專利名稱：用于轉(zhuǎn)移薄半導體層的工藝和使用這種轉(zhuǎn)移工藝獲得施主晶片的工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及特別用于電子、光電子和光學產(chǎn)業(yè)的半導體襯底的制造。
通常，這種組件是通過分子粘接或晶片結(jié)合實現(xiàn)的，在該組裝操作之后，經(jīng)歷用于制造上述領(lǐng)域中的電路或元件的一定數(shù)量的技術(shù)步驟。
具體地，在Smart-Cut(注冊商標)類型的襯底制造周期中，包括在體施主晶片中的控制深度處注入氣體物質(zhì)以產(chǎn)生薄弱區(qū)，以及施加應(yīng)力以使這個薄弱區(qū)在端部分離，在分離之后晶片必須經(jīng)歷大量操作，特別是-在施主晶片上進行的機械、化學-機械或其它拋光步驟，以便再利用該施主晶片；-化學清洗步驟；-涉及相對高溫、通常為300-900C的步驟，如氧化淀積步驟，或者用于熱氧化的相當更高的溫度、通常為1150C(特別是在碳化硅SiC晶片的情況下)；-用于注入一種或多種氣體物質(zhì)的步驟；-晶片結(jié)合步驟；和-其中施加應(yīng)力(熱和/或機械和/或其它應(yīng)力)的分離步驟。
施主晶片的再利用需要從施主晶片連續(xù)地除去薄層，由此逐漸地減小所述晶片的厚度。
當這個施主晶片過分薄時，或者如果原始晶片在層去除之前由于某種原因已經(jīng)較薄了，其用于后來的去除操作時將出現(xiàn)以下困難；-在通過表面氧化物的CMP平面化等進行的主要機械步驟期間，如再利用、結(jié)合所需要的各種轉(zhuǎn)移操作，具有高的破裂風險；
-在高溫熱處理期間，特別是由于晶片中的非均勻溫度，也具有高的破裂風險；-由操作者簡單操縱晶片也會導致破裂風險；-變薄的晶片對導致晶片中的大應(yīng)力的某些技術(shù)步驟特別敏感，如注入氣體物質(zhì)的步驟或某些淀積步驟；通常，在注入氣體物質(zhì)的情況下，變薄晶片顯著凹陷，變成凸形，凹陷嚴重損害了要求接觸表面滿意平坦的模制操作。
這樣，就有了最小的施主晶片厚度，在其以下該晶片不能再使用，或者出現(xiàn)如破裂等不利于制造工藝的情況，特別是從經(jīng)濟角度考慮。
特別是，在由相對昂貴的和易壞材料的SiC制成的施主晶片的情況下，由于在工藝期間出現(xiàn)破裂太頻繁了或者由于采用后面的注入造成的凹陷妨礙了適當?shù)慕Y(jié)合，因此薄到約200μm以下的晶片(在具有2英寸即約5cm的標準直徑的晶片的情況下)就不能使用了。
根據(jù)另一例子，有這樣一種施主晶片，在開始時，必須是小厚度。因此，目前市場上GaN施主晶片足夠厚以便不出現(xiàn)上述問題。目前做法實際上是為了用稱為HPVE(混合汽相外延)的厚外延技術(shù)在外延生長的襯底(籽晶層)上制造這些晶片，其中在外延生長之后去掉所述襯底。然而，這個技術(shù)具有兩個主要缺點首先，只能獲得厚度最大為約200-300μm的自支撐晶片，這是因為如果目的是具有更大的厚度，則與籽晶襯底匹配的晶格是有缺陷的并產(chǎn)生過量應(yīng)力；此外，最主要的是，采用這個技術(shù)的生長速度極低(通常為每小時10-100μm)。這是關(guān)于制造成本方面的嚴重缺陷。
這樣，根據(jù)第一方案，本發(fā)明提供用于將連續(xù)薄層從施主晶片的半導體材料轉(zhuǎn)移到接收晶片的工藝，其特征在于包括以下步驟(a)組裝由半導體材料構(gòu)成的體片和支撐片，以便形成構(gòu)成施主晶片并包括所述半導體材料的施主層和支撐層的機械穩(wěn)定組件；(b)在施主層中的控制深度處形成薄弱區(qū)；(c)將施主晶片體哦難過所述施主晶片的施主層的自由面結(jié)合到接收晶片上；(d)在施主層的薄弱區(qū)中進行分離，由此半導體材料薄層從施主晶片轉(zhuǎn)移到接收晶片上；和(e)在不破壞施主晶片的支撐層的情況下重復(fù)操作(b)到(d)。
