TW201011814A - Method for growing epitaxy - Google Patents

Description

201011814 • 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種磊晶成長之方法，尤指一種適用於 液相蟲晶成長之方法。 5 【先前技術】 利用氣相成長同質蟲晶或異質遙晶已廣泛應用於材料 _ 科學中，尤其以半導體產業更為常見，例如以化學氣相沉 積在高溫下分解矽烷（SiH4)後，可在矽晶圓上成長出同質磊 10 晶。或是在高溫下分解甲烷（CH4)使其沉積為石墨，再經導 入大量氫氣使其催化形成鑽石以彼覆於基板上。然而，利 用氣相成長磊晶之沉積速率緩慢，其所形成之晶體在晶格 中仍存有很多缺陷，因此製造成本相對提高。 近來，已逐漸發展出一種在液相中成長磊晶之技術， 15 如美國專利US2004092053號所揭露之一種磊晶成長的方 法，包括將化合物熔解於含有銻（Sb)與銦（In)為溶劑的飽和 ® 熔融液，以形成一透明層於LED基板上。日本專利 JP2000234000、JP10001392、JP11003864以及JP2005142270 號係主要利用溫度與過飽和熔融液來控制晶格成長。美國 20 專利US2006175620號係利用凹槽控制原子沉積之單向晶格 成長反應。 然而，習知之液相中蠢晶成長之技術，主要係使用過 飽和熔融液或凹槽等裝置來控制磊晶成長，由於熔融液濃 度在控制上不易，進而導致磊晶成長時成核速率過快，使 5 201011814 - 得磊晶内晶格之原子排列有缺陷，導致使用習知之磊晶成 長技術所製作的磊晶層之元件表現特性不佳。 據此，如何提供一種可使沉積磊晶時能有效控制其成 長，並避免沉積過程中因化學成分改變而造成磊晶内部晶 5 格缺陷，實為重要的課題之一。 【發明内容】 有鑑於上述課題，本發明的目的係在提供一種磊晶 ® 成長之方法，俾能提升磊晶成長速率，並降低磊晶内部晶 10 格缺陷。 為達上述目的或其他目的，本發明提供一種磊晶成長 之方法，包括提供一模具；提供一基板，且基板係設置於 模具内；提供一溶劑及一溶質，液化溶劑使溶質溶在溶劑 内，以形成一熔融液於模具與基板之間；以及形成一第一 15 磊晶層於基板表面，其中，熔融液係藉由一溫度梯度熔解 模具及基板，以形成第一蟲晶層於基板表面。 φ 根據本發明較佳實施例所述之方法，其中係提供一加熱 裝置於模具之一側，藉由加熱裝置形成溫度梯度，該溫度 梯度係由模具朝向基板而遞減。根據本發明較佳實施例所 20 述之方法，更包括可在基板侧設置一冷卻裝置，以增加模 具與基板之間的溫度差距。 根據本發明較佳實施例所述之方法，更包括以調節溫 度梯度或超音波震盪方式，來控制該模具及該基板熔解於 熔融液内之濃度並控制第一磊晶層的沉積速率。當第一磊 6 201011814 * 自層具有缺陷，則藉由溫度梯度溶解缺陷之悬晶層。而您 解缺陷之蟲晶層時，同時溶解基板及模具，以再次形成第 一蠢晶層於基板上。 根據本發明較佳實施例所述之方法，其中溫度梯度於 5生長磊晶時可進行調整，以控制磊晶之生長速率；且溶解 溶質及基材以形成磊晶溶質與沉積生成磊晶係為一可逆反 應。另-，本發明更可以於&化該溶劑使該溶質溶在 該溶劑内時，利用震盪裝置將基板與模具同時進行擺動， 肖加該熔職的均句性’並形成較佳晶型縣晶層於基板 10 上。 根據本發明較佳實施例所述之方法，其中形成於基板 上之第一磊晶層包括碳化矽或氮化鋁，並形成一鑽石層於 第一蟲晶層上。 根據本發明較佳實施例所述之方法，其中基板包括半 15導體、陶瓷材料（如藍寶石材料）、矽材料或氧化鋁材料。 根據本發明較佳實施例所述之方法，其中模具為一含 • 碳材料、燒結之氮化鋁或硼化氮，其中含碳材料係為石墨。 根據本發明較佳實施例所述之方法，其中溶劑及溶質 係為烯土元素及過渡金屬元素，包括鑭、鈽、鐵、鈷、鎳 20 或其合金。 根據本發明較佳實施例所述之方法，其中液化溶劑使 溶質溶在溶劑内，以形成之熔融液包括鋰、鈉、鈣、鎂、 氮、硼、鋁、鈣、氮或其合金。 