用于处理具有由半导体材料制成的表面的衬底的方法与流程

本发明涉及一种用于处理具有由半导体材料（尤其单晶半导体材料）制成的表面的衬底的方法。所述处理方法包括表面稳定化步骤和热处理步骤。本发明还涉及一种用于制造半导体结构的方法，所述方法包括稳定半导体材料（尤其单晶半导体材料）表面的步骤，以及对所述表面进行热处理的步骤。

背景技术：

1、半导体材料（特别是碳化硅（sic））被广泛用于制造电子功率元件或射频元件。在某些应用中，会使用大块单晶sic衬底、包括单晶sic表面层的衬底，或包含其他半导体材料（如氮化铝（aln）、氮化镓（gan）、这些氮化物的合金、磷化铟（inp）或砷化镓（gaas））的衬底。在某些情况下，半导体衬底或层是多晶的。

2、用于电子应用的衬底在其制造过程中通常需要进行热处理（例如退火），以消除离子物种注入过程中产生的晶格缺陷或改变衬底的晶体结构。这些处理通常在可高达2000°c的高温下进行。

3、然而，所考虑的半导体材料表面在高温作用下容易变得不稳定。这种不稳定可能表现为表面的劣化，尤其是其形态和/或组成的变化。

4、特别地，如图1所示，光滑的sic表面对高温（通常为约1300°c以上）下的处理是敏感的。在未对所述表面提供充分保护的情况下，形态会重组以使表面能最小化，从而形成阶梯。这种现象被称为“台阶聚集”。表面222的重组是由于该表面在暴露于高温时表面原子发生扩散所致。这还取决于表面所暴露的大气环境和压力。这还取决于该表面相对于半导体材料晶体高对称轴的取向偏离角度。这种取向偏离用于在随后的单晶sic外延生长过程中便于控制sic的4h多型体，并避免在单晶sic生长过程中发生多型体转变。通常选择4°的角度进行此类外延工艺。然而，倾斜角度越大，阶梯之间的台阶就越高。

5、此类取向偏离也可以自发地出现在多晶sic表面上，该表面上晶粒的取向是随机的。

6、其他半导体材料的表面可以具有相同类型的台阶。在包含gan的表面上，当暴露于高温时，可在表面上观察到镓珠。

7、因此，为了获得光滑的表面，应尽量避免形成阶梯，或在后续步骤中将其去除，并在适当情况下避免出现镓珠或其他材料的珠状物。

8、例如，热处理之后可以进行机械抛光或化学机械抛光（cmp）。然而，如果形成的阶梯高度过大（例如，两个连续板之间大于80 nm），则需要去除的厚度过大，这意味着工艺过程会漫长且费力。此外，剩余的厚度对于预期应用而言往往过薄。

9、j. bao等人的文章提出使用极快的退火速度来限制阶梯的出现。该方法需要温度以每分钟约400°c极快速升高，因此不适用于工业炉。

10、或者，可以施加硅烷过压，以限制sic中硅的升华，从而防止阶梯的形成。该方法在r. zhang等人的文章中有所描述。然而，这需要引入sih4气体，并配备产生过压的设备。此外，在高于1600°c的温度下，可在sic表面上发现硅液滴。

11、用于避免形成阶梯的另一种可能的方法是使用保护层，通常为约1 µm厚的碳膜。该技术在成型过程中增加了额外步骤，例如沉积树脂、在600°c和1000°c之间的温度下对所述树脂进行碳化，并使用了附加设备，同时存在树脂污染衬底和炉的风险。此外，树脂沉积和去除微米级碳层是耗时且成本高昂的步骤。

12、在某些情况下，保护层也可以由氮化铝（aln）形成。然而，这种材料难以去除，特别是在高温热处理之后。

13、炉内气氛中氧气的存在可以限制阶梯的形成，但也存在在表面上形成坑洼的风险，这些坑洼不利于外延生长的恢复。此外，高温炉通常包括石墨元件，所述石墨元件在退火过程中对氧气的存在是敏感的。

技术实现思路

1、本发明的一个目的是提供一种用于处理具有由半导体材料制成的表面的衬底的方法，所述方法包括使所述表面稳定的步骤和热处理步骤。该方法旨在通过易于操作的步骤，避免在热处理过程中形成阶梯和/或珠状物。稳定化步骤必须易于融入用于制造包括由半导体材料制成的表面的衬底的方法中，且不得存在污染该衬底的任何风险。

2、为此，本发明提出了一种用于处理具有由半导体材料（尤其单晶半导体材料）制成的自由表面的衬底的方法，所述方法包括用于稳定所述表面以防止形成阶梯和/或珠状物的工艺，所述工艺包括：

