[发明专利]半导体器件与硅衬底的剥离方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件制造方法，尤其涉及将生长在硅衬底上的半导体器件结构层从硅衬底上剥离的方法。

背景技术

III-V族化合物等半导体材料外延时所采用的衬底材料及相关工艺是一个值得关注的领域。现有的成熟的半导体器件，比如GaN基发光半导体器件，大多是以蓝宝石或SiC异质衬底为基础的。但从晶格匹配和电导、热导特性上看，蓝宝石并不是理想的异质外延衬底，而SiC衬底与GaN之间虽然晶格失配小于蓝宝石衬底，但其加工困难以及昂贵的价格也限制了该衬底的进一步应用开发。相对于蓝宝石与碳化硅衬底而言，硅片作为GaN材料的衬底有许多优点，如：良好的导电、导热性(对于大功率LED而言非常重要)，晶体质量高、尺寸大(提高产率)、成本低、硬度低(易于进行划片等加工)等。因此，硅被认为是一种很有前途的制备半导体器件的衬底材料。

尽管硅具有以上诸多优势，但是要将其作为III-V族化合物的外延衬底材料也面临着如下挑战：在采用外延法在硅衬底上形成诸如发光二极管、光传感器等器件之后，为了减小衬底的光吸收，减小硅衬底引起的串联电阻，并减小半导体器件的热阻，往往需要将在硅表面形成的半导体器件和硅衬底剥离分开。然而，由于构成半导体器件的材料的和硅材料之间的热膨胀系数不一致(通常称之为热失配)，典型的，当一边存在压应力时，另一边则存在张应力，可能会导致外延片的弯曲。在采用传统的方法减薄硅衬底，或者采用化学腐蚀方法将硅衬底腐蚀掉时，由于半导体器件所受的应力不同，随着衬底越来越薄，半导体器件的器件层可能会发生开裂。

发明内容

本发明着眼于克服现有技术的上述缺陷，提供一种将半导体器件结构和硅衬底剥离的有效办法。

根据本发明的第一实施例，采用硅汽相外延法在硅片在硅片表面外延腐蚀阻挡层或腐蚀阻挡埋层，或者通过离子注入法在离子投影区域形成腐蚀阻挡埋层；在所形成的具有腐蚀阻挡层的半导体衬底上生长中间层，并通过中间层生长半导体器件结构层；在分层多次减薄的初期，采用物理研磨法或者化学物理研磨法减薄硅衬底直至接近腐蚀阻挡层；然后用化学腐蚀法腐蚀硅衬底的剩余部分，使对硅衬底的腐蚀停止在腐蚀阻挡层前，以保证硅衬底的剩余部分的厚度均匀一致；最后采用化学腐蚀法均匀腐蚀剩余的硅衬底和中间层，从而将半导体器件结构层从硅衬底上分离。

根据本发明的第二实施例，采用硅汽相外延法在硅片在硅片表面外延腐蚀阻挡层或腐蚀阻挡埋层，或者通过离子注入法在离子投影区域形成腐蚀阻挡埋层；在所形成的具有腐蚀阻挡层的半导体衬底上生长中间层，并通过中间层生长半导体器件结构层；在分层多次减薄的初期，采用物理研磨法或者化学物理研磨法减薄硅衬底直至接近腐蚀阻挡层；然后用化学腐蚀法腐蚀硅衬底的剩余部分，使对硅衬底的腐蚀停止在腐蚀阻挡层前，以保证硅衬底的剩余部分的厚度均匀一致；用光刻腐蚀法在腐蚀阻挡层的表面上腐蚀深度达中间层的多个微孔；最后采用对中间层有选择腐蚀性的化学剂来腐蚀中间层，从而将半导体器件结构层从硅衬底上分离。

根据本发明的第三实施例，采用硅汽相外延法在硅片在硅片表面外延腐蚀速率高的易腐蚀层，或者通过离子注入法在离子投影区域形成腐蚀速率高的易腐蚀层；在所形成的具有易腐蚀层的半导体衬底上生长中间层，并通过中间层生长半导体器件结构层；在分层多次减薄的初期，采用物理研磨法或者化学物理研磨法减薄硅衬底直至接近易腐蚀层；然后用光刻腐蚀法在剩余硅衬底的表面上腐蚀深度达易腐蚀层的多个微孔，通过微孔腐蚀易腐蚀层使得易腐蚀层以下的硅衬底剥离。然后采用化学腐蚀法均匀腐蚀剩下的硅衬底以及中间层，或者采用微孔腐蚀法腐蚀中间层，从而将半导体器件结构层从硅衬底上分离。

根据本发明，一种剥离半导体层的方法包括：首先形成由第一半导体层、第二半导体层、第三半导体层堆叠而成的多层结构；然后在第一半导体层的表面形成深度达第二半导体层的微孔；最后通过所述微孔腐蚀第二半导体层，从而释放应力，将所需要的第三半导体层从多层结构上剥离。

附图说明

本申请的附图用于对于本申请的实施例提供示例性的说明。

图1A-1D是根据本发明的第一实施例的半导体硅衬底以及在其表面外延生长的半导体器件结构层的纵剖面示意图。

图2A是根据本发明的第二实施例的形成于衬底中的深度可达中间层的微孔结构的纵剖面示意图。

图2B是根据本发明的第二实施例的形成于衬底中的深度可达中间层的微孔结构的横截面示意图。

图3是根据本发明的第三实施例的形成于衬底中的深度可达易于腐蚀的埋层的微孔结构的横截面示意图。