包含嵌入的剥落释放平面的Ⅲ族氮化物的受控剥落的制作方法
【技术领域】
[0001]本申请涉及形成包含III族氮化物的半导体结构的方法。更具体地，本发明涉及通过剥落，从包含III族氮化物材料层的多层叠层去除(即，释放)III族氮化物材料的一部分的方法。
【背景技术】
[0002]III族氮化物材料为半导体材料的独特的族，其可以在包括诸如光电、光伏和照明的各种各样的应用中使用。III族氮化物材料由氮和至少一种来自元素周期表的III族的元素(即，铝(Al)、镓(Ga)和铟(In))组成。一些常见的氮镓化合物的说明性实例为GaN、GaAlN和GaAlInN。通过改变III族氮化物之内的Al、Ga和/或In的组分，III族氮化物材料可以被沿着电磁谱而调整；主要从210nm到1770nm。该谱包括可见光发光二极管(LED)，其为超过100亿美元的产业并且具有预测的两位数年增长率。LED需求的此连续增长使能用于基于III族氮化物的半导体器件的生长和制造的基础设施的建立。
[0003]对于基于III族氮化物的半导体器件的一个瓶颈是缺乏晶格匹配的衬底。一些常规的衬底为分别具有与GaN的约13%、3%、17%和2%的晶格失配的蓝宝石(Al2O3)、碳化硅(SiC)、硅(Si)和氧化锌(ZnO)。目前，在开发晶格匹配的独立式GaN和AlN衬底。然而，晶格匹配衬底遭受可用性和高成本的限制。
[0004]尽管有所有的研宄努力，含III族氮化物器件的成本是高的。一种用以降低成本的方式是使能III族氮化物材料的再利用。
[0005]通过称为激光剥离的技术，目前实现了在III族氮化物中的衬底释放。激光剥离采用高功率聚焦激光束以对准III族氮化物/衬底界面，以将III族氮化物熔化为相应的III族元素。在此激光处理之后，并且一旦加热到约100°c，III族元素熔化释放衬底。此办法慢，仅适用于小区域，并且需要激光可以穿透而没有吸收的衬底，以便其可以在III族氮化物材料/衬底界面处被吸收。例如，此技术不可以被用于GaN或者ZnO衬底、硅或者碳化硅，因为这些材料具有接近或者小于GaN材料的光学带隙。此外，激光剥离办法导致在激光接触的点上的III族元素的形成，其劣化衬底的再使用。进一步，激光剥离办法可以损伤激光暴露的III族氮化物材料层。
[0006]鉴于以上所述，需要用于III族氮化物材料系统的衬底释放技术，以削减基于III族氮化物的半导体器件的成本。这样的技术应(I)可用于大直径晶片，(2)为供工业用、方便且快速执行的，以及(3)不损伤释放的外延层或者下伏的衬底。
【发明内容】
[0007]形成嵌入在III族氮化物材料之内的剥落释放平面。与提供所述III族氮化物材料层并且嵌入所述剥落释放平面的所述III族氮化物材料部分(即，下和上部)相比，所述剥落释放平面包括具有不同的应变、不同的结构和不同的组成的材料。所述剥落释放平面在III族氮化物材料层之内提供削弱的材料平面区域，其在随后进行的剥落工艺期间可被用以将III族氮化物材料的一部分从初始III族氮化物材料层释放。特别地，在剥落工艺期间在嵌入在所述初始III族氮化物材料层内的剥落释放平面内发生裂缝萌生和传播。从而，本发明提供一种控制在III族氮化物材料层之内的剥落深度的方法。
[0008]在本申请的一个方面，提供一种用于从III族氮化物材料层去除III族氮化物材料的一部分的方法。本申请的方法包括在衬底的表面上形成III族氮化物材料层。按照本申请，III族氮化物材料层包括包含嵌入在所述III族氮化物材料层之内的至少一种杂质原子的剥落释放平面。通过在所述衬底上第一生长III族氮化物材料层的下部，第二生长所述剥落释放平面，以及在所述剥落释放平面上第三生长所述III族氮化物层的上部，形成所述III族氮化物层。在形成所述所述III族氮化物之后，在所述III族氮化物材料层的上部上形成半导体器件层。接着，在所述半导体器件层的最上表面的顶上形成应力源层。在形成所述应力源层后，通过剥落，去除所述III族氮化物材料层的上部和所述半导体器件层，以提供包括所述应力源层、所述半导体器件层和所述III族氮化物材料层的上部的剥落结构。
【附图说明】
[0009]图1为按照本申请的多层叠层的截面图，从底到顶为衬底、该多层叠层含有嵌入其内的剥落释放平面的III族氮化物层以及可以采用的半导体器件层。
[0010]图2为按照本申请，在多层叠层的最上表面上形成边缘排除材料后，图1的多层叠层的截面图。