3、ｏ 在高于700°c，优选高于800°c，且严格低于1000°c，优选低于950°，更优选低于900°c的温度下，在所述表面上通过气相形成玻璃碳层，以及

4、ｏ 在使所述表面稳定之后，对所述衬底进行热处理，其中玻璃碳层限制了表面重组成阶梯状的半导体材料，

5、沉积碳层和热处理在同一炉内进行。

6、在700°c和1000°c之间的温度下形成碳层，使得半导体材料的表面粗糙度远低于高温下进行的稳定化处理的情况。此外，在这些条件下，在碳层生长及后续的退火工艺中，在半导体材料的表面上形成的碳颗粒的密度和尺寸可能会减小。

7、优选地，玻璃碳层的形成在0.1 kpa和100 kpa之间的气压下进行。

8、有利地，碳层的形成在包含碳基气体和载气的气流中进行，所述载气优选为氩气。

9、有利地，碳基气体为丙烷。

10、优选地，玻璃碳层的形成在碳基气体的分压在0.1 kpa和1 kpa之间的情况下进行。

11、半导体材料可以为碳化硅。

12、有利地，碳层的厚度小于或等于100 nm。

13、在某些实施方案中，炉包括内壁和支撑元件，所述支撑元件配置为固定至少一个衬底，所述内壁、所述支撑元件以及炉内的气体具有相同的温度。

14、有利地，炉具有至少一个碳内壁。

15、炉可以包括多个衬底，所述衬底包括所述半导体材料的表面，所述衬底竖直叠加，在两个相邻衬底之间设有竖直间隙，在每个所述衬底的半导体材料的表面上均形成有碳层。

16、至少部分热处理可在高于1500°c的温度下进行。

17、优选地，在热处理之后，所述方法还包括通过化学机械抛光和/或反应性离子刻蚀和/或等离子体刻蚀来去除碳层的步骤。

18、本发明还涉及一种用于制造半导体结构的方法，所述方法包括以下步骤：

19、ｏ 通过向由半导体材料（尤其单晶半导体材料）制成的供体衬底中注入离子物种来形成脆化区，

20、ｏ将所述供体衬底与支撑衬底结合，

21、ｏ沿脆化区剥离供体衬底，从而将半导体材料层转移到支撑衬底上，

22、ｏ进行如上所述的处理方法，以修复离子物种注入过程中在半导体材料层中产生的缺陷，其中在转移到支撑衬底上的半导体材料层的自由表面上形成碳层。

1.一种衬底的处理方法，所述衬底具有由半导体材料，尤其单晶半导体材料制成的自由表面，所述方法包括用于稳定所述表面以防止形成阶梯和/或珠状物的工艺，所述工艺包括：

2.根据前一权利要求所述的处理方法，其中，玻璃碳层（30）的形成在0.1 kpa和100kpa之间（在1毫巴至1巴之间）的气压下进行。

3.根据前述权利要求中任一项所述的处理方法，其中，碳层的形成在包含碳基气体和载气的气流中进行，所述载气优选为氩气。

4.根据权利要求3所述的处理方法，其中，所述碳基气体为丙烷。

5.根据权利要求3和4连同权利要求2任一项所述的处理方法，其中，玻璃碳层（30）的形成在碳基气体的分压在0.1 kpa和1 kpa之间（1毫巴和10毫巴之间）的情况下进行。

6.根据前述权利要求中任一项所述的处理方法，其中，所述半导体材料为碳化硅。

7.根据前述权利要求中任一项所述的处理方法，其中，碳层（30）的厚度小于或等于100nm。

8.根据前述权利要求中任一项所述的处理方法，其中，炉（70）包括内壁（75）和支撑元件，所述支撑元件配置为固定至少一个衬底（10），所述内壁（75）、所述支撑元件以及炉（70）内的气体具有相同的温度。

9.根据前述权利要求中任一项所述的处理方法，其中，炉（70）具有至少一个由碳制成的内壁（75）。

10.根据前述权利要求中任一项所述的处理方法，其中，炉（70）包括多个衬底，所述衬底包括所述半导体材料的表面，所述衬底竖直叠加，在两个相邻衬底之间设有竖直间隙，在每个所述衬底的半导体材料的表面上均形成有碳层（30）。

11.根据前述权利要求中任一项所述的处理方法，其中，至少部分热处理在高于1500°c的温度下进行。

12.根据前述权利要求中任一项所述的处理方法，在热处理之后，所述处理方法还包括通过化学机械抛光（cmp）和/或反应性离子刻蚀和/或等离子体刻蚀去除碳层（30）的步骤。

13.用于制造半导体结构的方法，所述方法包括以下步骤：