СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРНЫХ СТРУКТУР, ОСНОВАННЫЙ НА КЛОНИРОВАНИИ ИСХОДНЫХ ПОДЛОЖЕК (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2015 года по МПК H01L21/20 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Группа изобретений относится к области технологии изготовления слоев полупроводниковых кристаллов и кристаллических полупроводниковых приборных структур. Предложенный способ изготовления отделяемых тонких эпитаксиальных слоев полупроводниковых кристаллов с полупроводниковыми приборными структурами можно условно назвать технологией клонирования (cloning technology) исходной подложки, поскольку сама подложка не расходуется, а только передает информацию о своей кристаллической структуре.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Обычная, известная в течение нескольких десятилетий, технология изготовления слоев полупроводниковых кристаллов и кристаллических полупроводниковых приборных структур состоит в выращивании на кристаллической подложке, толщиной несколько сотен микрон, тонких эпитаксиальных кристаллических слоев и кристаллических приборных структур, толщиной несколько микрон.

При таком подходе толщина эффективно используемой части кристалла, содержащей кристаллические приборные слои, составляет несколько процентов от толщины кристалла, служащего в качестве базовой подложки.

Это приводит к нерациональному расходу большей части кристаллического материала, используемой в качестве базовой подложки. Кроме этого, толстая базовая подложка затрудняет отвод тепла от тонких приборных слоев и может создавать нежелательные механические и термомеханические напряжения в приборных слоях.

Для повышения эффективности использования кристаллического материала было предложено отделять тонкие кристаллические слои и кристаллические приборные структуры, от базовых кристаллических подложек, с последующим переносом этих тонких слоев на поддерживающие подложки.

Так для отделения кристаллических слоев с приборными структурами от базовой подложки, в US 6355497 было предложено использовать модифицированный метод латерального эпитаксиального заращивания (ELOG) и удаляемый химическим травлением освобождающий слой.

В US 6380108 предлагалось использовать тонкие кристаллические слои, выращенные методом пендеоэпитаксии на кристаллических столбиках, для обеспечения их последующего отделения за счет разрушения столбиков под действием термомеханических напряжений.

В US 8030176 B2 предлагалось наращивать и отделять тонкие кристаллические пленки от базовой подложки при помощи ионной имплантации и переноса отделенных тонких пленок на поддерживающую подложку.

В US 8263984 было предложено использовать ионную имплантацию для отделения и переноса тонкой кристаллической пленки нитрида галлия с исходной толстой подложки на поддерживающую подложку с последующим наращиванием тонкой пленки на поддерживающей подложке до толщины исходной подложки и удалением поддерживающей подложки с помощью химического травления. Этот процесс позволяет многократное циклическое повторение и может использоваться для производства подложек нитрида галлия.

В US 8263984 предлагалось использовать двойную ионную имплантацию и защитные маски для отделения и переноса тонких приборных структур на поддерживающую подложку.

В US 6562648 B1 и US 6448102 B1 было предложено использовать лазерное излучение, проходящее через прозрачную подложку, для отделения и переноса нитридных лазерных диодных структур на поддерживающую подложку.

В US 8148801 B2 было предложено использовать удаляемый с помощью лазерного излучения поглощающий слой Al_xGa_yIn_1-x-yN, расположенный между прозрачной нитридной подложкой и поверхностным слоем с приборными структурами, для отделения и переноса приборных структур на поддерживающую подложку.

Все предложенные выше способы изготовления отделяемых тонких слоев полупроводниковых кристаллов и приборных структур используют либо дорогостоящий метод латерального эпитаксиального заращивания (ELOG), либо повреждающий кристалл процесс ионной имплантации, либо лазерное излучение, проходящее через прозрачную базовую подложку, что не позволяет использовать толстые базовые подложки, существенно поглощающие лазерное излучение.

Задачей изобретения является создание способа изготовления эпитаксиальных полупроводниковых приборных структур, обеспечивающего неповреждающее отделение тонких эпитаксиальных слоев с приборными структурами. Кроме того, задачей является обеспечение экономичного расхода полупроводниковых материалов и многократного использования базовой подложки.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Предложенный способ изготовления отделяемых тонких эпитаксиальных слоев полупроводниковых кристаллов с полупроводниковыми приборными структурами можно условно назвать технологией клонирования (cloning technology) исходной подложки, поскольку сама подложка не расходуется, а только передает информацию о своей кристаллической структуре.

Настоящее изобретение предлагает варианты способа изготовления отделяемых тонких эпитаксиальных слоев полупроводниковых кристаллов с полупроводниковыми приборными структурами, в которых используется лазерное излучение, проходящее сквозь тонкий кристаллический слой, выращенный методом гомоэпитаксии на толстой базовой подложке.

Для решения задачи предложено два варианта способа изготовления отделяемых тонких эпитаксиальных слоев полупроводниковых кристаллов с полупроводниковыми приборными структурами. В первом варианте способа подготавливают поверхность базовой полупроводниковой подложки к гомоэпитаксии путем ее химической очистки и химико-механической полировки,

- наносят на базовую подложку методом гомоэпитаксии тонкий эпитаксиальный слой полупроводника, идентичного базовой подложке,

- обрабатывают границу между базовой подложкой и тонким эпитаксиальным слоем с помощью сфокусированного лазерного излучения, проходящего сквозь эпитаксиальный слой и поглощающегося вблизи указанной границы, в результате чего формируют механически ослабленную границу,

- наносят приборную эпитаксиальную структуру на эпитаксиальный слой,

- наносят верхние контакты на приборную эпитаксиальную структуру,

- разделяют с помощью лазерной или механической резки приборную эпитаксиальную структуру на отдельные чипы, таким образом, что вертикальный разрез проходит сквозь приборную эпитаксиальную структуру и эпитаксиальный слой и заканчивается вблизи механически ослабленной границы,

- прикрепляют приборную эпитаксиальную структуру, разделенную на отдельные чипы, к поддерживающей подложке,

- отделяют с помощью приложения механического или термомеханического напряжения базовую подложку от приборной эпитаксиальной структуры,

- наносят нижние контакты на приборную эпитаксиальную структуру, разделенную на отдельные чипы и прикрепленную к поддерживающей подложке,

- механически полируют отделенную базовую подложку и передают ее в начало цикла для повторного использования.

