一種去除襯底上GaN基外延層的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種去除襯底上GaN基外延層的方法。所述襯底及襯底上的GaN基外延層形成外延片。所述方法包括：將所述外延片置入反應(yīng)腔體中；以及在所述反應(yīng)腔體中通入氯氣（CL2），所述氯氣（CL2）用于在所述反應(yīng)腔體內(nèi)的預(yù)定溫度和預(yù)定腔體壓力下與所述GaN基外延層反應(yīng)以刻蝕所述GaN基外延層，而所述襯底不與氯氣（CL2）反應(yīng)，從而得到去除了所述GaN基外延層的所述襯底。根據(jù)本發(fā)明去除了GaN基外延層的襯底可以再次用于外延生長(zhǎng)。
【專利說(shuō)明】一種去除襯底上GaN基外延層的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體芯片制造領(lǐng)域，尤其涉及去除襯底上GaN基外延層的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]基于氮化物系的半導(dǎo)體材料所實(shí)現(xiàn)的發(fā)光二極管具有高亮度、長(zhǎng)壽命、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，因此在顯示和照明等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。一種實(shí)現(xiàn)氮化鎵襯底的技術(shù)是通過(guò)氣相沉積方法(例如氫化物氣相外延，即HVPE)在藍(lán)寶石(Al2O3)或碳化硅(SiC)襯底上生長(zhǎng)較厚的氮化鎵(GaN)外延層，然后在GaN外延層上制造LED。
[0003]藍(lán)寶石晶體(Al2O3)是一種耐高溫、耐磨損、抗腐蝕的優(yōu)質(zhì)材料，主要用作半導(dǎo)體襯底和大規(guī)模集成電路襯底，可用于微電子、光電子技術(shù)、通信、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，有著廣闊的應(yīng)用前景。碳化硅(SiC)作為襯底材料應(yīng)用的廣泛程度僅次于藍(lán)寶石，具有化學(xué)穩(wěn)定性好、導(dǎo)電性能好、導(dǎo)熱性能好、不吸收可見(jiàn)光等優(yōu)點(diǎn)，可以較好地解決功率型GaN LED器件的散熱問(wèn)題，在半導(dǎo)體照明【技術(shù)領(lǐng)域】占重要地位。
[0004]目前GaN基LED已實(shí)現(xiàn)了商品化，GaN基材料和器件的外延層主要生長(zhǎng)在藍(lán)寶石和碳化硅襯底上，對(duì)該類襯底的需求量極大。在生產(chǎn)加工過(guò)程中導(dǎo)致的GaN外延片報(bào)廢量較大，去掉外延層后的藍(lán)寶石或碳化硅襯底仍可重復(fù)利用。然而，藍(lán)寶石(Al2O3)和碳化硅(SiC)襯底在生長(zhǎng)GaN外延層之后很難將GaN外延層去除，襯底很難重復(fù)利用或重復(fù)利用的成本高昂。
[0005]目前比較通用的襯底回收方法是通過(guò)研磨去掉GaN外延層，將襯底拋光到一定精度再重復(fù)利用。但該類方法研磨成本高昂、研磨后襯底厚度減小(可能不利于重復(fù)使用)、拋光精度要求高、易造成襯底晶格損傷、且不適用于圖形化襯底。
[0006]本領(lǐng)域需要尋求一項(xiàng)快速、高效且穩(wěn)定的方法以去除襯底上的GaN基外延層，以便回收利用襯底，從而減少襯底成本。本發(fā)明提供了一種去除襯底上GaN基外延層且不損傷襯底的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明提供了一種利用化學(xué)反應(yīng)去除襯底上GaN基外延層且不損傷襯底的方法，具有良好的效果。
[0008]在一個(gè)實(shí)施例中提供了一種去除襯底上GaN基外延層的方法，其中所述襯底及襯底上的GaN基外延層形成外延片，所述方法包括:將所述外延片置入反應(yīng)腔體中；以及在所述反應(yīng)腔體中通入氯氣(CL2),所述氯氣(CL2)用于在所述反應(yīng)腔體內(nèi)的預(yù)定溫度和預(yù)定腔體壓力下與所述GaN基外延層反應(yīng)以刻蝕所述GaN基外延層，而所述襯底不與氯氣(CL2)反應(yīng)，從而得到去除了所述GaN基外延層的所述襯底。
