磊晶基材及其製造方法
2023-07-16 21:23:01 1
專利名稱：磊晶基材及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種磊晶基材及其加工方法，具體的說是涉及一種具有納米尺度高低不平非圖案化粗糙面的磊晶基材及其加工方法。
背景技術：
化合物半導體材料，例如，氮化鎵(GaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化鋁銦鎵(AlInGaN)等III-V族化合物，以及碲化鎘(CdTe)、氧化鋅(ZnO)及硫化鋅(ZnS)等II-VI族化合物，已被廣泛地檢視適合做為微電子組件的基材材料，包括但不限於電晶體、管場發射器以及光電組件等。以氮化鎵為基礎的微電子組件為例，其在製造上一個主要問題在於製造的氮化鎵半導體層須具有低的缺陷密度(defect density),以確保微電子組件的效能。據了解，缺陷密度的貢獻者之一是氮化鎵層與供其生長的基材之間的晶格不匹配(lattice mismatch)。因此，雖然氮化鎵層已經可以在藍寶石基材(sapphire substrate)上生長，已為眾所周知的，但降低缺陷密度仍須解決。藉由在形成在碳化矽基材上的氮化鋁緩衝層上生長氮化鎵層，可以降低缺陷密度，特別是穿透差排(threading dislocation)的密度。儘管有這些長足進步，持續降低缺陷密度仍是研究上和實際產生想達成的目標。也為眾所周知的，藉由具有圖案化表面的基材提供利於磊晶的從優取向，控制磊晶條件來達成橫向嘉晶(lateral epitaxy),進而降低缺陷密度或控制缺陷。例如,氮化鎵半導體層藉由橫向磊晶方式形成於具圖案化表面的藍寶石基材上，能控制差排橫向延伸，以降低穿透差排的密度。然而，製造具有圖案化表面的磊晶基材的先前技術皆須利用黃光微影製程(photolithography process)。顯見地,製造具有圖案化表面的嘉晶基材的先前技術其製造成本高、生產速度慢。
發明內容
為了克服上述缺陷，本發明提供了一種磊晶基材及其製造方法，通過本發明製造方法製得的磊晶基材並不具有圖案化表面，但也具有協助化合物半導體材料橫向磊晶的功效，以成長具良好質量的磊晶層，且本發明的製造方法具有製造成本低、生產快速的優點。本發明為了解決其技術問題所採用的技術方案是—種嘉晶基材,具有晶體基材(crystalline substrate),所述晶體基材具有一個磊晶表面，所述磊晶表面為納米尺度高低不平且非圖案化的表面。即，在電子顯微鏡下觀察，該磊晶表面是由若干峰、谷和間距組成的粗糙表面，且間距和峰谷高度無規律，且粗糙度數值屬於納米級。一種磊晶基材的製造方法，按下述步驟進行①、製備晶體基材，所述晶體基材具有一個嘉晶表面；、
②、在晶體基材的嘉晶表面上沉積一層多晶材料層(ploy-crystalline materiallayer)；③、通過第一溼式蝕刻製程蝕刻所述多晶材料層的晶界(grain boundary)；④、將步驟③蝕刻過的多晶材料層作為屏蔽(mask)，通過電漿蝕刻製程蝕刻步驟
