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TWI777692B - 碳化矽晶圓及其製備方法 - Google Patents

碳化矽晶圓及其製備方法 Download PDF

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TWI777692B TW110127558A TW110127558A TWI777692B TW I777692 B TWI777692 B TW I777692B TW 110127558 A TW110127558 A TW 110127558A TW 110127558 A TW110127558 A TW 110127558A TW I777692 B TWI777692 B TW I777692B
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Abstract

提供一種碳化矽晶圓，其中在離碳化矽晶圓邊緣的5mm的範圍面積內，不存在由基面差排缺陷所聚集形成的小角度晶界，且碳化矽晶圓的彎曲度小於15μm。

Description

碳化矽晶圓及其製備方法
本發明是有關於一種碳化矽晶圓，且特別是有關於一種具有高平坦度的碳化矽晶圓及其製備方法。
碳化矽晶圓一般是由晶種藉由晶體成長製程形成晶體/晶碇，再對晶體/晶碇進行切割而成。若是所使用的晶種表面不平整，或是有損傷或具有基面差排缺陷(basal plane dislocation；BPD)，這容易導致晶體的成長方向不一，進而產生更多的缺陷。若是成長後的晶體的基面差排缺陷因分佈集中成條列狀而形成小角度晶界(low angle grain boundary)時，這會造成應變應力無法分散。一般來說，小角度晶界是指晶粒內部位相差稍有差異的亞晶粒之間的界面，其由位相差小於15°的相鄰晶粒所組成的。
經由本發明人實驗所發現，具有小角度晶界的晶體在經過切割與加工後，所得到的碳化矽晶圓/晶片的幾何形貌會變大，例如，晶圓的翹曲度(warp)與彎曲度(bow)容易偏大到50μm以上的程度。有鑑於此，如何控制基面差排缺陷減少或避免小角度晶界的產生，並提供具有高平坦度的碳化矽晶圓為目前亟需解決的問題。
本發明提供一種碳化矽晶圓及其製備方法，其能夠製備僅有小量或是無小角度晶界產生的碳化矽晶圓，因此晶圓經加工後仍可達到高平坦度。
本發明提供一種碳化矽晶圓，其中在離所述碳化矽晶圓邊緣的5mm的範圍面積內，不存在由基面差排缺陷所聚集形成的小角度晶界，且所述碳化矽晶圓的彎曲度小於15μm。
在本發明的一實施例中，所述碳化矽晶圓經所述研磨拋光後的翹曲度小於30μm。
在本發明的一實施例中，在離所述碳化矽晶圓邊緣的10mm的範圍面積內，由基面差排缺陷所聚集形成的小角度晶界小於所述範圍面積的7%。
在本發明的一實施例中，在離所述碳化矽晶圓邊緣的10mm的範圍面積內，不存在由基面差排缺陷所聚集形成的小角度晶界。
在本發明的一實施例中，在離所述碳化矽晶圓邊緣的15mm的範圍面積內，由基面差排缺陷所聚集形成的小角度晶界小於所述範圍面積的10%。
在本發明的一實施例中，在離所述碳化矽晶圓邊緣的15mm的範圍面積內，不存在由基面差排缺陷所聚集形成的小角度晶界。
在本發明的一實施例中，在離所述碳化矽晶圓邊緣的20mm的範圍面積內，由基面差排缺陷所聚集形成的小角度晶界小於所述範圍面積的30%。
在本發明的一實施例中，在離所述碳化矽晶圓邊緣的20mm的範圍面積內，由基面差排缺陷所聚集形成的小角度晶界小於所述範圍面積的20%。
在本發明的一實施例中，在離所述碳化矽晶圓邊緣的20mm的範圍面積內，不存在由基面差排缺陷所聚集形成的小角度晶界。
在本發明的一實施例中，所述碳化矽晶圓中的基面差排缺陷的密度為210個/cm 2至450個/cm 2。
本發明另提供一種碳化矽晶圓的製備方法，包括以下步驟。提供晶種，所述晶種包括第一面以及與第一面相對的第二面。使用碳化矽粉末的原料接觸晶種以進行晶體成長製程，其中碳化矽粉末中的不純物小於0.5ppm。透過晶體成長製程形成晶體，並且對所述晶體進行切割以形成碳化矽晶圓。
