CN114220740B - 一种氮化镓衬底剥离方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种氮化镓衬底剥离方法，包括：获取上表面直接生长有氮化镓外延结构的氮化镓衬底；利用激光光束经外延结构对氮化镓衬底内部进行扫描照射，在氮化镓衬底内产生分解层；激光光束为脉冲宽度小于10‑15s量级的激光，分解层与氮化镓衬底的上表面的距离小于氮化镓衬底的厚度；将氮化镓衬底在分解层处分离，得到剥离后氮化镓衬底和半导体器件。本申请在由氮化镓外延结构到氮化镓衬底的方向上，用激光光束照射氮化镓衬底，使氮化镓衬底内部发生热分解反应，氮化镓衬底在分解层处分离，得到单纯的剥离后氮化镓衬底和半导体器件，即在得到半导体器件的同时实现了氮化镓衬底的剥离，剥离后氮化镓衬底可以重复利用，降低氮化镓衬底的成本。

Description

一种氮化镓衬底剥离方法
技术领域
本申请涉及半导体领域，特别是涉及一种氮化镓衬底剥离方法。
背景技术
氮化镓作为第三代宽禁带半导体的典型代表，具有优良的物理和化学特性，其禁带宽度、电子饱和迁移速度、击穿电压和工作温度远大于Si和GaAs，非常适于研制高频、高压、高功率的器件和电路。氮化镓衬底的生产规模很小，目前仅有少数几个公司可以供应，且价格很高。在制作外延结构时，直接在氮化镓衬底上生长外延结构得到半导体器件，由于氮化镓衬底的成本较高，导致半导体器件的成本高。
因此，如何降低氮化镓衬底的成本应是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本申请的目的是提供一种氮化镓衬底剥离方法，以实现氮化镓衬底的重复利用，降低氮化镓衬底的成本。
为解决上述技术问题，本申请提供一种氮化镓衬底剥离方法，包括：
获取上表面直接生长有氮化镓外延结构的氮化镓衬底；
利用激光光束经所述氮化镓外延结构对所述氮化镓衬底内部进行扫描照射，在所述氮化镓衬底内产生分解层；其中，所述激光光束为脉冲宽度小于10-15s量级的激光，所述分解层与所述氮化镓衬底的所述上表面的距离小于所述氮化镓衬底的厚度；
将所述氮化镓衬底在所述分解层处分离，得到剥离后氮化镓衬底和半导体器件。
可选的，所述利用激光光束经所述氮化镓外延结构对所述氮化镓衬底内部进行扫描照射之前，还包括：
利用激光开槽技术对所述氮化镓外延结构和所述氮化镓衬底开槽，形成凹槽，所述凹槽的深度等于所述氮化镓外延结构的上表面与所述分解层的距离。
可选的，所述凹槽呈网格分布。
可选的，所述得到剥离后氮化镓衬底和半导体器件之后，还包括：
抛光所述剥离后氮化镓衬底的分离表面。
可选的，所述将所述氮化镓衬底在所述分解层处分离包括：
将所述氮化镓外延结构的上表面与载片键合；
在所述载片和所述氮化镓衬底处施加相反的作用力，使所述氮化镓衬底在所述分解层处分离。
可选的，所述激光光束的波长在1000nm~1040nm之间，脉冲能量在3μJ~5μJ之间，脉冲重复率在1kHz~2kHz之间，扫描速度在500μm/s~1000μm/s之间。
可选的，所述获取上表面直接生长有氮化镓外延结构的氮化镓衬底之前，还包括：
在所述氮化镓衬底的所述上表面生长所述氮化镓外延结构。
可选的，所述激光光束扫描照射所述氮化镓衬底时，以一条连续型轨迹扫描照射所述氮化镓衬底的内部。
可选的，所述激光光束扫描照射所述氮化镓衬底时，以多条间断型轨迹扫描照射所述氮化镓衬底的内部。
本申请所提供的一种氮化镓衬底剥离方法，包括：获取上表面直接生长有氮化镓外延结构的氮化镓衬底；利用激光光束经所述氮化镓外延结构对所述氮化镓衬底内部进行扫描照射，在所述氮化镓衬底内产生分解层；其中，所述激光光束为脉冲宽度小于10-15s量级的激光，所述分解层与所述氮化镓衬底的所述上表面的距离小于所述氮化镓衬底的厚度；将所述氮化镓衬底在所述分解层处分离，得到剥离后氮化镓衬底和半导体器件。