[0011]图3为按照本申请，在多层叠层的最上表面的暴露的部分上(不包括边缘排除材料)形成可选的含金属粘附层后，图2的结构的截面图。
[0012]图4为按照本申请，在可选的含金属粘附层的上表面上形成应力源层后，图3的结构的截面图。
[0013]图5为按照本申请，在应力源层顶上形成处理衬底后，图4中所示的结构的截面图。
[0014]图6为按照本申请，通过剥落，在剥落释放平面之上去除III族氮化物材料层的一部分后，图5中所示的结构的截面图。
[0015]图7为按照本申请，在从剥落的结构的顶上去除处理衬底、应力源层、可选的含金属粘附层、以及边缘排除层后，图6中所示的结构的截面图，剥落结构包括半导体器件层和III族氮化物材料层的剥落部分。
[0016]图8为按照本申请，没有边缘排除材料并且在通过剥落去除在剥落释放平面之上的III族氮化物材料层的一部分后，图5中示出的结构的截面图。
[0017]图9为按照本申请，在从被剥落的结构的顶上去除处理衬底、应力源层和可选的含金属粘附从后，图8中示出的结构的截面图，剥落结构包括半导体器件层和III族氮化物材料的剥落部分。
【具体实施方式】
[0018]将参考下列讨论和本申请的附图，更详细地描述本申请。需要指出，本申请的附图被用于说明性目的而提供，并且，因此，它们不是按照比例绘制的。在下面的附图和描述中，以相同的参考数字描述相同的元件。
[0019]在下面的描述中，阐述了大量具体细节，例如特定结构、部件、材料、尺寸、处理步骤和技术，以便提供对本申请的透彻理解。然而，本领域技术人员应理解，可在没有这些具体细节的情况下用可行的备选工艺选择实践本申请。在其它例子中，没有详细描述已知的结构或者处理步骤，以便避免混淆本申请的各种实施例。
[0020]应当理解，当作为层、区域或者衬底的元件被称为在另一元件“上”或者“之上”时，其可以直接在另一元件上，或者存在插入元件。相反，当元件被称为“直接在”另一元件“上”或者“之上”时，不存在插入元件。还应当理解，当元件被称为“连接”或者“耦合”到另一元件时，其可以直接连接或者耦合到另一元件或者存在插入元件。相反，当元件被称为“直接” “连接”或者“耦合”到另一元件时，不存在插入元件。
[0021]与其体配对物相比，可以以薄膜形式制造的诸如光伏和电光器件的器件具有三个明显优势。首先，凭借使用较少材料的优点，薄膜器件改善与器件制造相关的材料成本。其次，低器件重量为激励用于广范围的薄膜应用的工业级努力的明显优势。再次，如果尺寸足够小，器件可以以其薄膜形式而呈现机械灵活性。此外，如果将器件层从可以再使用的衬底去除，可以达到另外的制造成本减少。
[0022]这样的努力是正在进行的:(i )从体材料(S卩，半导体)产生薄膜衬底以及(ii )通过从下伏的体衬底(器件层形成在该下伏的体衬底上)去除器件层，形成薄膜器件层。近期发展，例如参见Bedell等的US专利申请公开2010/0311250A1的被称为“受控剥落技术(controlled spalling technology) ”的新颖的层转移方法，通过从基础衬底去除表面层，该方法允许低成本、薄膜、高质量衬底的制造。剥落为这样的工艺，诸如镍(Ni)的应变材料被沉积在基础衬底的顶上，导致拉应变，该拉应变使得通过断裂模式控制将材料层从基础衬底的释放是可能的。可通过此受控剥落技术去除的薄膜衬底可以被用以I)增加常规光伏技术的每瓦特值的成本，或者2)允许新颖的、高效率的光伏、电子和光电材料的制造，这些材料为适应性的并且可以被使用以制造新产品。
[0023]尽管如上所述，与诸如硅、锗和砷化镓的其它III族氮化物材料相比，III族氮化物材料是更硬并且更结实的材料；从而，控制断裂的模式是必要的。本申请提供剥落方法，该方法已经被具体地设计用于通过III族氮化物层的机械和/或结构性质的修改，控制在III族氮化物之内的断裂模式。
[0024]首先参考图1，示出多层叠层，从底到顶为衬底10、m族氮化物材料层14和可以按照本申请采用的半导体器件层16。如所示，III族氮化物材料层14包括嵌在III族氮化物材料层14的最上表面和最底表面之间的剥落释放平面15。显著地，剥落释放平面15位于III族氮化物材料层14的下部14L和III族氮化物材料层14的上部14U之间。还如所示，在衬底10和III族氮化物材料层14之间可以放置可选的缓冲层12。