制备具有垂直结构的半导体器件的方法以及半导体器件技术

本发明专利技术公开了制备具有垂直结构的半导体器件的方法以及半导体器件，该方法包括：在第一衬底的一侧进行含H离子注入；在第一衬底以及第二衬底表面的至少之一处形成导电层；在所述导电层处进行键合以形成第一键合体；对所述第一键合体进行第一退火处理，使第一键合体剥离，以形成具有所述第二衬底的第二键合体；在所述第二键合体具有第一衬底一侧表面形成第一外延层；在所述第一外延层远离所述第一衬底的一侧形成栅极和第一电极；在所述第二键合体具有第二衬底一侧形成第二电极。该方法具有可较为简便地获取低电阻的电极端(如集电极端或漏极端)，器件加工工艺兼容性较佳，且第一衬底可被重复利用，生产成本较为低廉等优点的至少之一。之一。之一。

【技术实现步骤摘要】
制备具有垂直结构的半导体器件的方法以及半导体器件


[0001]本专利技术涉及半导体技术以及半导体制造领域，具体而言，本专利技术涉及制备具有垂直结构的半导体器件的方法以及半导体器件。

技术介绍

[0002]近年来随着半导体技术的发展，基于硅(Si)材料以及碳化硅(SiC)等半导体衬底的半导体器件也得到了飞速的发展。以SiC为例，材料自身的优良特性可以使基于该材料晶片的半导体器件具有更小的体积、更低的损耗、更高的频率以及更好的耐高温性能。但是，目前基于高质量SiC衬底材料的半导体器件的制备仍然较为困难：目前工业制备的SiC晶体的缺陷密度高，成品率低。尤其对大尺寸的SiC晶体而言，尺寸越大，工艺窗口越窄，成品率越低，缺陷密度越难以控制，制备成本高昂。衬底材料的高缺陷密度及高成本造成SiC器件的成品率低，器件可靠性受缺陷显著影响，且器件成本居高不下。
[0003]因此，目前的SiC器件制备方法仍有待改进。

