一种基于3D叠层掩模衬底的外延层材料剥离方法技术

本发明专利技术公开了一种基于3D叠层掩模衬底的外延材料剥离方法，用于GaN等III‑V族化合物半导体材料的外延生长及剥离，属于光电子技术领域。本衬底结构包括衬底，衬底上依次设有底层掩膜层、中间层、顶层掩膜层；其中底层掩膜层的窗口与顶层掩膜层的窗口相互错开。本发明专利技术同时提供了该衬底结构的制备方法以及基于该结构的外延层剥离方法。与现有技术相比，本发明专利技术提供了一种更优化的可剥离方法，提高了剥离成功率，缩短了剥离时间，更具有使用价值。

An epitaxial material stripping method based on 3D stacked mask substrate

【技术实现步骤摘要】
一种基于3D叠层掩模衬底的外延层材料剥离方法
本专利技术属于光电子
领域，具体涉及一种基于3D叠层掩模衬底的外延层材料剥离方法，用于GaN等III-V族化合物半导体材料的外延生长及剥离。
技术介绍
目前，以氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体材料已经在许多重要的领域有大量的应用，例如半导体激光器、预警机雷达、快速充电器等。由于同质衬底的缺乏，目前大部分的GaN材料的生长是使用异质衬底来外延的，例如蓝宝石、硅、碳化硅等单晶衬底。这些异质衬底与GaN材料有较大的晶格失配和热失配，因此会积累应力。为了得到无应力的GaN材料，需要将GaN材料从异质衬底上剥离。在一些应用场景下，由于大功率器件对散热性能要求很高，比如应用在预警机雷达上的射频功率器件，常规衬底的导热性能已经不能满足散热需求，因此需要将GaN材料及器件从原来的异质衬底上剥离，重新键合到导热率最高的金刚石热沉上。在另外一些应用场景下，倒装结构或者垂直结构的器件设计要求剥离原来的衬底，重新键合到新的背板上。综上所述，衬底剥离技术在GaN材料生长和器件制备领域已经越来越重要了，发展出高效且低成本衬底剥离技术，将极大的推动相关领域的技术进展。目前来说，将GaN从异质衬底上剥离的技术主要有几大类：第一类是激光剥离法，使用特定波长和特定能量密度的激光，将GaN与异质衬底的界面汽化，从而分离。第二类是自剥离方法，使用HVPE技术生长厚膜GaN，利用GaN厚膜与异质衬底之间的巨大失配应力来产生自剥离效果，使得GaN与衬底分离。第三类是湿法腐蚀剥离，预先沉积一些容易腐蚀的材料和结构，然后进行GaN外延生长，然后用腐蚀性液体进行湿法腐蚀。第四类是磨抛的方法去除衬底，主要是先用机械方法将衬底磨薄，再用化学机械方法(CMP)磨抛，直到去除原有衬底并得到平整表面。(1)激光剥离技术的缺点：a)在激光剥离GaN衬底的过程中，很难避免对GaN衬底材料造成损伤。专利US7256483指出，激光剥离后的GaN需进行化学机械抛光(CMP)来减少损伤。中国专利CN105006446A采用飞秒激光技术，以一种冷加工的方式来减少损伤，提高了激光剥离的质量。但是，该方法对激光光源有特殊要求，目前仍然无法从根本上解决激光产生的外延层损伤问题。b)激光剥离技术成本较高。激光设备售价几百万每套，且国内供货厂家少，设备稳定性有待提高。c)剥离效率较低。激光为了提高功率密度，需要进行聚焦，因此光斑较小，逐点烧蚀达到剥离效果，最终耗时较长，因此发展一种更高效低成本的剥离技术成为必要。d)激光剥离良率有待提高。由于衬底和GaN外延层之间有较大的失配应力，在剥离过程中，由于部分区域应力释放，部分区域应力仍然在，因此这种分布不均匀的应力有可能使得GaN外延层碎裂，降低了成品良率。(2)自剥离方法的缺点：a)自剥离方法，通常需要生长较厚的GaN外延层。一般来说MOCVD和MBE方法由于生长速率较慢不适合用于生长较厚的的GaN外延层，通常会采用HVPE方法来生长较厚的GaN外延层。然而HVPE方法有自身还未能克服的一些缺点，比如寄生生长问题、背景掺杂问题等。b)自剥离良率较低。由于自剥离需要GaN外延层应力累积足够大，在冷却的过程中，由于衬底和GaN外延层的热膨胀系数不同，导致应力进一步累积，从而在界面附近断裂而分离。有可能在分离之前，平面GaN外延层先碎裂，从而降低良率。晶圆尺寸越大，自剥离良率越低。c)自剥离衬底还有一个致命问题就是晶体翘曲。由于外延的GaN在异质衬底上处于应变状态，因此在生长过程中会逐渐弛豫部分应力，等自剥离之后，虽然不再受衬底的束缚，但在晶体内部的应变弛豫状态是不一样的，因此残余的应力会导致晶体形变，导致翘曲，表面不再是一个平面，即使是经过CMP磨抛过程，可以磨平表面，但表面的晶面取向始终不一致。晶面取向不一致会严重的影响后续外延器件的质量。而且晶圆尺寸越大，翘曲越严重。d)如专利CN103779185A所述，可以提前预置牺牲层来控制GaN的自剥离位置，但是牺牲层通常会降低其后外延的GaN质量，是一种牺牲晶体质量换取良率的提高的方法。