[0009]在一個(gè)實(shí)施例中，所述方法還包括:在去除了所述GaN基外延層之后使用酸或有機(jī)溶液清洗掉所述襯底表面殘余的附著物。
[0010]在一個(gè)實(shí)施例中，所述襯底為藍(lán)寶石(A1203)、碳化硅(SiC)、石墨、或石英(SiO2)襯底。
[0011 ] 在一個(gè)實(shí)施例中，所述襯底為圖形化襯底或平面襯底。
[0012]在一個(gè)實(shí)施例中，所述GaN基外延層包括氮化鎵(GaN)、氮化鋁(A1N)、氮化銦(InN)、以上至少兩者的合金化合物、或以上至少一者的N型或P型摻雜物。
[0013]在一個(gè)實(shí)施例中，在所述反應(yīng)腔體中通入氯氣(CL2)包括:在所述反應(yīng)腔體中通入包含CL2和輔助氣體的混合氣體，其中所述輔助氣體不與所述襯底和GaN基外延層發(fā)生反應(yīng)。
[0014]在一個(gè)實(shí)施例中，所述輔助氣體為N2或惰性氣體，其中Cl2占混合氣體的比例濃度為1%?20% (體積)。
[0015]在一個(gè)實(shí)施例中，所述方法還包括:在將所述外延片置入反應(yīng)腔體中之前清洗所述外延片，從而保留所述襯底及襯底上的GaN基外延層。
[0016]在一個(gè)實(shí)施例中，所述GaN基外延層上具有外延表面涂層，其中所述清洗步驟還包括去除所述外延表面涂層。
[0017]在一個(gè)實(shí)施例中，所述外延表面涂層包括在所述GaN基外延層上形成的掩膜材料、光刻膠、和/或電子器件。
[0018]在一個(gè)實(shí)施例中，所述反應(yīng)腔體內(nèi)的所述預(yù)定溫度在300°C?1000°C之間。
[0019]在一個(gè)實(shí)施例中，所述反應(yīng)腔體內(nèi)為真空、低壓、常壓或高壓環(huán)境。
[0020]在一個(gè)實(shí)施例中，其特征在于，所述反應(yīng)腔體的腔體壓力在10E-7?800torr之間。
[0021]如上所述，本發(fā)明提供了一項(xiàng)快速去除襯底(例如，尤其是藍(lán)寶石、SiC襯底)上的GaN基外延層的方法，通過(guò)在高溫下使氯氣(CL2)與GaN基外延層反應(yīng)來(lái)去除襯底上的GaN基外延層，得到的襯底可再次用于外延生長(zhǎng)。并且本發(fā)明適用于圖形化襯底和平面襯底。本發(fā)明提供的方法成本低廉、通量大、效果好、效率高、工藝穩(wěn)定，且不損傷襯底晶格，去除GaN基外延層后的襯底適用于再次進(jìn)行外延生長(zhǎng)，使得襯底可以重復(fù)利用，節(jié)約成本。實(shí)驗(yàn)證明，使用本發(fā)明的方法得到的襯底制作的外延生長(zhǎng)晶體質(zhì)量好，器件的光電參數(shù)均勻性好、一致性、重復(fù)性及可靠性都與正常襯底工藝較一致，完全達(dá)到了襯底回收利用的效果，相比傳統(tǒng)方法有巨大改進(jìn)，節(jié)約了成本。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1示出了可在本發(fā)明一實(shí)施例中使用的外延片的剖面示意圖。
[0023]圖2為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的去除外延層過(guò)程中的外延片剖面示意圖。
[0024]圖3為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的去除外延層后的襯底剖面示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0026]本發(fā)明提供了一種去除襯底上GaN基外延層的方法，其中該襯底及襯底上的GaN基外延層形成外延片。本發(fā)明用氯氣(CL2)刻蝕掉襯底上的GaN基外延層，從而得到去除了GaN基外延層的襯底。[0027]圖1示出了可在本發(fā)明一實(shí)施例中使用的外延片的剖面示意圖。如本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的，外延片是指在襯底3上生長(zhǎng)了外延層2的結(jié)構(gòu)，包括在其它基底或基座上附著有外延材料的結(jié)構(gòu)。在某些實(shí)施例中，外延層2上還可具有外延表面涂層I。
