单晶自支撑衬底的制作方法与流程

1.本发明属于半导体集成电路设计及制造领域，特别是涉及一种单晶自支撑衬底的制作方法。


背景技术：

2.以氮化镓(gan)及其合金为代表的第三代半导体材料是近十几年来国际上倍受重视的新型半导体材料，它具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度高、介电常数小、导热性能好、结构稳定等诸多优异性能，在光电子和微电子技术领域都具有巨大的应用前景。光电子领域中，由于iii族氮化物的禁带宽度在0.7-6.2ev范围内连续可调，覆盖了从红光到紫外的波段，可制作绿色、蓝色乃至紫外波段发光器件以及白光照明。此外，最近兴起的紫外光led在丝网印刷、聚合物固化、环境保护也显示了特殊的用途，极大的激发了研究人员的研究兴趣。gan激光器在信息存储领域也大有作为，还可应用在医疗诊断、海底探潜和通讯等各个方面。
3.gan体单晶的制备比较困难，难以得到大尺寸和质量比较好的体单晶gan衬底，所以gan的外延生长通常是以异质外延的方式进行的。但理论和实验都表明，采用gan作衬底同质外延器件时，器件性能将得到大幅度提高。因此制造自支撑gan衬底成为人们关注的焦点。
4.目前大面积的gan自支撑衬底通常都是通过在异质衬底上气相生长gan厚膜，然后将原异质衬底分离后得到的。其中蓝宝石衬底是最常用的衬底。为了得到自支撑衬底，必须将蓝宝石衬底去除。蓝宝石质地坚硬，化学性质稳定，因此很难通过化学腐蚀或机械打磨的方法去除。目前常使用激光剥离的方法将gan和蓝宝石衬底分离。但是激光剥离技术成本昂贵；并且在激光剥离的过程中，界面处gan高温分解后产生的高压气体容易对制备的gan自支撑衬底造成损伤，轻则在gan自支撑衬底上产生大量的位错和微裂纹从而影响以后器件的质量，重则使gan自支撑衬底完全碎裂从而大大降低成品率。另一种分离工艺为应力诱导自分离，但因外延层应力情况复杂，难以均一，分离点存在较大的不确定性，良率低下。
5.总的来说，异质材料外延进行外延生长时，由于晶格失配和热失配，会造成异质外延氮化镓厚度受限，同时解离氮化镓单晶的工艺难度较大，在大尺寸蓝宝石/氮化镓厚膜复合衬底(hvpe一次外延片)上表现尤其明显。
6.应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本技术的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本技术的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。


技术实现要素：

7.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种单晶自支撑衬底的制作方法，用于解决现有技术中异质材料外延进行外延生长时，由于晶格失配和热失配，会造成异质外延氮化镓厚度受限，同时解离氮化镓单晶的工艺难度较大的问题。
8.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种单晶自支撑衬底的制作方法，所述制作方法包括：1)提供一衬底；2)使用hvpe设备，在所述衬底上生长β-ga2o3缓冲层；3)使用所述hvpe设备，在不含氢气的氮气气氛下，在所述缓冲层上生长gan外延层；4)使用所述hvpe设备，通入含氢气的气体，在分解温度下使β-ga2o3缓冲层的外周侧部分分解，以实现所述gan外延层与所述衬底的部分分离；5)使用所述hvpe设备进行gan外延，以增加所述gan外延层的厚度；6)重复进行步骤4)～步骤5)，直至所述使β-ga2o3缓冲层完全分解，以实现所述述gan外延层与所述衬底的完全分离，并将所述gan外延层的厚度增加至预设厚度。
9.可选地，步骤6)之后，还包括使用所述hvpe设备进行gan外延，以进一步将所述gan外延层的厚度增加至所需厚度，所述所需厚度为大于或等于250微米。
10.可选地，所述衬底为c面蓝宝石衬底，所述β-ga2o3缓冲层为(-201)面β-ga2o3缓冲层。
11.可选地，所述β-ga2o3缓冲层的厚度为10纳米～10微米。
12.可选地，步骤3)在所述缓冲层上生长gan外延层的温度为1000℃以上，所述gan外延层的厚度为500纳米～5微米。
13.可选地，步骤4)包括：将hvpe设备的温度设置为890℃以上，通入氢气和含氮气体，使β-ga2o3缓冲层的外周侧部分分解，以实现gan外延层与所述衬底部分分离，其中，所述β-ga2o3缓冲层分解的产物全为气态。
