自支撑单晶衬底的制作方法与流程

本发明属于半导体集成电路设计制造领域，特别是涉及一种自支撑单晶衬底的制作方法。

背景技术：

1、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。

2、当前，氮化镓器件(包含led、ld、功率器件)之结构，一般为gan异质外延于蓝宝石、碳化硅或硅衬底上。由于晶格失配和热失配，异质外延的gan内部存在较大的应力，产生严重缺陷(缺陷密度>108/cm3)，使得器件特性受限，并且影响可靠性(reliability)。

3、解决晶格失配的一个方法，就是使用gan单晶衬底。氮化镓器件同质外延于gan单晶衬底，将可大幅降低应力与缺陷(缺陷密度可低至105/cm3)，同质外延对于满足高性能器件或是ld应用需求有巨大潜力。当前的gan单晶衬底价格昂贵，限制了应用。

4、应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请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申请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。

技术实现思路

1、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自支撑单晶衬底的制作方法，用于解决现有技术中由于晶格失配和热失配，异质外延的gan内部存在较大的应力的问题。

2、为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种自支撑单晶衬底的制作方法，所述制作方法包括：提供一衬底，通过化学气相沉积工艺在所述衬底上形成过渡金属二卤化物层；对所述过渡金属二卤化物层进行预处理，以在所述过渡金属二卤化物层表面形成悬挂键；在所述过渡金属二卤化物层上形成成核层；在所述成核层上生长第一gan外延层；从所述过渡金属二卤化物层处剥离所述衬底；在所述第一gan外延层上生长第二gan外延层。

3、可选地，所述第一gan外延层可自支撑，剥离所述衬底包括：将所述第一gan外延层一面粘附于胶带；通过机械方法去除所述衬底；通过湿法腐蚀去除所述胶带或通过高温工艺使所述胶带失去粘力后直接去除所述胶带。

4、可选地，所述第一gan外延层可自支撑，剥离所述衬底包括：通过激光剥离工艺剥离所述衬底，包括：在常温下利用366～689纳米波长的激光照射所述过渡金属二卤化物层以使所述过渡金属二卤化物层与所述成核层分离。

5、可选地，所述第一gan外延层的厚度为50微米～150微米。

6、可选地，所述第一gan外延层不可自支撑，剥离所述衬底包括：在所述第一gan外延层上沉积金属层以提升所述第一gan外延层的自支撑力；将所述金属层粘附于胶带；通过机械方法去除所述衬底，并将所述成核层键合于一热胀匹配基板；通过湿法腐蚀去除所述胶带和所述金属层；在所述第一gan外延层上生长第二gan外延层之后，去除所述热胀匹配基板。

7、可选地，所述第一gan外延层不可自支撑，剥离所述衬底包括：在所述第一gan外延层上沉积金属层以提升所述第一gan外延层的自支撑力；将所述金属层粘附于胶带；通过激光剥离工艺剥离所述衬底，包括：在常温下利用366～689纳米波长的激光照射所述过渡金属二卤化物层以使所述过渡金属二卤化物层与所述成核层分离；将所述成核层键合于一热胀匹配基板；通过湿法腐蚀去除所述胶带和所述金属层；在所述第一gan外延层上生长第二gan外延层之后，去除所述热胀匹配基板。

8、可选地，所述第一gan外延层的厚度为5微米～20微米。

9、可选地，在粘附胶带之前，还包括：通过热处理或者化学腐蚀的方法降低所述过渡金属二卤化物层与所述成核层之间的结合力。

10、可选地，所述衬底包括蓝宝石衬底、si单晶衬底、sic单晶衬底和氮化镓单晶衬底中的一种。

11、可选地，通过化学气相沉积工艺在所述衬底形成过渡金属二卤化物层包括：将金属前驱体和卤素前驱体引入到反应室中，在所述衬底表面反应形成过渡金属二卤化物层，所述金属前驱体为wf6和mof6中的一种或两种，所述卤素前驱体为h2s和h2se中的一种或两种，所述过渡金属二卤化物层包括ws2、mos2、wse2和mose2中的一种或两种以上所形成的组合物。

12、可选地，所述过渡金属二卤化物层的厚度为1～5个原子层。

13、可选地，在所述过渡金属二卤化物层表面形成悬挂键包括以下中的一种：

14、a)采用hcl溶液或hcl气体对过渡金属二卤化物层进行蚀刻，以在所述过渡金属二卤化物层表面形成悬挂键；b)采用cl2气体对过渡金属二卤化物层进行蚀刻，以在所述过渡金属二卤化物层表面形成悬挂键；c)采用氨气对过渡金属二卤化物层进行蚀刻，以在所述过渡金属二卤化物层表面形成悬挂键；d)采用hf水溶液或缓冲hf溶液对过渡金属二卤化物层进行蚀刻，以在所述过渡金属二卤化物层表面形成悬挂键。

