一种硅基异质集成4H-SiC外延薄膜结构的制备方法与流程

本发明涉及信息功能材料的制备，更具体地涉及一种硅基异质集成4h-sic外延薄膜结构的制备方法。

背景技术：

sic是一种宽禁带半导体材料，禁带宽度为2.3-3.4ev，在高温环境中仍然具有稳定的电学性能。sic的努氏硬度达到2480kg/mm²，杨氏模量达到700gpa，具有出色的机械性能。此外，sic材料化学性质稳定，可以工作在具有强腐蚀性的环境中，是高温，高压等严酷条件下微机电系统(mems)的器件的理想材料。

此外，考虑到sic的光学特性，sic是集成光学，非线性和光机械器件的理想材料。与其他材料相比，sic结合了高折射率(n＝2.6)，宽禁带，高二阶和三阶非线性系数。高折射率实现了光学模式的高限制，在色散领域将带来更大的灵活性。宽带隙使得在大功率下的光吸收损失最小化，高二阶和三阶使得sic在非线性光学应用中具有出色的性能。

sic材料具有200多种晶型，其中应用最多的是3c-sic，4h-sic和6h-sic。3c-sic薄膜主要是利用常压化学气相沉积(apcvd)和减压化学气相沉积(rpcvd)的方法，在si衬底表面沉积sic薄膜。用这种方法制备的3c-sic薄膜主要是多晶薄膜，晶体质量无法达到单晶。然而，由于4h-sic，6h-sic的生长温度大于硅的熔点温度，无法通过传统薄膜沉积异质外延的方法在硅衬底生长单晶sic薄膜，因此，这造成了sic薄膜在生长上的困难。而由于sic自身的硬度大和耐腐蚀等特性，直接加工体材料又十分困难。另外，利用离子束剥离与键合的方法可以在si衬底上转移单晶sic，但是单晶薄膜是由sic单晶晶圆剥离下来，而目前sic单晶晶圆的内部微管和晶体缺陷不可避免，因此单晶薄膜质量受到晶圆质量制约。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术存在的无法通过传统薄膜沉积异质外延的方法在硅衬底生长4h-sic外延薄膜的问题，本发明旨在提供一种硅基异质集成4h-sic外延薄膜结构的制备方法。

本发明提供一种硅基异质集成4h-sic外延薄膜结构的制备方法，包括：提供碳化硅单晶晶片，通过氢离子注入在碳化硅单晶晶片中形成注入缺陷层并提供碳化硅单晶薄膜；在碳化硅单晶晶片或碳化硅单晶薄膜上外延生长4h-sic单晶薄膜；将所述4h-sic单晶薄膜与一硅支撑衬底键合，得到包括碳化硅单晶晶片、4h-sic单晶薄膜和硅支撑衬底的复合结构；剥离，得到包括碳化硅单晶薄膜、4h-sic单晶薄膜和硅支撑衬底的复合结构；表面处理以除去碳化硅单晶薄膜，得到包括4h-sic单晶薄膜和硅支撑衬底的硅基异质集成4h-sic外延薄膜结构。

优选地，该制备方法包括步骤：s1，提供碳化硅单晶晶片，在碳化硅单晶晶片上外延生长4h-sic单晶薄膜，得到包括碳化硅单晶晶片和4h-sic单晶薄膜的第一复合结构，该第一复合结构具有注入面；s2，从所述注入面向第一复合结构进行氢离子注入，使得注入离子到达预设深度并在预设深度处形成注入缺陷层，该注入缺陷层形成于碳化硅单晶晶片中，且该注入缺陷层的上方形成碳化硅单晶薄膜；s3，将所述4h-sic单晶薄膜与一硅支撑衬底键合，得到包括碳化硅单晶晶片、4h-sic单晶薄膜和硅支撑衬底的第二复合结构；s4，对第二复合结构进行退火处理，使得第二复合结构沿着注入缺陷层剥离，得到第三复合结构，其中，注入缺陷层形成损伤层，第三复合结构包括损伤层、碳化硅单晶薄膜、4h-sic单晶薄膜和硅支撑衬底；s5，对第三复合结构进行表面处理以除去损伤层和碳化硅单晶薄膜，得到包括4h-sic单晶薄膜和硅支撑衬底的硅基异质集成4h-sic外延薄膜结构。

