CN111769036A - 氮化镓单晶衬底的制备方法 - Google Patents

氮化镓单晶衬底的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种氮化镓单晶衬底的制备方法，包括步骤：1)提供一蓝宝石衬底，在蓝宝石衬底上形成氮化镓模板层；2)提供一转移基板及一键合层，键合层具有液态形态与固态形态的转换，采用键合层将转移基板与氮化镓模板层键合；3)剥离氮化镓模板层与蓝宝石衬底；4)将键合层转换为液态形态，并于剥离后的氮化镓模板层上进行外延生长，以获得加厚的氮化镓单晶衬底。本发明通过键合层将转移基板与氮化镓模板层键合，该键合层具有液态形态与固态形态的转换，在外延生成氮化镓单晶过程中，键合层处于液态形态，使氮化镓模板层处于自由态，能够有效释放应力及缓解热失配，解决生产过程引起的应力积累、晶片翘曲的问题。

Description

氮化镓单晶衬底的制备方法
技术领域
本发明属于半导体材料制造领域，特别是涉及一种氮化镓单晶衬底的制备方法。
背景技术
随着科学技术的发展，具有高频、高效率及大功率等优异性能的半导体器件应用领域越来越多。以氮化镓为代表的第三代半导体材料具有禁带宽度宽、热导率高、耐腐蚀等优良的物理化学性能，在光电器件及微电子器件等方面具有广泛的应用前景。
常见的氮化镓器件为在异质衬底上长氮化镓外延层制作成半导体器件。但由于使用的是异质衬底，材料之间存在着晶格失配与热失配导致外延材料位错密度比较高，阻碍了相关器件性能的提升及其稳定性。
采用氮化镓单晶衬底实现同质外延是提高GaN外延层晶体质量进而提高GaN器件的主要途径。氮化镓单晶衬底常见的生长方法包括MOCVD方法、MBE方法、HVPE生长方法、钠流法及氨热法。MOCVD方法及MBE方法的生长速度缓慢，无法批量生产具有一定厚度的单晶衬底。钠流法及氨热法无法生长具有较低杂质浓度或较大尺寸的单晶衬底。HVPE方法能在蓝宝石衬底上较快的速度生长氮化镓单晶衬底，但由于存在各种各样的工艺问题，生产的衬底质量参差不齐。主要原因依然是异质外延生长过程中存在的晶格失配应力和热失配应力。应力使得单晶衬底在生长过程中容易裂片，应力还会在衬底内部以位错的形式释放，难以进一步降低衬底位错密度。且衬底存在不同程度的翘曲，晶格取向面内均匀性差，因此开发新的工艺，解决当前存在的单晶衬底质量不高问题，是本领域研究人员共同努力的方向。
发明内容
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氮化镓单晶衬底的制备方法，用于解决现有技术中氮化镓单晶生长过程应力不断积累导致氮化镓单晶衬底存在不同程度翘曲的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种氮化镓单晶衬底的制备方法，所述制备方法包括步骤：1)提供一蓝宝石衬底，在所述蓝宝石衬底上形成氮化镓模板层；2)提供一转移基板及一键合层，所述键合层具有液态形态与固态形态的转换，采用所述键合层将所述转移基板与氮化镓模板层键合；3)剥离所述蓝宝石衬底；4)将所述键合层转换为液态形态，并于剥离后的所述氮化镓模板层上进行外延生长，以获得加厚的氮化镓单晶衬底。
可选地，步骤1)利用金属有机物化学气相沉积工艺沉积所述氮化镓模板层，所述氮化镓模板层的厚度介于3微米～200微米之间。
可选地，所述转移基板包括蓝宝石及碳化硅中的一种。
可选地，步骤2)包括：2-1)采用液态形态下的所述键合层连接所述转移基板及所述氮化镓模板层；2-2)降温使所述键合层转换为固态形态，以通过所述键合层键合所述转移基板及所述氮化镓模板层。
可选地，所述键合层包括金属镓，步骤2-2)降温后的温度为小于25℃以使所述键合层保持为固态形态。
可选地，步骤3)采用激光剥离工艺剥离所述蓝宝石衬底，在激光剥离时所述键合层保持为固态形态。
可选地，在步骤3)剥离所述蓝宝石衬底后，还包括对所述氮化镓模板层的剥离面进行清洗及抛光的步骤；所述抛光的方法为化学机械抛光，抛光去除所述氮化镓模板层的厚度介于1微米～5微米之间；在清洗及抛光时所述键合层保持为固态形态。
可选地，步骤4)在外延生长过程中保持所述键合层为液态形态，氮化镓模板层处于自由态，以释放于所述氮化镓模板层上外延生长的单晶衬底在外延生长过程中的晶格失配应力及热失配应力。
可选地，步骤4)采用氢化物气相外延工艺于所述氮化镓模板层上进行外延生长，以获得加厚的所述氮化镓单晶衬底。
可选地，所述氮化镓单晶衬底的厚度介于100微米～1000微米之间。
如上所述，本发明的氮化镓单晶衬底的制备方法，具有以下有益效果：
本发明通过键合层将转移基板与氮化镓模板层键合，该键合层具有液态形态与固态形态的转换，在外延生成氮化镓单晶过程中，键合层处于液态形态，使氮化镓模板层处于自由态，能够有效释放应力及缓解热失配，解决生产过程引起的应力积累、晶片翘曲的问题。
附图说明
图1～图5显示为本发明实施例的氮化镓单晶衬底的制备方法各步骤所呈现的结构示意图。
元件标号说明
101 蓝宝石衬底
102 氮化镓模板层
103 键合层
104 转移基板
105 单晶衬底
