CN103456850A - 制造用于半导体器件的薄膜粘结衬底的方法 - Google Patents
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Abstract
一种制造用于半导体器件的薄膜粘结衬底的方法。该方法包括下列步骤：在由块晶体构成的第一衬底上外延生长一外延生长层；裂解所述第一衬底，从而在所述外延生长层留下晶体薄膜，所述晶体薄膜是从所述第一衬底分离出的；以及将第二衬底粘结到所述晶体薄膜上，所述第二衬底的化学成分与所述第一衬底的化学成分不同。有可能排除相关技术的导电势垒层，防止反射层因高温处理而发生故障，并且从根本上防止了由于彼此粘结的异质材料之间的热膨胀系数差而导致的裂纹。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2012年5月29日提交的韩国专利申请No.10-2012-0056459的优先权，该申请的全部内容为所有目的通过引用并入本申请。
技术领域
本发明涉及制造用于半导体器件的薄膜粘结衬底的方法，更具体地，涉及能够排除相关技术的导电势垒层、防止反射层因高温处理而发生故障、并且从根本上防止由彼此粘结的异质材料之间的热膨胀系数差而引起的裂纹的、制造用于半导体器件的薄膜粘结衬底的方法。
背景技术
诸如激光二极管或发光二极管（LED）之类的半导体器件的性能和寿命由构成相应器件的多个部件决定，尤其由其上堆叠器件的基础衬底决定。因此，正在提出几种用于制造高质量半导体衬底的方法，并且对III-V族化合物半导体衬底的关注正在增加。
这里氮化镓（GaN）衬底可以被视为III-V族化合物半导体衬底的代表性示例。尽管GaN衬底与砷化镓（GaAs）衬底、磷化铟（InP）衬底等等都适合于半导体器件，但是GaN衬底的制造成本比GaAS衬底和InP衬底的制造成本昂贵的多。因此，采用GaN衬底的半导体器件的制造成本变得很高。这源于GaN衬底、GaAs衬底和InP衬底的制造方法的差别。
具体地，对GaAs衬底和InP衬底来说，因为通过诸如布里奇曼（Bridgman）法或柴克拉斯基（Czochralski）法之类的液体方法实施晶体生长，所以晶体生长速度快。因此，可以很容易地在例如大约100小时的晶体生长时间内制备具有200nm或更大厚度的GaAs或InP大晶体块。于是，能够从GaAs或InP大晶体块上裂解出具有200μm至400μm范围的厚度的大量（例如100个或100个以上）GaAs或InP衬底。
相比之下，对于GaN衬底来说，因为通过诸如氢化物气相外延（HVPE）或金属有机化学气相沉积（MOCVD）之类的气相沉积方法实施晶体生长，所以晶体生长速率慢。在一示例中，100小时的晶体生长时间内仅能够制备具有大约10mm厚度的GaN晶体块。当晶体厚度在该范围内时，从那块晶体中仅能够分割出具有200μm至400μm范围的厚度的少量（例如10个）GaN衬底。
然而，当从GaN晶体块中裂解出的GaN膜的厚度下降以便增加裂解的GaN衬底的数量时，裂解出的衬底的机械强度降低至使裂解出的衬底不能形成自支撑衬底的程度。因此，需要一种用于增强从GaN晶体块中裂解出的GaN薄膜层的强度的方法。
作为用于增强相关技术的GaN薄膜层的方法，存在一种制造衬底（下文中被称为粘结衬底）的方法，在该方法中GaN薄膜层被粘结到具有与GaN不同化学成分的异质衬底上。
对于用于高亮度和高效率应用的垂直LED结构来说，垂直LED整体必须导电，因为电流沿LED的垂直方向（即上下方向）流动。此外，为了提高垂直LED的发光效率，需要通过在LED内部形成反射层来提取光源生成的90%或更多的蓝色波长光。