在所述步骤s3中，优选地，4h-sic单晶薄膜上生长一层第一介质层，在硅支撑衬底上生长一层第二介质层，对所述第一介质层和所述第二介质层进行等离子激活处理后将所述第一介质层与所述第二介质层键合。

优选地，等离子激活的气体包括但不限于氧气，氮气，氩气等。优选地，键合温度介于20℃和800℃之间。优选地，键合环境条件包括但不限于常温常压、真空环境、氮气气氛等。优选地，所述介质层为氧化硅、氧化铝、或氮化硅中的至少一种。优选地，所述介质层的形成方法包括但不限于热氧化、或气相沉积。优选地，所述介质层的厚度介于0nm-5μm之间。

优选地，该制备方法包括步骤：p1，提供具有注入面的第一碳化硅单晶晶片；p2，从所述注入面向第一碳化硅单晶晶片进行氢离子注入，使得注入离子到达预设深度并在预设深度处形成注入缺陷层，该注入缺陷层的上方形成碳化硅单晶薄膜；p3，将碳化硅单晶薄膜与第二碳化硅单晶晶片键合，得到包括第一碳化硅单晶晶片和第二碳化硅单晶晶片的第一复合结构；p4，对第一复合结构进行退火处理，使得第一复合结构沿着注入缺陷层剥离，得到第二复合结构，其中，注入缺陷层形成损伤层，第二复合结构包括损伤层、碳化硅单晶薄膜和第二碳化硅单晶晶片；p5，对第二复合结构进行表面处理以除去损伤层，得到包括碳化硅单晶薄膜和第二碳化硅单晶晶片的第三复合结构；p6，在碳化硅单晶薄膜上外延生长4h-sic单晶薄膜，得到包括第二碳化硅单晶晶片、碳化硅单晶薄膜和4h-sic单晶薄膜的第四复合结构；p7，将所述4h-sic单晶薄膜与一硅支撑衬底键合，得到包括第二碳化硅单晶晶片、碳化硅单晶薄膜、4h-sic单晶薄膜和硅支撑衬底的第五复合结构；p8，对第五复合结构进行腐蚀处理，使得第五复合结构剥离，得到第六复合结构，该第六复合结构包括碳化硅单晶薄膜、4h-sic单晶薄膜和硅支撑衬底；p9，对第六复合结构进行表面处理以除去碳化硅单晶薄膜，得到包括4h-sic单晶薄膜和硅支撑衬底的硅基异质集成4h-sic外延薄膜结构。

在所述步骤p3中，优选地，碳化硅单晶薄膜上生长一层第一介质层，在第二碳化硅单晶晶片上生长一层图形化的第二介质层，对所述第一介质层和所述第二介质层进行等离子激活处理后将所述第一介质层与所述第二介质层键合。优选地，所述图形化包括但不限于沟槽，孔洞阵列等。图形化方法包括但不限于光刻，电子束曝光，感应耦合等离子体刻蚀，反应离子刻蚀等。

在所述步骤p7中，优选地，4h-sic单晶薄膜上生长一层第三介质层，在硅支撑衬底上生长一层第四介质层，对所述第三介质层和所述第四介质层进行等离子激活处理后将所述第三介质层与所述第四介质层键合。

优选地，等离子激活的气体包括但不限于氧气，氮气，氩气等。优选地，键合温度介于20℃和800℃之间。优选地，键合环境条件包括但不限于常温常压、真空环境、氮气气氛等。优选地，所述介质层为氧化硅、氧化铝、或氮化硅中的至少一种。优选地，所述介质层的形成方法包括但不限于热氧化、或气相沉积。优选地，所述介质层的厚度介于0nm-5μm之间。