Второй вариант способа изготовления отделяемых тонких эпитаксиальных слоев полупроводниковых кристаллов полупроводниковыми приборными структурами применим в случае прозрачной для лазерного излучения приборной эпитаксиальной структуры и содержит следующие этапы, на которых:

- подготавливают поверхность базовой полупроводниковой подложки к гомоэпитаксии путем ее химической очистки и химико-механической полировки,

- наносят на базовую подложку методом гомоэпитаксии тонкий эпитаксиальный слой полупроводника и приборную эпитаксиальную структуру, прозрачную для лазерного излучения,

- обрабатывают границу между базовой подложкой и тонким эпитаксиальным слоем с помощью сфокусированного лазерного излучения, проходящего сквозь эпитаксиальный слой с нанесенной эпитаксиальной структурой, и поглощающегося вблизи указанной границы, в результате чего формируют механически ослабленную границу,

- наносят верхние контакты на приборную эпитаксиальную структуру,

- разделяют с помощью лазерной или механической резки приборную эпитаксиальную структуру на отдельные чипы таким образом, что вертикальный разрез проходит сквозь приборную эпитаксиальную структуру и эпитаксиальный слой и заканчивается вблизи механически ослабленной границы,

- прикрепляют приборную эпитаксиальную структуру, разделенную на отдельные чипы, к поддерживающей подложке,

- отделяют с помощью приложения механического или термомеханического напряжения базовую подложку от приборной эпитаксиальной структуры,

- наносят нижние контакты на приборную эпитаксиальную структуру, разделенную на отдельные чипы и прикрепленную к поддерживающей подложке,

- механически полируют отделенную базовую подложку и передают ее в начало цикла для повторного использования.

В предпочтительном варианте осуществления обоих вариантов способа материалом эпитаксиальной структуры является полупроводниковое соединение или твердый раствор из элементов четвертой группы периодической таблицы элементов.

В другом предпочтительном варианте материалом эпитаксиальной структуры является полупроводниковое соединение или твердый раствор из элементов третьей и пятой групп периодической таблицы элементов.

В следующем предпочтительном варианте материалом эпитаксиальной структуры является полупроводниковое соединение или твердый раствор из элементов второй и шестой групп периодической таблицы элементов.

Материалом эпитаксиальной структуры также может являться полупроводниковое соединение или твердый раствор из элементов первой и седьмой групп периодической таблицы элементов.

Эпитаксиальная приборная структура может являться светодиодной структурой, лазерной структурой, структурой диодов Шоттки, структурой силовых биполярных диодов, структурой биполярных транзисторов, структурой полевых транзисторов или структурой высокочастотных полевых транзисторов с высокой подвижностью носителей заряда (HEMT).

В предпочтительном варианте поверхностью базовой полупроводниковой подложки, на которую методом гомоэпитаксии наносится приборная эпитаксиальная структура, является плоскость из систем плоскостей с индексами Миллера {111}, {001} и {011} в кубических полупроводниках или плоскости с индексами Миллера (0001), (000-1), (11-20), (10-10) и (1-102) в гексагональных полупроводниках.

В качестве лазера можно использовать газовый лазер с импульсной накачкой, имеющий длительность импульса в интервале от 10 фемтосекунд до 100 наносекунд, и плотность энергии сфокусированного лазерного излучения от 0,1 Дж/см² до 10,0 Дж/см².

В качестве лазера также можно использовать импульсный твердотельный лазер, имеющий длительность импульса в интервале от 10 фемтосекунд до 100 наносекунд, и плотность энергии сфокусированного лазерного излучения от 0,1 Дж/см² до 10,0 Дж/см².

Нанесение верхних и нижних контактов предпочтительно сопровождают нанесением защитных диэлектрических покрытий на основе аморфных или поликристаллических SiO₂, Si₃N₄, Al₂O₃ или полимеров.

Нанесение верхних и нижних контактов также может сопровождаться химическим травлением, ионным травлением, ионно-химическим травлением и ионной имплантацией.

Приборная эпитаксиальная структура предпочтительно выполнена с возможностью многократного прикрепления к различным поддерживающим подложкам или отсоединения от различных поддерживающих подложек.

Предлагаемый способ не повреждает отделяемые тонкие слои полупроводниковых кристаллов и приборные структуры и позволяет повторно использовать базовую подложку после дополнительной полировки и подготовки ее поверхности к гомоэпитаксии. Кроме того, использование вариантов способа обеспечивает малый расход полупроводниковых материалов.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На Фиг.1 представлена блок-схема, иллюстрирующая десять этапов изготовления эпитаксиальных слоев полупроводниковых кристаллов с полупроводниковыми приборными структурами для случая произвольной приборной эпитаксиальной структуры.