14.可选地，步骤4)包括：将hvpe设备的温度降至600℃～890℃，通入氢气和含氮气体，使β-ga2o3缓冲层的外周侧部分分解，实现gan外延层与所述衬底部分分离，其中，所述β-ga2o3缓冲层分解的产物包括液态镓。
15.可选地，所述氢气和含氮气体的流量比为1:10～10:1之间。
16.可选地，步骤4)所述含氮气体包括氨气和氮气中的一种或两种。
17.可选地，步骤4)包括：将hvpe设备的温度降至600℃以下，通入氢气，使β-ga2o3缓冲层的外周侧部分分解，实现gan外延层与所述衬底部分分离，其中，所述β-ga2o3缓冲层分解的产物包括液态镓。
18.如上所述，本发明的单晶自支撑衬底的制作方法，具有以下有益效果：
19.本发明通过在衬底和gan外延层之间应用β-ga2o3缓冲层，β-ga2o3缓冲层在无氢气环境下的分解温度较高，而在有氢气的环境下分解温度可大大降低，因此，可在有氢气的环境下，低温进行β-ga2o3缓冲层分解使gan外延层和衬底剥离开来，第一方面避免了激光剥离工艺及自分离工艺导致的良率低的问题(尤其适用于大尺寸的gan衬底)，同时，本技术通过分阶段分解β-ga2o3缓冲层，可使部分gan外延层与衬底无物理硬连接，减少热适配及晶格失配导致的应力累积而产生的外延层翘曲或裂片，尤其是随着gan外延层生长厚度的增加，其应力也逐渐增加，本技术随着gan外延层的厚度增加逐渐分解β-ga2o3缓冲层的外周侧部分，可逐渐减小gan外延层与衬底的物理硬连接，进而减小其积累的应力；第二方面β-ga2o3缓冲层与gan外延层具有较小的晶格失配，可以有效提高gan外延层的生长晶体质量，减小gan外延层的应力；第三方面，本发明整个制备流程可以在一台hvpe设备内完成，无需多次在不同设备间转移外延片，无需gan复合衬底，避免了对mocvd设备的依赖，流程简单，减少了转移外延片过程中引入的杂质或灰尘。
附图说明
20.所包括的附图用来提供对本技术实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于说明本技术的实施方式，并与文字描述一起来阐释本技术的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例。
21.图1～图9显示为本发明实施例的单晶自支撑衬底的制作方法各步骤所呈现的结构示意图。
22.元件标号说明
23.101
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衬底
24.102
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β-ga2o3缓冲层
25.103
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gan外延层
26.104
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悬空腔
具体实施方式
27.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
28.应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在
29.或附加。
30.针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
31.如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
32.为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。
33.在本技术的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
34.需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
35.氮化镓自支撑衬底在生长完成后，需要与生长衬底进行剥离，剥离方法可以是激光剥离工艺及自分离工艺，但是激光剥离工艺及自分离工艺容易出现裂片或表面缺陷增大
等问题，导致外延片的良率的降低，尤其对于大尺寸的gan衬底，裂片的问题会更加严重。同时，gan外延片与生长衬底具有较大的热适配及晶格失配，热适配及晶格失配会导致的gan外延片应力累积而产生翘曲或裂片。
36.实施例1
37.如图1～图9所示，本实施例提供一种单晶自支撑衬底的制作方法，所述制作方法包括以下步骤：
38.如图1所示，首先进行步骤1)，提供一衬底101。
