分离外延层与衬底的方法

专利名称：分离外延层与衬底的方法
分离外延层与衬底的方法
技术领域：
本发明涉及半导体材料的生长方法，尤其涉及分离外延层与衬底的方法。背景技术：
外延生长半导体材料是目前半导体制造领域中常见的工艺之一 。为了获得
高质量的晶体，需要采用外延生长的方法，如MOCVD或者HVPE，通过严格 控制物理化学参数，在衬底的表面获得高质量的半导体晶体外延层。并且，为 了避免衬底与外延层之间的异质结构的残余应力对外延层产生影响，最好可以 在外延层生长完毕后，将外延层和衬底层之间分离。
目前为了实现外延层与衬底材料之间的分离，主流技术有三种其一是采 用激光剥离的方法来实现，选用某一波长的激光，满足衬底材料对激光透明， 而外延材料强烈吸收激光的条件，使激光从衬底端入射，激光在衬底与外延层 的界面处被外延层强烈吸收，使得界面处的外延层融化分解，实现衬底与外延 层分离；其二是在衬底表面先生长TiN或其他金属的插入层，再生长外延层， 其原理在于插入层的热膨胀系数与外延层以及衬底都有很大的差别，由于外延 生长多数在高温下进行，因此在降温的过程中可以实现外延材料与衬底自动分 离。其三是采用工艺辅助的方法，通过工艺手段改善衬底的表面形貌，实现外 延层与衬底之间的不完全连接，从而降低两者之间的结合牢固程度，进而在降 温的过程中利用外延层与衬底材料之间的热应力实现自动分离。
现有技术的缺点在于，激光剥离技术由于热效应，会对外延材料产生一定 程度的损伤，TiN及其他插入层技术会在一定程度上引入杂质，而工艺辅助的 方法步骤繁杂，不易控制；并且这三种技术都存在额外的工艺开销，会增加生 产成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种分离外延层与衬底的方法，不会
引起对外延层的损伤，不引入杂质，工艺简单并且不会明显地增加工艺成本。 为了解决上述问题，本发明提供了一种分离外延层与衬底的方法，包括如 下步骤(a)提供衬底；(b)在衬底表面生长插入层，所述插入层为化合物材
料，生长温度为Tn (c)在插入层远离衬底一侧生长外延层，生长温度为T2， 所述T2>TV并且T2大于插入层材料的分解温度和发生相分离的温度中的较 低者；(d)将温度降低至室温。
作为可选的技术方案，在步骤(b)与步骤(C)之间还包括如下步骤(bl)
在插入层远离衬底的表面生长覆盖层，将插入层的表面完全覆盖，生长覆盖层
的温度为T3，所述KT3〈T2，并且T3小于插入层材料的分解温度和发生相
分离的温度中的较低者，所述覆盖层的厚度为20nm l(^m。
作为可选的技术方案，在步骤(bl)与步骤(c)之间还包括如下步骤(b2) 对生长后的多层膜结构进行退火处理，退火温度为T4，所述D丁3。
作为可选的技术方案，插入层与外延层在同一材料体系中选择。例如，所 述外延层的材料选自于GaN、 A1N、 AlGaN、 GaAs中的一种，而所述插入层 的材料选自于InGaN、 AlInN、 InN、 AlInGaN、 GaAs、 InP、 InGaAs、 InGaP、 InAsP以及InGaAsP中的一种或多种。外延层和插入层的材料均属于二元或者 多元的III-V族化合物半导体。
作为可选的技术方案，所述插入层的生长温度Ti小于IOO(TC，所述外延 层的生长温度T2大于900°C。
本发明的优点在于，当插入层材料的分解温度和发生相分离的温度中的较 低者，插入层在生长外延层的过程中发生相分离或者形成孔洞结构，在从高温 降低到室温的过程中，利用衬底材料与外延材料之间的热应力实现衬底与外延 层的自动分离。该技术方案无须额外的制备工艺，包括光刻、曝光、刻蚀等复 杂工艺，无须高能激光，避免了热效应带来的影响。
此外，作为一种可选的技术方案，插入层与外延层可以在同一材料体系中 选择，例如生长GaN材料是可以选择InGaN材料作为低温分解的插入层，因 此可以在同一个外延设备中实施，远比制备金属插入层的步骤简单。


附图1所示为本具体实施方式
的实施流程图； 附图2至附图6为本具体实施方式
的工艺示意图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明提供的分离外延层与衬底的方法的具体实施方式