(3)湿法腐蚀剥离方法的缺点：a)对于传统的湿法剥离方法，需要先沉积一些易腐蚀的材料，例如SiO2，然后进行光刻，露出材料生长区域，再沉积一层AlN等材料，在AlN材料上面外延GaN。腐蚀过程分为两步，先用氢氟酸对SiO2进行腐蚀，形成贯穿的通道之后，再用KOH对AlN层进行腐蚀。如中国专利CN101794849B所描述。该方法的缺点是，在一开始没有空隙通道的情况下，氢氟酸很难快速的腐蚀掉SiO2，腐蚀过程会由晶圆边缘逐渐往晶圆中心扩展，因此扩展速度有限，限制了量产效率。b)另外，第二阶段使用KOH的腐蚀的过程中，会对GaN外延层产生一定的腐蚀作用。由于GaN位错露头的区域和接触衬底的N面都容易收到强碱腐蚀，所以在剥离过程中使用KOH会对GaN材料造成一定程度的损坏。(4)磨抛方法的缺点：a)磨抛的过程中会产生一定的机械应力，尤其当已经比较薄的状态的时候，机械应力有可能将材料碎裂，导致良率下降。b)蓝宝石和碳化硅都是比较硬的材料，其硬度仅次于金刚石，因此磨抛的速率很慢，并且使用的机械力也会更大，需要数小时才能完成一片蓝宝石衬底的磨抛，因此不利于生产效率的提高。而蓝宝石是相对比较便宜，被大量用于工业生产的衬底，不可忽视。
技术实现思路
本专利技术针对上述问题，提供一种基于3D叠层掩模衬底的外延层材料剥离方法。本专利技术采用的技术方案如下：一种基于3D叠层掩模衬底的外延层材料剥离方法，包括以下步骤：在3D叠层掩模衬底上生长外延层材料；所述3D叠层掩模衬底包含底层掩膜层、顶层掩膜层和位于底层掩膜层、顶层掩膜层之间的中间层，底层掩膜层的窗口与顶层掩膜层的窗口错开一定距离；在沟道中弯曲生长的外延层材料与中间层之间形成空隙；将包含生长的外延层材料的3D叠层掩模衬底在腐蚀溶液中进行腐蚀，得到剥离的外延层材料。进一步地，在生长外延层材料之后，进行腐蚀之前，对外延层材料进行背板键合操作。进一步地，所述背板为起支撑作用的背板，或者是背板电路，或者是高导热性的背板。进一步地，所述腐蚀溶液为氢氟酸溶液或者氢氟酸与其他化学试剂的混合物。进一步地，所述腐蚀的过程包括：腐蚀溶液进入外延层材料与中间层之间的空隙中，腐蚀掉SiO2中间层；在失去中间层的支持作用的情况下，位于底层掩膜上的窗口与顶层掩膜上的窗口之间的外延层材料受到扭曲力并发生断裂，从而得到剥离的外延层材料。进一步地，所述外延层材料为III-V族化合物半导体材料。进一步地，所述3D叠层掩模衬底采用以下步骤制备：在衬底上沉积底层掩模层；在底层掩模层上刻蚀窗口；在底层掩模层上沉积中间层；在中间层上沉积顶层掩模层；在顶层掩模层上制备与底层掩模层相同图案的窗口，并与底层掩膜层上的窗口错开一定距离；使本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于3D叠层掩模衬底的外延层材料剥离方法，其特征在于，包括以下步骤：/n在3D叠层掩模衬底上生长外延层材料；所述3D叠层掩模衬底包含底层掩膜层、顶层掩膜层和位于底层掩膜层、顶层掩膜层之间的中间层，底层掩膜层的窗口与顶层掩膜层的窗口错开一定距离；在沟道中弯曲生长的外延层材料与中间层之间形成空隙；/n将包含生长的外延层材料的3D叠层掩模衬底在腐蚀溶液中进行腐蚀，得到剥离的外延层材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于3D叠层掩模衬底的外延层材料剥离方法，其特征在于，包括以下步骤：
在3D叠层掩模衬底上生长外延层材料；所述3D叠层掩模衬底包含底层掩膜层、顶层掩膜层和位于底层掩膜层、顶层掩膜层之间的中间层，底层掩膜层的窗口与顶层掩膜层的窗口错开一定距离；在沟道中弯曲生长的外延层材料与中间层之间形成空隙；
将包含生长的外延层材料的3D叠层掩模衬底在腐蚀溶液中进行腐蚀，得到剥离的外延层材料。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在生长外延层材料之后，进行腐蚀之前，对外延层材料进行背板键合操作。


3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述背板为起支撑作用的背板，或者是背板电路，或者是高导热性的背板。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述腐蚀溶液为氢氟酸溶液或者氢氟酸与其他化学试剂的混合物。


5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述氢氟酸溶液的浓度为30％～40％。


6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述腐蚀的过程包括：
腐蚀溶液...

【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：北京;11