1275135 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明疋有關於一種具有單晶絕緣體接面膜的磊晶用 基板之製作方法，特別是指一種具有單晶氧化銃（Sc2〇3)接 面膜的蠢晶用基板之製作方法。 【先前技術】 絕緣體（insulator)與半導體（semic〇nduct〇r)之間的 異質磊晶（hetero-ephaxy)及異質材料成長（heter〇gr〇wth), 一直都疋科學研究及產業應用上極為重要且相當有發展性 的領域。 其中，在絕緣層上覆矽（Silic〇n 〇n Insulat〇r，簡稱 SOI)的技術’是利用在石夕晶片下增加氧化物的絕緣層，以 避免電氣效應’而降低電源消耗，減少電流的流失，並加 快積體電路（Integrate Clrcuit，簡稱Ic )的處理速度。近 年來因為半導體元件中導線線寬越趨窄化，在奈米級電子 元件或是高頻高通訊元件中半導體矽基板所產生的雜訊對 於超微小元件已產生不當的干擾，而利用sm技術可降低 基板所造成的雜訊或減少漏電的發生，因此⑽技術在製 造超微小尺寸的奈米級元件或是高頻通訊元件擁有高度發 展應用性。 口則巾兄的絶緣層多為二羞 乳化矽（Sih)，但是隨著 90 nm線寬製程的量產，以及 及小於5〇 nm線寬製程處於研究 發展的階段，矽工業已開始進 、不木C nano-meter )尺寸的 世代。因此，二氧化矽閘極介雷 兒層（gate dielectric)之厚度 5 1275135 亦將降至ι·ο nm，進而逼近發生量子穿隧效應（（㈣此】 effect) @界限值。當二氧化料於此厚度值時，將無法維 持二^化矽的電子結構及絕緣特性，且由穿隧效應所產生 之漏電流（leakage current)將可達工〜1〇A/cm2，因而成為 元件漏電的主要機制。為避免此現象的發生，尋找高介電 常數（dielectric constant，k)的材料取代二氧化矽是目前 研究此領域者努力的目標。 此外，在絕緣體上成長化合物半導體也是異質磊晶技 術另-項重要的應用。其中，較受矚目的是在藍寶石（ sapphue)基板上成長氮化鎵（GaN)系列的化合物半導體（ 即，結構為GaN系列化合物半導體/藍寶石基板）。由於氮 化鎵是具有高能階差的化合物半導體，且藍寶石是非常好 的絕緣體’此技術的發展構成藍光、綠光的半導體雷射與 發光二極體的量產化。雖然目前使用藍寶石為基板可成長 II化鎵蟲晶層W製作藍光發光二極體，但是藍寶石因為不 具導電性、散熱效果不佳且價格昂貴，而限制其在大尺寸 照明應用的發展，再加上藍寶石硬度大，使得後續的研磨 、切割製程的良率降低，也造成生產成本的提高。 然而異質磊晶最大的困難在於磊晶層成長的晶袼（ lattice )大小必須與基板（⑶以的比）的晶格匹配，才不至 於因應力因素導致晶格缺陷（lattice defect)，甚至造成晶片 彎曲現象。因此基板的選擇是決定蠢晶層品質的關鍵因素 之一。 近來已令研究疋藉由絕緣結晶層間接磊晶成長化合物 6 1275135 ΙΓΓΓ板上（即’化合物半導體/絕緣結晶層/石夕基板） ’此種方式可以㈣基板來取代藍寶石。由㈣基板成本 且具有較㈣導純及導龍，並可配合積體電路 *此使㈣基板蠢晶成長化合物半導體即能將光電 類電子及光電元件。 在一起，發展更高性能的各 jvMs.TH〇ng、A.R. K咖及 H.M. Ng 等人於