優(yōu)選地，但是不限制上述工藝的特征如下-步驟(a)是通過體片和支撐片的拋光面之間的晶片結(jié)合進行的；-步驟(a)是通過體片和支撐片的拋光面之間的高溫焊接進行的；-步驟(b)是通過注入氣體物質(zhì)進行的；-步驟(c)是通過晶片結(jié)合進行的；-步驟(d)是通過施加應(yīng)力、特別是熱和/或機械應(yīng)力進行的；-取決于施主層的厚度和薄弱區(qū)的深度，以選擇的最大數(shù)量的次數(shù)重復(fù)步驟(a)-(d)；-半導體材料是單晶半導體，支撐片是從包括為低品質(zhì)的單晶的相同半導體、為多晶形式的相同半導體以及與不同多晶型相同的半導體的組中選擇的；-半導體材料是從包括硅、碳化硅、和大間隙單金屬或多金屬氮化物的組選擇的；-施主層的厚度在100-300μm左右；-支撐層的厚度在100-300μm左右；-半導體材料是大間隙單金屬或多金屬氮化物，特別是氮化鎵；-支撐層是體層并由選自硅、氮化鎵、碳化硅、氮化鋁和藍寶石的一種材料制成。
而且，由錠料制造體施主晶片的常規(guī)技術(shù)通常需要(在單晶SiC的情況下)以下操作步驟-用鋸將錠料切割成片，厚度約為1mm，粗略地拋光切片的每一面，以便除去由鋸切損傷的晶體并獲得良好的平面性；和-連續(xù)拋光未來的正表面(去除面)，以便消除工作-變硬晶體和獲得適當?shù)谋砻娲植诙取?br> 這樣，從相對厚的片開始，這個公知工藝包括在連續(xù)拋光步驟期間的材料的大量損失。這明顯影響制造成本。
本發(fā)明的另一方案是為了制造具有減少損失的施主晶片，因此可更充分地利用原始材料(在單晶SiC的情況下)。
因此，根據(jù)第二方案，本發(fā)明提供用于制造施主晶片的工藝，該施主晶片用在將給定半導體材料的連續(xù)薄層從所述施主晶片轉(zhuǎn)移到接收晶片的工藝中，其特征在于包括以下步驟(i)制造所述半導體材料的體片；(ii)組裝所述體片和支撐片，以便形成施主晶片，施主晶片包括半導體材料的施主層和支撐層。
優(yōu)選地，但是非限制性地，上述工藝的特點如下-體片是通過鋸開錠料或通過籽晶層上的厚膜外延技術(shù)形成的；-在后種情況下，提供去掉籽晶層的步驟；-該工藝在步驟(ii)之前還包括以下步驟(i’)只在其要與支撐片接觸的面上拋光體片；-該工藝在步驟(ii)之前還包括如下步驟；(i”)將體片和支撐片要互相接觸的面拋光到限定程度，和在某溫度下和某時間內(nèi)進行步驟(ii)，以便在體片和支撐片之間實現(xiàn)晶片結(jié)合或焊接；-半導體材料是單晶半導體，支撐片是從包括為低品質(zhì)的單晶的相同半導體、為多晶形式的相同半導體以及為不同多晶型的相同半導體的組中選擇的；-半導體材料是從包括硅、碳化硅、和大間隙單金屬或多金屬碳化物的組選擇的；-半導體材料是大間隙單金屬或多金屬氮化物，特別是氮化鎵；和-支撐層是體層并由選自硅、氮化鎵、碳化硅、氮化鋁和藍寶石的一種材料制成。
在原始施主晶片用在用于去除連續(xù)薄層的工藝中之前，通過組裝施主片和機械支撐片形成這個施主晶片。這個組裝操作優(yōu)選是通過晶片結(jié)合(waferbonding)進行的，并在施主片上和/或機械支撐片上適于界面結(jié)合層的位置進行的。
機械支撐片如此選擇以便與通過從施主片除去薄層的連續(xù)循環(huán)施加的處理相容，特別是在溫度方面。
對此，一個重要因素是施主片材料的熱膨脹系數(shù)和機械支撐片材料的熱膨脹系數(shù)之間的關(guān)系。首先，定義“同質(zhì)組件”，就是說組件的用于施主層和用于支撐層的材料具有類似的化學和機械性能。這些例如是以下材料層-低質(zhì)量單晶或多晶SiC(支撐片)上的單晶SiC(施主)；-低質(zhì)量單晶或多晶GaN(支撐片)上的單晶GaN(施主)；-低質(zhì)量單晶或多晶Si(支撐片)上的單晶Si(施主)。
在這種情況下，對于可提供用于制造施主晶片的熱衡算(thermal budget)沒有限制，這是因為兩種材料很好地熱配合，并且施主層不會受到擴散等干擾。
接著，定義“異質(zhì)組件”，部件的用于施主層和用于支撐層的材料具有不同的機械和/基片化學性能。它們例如是下列材料的層-在Si(支撐片)上的單晶SiC(施主)；-在Si上的磷化銦InP；-在Si上的GaN；-等等。
在這種情況下，由于導致變形或破裂的熱失配而更限制了組件經(jīng)受的熱衡算或溫度。例如，在由Si(支撐層)上SiC(施主層)制成的施主晶片的情況下，隨著溫度超過900-950C左右將出現(xiàn)很多困難。