③蝕刻過的多晶材料層的晶界內區域；⑤、通過第二溼式蝕刻製程去除 經步驟④蝕刻過的多晶材料層，製得的磊晶表面為納米尺度高低不平且非圖案化的表面。其中所述晶體基材由藍寶石(sapphire)、碳化娃(SiC)、氮化鎵(GaN)、砷化鎵(GaAs)、氧化鋅(ZnO)、矽(Si)、鋁鎂酸鈧(ScAlMgO4)、銅酸鍶(SrCu2O2)、釔安定氧化鋯(YSZ, Yttria-Stabilized Zirconia)、招酸鋰(Lithium Aluminum Oxide, LiAlO2)、嫁酸鋰(Lithium Gallium Oxide, LiGaO2)、娃酸鋰(Lithium Silicon Oxide, Li2SiO3)、錯酸鋰(Lithium Germanium Oxide, LiGeO3)、招酸鈉(Sodium Aluminum Oxide, NaAlO2)、嫁酸鈉(Sodium Gallium Oxide, NaGaO2)、錯酸鈉(Sodium Germanium Oxide, Na2GeO3)、娃酸鈉(Sodium Silicon Oxide, Na2SiO3)、憐酸鋰(Lithium Phosphor Oxide, Li3PO4)、砷酸鋰(Lithium Arsenic Oxide, Li3AsO4)、鑰;酸鋰(Lithium Vanadium Oxide, Li3VO4)、錯酸鋰續(Li2MgGeO4, Lithium Magnesium Germanium Oxide)、錯酸鋰鋒(Li2ZnGeO4, LithiumZinc Germanium Oxide)、錯酸鋰鎘(Li2CdGeO4, Lithium Cadmium Germanium Oxide)、娃酸鋰鎂(Li2MgSiO4, Lithium Magnesium Silicon Oxide)、娃酸鋰鋒(Li2ZnSiO4, LithiumZinc Silicon Oxide)、娃酸鋰鎘(Li2CdSiO4, Lithium Cadmium Silicon Oxide)、錯酸鈉續(Na2MgGeO4, Sodium Magnesium Germanium Oxide)、錯酸鈉鋒(Na2ZnGeO4, Sodium ZincGermanium Oxide)、娃酸鈉鋒(Na2ZnSiO4, Sodium Zinc Silicon Oxide)或其他商用供嘉晶用材料。所述多晶材料層由鍺(Ge)、氧化鋅(ZnO)、硫化鋅(ZnS)、硒化鎘(CdSe)、碲化鎘(CdTe)、硫化鎘(CdS)、硒化鋅(ZnSe)、砷化銦(InAs)、磷化銦(InP)、矽(Si)以及金屬/矽化物(metal/siIicide)中的一種所形成。所述嘉晶表面的平均表面粗糙度Ra值範圍從IOOnm至400nm。Ra值是表面粗糙度高度參數之一——輪廓算術平均偏差值，是指在取樣長度內，沿測量方向(Y方向)的輪廓線上的點與基準線之間距離絕對值的算術平均值。所述磊晶表面的平均表面粗糙度Rz值範圍從50nm至350nm。Rz值是表面粗糙度高度參數之一——微觀不平度十點高度，是指在取樣長度內5個最大輪廓峰高的平均值和5個最大輪廓谷深的平均值之和。所述多晶材料層是通過低壓化學氣相沉積製程(low pressure chemical vapordeposition, LPCVD)、電眾輔助化學氣相沉積製程(plasma enhanced chemical vapordeposition, PECVD)、派鍍製程(sputtering)和熱蒸鍍製程(thermal deposition)中的一種方式沉積於所述晶體基材的磊晶表面上，且所述多晶材料層的厚度範圍從20nm至2000nm。本發明的有益效果是本發明較之先有技術的區別在於，本發明的磊晶表面為納米尺度高低不平且非圖案化的表面，具有協助化合物半導體材料橫向磊晶的功效，以成長具良好質量的磊晶層；且該納米尺度高低不平且非圖案化的磊晶表面是經過沉積多晶材料層、第一溼式蝕刻製程、電漿蝕刻製程以及第二溼式蝕刻製程製得，具有製造成本低、生產快速的優點。