为了将应用有层转移技术的GaN/Si粘结衬底用作这些垂直LED的衬底，必须在GaN薄膜和Si衬底之间形成反射层。此外，使用MOCVD设备在氢气中以1000°C的处理温度实施GaN/Si粘结衬底上垂直LED的外延生长层的生长工艺。然而，在1000°C下，GaN分解成Ga和N，这导致Ga金属的析出。所析出的Ga金属经由对Si的回熔刻蚀（metal-back etching）而损坏Si衬底。此外，由于GaN的热膨胀系数是Si的两倍，所以在200°C下直接粘结的GaN/Si粘结衬底在外延生长工艺之后被冷却至室温时，由于热膨胀系数差而易于产生裂纹。
在相关技术中，为了对此进行补偿，在Si衬底上沉积降低Ga和Si之间的反应的势垒材料。这里，考虑到垂直LED的特性，势垒材料需要是导电的，并且势垒材料需要满足能够在1000°C的高温下正常工作的复杂要求。这与上面描述的反射层相同。这需要使用昂贵的材料来满足该要求，从而引起增加制造成本的问题。
在本发明的背景技术部分公开的信息仅用于更好地理解本发明的背景，而不应当被认为承认或以任何形式暗示该信息形成本领域技术人员已知的现有技术。
发明内容
本发明的各个方面提供一种制造用于半导体器件的薄膜粘结衬底的方法，该方法能够排除相关技术的导电势垒层，防止反射层因高温处理而发生故障，并且从根本上防止由于彼此粘结的异质材料之间的热膨胀系数差而导致的裂纹。
在本发明的方面中，提供一种制造用于半导体器件的薄膜粘结衬底的方法。所述方法包括下列步骤：在由块晶体构成的第一衬底上外延生长一外延生长层；裂解所述第一衬底，从而在所述外延生长层上留下晶体薄膜，所述晶体薄膜是从所述第一衬底分离出的；以及将第二衬底粘结到所述晶体薄膜，所述第二衬底的化学成分与所述第一衬底的化学成分不同。
根据本发明的示例性实施例，裂解所述第一衬底的步骤可以包括：在裂解所述第一衬底之前，将第三衬底粘结到所述外延生长层。
在本发明的另一方面中，提供一种制造用于半导体器件的薄膜粘结衬底的方法。所述方法包括下列步骤：在由块晶体构成的第一衬底上外延生长一外延生长层；向所述第一衬底中距离所述第一衬底的与所述外延生长层的一个表面相邻的一个表面的预定深度注入离子，从而在所述第一衬底中形成离子注入层；将第三衬底粘结到所述外延生长层的另一表面；沿所述离子注入层裂解所述第一衬底，从而在所述外延生长层的所述一个表面上留下所述晶体薄膜，所述晶体薄膜是从所述第一衬底分离出的；将第二衬底粘结到所述晶体薄膜，所述第二衬底的化学成分与所述第一衬底的化学成分不同；以及除去所述第三衬底。
所述晶体块可以由氮化物半导体材料制成。
外延生长一外延生长层的步骤可以包括：以具有多量子阱层和堆叠在所述多量子阱层上的p型覆层的堆叠结构生长所述外延生长层。
所述p型覆层可以由氮化物半导体材料制成。
所述晶体薄膜可以形成n型覆层。
注入离子的步骤可以包括：在距所述第一衬底的所述一个表面0.1μm至100μm范围的厚度处形成所述离子注入层。
所述离子可以是从氢、氦和氮所组成的组中选择的一种离子。
粘结所述第三衬底的步骤可以包括：通过粘合剂将所述第三衬底粘结到所述外延生长层的另一表面上。
粘结所述第三衬底的步骤可以包括：通过加热和压紧将所述第三衬底直接粘结到所述外延生长层的另一表面上。
裂解所述第一衬底的步骤可以包括对所述离子注入层进行热处理。
裂解所述第一衬底的步骤可以包括切割所述离子注入层。
所述方法可以进一步包括如下步骤：在将所述第二衬底粘结到所述晶体薄膜之前，在所述第二衬底的待粘结所述晶体薄膜的一个表面上沉积反射层。
根据本发明的实施例，与相关技术中在将块晶体和异质衬底彼此粘结之后以高温形成外延生长层的工艺不同，在块晶体的一个表面上生长外延生长层的前导工艺之后实施层转移处理。因此，可以降低彼此粘结的异质材料之间的反应，并且排除为了补充异质材料之间的热膨胀系数差而形成的势垒层。还可以使用基于常见便宜金属的反射材料，从而降低制造成本，在相关技术中由于基于常见便宜金属的反射材料的反射功能在高温处理中劣化，所以不可能使用。由于在层转移处理后不跟随高温处理，所以可以从根本上防止由于异质衬底之间的热膨胀系数差而导致的裂纹。