另一重要的因素是制造的施主片/支撐片組件的厚度，其必須與工藝步驟相容并最終將盡可能消耗所有或大部分施主片。
一旦已經(jīng)進行結(jié)合和如果需要通過適當?shù)奶幚磉M行增強，這個組件成為全成品(fully-fledged)施主晶片。如果它是常規(guī)體施主晶片，可以在除去薄層的連續(xù)工藝操作期間進行處理，在其整個厚度上是均勻的?；旧细鶕?jù)施主層的厚度和薄弱區(qū)的深度來選擇除去的薄層的數(shù)量，以便在不達到支撐層和沒有可能存在于施主層和支撐層之間的過渡區(qū)中的任何缺陷區(qū)域的情況下進行最終除去。
如果需要的話，當已經(jīng)完成組裝操作時，施主晶片可以在其后表面上(在支撐層一側(cè)上)減薄，以便調(diào)整晶片的厚度并使其與后面的技術(shù)步驟以及可能的標準相容。例如，當支撐層由硅制成時，通過機械研磨可以很容易地進行這個減薄步驟例1-SiC的情況當施主片由單晶SiC構(gòu)成時，將它組裝在優(yōu)選由多晶SiC制成的支撐片上。可以通過在要組裝的面上直接結(jié)合或通過制造由例如氧化硅SiO2制成的中間層進行組裝操作。
關(guān)于極性方面，SiC單晶例如在其Si面上結(jié)合到支撐片上，而所述單晶的C面是后來要除去薄層的暴露面，反之亦然。這里看到采用具有六方晶體結(jié)構(gòu)的所有材料如GaN和AlN都存在這個極性問題。
優(yōu)選進行在這個面上的初始拋光步驟以及兩個連續(xù)除去操作之間的中間拋光步驟。
由于施主片的單晶SiC和機械支撐片的多晶SiC都有接近于4.5×10-6/K的膨脹系數(shù)，由此形成的組件在不產(chǎn)生任何損傷的情況下可以進行與用于轉(zhuǎn)移薄層的Smart-Cut工藝相關(guān)的所有的再利用、化學清洗、淀積和熱處理步驟。
作為改型，機械支撐片由硅制成。在這種情況下，從熱方面看，支撐片和施主片之間的相容性可以證明是很差的，但是不管怎樣如果限制了在處理期間組件經(jīng)受的最大溫度，也是滿意的，特別是，如果為了制造在被除去的薄層到其支撐片結(jié)合中涉及的氧化物層，該氧化物是通過淀積而不是熱氧化形成的。
有利地，在本例中，施主片/機械支撐片組件的制造包括以下步驟-從錠料切割片，其厚度基本上小于體單晶SiC施主晶片的通常厚度，典型厚度約為500μm，代替了常規(guī)的1mm左右；-只在片的一面上進行拋光操作；-這個被拋光面與多晶SiC支撐晶片的適當平面化的面緊密接觸，以便通過晶片結(jié)合將它們結(jié)合在一起；支撐晶片通常通過CVD型的厚膜淀積形成并具有例如為200-300μm的厚度；應(yīng)該注意到，低質(zhì)量(因此很便宜的)單晶SiC或不同于施主層的多晶型SiC(例如6H SiC用于支撐片和4H SiC用于施主層)也可以用于支撐片；-然后將該組件暴露于合適的熱衡算條件下(例如1100C，2小時)，以便在體片和支撐晶片之間獲得合適的結(jié)合力；還應(yīng)當考慮到接觸面的拋光程度，以使在上述條件下獲得滿意的晶片結(jié)合；由此獲得單個厚的單晶SiC(施主層)/多晶SiC(機械支撐層)組合晶片；作為改型，還可以僅將晶片放置在另一個頂部并通過焊接(通常在2000C或更高的溫度下)將它們結(jié)合在一起；然而，這種需求更多；-然后在單晶SiC的自由面上對這個組合晶片進行標準拋光程度的拋光，以便最后得到?jīng)]有埋置加工硬化域并具有合適的表面粗糙度的單晶SiC層。
因此這個工藝制成了施主晶片，其具有比在使用體片的前言部分中提到的技術(shù)少很多的昂貴材料的損失，并且在晶片生產(chǎn)線的上游組裝了施主層和支撐層，因此對從施主晶片的轉(zhuǎn)移層的工藝沒有影響。
制備SiC錠越困難和/或越昂貴節(jié)約越多，(特別是通過HTCVD(高溫化學汽相淀積)工藝獲得極高純度的半絕緣SiC錠料或具有極低濃度的本征晶體缺陷如位錯和微管的SiC錠料的情況下)。
例2-GaN的情況在用于GaN施主晶片的Smart-Cut技術(shù)的情況下，采用的各個步驟使用一般比在SiC的情況下經(jīng)受的溫度低很多的溫度。因此，支撐片和施主晶片的各個熱膨脹系數(shù)問題不太重要。這在選擇支撐片材料上提供更大的自由度。