[0028]根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的襯底3可為藍(lán)寶石(Al2O3)或碳化硅(SiC)襯底。如以上所討論的，可在藍(lán)寶石(Al2O3)或碳化硅(SiC)襯底3上生長(zhǎng)較厚的外延層2 (如以下詳細(xì)描述的GaN基外延層2)，然后在外延層2上制造電子元器件(例如，外延表面涂層I)。在本發(fā)明中，襯底3可以是圖形化襯底或平面襯底。本發(fā)明在附圖中將襯底3示為具有圖形化上表面以作為示例，而在實(shí)踐中，襯底3的表面上可具有各種各樣的圖形或者是平坦的。在其它實(shí)施例中，襯底3可為石墨、或石英(SiO2)襯底等。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以明白，在實(shí)踐中可以使用其它合適的襯底而不脫離本發(fā)明的范圍。
[0029]外延層2可包含III族氮化物(本領(lǐng)域通常稱為GaN基材料或GaN基外延層)，包括氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)、氮化銦(InN)、它們的合金化合物(諸如AlGaN、InGaN等)、以及這些材料的N型和P型摻雜物等。III族氮化物可用作LED及其它電子器件的基材，其中氮化鎵(GaN)是III族氮化物中的基本材料。GaN基材料非常堅(jiān)硬，化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，室溫下不溶于水、酸和堿，熔點(diǎn)較高，約為1700°C。在本發(fā)明中，在襯底3上生長(zhǎng)的GaN基材料可稱為GaN基外延層2。
[0030]外延表面涂層I可以是指在外延層2上形成的掩膜結(jié)構(gòu)、輔助材料、電子器件等，諸如SiO2、光刻膠、電極等結(jié)構(gòu)。
[0031]本發(fā)明提供了一項(xiàng)快速去除襯底3 (如藍(lán)寶石、SiC、石墨、或石英襯底)上的GaN基外延層2的方法。圖2為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的去除外延層過(guò)程中的外延片剖面示意圖。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，去除襯底上GaN基外延層的具體實(shí)施過(guò)程如下:
[0032]步驟一(可選):清洗外延片，保留GaN基外延層2及襯底3。
[0033]在如圖1所示的具有外延表面涂層I的情形中，該清洗步驟可清洗掉在GaN基外延層2上通過(guò)芯片工藝等形成的外延表面涂層1，如光刻膠、金屬電極、SiO2掩膜等結(jié)構(gòu)。在沒(méi)有外延表面涂層I的情形中，該清洗步驟可清洗掉外延片表面的臟污和雜質(zhì)。該清洗步驟可以使GaN基外延層2的表面更干凈，從而有利于如以下將描述的后續(xù)化學(xué)反應(yīng)。該外延片可以是例如在LED制造領(lǐng)域常用的以藍(lán)寶石或者SiC (也可以是石墨、或石英等)為襯底的GaN基外延片，例如可以是半徑約為2英寸?6英寸的晶圓。襯底3的厚度不限，例如可以在300?1000微米之間，GaN基外延層2的厚度根據(jù)制造需要可以在幾納米到幾十微米之間，但本發(fā)明不限于此。襯底3的上表面(S卩，生長(zhǎng)GaN基外延層2的表面)可以是平面的或圖形化表面。
[0034]步驟二:在反應(yīng)腔體中使外延片的GaN基外延層2與氯氣(CL2)反應(yīng)。
[0035]例如，可將外延片置入反應(yīng)腔體中并在該反應(yīng)腔體中通入氯氣(CL2)，氯氣(CL2)用于與GaN基外延層2反應(yīng)以刻蝕所述GaN基外延層2，而襯底3不與氯氣(CL2)反應(yīng)，從而得到去除了 GaN基外延層2的襯底3 (參見(jiàn)圖3)。