在本發明的一實施例中，所述晶種中的所述第一面與所述第二面的基面差排缺陷的數量差異小於25%。
基於上述，透過本發明實施例方法所形成的碳化矽晶圓能夠控制碳化矽晶圓中的特定範圍面積內不具有小角度晶界。據此，本發明的碳化矽晶圓經研磨拋光等加工後，其彎曲度與翹曲度都能控制在理想的範圍，達到具有高平坦度的碳化矽晶圓。
圖1是依照本發明一實施例的碳化矽晶圓的製備方法的流程圖。如圖1所示，於步驟S10提供一晶種。所述晶種包括第一面以及與其相對的第二面。舉例來說，第一面可以為碳面，而第二面可以為矽面。在本發明的實施例中，第一面中的基面差排缺陷(BPD)的數量與第二面的基面差排缺陷(BPD)的數量差異小於25%。在一些實施例中，第一面中的基面差排缺陷(BPD)的數量與第二面的基面差排缺陷(BPD)的數量差異為20%以下。也就是說，第一面與第二面的缺陷分佈是類似地，且兩者的差異越小越好。當控制晶種中第一面與第二面的基面差排缺陷(BPD)在上述範圍內時，由於長晶時不易因熱應力導致基面差排缺陷變型，進而使晶種劣化，因此，能夠減少或避免小角度晶界的產生。
此外，在一些實施例中，晶種的第一面與第二面的局部厚度變化(local thickness variation；LTV)以及堆積缺陷(stacking fault；SF)差異也是越小越好。舉例來說，晶種兩面的局部厚度變化(LTV)可以控制為1.0µm以下，且堆積缺陷(SF) 可以控制為小於10ea/cm 2。據此，能夠進一步減少或避免小角度晶界的產生。
在本發明實施例中，是將上述晶種放置在高溫爐中，並將碳化矽粉末作為固態蒸發源，放置在高溫爐的底端，並且是以感應式線圈對高溫爐進行加熱。如圖1的步驟S20所示，是使用碳化矽粉末的原料接觸所述晶種以進行晶體成長製程。在一些實施例中，碳化矽粉末中的不純物是小於0.5ppm。亦即，碳化矽粉末中所有金屬可以檢驗出的雜質元素是小於0.5ppm。
在晶體成長製程中，碳化矽粉末原料會在高溫爐的熱場中昇華，且所述熱場的徑向溫度梯度小於50℃/cm。換言之，上述晶種會承接從氣態傳輸再次凝固的原料（上述碳化矽粉末），並慢慢形成半導體材料於晶種的表面，直到獲得具有預期尺寸的晶體/晶碇為止。晶體/晶碇可以視製造方式、製造原料、晶種晶向而有不同的結晶構造。舉例來說，碳化矽的晶碇包括4H-碳化矽、6H-碳化矽等。4H-碳化矽以及6H-碳化矽屬於六方晶系。
接著，如圖1的步驟S30所示，透過上述晶體成長製程形成晶體/晶碇後，是對所述晶體/晶碇進行切割以形成碳化矽晶圓。舉例來說，在一些實施例中，是將晶體的邊角切割成等徑圓柱，以及磨成導圓角，以避免晶圓的邊角因為碰撞而破裂。接著，是將晶體切片，來將多個晶圓切割分離。晶體的切片方法包括以刀具或鋼線配合磨粒（磨粒如鑽石顆粒）的方式進行切割。
在本發明的實施例中，於切割後形成的碳化矽晶圓中，在離所述碳化矽晶圓邊緣的5mm的範圍面積內，不存在由基面差排缺陷所聚集形成的小角度晶界。在一些實施例中，在離所述碳化矽晶圓邊緣的10mm的範圍面積內，由基面差排缺陷所聚集形成的小角度晶界小於所述範圍面積的7%。在一些實施例中，在離所述碳化矽晶圓邊緣的10mm的範圍面積內，不存在由基面差排缺陷所聚集形成的小角度晶界。在一些實施例中，在離所述碳化矽晶圓邊緣的15mm的範圍面積內，由基面差排缺陷所聚集形成的小角度晶界小於所述範圍面積的10%。在一些實施例中，在離所述碳化矽晶圓邊緣的15mm的範圍面積內，不存在由基面差排缺陷所聚集形成的小角度晶界。在一些實施例中，在離所述碳化矽晶圓邊緣的20mm的範圍面積內，由基面差排缺陷所聚集形成的小角度晶界小於所述範圍面積的30%。在一些實施例中，在離所述碳化矽晶圓邊緣的20mm的範圍面積內，由基面差排缺陷所聚集形成的小角度晶界小於所述範圍面積的20%。在一些實施例中，在離所述碳化矽晶圓邊緣的20mm的範圍面積內，不存在由基面差排缺陷所聚集形成的小角度晶界。
在一些實施例中，藉由上述晶體成長製程形成的晶體，並切割後所得到的晶圓可至少符合下述表1的其中一個組別條件:
表1
組別 1 2 3 4 5
離碳化矽晶圓邊緣的5mm的範圍面積內，小角度晶界的百分比 無 無 無 無 無
離碳化矽晶圓邊緣的10mm的範圍面積內，小角度晶界的百分比 無 無 無 小於5% 小於7%
