專(zhuān)利名稱(chēng)：分離外延層與襯底的方法
分離外延層與襯底的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料的生長(zhǎng)方法，尤其涉及分離外延層與襯底的方法。背景技術(shù)：
外延生長(zhǎng)半導(dǎo)體材料是目前半導(dǎo)體制造領(lǐng)域中常見(jiàn)的工藝之一 。為了獲得
高質(zhì)量的晶體，需要采用外延生長(zhǎng)的方法，如MOCVD或者HVPE，通過(guò)嚴(yán)格 控制物理化學(xué)參數(shù)，在襯底的表面獲得高質(zhì)量的半導(dǎo)體晶體外延層。并且，為 了避免襯底與外延層之間的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力對(duì)外延層產(chǎn)生影響，最好可以 在外延層生長(zhǎng)完畢后，將外延層和襯底層之間分離。
目前為了實(shí)現(xiàn)外延層與襯底材料之間的分離，主流技術(shù)有三種其一是采 用激光剝離的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，選用某一波長(zhǎng)的激光，滿(mǎn)足襯底材料對(duì)激光透明， 而外延材料強(qiáng)烈吸收激光的條件，使激光從襯底端入射，激光在襯底與外延層 的界面處被外延層強(qiáng)烈吸收，使得界面處的外延層融化分解，實(shí)現(xiàn)襯底與外延 層分離；其二是在襯底表面先生長(zhǎng)TiN或其他金屬的插入層，再生長(zhǎng)外延層， 其原理在于插入層的熱膨脹系數(shù)與外延層以及襯底都有很大的差別，由于外延 生長(zhǎng)多數(shù)在高溫下進(jìn)行，因此在降溫的過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)外延材料與襯底自動(dòng)分 離。其三是采用工藝輔助的方法，通過(guò)工藝手段改善襯底的表面形貌，實(shí)現(xiàn)外 延層與襯底之間的不完全連接，從而降低兩者之間的結(jié)合牢固程度，進(jìn)而在降 溫的過(guò)程中利用外延層與襯底材料之間的熱應(yīng)力實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分離。
現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)在于，激光剝離技術(shù)由于熱效應(yīng)，會(huì)對(duì)外延材料產(chǎn)生一定 程度的損傷，TiN及其他插入層技術(shù)會(huì)在一定程度上引入雜質(zhì)，而工藝輔助的 方法步驟繁雜，不易控制；并且這三種技術(shù)都存在額外的工藝開(kāi)銷(xiāo)，會(huì)增加生 產(chǎn)成本。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種分離外延層與襯底的方法，不會(huì)
引起對(duì)外延層的損傷，不引入雜質(zhì)，工藝簡(jiǎn)單并且不會(huì)明顯地增加工藝成本。 為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種分離外延層與襯底的方法，包括如 下步驟(a)提供襯底；(b)在襯底表面生長(zhǎng)插入層，所述插入層為化合物材
料，生長(zhǎng)溫度為T(mén)n (c)在插入層遠(yuǎn)離襯底一側(cè)生長(zhǎng)外延層，生長(zhǎng)溫度為T(mén)2， 所述T2>TV并且T2大于插入層材料的分解溫度和發(fā)生相分離的溫度中的較 低者；(d)將溫度降低至室溫。
作為可選的技術(shù)方案，在步驟(b)與步驟(C)之間還包括如下步驟(bl)
在插入層遠(yuǎn)離襯底的表面生長(zhǎng)覆蓋層，將插入層的表面完全覆蓋，生長(zhǎng)覆蓋層
的溫度為T(mén)3，所述KT3〈T2，并且T3小于插入層材料的分解溫度和發(fā)生相
分離的溫度中的較低者，所述覆蓋層的厚度為20nm l(^m。
作為可選的技術(shù)方案，在步驟(bl)與步驟(c)之間還包括如下步驟(b2) 對(duì)生長(zhǎng)后的多層膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行退火處理，退火溫度為T(mén)4，所述D丁3。
