[發明專利]降低外延薄膜缺陷的退火方法及利用該方法得到的外延薄膜

無效

• 申請號: 201110340512.9
• 申請日: 2011-11-01
• 公開（公告）號: CN102969241A
• 公開（公告）日: 2013-03-13
• 發明（設計）人: 宋健民;林逸樵
• 申請（專利權）人: 錸鉆科技股份有限公司
• 主分類號: H01L21/324
• 分類號: H01L21/324;H01L21/205
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司 11240
• 代理人: 李丙林;張英

技術領域

本發明涉及一種外延薄膜的退火方法及利用該方法得到的外延薄膜，尤其涉及一種可有效減少外延薄膜的缺陷的退火方法及由其得到的外延薄膜。?

背景技術

外延技術泛指將單晶薄膜成長于基材的工藝，其得到的單晶薄膜也稱作外延薄膜，外延生長所使用的基材通常為僅有單一晶粒且原子排序均具特定方向的單晶材料，而依外延薄膜與基材的化學組成與晶格類型差異，外延薄膜可分為同質外延(Homoepitaxy)或異質外延(Heteroepitaxy)，前者指外延薄膜與基材為同一材料，如兩者均為硅或鉆石；后者則指外延薄膜與基材為相異材料，如氮化鎵(Gallium?Nitride，簡稱GaN)生長于藍寶石基材，磷化鋁銦鎵(Aluminium?Gallium?Indium?Phosphide，簡稱AlGaInP)生長于砷化鎵(Gallium?Arsenide，簡稱GaAs)基材。外延技術可應用于制造集成電路的晶體管、微機電的感測元件、通訊元件的電磁波收發膜、過濾信號用的振動膜、發光二極管的發光層等或是用于檢測脫氧核糖核酸(Deoxyribonucleic?acid，簡稱DNA)、抗體或氨基酸的芯片等。?

又外延工藝一般可采氣相外延法(Vapor?phase?epitaxy，簡稱VPE)、分子束外延法(Molecular?beam?epitaxy，簡稱MBE)或液相外延法(Liquid?phase?epitaxy，簡稱LPE)等，以氣相外延法而言，目前業界大多使用金屬有機化學氣相沉積(Metal?organic?chemical?vapor?deposition，簡稱?MOCVD)或氫化物氣相外延(Hydride?vapor?phase?epitaxy，簡稱HVPE)，相關技術可參日本發明專利公開第JP?2010135598號、美國發明專利公開第US?2006/0115933號、美國發明專利公開第US?2010/0221902號、美國發明專利公開第US?2007/0224786號、美國發明專利公開第US2010/0006024號、美國發明專利公開第US?2011/0012109號、美國發明專利公告第US?7,943,492號、美國發明專利公告第US?7,883,996號以及美國發明專利公告第US?7,427,555號等等。?

外延薄膜生長的原理是原子以基材的晶格作為模板而延伸生長，進而形成單晶結構的薄膜。但是，以外延工藝得到的外延薄膜仍不免會產生材料缺陷，包括空穴(Voids)、位錯(Dislocations)、斷層(Faults)甚或夾雜物(Inclusions)等。針對同質外延的成長，缺陷的形成可能是源自于基材本身即有較多的缺陷；基材局部的化學組成不均勻；工藝腔室或氣體來源含有雜質；或者沉積速度過快，導致外延薄膜的原子排列發生錯誤。在異質外延的成長中，除前述因素外，還會由于外延薄膜與基材間的原子尺寸及晶格方向差異，進一步使外延薄膜的缺陷密度增加。進一步來說，當原子沉積在基材表面不穩定的位置時，其能量較高，如果沉積的溫度不夠高，造成原子的移動困難，就容易引發缺陷的生成。?

以氣相外延法來說，由于屬非平衡生長，故沉積后的原子本來就難以在基材表面移動，也無法使沉積在錯位處的原子進行氣化而重新沉積，因此，缺陷密度將大幅增加。相反，如果外延工藝可較接近平衡生長，即液固相的界面原子可同時沉積及融熔，則外延薄膜的缺陷密度可較低。以藍光發光二極管的外延薄膜為例，常通過氣相沉積法將氮化鎵成長于藍寶石基材，其中，氮化鎵的穩定相為六方晶系的纖鋅礦(Wurtzite)，而藍寶石為六方晶系的(0002)面，也就是說，氮化鎵與藍寶石之間的晶格不匹配(Lattice?mismatch)將超過13％，當使用自液相冷凝結晶得到的藍寶石基材時，其位錯密度將高達10⁹/cm²。相比之下，硅晶自熔液內拉出晶棒的位錯密度僅有10⁴/cm²。?

外延薄膜內的位錯密度越高，其晶片的性質就越差。以集成電路為例說明，位錯密度的增加，會影響電流信號的降低且使噪聲增加。再以發光二極管為例，位錯的生成會降低由內部量子效應(Internal?quantum?effect)所產生的光子數量，且當溫度升高時，位錯的尺寸會加大而造成不可逆的光度衰減，再以氮化鎵/藍寶石外延來說，其位錯的平均間距僅約1μm，光子在行進間若遇到位錯將發生散射而產生熱能。由此可知，降低缺陷密度可提高發光二極管的亮度，并延長其使用壽命。?