離碳化矽晶圓邊緣的15mm的範圍面積內，小角度晶界的百分比 無 無 小於5% 小於7% 小於10%
離碳化矽晶圓邊緣的20mm的範圍面積內，小角度晶界的百分比 無 小於10% 小於15% 小於20% 小於30%
接著，如圖1的步驟S40所示，是對切割後得到的碳化矽晶圓進行研磨及拋光等加工。在本發明實施例中，當碳化矽晶圓中的小角度晶界的比例符合上述條件時，則碳化矽晶圓經研磨拋光後的彎曲度(bow)可小於15μm，且碳化矽晶圓經研磨拋光後的翹曲度(warp)可小於30μm。
為了證明本發明碳化矽晶圓的製備方法能夠減少小角度晶界，並控制加工後晶圓的彎曲度(bow)與翹曲度(warp)在一定範圍內，將以下列的比較例與實驗例進行說明。 比較例
於比較例中，是使用晶種中第一面與第二面的基面差排缺陷的數量差異大於25%的晶種以及碳化矽粉末中的不純物大於0.5ppm的原料來進行晶體成長製程。將比較例中所得到的晶體進行切割得到晶圓後，是以晶圓缺陷檢查裝置Lasertec SICA 88對晶圓進行量測，實驗結果如圖2A至圖2C所示。
圖2A至圖2C是依照本發明一些比較例的碳化矽晶圓經晶圓缺陷檢查裝置進行量測的結果。如圖2A至圖2C所示，由晶圓缺陷檢查裝置進行量測的結果發現，各比較例中的碳化矽晶圓皆有明顯地基面差排缺陷BPD聚集而形成的條列狀的小角度晶界。此外，將圖2A至圖2C的碳化矽晶圓進行加工後，其彎曲度(bow)以及翹曲度(warp)的數值都偏高。如圖2A的比較例所示，碳化矽晶圓的彎曲度為39.5μm且翹曲度為60.5μm。如圖2B的比較例所示，碳化矽晶圓的彎曲度為49.5μm且翹曲度為90.5μm。如圖2C的比較例所示，碳化矽晶圓的彎曲度為79.5μm且翹曲度為105.5μm。據此，依照上述比較例所得到的碳化矽晶圓並無法符合本發明碳化矽晶圓經研磨拋光後的彎曲度小於15μm且翹曲度小於30μm的需求。 實驗例
於實驗例中，是使用晶種中第一面與第二面的基面差排缺陷的數量差異小於25%的晶種以及碳化矽粉末中的不純物小於0.5ppm的原料來進行晶體成長製程。將實驗例中所得到的晶體進行切割得到晶圓後，是以晶圓缺陷檢查裝置Lasertec SICA 88、光激發螢光頻譜(photoluminescence；PL)或是其它光學儀器對晶圓進行量測，實驗結果如圖3A至圖3D所示。
圖3A至圖3D是依照本發明一些實施例的碳化矽晶圓經晶圓缺陷檢查裝置進行量測的結果。如圖3A至圖3D所示，由晶圓缺陷檢查裝置進行量測的結果發現，各實驗例中的碳化矽晶圓都沒有發現明顯地基面差排缺陷BPD聚集而形成的小角度晶界。此外，將圖3A至圖3D的碳化矽晶圓進行加工後，其彎曲度(bow)以及翹曲度(warp)的數值皆是符合本發明碳化矽晶圓經研磨拋光後的彎曲度小於15μm且翹曲度小於30μm的需求。
如圖3A的實驗例所示，碳化矽晶圓的彎曲度為12.5μm且翹曲度為28.7μm。如圖3B的實驗例所示，碳化矽晶圓的彎曲度為3.5μm且翹曲度為15.5μm。如圖3C的實驗例所示，碳化矽晶圓的彎曲度為9.2μm且翹曲度為20.5μm。如圖3D的實驗例所示，碳化矽晶圓的彎曲度為10.5μm且翹曲度為25.5μm。此外，在圖3A至圖3D的實驗例中，以晶圓缺陷檢查裝置Lasertec SICA 88的PL功能對晶圓進行量測時，可確認到碳化矽晶圓中的基面差排缺陷的密度為210個/cm 2至450個/cm 2的範圍。當碳化矽晶圓中密度是符合上述範圍時，可預期基面差排缺陷BPD不會聚集而形成的小角度晶界。據此，本發明實施例所得到的碳化矽晶圓可具有理想的平坦度。
綜上所述，透過本發明實施例方法所形成的碳化矽晶圓能夠控制碳化矽晶圓中的特定範圍面積內不具有小角度晶界。據此，本發明的碳化矽晶圓經研磨拋光等加工後，其彎曲度與翹曲度都能控制在理想的範圍，達到具有高平坦度的碳化矽晶圓。
BPD:基面差排缺陷 S10、S20、S30、S40:步驟
圖1是依照本發明一實施例的碳化矽晶圓的製備方法的流程圖。 圖2A至圖2C是依照本發明一些比較例的碳化矽晶圓經晶圓缺陷檢查裝置進行量測的結果。 圖3A至圖3D是依照本發明一些實施例的碳化矽晶圓經晶圓缺陷檢查裝置進行量測的結果。
S10、S20、S30、S40:步驟

