一种大尺寸晶圆及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种大尺寸晶圆的制备方法，通过提供一初始衬底晶圆和单晶锭材料；对单晶锭材料进行微机械修整，形成单晶锭柱体，再对单晶锭柱体进行第一次离子注入，起泡剥离后形成键合嵌片；对键合嵌片进行第二次离子注入，将多个第二次离子注入后的键合嵌片与初始衬底晶圆进行对称/非对称键合，即根据预先设计好的版图进行键合，以得到组合晶圆；对组合晶圆进行退火，起泡剥离键合嵌片的一部分；对组合晶圆表面及键合嵌片间隙淀积化合物薄膜，并进行化学机械抛光，停止于键合嵌片表面，得到大尺寸晶圆。本发明专利技术采用了离子注入智能剥离的方法，将多个键合嵌片同时键合和剥离，且剥离后的键合嵌片可循环利用，极大地降低了生产成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体材料的晶圆制备
，尤其涉及一种大尺寸晶圆及其制备方法。
技术介绍
半导体材料是制备半导体器件和集成电路的电子材料，是半导体工业的基础。传统的分别以硅、砷化镓为代表的第一代和第二代半导体材料，由于材料本身性能的限制，难以满足现代电子技术发展对高温、大功率、高频、高压以及抗辐射等新要求。而以宽禁带为主要特征的第三代半导体由于击穿电场强度高、电子饱和漂移速率高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强以及良好的化学稳定性等特点，在军事、航空航天、探测、核能开发、新型光源、存储器等领域有广阔的应用前景。第三代半导体又称为宽禁带半导体，是指其禁带宽度大于Si、GaAs等半导体的一类半导体，主要包括Ⅲ族氮化物、金刚石、氧化锌、碳化硅等，其中主要以GaN和SiC为研究重点。与传统半导体材料相比，宽禁带半导体材料可使电力电子元器件更小、更快、更高效可靠，可以在一个较宽的功率应用范围内减小电子元件的重量、体积和生命周期成本。在工业生产和消费电子等领域，使用宽禁带半导体材料，可以显著节约能源，加快电动汽车和燃料电池的广泛使用，帮助可再生能源整合到电网。宽禁带半导体应用领域宽广，未来有望全面取代传统半导体：（1）耐高温使得宽禁带半导体可以适用于工作温度在650℃以上的军用武器系统和航空航天设备中；（2）大功率在降低自身功耗的同时提高系统其它部件的能效，可节能20%-90%；（3）高频特性可以极大的提高雷达效率，在维持覆盖的前提下减少通信基站的数量，更可以实现更高速IC芯片的制造；（4）宽禁带使得高亮度白光LED照明成为可能，同时可降低电力损耗47%；（5）抗辐射可以减少设备受到的干扰，延长航空航天设备的使用寿命的同时极大的降低重量。虽然，宽禁带半导体材料和设备发展迅速并得到公众认可。然而，要想取代传统的半导体材料Si获得更广阔的应用领域和市场仍面临很多挑战。例如，GaN的熔点高，很难采用熔融的液体GaN拉出体单晶，即使采用高温、高压技术，也只能制备出针状或小尺寸的片状单晶。SiC的体单晶生长技术发展较GaN快。但2～3英寸SiC晶圆只能满足制作低功率器件的要求，而高功率器件则需要更高价位的更大尺寸高质量晶圆。SiC特有的微管道缺陷也会严重影响器件在大功率下的使用。为了满足制作器件的需要，各种外延技术成为得到高质量、大尺寸单晶片的主要方法。但是存在着晶格常数和热膨胀系数失配等技术难题，国内外专家尝试了AlN插入层技术、SOI柔性衬底、多孔硅衬底以及对硅衬底表面进行刻槽等多种方法在硅衬底上外延生长GaN和SiC薄膜，晶圆质量有所改善，但GaN和SiC都只能做到150mm（6英寸），而Si晶圆的主流尺寸已经达到300mm（12英寸）。鉴于大尺寸晶圆具有更大的面积和切割芯片数，可大幅度缩短芯片工艺时间而提高生产效率，有利于扩大产能，降低每个芯片所分摊的设备折旧和人工成本。另外，大尺寸晶圆还会提高能源、水等资源的利用效率，减少对环境污染、温室效应全球变暖、水资源短缺的影响等。因此，如何制备大直径的GaN、SiC等晶圆以降低成本的研究成为各国竞争的热点。中国专利（公开号：CN101660206A）公开了一种完整性GaN基薄膜的制备方法，通过在单元光斑边缘区域预置通道，一方面，可以大幅降低利用共晶键合转移基板过程应力导致的GaN外延晶片或支撑基板的破裂；另一方面，转移基板后再通过减薄蓝宝石衬底自然裸露出预置通道，提供作为激光剥离过程的气体释放通道，同时实现相邻光斑区域的蓝宝石衬底及其外延薄膜的绝对分离，每个剥离单元之间完全独立,不存在应力的影响，解决了单元GaN基薄膜边缘的破损问题,即可以保证蓝宝石衬底激光剥离后GaN基薄膜的完整性，提高GaN基薄膜器件的成品率。中国专利（公开号：CN102263178A）公开了一种外延片，包括：Si晶圆；形成在所述Si晶圆之上的多个凸起结构，所述多个凸起结构之间间隔预定距离，且所述多个凸起结构呈阵列排列；形成在所述多个凸起结构顶部的第一半导体材料薄层，且所述第一半导体材料薄层中的一部分相对于所述Si晶圆悬空；和形成在所述第一半导体材料薄层之上的过渡层和氮化物系化合物半导体材料层。通过多个凸起结构可以有效释放Si晶圆和氮化物系化合物半导体材料层之间的热失配应力，从而有利于形成大尺寸的外延片。