可见，本申请中在剥离氮化镓衬底时，获得生长有氮化镓外延结构的氮化镓衬底，然后在由氮化镓外延结构到氮化镓衬底的方向上，利用激光光束对氮化镓衬底进行照射，激光光束的脉冲宽度小于10-15s量级，脉冲宽度极小，激光峰值功率极高，激光光束可以精确汇聚到氮化镓衬底内部，使得氮化镓衬底内部，即激光光束的焦点所在处，发生热分解反应生成分解层，在分解层处将氮化镓衬底进行分离，由于分解层与氮化镓衬底上表面的距离小于氮化镓衬底的厚度，所以分离后可以得到单纯的剥离后氮化镓衬底以及半导体器件，本申请中在得到半导体器件的同时实现了氮化镓衬底的剥离，且剥离后氮化镓衬底还可以继续用于制作半导体器件，实现重复利用，降低生产半导体器件时氮化镓衬底的成本；另外，本申请中是在氮化镓衬底上生长氮化镓外延结构，相比于蓝宝石等异质衬底，本申请中氮化镓外延结构与氮化镓衬底之间不存在晶格失配和热失配，因此本申请中氮化镓外延结构的质量较高，由于氮化镓衬底的制备成本极高，限制了氮化镓衬底上氮化镓半导体器件器件的应用及发展，而本申请中的剥离方法可以解决这一问题，具有非常重要的意义。
附图说明
为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例所提供的一种氮化镓衬底剥离方法的流程图；
图2和图3为激光光束在氮化镓衬底上的扫描路径示意图；
图4为高电子迁移率晶体管的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
正如背景技术部分所述，目前在使用氮化镓衬底制作半导体器件时，直接在氮化镓衬底上生长外延结构，氮化镓衬底仅有少数几个公司可以供应，价格很高。
有鉴于此，本申请提供了一种氮化镓衬底剥离方法，请参考图1，包括：
步骤S101：获取上表面直接生长有氮化镓外延结构的氮化镓衬底。
氮化镓外延结构为氮化镓衬底的同质外延结构，与异质外延结构相比，同质外延结构可以使AlGaN/GaN异质结材料获得更好的结晶质量和更少的内部应力。氮化镓衬底可以使得到的半导体器件具有更高的迁移率，高的电子平均速度和高的射频性能。
步骤S102：利用激光光束经所述氮化镓外延结构对所述氮化镓衬底内部进行扫描照射，在所述氮化镓衬底内产生分解层；其中，所述激光光束为脉冲宽度小于10-15s量级的激光，所述分解层与所述氮化镓衬底的所述上表面的距离小于所述氮化镓衬底的厚度。
激光光束为脉冲宽度小于10-15s量级的激光，激光光束经过氮化镓外延结构进入氮化镓衬底内部，也即激光光束的焦点聚焦在氮化镓衬底内部，聚焦在氮化镓衬底内部的超短激光脉冲引起氮化镓的热分解效应，产生镓分解层和氮气。同时，使用激光光束还可以减少热影响区和对周围材料的相应损坏。激光光束可以飞秒激光光束。
分解层为连续的分解层，其与氮化镓衬底的上表面的距离，也即激光光束的焦点与氮化镓衬底的上表面的距离，由于需要对氮化镓衬底进行剥离，所以需要小于氮化镓衬底的厚度，同时，剥离后氮化镓衬底要重复利用，所以其厚度必须能实现自支撑，剥离后氮化镓衬底的厚度还需大于150微米。其中，氮化镓衬底的厚度一般在500微米左右。
需要说明的是，本申请中对分解层与氮化镓衬底的上表面的距离不做具体限定，可自行设置。例如，分解层与氮化镓衬底的上表面的距离在4μm~6μm之间。
所述激光光束的波长在1000nm~1040nm之间，脉冲能量在3μJ~5μJ之间，脉冲重复率在1kHz~2kHz之间，扫描速度在500μm/s~1000μm/s之间。
当激光光束在进行扫描的过程中，激光光束的焦点需平行于氮化镓衬底的上表面，以使得剥离后氮化镓衬底以及半导体器件中的氮化镓衬底的厚度是均匀的。