На Фиг.2 представлена блок-схема, иллюстрирующая девять этапов изготовления эпитаксиальных слоев полупроводниковых кристаллов с полупроводниковыми приборными структурами для частного случая прозрачной для лазерного излучения приборной эпитаксиальной структуры. На Фиг.3 представлена схема, иллюстрирующая этап нанесения эпитаксиального слоя на базовую подложку согласно первому варианту осуществления способа.

На Фиг.4 представлена схема, иллюстрирующая этап лазерной обработки сквозь прозрачный эпитаксиальный слой согласно первому варианту осуществления способа.

На Фиг.5 представлена схема, иллюстрирующая этап нанесения приборной эпитаксиальной структуры на эпитаксиальный слой после лазерной обработки согласно первому варианту осуществления способа.

На Фиг.6 представлена схема, иллюстрирующая этап нанесения верхних контактов на приборную эпитаксиальную структуру.

На Фиг.7 представлена схема, иллюстрирующая этап разделения приборной эпитаксиальной структуры на чипы.

На Фиг.8 представлена схема, иллюстрирующая этап прикрепления приборной эпитаксиальной структуры к поддерживающей подложке.

На Фиг.9 представлена схема, иллюстрирующая этап отделения базовой подложки от приборной эпитаксиальной структуры.

На Фиг.10 представлена схема, иллюстрирующая этап нанесения нижних контактов на приборную эпитаксиальную структуру.

На Фиг 11 представлена схема, иллюстрирующая этап нанесения тонкого эпитаксиального слоя и приборной эпитаксиальной структуры согласно второму варианту осуществления способа.

На Фиг 12 представлена схема, иллюстрирующая этап лазерной обработки сквозь прозрачный эпитаксиальный слой и приборную эпитаксиальную структуру согласно второму варианту осуществления способа.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Предлагаемый способ, блок-схема которого представлена на Фиг.1, состоит из следующих этапов, показанных на Фиг.3-10. Сначала осуществляют подготовку поверхности базовой полупроводниковой подложки 1 к гомоэпитаксии путем ее химической очистки и химико-механической полировки. Затем наносят на базовую подложку 1 методом гомоэпитаксии тонкий эпитаксиальный слой 2 полупроводника, идентичного базовой подложке 1 (Фиг.3). После этого осуществляют лазерную обработку границы между базовой подложкой и тонким эпитаксиальным слоем 3 с помощью сфокусированного лазерного излучения 5, проходящего сквозь эпитаксиальный слой 2 и поглощающегося вблизи указанной границы 3 (Фиг.4). В результате лазерной обработки происходит преобразование границы 3 в механически ослабленную границу 4.

На эпитаксиальный слой 2 наносят приборную эпитаксиальную структуру 6 (Фиг.5). Затем на приборную эпитаксиальную структуру 6 наносят верхние контакты 7 (Фиг.6). Следующим этапом является разделение с помощью лазерной или механической резки приборной эпитаксиальной структуры 6 на эпитаксиальном слое 2 на отдельные чипы 9 (Фиг.7). При этом вертикальный разрез 8 проходит сквозь приборную эпитаксиальную структуру 6 и эпитаксиальный слой 2 и заканчивается вблизи механически ослабленной границы 4. После этого приборную эпитаксиальную структуру 6, разделенную на отдельные чипы 9, прикрепляют к поддерживающей подложке 10 (Фиг.8). Далее с помощью приложения механического или термомеханического напряжения отделяют базовую подложку от приборной эпитаксиальной структуры 6, разделенной на отдельные чипы 9 и прикрепленной к поддерживающей подложке 10 (Фиг.9). После этого на приборную эпитаксиальную структуру 6, разделенную на отдельные чипы 9 и прикрепленную к поддерживающей подложке 10, наносят нижние контакты 11 (Фиг.10). Полученная приборная эпитаксиальная структура 6 с верхними и нижними контактами, разделенная на отдельные чипы 9 и прикрепленная к поддерживающей подложке 10, является конечным продуктом предложенного способа изготовления полупроводниковых приборных структур. В заключении отделенную базовую подложку 1 подвергают механической полировке и передают ее в начало цикла для повторного использования.

В предлагаемом способе изготовления эпитаксиальных слоев полупроводниковых кристаллов с полупроводниковыми приборными структурами дорогостоящая базовая подложка 1 может быть использована многократного, поскольку потери материала базовой положки на этапе механической полировки могут быть полностью скомпенсированы на этапе нанесения эпитаксиального слоя 2 методом гомоэпитаксии.

В случае прозрачной для лазерного излучения приборной эпитаксиальной структуры предложен второй вариант способа изготовления эпитаксиальных слоев полупроводниковых кристаллов с полупроводниковыми приборными структурами, блок-схема которого представлена на Фиг.2. В этом случае этап нанесения тонкого эпитаксиального слоя 2 полупроводника на базовую подложку 1 методом гомоэпитаксии и этап нанесения приборной эпитаксиальной структуры 6 на эпитаксиальный слой 2 объединен в один этап (см. Фиг.11), а на этапе лазерной обработки границы 3, между базовой подложкой и тонким эпитаксиальным слоем 2, ее производят сквозь прозрачный эпитаксиальный слой 2, с нанесенной прозрачной эпитаксиальной структурой 6 (см. Фиг.12).

Преимущество предлагаемого способа изготовления эпитаксиальных слоев полупроводниковых кристаллов с полупроводниковыми приборными структурами перед обычными способами заключается в возможности многократного использования дорогостоящей базовой подложки для наращивания эпитаксиальных слоев методом гомоэпитаксии, возможность отделения тонких 2-100 мкм эпитаксиальных слоев с полупроводниковыми приборными структурами с помощью неповреждающего кристалл оптического лазерного облучения, и малый расход материалов, входящих в химическую структуру полупроводникового кристалла.

