CN115148579A - 单晶衬底的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种单晶衬底的制备方法，包括步骤：1)提供一衬底，于衬底表面形成多孔结构；2)沉积阻挡层，阻挡层覆盖于多孔结构的顶面和多孔结构的内表面；3)去除多孔结构顶面的阻挡层，以显露多孔结构的顶面；4)于多孔结构上进行单晶层的外延生长并分离衬底，其中，单晶层自多孔结构的顶面开始生长，且阻挡层用于抑制单晶层在多孔结构的内表面的生长。本发明通过应用多孔结构，使外延生长的单晶层可以通过该多孔结构与衬底形成弱连接，从而使得单晶层与衬底具有更高的分离良率。

Description

单晶衬底的制备方法
技术领域
本发明属于氮化镓衬底制造领域，特别是涉及一种单晶衬底的制备方法。
背景技术
以氮化镓(GaN)及其合金为代表的第三代半导体材料是近十几年来国际上倍受重视的新型半导体材料，它具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度高、介电常数小、导热性能好、结构稳定等诸多优异性能，在光电子和微电子技术领域都具有巨大的应用前景。光电子领域中，由于III族氮化物的禁带宽度在0.7-6.2eV范围内连续可调，覆盖了从红光到紫外的波段，可制作绿色、蓝色乃至紫外波段发光器件以及白光照明。此外，最近兴起的紫外光LED在丝网印刷、聚合物固化、环境保护也显示了特殊的用途，极大的激发了研究人员的研究兴趣。GaN激光器在信息存储领域也大有作为，还可应用在医疗诊断、海底探潜和通讯等各个方面。
GaN体单晶的制备比较困难，难以得到大尺寸和质量比较好的GaN体单晶衬底，所以GaN的外延生长通常是以异质外延的方式进行的。但理论和实验都表明，采用GaN作衬底同质外延器件时，器件性能将得到大幅度提高。因此制造自支撑GaN体单晶衬底成为人们关注的焦点。
目前大面积的GaN自支撑衬底通常都是通过在异质衬底上气相生长GaN厚膜，然后将原异质衬底分离后得到的。其中蓝宝石衬底是最常用的衬底。为了得到自支撑衬底，必须将蓝宝石衬底去除。蓝宝石质地坚硬，化学性质稳定，因此很难通过化学腐蚀或机械打磨的方法去除。目前常使用激光剥离的方法将GaN和蓝宝石衬底分离。但是激光剥离技术成本昂贵；并且在激光剥离的过程中，界面处GaN高温分解后产生的高压气体容易对制备的GaN体单晶自支撑衬底造成损伤，轻则在GaN体单晶自支撑衬底上产生大量的位错和微裂纹从而影响以后器件的质量，重则使GaN体单晶自支撑衬底完全碎裂从而大大降低成品率。
总的来说，异质材料外延进行外延生长时，由于晶格失配和热失配，会造成异质外延氮化镓厚度受限，同时解离氮化镓单晶的工艺难度较大，在大尺寸蓝宝石/氮化镓厚膜复合衬底(HVPE一次外延片)上表现尤其明显。
应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。
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单晶衬底的制备方法，用于解决现有技术中异质外延氮化镓单晶的厚度受限或/及解离氮化镓单晶的工艺难度较大的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种单晶衬底的制备方法，所述制备方法包括步骤：1)提供一衬底，于所述衬底表面形成多孔结构；2)沉积阻挡层，所述阻挡层覆盖于所述多孔结构的顶面和所述多孔结构的内表面；3)去除所述多孔结构顶面的所述阻挡层，以显露所述多孔结构的顶面；4)于所述多孔结构上进行单晶层的外延生长并分离所述衬底，其中，所述单晶层自所述多孔结构的顶面开始生长，且所述阻挡层用于抑制单晶层在所述多孔结构的内表面的生长。
可选地，所述多孔结构的各孔洞的孔径为纳米级，相邻两孔洞的间隔为纳米级。
可选地，所述衬底为蓝宝石衬底，所述多孔结构包括氮化镓多孔层，所述氮化镓多孔层的制备包括步骤：通过化学气相沉积工艺于所述蓝宝石衬底上形成n型氮化镓层；通过电化学腐蚀工艺在所述n型氮化镓层形成多个孔洞，以形成所述氮化镓多孔层。