可选的，所述激光光束扫描照射所述氮化镓衬底时，以一条连续型轨迹扫描照射所述氮化镓衬底的内部，例如激光光束以S型轨迹扫描照射氮化镓衬底的内部，扫描轨迹如图2所示，或者以螺旋形轨迹扫描照射氮化镓衬底的内部，以实现对氮化镓衬底的连续扫描，在扫描结束后将激光器关闭即可。但是，本申请对此并不做限定，在其他实施方式中，所述激光光束扫描照射所述氮化镓衬底时，还可以以多条间断型轨迹扫描照射所述氮化镓衬底的内部，例如激光光束在氮化镓衬底的长度或者宽度方向上进行多次扫描，扫描轨迹如图3所示，此种扫描方式，在每一条单独的轨迹扫描结束后需要关闭激光器，然后再开启进行下一次扫描，直至对氮化镓衬底扫描结束。
步骤S103：将所述氮化镓衬底在所述分解层处分离，得到剥离后氮化镓衬底和半导体器件。
可选的，所述将所述氮化镓衬底在所述分解层处分离包括：
将所述氮化镓外延结构的上表面与载片键合；
在所述载片和所述氮化镓衬底处施加相反的作用力，使所述氮化镓衬底在所述分解层处分离。
键合过程可以为：在载片的上表面涂覆作为键合材料的粘合材料，然后将氮化镓外延结构的上表面与载片的上表面进行键合，并施加一定的温度和压力，实现氮化镓外延结构和载片的键合。
当粘合材料硬化后，在反向作用力的作用下剥离氮化镓衬底，分解层以上的部分氮化镓衬底连同氮化镓外延结构形成半导体器件，分解层以下的部分氮化镓衬底即为剥离后氮化镓衬底，剥离后氮化镓衬底还可以继续使用。
剥离后氮化镓衬底的表面比较粗糙，为了便于下一次使用，所述得到剥离后氮化镓衬底和半导体器件之后，还包括：
抛光所述剥离后氮化镓衬底的分离表面。
抛光方式可以为化学机械抛光。
本实施例同时得到了剥离后氮化镓衬底和半导体器件后，还可以将半导体器件转移至柔性衬底上，用于制备LED器件、更低功耗的功率电源以及更高频率的射频滤波器等，为氮化镓半导体器件与不同材料的异构集成提供一种新的工艺方案，能够实现氮化镓衬底的重复利用，尤其在制备具有高散热效率的射频功率放大器领域极具潜力。
本申请中在剥离氮化镓衬底时，获得生长有氮化镓外延结构的氮化镓衬底，然后在由氮化镓外延结构到氮化镓衬底的方向上，利用激光光束对氮化镓衬底进行照射，激光光束的脉冲宽度小于10-15s量级，脉冲宽度极小，激光峰值功率极高，激光光束可以精确汇聚到氮化镓衬底内部，使得氮化镓衬底内部，即激光光束的焦点所在处，发生热分解反应生成分解层，在分解层处将氮化镓衬底进行分离，由于分解层与氮化镓衬底上表面的距离小于氮化镓衬底的厚度，所以分离后可以得到单纯的剥离后氮化镓衬底以及半导体器件，本申请中在得到半导体器件的同时实现了氮化镓衬底的剥离，且剥离后氮化镓衬底还可以继续用于制作半导体器件，实现重复利用，降低生产半导体器件时氮化镓衬底的成本；另外，本申请中是在氮化镓衬底上生长氮化镓外延结构，相比于蓝宝石等异质衬底，本申请中氮化镓外延结构与氮化镓衬底之间不存在晶格失配和热失配，因此本申请中氮化镓外延结构的质量较高，由于氮化镓衬底的制备成本极高，限制了氮化镓衬底上氮化镓半导体器件器件的应用及发展，而本申请中的剥离方法可以解决这一问题，具有非常重要的意义
在上述实施例基础上，在本申请的一个实施例中，所述利用激光光束经所述氮化镓外延结构对所述氮化镓衬底内部进行扫描照射之前，还包括：
利用激光开槽技术对所述氮化镓外延结构和所述氮化镓衬底开槽，形成凹槽，所述凹槽的深度等于所述氮化镓外延结构的上表面与所述分解层的距离。
开槽时也是利用步骤S102中的激光光束，由于激光光束在氮化镓衬底内扫描时，除了产生分解层还会产生氮气，凹槽可以及时将氮化镓热分解产生的气体排出。
凹槽底部所在的平面也即步骤S102中激光光束的焦点在氮化镓衬底内聚焦的表面，凹槽底部距离氮化镓衬底上表面的距离等于分解层与氮化镓衬底的上表面的距离，也在4μm~6μm之间。凹槽的宽度可以在4μm~6μm之间。
需要指出的是，本申请中对凹槽的分布形式不做限定，例如，凹槽可以以多条平行线的方式分布，或者，所述凹槽呈网格分布，此时更利于排出氮化镓热分解产生的气体。
当凹槽呈网格分布时，可以将凹槽底部以上的氮化镓衬底和氮化镓外延结构分割成多个单元。