具体实施方式
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。
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。
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。
在本申请的上下文中，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。
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。
如图1～图5所示，本实施例提供一种氮化镓单晶衬底的制备方法，所述制备方法包括步骤：
如图1所示，首先进行步骤1)，提供一蓝宝石衬底101，在所述蓝宝石衬底101上形成氮化镓模板层102。
在本实施例中，所述蓝宝石衬底101可以选用为平片蓝宝石衬底101，即非图形化的蓝宝石衬底101，然后，利用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)工艺于所述蓝宝石衬底101上沉积所述氮化镓模板层102，所述氮化镓模板层102的厚度介于3微米～200微米之间，更进一步地，所述氮化镓模板层102的厚度介于3微米～20微米之间，该厚度范围既能满足后续生长所需，同时能有效节约材料成本及时间成本，具体地，所述氮化镓模板层102的厚度可以为5微米、8微米、10微米、15微米等。
如图2～图3所示，然后进行步骤2)，提供一转移基板104及一键合层103，所述转移基板104用于承载转移的所述氮化镓模板层102，所述键合层103具有液态形态与固态形态的转换，采用所述键合层103将所述转移基板104与氮化镓模板层102键合。
所述键合层103可以选用为金属镓，本实施例的金属镓在25℃以下，可以转换为结构稳定的固态形态，在30℃左右(例如为29.78℃)或以上，可以转换为液态形态。该金属镓的固态和液态转换温度较低，其转换控制的条件比较简单可控，可有利于工艺设计。
所述转移基板104包括蓝宝石及碳化硅中的一种，在本实施例中，所述转移基板104为蓝宝石。
在一具体实施过程中，步骤2)包括：
2-1)采用液态形态下的所述键合层103连接所述转移基板104及所述氮化镓模板层102；例如在30℃以上，如30～50℃下，金属镓为液态形态，采用金属镓连接所述转移基板104及所述氮化镓模板层102。
2-2)降温使所述键合层103转换为固态形态，以通过所述键合层103键合所述转移基板104及所述氮化镓模板层102。例如，降温后的温度为小于25℃以使所述键合层103保持为固态形态。
如图4所示，接着进行步骤3)，剥离所述蓝宝石衬底101；
例如，可以采用激光剥离工艺剥离所述蓝宝石衬底101，在激光剥离时所述键合层103保持为固态形态。具体地，将蓝宝石衬底101翻转朝上，使用激光器照射所述蓝宝石衬底101与氮化镓模板层102的交界面，将蓝宝石衬底101与氮化镓模板层102分离，其中，激光剥离时的温度小于25℃，以使键合层103保持固态。
进一步地，在步骤3)剥离所述蓝宝石衬底101后，还包括对所述氮化镓模板层102的剥离面进行清洗及抛光的步骤；所述抛光的方法为化学机械抛光，抛光去除所述氮化镓模板层102的厚度介于1微米～5微米之间，以去除晶体质量较差的部分，获得良好的氮化镓生长界面。
如图5所示，最后进行步骤4)，将所述键合层103转换为液态形态，并于剥离后的所述氮化镓模板层102上进行外延生长，以获得加厚的氮化镓单晶衬底105。
具体地，步骤4)在外延生长过程中保持所述键合层103为液态形态，以释放于所述氮化镓模板层上外延生长的单晶衬底在外延生长过程中的晶格失配应力及热失配应力。
采用氢化物气相外延工艺于所述氮化镓模板层102上进行外延生长，以获得加厚的所述氮化镓单晶衬底105，所述氮化镓单晶衬底105的厚度介于100微米～1000微米之间。在本实施例中，由于外延生长的过程远高于30℃，金属镓会自动转换为液态形式，不需要额外的加热或保温处理，可以大大简化工艺及设备。
本实施例通过键合层103将转移基板104与氮化镓模板层102键合，该键合层103可以在液态形态与固态形态之间转换，在外延生成氮化镓单晶过程中，键合层103处于液态形态，使氮化镓模板层102处于自由态，能够有效释放应力及缓解热失配，解决生产过程引起的应力积累、晶片翘曲的问题。
如上所述，本发明的氮化镓单晶衬底的制备方法，具有以下有益效果：
本发明通过键合层103将转移基板104与氮化镓模板层102键合，该键合层103可以在液态形态与固态形态之间转换，在外延生成氮化镓单晶过程中，键合层103处于液态形态，使氮化镓模板层102处于自由态，能够有效释放应力及缓解热失配，解决生产过程引起的应力积累、晶片翘曲的问题。
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。
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。