可选地，所述氮化镓多孔层中的各孔洞为穿透所述氮化镓多孔层，使得所述氮化镓多孔层与所述蓝宝石衬底为弱连接，以利于后续的分离。
可选地，分离所述衬底的工艺为自分离或激光剥离，其中，所述自分离包括：当所述单晶层在外延生长至自分离厚度时，所述氮化镓多孔结构与所述蓝宝石衬底的弱连接断裂而发生自分离现象；所述激光剥离包括：当所述单晶层在外延生长至预设厚度后，通过激光剥离工艺使所述氮化镓多孔结构与所述蓝宝石衬底分离。
可选地，所述衬底为蓝宝石衬底，所述多孔结构包括基于所述蓝宝石衬底表层形成的多孔蓝宝石层。
可选地，所述多孔蓝宝石层的顶面还包括沉积缓冲层，所述沉积缓冲层包括低温氮化镓层。
可选地，分离所述衬底的工艺为自分离或激光剥离，其中，所述自分离包括：当所述单晶层在外延生长至自分离厚度时，所述单晶层与所述多孔蓝宝石层发生自分离现象；所述激光剥离包括：当所述单晶层在外延生长至预设厚度后，通过激光剥离工艺使所述单晶层与所述多孔蓝宝石层分离。
可选地，通过气相沉积工艺形成所述阻挡层，所述阻挡层包括氮化硅、氧化硅及石墨烯中的一种，所述气相沉积工艺包括原子层沉积工艺。
可选地，所述单晶层为氮化镓单晶，基于氮化镓在所述多孔结构的顶面的纵向(三维)外延生长，在各所述孔洞上方的所述氮化镓单晶中形成空隙，同时基于所述氮化镓的横向(二维)生长，所述孔洞结构的宽度逐渐变小并使所述氮化镓在所述空隙上方合并为完整的氮化镓单晶，该外延生长方式同时有利于降低所述氮化镓单晶的位错密度。
可选地，还包括步骤5)，对所述单晶层进行外延生长以形成目标厚度的单晶层。
可选地，还包括步骤6)，对所述单晶层的两面进行抛光及倒角，以获得开盒即用Epi-ready级别的单晶层表面。
如上所述，本发明的单晶衬底的制备方法，具有以下有益效果：
本发明通过应用多孔结构，使外延生长的单晶层可以通过该多孔结构与衬底形成弱连接，从而使得单晶层与衬底具有更高的分离良率。
本发明通过在孔洞内沉积阻挡层，使得外延生长过程中各孔洞保持为空隙，大大减小了单晶层与衬底之间的连接面积，使得单晶层与衬底之间的分离更加容易，后续可以通过研磨抛光使得多孔结构表面平整，形成开盒即用Epi-ready级别的单晶层表面。
本发明通过单晶层的二维和三维的外延生长，可以获得质量较高的单晶层，并可在与衬底分离后再进行外延加厚，从而可以克服单晶层与衬底之间的异质外延造成单晶层厚度的限制，获得高质量且具有目标厚度的单晶衬底。
附图说明
所包括的附图用来提供对本申请实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于说明本申请的实施方式，并与文字描述一起来阐释本申请的原理。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。
图1～图7显示为本发明实施例1的单晶衬底的制备方法各步骤所呈现的结构示意图。
图8～图12显示为本发明实施例2的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 衬底
102 多孔结构
103 孔洞
104 阻挡层
105 多孔结构的顶面
106 单晶层
107 空隙
201 沉积缓冲层
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。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。
针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
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。
实施例1
如图1～图7所示，本实施例提供一种单晶衬底的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
如图1所示，首先进行步骤1)，提供一衬底101，于所述衬底101表面形成多孔结构102。