在本例中，厚度約為100-200μm的GaN片是晶片結(jié)合到例如由多晶或單晶SiC制成的機械支撐片上。與在SiC的情況下一樣，將處于支撐片一面上的GaN晶片的面的極性以及自由面上(就是說在要除去層的一面上的晶片的那個面)的相反極性可預(yù)先確定。
這里，直到已經(jīng)在Smart-Cut工藝的各個循環(huán)中完全或幾乎完全消耗施主層為止，支撐層/GaN施主層組件成為使用的全成品晶片。
在

圖1a-1e中示意性地示出了本發(fā)明。
圖1a中所示的是將形成依次轉(zhuǎn)移的薄層的半導體材料片10和支撐晶片20。
在圖1b中，如上述那樣組裝片和支撐晶片，以便形成包括施主層10和支撐層20的施主晶片30。
在圖1c中，在距離施主層10的自由表面某一深度的位置形成掩埋薄弱區(qū)12，這個區(qū)域12相對于施主層的剩余部分102限定薄層101。
在圖1d中，在施主層10的自由面(如果需要的話，在這個面上預(yù)先氧化)和接收晶片40的一個面(如果需要的話，也可以在這個面上預(yù)先氧化)之間進行晶片結(jié)合。
在圖1e中，特別是通過熱和/或機械應(yīng)力在薄弱區(qū)12上進行分離，以便一方面獲得通常形成用于電子、光電子或光學應(yīng)用中的襯底的所希望的組件40、101，另一方面，獲得施主晶片30’，它的基本上對應(yīng)區(qū)域102的施主層10以被轉(zhuǎn)移的薄層101的厚度顯著減薄。
可對施主晶片30’重復(fù)這些步驟，直到施主層10已經(jīng)幾乎完全消耗為止，但是不推削到支撐層20。
為了提供特殊例子，圖1a和1b中的步驟可以在施主晶片制造者的場所進行，而之后的步驟可形成分離工藝的一部分，該分離工藝可在制備用于電子、光電子和光學產(chǎn)業(yè)的復(fù)合襯底的制造者的場所進行。
當然，本發(fā)明也適用于包括其它施主層的晶片的制造，其中施主層由其它材料如氮化鋁、特別是大間隙單金屬或多金屬氮化物的更常見半導體、金剛石等或者用于施主層的極高質(zhì)量的單晶硅和用于支撐片的低質(zhì)量單晶或多晶硅制成。
權(quán)利要求
1.一種用于將連續(xù)薄層從施主晶片的半導體材料轉(zhuǎn)移到接收晶片的工藝，其特征在于包括以下步驟(a)組裝由半導體材料構(gòu)成的體片和支撐片，以便形成構(gòu)成施主晶片并包括所述半導體材料的施主層和支撐層的機械穩(wěn)定組件；(b)在施主層中控制深度處形成薄弱區(qū)；(c)將施主晶片通過所述施主晶片的施主層的自由面結(jié)合到接收晶片上；(d)在施主層的薄弱區(qū)中進行分離，由此半導體材料薄層從施主晶片轉(zhuǎn)移到接收晶片上；和(e)在不破壞施主晶片的支撐層的情況下重復(fù)操作(b)到(d)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的工藝，其特征在于步驟(a)是通過體片和支撐片的拋光面之間的晶片結(jié)合進行的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的工藝，其特征在于步驟(a)是通過體片和支撐片的拋光面之間的高溫焊接進行的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的工藝，其特征在于步驟(b)是通過注入氣體物質(zhì)進行的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的工藝，其特征在于步驟(c)是通過晶片結(jié)合進行的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的工藝，其特征在于步驟(d)是通過施加應(yīng)力、特別是熱和/或機械應(yīng)力進行的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的工藝，其特征在于根據(jù)施主層的厚度和薄弱區(qū)的深度，以選擇的最大數(shù)量的次數(shù)重復(fù)步驟(a)-(d)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的工藝，其特征在于半導體材料是單晶半導體，支撐片是從包括為低品質(zhì)的單晶的相同半導體、為多晶形式的相同半導體以及為不同多晶型的相同半導體的組中選擇的。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的工藝，其特征在于半導體材料是從包括硅、碳化硅和大間隙單金屬或多金屬氮化物的組中選擇的。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的工藝，其特征在于施主層的厚度為100-300μm左右。