7 201011814 ，據本發明較佳實施例所述之方法，其中溶劑及溶質 ”工環境或惰性環境（如，氮氣環境）下形成於基板 上0 根據本發明較佳實施例所述之方法，其更包括形成一 5金屬氮化物層於該第-磊晶層上，熔融液包括鑭、鈽、 鐵、録 '銻或其合金，熔融液係熔解第一蟲晶層及模具以 形成—第二蟲晶層於第一蟲晶層上，而第二蟲晶層為碳化 石夕。 籲 纟本發明所提出之蟲晶成長方法中，由於使用熔融液 K)同時熔解模具及基板以形成蟲晶層，且藉由調節在模具與 材之間的溫度梯度來控制蟲晶成長速率，因此，在蟲晶成 長的過程中，熔解與沉積的速率接近平衡，使得磊晶晶格 保持穩定，故可有效地提高磊晶成長速率，並進而降低磊 晶内部晶格缺陷。而當磊晶成長過程中若磊晶晶格有缺陷 15時，可經由再次熔解磊晶層、模具及基板，而再次成長磊 晶層，如此一來，可有效地改善晶格内的缺陷。 Φ 為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯 易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說 明如下。 20 【實施方式】 實施例1 圖1至圖3係為根據本發明之磊晶成長方法之製作流 程示意圖。首先，請參閱圖1，本發明之蟲晶成長方法包括 201011814 提供一基板100及一模具110，模具110内具有一容置空間 S，而基板100係設置於模具之容置空間S内。模具110為一 含碳材料，例如是石墨，在本實施例中，係使用高純度的 石墨且内含極少的非石墨碳，例如Morgan Crucible所生產 5 的超純石墨粉末。基板100為半導體基板，例如是矽晶圓。 在本實施例中，係提供一溶劑及一溶質，液化該溶劑使該 溶質溶在該溶劑内，以形成一熔融液120於該模具與該基板 之間，該溶劑及該溶質可包括金屬或是含有兩種或多種金 屬的合金，其材料包括浠土元素及過渡金屬元素，例如是 10 鑭（La)、鈽（Ce)或其合金以及鐵、鈷、鎳或其合金。要說明 的是，本實施例是在真空下先將鑭或鈽合金濺鍍形成於基 板100之上，之後再濺鍍鐵、鈷、鎳或其合金來防止鑭或鈽 合金氧化。 接著，請參閱圖2，在模具110之一側係設置一加熱裝 15 置130，並藉由加熱裝置使模具110與基板100之間產生溫度 變化，因此在模具110與基板100之間會形成溫度梯度。當 然，也可以在基板100側設置一冷卻裝置140，以增加模具 Π0與基板100之間的溫度差距。藉由加熱裝置130，在基板 100上的溶劑及溶質熔解，並進而形成一熔融液120於模具 20 110與基板100之間，由於基板100的密度較熔融液120低， 因此基板100會浮在熔融液120的表面上，當加熱時，熔融 液120會同時熔解基板100及模具110，模具110側的熔解度 會大於基板100侧的熔解度，因此，模具110之碳原子會朝 向基板100擴散，而基板100的矽原子會朝向模具110擴散， 9 201011814 最後，形成第了磊晶層160於基板1〇〇上，如圖3所示，其中 第一磊晶層160為碳化矽❶另外，若在足夠的溫度下產生碳 化矽鍵結時，碳和矽會緩慢置換使得矽/碳的比率隨著熔融 液中碳濃度的增加而減少，在本實施例中，溫度梯度於成 5 長第一磊晶層時可進行調整，控制溫度梯度可控制在磊晶 成長之矽/碳比率降低的速率，因此，若溫度梯度改變緩 慢，則矽/碳比率的改變緩慢，如此一來，形成於基板1〇〇 上的第一磊晶層160會逐漸形成，且可以避免在第一磊晶層 ® 丨6〇内缺陷的形成。 10 承接上述，本實施例之溫度梯度於成長磊晶時可進行 s周整’控制溫度梯度即是控制模具u〇熔解於熔融液12〇的 濃度’並藉以控制第一磊晶層16〇之成長速率。此外，由於 可控制的溫度梯度，因此當沉積形成的第一磊晶層160之晶 格上有缺陷時，可藉由溫度梯度的控制，使得晶格上有缺 15 陷的第一磊晶層160因相對環境為熱力學不穩定狀態而再 次溶解’並有再次沉積的機會，換言之，熔解模具110及基 ® 板100以形成第一磊晶層160是為一可逆反應。 