在一个实施例中，所述多孔结构102的各孔洞103的孔径为纳米级，相邻两孔洞103的间隔为纳米级。例如，所述多孔结构102的各孔洞103的孔径为10～200纳米，相邻两孔洞103的间隔为10～200纳米。所述孔洞103可以为周期性阵列排布，或者不均匀排布等。
在一个实施例中，所述衬底101为蓝宝石衬底，所述多孔结构102包括氮化镓多孔层，所述氮化镓多孔层的制备包括步骤：
步骤1-1)，通过化学气相沉积工艺于所述蓝宝石衬底上形成n型氮化镓层；例如，可以通过金属有机物化学气相沉积工艺(MOCVD)或氢化物气相外延(HVPE)于所述蓝宝石衬底上形成n型氮化镓层。
步骤1-2)，通过电化学腐蚀工艺在所述n型氮化镓层形成多个孔洞103，以形成所述氮化镓多孔层。
当然，在其他的实施例中，所述衬底101也可以为其他材料，如硅、碳化硅等，且并不限于此处所列举的示例。
在一个实施例中，所述氮化镓多孔层中的各孔洞103为穿透所述氮化镓多孔层，使得所述氮化镓多孔层与所述蓝宝石衬底为弱连接，以利于后续的分离。
在一个实施例中，所述孔洞103的总面积占所述n型氮化镓层总面积的40％～80％之间。所述孔洞103一方面可以降低氮化镓多孔层与衬底101的连接面积，以使所述氮化镓多孔层与所述蓝宝石衬底之间形成弱连接，另一方面，通过在孔洞103内表面形成阻挡层104，可以使得单晶层106的外延生长包含垂直生长、横向生长及合并过程，提高单晶层106的生长质量。
如图2所示，然后进行步骤2)，沉积阻挡层104，所述阻挡层104覆盖于所述多孔结构102的顶面105和所述多孔结构102的内表面；
在一个实施例中，通过气相沉积工艺形成所述阻挡层104，所述气相沉积工艺包括原子层沉积工艺。通过原子层沉积工艺可以有效避免孔洞103内壁出现未被完全覆盖而造成单晶层106生长的情况，提高工艺稳定性。当然，对于尺寸较大的孔洞103，也可以选用如化学气相沉积等工艺形成所述阻挡层104。进一步地，所述阻挡层104可以填充满所述孔洞103，也可以仅覆盖于所述孔洞103的内表面。
在一个实施例中，所述阻挡层104可以为氮化硅。
在另一个实施例中，所述阻挡层104也可以为氧化硅。
在又一个实施例中，所述阻挡层104也可以为石墨烯。
所述阻挡层104用于抑制单晶层106在孔洞103中的生长，其可以选用为氮化镓等单晶层106难以在其表面成核生长的材料，并不限于上述所列举的示例。
如图3所示，然后进行步骤3)，去除所述多孔结构102顶面105的所述阻挡层104，以显露所述多孔结构102的顶面105。
例如，可以通过化学机械抛光工艺(CMP)去除所述多孔结构102顶面105的所述阻挡层104，同时获得高质量的多孔结构102的顶面105，以提高后续单晶层106的生长质量。
如图4～图6所示，接着进行步骤4)，于所述多孔结构102上进行单晶层106的外延生长并分离所述衬底101，其中，所述单晶层106自所述多孔结构102的顶面105开始生长，且所述阻挡层104用于抑制单晶层106在所述多孔结构102的内表面的生长。
在一个实施例中，所述单晶层106为氮化镓单晶，基于氮化镓在所述多孔结构102的顶面105的外延生长，在各所述孔洞103上方的所述氮化镓单晶中形成空隙107，同时基于所述氮化镓的横向生长，所述空隙107结构的宽度逐渐变小并使所述氮化镓在所述空隙107上方合并为完整的氮化镓单晶，该外延生长方式同时有利于降低所述氮化镓单晶的位错密度。
作为示例，分离所述衬底101的工艺为自分离或激光剥离。
在一个实施例中，分离所述衬底101的工艺为自分离，所述自分离包括：当所述单晶层106在外延生长至自分离厚度时，所述氮化镓多孔结构102与所述蓝宝石衬底的弱连接断裂而发生自分离现象，如图5～图6所示。通过自分离可以大大简化工艺，有利于节约工艺成本。
在另一个实施例中，分离所述衬底101的工艺为激光剥离，所述激光剥离包括：当所述单晶层106在外延生长至预设厚度后，通过激光剥离工艺使所述氮化镓多孔结构102与所述蓝宝石衬底分离。
接着，还可以进行步骤5)，对所述单晶层106进行外延生长以形成目标厚度的单晶层106。本发明可在与衬底101分离后再进行外延加厚，从而可以克服单晶层106与衬底101之间的异质外延造成单晶层106厚度的限制，获得高质量且具有目标厚度的单晶衬底。