15、可选地，通过溅射工艺(sputter)、金属有机化学气相沉积工艺或原子层沉积工艺(atomic layer deposition，ald)在所述过渡金属二卤化物层上形成成核层，所述成核层包括aln层。

16、可选地，通过分子束外延工艺(molecular beam epitaxy，mbe)、金属有机化学气相沉积工艺(metal organic chemical vapor deposition，mocvd)或氢化物气相外延工艺(hydride vapor phase epitaxy，hvpe)生长所述第一gan外延层，通过分子束外延工艺、金属有机化学气相沉积工艺或氢化物气相外延工艺在所述第一gan外延层上生长第二gan外延层。

17、可选地，还包括步骤：对剥离后所述衬底进行研磨以去除表面缺陷，获得重复使用的衬底。

18、如上所述，本发明的自支撑单晶衬底的制作方法，具有以下有益效果：

19、本发明通过在过渡金属二卤化物层上外延生长gan层，可以获得高质量、高稳定性的gan晶体，例如，mos2过渡金属二卤化物层与gan外延层的晶格失配度为0.6％，与aln缓冲层的晶格失配度为1.6％，远小于蓝宝石与gan外延层的晶格失配度29.6％，并远小于蓝宝石与aln的晶格失配度26.5％。另外，过渡金属二卤化物层为二维材料层，与衬底的连接大部分为物理吸附，为弱连接，容易分离，为机械方法去除衬底提供了便利。

20、本发明通过采用机械剥离或激光剥离的方法，可以实现衬底完整分离；剥离后的衬底通过抛光研磨处理后可以重复应用，同时可以省去制造器件时衬底的研磨减薄工序。

21、本发明通过热胀匹配基板进行再次键合，可以提高gan外延层的机械强度。

22、本发明的自支撑单晶工艺具有操作简单、成本低、适用范围广等特点，具有较高的实用价值和应用前景。

技术特征：

1.一种自支撑单晶衬底的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：

2.根据权利要求1所述的自支撑单晶衬底的制作方法，其特征在于：所述第一gan外延层可自支撑，剥离所述第一gan外延层和所述衬底包括：

3.根据权利要求1所述的自支撑单晶衬底的制作方法，其特征在于：所述第一gan外延层可自支撑，剥离所述衬底包括：通过激光剥离工艺剥离所述衬底，包括：在常温下利用366～689纳米波长的激光照射所述过渡金属二卤化物层以使所述过渡金属二卤化物层与所述成核层分离。

4.根据权利要求2或3所述的自支撑单晶衬底的制作方法，其特征在于：所述第一gan外延层的厚度为50微米～150微米。

5.根据权利要求1所述的自支撑单晶衬底的制作方法，其特征在于：所述第一gan外延层不可自支撑，剥离所述衬底包括：

6.根据权利要求1所述的自支撑单晶衬底的制作方法，其特征在于：所述第一gan外延层不可自支撑，剥离所述衬底包括：

7.根据权利要求5或6所述的自支撑单晶衬底的制作方法，其特征在于：所述第一gan外延层的厚度为5微米～20微米。

8.根据权利要求2或5所述的自支撑单晶衬底的制作方法，其特征在于：在粘附胶带之前，还包括：通过热处理或者化学腐蚀的方法降低所述过渡金属二卤化物层与所述成核层之间的结合力。

9.根据权利要求1所述的自支撑单晶衬底的制作方法，其特征在于：通过化学气相沉积工艺在所述衬底形成过渡金属二卤化物层包括：将金属前驱体和卤素前驱体引入到反应室中，在所述衬底表面反应形成过渡金属二卤化物层，所述金属前驱体为wf6和mof6中的一种或两种，所述卤素前驱体为h2s和h2se中的一种或两种，所述过渡金属二卤化物层包括ws2、mos2、wse2和mose2中的一种或两种以上所形成的组合物。

10.根据权利要求1所述的自支撑单晶衬底的制作方法，其特征在于：所述过渡金属二卤化物层的厚度为1～5个原子层。

技术总结
本发明提供一种自支撑单晶衬底的制作方法，包括：提供一衬底，通过化学气相沉积工艺在衬底上形成过渡金属二卤化物层；对过渡金属二卤化物层进行预处理，以在过渡金属二卤化物层表面形成悬挂键；在过渡金属二卤化物层上形成成核层；在成核层上生长第一GaN外延层；从过渡金属二卤化物层处剥离第一GaN外延层和衬底；在第一GaN外延层上生长第二GaN外延层。本发明通过在过渡金属二卤化物层上外延生长GaN层，可以获得高质量、高稳定性的GaN晶体。本发明的自支撑单晶工艺具有操作简单、成本低、适用范围广等特点，具有较高的实用价值和应用前景。

技术研发人员：庄文荣,卢敬权
受保护的技术使用者：东莞市中镓半导体科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/24