在所述步骤p8中，通过干法或湿法腐蚀使得第二碳化硅单晶晶片和碳化硅单晶薄膜分离，使4h-sic单晶薄膜转移至硅支撑衬底上。优选地，在溶液中进行腐蚀处理。优选地，所述溶液不限于hf，hcl等。

优选地，所述碳化硅单晶晶片的尺寸为毫米级晶片或晶圆级晶片。

优选地，所述硅支撑衬底为衬底晶圆。优选地，所述硅支撑衬底的厚度为200μm-1mm。

优选地，氢离子注入的能量为20kev-2mev，剂量为1×10¹⁶cm^-2-1×10¹⁷cm^-2。

优选地，4h-sic单晶薄膜的厚度为0.1-2μm。

优选地，通过气相外延生长4h-sic单晶薄膜。

在所述步骤s4或p4中，在真空、氮气、氩气或氢气的环境下进行退火处理以使得碳化硅单晶薄膜通过退火处理被转移到硅支撑衬底上。而且，通过该退火处理，碳化硅单晶薄膜与硅支撑衬底的键合强度被进一步加强。优选地，退火温度为500℃-1300℃，退火时间为1分钟-24小时。

在所述步骤s5或p4或p9中，所述表面处理以去除损伤层的方法为高温退火、化学机械抛光、反应离子刻蚀、离子束刻蚀、或离子束掠入射抛光中的至少一种。通过该表面处理以使得碳化硅单晶薄膜的表面达到器件制备水平。离子束刻蚀的离子束能量范围1ev～10kev，环境温度100～600摄氏度，离子束入射角度40°～90°，过程时间1～120min，从而得到高质量的碳化硅单晶薄膜。

根据本发明的制备方法，通过氢离子注入形成注入缺陷层，然后与硅支撑衬底键合，键合后的结构进行退火，从而将4h-sic外延薄膜转移到硅支撑衬底上，然后进行表面处理形成硅基异质集成4h-sic外延薄膜结构。如此，本发明的制备方法得到的集成薄膜结构不存在结晶质量差的问题。

附图说明

图1是根据本发明的一个优选实施例的制备方法提供的第一复合结构的剖面图；

图2是根据本发明的一个优选实施例的制备方法提供的注入后的第一复合结构的剖面图；

图3是根据本发明的一个优选实施例的制备方法提供的第二复合结构的剖面图；

图4是根据本发明的一个优选实施例的制备方法提供的第二复合结构沿着注入缺陷层剥离的剖面图；

图5是根据本发明的一个优选实施例的制备方法提供的硅基异质集成4h-sic外延薄膜结构的剖面图；

图6是根据本发明的另一个优选实施例的制备方法提供的未注入的第一碳化硅单晶晶片的剖面图；

图7是根据本发明的另一个优选实施例的制备方法提供的注入后的第一碳化硅单晶晶片的剖面图；

图8是根据本发明的另一个优选实施例的制备方法提供的第二复合结构的剖面图；

图9是根据本发明的另一个优选实施例的制备方法提供的第二复合结构沿着注入缺陷层剥离的的剖面图；

图10是根据本发明的另一个优选实施例的制备方法提供的第三复合结构的剖面图；

图11是根据本发明的另一个优选实施例的制备方法提供的第四复合结构的剖面图；

图12是根据本发明的另一个优选实施例的制备方法提供的第五复合结构的剖面图；

图13是根据本发明的另一个优选实施例的制备方法提供的第六复合结构的剖面图；

图14是根据本发明的另一个优选实施例的制备方法提供的硅基异质集成4h-sic外延薄膜结构的剖面图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

根据本发明的一个优选实施例的硅基异质集成4h-sic外延薄膜结构的制备方包括：

1)提供碳化硅单晶晶片1，在碳化硅单晶晶片1上外延生长4h-sic单晶薄膜2，得到包括碳化硅单晶晶片1和4h-sic单晶薄膜2的第一复合结构，如图1所示，该第一复合结构具有注入面2a；