如图7所示，最后进行步骤6)，对所述单晶层106的两面进行抛光及倒角，以获得开盒即用Epi-ready级别的表面。
实施例2
如图1～3及图8～图12所示，本实施例提供一种单晶衬底的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
如图1所示，首先进行步骤1)，提供一衬底101，于所述衬底101表面形成多孔结构102。
在一个实施例中，所述多孔结构102的各孔洞103的孔径为纳米级，相邻两孔洞103的间隔为纳米级。例如，所述多孔结构102的各孔洞103的孔径为10～200纳米，相邻两孔洞103的间隔为10～200纳米。所述孔洞103可以为周期性阵列排布，或者不均匀排布等。
在一个实施例中，所述衬底101为蓝宝石衬底，所述多孔结构102包括基于所述蓝宝石衬底表层形成的多孔蓝宝石层。
在一个实施例中，所述孔洞103的总面积占所述多孔蓝宝石层总面积的40％～80％之间。通过在孔洞103内表面形成阻挡层104，一方面可以降低单晶层106与多孔结构102之间的连接面积，另一方面可以使得单晶层106的外延生长包含垂直生长、横向生长及合并过程，提高单晶层106的生长质量。
如图2所示，然后进行步骤2)，沉积阻挡层104，所述阻挡层104覆盖于所述多孔结构102的顶面105和所述多孔结构102的内表面；
在一个实施例中，通过气相沉积工艺形成所述阻挡层104，所述气相沉积工艺包括原子层沉积工艺。通过原子层沉积工艺可以有效避免孔洞103内壁出现未被完全覆盖而造成单晶层106生长的情况，提高工艺稳定性。当然，对于尺寸较大的孔洞103，也可以选用如化学气相沉积等工艺形成所述阻挡层104。进一步地，所述阻挡层104可以填充满所述孔洞103，也可以仅覆盖于所述孔洞103的内表面。
在一个实施例中，所述阻挡层104可以为氮化硅。
在另一个实施例中，所述阻挡层104也可以为氧化硅。
在又一个实施例中，所述阻挡层104也可以为石墨烯。
所述阻挡层104用于抑制单晶层106在孔洞103中的生长，其可以选用为氮化镓等单晶层106难以在其表面成核生长的材料，并不限于上述所列举的示例。
如图3所示，然后进行步骤3)，去除所述多孔结构102顶面105的所述阻挡层104，以显露所述多孔结构102的顶面105。
例如，可以通过化学机械抛光工艺(CMP)去除所述多孔结构102顶面105的所述阻挡层104，同时获得高质量的多孔结构102的顶面105，以提高后续单晶层106的生长质量。
如图8～图11所示，接着进行步骤4)，于所述多孔结构102上进行单晶层106的外延生长并分离所述衬底101，其中，所述单晶层106自所述多孔结构102的顶面105开始生长，且所述阻挡层104用于抑制单晶层106在所述多孔结构102的内表面的生长。
在一个实施例中，还包括于所述多孔蓝宝石层的顶面105沉积缓冲层201，如图8所示，所述沉积缓冲层201包括低温氮化镓层，以利于单晶层106的生长和提高单晶层106的生长质量。
在一个实施例中，所述单晶层106为氮化镓单晶，基于氮化镓在所述多孔结构102的顶面105的外延生长，在各所述孔洞103上方的所述氮化镓单晶中形成空隙107，同时基于所述氮化镓的横向生长，所述空隙107的宽度逐渐变小并使所述氮化镓在所述空隙107上方合并为完整的氮化镓单晶，该外延生长方式同时有利于降低所述氮化镓单晶的位错密度。
作为示例，分离所述衬底101的工艺为自分离或激光剥离。
在一个实施例中，分离所述衬底101的工艺为自分离，所述自分离包括：当所述自分离包括：当所述单晶层106在外延生长至自分离厚度时，所述单晶层106与所述多孔蓝宝石层发生自分离现象，如图10～图11所示；通过自分离可以大大简化工艺，有利于节约工艺成本。
在另一个实施例中，分离所述衬底101的工艺为激光剥离，所述激光剥离包括：当所述单晶层106在外延生长至预设厚度后，通过激光剥离工艺使所述单晶层106与所述多孔蓝宝石层分离。