11.根據(jù)權(quán)利要求9和10任一項的工藝，其特征在于支撐層的厚度為100-300μm左右。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的工藝，其特征在于半導體材料是大間隙單金屬或多金屬氮化物，特別是氮化鎵。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的工藝，其特征在于支撐層是體層并由選自硅、氮化鎵、碳化硅、氮化鋁和藍寶石的一種材料制成。
14.一種用于制造施主晶片的工藝，該施主晶片趨于用在用于將給定半導體材料的連續(xù)薄層從所述施主晶片轉(zhuǎn)移到接收晶片的工藝中，其特征在于包括以下步驟(i)制造所述半導體材料的體片；(ii)組裝所述體片和支撐片，以便形成施主晶片，施主晶片包括半導體材料的施主層和支撐層。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的工藝，其特征在于體片是通過鋸切錠料制造的。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的工藝，其特征在于體片是通過在籽晶層上的厚膜外延技術(shù)制造的。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的工藝，其特征在于包括去掉籽晶層的步聚。
18.根據(jù)權(quán)利要求14的工藝，其特征在于在步驟(ii)之前還包括以下步驟(i’)只在其要與支撐片接觸的面上拋光體片。
19.根據(jù)權(quán)利要求14的工藝，其特征在于在步驟(ii)之前還包括如下步驟(i”)將體片和支撐片要互相接觸的面拋光到限定的程度。和在一定溫度下和一定時間內(nèi)進行步驟(ii)，以便在體片和支撐片之間實現(xiàn)晶片結(jié)合或焊接。
20.根據(jù)權(quán)利要求14的工藝，其特征在于半導體材料是單晶半導體，支撐片是從包括為低品質(zhì)的單晶的相同半導體、為多晶形式的相同半導體以及為不同多晶型的相同半導體的組中選擇的。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的工藝，其特征在于半導體材料是從包括硅、碳化硅、和大間隙單金屬或多金屬氮化物的組中選擇的。
22.根據(jù)權(quán)利要求14的工藝，其特征在于半導體材料是大間隙單金屬或多金屬氮化物，特別是氮化鎵。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的工藝，其特征在于支撐層是體層并由選自硅、氮化硅、碳化硅、氮化鋁和藍寶石的一種材料制成。
全文摘要
一種用于將連續(xù)薄層從施主晶片的半導體材料轉(zhuǎn)移到接收晶片的工藝包括以下步驟(a)組裝由半導體材料構(gòu)成的體片和支撐片，以便形成具有所述半導體材料的施主層和支撐層的施主晶片；(b)在施主層中形成薄弱區(qū)；(c)將施主晶片經(jīng)過施主層的自由面結(jié)合到接收晶片上；(d)在薄弱區(qū)中進行分離，由此半導體材料薄層從施主晶片轉(zhuǎn)移到接收晶片上；和(e)在不破壞施主晶片的支撐層的情況下重復(fù)操作(b)到(d)。還提供用于獲得施主晶片的工藝。
文檔編號H01L21/20GK1427449SQ0215189
公開日2003年7月2日 申請日期2002年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月21日
發(fā)明者法布里斯·萊特爾特雷, 施鮑特·莫里斯 申請人:S.O.I.泰克絕緣體硅技術(shù)公司