[0036]在一個(gè)實(shí)施例中,可將外延片放置在刻蝕用的基座上,傳入反應(yīng)腔體。使用的基座可以是例如碳化硅、石墨、SiO2基座等。反應(yīng)腔體可升溫達(dá)到一定的條件，并在一定腔體壓力下通入一定量的包含CL2和輔助氣體的混合氣體。Cl2占混合氣體的比例濃度可為1%?20% (體積)。CL2與GaN基外延層2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成副產(chǎn)物，諸如Ga、GaClx、N2等。輔助氣體可增加CL2活性，并且可在化學(xué)反應(yīng)期間帶走反應(yīng)副產(chǎn)物。輔助氣體可以為N2或惰性氣體，如氦(He)、氖(Ne)、U (Ar)、氪(Kr)、氣(Xe)、氡(Rn)等。
[0037]反應(yīng)腔體內(nèi)的環(huán)境可為真空、低壓、常壓或高壓，腔體壓力可在10E-7到800torr之間。反應(yīng)腔體內(nèi)的溫度(和/或通入CL2的溫度)可以在300°C?1000°C，例如500°C、800°C等。根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例，反應(yīng)腔體可在通入CL2 (及輔助氣體)之前、同時(shí)或之后升溫到預(yù)定溫度和/或調(diào)節(jié)腔體壓力。通入CL2的濃度和時(shí)間長(zhǎng)度可根據(jù)不同的襯底3類型、GaN基外延層2的材料及結(jié)構(gòu)、期望刻蝕反應(yīng)速率等進(jìn)行選擇。本發(fā)明使用CL2去除GaN基外延層2具有較高的刻蝕速率，例如在0.1?10um/min之間。對(duì)于幾納米到幾十微米厚的GaN基外延層2，可在幾分鐘內(nèi)將GaN基外延層2完全刻蝕掉。
[0038]GaN基材料與CL2反應(yīng)具有較快的速率，并且即使在襯底3具有圖形化表面的情況下也能徹底去除GaN基材料。同時(shí)，由于藍(lán)寶石和SiC襯底具有很高的硬度和化學(xué)穩(wěn)定性，因此在反應(yīng)腔體中不會(huì)與CL2發(fā)生反應(yīng)，從而能保證襯底3在刻蝕過(guò)程中無(wú)損傷，良好地保持了襯底3的晶格和表面結(jié)構(gòu)。GaN基外延層2完全與CL2反應(yīng)之后，將剩下襯底3，并且襯底3的晶格和外表面形狀得以良好地維持。
[0039]步驟三(可選):清洗掉襯底3表面殘余的附著物。
[0040]例如，可在襯底3冷卻后使用酸或有機(jī)溶液清洗干凈襯底3表面。圖3為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的去除了 GaN基外延層2的襯底3的剖面示意圖。根據(jù)本發(fā)明去除GaN基外延層2的襯底3表面狀況好且可再次用于外延生長(zhǎng)，其外延片及因此生產(chǎn)的器件的各項(xiàng)參數(shù)、性能、成品率與正常襯底外延片基本一致。
[0041]一般情況下，通過(guò)改變溫度和/或壓力和/或Cl2的濃度，可以改變反應(yīng)速率。在實(shí)際使用中，可以恰當(dāng)?shù)卦O(shè)置反應(yīng)條件，以合適的速率來(lái)刻蝕GaN基外延層2，從而確保襯底3的晶格和表面圖案不會(huì)受到刻蝕損傷。實(shí)驗(yàn)表明，在550°C?800°C的反應(yīng)腔體溫度和常壓情況下，利用比例濃度為2%?7% (體積)的Cl2,能在約2-10分鐘的時(shí)間里去除幾納米到幾十微米厚度的GaN基外延層2，得到的襯底3基本不會(huì)受到刻蝕損傷。
[0042]此外，本發(fā)明也可用于去除石墨盤上殘余的GaN基材料，以及可清理石英件等。
[0043]本發(fā)明所提供的去除藍(lán)寶石、SiC襯底上GaN基外延層的方法易操作、通量大、生產(chǎn)效率高、缺陷少、工藝穩(wěn)定、運(yùn)行成本低廉、良率高，后續(xù)在此類襯底上面形成的外延晶體質(zhì)量好，器件的光電參數(shù)均勻性好、一致性、重復(fù)性及可靠性都與正常襯底工藝較一致，完全達(dá)到了襯底回收利用的效果。
[0044]本發(fā)明去除GaN基外延層2的方法相比于傳統(tǒng)的研磨拋光有巨大的改進(jìn)，既不會(huì)損傷襯底3的晶格結(jié)構(gòu)，也不會(huì)減小襯底3的厚度，因此去除GaN基外延層2的襯底3可在同類器件加工過(guò)程中反復(fù)使用，降低了襯底成本。