Настоящее изобретение будет прояснено ниже на нескольких примерах его осуществления. Следует отметить, что последующее описание этих примеров осуществления является лишь иллюстративным и не является исчерпывающим.

Пример 1. Изготовление эпитаксиального слоя нитрида галлия со светодиодной структурой.

Блок-схема изготовления эпитаксиального слоя нитрида галлия со светодиодной структурой представлена на Фиг.1 и более подробно на Фиг.3-10.

Процесс изготовления эпитаксиального слоя нитрида галлия со светодиодной структурой начинается с подготовки поверхности базовой подложки 1 нитрида галлия толщиной 500 мкм к гомоэпитаксии путем химической очистки и химико-механической полировки ее с-плоскости, т.е. плоскости с индексами Миллера (0001). В результате средняя шероховатость R_a, с-плоскости базовой подложки нитрида галлия снижается с исходного значения R_a=5-50 нм до величины R_a=0,1-5 нм.

Затем на с-плоскость базовой подложки 1 нитрида галлия методом газовой гомоэпитаксии наносится эпитаксиальный слой 2 нитрида галлия n-типа толщиной 2 мкм, легированный кремнием с концентрацией 10¹⁹ см^-3 (см. Фиг.3). Затем производится лазерная обработка границы 3 между базовой подложкой 1 и тонким эпитаксиальным слоем с помощью сфокусированного импульсного излучения Nd YAG лазера 5 с длиной волны 1064 нм и длительностью 200 фс, проходящего сквозь эпитаксиальный слой 2 и поглощающегося вблизи указанной границы 3 из-за нелинейного поглощения света (см. Фиг.4). В результате лазерной обработки происходит преобразование границы 3 в механически ослабленную границу 4. Затем на эпитаксиальный слой 2 наносится светодиодная приборная структура 6, состоящая из контактного слоя GaN n-типа толщиной 0,5 мкм, легированного кремнием с концентрацией 10¹⁹ см^-3, на который нанесен нелегированный активный слой нитрида галлия толщиной 0,1 мкм, с шестью In_0.3Ga_0.7N квантовыми ямами шириной 3,0 нм, на который нанесен барьерный слой из твердого раствора Al_0.4Ga_0.6N p-типа толщиной 0,02 мкм, легированный магнием с концентрацией 10¹⁹ см^-3, на который нанесен контактный слой нитрида галлия p-типа толщиной 0,1 мкм, легированный магнием с концентрацией 10²⁰ см^-3 (см. Фиг.5). После этого на верхнюю поверхность светодиодной приборной структуры 6 наносятся верхние омические контакты 7 из прозрачного проводящего оксида индия и олова (см. Фиг.6). Далее производится разделение с помощью лазерной или механической резки светодиодной приборной структуры 6 на эпитаксиальном слое 2 на отдельные чипы 9 (см. Фиг.7). При этом вертикальный разрез 8 проходит сквозь светодиодную приборную структуру 6 и эпитаксиальный слой 2 и заканчивается вблизи механически ослабленной границы 4. Затем светодиодная приборная структура 6, разделенная на отдельные чипы 9, прикрепляется к поддерживающей подложке 10 (см. Фиг.8). После этого к светодиодной приборной структуре 6, прикрепленной к поддерживающей подложке 10, прикладывается механическое напряжение, вызывающее раскалывание механически ослабленной границы 4. В результате базовая подложка 1 нитрида галлия отделяется от светодиодной приборной структуры 6, прикрепленной к поддерживающей подложке 10 (см. Фиг.9). Затем на нижнюю поверхность эпитаксиального слоя 2, образовавшуюся в результате раскалывания механически ослабленной границы 4, наносятся нижние металлические омические контакты 11 (см. Фиг.10). Полученная в результате светодиодная приборная структура 6 с нанесенными верхними и нижними контактами, разделенная на отдельные чипы 9 и прикрепленная к поддерживающей подложке 10, является конечным продуктом в данном примере изготовления светодиодных приборных структур.

Отделенная базовая подложка после разрушения механически ослабленной границы 4 имеет шероховатость верхней поверхности 12 (см. Фиг.9), в пределах R_a=0,1-5 мкм. Механическая полировка снижает ее шероховатость до значения R_a=5-50 нм, необходимого для ее передачи в начало цикла для повторного использования.

Пример 2. Изготовление эпитаксиального слоя нитрида галлия со структурой диодов Шоттки.

Блок-схема изготовления эпитаксиального слоя нитрида галлия со структурой диодов Шоттки представлена на Фиг.2, более подробно способ проиллюстрирован на Фиг.11-12 и 5-10. Процесс изготовления эпитаксиального слоя нитрида галлия со структурой диодов Шоттки начинается с подготовки поверхности базовой подложки 1 нитрида галлия n-типа, легированной кремнием с концентрацией 2·10¹⁹ см^-3 и с толщиной 1000 мкм, к гомоэпитаксии путем химической очистки и химико-механической полировки ее с-плоскости, т.е. плоскости с индексами Миллера (0001). В результате средняя шероховатость R_a, с-плоскости базовой подложки нитрида галлия, снижается с исходного значения R_a=5-50 нм до величины R_a=0,1-5 нм.

Затем на с-плоскость базовой подложки 1 нитрида галлия методом газовой гомоэпитаксии наносится эпитаксиальный слой 2 нитрида галлия n-типа толщиной 2 мкм, легированный кремнием с концентрацией 5·10¹⁸ см^-3. Затем на эпитаксиальный слой 2 наносится приборная структура 6 диодов Шоттки, состоящая из слоя нитрида галлия n-типа толщиной 10 мкм, легированного кремнием с концентрацией 10¹⁷ см³, и слоя нелегированного нитрида галлия i-типа толщиной 2 мкм (см. Фиг.11).