39.在一个实施例中，所述衬底101可以为蓝宝石衬底，该蓝宝石衬底例如可以为c面蓝宝石衬底。
40.在后续外延之前，可以对所述衬底101进行清洗，以去除衬底101表面杂质，提高后续外延层的生长质量。
41.如图2所示，然后进行步骤2)，使用氢化物气相外延(hvpe)设备，在所述衬底101上生长β-ga2o3缓冲层102。
42.在一个实施例中，使用氢化物气相外延(hvpe)设备，在所述衬底101上生长β-ga2o3缓冲层102包括：在800℃～900℃的温度下，使用金属镓与氯化氢或氯气反应生成镓的氯化物作为镓源，然后以氧气作为氧源，在900℃～1050℃的温度下，镓的氯化物和o2混合发生反应，在衬底101表面生长出β-ga2o3缓冲层102，上述反应可在常压或较低压下进行，反应的o/ga比为可以为1.5～10之间。
43.在一个实施例中，所述β-ga2o3缓冲层102为(-201)面β-ga2o3缓冲层102，所述β-ga2o3缓冲层102与gan外延层103具有较小的晶格失配，可以有效提高后续gan外延层103的生长晶体质量，减小gan外延层103的应力。
44.在一个实施例中，所述β-ga2o3缓冲层102厚度为10纳米～10微米。所述β-ga2o3缓冲层102的厚度可以兼顾后续gan外延层103的生长效果(即可以有效缓冲衬底101与gan外延层103的晶格失配和热失配)，同时兼顾生长时间和后续剥离时将β-ga2o3缓冲层102完全去除的效率(过厚的β-ga2o3缓冲层102生长时间长，分解剥离时间也长)，在一个优选的实施例中，所述β-ga2o3缓冲层102厚度为100纳米～1微米之间，以进一步提高上述的兼顾效果。
45.如图3所示，接着进行步骤3)，使用所述氢化物气相外延(hvpe)设备，在不含氢气的氮气气氛下，在所述缓冲层102上生长gan外延层103；
46.在一个实施例中，在所述缓冲层102上生长gan外延层103的温度为1000℃以上，所述gan外延层103的厚度为1微米～10微米。
47.在一个实施例中，所述gan外延层103为002面的gan外延层103。
48.本实施例的gan外延层103在不含氢气的氮气气氛下，可避免β-ga2o3缓冲层102与氢气反应导致β-ga2o3缓冲层102过早分解，保证其对gan外延层103的支撑能力，避免gan外延层103碎裂。
49.如图4所示，然后进行步骤4)，使用所述氢化物气相外延(hvpe)设备，通入含氢气的气体，在分解温度下使β-ga2o3缓冲层102外周侧部分分解，以在所述gan外延层103与所述衬底101之间形成一悬空腔104，实现gan外延层103与所述衬底101的部分分离。此时，gan外延层103的厚度较小，尚不具有自支撑能力，完全分离gan外延层103与衬底101，会使得gan外延层103碎裂，而部分分离不会使已分离的gan外延层碎裂。
50.在一个实施例中，将氢化物气相外延(hvpe)设备的温度设置为890℃以上，通入氢气和含氮气体，使β-ga2o3缓冲层102外周侧部分分解，以在所述gan外延层103与所述衬底101之间形成一悬空腔104，实现gan外延层103与所述衬底101的部分分离，其中，含氮气体可保护gan外延层，使其不分解，所述β-ga2o3缓冲层102分解的产物全为气态。优选地，本实施例保持所述氢化物气相外延(hvpe)设备生长所述gan外延层103时的温度，通入含氢气的气体，在分解温度下使β-ga2o3缓冲层102外周侧部分分解，以在所述gan外延层103与所述衬底101之间形成一悬空腔104，实现gan外延层103与所述衬底101的部分分离，从而节省降温的时间和步骤。
51.在一个实施例中，所述氢气和含氮气体的流量比为1:10～10:1之间。在一个实施例中，所述氢气和含氮气体的流量比为2:1～3:1之间。
52.在一个实施例中，所述含氮气体包括氨气和氮气中的一种或两种。在本实施例中，所述含氮气体为氨气。
53.如图5所示，然后进行步骤5)，使用所述hvpe设备，在常规气氛下进行gan外延，以增加所述gan外延层103的厚度。
54.所述常规气氛包括含氮气体，以及氢气、氮气中的一种或两种。
55.当所述常规气氛中包括氢气时，所述β-ga2o3缓冲层102也会分解，但氢气流量比远低于步骤4)，故其分解速率远小于步骤4)，例如，所述常规气氛的氢气流量为步骤4)氢气流量的十分之一以下。
56.如图6～图8所示，然后进行步骤6)，重复进行步骤4)～步骤5)，直至所述使β-ga2o3缓冲层102完全分解，以实现所述述gan外延层103与所述衬底101的完全分离，并将所述gan外延层的厚度增加至预设厚度。具有预设厚度的gan外延层具有自支撑能力，与衬底完全分离后，不会碎裂。