[0045]以上參照具體實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作了詳細(xì)描述。但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，本發(fā)明的范圍不限于以上描述的【具體實(shí)施方式】。任何不超出本發(fā)明實(shí)質(zhì)精神范圍內(nèi)的發(fā)明創(chuàng)造，包括但不限于對(duì)局部構(gòu)造的變更、對(duì)各步驟的變型或次序調(diào)整、以及其他非實(shí)質(zhì)性的替換或修改，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種去除襯底上GaN基外延層的方法，其中所述襯底及襯底上的GaN基外延層形成外延片，所述方法包括: 將所述外延片置入反應(yīng)腔體中；以及 在所述反應(yīng)腔體中通入氯氣(CL2),所述氯氣(CL2)用于在所述反應(yīng)腔體內(nèi)的預(yù)定溫度和預(yù)定腔體壓力下與所述GaN基外延層反應(yīng)以刻蝕所述GaN基外延層，而所述襯底不與氯氣(CL2)反應(yīng)，從而得到去除了所述GaN基外延層的所述襯底。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括: 在去除了所述GaN基外延層之后使用酸或有機(jī)溶液清洗掉所述襯底表面殘余的附著物。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述襯底為藍(lán)寶石(A1203)、碳化硅(SiC)、石墨、或石英(SiO2)襯底。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述襯底為圖形化襯底或平面襯底。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述GaN基外延層包括氮化鎵(GaN)、氮化鋁(A1N)、氮化銦(InN)、以上至少兩者的合金化合物、或以上至少一者的N型或P型摻雜物。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在所述反應(yīng)腔體中通入氯氣(CL2)包括: 在所述反應(yīng)腔體中通入包含CL2和輔助氣體的混合氣體，其中所述輔助氣體不與所述襯底和GaN基外延層發(fā)生反應(yīng)。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述輔助氣體為N2或惰性氣體，其中Cl2占混合氣體的比例濃度為1%?20% (體積)。
8.如權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，還包括: 在將所述外延片置入反應(yīng)腔體中之前清洗所述外延片，從而保留所述襯底及襯底上的GaN基外延層。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述GaN基外延層上具有外延表面涂層，其中所述清洗步驟還包括去除所述外延表面涂層。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述外延表面涂層包括在所述GaN基外延層上形成的掩膜材料、光刻膠、和/或電子器件。
11.如權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述反應(yīng)腔體內(nèi)的所述預(yù)定溫度在300°C?1000°C之間。
12.如權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述反應(yīng)腔體內(nèi)為真空、低壓、常壓或高壓環(huán)境。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述反應(yīng)腔體的腔體壓力在10E-7?800torr 之間。
【文檔編號(hào)】H01L33/00GK103531678SQ201310535929
【公開(kāi)日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2013年11月1日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月1日
【發(fā)明者】蔣偉, 李東昇, 徐小明, 江忠永 申請(qǐng)人:杭州士蘭明芯科技有限公司