一种基于叠层掩模衬底的衬底剥离方法技术

本发明专利技术涉及一种基于叠层掩模衬底的衬底剥离方法。该方法包括：1)使用MOCVD技术在三维叠层掩模衬底上生长III族氮化物材料，形成III族氮化物材料薄膜；2)使用HVPE技术在所述连续薄膜上生长III族氮化物材料，形成III族氮化物材料厚膜；3)通过冷却在三维叠层掩模衬底和III族氮化物材料厚膜之间产生应力，从而实现自分离。采用本发明专利技术方法，由于与衬底的弱连接性，可以在冷却过程中与衬底自分离，避免了使用激光剥离等昂贵技术，节省了工艺步骤和时间，显著提高了生产良率，提高了产品质量；采用的特制三维叠层掩模衬底能够配合MOCVD生长出高质量的薄膜，进而能够通过HVPE外延出高晶体质量的厚膜。质量的厚膜。质量的厚膜。

【技术实现步骤摘要】
一种基于叠层掩模衬底的衬底剥离方法


[0001]本专利技术属于半导体
，具体涉及一种基于叠层掩模衬底的衬底剥离方法。

技术介绍

[0002]经过近二三十年的研究，GaN、AlN、InN、AlGaN、InGaN等III族氮化物材料作为第三代半导体，表现出了很多优良的理化特性，已经被认为是一种应用价值非常高的半导体材料。由于III族氮化物材料的单晶生长很困难，在自支撑单晶III族氮化物材料的生长技术中，HVPE是常用的方法。HVPE是Hydride Vapor Phase Epitaxy的缩写，指的是氢化物气相外延技术。HVPE制备III族氮化物自支撑厚膜面临两个主要问题：一、异质外延导致III族氮化物厚膜翘曲严重；二、如何将外延III族氮化物厚膜从衬底上分离下来。第一个问题起源于应力。由于III族氮化物材料与常用衬底材料蓝宝石和硅之间都有较大的晶格失配和热失配，所以生长过程中会由于晶格失配的原因随着厚度的增加而累积应力，并且在冷却过程中由于与衬底材料的热膨胀系数不同，会进一步累积应力。因此对于厚膜III族氮化物来说，由于应力太大，将会产生严重的翘曲，甚至导致整个薄膜碎裂，在工业生产中严重降低了HVPE的制备良率。对于HVPE技术批量生产III族氮化物自支撑厚膜，第一个需要解决的问题就是翘曲问题。第二个问题是III族氮化物材料与衬底剥离的问题。由于III族氮化物与衬底结合紧密，十分难剥离，为此业界发展出了多种剥离方式，例如激光剥离等。
[0003]以GaN为例具体来说，现有技术主要存在以下缺点：
[0004](1)现有生长自支撑GaN单晶的方法主要有氨热法、钠硫法和HVPE方法。其中氨热法、钠硫法生长速率较慢，以至于生产成本居高不下，并且需要高压环境，设备危险系数大。而HVPE方法生长虽然速率较快，但是良率很低，不足20％。大部分在冷却过程中碎裂。即使是没有碎裂的，与衬底的剥离也十分困难。剥离之后，由于在衬底上生长时应力过大也使得GaN薄膜有翘曲，晶格有扭转，通过CMP工艺磨平之后，表面的晶向并不一致，作为衬底使用也存在很多后续问题。
[0005](2)其他的通过多孔结构或者纳米线铺垫等达到易于分离的技术方案中，因为GaN不是生长在规则的晶格匹配的衬底上，前期MOCVD层生长质量不高。由此再使用HVPE技术外延加厚薄膜，缺陷密度虽然有降低，但降低的程度有限，使得最终生长出来的厚膜产品的整体晶体质量不高，也就导致使用价值不高。
[0006](3)使用图形衬底或者普通侧向外延技术生长第一层GaN薄膜的技术，由于普通图形衬底或者侧向外延技术在窗口区有集中的大量位错产生，导致整体晶体质量虽有上升，但是提升程度有限。并且由于普通侧向外延的翼区会翘起，因此在合拢区域必将产生大量缺陷，包括位错、空洞等缺陷，严重影响了整体的质量，只是在局部区域的晶体质量有所提高。这些高密度的缺陷区会在外延器件的时候降低器件性能，因此这样的技术仍然不能完全满足产业需求。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是解决HVPE技术生长III族氮化物厚膜易碎且难与衬底剥离的问题。
[0008]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0009]一种基于叠层掩模衬底的衬底剥离方法，包括以下步骤：
[0010]1)使用MOCVD技术在三维叠层掩模衬底上生长III族氮化物材料，形成III族氮化物材料薄膜；
[0011]2)使用HVPE技术在所述连续薄膜上生长III族氮化物材料，形成III族氮化物材料厚膜；
[0012]3)通过冷却在三维叠层掩模衬底和III族氮化物材料厚膜之间产生应力，从而实现自分离。
[0013]进一步地，步骤1)所述III族氮化物材料薄膜的厚度为1～20微米。
[0014]进一步地，步骤2)所述III族氮化物材料厚膜的厚度为20～500微米。
[0015]进一步地，对于自分离后的III族氮化物材料厚膜，经过表面平整化工艺得到自支撑的无应力单晶晶圆。