圖I為本發明實施例所述具有納米尺度高低不平且非圖案化的表面的磊晶基材示意圖；圖2為本發明實施例所述晶體基材不意圖；圖3為本發明實施例所述晶體基材的嘉晶表面上沉積一層多晶材料層不意圖；圖4為本發明實施例所述多晶材料層的晶界經第一溼式蝕刻製程蝕刻後示意圖。
具體實施例方式實施例一種嘉晶基材，如圖I所不，所述嘉晶基材I具有晶體基材(crystallinesubstrate) 10,所述晶體基材10具有一個嘉晶表面102,與先有技術的不同之處是,所述嘉晶表面為納米尺度高低不平且非圖案化的表面。即，在電子顯微鏡下觀察，該磊晶表面102是由若干峰、谷和間距組成的粗糙表面，且間距和峰谷高度無規律，且粗糙度數值屬於納米級。本發明的磊晶基材可以供化合物半導體材料磊晶之用，例如，氮化鎵、氮化鋁鎵、氮化鋁銦鎵等III-V族化合物，或碲化鎘、氧化鋅、硫化鋅等II-VI族化合物。值得強調的是，本發明的磊晶基材與先有具有圖案化表面的磊晶基材具有相同的功效，即，具有協助化合物半導體材料橫向磊晶的功效，以成長具良好質量的磊晶層。所述磊晶表面102的平均表面粗糙度Ra值範圍從IOOnm至400nm。所述磊晶表面102的平均表面粗糙度Rz值範圍從50nm至350nm。所述晶體基材10的材料具體可以採用下述化合物中的一種藍寶石(sapphire)、碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)、砷化鎵(GaAs)、氧化鋅(ZnO)、矽(Si)、鋁鎂酸鈧(ScAlMgO4)、銅酸銀(SrCu2O2)、乾安定氧化錯(YSZ, Yttria-Stabilized Zirconia)、招酸鋰(LithiumAluminum Oxide, LiAlO2)、嫁酸鋰(Lithium Gallium Oxide, LiGaO2)、娃酸鋰(LithiumSilicon Oxide, Li2SiO3)、錯酸鋰(Lithium Germanium Oxide, LiGeO3)、招酸鈉(SodiumAluminum Oxide, NaAlO2)、嫁酸鈉(Sodium Gallium Oxide, NaGaO2)、錯酸鈉(SodiumGermanium Oxide, Na2GeO3)、娃酸鈉(Sodium Silicon Oxide, Na2SiO3)、憐酸鋰(LithiumPhosphor Oxide, Li3PO4)、砷酸鋰(Lithium Arsenic Oxide, Li3AsO4)、f凡酸鋰(LithiumVanadium Oxide, Li3VO4)、錯酸鋰續(Li2MgGeO4, Lithium Magnesium Germanium Oxide)、錯酸鋰鋒(Li2ZnGeO4, Lithium Zinc Germanium Oxide)、錯酸鋰鎘(Li2CdGeO4, LithiumCadmium Germanium Oxide)、娃酸鋰續(Li2MgSiO4,Lithium Magnesium Silicon Oxide)、娃酸鋰鋒(Li2ZnSiO4,Lithium Zinc Silicon Oxide)、娃酸鋰鎘(Li2CdSiO4,Lithium CadmiumSilicon Oxide)、錯酸鈉續(Na2MgGeO4, Sodium Magnesium Germanium Oxide)、錯酸鈉鋒(Na2ZnGeO4, Sodium Zinc Germanium Oxide)、娃酸鈉鋒(Na2ZnSiO4, Sodium Zinc SiliconOxide)或其他商用供嘉晶用材料。上述磊晶基材的製造方法按下述步驟進行