.Tech:· B 2〇 (3) _2) 1274揭露的—種以稀土族 兀Ά化物為異質蟲晶成長化合物半導體用之接面層，並 二弟二層/氧化鎖⑽处）層/第—GaN〜氧化紹 2 = 層結構為例說明之’即以藍寶石晶體㈧2〇3單 曰日土氏成長一乐一GaN層，並於該第—GaN層 :::03層或-氧化…)層之後，再成長一第 =層等化合物半導體。此研究結果指出雖然前述的稀I …層與該第…，的晶格常數差異很大 ΓΓ叫但是該等氧化層卻能在該第—㈣層上形成單 ^目’且為通常僅在高溫穩定的六方最密堆積（hexag0⑽
稱Hcp)結構，另—方面，該第二GaN 二亦月4成早日日相’亚與該第—㈣層具有相同的 構。 r、， 此外，在氧化銳（SC2〇3)層/石夕基板的結構中，
Sc2〇3層的平面對稱 、 稱性相同，且由G㈣所構成的對
構成的輸响^1他=氧化物（111)基板結構所 π了不而其他結構的接面膜。由此推知，GaN 7 1275135 ，其相關之複合物將可於Sc2〇3層上磊晶成長(即，Sc办層 可做為再蠢晶成長半導體膜的接面膜。） β傳統蠢晶成* Sc2〇3，的方法是分別以金屬鏡㈣與氧 =(〇2)為起始物，在減壓環境中直接化合形成後並沉 私在石夕基板上而形成ScA層。但是此種方式Μ Μ 2〇3層不月b形成單一晶域（如咖)，、结曰曰曰品質不佳 此外，SC2〇3層結晶品質的優劣亦會影響間接蟲晶成長的 化合物半導體層之缺陷密度，因此，進一步也會影響整合 兀件的品質及性能。 ° "由上所述，在異質蟲晶成長過程中’降低氧化銳接面 肤與下方基板之間的缺陷密度並提高氧化 士曰 口所、 “八W >/、、、〇日日 口口貝’以致使形成於氧化銳接面膜上的化合物半導體層維 f良好的結晶品質及整體元件的性能，是目前開發異質磊 晶成長相關領域者所需克服的一大難題。 [發明内容】 〈發明概要〉 本發明藉由改變起始物，以呈固態且高純度的氧化叙 粉末做為分子束蟲晶（则Iecular beam epliaxy ’簡稱麵)的 热鑛源，在減壓環境中，汽化前述的氧化銳粉末以於一呈 鑽石立方（dla_d cublc，簡稱Dc)單晶相且晶面指數⑽ne ms)為（111)的基底上形成—氧化·面膜。 傳統利用金屬銳⑼)與氧氣㈣為起始物直接經由汽相 化合形成Sc2〇3後再完成沉積的製程，極易因為在&办未 完成沉積時增加化學氧化反應的程序，而導致化學反應不 1275135 完全並致使所蟲晶出來的s咏層品質較差；相較於本發明 ，使用固態蒸鍍源做為起始物，是以原子團直接磊晶成長 ，因而致使該氧化銳接面膜與該基底之間是呈三重對稱（3 ㈣s„ry)及60度旋轉（6〇。r〇tati〇n)的對稱模式，^而 達到高品質的單-晶域單晶（singIe_domaln Slngje c⑽ ’並藉呈單晶態的氧化筑接面膜及該基底構成成長化合物 半導體層的磊晶用基板。 因此’本發明之目的’即在提供一種具有單晶氧化銃 接面膜的蟲晶用基板之製作方法，特別是指一種在異質蟲 晶成長過程中可降低氧化筑接面膜與下方基底之間的二 密度並提高氧化錢接面膜的結晶品質，以致使後續形成於 氧化銃接面膜上的化合物半導體層維持良好的結晶品質及 4體兀件性此之具有單晶氧化銳接面膜的蟲晶用基板之 作方法。 