[0016]进一步地，步骤1)所述三维叠层掩模衬底包括一衬底，所述衬底上依次设有底层掩模层、顶层掩模层；所述底层掩模层设有周期性分布的窗口，所述窗口的图形在平面内的对称性与六方晶系III族氮化物材料的晶体对称性一致或是其子集；所述顶层掩模层与所述底层掩模层的窗口的图形相同，窗口的位置相互错开；所述顶层掩模层通过介质层与所述底层掩模层连接。
[0017]进一步地，所述窗口的图形是下列中的一种：条形、正三角形、正六边形。
[0018]进一步地，所述顶层掩模层和所述底层掩模层是SiN
x
，所述介质层是SiO2。
[0019]进一步地，步骤1)包括：
[0020]a)在低温成核阶段，在底层掩模窗口露出的衬底表面形成III族氮化物成核点，以这些成核点为中心，III族氮化物开始形成岛状结构原子团；
[0021]b)升高温度，在正常的III族氮化物生长参数条件下进行III族氮化物生长，随着时间增加，生长出的III族氮化物钻出沟道，露出顶层掩模窗口，形成突出的形状；
[0022]c)在钻出沟道并在顶层窗口外形成一定高度后，切换生长参数，采用MOCVD侧向外延技术使得横向生长速率远远大于垂直方向生长速率，一直如此生长，直到III族氮化物合拢成平整大平面，即形成III族氮化物薄膜。
[0023]进一步地，步骤3)使用激光剥离技术辅助实现衬底剥离。
[0024]进一步地，所述III族氮化物材料为GaN、AlN、InN或者他们形成的三元或者四元合金。
[0025]与现有技术相比，本专利技术有如下两个显著优点：
[0026]1、由于与衬底的弱连接性，可以在冷却过程中与衬底自分离，避免了使用激光剥离等昂贵技术分离III族氮化物厚膜与衬底。由于无需激光剥离等步骤就可以达到III族氮化物厚膜与衬底分离的效果，不仅节省了工艺步骤和时间，并且大大提高了生产良率，并且无晶体扭曲，无需使用磨平工艺来磨平已经翘曲的晶体；不仅有效降低了综合成本，还提高了产品质量。这是III族氮化物高品质同质衬底大规模应用的关键点。
[0027]2、由于采用的特制三维叠层掩模衬底能够配合MOCVD生长出高质量的薄膜，因此作为HVPE的前序工艺步骤，将能够通过HVPE外延出高晶体质量的厚膜。以GaN材料生长为例，本专利技术能够较低成本的制备位错密度为105/cm2的自支撑GaN衬底，明显优于现有的其它方法。
附图说明
[0028]图1是平面衬底生长III族氮化物自支撑厚膜的应力扭曲示意图，其中(a)图为压应力扭曲，(b)图为张应力扭曲。
[0029]图2是使用本专利技术的特制三维叠层掩模衬底生长厚膜III族氮化物自分离原理示意图。
[0030]图3是显微镜下观察到20微米厚GaN厚膜在降温过程中从特制叠层掩模衬底上自分离的效果图。
[0031]图4是条形衬底三维结构示意图，其中：1-顶层掩模层，2-衬底，3-顶层窗口，4-底层窗口，5-底层本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于叠层掩模衬底的衬底剥离方法，其特征在于，包括以下步骤：1)使用MOCVD技术在三维叠层掩模衬底上生长III族氮化物材料，形成III族氮化物材料薄膜；2)使用HVPE技术在所述连续薄膜上生长III族氮化物材料，形成III族氮化物材料厚膜；3)通过冷却在三维叠层掩模衬底和III族氮化物材料厚膜之间产生应力，从而实现自分离。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)所述III族氮化物材料薄膜的厚度为1～20微米。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)所述III族氮化物材料厚膜的厚度为20～500微米。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于自分离后的III族氮化物材料厚膜，经过表面平整化工艺得到自支撑的无应力单晶晶圆。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)所述三维叠层掩模衬底包括一衬底，所述衬底上依次设有底层掩模层、顶层掩模层；所述底层掩模层设有周期性分布的窗口，所述窗口的图形在平面内的对称性与六方晶系III族氮化物材料的晶体对称性一致或是其子集；所述顶层掩模层与所述底层掩模层的窗口的图形相同，窗口的位置相互错开；所述顶层掩模层通过介质层与所述底层掩模...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓蓉，郑烨琳，冯筱，陈明兰，
申请(专利权)人：北京飓芯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：