①、製備晶體基材，如圖2所不，所述晶體基材10具有一個嘉晶表面102;所述晶體基材的材料具體可以是藍寶石(sapphire)、碳化娃(SiC)、氮化鎵(GaN)、砷化鎵(GaAs)、氧化鋅(ZnO)、矽(Si)、鋁鎂酸鈧(ScAlMgO4)、銅酸鍶(SrCu2O2)^Z安定氧化,告(YSZ，Yttria-Stabilized Zirconia)、銀酸鋰(Lithium Aluminum Oxide,LiAlO2)、嫁酸鋰(Lithium Gallium Oxide, LiGaO2)、娃酸鋰(Lithium Silicon Oxide,Li2SiO3)、錯酸鋰(Lithium Germanium Oxide, LiGeO3)、銀酸鈉(Sodium Aluminum Oxide,NaAlO2)、嫁酸鈉(Sodium Gallium Oxide, NaGaO2)、錯酸鈉(Sodium Germanium Oxide,Na2GeO3)'娃酸鈉(Sodium Silicon Oxide, Na2SiO3)、憐酸鋰(Lithium Phosphor Oxide,Li3PO4)、砷酸鋰(Lithium Arsenic Oxide, Li3AsO4)、銀酸鋰(Lithium Vanadium Oxide,Li3VO4)、錯酸鋰鎮(Li2MgGeO4, Lithium Magnesium Germanium Oxide)、錯酸鋰鋒(Li2ZnGeO4, Lithium Zinc Germanium Oxide)、錯酸鋰鎘(Li2CdGeO4, Lithium CadmiumGermanium Oxide)、娃酸鋰鎮(Li2MgSiO4, Lithium Magnesium Silicon Oxide)、娃酸鋰鋒(Li2ZnSiO4, Lithium Zinc Silicon Oxide)、娃酸鋰鎘(Li2CdSiO4, Lithium Cadmium Silicon Oxide)、錯酸鈉鎮(Na2MgGeO4, Sodium Magnesium Germanium Oxide)、錯酸鈉鋒(Na2ZnGeO4, Sodium Zinc Germanium Oxide)、娃酸鈉鋒(Na2ZnSiO4, Sodium Zinc SiliconOxide)或其他商用供嘉晶用材料。②、如圖3所示，通過低壓化學氣相沉積製程(low pressure chemical vapordeposition, LPCVD)、電眾輔助化學氣相沉積製程(plasma enhanced chemical vapordeposition，PECVD)、減鍍製程(sputtering)或熱蒸鍍製程(thermal deposition)在晶體基材10的嘉晶表面102上沉積一層多晶材料層(ploy-crystalline material layer) 12 ；所述多晶材料層的厚度範圍從20nm至2000nm ；所述多晶材料層12具有晶界(grain boundary) 122，所述多晶材料層由鍺(Ge)、氧化鋅(ZnO)、硫化鋅(ZnS)、砸化鎘(CdSe)、碲化鎘(CdTe)、硫化鎘(CdS)、砸化鋅(ZnSe)、砷化銦(InAs)、磷化銦(InP)、娃(Si)或金屬/娃化物(metal/silicide)所形成，其中，金屬可以是鋁(Al)、鎳(Ni)、鐵(Fe)等，矽化物可以是矽化鋁(SiAl)、矽化鋅(SiZn)、矽化鎳(SiNi)等。③、通過第一溼式蝕刻製程蝕刻所述多晶材料層12的晶界122，蝕刻後如圖4所示；以藍寶石為基材，可做為蝕刻該多晶材料層12的晶界122的蝕刻液的種類及其成份列舉於下表I中。表I中列出了 Secco、Sirtl、Wright以及Seiter四種蝕刻液。此外，由於表I中所列舉的蝕刻液並不會對藍寶石基材等侵蝕，因此，該等蝕刻液可以蝕刻該多晶材料層12的晶界122至監寶石基材10的嘉晶表面102露出，也可以視情況，該等蝕刻液僅蝕刻該多晶材料層12的晶界122至某深度，不致讓藍寶石基材10的磊晶表面102露出。表I:
