не более 800 нм, а наиболее предпочтительно по меньшей мере 300 нм и не более 500 нм. При монокристаллическом слое SiC толщиной 5 мкм или менее, даже с учетом стоимости преобразования его в составную подложку, это экономически более выгодно, чем использование монокристаллической подложки из чистого SiC.
[0054] Монокристаллическую подложку 12s из SiC после расслаивания, снова подвергнув поверхность полировке, очистке и т.п., можно повторно использовать в качестве подложки для присоединения в том же способе изготовления носителя 14 монокристаллического слоя SiC.
(Этап 6)
[0055] Затем удаляют некоторую часть или всю толщину пленки 21a оксида кремния по некоторой области или по всей стороне опорной подложки 21 в носителе 14 монокристаллического слоя SiC, противоположной той, которая несет этот монокристаллический слой SiC (здесь противоположная сторона является задней, или обращенной вниз, стороной опорной подложки 21 на диаграмме), тем самым придавая коробление носителю 14' монокристаллического слоя SiC (ФИГ. 1F). На диаграмме 14' - это носитель монокристаллического слоя SiC после удаления пленки 21a оксида кремния, а 21a' - пленка оксида кремния после удаления.
[0056] При этом удаление пленки 21a оксида кремния можно осуществлять либо физическим способом, либо химическим способом, при условии, что этот способ пригоден для удаления одинаковой толщины пленки 21a оксида кремния. Например, некоторая или вся толщина пленки 21a оксида кремния по всей задней стороне опорной подложки 21 в носителе 14 монокристаллического слоя SiC может быть удалена путем химического травления. Предпочтительно подходящим образом регулировать удаляемое количество этой пленки 21a оксида кремния (величину снижения толщины) в соответствии с внутренним напряжением в поликристаллической подложке 11 из SiC и степенью коробления слоистой структуры с SiC до такого уровня, который нейтрализует их. В этом случае величину прогиба в составной подложке из SiC предпочтительно отрегулировать до диапазона от -50 мкм до +50 мкм, более предпочтительно от -30 мкм до +50 мкм, а еще более предпочтительно от 0 мкм до +30 мкм.
[0057] Удаление пленки 21a оксида кремния может быть осуществлено по всей задней стороне опорной подложки 21 или, в зависимости от морфологии или степени коробления в составной подложке 10 из SiC, может быть осуществлено лишь на некоторой области в конкретном местоположении на задней стороне опорной подложки 21.
[0058] В результате, носитель 14' монокристаллического слоя SiC несколько коробится выпуклостью в направлении, противоположном короблению, вызванному термическим напряжением и внутренним напряжением, за счет описанной далее поликристаллической подложки 11 из SiC (например, центральная часть подложки коробится выпуклостью в сторону монокристаллического слоя 12 SiC (верхнюю сторону)).
(Этап 7)
[0059] Затем, используя полученный носитель 14' монокристаллического слоя SiC, осаждают поликристаллический SiC на монокристаллический слой 12 SiC путем химического осаждения из паровой фазы с образованием поликристаллической подложки 11 из SiC, тем самым получая слоистую структуру 15 с SiC (ФИГ. 1G). Слоистая структура 15 с SiC здесь выполнена из пленки 21a' оксида кремния, тонкой пленки 12a, монокристаллического слоя 12 SiC и поликристаллической подложки 11 из SiC, наслоенных в этом порядке на опорную подложку 21.
[0060] В качестве процесса химического осаждения из паровой фазы здесь предпочтительно используют термохимическое осаждение из паровой фазы (термо-CVD). Условия термо-CVD могут быть условиями, обычно используемыми при формировании пленки осаждением поликристаллического SiC.
[0061] Поликристаллическая подложка 11 из SiC обладает толщиной, предпочтительно составляющей от 200 до 600 мкм, а более предпочтительно от 300 до 500 мкм. Функция в качестве опорной подложки легко достигается путем установления толщины равной по меньшей мере 200 мкм, а цены можно удержать путем установления толщины равной не более 600 мкм.
[0062] Поликристаллический SiC поликристаллической подложки 11 из SiC предпочтительно является кубическим (3C-SiC). Удельное электросопротивление может быть отрегулировано путем введения примесей в поликристаллическую подложку 11 из SiC. Таким образом, возможно подходящее использование в качестве подложки для вертикального силового полупроводникового прибора.
[0063] При возвращении слоистой структуры 15 с SiC к комнатной температуре после образования поликристаллической подложки 11 из SiC, с учетом термического напряжения от поликристаллической подложки 11 из SiC, которое возникает, поскольку SiC обладает более высоким коэффициентом термического расширения, чем Si, или внутреннего напряжения, которое возникает в поликристаллической подложке 11 из SiC в виде пленки, полученной осаждением из паровой фазы, слоистая структура 15 с SiC стремится принять форму, которая выгнута вниз в центральной части подложки (выгнута к задней поверхности опорной подложки 21 на диаграмме). Однако, благодаря короблению (выгнутой вверх форме в центральной части подложки), заранее приданному носителю 14' монокристаллического слоя SiC, эти напряжения нейтрализуются, подавляя общее коробление всей слоистой структуры 15 с SiC.