2)从注入面2a沿着图2的箭头方向向第一复合结构进行氢离子注入，第一复合结构在距离注入面2a的预设深度处形成注入缺陷层11，该注入缺陷层11形成于碳化硅单晶晶片1中，且该注入缺陷层11的上方形成碳化硅单晶薄膜12；

3)4h-sic单晶薄膜2上生长一层第一介质层21，硅支撑衬底3上生长一层第二介质层31，将第一介质层21与第二介质层31键合，如图3所示，得到包括碳化硅单晶晶片1、4h-sic单晶薄膜2和硅支撑衬底3的第二复合结构；

4)对第二复合结构进行退火处理，如图4所示，使得第二复合结构沿着注入缺陷层11剥离得到第三复合结构，其中，注入缺陷层11形成损伤层111，第三复合结构包括损伤层111、碳化硅单晶薄膜12、4h-sic单晶薄膜2和硅支撑衬底3；

5)进行表面处理除去第三复合结构中的损伤层111和碳化硅单晶薄膜12，得到如图5所示的包括4h-sic单晶薄膜2和硅支撑衬底3的硅基异质集成4h-sic外延薄膜结构。

根据本发明的另一个优选实施例的硅基异质集成4h-sic外延薄膜结构的制备方包括：

1)提供具有注入面10a的第一碳化硅单晶晶片10，如图6所示；

2)从注入面10a沿着图7的箭头方向向第一碳化硅单晶晶片10进行氢离子注入，第一碳化硅单晶晶片10在距离注入面10a的预设深度处形成注入缺陷层110，该注入缺陷层110的上方形成碳化硅单晶薄膜120；

3)碳化硅单晶薄膜120上生长一层第一介质层1201，第二碳化硅单晶晶片10’上生长一层图形化的第二介质层101’，将第一介质层1201与第二介质层101’键合，如图8所示，得到包括第一碳化硅单晶晶片10和第二碳化硅单晶晶片10’的第一复合结构；

4)对第一复合结构进行退火处理，如图9所示，使得第一复合结构沿着注入缺陷层110剥离得到第二复合结构，其中，注入缺陷层110形成损伤层1110，第二复合结构包括损伤层1110、碳化硅单晶薄膜120和第二碳化硅单晶晶片10’；

5)进行表面处理除去第二复合结构中的损伤层1110，得到如图10所示的包括碳化硅单晶薄膜120和第二碳化硅单晶晶片10’的第三复合结构；

6)在碳化硅单晶薄膜120上外延生长4h-sic单晶薄膜20，得到包括第二碳化硅单晶晶片10’、碳化硅单晶薄膜120和4h-sic单晶薄膜20的第四复合结构，如图11所示；

7)4h-sic单晶薄膜20上生长一层第三介质层201，硅支撑衬底30上生长一层第四介质层301，将第三介质层201与第四介质层301键合，如图12所示，得到包括第二碳化硅单晶晶片10’、碳化硅单晶薄膜120、4h-sic单晶薄膜20和硅支撑衬底30的第五复合结构；

8)对第五复合结构进行腐蚀处理，使得第五复合结构沿着第一介质层1201剥离得到如图13所示的第六复合结构，该第六复合结构包括碳化硅单晶薄膜120、4h-sic单晶薄膜20和硅支撑衬底30；

9)进行表面处理除去第六复合结构中的碳化硅单晶薄膜120，得到如图14所示的包括4h-sic单晶薄膜20和硅支撑衬底30的硅基异质集成4h-sic外延薄膜结构。

实施例1

提供毫米级的碳化硅单晶晶片，通过气相外延生长，在碳化硅单晶晶片上外延生长1μm的4h-sic单晶薄膜。从4h-sic单晶薄膜的注入面进行氢离子注入，注入能量为300kev，注入剂量为7×10¹⁶ions/cm²，形成注入缺陷层。在4h-sic单晶薄膜上生长一层2μm厚的sio2介质层，在500μm厚的硅支撑衬底上生长一层2μm厚的sio2介质层，两层sio2介质层键合，键合温度为200℃。真空下退火处理，退火温度为1000℃，退火时间为1h。化学机械抛光，得到硅基异质集成4h-sic外延薄膜结构。