。
附图1所示为本具体实施方式
的实施流程图，包括如下步骤步骤S101， 提供衬底；步骤S102，在衬底表面生长插入层，生长温度为T^步骤S103， 在插入层远离衬底的表面生长覆盖层，将插入层的表面完全覆盖，生长覆盖层 的温度为T3，所述KT3，并且T3小于插入层材料的分解温度；步骤S104， 在覆盖层远离插入层的表面生长外延层，生长温度为T2，所述KT3〈T2，并 且T2大于插入层材料的分解温度；步骤S105，将温度降低至室温。
附图2至附图6为本具体实施方式
的工艺示意图。
附图2所示，参考步骤SlOl，提供衬底100。所述衬底100可以是单一的 蓝宝石、SiC或者单晶硅衬底，也可以是复合衬底，例如表面具有GaN或者 SiC的蓝宝石衬底。
附图3所示，参考步骤S102，在衬底100表面生长插入层110，所述插入 层110为化合物材料，生长温度为Tp本具体实施方式
中，后续外延层的材料 自于GaN、 A1N、金刚石、SiC中的一种，上述材料的生长温度通常在IOO(TC 以上，因而在此情况下，可以选择分解温度小于100(TC的材料作为插入层，插 入层的生长温度1VJ、于IOO(TC。
并且插入层与外延层可以在同一材料体系中选择，可以在同一个外延设备 中实施，远比制备金属插入层的步骤简单。
附图4所示，参考步骤S103，在插入层110远离衬底100的表面生长覆 盖层120，将插入层110的表面完全覆盖，生长覆盖层120的温度为T3，所述 KT3，并且T3小于插入层材料的分解温度和发生相分离的温度中的较低者，
可以避免插入层110在生长覆盖层120的过程中发生分解或者相分离，从而影 响后续工艺的进行。
此步骤为可选步骤，可以防止插入层中的物质向外延层中扩散，因此可以 进一步提高外延层的晶体质量。
所述覆盖层的厚度为20nm 10pim，可以保证插入层110被覆盖层120完 仝霜生
王傻jm 。
在此步骤之后，作为可选步骤，还可以在氨气气氛中对生长后的多层膜结
构进行退火处理，退火温度为T4，所述T4^Tp退火的时间为O.l小时 2小 时。 .
附图5所示，参考步骤S104,在覆盖层120远离插入层110的表面生长 外延层130，生长温度为丁2，所述^丁3<丁2，并且T2大于插入层材^f的分 解温度和发生相分离的温度中的较低者。通常外延层的生长温度T2大于900°C
在不选择执行步骤S103的情况下，该步骤为在插入层110表面生长外延 层130。
在此步骤中，生长温度T2大于插入层材料的分解温度和发生相分离的温 度中的较低者，因此在生长的过程中，插入层材料发生分解，产生相分离或者 形成孔洞。
所述相分离是指含有两种以上元素的化合物在高于其生长温度的情况下 发生物质分凝而形成的由不同组分的物质形成的混合结构。以InGaN为例，初 始生长一定组分的InGaN材料单层，在较高温度下由于分解和再结晶过程的相 互作用，会形成多种In组分的InGaN材料。例如，生长In组分为Xl的InGaN 材料，在高温条件下会形成In组分为x2， x3， X4等多种组分混合。
孔洞结构是指在超过熔点的高温条件下插入层材料分解，部分元素析出后 形成的具有孔洞的结构。仍以InGaN材料为例，分解将解析出金属In和金属 Ga，以及氮，InGaN材料出就会形成孔洞结构。
对于不同的材料而言，分解温度和发生相分离的温度是不同的，并且两个 温度哪一个较高也是不确定的。在步骤S103中，生长覆盖层120的生长温度
必须小于两者之中的较小者，以保证及不发生相分离，也不发生分解。而在步
骤S104中，生长外延层130的温度只需大于两者中的较低者，插入层即可以 发生相分离或者分解，从而达到本具体实施方式
中通过插入层分离外延层与衬 底的目的。
附图6所示，参考步骤S105,将温度降低至室温。在此过程中，由于温 度的变化在上述外延层130、衬底100、覆盖层120以及插入层110中产生了 热应力。发生相分离或者形成了孔洞的插入层110的质地疏松，在热应力的作 用下发生断裂，从而实现外延层130从衬底100上剥离。