(Этап 8)
[0064] Затем опорную подложку 21 в полученной на этапе 7 слоистой структуре 15 с SiC физически и/или химически удаляют с получением составной подложки 10 из SiC (ФИГ. 1H). При этом, поскольку опорная подложка 21 выполнена из кремния, является предпочтительным удалять, например, большую часть опорной подложки 21 путем механической обработки, а затем селективно удалять оставшуюся опорную подложку 21, пленку 21a' оксида кремния и тонкую пленку 12a путем травления смесью азотной и фтороводородной кислот.
[0065] Таким образом может быть получена составная подложка 10 из SiC, в которой практически отсутствует коробление. В то же время, поликристаллическая подложка 11 из SiC выполнена из того же SiC, что и вышележащий монокристаллический слой 12 SiC. Учитывая, что монокристаллический слой 12 SiC и поликристаллическая подложка 11 из SiC обладают практически одинаковым коэффициентом термического расширения, появление коробления в составной подложке 10 из SiC подавляется при любой температуре.
(Этап 9)
[0066] Когда это необходимо, на монокристаллическом слое 12 SiC составной подложки 10 из SiC может быть сформирован эпитаксиальный слой 12' SiC (ФИГ. 1I). Следовательно, даже когда монокристаллический слой 12 SiC слишком тонок для использования в качестве активного слоя силового полупроводникового прибора, путем формирования эпитаксиального слоя 12' SiC заданной толщины можно получить составную подложку из SiC, адаптированную для изготовления силовых полупроводниковых приборов.
ПРИМЕРЫ
[0067] Изобретение проиллюстрировано более подробно ниже в виде опытного примера, хотя изобретение и не ограничено этим опытным примером. Коробление подложки измеряли как величину прогиба, используя интерферометр Физо с нормальным падением (Flat Master, от компании Corning Tropel Corporation). Как показано на ФИГ. 2, величины прогиба b1 и b2 были измерены как вертикальная разность между центральной и краевыми частями составной подложки 10 из SiC или носителя 14' монокристаллического слоя SiC. Когда центр подложки был выгнут вниз, как показано на ФИГ. 2A, вертикальная разность считалась отрицательной величиной; при выгибе вверх, как показано на ФИГ. 2B, вертикальная разность считалась положительной величиной. При измерении коробления и составная подложка 10 из SiC, и носитель 14' монокристаллического слоя SiC были ориентированы монокристаллическим слоем 12 SiC вверх (передней стороной).
[Опытный пример 1]
[0068] В этом опытном примере составную подложку из SiC получали следующим образом, согласно процедуре по вышеописанному варианту воплощения изобретения.
2
+
16
2
Сначала в качестве монокристаллической подложки 12s из SiC взяли монокристаллическую пластину 4H-SiC диаметром 3 дюйма. На одной ее стороне в качестве тонкой пленки 12a путем химического осаждения из паровой фазы сформировали пленку оксида кремния (пленку SiO) с толщиной 200 нм и отполировали ее (ФИГ. 1A). Сторону пластины со сформированной на ней тонкой пленкой 12a подвергли имплантации ионами H при энергии 100 кэВ и дозе 8,8×10 атомов/см (ФИГ. 1C).
Отдельно, в качестве опорной подложки 21 взяли монокристаллическую пластину из Si с толщиной 400 мкм и диаметром 3 дюйма, и на ее передней и задней сторонах сформировали пленку 21a оксида кремния до толщины 1,5 мкм термическим окислением (ФИГ. 1B).
Затем сторону монокристаллической подложки 12s из SiC со сформированной на ней пленкой оксида кремния и переднюю сторону опорной подложки 21 со сформированной на ней пленкой 21a оксида кремния подвергали каждую плазменно-активационной обработке, после которой стороны обеих подложках со сформированной на них пленкой оксида кремния соединяли друг с другом по принципу поверхность к поверхности, с образованием тем самым соединенной подложки 13 (ФИГ. 1D).
Соединенную подложку 13 затем подвергали термообработке при 750°C в течение 12 часов, после чего она была возвращена к комнатной температуре. Используя метод механического расслаивания, к области 12i ионной имплантации монокристаллической подложки 12s из SiC прикладывали механическое воздействие (удар) так, чтобы вызвать отслаивание монокристаллической тонкой пленки SiC от монокристаллической подложки 12s из SiC, и эту тонкую пленку переносили на опорную подложку 21. Поврежденный слой удаляли с поверхности этой монокристаллической тонкой пленки SiC, после чего поверхность отполировали, тем самым получив носитель 14 монокристаллического слоя SiC, в котором монокристаллический слой 12 4H-SiC с толщиной 600 нм опирается на опорную подложку 21 поверх переходной пленки оксида кремния (ФИГ. 1E). При одних и тех же условиях получили множество таких носителей 14 монокристаллических слоев SiC.
