[发明专利]包含硅晶片和碳化硅外延层的复合晶片中晶片弯曲的减少

说明书

我们描述了一种用于减少复合晶片中的弯曲的方法，该复合晶片包含硅晶片和生长于所述硅晶片上的碳化硅层。该方法包括在硅晶片上碳化硅层的生长过程中施加氮原子，以便在复合晶片内产生压应力。

技术领域

本发明涉及复合晶片(composite wafer)中弯曲(bow)的减少，具体地但不完全是基于碳化硅(SiC)的复合晶片中。

背景技术

制造碳化硅/硅，特别是3-步立方碳化硅(3-step cubic silicon carbide，3C-SiC)和Si异质外延(Si heteroepitaxy)时，所面临的挑战为：由于两种材料之间晶格错配以及从1370℃的典型生长温度降温时SiC更快热收缩而在Si/SiC界面引入的张应力(tensile stress)。

早已证明，用多晶SiC细线将晶片表面划分为每侧约2.5mm的子晶片对减少张应力引起的晶片弯曲是有益的。

本发明目的在于使用有效技术减少晶片弯曲。

发明内容

本发明通过在复合晶片临界部分，即在Si/SiC界面引入抵消作用的压应力(compressive stress)来减少晶片弯曲。为了减少压力和弯曲存在两个动机。首先是提高晶片的坚固性(robustness)，因为高度承压的晶片易碎。其次是制造尽可能平的晶片以便于通过各种设备进行加工制得微电子组件。

据本发明的一个方面，提供了一种用于减少复合晶片中弯曲的方法，所述复合晶片包含硅晶片和生长于硅晶片上的碳化硅外延层。该方法包括在硅晶片上碳化硅层的外延生长过程中施加氮原子，以便在复合晶片内产生压应力。该技术允许氮原子在外延层的初始外延生长(epitaxial growth)过程中掺入晶片。该技术在晶片内产生压应力，抵消引起晶片内引起弯曲的张应力。

据本发明的另一方面，提供了一种复合晶片的制备方法，该方法包括：形成硅晶片；在硅晶片上热生长碳化硅外延层以形成复合晶片；在碳化硅层的热生长期间施加氮原子，以便在复合晶片内生成压应力。

氮原子可以在碳化硅层的初始单晶外延生长阶段或过程中施加。因此，氮原子的引入除了碳化硅层的掺杂分布之外的。应理解的是，SiC掺杂材料可以含有含氮物质，但是在层掺杂期间含氮物质的引入与SiC层外延生长期间引入氮原子是不同的。本发明针对在外延生长过程(独立于SiC层的掺杂过程之外)中施加氮原子。

应理解的是，外延生长工艺和沉积工艺(deposition process)是存在区别的。在沉积工艺中，材料是直接从气体和/或液体(相)成分中的化学反应产生的，那些化学反应的产物以不连贯“雨”的形式到达固体基体上。固体材料通常并非反应形成的唯一产物。副产物可以包括气体、液体甚至其他固体。沉积工艺的例子包括低压化学气相沉积(LPCVD)和等离子体增强气相沉积(PECVD)。通过对比，外延生长工艺完全不同于沉积工艺。如果基体为有序半导体晶体(即，硅、砷化镓等)，有了这个工艺，就可能在基体上继续形成相同的定向结晶，而基体则作为生长模板且通过前体物质吸附到表面上进入精确的晶格位置。沉积工艺包括非晶或小晶粒多晶材料的不连贯雨。外延生长工艺包括基体单晶结构的延续。在沉积工艺中，高氮流可以改变非晶或多晶材料的宏观结构，例如：减少结晶粒尺寸(grainsize)，这会因TCE差异而影响应力。在外延生长工艺中，更低的氮流被完全掺入到微观晶体结构中，通过借助与主晶(host crystal)相比原子尺寸的差异来施加压应力。

关键点是，两种情况的结构和机制不同，因此应意识到，在晶体生长过程中施加氮原子的本发明的技术仅适用于外延生长工艺。

本发明仅涉及在Si上SiC的外延生长过程以及在外延生长过程中施加氮原子以减少晶片弯曲。

在本发明中，在外延生长过程中氮原子构成气相的约0.5％-0.001％，典型的生长温度为1370℃。一般情况下，从应力和缺陷来看，氢气中含氮0.25％是最优化生长SiC的氮含量。