Затем производится лазерная обработка границы 3 между базовой подложкой 1 и эпитаксиальным слоем 6 с помощью сфокусированного импульсного лазерного излучения CO₂-лазера 5, с длиной волны 10,6 мкм и длительностью импульса 50 нс, проходящего сквозь эпитаксиальную приборную структуру 6 диодов Шоттки и поглощающегося в эпитаксиальным слое 2 вблизи указанной границы 3 из-за поглощения света на свободных носителях заряда (см. Фиг.12).

В результате лазерной обработки происходит преобразование границы 3 в механически ослабленную границу 4 (см. Фиг.5 и Фиг.12). После этого на верхнюю поверхность приборной структуры 6 диодов Шоттки, наносятся верхние металлические контакты 7 Шоттки, выполненные в виде дисков диметром 100 мкм, защищенные охранными кольцами шириной 10 мкм, выполненными методом ионной имплантации (см. Фиг.6).Далее производится разделение с помощью лазерной или механической резки приборной структуры 6 диодов Шоттки на отдельные чипы 9 (см. Фиг.7). При этом вертикальный разрез 8 проходит сквозь приборную структуру 6 диодов Шоттки и эпитаксиальный слой 2 и заканчивается вблизи механически ослабленной границы 4. Затем приборная структура 6 диодов Шоттки, разделенная на отдельные чипы 9, прикрепляется к поддерживающей подложке 10 (см. Фиг.8). После этого к приборной структуре 6 диодов Шоттки, прикрепленной к поддерживающей подложке 10, прикладывается механическое напряжение, вызывающее раскалывание механически ослабленной границы 4. В результате базовая подложка 1 нитрида галлия отделяется от приборной структуры 6 диодов Шоттки, прикрепленной к поддерживающей подложке 10 (см. Фиг.9). Затем на нижнюю поверхность эпитаксиального слоя 2, образовавшуюся в результате раскалывания механически ослабленной границы 4, наносятся нижние металлические омические контакты 11 (см. Фиг.10).

Полученная в результате приборная структура 6 диодов Шоттки с нанесенными верхними контактами 7 Шоттки, защищенными охранными кольцами, и нижними омическими контактами 11, разделенная на отдельные чипы 9 и прикрепленная к поддерживающей подложке 10, является конечным продуктом в данном примере изготовления приборных структур диодов Шоттки.

Отделенная базовая подложка после разрушения механически ослабленной границы 4 имеет шероховатость верхней поверхности 12 (см. Фиг.9) в пределах R_a=0,5-10 мкм. Механическая полировка снижает ее шероховатость до значения R_a=5-50 нм, необходимого для ее передачи в начало цикла для повторного использования.

Пример 3. Изготовление эпитаксиального слоя карбида кремния со структурой диодов Шоттки.

Блок-схема изготовления эпитаксиального слоя карбида кремния со структурой диодов Шоттки представлена на Фиг.2, более подробно способ проиллюстрирован на Фиг.11-12 и 5-10.

Процесс изготовления эпитаксиального слоя карбида кремния со структурой диодов Шоттки начинается с подготовки поверхности базовой подложки 1 из 4H-SiC политипа карбида кремния с проводимостью n-типа, которая легирована азотом с концентрацией 10¹⁹ см^-3 и имеет толщину 500 мкм, к гомоэпитаксии путем химической очистки и химико-механической полировки ее с-плоскости, т.е. плоскости с индексами Миллера (0001). В результате средняя шероховатость R_a с-плоскости базовой подложки карбида кремния снижается с исходного значения R_a=5-50 нм до величины R_a=0,1-5 нм.

Затем на с-плоскость базовой подложки 1 карбида кремния методом газовой гомоэпитаксии наносится эпитаксиальный слой карбида кремния n-типа 2 толщиной 2 мкм, легированный азотом с концентрацией 10¹⁸ см^-3. Затем на эпитаксиальный слой 2 наносится приборная структура 6 диодов Шоттки, состоящая из слоя карбида кремния n-типа толщиной 20 мкм, легированного азотом с концентрацией 10¹⁷ см^-3, и слоя нелегированного карбида кремния i-типа толщиной 2 мкм (см. Фиг.11).

Затем производится лазерная обработка границы 3 между базовой подложкой 1 и эпитаксиальным слоем 2 с помощью сфокусированного импульсного излучения лазера 5 на монооксиде углерода CO, с длиной волны λ=5,2 мкм и длительностью импульса 50 нс, проходящего сквозь эпитаксиальную приборную структуру 6 диодов Шоттки и поглощающегося в эпитаксиальным слое 2 вблизи указанной границы 3 из-за поглощения света на свободных носителях заряда (см. Фиг.12).