作為可選的技術(shù)方案，插入層與外延層在同一材料體系中選擇。例如，所 述外延層的材料選自于GaN、 A1N、 AlGaN、 GaAs中的一種，而所述插入層 的材料選自于InGaN、 AlInN、 InN、 AlInGaN、 GaAs、 InP、 InGaAs、 InGaP、 InAsP以及InGaAsP中的一種或多種。外延層和插入層的材料均屬于二元或者 多元的III-V族化合物半導(dǎo)體。
作為可選的技術(shù)方案，所述插入層的生長(zhǎng)溫度Ti小于IOO(TC，所述外延 層的生長(zhǎng)溫度T2大于900°C。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，當(dāng)插入層材料的分解溫度和發(fā)生相分離的溫度中的較 低者，插入層在生長(zhǎng)外延層的過(guò)程中發(fā)生相分離或者形成孔洞結(jié)構(gòu)，在從高溫 降低到室溫的過(guò)程中，利用襯底材料與外延材料之間的熱應(yīng)力實(shí)現(xiàn)襯底與外延 層的自動(dòng)分離。該技術(shù)方案無(wú)須額外的制備工藝，包括光刻、曝光、刻蝕等復(fù) 雜工藝，無(wú)須高能激光，避免了熱效應(yīng)帶來(lái)的影響。
此外，作為一種可選的技術(shù)方案，插入層與外延層可以在同一材料體系中 選擇，例如生長(zhǎng)GaN材料是可以選擇InGaN材料作為低溫分解的插入層，因 此可以在同一個(gè)外延設(shè)備中實(shí)施，遠(yuǎn)比制備金屬插入層的步驟簡(jiǎn)單。


附圖1所示為本具體實(shí)施方式
的實(shí)施流程圖； 附圖2至附圖6為本具體實(shí)施方式
的工藝示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明提供的分離外延層與襯底的方法的具體實(shí)施方式
。
附圖1所示為本具體實(shí)施方式
的實(shí)施流程圖，包括如下步驟步驟S101， 提供襯底；步驟S102，在襯底表面生長(zhǎng)插入層，生長(zhǎng)溫度為T(mén)^步驟S103， 在插入層遠(yuǎn)離襯底的表面生長(zhǎng)覆蓋層，將插入層的表面完全覆蓋，生長(zhǎng)覆蓋層 的溫度為T(mén)3，所述KT3，并且T3小于插入層材料的分解溫度；步驟S104， 在覆蓋層遠(yuǎn)離插入層的表面生長(zhǎng)外延層，生長(zhǎng)溫度為T(mén)2，所述KT3〈T2，并 且T2大于插入層材料的分解溫度；步驟S105，將溫度降低至室溫。
附圖2至附圖6為本具體實(shí)施方式
的工藝示意圖。
附圖2所示，參考步驟SlOl，提供襯底100。所述襯底100可以是單一的 藍(lán)寶石、SiC或者單晶硅襯底，也可以是復(fù)合襯底，例如表面具有GaN或者 SiC的藍(lán)寶石襯底。
附圖3所示，參考步驟S102，在襯底100表面生長(zhǎng)插入層110，所述插入 層110為化合物材料，生長(zhǎng)溫度為T(mén)p本具體實(shí)施方式
中，后續(xù)外延層的材料 自于GaN、 A1N、金剛石、SiC中的一種，上述材料的生長(zhǎng)溫度通常在IOO(TC 以上，因而在此情況下，可以選擇分解溫度小于100(TC的材料作為插入層，插 入層的生長(zhǎng)溫度1VJ、于IOO(TC。
并且插入層與外延層可以在同一材料體系中選擇，可以在同一個(gè)外延設(shè)備 中實(shí)施，遠(yuǎn)比制備金屬插入層的步驟簡(jiǎn)單。
附圖4所示，參考步驟S103，在插入層110遠(yuǎn)離襯底100的表面生長(zhǎng)覆 蓋層120，將插入層110的表面完全覆蓋，生長(zhǎng)覆蓋層120的溫度為T(mén)3，所述 KT3，并且T3小于插入層材料的分解溫度和發(fā)生相分離的溫度中的較低者，
可以避免插入層110在生長(zhǎng)覆蓋層120的過(guò)程中發(fā)生分解或者相分離，從而影 響后續(xù)工藝的進(jìn)行。
此步驟為可選步驟，可以防止插入層中的物質(zhì)向外延層中擴(kuò)散，因此可以 進(jìn)一步提高外延層的晶體質(zhì)量。
所述覆蓋層的厚度為20nm 10pim，可以保證插入層110被覆蓋層120完 仝霜生
王傻jm 。
在此步驟之后，作為可選步驟，還可以在氨氣氣氛中對(duì)生長(zhǎng)后的多層膜結(jié)
構(gòu)進(jìn)行退火處理，退火溫度為T(mén)4，所述T4^Tp退火的時(shí)間為O.l小時(shí) 2小 時(shí)。 .