另外值得說明的是，磊晶於液相成長條件中，其液相 成分的必要條件需能同時滿足能夠於低溫下產生液相以及 20 液·相能夠同時熔解模具110中之碳原子與基板100之矽原 子’因此’此液相溫度不可以高於基板100大量揮發之溫 度’例如當基板為含矽之半導體基板時，須小於約13〇〇°C 以降低對晶格完整性的干擾。為滿足這些條件，稀土元素 (如鑭、鈽、或其組合）與過渡金屬（鐵、鈷、鎳、或其組合） 201011814 的共晶合金具有低熔點(約小於_。〇而可滿足以上的條 件。當然’若持續降低石夕/碳（Si/c)的比率，例如當沈積的 f率低於lOOnm時，沈積的碳原子會受到基板⑽晶格的誘 導而形成具有四面體鍵結的碳原子，因此，可以在第一磊 5晶層I60上形成有鑽石層（圖未繪示）。 實施例2 本實施例成長磊晶之方法與上述實施例相似，其不同 之處在於本實施例所使用之基板100為陶瓷基板，例如是 ® 藍寶石基板，而模具no為燒結之氮化銘，在本實施例中 10之，谷劑亦可為非金屬材質（如Mg3N2-Ca3N2)來溶解模具110 及基板100 ;因此，熔融液12〇為含有鋰、鈉、鈣、鎂、氮 以及含有硼、鋁、鈣、氮或其化合物的共晶合金，例如是 MgsN2 — A1N。其中，是在含有惰性氣體的環境下將Mg3N2 —A1N的共晶合金加熱高於uoot熔化，以形成熔融液12〇 15 於基板100與模具130之間，惰性氣體例如是氮氣◊若熔 融液120的底部溫度較高’氮化鋁（ain)會向較冷的陶竟基 φ 板擴散’與上述實施例相似’控制熔融液内的溫度梯度並 加以波動改變可逐漸調整沈積在基板1 〇〇上的第一磊晶層 160之晶格並降低其缺陷，密度，其中第一蟲晶層160為氣化 20 鋁。 實施例3 請繼續參閱圖1至圖3 ’本實施例成長磊晶之方法與上 述實施例2相似’其不同之處在於本實施例是形成異質磊 晶層，其中所使用之模具110為氮化硼（HBN，hexagonal 11 201011814 * boron nitride)’並在陶瓷基板100上鍍覆有一金屬氮化物層 (圖未繪示），金屬氮化物層為氮化鋁，而模具110與基板 100之間具有與實施例1相同之熔融液120，此熔融液120 可同時溶解氮化鋁、石夕、碳或碳化矽。由於碳化石夕與氮化 5 鋁的晶格相似且原子間距差距不大（< 5%)，當基板100上 形成有氮化鋁磊晶層時，可在氮化鋁磊晶層上沈積出第二 磊晶層161，第二磊晶層161為碳化矽。是在真空下加熱 至完全’熔融以形成熔融液120 ’且如前述實施例所述之控制 參 模具與基板1〇〇之間的溫度梯度，此時，熔融液120 10 會熔解亂化銘蟲晶層及模具110,其中梦及碳溶質會熔解至 熔融液120並向氮化鋁界面擴散，在溶質的交換作用下會 形成氮化鋁和碳化石夕混晶過渡到碳化矽的第二蠢晶層 161。上述之第二磊晶層161係藉由氮化鋁晶格而附著在陶 瓷基板100上。 15 綜上所述，本發明成長磊晶之方法係在模具端與基板 端間具有溫度梯度，並藉由熔融液同時熔解模具及基板以 ® ㈣蠢晶層於基板上。因此’本發明之遙晶可以藉熔解模 具及基板以形成磊晶層與沉積生成磊晶層之可逆反應有 效地提高蟲晶成長速率，進而降低蟲晶内部晶格缺陷。 20 丨述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所 主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準， 於上述實施例。 < 【圖式簡單說明】 12 201011814 圖1至圖3係為本發明之磊晶成長方法之製作流程示意 圖。 【主要元件符號說明】

100 基板 110 模具 120 溶融液 130 加熱裝置 140 冷卻裝置 160 第一磊晶層 161 第二蟲晶層 S 容置空間 13

Claims (1)

