[發明專利]利用化學鍵結形成化合物磊晶層的方法及磊晶產品

有效

• 申請號: 201210218735.2
• 申請日: 2012-06-29
• 公開（公告）號: CN103515201A
• 公開（公告）日: 2014-01-15
• 發明（設計）人: 徐國維
• 申請（專利權）人: 林慧珍
• 主分類號: H01L21/205
• 分類號: H01L21/205;H01L29/06
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 梁愛榮

技術領域

本發明是關于一種利用化學鍵結形成化合物磊晶層的方法及磊晶產品，主要是在接觸層上形成一不飽和離子鍵結層，并以能量激發的方式在不飽和離子鍵結層的非金屬離子上形成懸空鍵結，并利用懸空鍵結的極性，以化學鍵結的方式，在不飽和離子鍵結層上形成化合物磊晶層，令制造廠商在不需采用昂貴的分子束磊晶技術的情況下，即可制作出質量穩定的鏡面狀平面晶的磊晶層。

背景技術

磊晶(Epitaxy)技術是一種應用于半導體元件制造過程中的技術，其目標是在原有芯片上長出新結晶，以制成新半導體層，此種技術又稱為磊晶成長(Epitaxial?Growth)，而利用磊晶技術成長出的結晶或晶粒即稱為磊晶。磊晶技術可用以制造硅晶體管及CMOS(Complementary?metal-oxide-semiconductor)集成電路等各種元件，且在制作化合物半導體時，磊晶技術更是不可或缺的重要技術。

磊晶技術包括化學氣相沉積法(Chemical?Vapor?Deposition，簡稱CVD)、分子束磊晶技術(Molecular?Beam?Epitaxy，簡稱MBE)、真空蒸鍍技術、液態磊晶技術(Liquid?Phase?Epitaxy，簡稱LPE)及固相磊晶技術(Solid?Phase?Epitaxy，簡稱SPE)。在半導體基板上生長一層磊晶，是半導體制程中一項基本且重要的技術，而磊晶的厚度及成分控制，將大幅影響產品的特性及良率，在各種磊晶技術中能完全達到精度要求，可能只有分子束磊晶(MBE)，故制造廠商為了生產鏡面狀平面晶的磊晶產品，通常是采用分子束磊晶技術(MBE)，該技術是由貝爾實驗室的J.R.阿瑟(J.R.Arthur)和卓以和(Alfred?Y.Cho)所發明。分子束磊晶技術是使單晶材料生長的一種方法，且必須在高真空或超高真空(ultra-high?vacuum)的環境進行。

分子束磊晶最重要的重點是其低沉積率，通常使薄膜以每小時低于1000納米的速度磊晶生長，但低沉積率意味著真空程度必須足夠高，以達到其它沉積方式同等級別的潔凈程度。在固體源的分子束磊晶過程中，元素會以超純(ultra-pure)的形式被獨立加熱，直到其開始緩慢升華為氣態物質，該氣態物質將會在晶圓上凝結，并互相作用，例如以鎵和砷作用產生單晶砷化鎵。之所以稱為「分子束」，是由于過程中的氣體原子并不產生交互作用，且亦不與真空室物質反應。在磊晶過程中，制造廠商可利用反射高能電子繞射來檢測晶體層次生長的進程，并通過控制反應室的閥門，以精確控制每個晶體生長層次，使其精確度可以達到單層原子。磊晶成長的速率完全由單位時間內射到基板表面的分子數目決定，由于磊晶速度慢，所以可以很精確的控制磊晶層的厚度。

制造廠商采用分子束磊晶技術(MBE)制成的鏡面狀平面晶的產品，即不會有島狀成核(island?type?nucleation)或塊狀成長(cluster?growth)等柱狀晶的特征。然而，通過分子束磊晶技術所產出的產品，由于磊晶層之間是以物理接觸的方式相結合，其結合的強度往往較弱，發明人根據多年的研究與觀察發現，以現有分子束磊晶技術所制成的產品，往往會有各磊晶層分離剝落的問題發生，相當不理想。再者，分子束磊晶技術常會遭遇到磊晶障壁高的問題，且分子束磊晶的制程成本極高，對于制造廠商而言更是一大負擔。

此外，經查有研發單位研發出一種以氮化鈦作為磊晶緩沖層的三五族AlGaInN氮化合物基板結構(中國臺灣公告第I264835號發明專利)，其是在硅基板表面上，形成一氮化鈦緩沖層。以硅做為三五族氮化合物磊晶基板具有下列幾項優點：(1)可簡化制程及降低成本、(2)優良導熱性、(3)大面積(目前可至12吋以上)、(4)可結合目前以硅為主的半導體技術。不過由于硅的(111)面與三五族AlGaInN氮化合物的(0001)面晶格常數相差甚大，其間的晶格不匹配程度高，因此首先必須先在硅上成長一層緩沖層(buffer?layer)，而后再制作元件所需的氮化合物薄膜，以克服晶格不匹配所造成的應力問題。該專利前案是直接以金屬有機化合物化學氣相沉積法，成長出氮化鈦薄膜，但發明人深入研究后發現，在實際生產上，該專利前案的作法很難制造出有效的結晶顆粒，故該專利前案所揭露的方法目前并無法適用在實際制程中。