Claims (13)

  1. 一種碳化矽晶圓，其中在離所述碳化矽晶圓邊緣的5mm的範圍面積內，不存在由基面差排缺陷所聚集形成的小角度晶界，且所述碳化矽晶圓的彎曲度小於15μm。
  2. 如請求項1所述的碳化矽晶圓，其中所述碳化矽晶圓的翹曲度小於30μm。
  3. 如請求項1所述的碳化矽晶圓，其中在離所述碳化矽晶圓邊緣的10mm的範圍面積內，由基面差排缺陷所聚集形成的小角度晶界小於所述範圍面積的7%。
  4. 如請求項3所述的碳化矽晶圓，其中在離所述碳化矽晶圓邊緣的10mm的範圍面積內，不存在由基面差排缺陷所聚集形成的小角度晶界。
  5. 如請求項1所述的碳化矽晶圓，其中在離所述碳化矽晶圓邊緣的15mm的範圍面積內，由基面差排缺陷所聚集形成的小角度晶界小於所述範圍面積的10%。
  6. 如請求項5所述的碳化矽晶圓，其中在離所述碳化矽晶圓邊緣的15mm的範圍面積內，不存在由基面差排缺陷所聚集形成的小角度晶界。
  7. 如請求項1所述的碳化矽晶圓，其中在離所述碳化矽晶圓邊緣的20mm的範圍面積內，由基面差排缺陷所聚集形成的小角度晶界小於所述範圍面積的30%。
  8. 如請求項7所述的碳化矽晶圓，其中在離所述碳化矽晶圓邊緣的20mm的範圍面積內，由基面差排缺陷所聚集形成的小角度晶界小於所述範圍面積的20%。
  9. 如請求項7所述的碳化矽晶圓，其中在離所述碳化矽晶圓邊緣的20mm的範圍面積內，不存在由基面差排缺陷所聚集形成的小角度晶界。
  10. 如請求項1所述的碳化矽晶圓，其中所述碳化矽晶圓中的基面差排缺陷的密度為210個/cm2至450個/cm2。
  11. 一種碳化矽晶圓的製備方法，包括：提供一晶種，所述晶種包括第一面以及與所述第一面相對的第二面；使用碳化矽粉末的原料接觸所述晶種以進行晶體成長製程，其中所述碳化矽粉末中的不純物小於0.5ppm；以及透過所述晶體成長製程形成晶體，並且對所述晶體進行切割以形成碳化矽晶圓。
  12. 如請求項11所述的方法，其中所述晶種中的所述第一面與所述第二面的基面差排缺陷的數量差異小於25%。
  13. 一種碳化矽晶圓，由碳化矽粉末的原料接觸晶種以進行晶體成長而製成，所述晶種包括第一面以及與所述第一面相對的第二面，所述晶種中的所述第一面與所述第二面的基面差排缺陷的數量差異小於25%，所述碳化矽粉末中的不純物小於0.5ppm，其中在離所述碳化矽晶圓邊緣的5mm的範圍面積內，不 存在由基面差排缺陷所聚集形成的小角度晶界，且所述碳化矽晶圓的彎曲度小於15μm。
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