在上述任一实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所述获取上表面直接生长有氮化镓外延结构的氮化镓衬底之前，还包括：
在所述氮化镓衬底的所述上表面生长所述氮化镓外延结构。
进一步的，本申请中对氮化镓外延结构的具体结构不做限定，根据半导体器件的种类而定。
作为一种具体实施方式，当所述半导体器件为高电子迁移率晶体管时，所述在所述氮化镓衬底的所述上表面直接生长氮化镓外延结构包括：
步骤S201：在所述氮化镓衬底的所述上表面生长高阻层；
高阻层的材料为氮化镓，厚度在1μm ~3μm之间，包括端点值，例如1.5μm，2μm，2.5μm等等。
高阻层生长方式包括但不限于采用分子束外延法，气相外延法，金属有机物化学气相沉积法。为了提升高阻层的沉积速度和性能，采用金属有机物化学气相沉积法形成高阻层。
步骤S202：在所述高阻层的上表面生长高迁移率层；
高迁移率层的材料为氮化镓，厚度在10nm~100nm之间，包括端点值，例如，20 nm，30 nm，40 nm，50 nm，60 nm，70 nm，80 nm，90 nm等等。
高迁移率层的生长方式包括但不限于分子束外延法，气相外延法，金属有机物化学气相沉积法。为了提升高迁移率层的沉积速度和性能，采用金属有机物化学气相沉积法形成高迁移率层。
步骤S203：在所述高迁移率层的上表面生长插入层；
插入层的材料为氮化铝。
步骤S204：在所述插入层的上表面生长势垒层；
势垒层的材料为铝镓氮，厚度在10 nm ~30 nm之间，包括端点值，例如，15 nm，20nm，25 nm等等。铝镓氮势垒层与高迁移率层形成的异质结构材料体系具有很大的带阶差，很强的极化效应，即使不用任何掺杂，仅通过极化应力就可以在异质界面的量子阱中产生高达~1013cm-2的二维电子气密度，其中，铝的组分在0.10~0.35之间，包括端点值，例如，0.15，0.20，0.25，0.30等等。
势垒层的生长方式包括但不限于分子束外延法，气相外延法，金属有机物化学气相沉积法。为了提升势垒层的沉积速度和性能，采用金属有机物化学气相沉积法形成势垒层。
步骤S205：在所述势垒层的上表面生长盖帽层；
其中，所述激光光束的光子能量小于所述势垒层的带隙。
盖帽层的材料为氮化镓，厚度1 nm ~5 nm之间，包括端点值，例如，2 nm，3 nm，4nm等等。
盖帽层的生长方式包括但不限于分子束外延法，气相外延法，金属有机物化学气相沉积法。优选地，采用金属有机物化学气相沉积法形成盖帽层，以提升盖帽层的形成速度和性能。
盖帽层不仅可以起到钝化的效果，可以使沟道电子远离器件表面，而且进一步减小了器件表面态对沟道电流的影响，抑制电流崩塌效应。
激光光束的光子能量小于所述势垒层的带隙可以避免激光光束对势垒层造成损伤，提升半导体器件的性能。
高电子迁移率晶体管的结构示意图如图4所示，由下至上依次为氮化镓衬底1、高阻层2、高迁移率层3、插入层4、势垒层5、盖帽层6。高电子迁移率晶体管也可不设置插入层4。
当半导体器件为金属-氧化物半导体场效应晶体管时，金属-氧化物半导体场效应晶体管包括：衬底，源、漏区，栅氧化层和栅极，外延结构的具体制作过程可参考相关技术，此处不再详细赘述。
当半导体器件为鳍式场效应晶体管时，鳍式场效应晶体管包括：衬底，浅沟槽隔离(STI)层，缓冲层，Ⅲ-Ⅴ族材料，介电层，电极，外延结构的具体制作过程可参考相关技术，此处不再详细赘述。
下面以半导体器件为高电子迁移率晶体管、激光光束为飞秒激光光束为例，对氮化镓衬底剥离方法进行阐述。
步骤1、选择具有六方对称结构的氮化镓衬底。
步骤2、采用金属有机物化学气相沉积法在氮化镓衬底上生长氮化镓结构材料，氮化镓结构材料包括由下至上依次层叠的氮化镓高阻层，氮化镓高迁移率层，氮化铝插入层，铝镓氮势垒层，氮化镓盖帽层。