此外，由于包含了生成垂直LED的外延生长层的工艺，所以与在衬底粘结工艺之后形成外延生长层的相关技术相比，可以简化垂直LED的制造工艺。
本发明的方法和设备具有其它特征和优势，这些其它特征和优势将根据在本发明中包含的附图以及与附图一起用于解释本发明的特定原理的具体实施方式显而易见，或者记载在其中。
附图说明
图1是示出根据本发明实施例的制造用于半导体器件的薄膜粘结衬底的方法的工艺流程图；以及
图2至图7是依次示出制造用于半导体器件的薄膜粘结衬底的方法的工艺步骤的剖视图。
具体实施方式
现在将详细地参考根据本发明的制造用于半导体器件的薄膜粘结衬底的方法，本发明的实施例在附图中图示出并且在下面描述，使得与本发明有关的领域的普通技术人员能够容易地将本发明付诸实践。
在本文档全文中，会参考附图，在附图中相同的附图标记和附图符号在不同的附图中用来表示相同或类似的组件。在本发明的下面描述中，当本发明中包含的已知功能和组件的详细描述可能使本发明的主题不清楚时，将省略对已知功能和组件的详细描述。
如图1所示，制造用于半导体器件的薄膜粘结衬底的方法包括外延生长步骤S1、离子注入步骤S2、第一粘结步骤S3、薄膜裂解步骤S4、第二粘结步骤S5和衬底移除步骤S6。
首先，如图2所示，外延生长步骤S1是在由块晶体构成的第一衬底110上生长外延生长层120的步骤。这里，块晶体可以由氮化物半导体材料（例如属于III-V族化合物的GaN基氮化物半导体材料）制成。然而，根据本发明，块晶体不具体局限于GaN基氮化物半导体材料。也就是说，除了GaN基氮化物半导体材料以外，块晶体还可以由AlN基氮化物半导体材料制成。此外，除了氮化物半导体材料以外，块晶体还可以由选自诸如GaAs、InP和Si之类的候选材料中的一种材料制成。块晶体可以通过预定的方法（例如HVPE或HDC）生长。当块晶体由GaN衬底、GaAs衬底中的任一种制成时，蓝宝石衬底、SiC衬底等等可以用作基础衬底，因为它们与GaN具有良好的晶格匹配。
在外延生长步骤S1中，通过依次生长充当有源层的多量子阱（MQW）以及由GaN基III-V族氮化物半导体材料制成的p型覆层来形成外延生长层120。这里，MQW可以例如通过在InGaN阱层上形成InGaN量子点来生长。在生长MQW之后，可以通过形成AlN层来覆盖MQW，以便防止InGaN量子点向外扩散。此外，通过后续工艺与第一衬底110分离的晶体薄膜111将形成垂直发光器件（LED）的n型覆层。
外延生长步骤S1可以经由MOCVD工艺在大约1000°C的工艺温度下实施。以此方式，根据本发明的该实施例，在相关技术中在块晶体和异质衬底之间的粘结之后作为高温工艺实施的外延生长工艺，是在层转移工艺之前作为前导工艺预先实施的。因此，可以从根本上防止由于彼此粘结的衬底之间的反应或热膨胀系数之间的差而导致的裂纹。还可以省略为了解决相关技术中的这些问题而形成的势垒层，从而简化工艺并且降低制造成本。
然后，如图3所示，离子注入步骤S2是向第一衬底中距离第一衬底的与外延生长步骤S1中在第一衬底上生长的外延生长层的一个表面相邻的一个表面的预定深度注入离子从而形成离子注入层130的步骤。离子注入步骤S2中使用的离子可以是选自氢（H2）、氦（He）和氮（N2）之一的离子。在此情况下，可以将离子注入距离第一衬底110的表面0.1μm至100μm范围的深度，从而在该位置形成离子注入层130。在随后的形成厚度在0.1μm至100μm范围的晶体薄膜111的裂解工艺中，离子注入层130充当边界面。
上面描述的离子注入步骤S2可以使用离子注入设备（未示出）来实施。