57.步骤4)～步骤5)的重复次数可以依据每个周期实际需要生长增加的gan外延层103厚度，每次去除β-ga2o3缓冲层102的径向宽度和最终的预设厚度进行设定，例如，步骤4)～
58.步骤5)的重复次数可以为2～10次。
59.在一个实施例中，每个周期实际需要生长增加的gan外延层103厚度为1微米～20微米，每次去除β-ga2o3缓冲层102的径向宽度为所述衬底径向尺寸的十分之一至三分之一之间，以达到更高的工艺效率和更好的减小应力，并提高生长质量的效果。
60.本技术通过分阶段分解β-ga2o3缓冲层，可使部分gan外延层与衬底无物理硬连接，减少热适配及晶格失配导致的应力累积而产生的外延层翘曲或裂片，尤其是随着gan外延层生长厚度的增加，其应力也逐渐增加，本技术随着gan外延层的厚度增加逐渐分解β-ga2o3缓冲层的外周侧部分，可逐渐减小gan外延层与衬底的物理硬连接，进而减小其积累的应力。
61.如图9所示，当所述gan外延层的预设厚度还没达到最终的所需厚度时，还可以进行步骤7)，使用所述hvpe设备进行gan外延，以进一步将所述gan外延层的厚度增加至所需厚度，在一个实施例中，所述所需厚度为大于或等于250微米。
62.本发明整个制备流程可以在一台氢化物气相外延(hvpe)设备内完成，无需多次在不同设备间转移外延片，无需gan复合衬底，避免了对mocvd设备的依赖，流程简单，减少了
转移外延片过程中引入的杂质或灰尘。
63.实施例2
64.本实施例提供一种单晶自支撑衬底的制作方法，所述制作方法的基本步骤与实施例1基本相同，其中，与实施例1的不同之处在于，步骤4)包括：将氢化物气相外延(hvpe)设备的温度降至600℃～890℃，通入氢气和含氮气体，使β-ga2o3缓冲层102外周侧部分分解，以在所述gan外延层103与所述衬底101之间形成一悬空腔104，实现gan外延层103与所述衬底101的部分分离，其中，所述β-ga2o3缓冲层102分解的产物包括液态镓。本实施例分解所需温度较低，且分解的液态镓与gan外延层103也没有物理硬连接，可以在相对较低温度下实现gan外延层103与衬底101的分离。
65.实施例3
66.本实施例提供一种单晶自支撑衬底的制作方法，所述制作方法的基本步骤与实施例1基本相同，其中，与实施例1的不同之处在于，步骤4)包括：将氢化物气相外延(hvpe)设备的温度降至600℃以下，通入氢气，使β-ga2o3缓冲层102外周侧部分分解，以在所述gan外延层103与所述衬底101之间形成一悬空腔104，实现gan外延层103与所述衬底101的部分分离，其中，所述β-ga2o3缓冲层102分解的产物包括液态镓。本实施例分解所需温度仅需600℃以下，分解温度非常低，且分解的液态镓与gan外延层103也没有物理硬连接，可以在相对较低温度下实现gan外延层103与衬底101的分离。同时，温度低于gan的分解温度，此时无需通入含氮气体以保护gan外延层。
67.如上所述，本发明的单晶自支撑衬底的制作方法，具有以下有益效果：
68.本发明通过在衬底和gan外延层之间应用β-ga2o3缓冲层，β-ga2o3缓冲层在无氢气环境下的分解温度较高，而在有氢气的环境下分解温度可大大降低，因此，可在在有氢气的环境下，低温进行β-ga2o3缓冲层分解使gan外延层和衬底剥离开来，第一方面避免了激光剥离工艺及自分离工艺导致的良率低的问题(尤其适用于大尺寸的gan衬底)，同时，本技术通过分阶段分解β-ga2o3缓冲层，可使部分gan外延层与衬底无物理硬连接，减少热适配及晶格失配导致的应力累积而产生的外延层翘曲或裂片，尤其是随着gan外延层生长厚度的增加，其应力也逐渐增加，本技术随着gan外延层的厚度增加逐渐分解β-ga2o3缓冲层的外周侧部分，可逐渐减小gan外延层与衬底的物理硬连接，进而减小其积累的应力；第二方面β-ga2o3缓冲层与gan外延层具有较小的晶格失配，可以有效提高gan外延层的生长晶体质量，减小gan外延层的应力；第三方面，本发明整个制备流程可以在一台hvpe设备内完成，无需多次在不同设备间转移外延片，无需gan复合衬底，避免了对mocvd设备的依赖，流程简单，减少了转移外延片过程中引入的杂质或灰尘。
69.所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
70.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。