步骤3、将波长为1030nm的飞秒激光光束经过氮化镓结构材料聚焦在氮化镓衬底中，采用激光刻槽工艺形成凹槽，将氮化镓结构材料分隔成500微米×500微米的单元，凹槽的宽度为5μm，凹槽位于氮化镓衬底的部分的深度在4~6μm，其中，飞秒激光光束的脉冲能量为3-5μJ，脉冲重复率为1~2kHz，扫描速度为500~1000μm/s。
步骤4、调整飞秒激光光束从氮化镓结构材料的上表面射入氮化镓衬底，光束焦点位于氮化镓衬底上表面下方4~6μm处，平行与氮化镓衬底上表面，沿着S型轨道扫描氮化镓衬底，直到在氮化镓衬底上表面下方4~6μm处产生一层连续的薄的分解层。所用激光光子能量需小于势垒层材料带隙，此时，势垒层材料和氮化镓衬底在激光波长下都是透明的（既不会受到损伤），所用飞秒激光光束波长为1030nm，脉冲宽度350fs，脉冲重复率为2.5kHz，扫描速度为1000μm/s，调整飞秒激光光束脉冲能量，使得仅在聚焦区域超过非线性击穿阈值，并分解该区域的氮化镓材料，剥离所用脉冲能量为0.2μJ。
步骤5、通过旋涂的方式，在载片的正面涂敷临时粘合材料作为键合材料，转速1200rpm/min~3000rpm/min，时间为30~60秒。
步骤6、将生长有氮化镓结构材料的氮化镓衬底与载片的正面进行键合，并施加一定的温度和压力，实现键合，当临时粘合材料硬化后，在反向作用力的作用下，氮化镓衬底在分解层处分离得到剥离后氮化镓衬底和高电子迁移率晶体管，剥离后氮化镓衬底经过进一步化学机械抛光可重复利用。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
以上对本申请所提供的氮化镓衬底剥离方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种氮化镓衬底剥离方法，其特征在于，包括：
获取上表面直接生长有氮化镓外延结构的氮化镓衬底；
利用激光光束经所述氮化镓外延结构对所述氮化镓衬底内部进行扫描照射，在所述氮化镓衬底内产生分解层；其中，所述激光光束为脉冲宽度小于10-15s量级的激光，所述分解层与所述氮化镓衬底的所述上表面的距离小于所述氮化镓衬底的厚度；
将所述氮化镓衬底在所述分解层处分离，得到剥离后氮化镓衬底和半导体器件；
所述利用激光光束经所述氮化镓外延结构对所述氮化镓衬底内部进行扫描照射之前，还包括：
利用激光开槽技术对所述氮化镓外延结构和所述氮化镓衬底开槽，形成凹槽，所述凹槽的深度等于所述氮化镓外延结构的上表面与所述分解层的距离。
2.如权利要求1所述的氮化镓衬底剥离方法，其特征在于，所述凹槽呈网格分布。
3.如权利要求1所述的氮化镓衬底剥离方法，其特征在于，所述得到剥离后氮化镓衬底和半导体器件之后，还包括：
抛光所述剥离后氮化镓衬底的分离表面。
4.如权利要求1所述的氮化镓衬底剥离方法，其特征在于，所述将所述氮化镓衬底在所述分解层处分离包括：
将所述氮化镓外延结构的上表面与载片键合；
在所述载片和所述氮化镓衬底处施加相反的作用力，使所述氮化镓衬底在所述分解层处分离。
5.如权利要求1所述的氮化镓衬底剥离方法，其特征在于，所述激光光束的波长在1000nm~1040nm之间，脉冲能量在3μJ~5μJ之间，脉冲重复率在1kHz~2kHz之间，扫描速度在500μm/s~1000μm/s之间。
6.如权利要求1所述的氮化镓衬底剥离方法，其特征在于，所述获取上表面直接生长有氮化镓外延结构的氮化镓衬底之前，还包括：
在所述氮化镓衬底的所述上表面生长所述氮化镓外延结构。
7.如权利要求1至6任一项所述的氮化镓衬底剥离方法，其特征在于，所述激光光束扫描照射所述氮化镓衬底时，以一条连续型轨迹扫描照射所述氮化镓衬底的内部。
8.如权利要求1至6任一项所述的氮化镓衬底剥离方法，其特征在于，所述激光光束扫描照射所述氮化镓衬底时，以多条间断型轨迹扫描照射所述氮化镓衬底的内部。
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