В результате лазерной обработки происходит преобразование границы 3 в механически ослабленную границу 4 (см. Фиг.5 и Фиг.12). После этого на верхнюю поверхность приборной структуры 6 диодов Шоттки наносятся верхние металлические контакты 7 Шоттки, выполненные в виде дисков диметром 100 мкм, защищенные охранными кольцами шириной 10 мкм, выполненными методом ионной имплантации (см. Фиг.6). Далее производится разделение с помощью лазерной или механической резки приборной структуры 6 диодов Шоттки на отдельные чипы 9 (см. Фиг.7). При этом вертикальный разрез 8 проходит сквозь приборную структуру 6 диодов Шоттки и эпитаксиальный слой 2 и заканчивается вблизи механически ослабленной границы 4. Затем приборная структура 6 диодов Шоттки, разделенная на отдельные чипы 9, прикрепляется к поддерживающей подложке 10 (см. Фиг.8). После этого к приборной структуре 6 диодов Шоттки, прикрепленной к поддерживающей подложке 10, прикладывается механическое напряжение, вызывающее раскалывание механически ослабленной границы 4. В результате базовая подложка 1 карбида кремния отделяется от приборной структуры 6 диодов Шоттки, прикрепленной к поддерживающей подложке 10 (см. Фиг.9). Затем на нижнюю поверхность эпитаксиального слоя 2, образовавшуюся в результате раскалывания механически ослабленной границы 4, наносятся нижние омические контакты 11 (см. Фиг.10).

Полученная в результате приборная структура 6 диодов Шоттки с нанесенными верхними контактами 7 Шоттки, защищенными охранными кольцами, и нижними омическими контактами 11, разделенная на отдельные чипы 9 и прикрепленная к поддерживающей подложке 10, является конечным продуктом в данном примере изготовления приборных структур диодов Шоттки.

Отделенная базовая подложка после разрушения механически ослабленной границы 4 имеет шероховатость верхней поверхности 12 (см. Фиг.9) в пределах R_a=0,5-10 мкм. Механическая полировка снижает ее шероховатость до значения R_a=5-50 нм, необходимого для ее передачи в начало цикла для повторного использования.

Пример 4. Изготовление эпитаксиального слоя нитрида галлия со структурой GaN/Al_xGa_1-xN/GaN/In_yGa_1-yN/GaN/Al_xGa_1-xN/GaN лазерных диодов.

Блок-схема изготовления эпитаксиального слоя нитрида галлия со структурой лазерных диодов представлена на Фиг.2, более подробно способ проиллюстрирован на Фиг.11-12 и 5-10. Процесс изготовления эпитаксиального слоя нитрида галлия со структурой лазерных диодов начинается с подготовки поверхности базовой подложки 1 нитрида галлия n-типа, легированной кремнием с концентрацией 5·10¹⁹ см^-3 и с толщиной 1000 мкм, к гомоэпитаксии путем химической очистки и химико-механической полировки ее m-плоскости, т.е. плоскости с индексами Миллера (10-10). В результате средняя шероховатость R_a m-плоскости базовой подложки нитрида галлия снижается с исходного значения R_a=5-50 нм до величины R_a=0,1-5 нм.

Затем на m-плоскость базовой подложки 1 нитрида галлия методом газовой гомоэпитаксии наносится эпитаксиальный слой 2 нитрида галлия n-типа толщиной 2 мкм, легированный кремнием с концентрацией 5·10¹⁸ см^-3 (см. Фиг.11). Затем на эпитаксиальный слой 2 наносится приборная структура 6 лазерных диодов, состоящая из буферного слоя твердого раствора Al_0.4Ga_0.7N n-типа толщиной 0,25 мкм, легированного кремнием с концентрацией 10¹⁹ см^-3, на который нанесен обкладочный слой твердого раствора Al_0.2Ga_0.7N n-типа толщиной 0,5 мкм, легированный кремнием с концентрацией 10¹⁹ см^-3, на который нанесен волноводный слой нитрида галлия n-типа толщиной 0,2 мкм, легированный кремнием с концентрацией 10¹⁸ см^-3, на который нанесен нелегированный активный слой нитрида галлия 0,05 мкм, с двумя квантовыми ямами шириной 2,5 нм, на который нанесен волноводный слой нитрида галлия p-типа толщиной 0,2 мкм, легированный магнием с концентрацией 10¹⁹ см^-3, на который нанесен обкладочный слой твердого раствора Al_0.3Ga_0.7N p-типа толщиной 0,5 мкм, легированный магнием с концентрацией 10²⁰ см^-3, на который нанесен контактный слой нитрида галлия p-типа толщиной 0,1 мкм, легированный магнием с концентрацией 10²⁰ см^-3 (см. Фиг.11).

Затем производится лазерная обработка границы 3 между базовой подложкой 1 и эпитаксиальным слоем 2 с помощью сфокусированного импульсного лазерного излучения 5 CO₂-лазера, с длиной волны 10,6 мкм и длительностью импульса 50 нс, проходящего сквозь эпитаксиальную приборную структуру 6 лазерных диодов и поглощающегося в эпитаксиальным слое 2 вблизи указанной границы 3 из-за поглощения света на свободных носителях заряда (см. Фиг.12).

В результате лазерной обработки происходит преобразование границы 3 в механически ослабленную границу 4 (см. Фиг.5 и Фиг.12). После этого на верхнюю поверхность приборной структуры 6 лазерных диодов наносятся верхние металлические омические контакты 7, выполненные в виде полосок шириной 2 мкм и длиной 800 мкм, с удалением между контактами, с помощью ионно-химического травления, материала эпитаксиальной структуры лазерных диодов на глубину 0,75 мкм (см. Фиг.6). Далее производится разделение с помощью лазерной или механической резки приборной структуры 6 лазерных диодов на отдельные чипы 9 (см. Фиг.7). При этом вертикальный разрез 8 проходит сквозь приборную структуру 6 лазерных диодов и эпитаксиальный слой 2 и заканчивается вблизи механически ослабленной границы 4. Затем приборная структура 6 лазерных диодов, разделенная на отдельные чипы 9, прикрепляется к поддерживающей подложке 10 (см. Фиг.8). После этого к приборной структуре 6 лазерных диодов, прикрепленной к поддерживающей подложке 10, прикладывается механическое напряжение, вызывающее раскалывание механически ослабленной границы 4. В результате базовая подложка 1 нитрида галлия отделяется от приборной структуры лазерных диодов 6, прикрепленной к поддерживающей подложке 10 (см. Фиг.9). Затем на нижнюю поверхность эпитаксиального слоя 2, образовавшуюся в результате раскалывания механически ослабленной границы 4, наносятся нижние металлические омические контакты 11 (см. Фиг.10).