此后，如图4所示，第一粘结步骤S3实施为将第三衬底140粘结至外延生长层120的上表面（相对于图的表面）的步骤。这里，第三衬底140充当支撑衬底，其在随后的裂解工艺中支撑晶体薄膜111和外延生长层120。
在第一粘结步骤S3中，第三衬底140可以通过粘合剂粘结到外延生长层120。此外，在第一粘结步骤S3中，第三衬底140可以通过加热和压紧或者通过各种其它技术直接粘结到外延生长层120。因此，根据本发明实施例的粘结技术不局限于特定技术。
在第二粘结步骤S5之后，第三衬底140从外延生长层120上除去。
然后，如图5所示，薄膜裂解步骤S4是沿形成在第一衬底110内的离子注入层130裂解第一衬底的步骤，从而在外延生长层120的下侧留有晶体薄膜111，晶体薄膜111是从第一衬底110分离出的。晶体薄膜111将充当垂直LED的n型覆层。薄膜裂解步骤S4可以包括热处理或切割，以便裂解第一衬底110。当离子注入层130形成在第一衬底110内相对浅的位置时，可利用热处理。热处理是能够可靠地裂解第一衬底110的具有卓越精度的容易技术。当对彼此粘结的第一衬底110和外延生长层120进行热处理时，离子注入层130变脆，并且在该位置裂解第一衬底110，使晶体薄膜111留在外延生长层120上。这里，根据所注入的离子的特性，热处理的温度可以在300°C至600°C的范围内调节。相比之下，当离子注入层130形成在相对深的位置时，可利用切割。切割技术也是能够可靠地裂解第一衬底110的具有卓越精度的容易技术。
当通过热处理或切割对第一衬底110进行裂解时，通过为支撑晶体薄膜110和外延生长层120而被粘结到外延生长层120上的第三衬底140，来保护晶体薄膜110和外延生长层120不发生变形（例如翘曲）。
与一部分（即晶体薄膜111）分离的剩余的第一衬底110在形成另一薄膜粘结衬底的晶体薄膜时被再次使用。因此，一块第一衬底110可以被裂解成数十个至数百个晶体薄膜111，并且可以用于制造数十个至数百个薄膜粘结衬底100。
然后，如图6所示，第二粘结步骤S5是将第二衬底150粘结至晶体薄膜111的步骤，第二衬底150的化学成分与第一衬底110的化学成分不同。在第二粘结步骤S5中，在均匀的低温粘结的前提下可以使用表面活化或熔融粘结。表面活化是在将待粘结的表面粘结在一起之前通过使表面暴露于等离子体来对待粘结的表面进行活化的技术，而熔融粘结是通过对经清洁的表面进行压紧和加热来将表面彼此粘结的技术。然而，根据本发明实施例的将第二衬底150粘结至晶体薄膜111的技术不局限于特定技术，因为有可能通过各种其它技术将第二衬底150粘结至晶体薄膜111。
在第二粘结步骤S5中，可以将第二衬底150实现为Si衬底。
第二衬底150将充当垂直LED的基础衬底。因此，在实施第二粘结步骤S5之前，可以在第二衬底150的被粘结至晶体薄膜111的粘结表面上沉积反射层155，以便增强发光效率。因此，晶体薄膜111和第二衬底150通过反射层155彼此粘结。
由于在作为高温工艺而实施的外延生长步骤S1之后实施将异质材料彼此粘结的第二粘结步骤S5，所以与高温工艺无关地单独实施第二粘结步骤S5。因此，从根本上防止了由于异质材料之间的反应或者异质材料的热膨胀系数差而引起的裂纹。此外，第二衬底150上的反射层155免于高温处理时的性能恶化影响。因此，可以使用便宜的金属作为反射层155，从而降低了制造成本。
此外，为了增强晶体薄膜111和第二衬底150之间的粘结强度，可以在实施第二粘结步骤S5之前，通过对粘结表面（即晶体薄膜111的n型表面）进行抛光，然后对经抛光的粘结表面进行刻蚀，来控制粘结表面的最大表面粗糙度Rmax。这里，粘结表面的最大表面粗糙度Rmax优选是10μm或10μm以下，并且优选将粘结表面的平均表面粗糙度Ra控制在1nm或1nm以下。
