复合SiC外延片以及半导体器件的制作方法

复合sic外延片以及半导体器件
技术领域
1.本技术涉及半导体器件技术领域，更具体的说，涉及一种复合sic外延片以及半导体器件。


背景技术：

2.在碳中和的大背景下，电动汽车、轨道交通以及大规模长距离输电等大功率电力电子技术成为了国家重要的战略技术发展方向。传统的电力电子器件主要基于si材料发展而来，但因其材料本身物理性质的限制，在走向650v、1200v等大电压大功率应用场景时，基于si材料的器件出现了可靠性不足、体积大以及能耗高等问题。当应用场景逐步走向万伏级别应用时，si材料已经无法跟上需求，因此，需要一种具备更加宽的禁带以及更加稳定晶体结构的材料，来适配电力电子行业的技术发展。在此背景下，sic材料成为了功率器件材料的首选，受到广泛关注的同时，得到了长足的发展。
3.作为最重要的第三代半导体材料，相对于si材料，sic材料拥有更大的禁带宽度、更高的介电常数以及更高的导热效率，可以用更简单的结构以及更小的尺寸实现高电压高功率场景下的应用，因而受到了广泛的瞩目。
4.当前制造sic衬底和外延片的方法，受制于sic本身的特殊物理性质，需要极高的温度，极长的加工时间，及其精密的控制来实现，因而导致了其极高的技术门槛和居高不下的成本，阻碍了sic电力电子器件的广泛应用和发展。因此，一种低成本的sic晶圆衬底和外延解决方案，能够在保证sic材料质量的同时，大幅度降低材料成本，进而降低器件成本，具备非常重要的技术前景和商业价值。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本技术提供了一种复合sic外延片以及半导体器件，方案如下：
6.一种复合sic外延片，所述复合sic外延片包括：
7.基于预设半导体衬底形成的第一sic层，所述第一sic层为多晶sic外延层；
8.键合在所述第一sic外延层表面上的第二sic层，所述第二sic层为单晶sic薄片。
9.优选的，在上述复合sic外延片中，所述复合sic外延片包括所述半导体衬底，所述半导体衬底具有第一表面；
10.其中，所述第一sic层生长在所述第一表面上；所述第二sic层位于所述第一sic层背离所述半导体衬底的一侧表面。
11.优选的，在上述复合sic外延片中，所述半导体基底为si衬底。
12.优选的，在上述复合sic外延片中，所述si衬底的厚度不超过650μm。
13.优选的，在上述复合sic外延片中，所述半导体衬底在键合所述第二sic层后减薄去除。
14.优选的，在上述复合sic外延片中，所述第一sic层的厚度不超过100μm。
15.优选的，在上述复合sic外延片中，所述第二sic层的厚度范围是1μm-20μm。
16.优选的，在上述复合sic外延片中，所述第二sic层由单晶sic衬底基于所述单晶sic衬底表面内的离子注入层剥离的单晶sic薄片。
17.优选的，在上述复合sic外延片中，所述复合sic外延片还包括：
18.生长在所述第二sic层背离所述第一sic层一侧表面上的第三sic层；
19.其中，所述第三sic层为单晶sic外延层。
20.本技术还提供了一种半导体器件，所述半导体器件包括：
21.上述任一项所述的复合sic外延片。
22.通过上述描述可知，本技术技术方案提供的复合sic外延片以及半导体器件中，所述复合sic外延片包括：基于预设半导体衬底形成的第一sic层，所述第一sic层为多晶sic外延层；键合在所述第一sic外延层表面上的第二sic层，所述第二sic层为单晶sic薄片。本技术技术方案提供了一种复合式sic外延片，在多晶sic外延层上键合单晶sic薄片，通过对高质量单晶sic薄片的有效利用，达到降低材料成本，提高产出质量，提升供应安全性的目的。
附图说明
23.为了更清楚地说明本技术实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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技术的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
24.本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本技术可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本技术所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本技术所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
25.图1为本技术实施例提供的一种复合sic外延片的结构示意图；
26.图2为本技术实施例提供的另一种复合sic外延片的结构示意图；
27.图3为本技术实施例提供的又一种复合sic外延片的结构示意图；