Claims (10)

1.一种氮化镓单晶衬底的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括步骤：
1)提供一蓝宝石衬底，在所述蓝宝石衬底上形成氮化镓模板层；
2)提供一转移基板及一键合层，所述键合层具有液态形态与固态形态的转换，采用所述键合层将所述转移基板与氮化镓模板层键合；
3)剥离所述蓝宝石衬底；
4)将所述键合层转换为液态形态，并于剥离后的所述氮化镓模板层上进行外延生长，以获得加厚的氮化镓单晶衬底。
2.根据权利要求1所述的氮化镓单晶衬底的制备方法，其特征在于：步骤1)利用金属有机物化学气相沉积工艺沉积所述氮化镓模板层，所述氮化镓模板层的厚度介于3微米～200微米之间。
3.根据权利要求1所述的氮化镓单晶衬底的制备方法，其特征在于：所述转移基板包括蓝宝石及碳化硅中的一种。
4.根据权利要求1所述的氮化镓单晶衬底的制备方法，其特征在于：步骤2)包括：
2-1)采用液态形态下的所述键合层连接所述转移基板及所述氮化镓模板层；
2-2)降温使所述键合层转换为固态形态，以通过所述键合层键合所述转移基板及所述氮化镓模板层。
5.根据权利要求4所述的氮化镓单晶衬底的制备方法，其特征在于：所述键合层包括金属镓，步骤2-2)降温后的温度为小于25℃以使所述键合层保持为固态形态。
6.根据权利要求1所述的氮化镓单晶衬底的制备方法，其特征在于：步骤3)采用激光剥离工艺剥离所述氮化镓模板层与所述蓝宝石衬底，在激光剥离时所述键合层保持为固态形态。
7.根据权利要求1所述的氮化镓单晶衬底的制备方法，其特征在于：在步骤3)剥离所述蓝宝石衬底后，还包括对所述氮化镓模板层的剥离面进行清洗及抛光的步骤；所述抛光的方法为化学机械抛光，抛光去除所述氮化镓模板层的厚度介于1微米～5微米之间。
8.根据权利要求1所述的氮化镓单晶衬底的制备方法，其特征在于：步骤4)在外延生长过程中保持所述键合层为液态形态，以释放于所述氮化镓模板层上外延生长的单晶衬底在外延生长过程中的晶格失配应力及热失配应力。
9.根据权利要求1所述的氮化镓单晶衬底的制备方法，其特征在于：步骤4)采用氢化物气相外延工艺于所述氮化镓模板层上进行外延生长，以获得加厚的所述氮化镓单晶衬底。
10.根据权利要求1所述的氮化镓单晶衬底的制备方法，其特征在于：所述氮化镓单晶衬底的厚度介于100微米～1000微米之间。
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