權利要求
1.一種嘉晶基材，具有晶體基材，所述晶體基材具有一個嘉晶表面，其特徵在於所述磊晶表面為納米尺度高低不平且非圖案化的表面。
2.如權利要求I所述的磊晶基材，其特徵在於所述晶體基材由藍寶石、碳化矽、氮化鎵、砷化鎵、氧化鋅、矽、鋁鎂酸鈧、銅酸鍶、釔安定氧化鋯、鋁酸鋰、鎵酸鋰、矽酸鋰、鍺酸鋰、鋁酸鈉、鎵酸鈉、鍺酸鈉、矽酸鈉、磷酸鋰、砷酸鋰、釩酸鋰、鍺酸鋰鎂、鍺酸鋰鋅、鍺酸鋰鎘、矽酸鋰鎂、矽酸鋰鋅、矽酸鋰鎘、鍺酸鈉鎂、鍺酸鈉鋅以及矽酸鈉鋅中的一種所製成。
3.如權利要求I所述的磊晶基材，其特徵在於所述磊晶表面的平均表面粗糙度Ra值範圍從IOOnm至400nm。
4.如權利要求I所述的磊晶基材，其特徵在於所述磊晶表面的平均表面粗糙度Rz值範圍從50nm至350nm。
5.一種磊晶基材的製造方法，其特徵在於按下述步驟進行 ①、製備晶體基材，所述晶體基材具有一個嘉晶表面； ②、在晶體基材的嘉晶表面上沉積一層多晶材料層； ③、通過第一溼式蝕刻製程蝕刻所述多晶材料層的晶界； ④、將步驟③蝕刻過的多晶材料層作為屏蔽，通過電漿蝕刻製程蝕刻步驟③蝕刻過的多晶材料層的晶界內區域； ⑤、通過第二溼式蝕刻製程去除經步驟④蝕刻過的多晶材料層，製得的磊晶表面為納米尺度高低不平且非圖案化的表面。
6.如權利要求5所述磊晶基材的製造方法，其特徵在於所述晶體基材由藍寶石、碳化矽、氮化鎵、砷化鎵、氧化鋅、矽、鋁鎂酸鈧、銅酸鍶、釔安定氧化鋯、鋁酸鋰、鎵酸鋰、矽酸鋰、鍺酸鋰、鋁酸鈉、鎵酸鈉、鍺酸鈉、矽酸鈉、磷酸鋰、砷酸鋰、釩酸鋰、鍺酸鋰鎂、鍺酸鋰鋅、鍺酸鋰鎘、矽酸鋰鎂、矽酸鋰鋅、矽酸鋰鎘、鍺酸鈉鎂、鍺酸鈉鋅以及矽酸鈉鋅中的一種所製成。
7.如權利要求5所述磊晶基材的製造方法，其特徵在於所述多晶材料層由鍺、氧化鋅、硫化鋅、硒化鎘、碲化鎘、硫化鎘、硒化鋅、砷化銦、磷化銦、矽以及金屬/矽化物中的一種所形成。
8.如權利要求5所述磊晶基材的製造方法，其特徵在於所述磊晶表面的平均表面粗糙度Ra值範圍從IOOnm至400nm。
9.如權利要求5所述磊晶基材的製造方法，其特徵在於所述磊晶表面的平均表面粗糙度Rz值範圍從50nm至350nm。
10.如權利要求5所述磊晶基材的製造方法，其特徵在於所述多晶材料層是通過低壓化學氣相沉積製程、電漿輔助化學氣相沉積製程、濺鍍製程和熱蒸鍍製程中的一種方式沉積於所述晶體基材的嘉晶表面上，且所述多晶材料層的厚度範圍從20nm至2000nm。
全文摘要
本發明公開了一種磊晶基材及其製造方法，本發明的磊晶基材的磊晶表面為納米尺度高低不平且非圖案化的表面，具有協助化合物半導體材料橫向磊晶的功效，以成長具良好質量的磊晶層，且該納米尺度高低不平且非圖案化的磊晶表面是經過沉積多晶材料層、第一溼式蝕刻製程、電漿蝕刻製程以及第二溼式蝕刻製程製得，具有製造成本低、生產快速的優點。
文檔編號H01L33/02GK102790152SQ201110131460
公開日2012年11月21日 申請日期2011年5月20日 優先權日2011年5月20日
發明者何思樺, 葉哲良, 徐文慶, 錢俊逸 申請人:崑山中辰矽晶有限公司