技术实现思路

[0004]本专利技术是基于专利技术人对以下事实和问题的发现和认识而做出的：
[0005]为了降低基于上述材料的半导体器件的生产成本，本专利技术对于具有垂直结构的SiC等材料的功率器件(SBD、PiN二极管、垂直MOSFETs、BJTs、JFETs、IGBTs等)采用重复使用高质量SiC基片来降低器件成本，并且结合键合与离子切割技术来实现低成本的垂直功率器件的制备。具体而言，本专利技术采用晶片键合工艺将晶体质量高的半导体单晶晶片(如SiC晶片)与晶体质量较差但电阻率极低的半导体晶片进行键合，再利用离子注入和剥离技术，将键合体在高质量晶片层内进行剥离，实现了垂直功率器件中高质量晶体薄层的转移。该方法可较为简便的获得具有低电阻结构的集电极或漏极，并且高质量SiC半导体晶片等材料可以再次使用，不仅节约了高质量晶片的成本，也避免了垂直结构的功率器件中背面通过离子注入和高温激活形成低电阻集电极的工艺难点，工艺兼容性好，因此可以显著地降低制备垂直结构半导体器件的生产成本和工艺难度。
[0006]在本专利技术的一个方面，本专利技术提出了一种制备具有垂直结构的半导体器件的方法。该方法包括：在第一衬底的一侧进行含H离子注入，所述第一衬底为非硅晶体材料形成的；在所述第一衬底以及第二衬底表面的至少之一处形成导电层，所述第二衬底的电阻率不高于0.2Ω
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cm；将所述第一衬底和所述第二衬底在所述导电层处进行键合以形成第一键合体；对所述第一键合体进行第一退火处理，使所述第一键合体在含H离子注入深度处剥离，以形成具有所述第二衬底的第二键合体；对所述第二键合体具有第一衬底的一侧表面进行抛光处理；在所述第二键合体具有第一衬底一侧表面形成第一外延层，所述第一外延层与所述第一衬底的晶格相匹配；在所述第一外延层远离所述第一衬底的一侧形成栅极和第一电极；在所述第二键合体具有第二衬底一侧形成第二电极。该方法具有可较为简便地获取低电阻的电极端(如集电极端或漏极端)，器件加工工艺兼容性较佳，且第一衬底可被
重复利用，生产成本较为低廉等优点的至少之一。
[0007]根据本专利技术的实施例，所述导电层满足以下条件的至少之一：所述导电层为非晶层，优选地所述导电层包括碳化硅；所述导电层包括金属硅化物。由此，可降低第一衬底和第二衬底键合的难度，从而简便的获取第一键合体。
[0008]根据本专利技术的实施例，所述第一衬底为SiC单晶材料，所述SiC单晶材料满足基平面位错密度不高于1500/cm2。由此，可为半导体器件提供高质量的晶体薄层结构，保障器件电学功能区的晶体质量，从而保障器件性能不被缺陷影响。
[0009]根据本专利技术的实施例，所述第二衬底为SiC材料，且所述第一衬底的SiC材料晶体质量优于所述第二衬底的SiC材料晶体质量。由此，通过使用低质量的第二衬底，一方面可进一步降低利用该方法制备半导体器件的成本；另一方面，由于不需要考虑晶体质量，可以对第二衬底进行更重的掺杂(重掺杂一般会导致晶体质量变差)，从而降低第二衬底的电阻率，进而降低半导体器件在导通状态下的串联电阻，提升器件性能。
[0010]根据本专利技术的实施例，所述导电层至少形成在所述第一衬底上，在所述第一衬底上含H离子注入一侧的表面形成所述导电层，或者，在所述第一衬底一侧表面形成所述导电层之后，对所述表面进行所述含H离子注入。由此，可简便地获得导电层。
[0011]根据本专利技术的实施例，所述导电层包括碳化硅，所述导电层是通过磁控溅射、离子注入中的一种或两种方法获得的；或者，所述导电层包括金属硅化物，并在形成所述导电层之后对具有所述导电层一侧的第一衬底进行所述含H离子注入。磁控溅射或离子注入形成的碳化硅容易非晶化，非晶化的碳化硅或金属硅化物可降低第一衬底和第二衬底的键合难度。由此，可简便地获取可显著降低第一衬底和第二衬底键合难度的导电层。
[0012]根据本专利技术的实施例，所述导电层包括金属硅化物时，形成所述导电层进一步包括在所述金属硅化物表面形成金属导电亚层。金属导电亚层之间容易实现高强度键合，由此，可进一步提高基于该导电层的键合强度。
[0013]根据本专利技术的实施例，在制作所述第二电极之前对所述第二键合体具有第二衬底一侧进行减薄。由此，可降低器件在导通状态下的串联电阻，进一步提高该半导体器件的性能。
[0014]根据本专利技术的实施例，进行所述含H离子注入之前，进一步包括在所述第一衬底表面外延形成第二外延层，所述含H离子注入是对所述第二外延层进行的，所述第二外延层作为所述半导体器件的离子注入层，所述剥离是在所述第二外延层中完成的。由此，可进一步降低第一键合体表面和亚表面的缺陷，提升晶体质量，进而提升半导体器件的性能。
[0015]根据本专利技术的实施例，形成所述第一外延层之后形成所述栅极之前，进一步包括：对所述第一外延层的局部区域进行刻蚀，以形成沟槽，并在所述沟槽内形成沟槽型栅堆叠结构。由此，可简便地获得沟槽栅结构，有利于缩小半导体器件的面积，提升器件的功率密度。
[0016]根据本专利技术的实施例，其特征在于，所述第一外延层是通过金属有机化学气相沉积形成的。由此，可进一步提高以SiC等材料为第一外延层的晶体质量。
[0017]根据本专利技术的实施例，所述半导体器件为IGBT器件，所述第一外延层和所述第一衬底均为n型导电，所述第二衬底为p型导电，所述第一电极为发射极，所述第二电极为集电极。由此，可简便地获得基于SiC等材料的IGBT器件。
[0018]根据本专利技术的实施例，所述半导体器件为MOSFET器件，所述第二衬底、所述第一衬底以及所述第一外延层均为n型导电，所述第一电极为源极，所述第二电极为漏极。由此，可简便地获得基于SiC等材料的MOSFET器件。
[0019]根据本专利技术的实施例，形成所述第一外延层之后形成所述第一电极之前，进一步包括：对所述第一外延层的表面的局部区域进行离子注入，以形成具有p型导电的阱区。由此，无论是IGBT还是MOSFET结构，均可简便地形成器件的阱区。
[0020]在本专利技术的又一方面，本专利技术提出本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制备具有垂直结构的半导体器件的方法，其特征在于，包括：在第一衬底的一侧进行含H离子注入，所述第一衬底为非硅晶体材料形成的；在所述第一衬底以及第二衬底表面的至少之一处形成导电层，所述第二衬底的电阻率不高于0.2Ω
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cm；将所述第一衬底和所述第二衬底在所述导电层处进行键合以形成第一键合体；对所述第一键合体进行第一退火处理，使所述第一键合体在含H离子注入深度处剥离，以形成具有所述第二衬底的第二键合体；对所述第二键合体具有第一衬底的一侧表面进行抛光处理；在所述第二键合体具有第一衬底一侧表面形成第一外延层，所述第一外延层与所述第一衬底的晶格相匹配；在所述第一外延层远离所述第一衬底的一侧形成栅极和第一电极；在所述第二键合体具有第二衬底一侧形成第二电极。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导电层满足以下条件的至少之一：所述导电层为非晶层，优选地所述导电层包括碳化硅；所述导电层包括金属硅化物。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一衬底为SiC单晶材料，所述SiC单晶材料满足基平面位错密度不高于1500/cm2。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第二衬底为SiC材料，且所述第一衬底的SiC材料晶体质量优于所述第二衬底的SiC材料晶体质量。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导电层至少形成在所述第一衬底上，在所述第一衬底上含H离子注入一侧的表面形成所述导电层，或者，在所述第一衬底一侧表面形成所述导电层之后，对所述表面进行所述含H离子注入。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导电层包括碳化硅，所述导电层是通过磁控溅射、离子注入中的一种或两种方法获得的；或者，所述导电层包括金属硅化物，并在形成所述导电层之后对具有所述导电层一侧的第一衬底进行所述含H离...

【专利技术属性】
技术研发人员：武娴，
申请(专利权)人：北京清芯昇能半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：