Полученная в результате приборная структура 6 лазерных диодов, с нанесенными верхними контактами 7 Шоттки, защищенными охранными кольцами, и нижними омическими контактами 11, разделенная на отдельные чипы 9 и прикрепленная к поддерживающей подложке 10, является конечным продуктом в данном примере изготовления приборных структур лазерных диодов.

Отделенная базовая подложка после разрушения механически ослабленной границы 4 имеет шероховатость верхней поверхности 12 (см. Фиг.9) в пределах R_a=0,5-10 мкм. Механическая полировка снижает ее шероховатость до значения R_a=5-50 нм, необходимого для ее передачи в начало цикла для повторного использования.

Изобретение относится к технологии кристаллических полупроводниковых структур. В способе изготовления отделяемых тонких эпитаксиальных слоев полупроводниковых кристаллов с полупроводниковыми приборными структурами подготавливают поверхность базовой полупроводниковой подложки к гомоэпитаксии, наносят на базовую подложку методом гомоэпитаксии тонкий эпитаксиальный слой полупроводника, идентичного базовой подложке, обрабатывают границу между базовой подложкой и тонким эпитаксиальным слоем с помощью сфокусированного лазерного излучения, формируя механически ослабленную границу, наносят приборную эпитаксиальную структуру на эпитаксиальный слой, наносят верхние контакты на приборную эпитаксиальную структуру, разделяют приборную эпитаксиальную структуру на отдельные чипы, таким образом, что вертикальный разрез проходит сквозь приборную эпитаксиальную структуру и эпитаксиальный слой и заканчивается вблизи механически ослабленной границы, прикрепляют приборную эпитаксиальную структуру, разделенную на отдельные чипы, к поддерживающей подложке, отделяют базовую подложку от приборной эпитаксиальной структуры, наносят нижние контакты на приборную эпитаксиальную структуру, полируют отделенную базовую подложку и передают ее в начало цикла для повторного использования. Изобретение обеспечивает неповреждающее отделение тонких эпитаксиальных слоев с приборными структурами при многократном использовании базовой подложки. 2 н. и 22 з.п.ф-лы, 12 ил.

1. Способ изготовления отделяемых тонких эпитаксиальных слоев полупроводниковых кристаллов с полупроводниковыми приборными структурами, характеризующийся тем, что:
- подготавливают поверхность базовой полупроводниковой подложки к гомоэпитаксии путем ее химической очистки и химико-механической полировки,
- наносят на базовую подложку методом гомоэпитаксии тонкий эпитаксиальный слой полупроводника, идентичного базовой подложке,
- обрабатывают границу между базовой подложкой и тонким эпитаксиальным слоем с помощью сфокусированного лазерного излучения, проходящего сквозь эпитаксиальный слой и поглощающегося вблизи указанной границы, в результате формируют механически ослабленную границу,
- наносят приборную эпитаксиальную структуру на эпитаксиальный слой,
- наносят верхние контакты на приборную эпитаксиальную структуру,
- разделяют с помощью лазерной или механической резки приборную эпитаксиальную структуру на отдельные чипы, таким образом, что вертикальный разрез проходит сквозь приборную эпитаксиальную структуру и эпитаксиальный слой и заканчивается вблизи механически ослабленной границы,
- прикрепляют приборную эпитаксиальную структуру, разделенную на отдельные чипы, к поддерживающей подложке,
- отделяют с помощью приложения механического или термомеханического напряжения базовую подложку от приборной эпитаксиальной структуры,
- наносят нижние контакты на приборную эпитаксиальную структуру, разделенную на отдельные чипы и прикрепленную к поддерживающей подложке, механически полируют отделенную базовую подложку и передают ее в начало цикла для повторного использования.

2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что материалом эпитаксиальной структуры является полупроводниковое соединение или твердый раствор из элементов четвертой группы периодической таблицы элементов.

3. Способ по п.1, характеризующийся тем, что материалом эпитаксиальной структуры является полупроводниковое соединение или твердый раствор из элементов третьей и пятой групп периодической таблицы элементов.

4. Способ по п.1, характеризующийся тем, что материалом эпитаксиальной структуры является полупроводниковое соединение или твердый раствор из элементов второй и шестой групп периодической таблицы элементов.

5. Способ по п.1, характеризующийся тем, что материалом эпитаксиальной структуры является полупроводниковое соединение или твердый раствор из элементов первой и седьмой групп периодической таблицы элементов.

6. Способ по п.1, характеризующийся тем, что эпитаксиальная приборная структура является светодиодной структурой, лазерной структурой, структурой диодов Шоттки, структурой силовых биполярных диодов, структурой биполярных транзисторов, структурой полевых транзисторов или структурой высокочастных полевых транзистров с высокой подвижностью носителей заряда (НЕМТ).

7. Способ по п.1, характеризующийся тем, что поверхностью базовой полупроводниковой подложки, на которую методом гомоэпитаксии наносится приборная эпитаксиальная структура, является плоскость из систем плоскостей с индексами Миллера {111}, {001} и {011} в кубических полупроводниках или плоскости с индексами Миллера (0001), (000-1), (11-20), (10-10) и (1-102) в гексагональных полупроводниках.