[0069] Затем всю поверхность пленки 21a оксида кремния на задней стороне опорной подложки 21 в этом носителе 14 монокристаллического слоя SiC, т.е. на стороне, противоположной той, которая несет на себе монокристаллический слой 12 SiC, погружали в 10%-ый по объему раствор HF и удаляли травлением (удаление оксидной пленки задней стороны). Время погружения в раствор HF регулировали так, чтобы менять величину удаления (величину снижения толщины) пленки 21a оксида кремния на задней стороне опорной подложки 21 до 0 нм (травления нет), 200 нм, 400 нм, 600 нм, 800 нм, 1000 нм, 1200 нм и 1400 нм. Величину удаления определяли по разности в толщине пленки до и после удаления пленки 21a оксида кремния, измеренной методом отражательной спектроскопии.
[0070] В Таблице 1 и на ФИГ. 3 показаны результаты, полученные при измерении коробления (величины прогиба) носителя 14' монокристаллического слоя SiC в это время. Когда величина удаления пленки 21a оксида кремния была 0 нм (травления нет), носитель 14 монокристаллического слоя SiC был плоским, практически без коробления. Степень коробления носителя 14 монокристаллического слоя SiC, делающая центральную часть подложки в нем изогнутой вверх, становился большей пропорционально повышению удаления пленки 21a оксида кремния.
[0071] Затем, после удаления этой оксидной пленки на задней стороне, осуществляли термо-CVD обработку на монокристаллическом слое 12 SiC носителя 14' монокристаллического слоя SiC при температуре 1300°C и давлении 17 Па, используя тетрахлорсилан и пропан в качестве источников пара, для осаждения поликристаллического SiC модификации 3C-SiC и образования поликристаллической подложки 11 из SiC толщиной 300 мкм, с получением тем самым слоистой структуры 15 с SiC (ФИГ. 1G). Опорную подложку 21 этой слоистой структуры 15 с SiC затем сошлифовывали фиксированным шлифовальным камнем. В частности, зернистость шлифовального камня последовательно изменяли в следующем порядке: #1000, #2500, #4000, и шлифование проводили до тех пор, пока опорной подложки 21 почти совсем не осталось. Затем удаляли пленку 21a' оксида кремния и тонкую пленку 12a путем травления водным раствором HF, тем самым получив составную подложку 10 из SiC, имеющую на поликристаллической подложке 11 из SiC монокристаллический слой 12 SiC со сверхчистой поверхностью (ФИГ. 1H).
[0072] Таблица 1 и ФИГ. 4 показывают результаты, полученные при измерении коробления (величины прогиба) у составной подложки 10 из SiC в это время. Очевидно, что когда величина удаления пленки 21a оксида кремния равна 0 нм (травления нет), составная подложка 10 из SiC является сильно покоробленной по форме, причем ее центральная часть изогнута вниз (величина прогиба -453 мкм). Однако, такое коробление ослабляется прямо пропорционально увеличению удаления пленки 21a оксида кремния в носителе 14' монокристаллического слоя SiC; было обнаружено, что составная подложка 10 из SiC достигает плоской формы без коробления (величина прогиба 0 мкм), когда величина удаления пленки 21a оксида кремния превышает 1000 нм.
[0073] В этом изобретении подходящая величина удаления пленки 21a оксида кремния на задней стороне носителя 14 монокристаллического слоя SiC не может быть строго определена, поскольку она изменяется, например, с толщиной поликристаллической подложки 11 из SiC, условиями CVD (температурой и т.д.) в ходе ее формирования и толщиной опорной подложки 21. Таким образом, необходимо каждый раз задавать условия в соответствии с используемыми материалами и технологическими параметрами.
[0074] [Таблица 1]
Количество оксидной пленки, удаленной с задней стороны (нм)
Величина прогиба (мкм)
Носитель монокристаллического слоя SiC
Составная подложка из SiC
0
15
-453
200
91
-377
400
222
-250
600
337
-155
800
366
-104
1000
445
-28
1200
503
61
1400
610
172
[0075] Изобретение было описано выше в виде варианта воплощения, показанного на диаграммах. Однако изобретение не ограничено показанным на диаграммах вариантом воплощения, и в пределах диапазона, понятного специалистам в данной области техники, возможны различные изменения, такие как другие варианты воплощения, добавления, изъятия и замены, постольку, поскольку все такие изменения демонстрируют действие и выгодные эффекты изобретения и охвачены объемом изобретения.
[0076] СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
10 - составная подложка из SiC;
11 - поликристаллическая подложка из SiC;
12 - монокристаллический слой SiC;
12a - тонкая пленка (переходный слой);
12i - область ионной имплантации;
12s - монокристаллическая подложка из SiC;
12' - эпитаксиальный слой SiC;
13 - соединенная подложка;
14, 14' - носитель монокристаллического слоя SiC;
15 - слоистая структура с SiC;
21 - опорная подложка;
21a, 21a' - пленки оксида кремния.