接着，还可以进行步骤5)，对所述单晶层106进行外延生长以形成目标厚度的单晶层106。本发明可在与衬底101分离后再进行外延加厚，从而可以克服单晶层106与衬底101之间的异质外延造成单晶层106厚度的限制，获得高质量且具有目标厚度的单晶衬底。
如图12所示，最后进行步骤6)，对所述单晶层106的两面进行抛光及倒角，以获得开盒即用Epi-ready级别的表面。
如上所述，本发明的单晶衬底的制备方法，具有以下有益效果：
本发明通过应用多孔结构，使外延生长的单晶层可以通过该多孔结构与衬底形成弱连接，从而使得单晶层与衬底具有更高的分离良率。
本发明通过在孔洞内沉积阻挡层，使得外延生长过程中各孔洞保持为空隙，大大减小了单晶层与衬底之间的连接面积，使得单晶层与衬底之间的分离更加容易，后续可以通过研磨抛光使得多孔结构表面平整，形成开盒即用Epi-ready级别的单晶层表面。
本发明通过单晶层的二维和三维的外延生长，可以获得质量较高的单晶层，并可在与衬底分离后再进行外延加厚，从而可以克服单晶层与衬底之间的异质外延造成单晶层厚度的限制，获得高质量且具有目标厚度的单晶衬底。
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)提供一衬底，于所述衬底表面形成多孔结构；
2)沉积阻挡层，所述阻挡层覆盖于所述多孔结构的顶面和所述多孔结构的内表面；
3)去除所述多孔结构顶面的所述阻挡层，以显露所述多孔结构的顶面；
4)于所述多孔结构上进行单晶层的外延生长并分离所述衬底，其中，所述单晶层自所述多孔结构的顶面开始生长，且所述阻挡层用于抑制单晶层在所述多孔结构的内表面的生长。
2.根据权利要求1所述的单晶衬底的制备方法，其特征在于：所述多孔结构的各孔洞的孔径为纳米级，相邻两孔洞的间隔为纳米级。
3.根据权利要求1所述的单晶衬底的制备方法，其特征在于：所述衬底为蓝宝石衬底，所述多孔结构包括氮化镓多孔层，所述氮化镓多孔层的制备包括步骤：通过化学气相沉积工艺于所述蓝宝石衬底上形成n型氮化镓层；通过电化学腐蚀工艺在所述n型氮化镓层形成多个孔洞，以形成所述氮化镓多孔层。
4.根据权利要求3所述的单晶衬底的制备方法，其特征在于：所述氮化镓多孔层中的各孔洞为穿透所述氮化镓多孔层，使得所述氮化镓多孔层与所述蓝宝石衬底为弱连接，以利于后续的分离。
5.根据权利要求4所述的单晶衬底的制备方法，其特征在于：分离所述衬底的工艺为自分离或激光剥离，其中，所述自分离包括：当所述单晶层在外延生长至自分离厚度时，所述氮化镓多孔结构与所述蓝宝石衬底的弱连接断裂而发生自分离现象；所述激光剥离包括：当所述单晶层在外延生长至预设厚度后，通过激光剥离工艺使所述氮化镓多孔结构与所述蓝宝石衬底分离。
6.根据权利要求1所述的单晶衬底的制备方法，其特征在于：所述衬底为蓝宝石衬底，所述多孔结构包括基于所述蓝宝石衬底表层形成的多孔蓝宝石层。
7.根据权利要求6所述的单晶衬底的制备方法，其特征在于：所述多孔蓝宝石层的顶面还包括沉积缓冲层，所述沉积缓冲层包括低温氮化镓层。
8.根据权利要求6所述的单晶衬底的制备方法，其特征在于：分离所述衬底的工艺为自分离或激光剥离，其中，所述自分离包括：当所述单晶层在外延生长至自分离厚度时，所述单晶层与所述多孔蓝宝石层发生自分离现象；所述激光剥离包括：当所述单晶层在外延生长至预设厚度后，通过激光剥离工艺使所述单晶层与所述多孔蓝宝石层分离。
9.根据权利要求1所述的单晶衬底的制备方法，其特征在于：通过气相沉积工艺形成所述阻挡层，所述阻挡层包括氮化硅、氧化硅及石墨烯中的一种，所述气相沉积工艺包括原子层沉积工艺。
10.根据权利要求1所述的单晶衬底的制备方法，其特征在于：所述单晶层为氮化镓单晶，基于氮化镓在所述多孔结构的顶面的三维纵向外延生长，在各所述孔洞上方的所述氮化镓单晶中形成空隙，同时基于所述氮化镓的二维横向生长，所述孔洞结构的宽度逐渐变小并使所述氮化镓在所述空隙上方合并为完整的氮化镓单晶，该外延生长方式同时有利于降低所述氮化镓单晶的位错密度。
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