8. Способ по п.1, характеризующийся тем, что в качестве лазера используют газовый лазер с импульсной накачкой, имеющий длительность импульса в интервале от 10 фемтосекунд до 10 наносекунд и плотность энергии сфокусированного лазерного излучения от 0,1 Дж/см² до 10,0 Дж/см².

9. Способ по п.1, характеризующийся тем, что в качестве лазера используют импульсный твердотельный лазер, имеющий длительность импульса в интервале от 10 фемтосекунд до 100 наносекунд и плотность энергии сфокусированного лазерного излучения от 0,1 Дж/см² до 10,0 Дж/см².

10. Способ по п.1, характеризующийся тем, что нанесение верхних и нижних контактов сопровождают нанесением защитных диэлектрических покрытий на основе аморфных или поликристаллических SiO₂, Si₃N₄, Al₂O₃ или полимеров.

11. Способ по п.1, характеризующийся тем, что нанесение верхних и нижних контактов сопровождают химическим травлением, ионным травлением, ионно-химическим травлением и ионной имплантацией.

12. Способ по п.1, характеризующийся тем, что приборная эпитаксиальная структура выполнена с возможностью многократного прикрепления к различным поддерживающим подложкам или отсоединения от различных поддерживающих подложек.

13. Способ изготовления отделяемых тонких эпитаксиальных слоев полупроводниковых кристаллов полупроводниковыми приборными структурами, характеризующийся тем, что:
- подготавливают поверхность базовой полупроводниковой подложки к гомоэпитаксии путем ее химической очистки и химико-механической полировки,
- наносят на базовую подложку методом гомоэпитаксии тонкий эпитаксиальный слой полупроводника и приборную эпитаксиальную структуру, прозрачную для лазерного излучения,
- обрабатывают границу между базовой подложкой и тонким эпитаксиальным слоем с помощью сфокусированного лазерного излучения, проходящего сквозь эпитаксиальный слой с нанесенной эпитаксиальной структурой и поглощающегося вблизи указанной границы, в результате чего формируют механически ослабленную границу,
- наносят верхние контакты на приборную эпитаксиальную структуру,
- разделяют с помощью лазерной или механической резки приборную эпитаксиальную структуру на отдельные чипы, таким образом, что вертикальный разрез проходит сквозь приборную эпитаксиальную структуру и эпитаксиальный слой и заканчивается вблизи механически ослабленной границы,
- прикрепляют приборную эпитаксиальную структуру, разделенную на отдельные чипы, к поддерживающей подложке,
- отделяют с помощью приложения механического или термомеханического напряжения базовую подложку от приборной эпитаксиальной структуры, наносят нижние контакты на приборную эпитаксиальную структуру, разделенную на отдельные чипы и прикрепленную к поддерживающей подложке,
- механически полируют отделенную базовую подложку и передают ее в начало цикла для повторного использования.

14. Способ по п.13, характеризующийся тем, что материалом эпитаксиальной структуры является полупроводниковое соединение или твердый раствор из элементов четвертой группы периодической таблицы элементов.

15. Способ по п.13, характеризующийся тем, что материалом эпитаксиальной структуры является полупроводниковое соединение или твердый раствор из элементов третьей и пятой групп периодической таблицы элементов.

16. Способ по п.13, характеризующийся тем, что материалом эпитаксиальной структуры является полупроводниковое соединение или твердый раствор из элементов второй и шестой групп периодической таблицы элементов.

17. Способ по п.13, характеризующийся тем, что материалом эпитаксиальной структуры является полупроводниковое соединение или твердый раствор из элементов первой и седьмой групп периодической таблицы элементов.

18. Способ по п.13, характеризующийся тем, что эпитаксиальная приборная структура является светодиодной структурой, лазерной структурой, структурой диодов Шоттки, структурой силовых биполярных диодов, структурой биполярных транзисторов, структурой полевых транзисторов или структурой высокочастных полевых транзистров с высокой подвижностью носителей заряда (НЕМТ).

19. Способ по п.13, характеризующийся тем, что поверхностью базовой полупроводниковой подложки, на которую методом гомоэпитаксии наносится приборная эпитаксиальная структура, является плоскость из систем плоскостей с индексами Миллера {111}, {001} и {011} в кубических полупроводниках или плоскости с индексами Миллера (0001), (000-1), (11-20), (10-10) и (1-102) в гексагональных полупроводниках.

20. Способ по п.13, характеризующийся тем, что в качестве лазера используют газовый лазер с импульсной накачкой, имеющий длительность импульса в интервале от 10 фемтосекунд до 10 наносекунд и плотность энергии сфокусированного лазерного излучения от 0,1 Дж/см² до 10,0 Дж/см².

21. Способ по п.13, характеризующийся тем, что в качестве лазера используют импульсный твердотельный лазер, имеющий длительность импульса в интервале от 10 фемтосекунд до 100 наносекунд и плотность энергии сфокусированного лазерного излучения от 0,1 Дж/см² до 10,0 Дж/см².

22. Способ по п.13, характеризующийся тем, что нанесение верхних и нижних контактов сопровождают нанесением защитных диэлектрических покрытий на основе аморфных или поликристаллических SiO₂, Si₃N₄, Al₂O₃ или полимеров.

23. Способ по п.13, характеризующийся тем, что нанесение верхних и нижних контактов сопровождают химическим травлением, ионным травлением, ионно-химическим травлением и ионной имплантацией.

24. Способ по п.13, характеризующийся тем, что приборная эпитаксиальная структура выполнена с возможностью многократного прикрепления к различным поддерживающим подложкам или отсоединения от различных поддерживающих подложек.