1. 201011814 - 十、申請專利範圍： 1. 一種磊晶成長之方法，其包括下列步驟： 提供一模具； 提供一基板，且該基板係設置於該模具内； 5 知1供一;谷劑及一溶質，液化該溶劑使該溶質溶在該溶 劑内，以形成一熔融液於該模具與該基板之間；以及 形成一第一磊晶層於該基板表面； 其中，該熔融液係藉由一溫度梯度熔解該模具及該基 〇 板，以形成該第一磊晶層於該基板表面。 10 2.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中係提供一 加熱裝置於該模具之-側，藉由該加熱裝置係形成該溫度 其中係提供 3. 如申請專利範圍第2項所述之方法 冷卻裝置於該基板之一側。 15 4. 如中請專利範圍第！項所述之方法，更包括以調節 =溫度梯度或超音波震m來控模具及該基㈣ 解於該熔融㈣之濃度並_該第1晶層的沉積速率。 5. 如申請專利範圍第4項所述之方法， 度係由該模具朝向該基板遞減。 、•又 石日6声如申請專利範圍第4項所述之方法，其中當該第一 層具有隸，_“溫度梯度轉㈣陷 晶層。 》 7·如中請專利範圍第6項所述之方法，立中當 陷之第一磊晶層時，則同時熔解 田 ^ 柙；基板及該模具，以再^ 20 201011814 形成該第一磊晶層於該基板上’使熔解該金屬層與沉積生 成遙晶層係為一可逆反應。 8. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中液化該溶劑 使該溶質溶在該溶劑内時，可利用震盪裝置將基板與模具 同時進行擺動。 9. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中形成於該 基板上之第一磊晶層包括碳化矽。 _ 15 ❹ 20 10. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中形成於該 基板上之第一磊晶層包括氮化鋁。 11. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中係形成一 鑽石層於該第一磊晶層上。 12. 如申請專利範圍第i項所述之方法，其中該基板包 括半導體或陶究材料。 13·如申請專利範圍第12項所述之方法，其中該基板 包括矽、藍寶石或氧化鋁。 14.如申請專利範圍第i項所述之方法，其中該模具為 3碳材料、燒結之氮化鋁或领化氮。 材料1如巾請專利範圍第14項所述之方b其中該含碳 材料係為石墨。 兮:容^=請專難圍第1 2 3項所述之方法，其中該溶劑及 該冷質包括烯土元素及過渡金屬元素。 15 1 7·如申請專利範圍第16項所述之方 2 及該溶質自；^棚社扯处 再1ρ π冷劑 3 負I括鑭、鈽、鐵、鈷、鎳或其合金。 201011814 18.如申請專利範圍第16項所 溶劑使該溶質溶在該溶劑内&〃液化該 鈽、鐵、姑、錄或其合金。^成之該溶融液包括鋼、 包括鋰 :、納如申：專利範圍第1項所述之方法，其中該熔融液 20如由、氮H、鈣、氮或其合金。 ”質二利範圍第1項所述之方法，其中該溶劑及 ^真^環境或惰性氣體之環境下形成於該基板 21.如申請專利範圍第2〇 氣體包括氮氣。 項^之方法’其中該惰性 22·如申請專利範圍第9項所述之方法，其更 一金屬氮化物層於該第一磊晶層上。 八 15 氛化2物專利範圍第22項所述之方法，其中該金屬 :金層溶解形成之熔融液包括鑭1、鐵、結、錄或其 液圍第23項所述之方法，其中該熔融 成係尨解該第一磊晶層及該模具以 第-磊晶層上。 &帛二磊晶層於該 %巾請專利範圍第24項所述之方法 晶層為碳化矽^ /、 h第一磊 26.—種編板，其係使用—具有提供 洛質，液化該溶劑使該溶質溶在該 液於一模具與該基板之間， ㈣成-熔融 20 201011814 - 藉由熔融液熔解該模具及該基板，提供沉積生成一磊晶層 於基板上。 27.如申請專利範圍第26項所述之磊晶基板，其中該 基板係為一半導體基材或一陶瓷基材。 5 28.如申請專利範圍第27項所述之磊晶基板，其中該 基板係為矽、藍寶石或氧化鋁。 29.如申請專利範圍第26項所述之磊晶基板，其中該 蟲晶層之蟲晶係為氮化紹、氮化棚、碳化石夕、或鑽石。 φ 30.如申請專利範圍第26項所述之磊晶基板，其中該 10 遙晶層之遙晶包括同質蟲晶或異質蟲晶。 31.如申請專利範圍第26項所述之磊晶基板，其中該 金屬層包括烯土元素及過渡金屬元素。 3 2.如申請專利範圍第31項所述之磊晶基板，其中該 溶劑及該溶質包括爛、鈽、鐵、銘、錄或其合金。 17