28.图4为本技术实施例提供的又一种复合sic外延片的结构示意图；
29.图5-图9为本技术实施例提供的一种复合sic外延片制作方法的工艺流程图。
具体实施方式
30.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术中的实施例进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
31.当前sic晶体的生长的主流技术方案为pvt(物理气相传输法)生长。pvt工艺制作sic晶体时，需要提前准备合适的sic籽晶，以及预制的sic粉料，在高温下，sic粉料会直接升华，形成混合气体，通过对整个炉体的温场控制以及温度曲线控制，气体会凝华在籽晶表面，并沿着籽晶的晶格结构进行晶体生长，逐步形成一定尺寸的sic晶锭。这个过程需要1800～2500摄氏度的高温，无论是电阻式还是电感式的加热方式，都需要耗费极大的电能，
经过至少一周以上的生长时间。形成晶锭之后，为了改善缺陷，消除应力，还需要在上千摄氏度的高温下持续退火一周左右。而且因为整个过程可控制性较差，所得到的晶体质量不确定，存在较高的失效率，从而导致高质量的sic衬底片成本极高。
32.当前sic衬底和外延行业的核心技术掌握在国际上少数几个主要厂商手中。sic衬底价格昂贵，货源紧张。而要制作高质量的sic外延片，需要有高质量的sic衬底，然后通过外延生长的技术，在sic衬底表面上形成厚度为10～20um的外延层，之后才能进行功率器件的加工。
33.可见，基于pvt工艺生长的sic晶体和外延片，由于较高的能耗和较长的工艺时间，成本非常高，工艺质量不稳定，供应链风险高。同时sic晶体生长技术难度大，可复制性低，导致技术被国际大厂垄断，国内市场供应能力较差。
34.针对现有技术中存在的工艺时间长，成本高，质量不可控，供应风险高等问题，本技术技术方案提供了一种新型的复合sic外延片，通过对高质量衬底的有效利用，达到降低材料成本，提高产出质量，提升供应安全性的目的。
35.本技术技术方案的关键发明点之一是采用低成本的半导体衬底，如si衬底，在所述半导体衬底表面上制备低成本的多晶sic外延层作为第一sic层，在第一sic层表面键合高质量的单晶sic薄片作为第二sic层，从而形成sic复合衬底。
36.为使本技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本技术作进一步详细的说明。
37.如图1所示，图1为本技术实施例提供的一种复合sic外延片的结构示意图，所述复合sic外延片包括：
38.基于预设半导体衬底形成的第一sic层11，所述第一sic层11为多晶sic外延层；
39.键合在所述第一sic外延层11表面上的第二sic层12，所述第二sic层12为单晶sic薄片。将所述第一sic层11作为所述第二sic层键合的缓冲层。
40.其中，所述第二sic层12键合在所述第一sic层11表面，二者之间通过原子间作用力固定。所述多晶sic外延层可以为3c-sic外延层。所述单晶sic薄片为4h-sic薄片。
41.可选的，所述第一sic层11的厚度不超过100μm。例如所述第一sic层11的厚度可以为50μm。所述第二sic层12的厚度范围是1μm-20μm，例如，所述第二sic层12的厚度范围是1μm，或10μm-15μm。
42.所述第二sic层12由单晶sic衬底，如4h-sic衬底，基于所述单晶sic衬底表面内的离子注入层剥离的单晶sic薄片。可以通过h离子注入，在所述单晶sic薄片表面内预设深度形成高浓度的离子注入层，基于离子注入层形成应力差，以便于所述单晶sic薄片能够在所述离子注入层玻璃，从而形成所需厚度的单晶sic薄片。
43.在图1所示方式中，所述复合sic外延片为所述第一sic层11与所述第二sic层12构成的双层sic结构，不包括所述半导体衬底。基于预设半导体衬底形成的第一sic层11，在所述第一sic层11背离所述半导体衬底的一侧表面键合所述第二sic层12。所述半导体衬底在键合所述第二sic层12后减薄去除。
44.如图2所示，图2为本技术实施例提供的另一种复合sic外延片的结构示意图，在图1所示复合sic外延片基础上，图2所示复合sic外延片包括所述半导体衬底10，所述半导体衬底10具有第一表面；其中，所述第一sic层11生长在所述第一表面上；所述第二sic层12位
于所述第一sic层11背离所述半导体衬底10的一侧表面。该方式中，所述复合sic外延片为三层结构，包括所述半导体衬底10以及位于所述半导体衬底10同一侧且依次层叠的所述第一sic层11和所述第二sic层12。
45.本技术实施例中，所述半导体基底10为si衬底。可选的，所述si衬底10的厚度不超过650μm。