附圖5所示，參考步驟S104,在覆蓋層120遠(yuǎn)離插入層110的表面生長(zhǎng) 外延層130，生長(zhǎng)溫度為丁2，所述^丁3<丁2，并且T2大于插入層材^f的分 解溫度和發(fā)生相分離的溫度中的較低者。通常外延層的生長(zhǎng)溫度T2大于900°C
在不選擇執(zhí)行步驟S103的情況下，該步驟為在插入層110表面生長(zhǎng)外延 層130。
在此步驟中，生長(zhǎng)溫度T2大于插入層材料的分解溫度和發(fā)生相分離的溫 度中的較低者，因此在生長(zhǎng)的過(guò)程中，插入層材料發(fā)生分解，產(chǎn)生相分離或者 形成孔洞。
所述相分離是指含有兩種以上元素的化合物在高于其生長(zhǎng)溫度的情況下 發(fā)生物質(zhì)分凝而形成的由不同組分的物質(zhì)形成的混合結(jié)構(gòu)。以InGaN為例，初 始生長(zhǎng)一定組分的InGaN材料單層，在較高溫度下由于分解和再結(jié)晶過(guò)程的相 互作用，會(huì)形成多種In組分的InGaN材料。例如，生長(zhǎng)In組分為Xl的InGaN 材料，在高溫條件下會(huì)形成In組分為x2， x3， X4等多種組分混合。
孔洞結(jié)構(gòu)是指在超過(guò)熔點(diǎn)的高溫條件下插入層材料分解，部分元素析出后 形成的具有孔洞的結(jié)構(gòu)。仍以InGaN材料為例，分解將解析出金屬I(mǎi)n和金屬 Ga，以及氮，InGaN材料出就會(huì)形成孔洞結(jié)構(gòu)。
對(duì)于不同的材料而言，分解溫度和發(fā)生相分離的溫度是不同的，并且兩個(gè) 溫度哪一個(gè)較高也是不確定的。在步驟S103中，生長(zhǎng)覆蓋層120的生長(zhǎng)溫度
必須小于兩者之中的較小者，以保證及不發(fā)生相分離，也不發(fā)生分解。而在步
驟S104中，生長(zhǎng)外延層130的溫度只需大于兩者中的較低者，插入層即可以 發(fā)生相分離或者分解，從而達(dá)到本具體實(shí)施方式
中通過(guò)插入層分離外延層與襯 底的目的。
附圖6所示，參考步驟S105,將溫度降低至室溫。在此過(guò)程中，由于溫 度的變化在上述外延層130、襯底100、覆蓋層120以及插入層110中產(chǎn)生了 熱應(yīng)力。發(fā)生相分離或者形成了孔洞的插入層110的質(zhì)地疏松，在熱應(yīng)力的作 用下發(fā)生斷裂，從而實(shí)現(xiàn)外延層130從襯底100上剝離。
降溫的時(shí)候，由于外延層和襯底之間有巨大的熱應(yīng)力，并且熱應(yīng)力主要集 中在外延層和襯底之間的界面處，即插入層中承受的熱應(yīng)力很大。另外由于插 入層己經(jīng)處于相分離或者孔洞結(jié)構(gòu)，在承受巨大熱應(yīng)力的條件下，外延層和襯 底材料會(huì)沿著插入層的位置分離。
下面以藍(lán)寶石襯底+GaN材料的復(fù)合襯底表面生長(zhǎng)GaN為例給出本發(fā)明的 實(shí)施例。
第一步，利用MOCVD工藝在藍(lán)寶石上生長(zhǎng)一層GaN外延層。
第二步，在第一步所得的復(fù)合襯底表面生長(zhǎng)InGaN插入層，厚度20
500nm，生長(zhǎng)溫度為400 700°C，控制InGaN層中In的組分在2%到100%之間。
第三步，在InGaN插入層遠(yuǎn)離藍(lán)寶石襯底的表面生長(zhǎng)GaN覆蓋層，厚度 20nm 10^m，將InGaN插入層的表面完全覆蓋，生長(zhǎng)GaN覆蓋層的溫度為 畫(huà)。C。
第四步，在氨氣氣氛中對(duì)生長(zhǎng)后的"GaN/lnGaN/藍(lán)寶石"多層膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行 退火處理，退火溫度為95(TC。退火的時(shí)間為1小時(shí) 2小時(shí)。
第五步，在GaN覆蓋層遠(yuǎn)離InGaN插入層的表面生長(zhǎng)GaN外延層，生長(zhǎng) 溫度為1050'C。