最后，如图7所示，衬底移除步骤S6是移除被粘结至外延生长层120的上表面的第三衬底140的步骤。在衬底移除步骤S6中移除第三衬底140导致根据本发明实施例的用于半导体器件（具体是垂直LED）的薄膜粘结衬底100的制造工艺结束。
由于根据本发明实施例制造的薄膜粘结衬底100具有用于垂直LED的外延生长层120，所以与相关技术相比可以显著简化垂直LED的制造工艺。
前面已关于特定的实施例和附图呈现了本发明具体示例性实施例的描述。这些示例性实施例不旨在是排它的或将本发明局限于所公开的特定形式，并且本领域普通技术人员根据上面的教导显而易见地可以进行许多修改和变形。
因此，希望本发明的范围不局限于上述实施例，而是由所附权利要求及其等同来限定。
Claims (15)
1.一种制造用于半导体器件的薄膜粘结衬底的方法，所述方法包括：
在由块晶体构成的第一衬底上外延生长一外延生长层；
裂解所述第一衬底，从而在所述外延生长层上留下晶体薄膜，所述晶体薄膜是从所述第一衬底分离出的；以及
将第二衬底粘结至所述晶体薄膜，所述第二衬底的化学成分与所述第一衬底的化学成分不同。
2.根据权利要求1所述的方法，其中裂解所述第一衬底包括：在裂解所述第一衬底之前，将第三衬底粘结至所述外延生长层。
3.根据权利要求2所述的方法，进一步包括：在将第二衬底粘结至所述晶体薄膜之后，移除所述第三衬底。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述外延生长层和所述第三衬底通过粘合剂彼此粘结。
5.根据权利要求2所述的方法，其中所述外延生长层和所述第三衬底通过加热和压紧彼此直接粘结。
6.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述晶体薄膜包括：
向所述第一衬底中距离所述第一衬底的与所述外延生长层的一个表面相邻的一个表面的预定深度注入离子，从而在所述第一衬底中形成离子注入层；
将第三衬底粘结至所述外延生长层的另一表面；以及
沿所述离子注入层裂解所述第一衬底，从而在所述外延生长层的所述一个表面上留下所述晶体薄膜，所述晶体薄膜是从所述第一衬底分离出的。
7.根据权利要求6所述的方法，其中注入离子包括：在距所述第一衬底的所述一个表面0.1μm至100μm范围的厚度处形成所述离子注入层。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述离子包括从氢、氦和氮所组成的组中选择的一种离子。
9.根据权利要求6所述的方法，其中裂解所述第一衬底包括对所述离子注入层进行热处理。
10.根据权利要求6所述的方法，其中裂解所述第一衬底包括切割所述离子注入层。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述晶体块包括氮化物半导体。
12.根据权利要求1所述的方法，其中外延生长一外延生长层包括：以具有多量子阱层和堆叠在所述多量子阱层上的p型覆层的堆叠结构生长所述外延生长层。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述p型覆层包括氮化物半导体材料。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述晶体薄膜包括n型覆层。
15.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：在将第二衬底粘结至所述晶体薄膜之前，在所述第二衬底的待粘结所述晶体薄膜的一个表面上沉积反射层。
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