降温的时候，由于外延层和衬底之间有巨大的热应力，并且热应力主要集 中在外延层和衬底之间的界面处，即插入层中承受的热应力很大。另外由于插 入层己经处于相分离或者孔洞结构，在承受巨大热应力的条件下，外延层和衬 底材料会沿着插入层的位置分离。
下面以蓝宝石衬底+GaN材料的复合衬底表面生长GaN为例给出本发明的 实施例。
第一步，利用MOCVD工艺在蓝宝石上生长一层GaN外延层。
第二步，在第一步所得的复合衬底表面生长InGaN插入层，厚度20
500nm，生长温度为400 700°C，控制InGaN层中In的组分在2%到100%之间。
第三步，在InGaN插入层远离蓝宝石衬底的表面生长GaN覆盖层，厚度 20nm 10^m，将InGaN插入层的表面完全覆盖，生长GaN覆盖层的温度为 画。C。
第四步，在氨气气氛中对生长后的"GaN/lnGaN/蓝宝石"多层膜结构进行 退火处理，退火温度为95(TC。退火的时间为1小时 2小时。
第五步，在GaN覆盖层远离InGaN插入层的表面生长GaN外延层，生长 温度为1050'C。
第六步，将温度降低至室温。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通 技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些 改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1. 一种分离外延层与衬底的方法，其特征在于，包括如下步骤(a)提供衬底；(b)在衬底表面生长插入层，所述插入层为化合物材料，生长温度为T1；(c)在插入层远离衬底一侧生长外延层，生长温度为T2，所述T2>T1，并且T2大于插入层材料的分解温度和发生相分离的温度中的较低者；(d)将温度降低至室温。
2. 根据权利要求1所述的分离外延层与衬底的方法，其特征在于，在步骤(b) 与步骤(c)之间还包括如下步骤(bl)在插入层远离衬底的表面生长覆盖层，将插入层的表面完全覆盖，生长覆盖层的温度为T3，所述KT3〈T2，并且T3小于插入层材料的分解温度和发生相分离的温度中的较低者。
3. 根据权利要求2所述的分离外延层与衬底的方法，其特征在于，在步骤(M) 与步骤(c)之间还包括如下步骤(b2)对生长后的多层膜结构进行退火处理，退火温度为T4，所述T4》T3。
4. 根据权利要求1所述的分离外延层与衬底的方法，其特征在于，所述覆盖 层的厚度为20nm 10pm。
5. 根据权利要求1或2所述的分离外延层与衬底的方法，其特征在于，所述 外延层的材料选自于GaN、 A1N、 AlGaN、 GaAs中的一种。
6. 根据权利要求5所述的分离外延层与衬底的方法，其特征在于，所述插入 层的材料选自于InGaN、 AlInN、 InN、 AlInGaN、 GaAs、 InP、 InGaAs、 Indkp、 InAsP以及InGaAsP中的一种或多种。
7. 根据权利要求6所述的分离外延层与衬底的方法，其特征在于，所述插入 层的生长温度1\小于1000°C 。
8. 根据权利要求6所述的分离外延层与衬底的方法，其特征在于，所述外延 层的生长温度T2大于900°C。
全文摘要
一种分离外延层与衬底的方法，包括如下步骤(a)提供衬底；(b)在衬底表面生长插入层，生长温度为T₁；(c)在插入层远离衬底一侧生长外延层，生长温度为T₂，所述T₂＞T₁，并且T₂大于插入层材料的分解温度和发生相分离的温度中的较低者；(d)将温度降低至室温。本发明的优点在于，当外延层的生长温度大于插入层材料的分解温度和发生相分离的温度中的较低者，插入层在生长外延层的过程中形成孔洞结构或者发生相分离，在从高温降低到室温的过程中，利用衬底材料与外延材料之间的热应力实现衬底与外延层的自动分离。该技术方案无须额外的制备工艺，包括光刻、曝光、刻蚀等复杂工艺，无须高能激光，避免了热效应带来的影响。
文档编号H01L21/02GK101378008SQ200810200190
公开日2009年3月4日 申请日期2008年9月19日 优先权日2008年9月19日
发明者张永红, 科 徐, 王建峰 申请人:苏州纳维科技有限公司