第六步，將溫度降低至室溫。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通 技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些 改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1. 一種分離外延層與襯底的方法，其特征在于，包括如下步驟(a)提供襯底；(b)在襯底表面生長(zhǎng)插入層，所述插入層為化合物材料，生長(zhǎng)溫度為T(mén)1；(c)在插入層遠(yuǎn)離襯底一側(cè)生長(zhǎng)外延層，生長(zhǎng)溫度為T(mén)2，所述T2>T1，并且T2大于插入層材料的分解溫度和發(fā)生相分離的溫度中的較低者；(d)將溫度降低至室溫。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分離外延層與襯底的方法，其特征在于，在步驟(b) 與步驟(c)之間還包括如下步驟(bl)在插入層遠(yuǎn)離襯底的表面生長(zhǎng)覆蓋層，將插入層的表面完全覆蓋，生長(zhǎng)覆蓋層的溫度為T(mén)3，所述KT3〈T2，并且T3小于插入層材料的分解溫度和發(fā)生相分離的溫度中的較低者。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的分離外延層與襯底的方法，其特征在于，在步驟(M) 與步驟(c)之間還包括如下步驟(b2)對(duì)生長(zhǎng)后的多層膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行退火處理，退火溫度為T(mén)4，所述T4》T3。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分離外延層與襯底的方法，其特征在于，所述覆蓋 層的厚度為20nm 10pm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的分離外延層與襯底的方法，其特征在于，所述 外延層的材料選自于GaN、 A1N、 AlGaN、 GaAs中的一種。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的分離外延層與襯底的方法，其特征在于，所述插入 層的材料選自于InGaN、 AlInN、 InN、 AlInGaN、 GaAs、 InP、 InGaAs、 Indkp、 InAsP以及InGaAsP中的一種或多種。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的分離外延層與襯底的方法，其特征在于，所述插入 層的生長(zhǎng)溫度1\小于1000°C 。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的分離外延層與襯底的方法，其特征在于，所述外延 層的生長(zhǎng)溫度T2大于900°C。
全文摘要
一種分離外延層與襯底的方法，包括如下步驟(a)提供襯底；(b)在襯底表面生長(zhǎng)插入層，生長(zhǎng)溫度為T(mén)₁；(c)在插入層遠(yuǎn)離襯底一側(cè)生長(zhǎng)外延層，生長(zhǎng)溫度為T(mén)₂，所述T₂＞T₁，并且T₂大于插入層材料的分解溫度和發(fā)生相分離的溫度中的較低者；(d)將溫度降低至室溫。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，當(dāng)外延層的生長(zhǎng)溫度大于插入層材料的分解溫度和發(fā)生相分離的溫度中的較低者，插入層在生長(zhǎng)外延層的過(guò)程中形成孔洞結(jié)構(gòu)或者發(fā)生相分離，在從高溫降低到室溫的過(guò)程中，利用襯底材料與外延材料之間的熱應(yīng)力實(shí)現(xiàn)襯底與外延層的自動(dòng)分離。該技術(shù)方案無(wú)須額外的制備工藝，包括光刻、曝光、刻蝕等復(fù)雜工藝，無(wú)須高能激光，避免了熱效應(yīng)帶來(lái)的影響。
文檔編號(hào)H01L21/02GK101378008SQ200810200190
公開(kāi)日2009年3月4日 申請(qǐng)日期2008年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月19日
發(fā)明者張永紅, 科 徐, 王建峰 申請(qǐng)人:蘇州納維科技有限公司