46.如图3所示，图3为本技术实施例提供的又一种复合sic外延片的结构示意图，在图2所示复合sic外延片基础上，图2所示复合sic外延片还包括：生长在所述第二sic层12背离所述第一sic层11一侧表面上的第三sic层13；其中，所述第三sic层13为单晶sic外延层。该方式中，所述复合sic外延片包括所述半导体基底10。该方式中，所述复合sic外延片为四层结构，包括所述半导体衬底10以及位于所述半导体衬底10同一侧且依次层叠的所述第一sic层11、所述第二sic层12和第三碳化硅层13。
47.如图4所示，图4为本技术实施例提供的又一种复合sic外延片的结构示意图，在图1所示复合sic外延片基础上，图4所示复合sic外延片还包括：生长在所述第二sic层12背离所述第一sic层11一侧表面上的第三sic层13；其中，所述第三sic层13为单晶sic外延层。该方式中，所述复合sic外延片不包括所述半导体基底10，所述半导体衬底10在键合所述第二sic层12后减薄去除，具体的可以在形成所述第三sic层13后，减薄去除所述半导体衬底10。该方式中，所述复合sic外延片为三层结构，不包括所述半导体衬底10，包括依次层叠的所述第一sic层11、所述第二sic层12和第三碳化硅层13。
48.本技术实施例提供了一种新型的复合sic外延片，通过在低成本的si衬底表面进行低成本以及低工艺难度的3c-sic外延层生长，3c-sic外延层作为缓冲层，将高质量的4h
‑‑
sic薄片键合在3c-sic外延层表面，从而形成复合sic外延片。可以基于半导体器件需求，在4h
‑‑
sic薄片背离3c-sic外延层一侧进一步进行外延加工。
49.本技术实施例所述复合sic外延片，可以将单晶sic衬底，如4h-sic衬底，剥离形成多个单晶sic薄片，将高质量的单晶sic衬底多次利用，所述复合sic外延片采用较小厚度的单晶sic薄片即可满足功率器件对sic材料的需求。所述复合sic外延片采用成本相对较低的3c-sic来作为缓冲层用于键合所述单晶sic薄片，同时用成本非常低的si衬底作为支撑。在能够完整实现功率器件对衬底和外延材料的需求的同时，大幅度降低衬底和外延材料的成本。同时由于大幅提高了高质量衬底的利用效率，可以大幅度降低对单晶sic材料的需求，提升供应链健壮度。
50.下面对本技术实施例所述复合sic外延片的制作工艺进行说明：
51.以制作图3所示复合sic外延片为例，如图5-图9所示，图5-图9为本技术实施例提供的一种复合sic外延片制作方法的工艺流程图，该制作方法包括：
52.步骤s11：如图5所示，提供半导体衬底10。
53.所述半导体衬底10为si衬底，所述si衬底制作工艺成熟，成本低。所述si衬底的厚度一般为650μm。
54.步骤s12：如图6所示，对所述半导体衬底10进行表面处理后，在所述半导体衬底10表面形成多晶sic外延层，所述多晶sic外延层作为所述第一sic层11。
55.对所述半导体衬底10进行表面处理包括：对所述半导体衬底10表面进行清洗和抛光处理。对所述半导体衬底10进行表面处理后，通过外延工艺在所述半导体衬底10表面形
成所述多晶sic外延层，具体的，可以通过cvd(化学气相沉积)设备进行3c-sic外延生长，基于硅源气体和碳源气体，形成所述多晶sic外延层。
56.在沉积所述多晶sic外延层时，需要对温度和气体配比进行精确控制，由于是多晶生长，相对于单晶sic，所需温度和时间及控制要求都较低。在沉积所述多晶sic外延层时，温度在1000摄氏度到1300摄氏度之间，生长时间基于所需膜厚，可以从几分钟到几小时不，根据实际生长的厚度确定。
57.其中，所述第一sic层11的厚度不超过100μm。例如，所述第一sic层11的厚度可以为50μm。可以基于半导体器件性能需求设置所述第一sic层11的厚度，所述第一sic层11不局限于本技术实施例所述厚度范围。
58.步骤s13：如图7所示，采用键合(bonding)工艺，以单晶sic薄片作为所述第二sic层12，将所述第二sic层12键合在所述第一sic层11背离所述半导体衬底10的一侧表面上。
59.在步骤s13中，可以采用高质量低掺杂的单晶sic衬底，采用高能激光照射，在单晶sic衬底片表面预设深度下形成改质层，之后通过剥离的方式取下单晶sic衬底在改质层以上部分，获得所需厚度的单晶sic薄片，作为所述第二sic层12。即所述第二sic层12由4h-sic衬底基于所述4h-sic衬底表面内的离子注入层剥离的单晶sic薄片。重复该剥离过程，能够将常规厚度的单晶sic衬底剥离为300片的单晶sic薄片，单晶sic薄片最小厚度可以达到1μm。对单晶sic薄片进行抛光处理后，将其与所述多晶sic外延层键合固定，形成复合sic外延片，并对复合sic外延片进行退火处理。
60.其中，所述预设深度范围是1μm-20μm，以制备厚度为1μm-20μm的单晶sic薄片作为所述第二sic层12。可选的，所述预设深度范围可以是10μm-15μm，以制备厚度时10μm-15μm的单晶sic薄片作为所述第二sic层12。