实施例2

提供晶圆级的碳化硅单晶晶片，在碳化硅单晶晶片上外延生长500nm的4h-sic单晶薄膜。从4h-sic单晶薄膜注入面进行氢离子注入，注入能量为500kev，注入剂量为1×10¹⁷ions/cm²，形成注入缺陷层。将4h-sic单晶薄膜与400μm厚的硅支撑衬底直接键合，键合温度为20℃。氮气气氛下退火处理，退火温度为900℃，退火时间为6小时。离子束刻蚀，能量为5kev，环境温度为300摄氏度，离子束入射角度为60°，过程时间60min，得到硅基异质集成4h-sic外延薄膜结构。

实施例3

提供晶圆级的碳化硅单晶晶片，在碳化硅单晶晶片上外延生长2μm的4h-sic单晶薄膜。从4h-sic单晶薄膜注入面进行氢离子注入，注入能量为1mev，注入剂量为2×10¹⁷ions/cm²，形成注入缺陷层。在1mm厚的硅支撑衬底上生长一层3μm厚的氧化铝介质层，将4h-sic单晶薄膜与氧化铝介质层键合，键合温度为800℃。氩气气氛下退火处理，退火温度为1300℃，退火时间为12h。离子束掠入射抛光，得到硅基异质集成4h-sic外延薄膜结构。

实施例4

提供晶圆级的第一碳化硅单晶晶片。从第一碳化硅单晶晶片的注入面进行氢离子注入，注入能量为200kev，注入剂量为7×10¹⁶ions/cm²，形成注入缺陷层，该注入缺陷层的上方形成碳化硅单晶薄膜。在碳化硅单晶薄膜上生长一层2μm厚的sio2介质层，在第二碳化硅单晶晶片上通过光刻生长一层沟槽化的2μm厚的sio2介质层，两层sio2介质层键合，键合温度为200℃。真空下退火处理，退火温度为1000℃，退火时间为1h。化学机械抛光，得到碳化硅单晶薄膜和第二碳化硅单晶晶片的复合结构。在碳化硅单晶薄膜上外延生长1μm的4h-sic单晶薄膜。在4h-sic单晶薄膜上生长一层2μm厚的sio2介质层，在500μm厚的硅支撑衬底上生长一层2μm厚的sio2介质层，两层sio2介质层键合，键合温度为200℃。干法腐蚀剥离第二碳化硅单晶晶片。化学机械抛光，得到硅基异质集成4h-sic外延薄膜结构。

实施例5

提供晶圆级的第一碳化硅单晶晶片。从第一碳化硅单晶晶片的注入面进行氢离子注入，注入能量为200kev，注入剂量为7×10¹⁶ions/cm²，形成注入缺陷层，该注入缺陷层的上方形成碳化硅单晶薄膜。在碳化硅单晶薄膜上生长一层2μm厚的sio2介质层，在第二碳化硅单晶晶片上通过电子束曝光生长一层孔洞阵列化的2μm厚的sio2介质层，两层sio2介质层键合，键合温度为200℃。真空下退火处理，退火温度为1000℃，退火时间为1h。化学机械抛光，得到碳化硅单晶薄膜和第二碳化硅单晶晶片的复合结构。在碳化硅单晶薄膜上外延生长1μm的4h-sic单晶薄膜。在4h-sic单晶薄膜上生长一层2μm厚的al2o3介质层，在500μm厚的硅支撑衬底上生长一层2μm厚的al2o3介质层，两层al2o3介质层键合，键合温度为200℃。hf腐蚀剥离第二碳化硅单晶晶片。化学机械抛光，得到硅基异质集成4h-sic外延薄膜结构。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。