技术实现思路
针对上述存在的问题，本专利技术公开了一种大尺寸晶圆及其制备方法，采用基于硅衬底晶圆的利用离子注入剥离技术与对称/非对称键合法制备大尺寸晶圆的新方法，以克服现有技术中拉单晶法和外延技术难以制备大尺寸晶圆的的问题。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种大尺寸晶圆，包括：一初始晶圆衬底，所述初始晶圆衬底的上表面存在多个键合嵌片，且该多个键合嵌片之间存在间隙；覆盖所述初始晶圆衬底上表面和所述键合嵌片上表面以及所述键合嵌片间隙的化合物薄膜；其中，采用对称/非对称键合工艺将所述多个键合嵌片设置于所述初始晶圆衬底的上表面。上述的大尺寸晶圆，其中，所述对称/非对称键合工艺为根据工艺要求设计将所述多个键合嵌片设置在所述初始晶圆衬底表面形成的完整图形的工艺。一种大尺寸晶圆的制备方法，其中，包括如下步骤：提供一初始衬底晶圆和单晶锭材料；对所述单晶锭材料进行微机械修整，形成单晶锭柱体，再对所述单晶锭柱体进行第一次离子注入，起泡剥离后形成键合嵌片；对所述键合嵌片进行第二次离子注入，将多个第二次离子注入后的键合嵌片与所述初始衬底晶圆进行对称/非对称键合，得到组合晶圆；对所述组合晶圆进行退火，起泡剥离所述键合嵌片的一部分；对所述组合晶圆表面及所述键合嵌片间隙淀积化合物薄膜，并进行化学机械抛光，停止于所述键合嵌片表面，得到大尺寸晶圆。上述的制备方法，其中，所述键合嵌片为长宽相同的方形晶片。上述的制备方法，其中，所述初始衬底晶圆为单晶硅或多晶硅衬底晶圆，其直径为150～300mm，厚度为0.1～1mm。上述的制备方法，其中，所述第一次离子注入中注入的离子为氢离子和/或氦离子；注入的能量为5keV～1000keV，注入的剂量为1E15～1E18cm-2，注入的温度为室温。上述的制备方法，其中，所述第二次离子注入中注入的离子为氢离子和/或氦离子，注入的能量为5keV～1000keV，注入的剂量为1E15～1E1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大尺寸晶圆，其特征在于，包括：一初始晶圆衬底，所述初始晶圆衬底的上表面存在多个键合嵌片，且该多个键合嵌片之间存在间隙；覆盖所述初始晶圆衬底上表面和所述键合嵌片上表面以及所述键合嵌片间隙的化合物薄膜；其中，采用对称/非对称键合工艺将所述多个键合嵌片设置于所述初始晶圆衬底的上表面。

【技术特征摘要】
1.一种大尺寸晶圆，其特征在于，包括：
一初始晶圆衬底，所述初始晶圆衬底的上表面存在多个键合嵌
片，且该多个键合嵌片之间存在间隙；
覆盖所述初始晶圆衬底上表面和所述键合嵌片上表面以及所述
键合嵌片间隙的化合物薄膜；
其中，采用对称/非对称键合工艺将所述多个键合嵌片设置于所
述初始晶圆衬底的上表面。
2.根据权利要求1所述的大尺寸晶圆，其特征在于，所述对称/
非对称键合工艺为根据工艺要求设计将所述多个键合嵌片设置在所
述初始晶圆衬底表面形成的完整图形的工艺。
3.一种大尺寸晶圆的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供一初始衬底晶圆和单晶锭材料；
对所述单晶锭材料进行微机械修整，形成单晶锭柱体，再对所述
单晶锭柱体进行第一次离子注入，起泡剥离后形成键合嵌片；
对所述键合嵌片进行第二次离子注入，将多个第二次离子注入后
的键合嵌片与所述初始衬底晶圆进行对称/非对称键合，得到组合晶
圆；
对所述组合晶圆进行退火，起泡剥离所述键合嵌片的一部分；
对所述组合晶圆表面及所述键合嵌片间隙淀积化合物薄膜，并进
行化学机械抛光，停止于所述键合嵌片表面，得到大尺寸晶圆。
4.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：常永伟，陈邦明，王曦，
申请(专利权)人：上海新储集成电路有限公司，
类型：发明
国别省市：