61.当所述复合sic外延片包括第三sic层13时，可以基于第三sic层13制备半导体器件的功能结构，此时可以采用较薄厚度的单晶sic薄片，如此时单晶sic薄片可以为1μm。当所述复合sic外延片不包括第三sic层13时，此时需要基于第二sic层12制备半导体器件的功能结构，此时需要采用厚度较大的单晶sic薄片作为第二sic层12，如此时单晶sic薄片厚度范围是10μm-15μm。
62.步骤s14：如图8所示，对所述半导体衬底10背离所述第一sic层11的一侧表面进行减薄，将所述半导体衬底10由厚度h1减薄至厚度h2，保留部分厚度的所述半导体衬底10。
63.减薄前所述半导体衬底10的厚度为h1，减薄后，所述半导体衬底10的厚度为h2，h2小于h1。如果采用si衬底，常用si衬底的厚度一般为650μm左右，减薄后所述si衬底的厚度不超过650μm。
64.如果所述复合sic外延片保留有部分半导体衬底10，基于半导体器件使用需求，可以将半导体衬底10减薄至350μm
±
15μm，或将半导体衬底10减薄至500μm
±
20μm。
65.步骤s15：如图9所示，在所述第二sic层12背离所述第一sic层11的一侧表面外延生长所述第三sic层13，最终形成如图3所示的复合sic外延片。
66.如果制作如图4所示复合sic外延片在制作图3所示复合sic外延片的工艺流程基础上，还包括：在步骤s15之后，再次对半导体衬底10进行减薄抛光，以完全去除所述半导体衬底10。
67.如果制作如图1所示复合sic外延片，制作工艺与上述步骤s11-步骤s14相同，在步
骤s14对半导体衬底10进行完全减薄去除。
68.如果制作如图2所示复合sic外延片，制作工艺与上述步骤s11-步骤s14相同，在步骤s14对半导体衬底10进行部分减薄去除。
69.本技术实施例中，如果所述复合sic外延片将所述半导体衬底10完全减薄去除，此时所述复合sic外延片为仅包括sic材料的外延片，具有较高的导热效率，能够提高半导体器件的散热效率，同时能够降低半导体器件的厚度。
70.本技术实施例中，如果所述复合sic外延片保留部分厚度的所述半导体衬底10，一方面可以降低进行减薄抛光处理的工序时间，降低成本；另一方面，对一些已有的半导体器件封装结构，需要对厚度是有一定要求的，没办法统一都降低到60微米左右的厚度，此时可以将所述半导体衬底10减薄到一个行业通用的标准厚度，最终厚度可以根据用户的需求来决定。
71.本技术实施例通过对高质量单晶sic衬底的高效率利用，并用低成本的半导体衬底替代sic材料，达到降低sic外延片成本的目的，可降低外延片成本50％以上。同时，由于大幅减少了对高质量单晶sic衬底的依赖，可以更容易的保证供应链安全。
72.基于上述实施例，本技术另一实施例还提供了一种半导体器件，所述半导体器件包括：上述实施例所述的复合sic外延片。所述半导体器件包括但不局限于为功率器件或是射频器件。
73.本技术实施例所述半导体器件采用上述实施例所述的复合sic外延片，能够大大降低制作成本，而且sic材料具有较好的导热效率，故所述半导体器件具有较好的散热性能。
74.本说明书中各个实施例采用递进、或并列、或递进和并列结合的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
75.需要说明的是，在本技术的描述中，需要理解的是，幅图和实施例的描述是说明性的而不是限制性的。贯穿说明书实施例的同样的幅图标记标识同样的结构。另外，处于理解和易于描述，幅图可能夸大了一些层、膜、面板、区域等厚度。同时可以理解的是，当诸如层、膜、区域或基板的元件被称作“在”另一元件“上”时，该元件可以直接在其他元件上或者可以存在中间元件。另外，“在
…
上”是指将元件定位在另一元件上或者另一元件下方，但是本质上不是指根据重力方向定位在另一元件的上侧上。
76.术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”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技术和简化描述，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技术的限制。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中设置的组件。
77.还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有
更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
78.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。