t 於是’本發明具有單晶氧化銳接面膜的蟲晶用基板之 製作方法，包含下列步驟： (b) ⑷於一減壓環境中提供一呈鑽石立方單晶相且晶面 指數為（111)的基底及一固態氧化筑源；及 汽化該固態氧化銃源，以於該基底上形成一單晶 氧化銳接面膜進而製得-具有單晶氧化鏡接面膜 ^石“a用基板’其中’該單晶氧化鏡接面膜與該 基底之間疋王二重對稱及6〇度旋轉的對稱模式。 1275135 〈發明詳細說明〉 法 本《月具有單晶氧化銳接面膜的蟲晶用基板之製作方 包含下列步驟： ⑷T —減㈣境中提供—呈鑽石立方單晶相且晶面 指數為（1Π)的基底及一固態氧化銳源；及 (b)二化該固態氧化鏡源，以於該基底上形成—單晶 氧=銳接面膜it而製得-具有單晶氧化銳接面月; 的蟲晶用基板，其中，該單晶氧化銳接面膜與該 基底之間是呈三重對稱及6〇度旋轉的對稱模式。 較佳地，該步驟（a)的基底是由石夕所製成，且該步驟 的減壓環境的塵…X1〜以下。更佳地，該步驟 ⑷的減壓環境的壓力是介於工χ 1〇.7 t〇rr至工X ^ 之間。在一具體例中，該步驟⑷的減壓環境的壓力約為1 X 10·9 torr 〇 較佳地，該步驟（a)與該步驟（b)之間更包含一步驟（b，）， 該步驟（b’）是在—預定高溫下對該基底料原子轟擊以去除 〆基底的表面上之原生氧化層（native oxide layer)，且該 步驟（b’）的預定高溫是介於7〇〇。〇至1〇〇(Γ(：之間。更佳地， 該步驟（b，）的預定高溫是介於8〇〇它至9⑻。c之間。在一具 體例中，該步驟（b，）的預定高溫約89〇°c。 較佳地，該步驟（b，）與該步驟（b)之間更包含一步驟（b，，) ，該步驟（b”）是於該基底的表面上形成複數矽原子層以完成 。亥基底的表面重建（surface reconstruction)。 較佳地’該步驟（b)是於該基底施加一工作溫度，該工 10 1275135 作溫度是介於25d 1()()(rc之間。更佳地，該卫作溫户是 7介：戮至载之間。在-具體例中，該咖 進—步地，該步驟⑻之後更包含-步驟⑷，該步驟（c) 疋玄早晶氧化銃接面膜上形成一保護膜。較佳地，气牛 驟⑷的保護膜是選自於由下列所構 :二 (㈣〇响〇usSl :簡稱a外二氧化石夕、氧化產呂。在—具體 例中’該步驟（C)的保護膜是非晶矽。 【實施方式】 、有關本發明之前述及其他技術内容、特點與功效，在 以下配合參考圖式之一個具體例的詳細說明中姑 的呈現。 /月疋 〈具體例〉 本發明具有單晶氧化銳接面膜的蟲晶用基板之製作方 法的一具體例說明於下。 上將一呈鑽石立方單晶相且晶面指數為（111)的石夕基底 忒片置於一多腔體高真空分子束磊晶系統的一第一胪室中 ，該第-腔室内之㈣持在約HTWr以下，並將侧 在此超高真空系統中升至約89Gt高溫，利用少許㈣子束 撞擊該試片表面’使原生氧化層產生化學反應而進行石夕基 底表面清洗及重建的動彳七 ]動作，此時經由臨場反射式高能量電 子束繞射㈣ ectl0n high energy electron diffract】on，以下簡 % RHEED) Ά可传到—非常銳利的繞射線圖（圖未示）。再 利用分子束蟲晶的原理於該試片表面蟲晶成長數個原子層 11
1275135 厚的矽，由g品場反射式南能量電子束繞射影像觀察，可得 J原子級乾淨且非常完美的矽基底表面重建繞射線圖（圖 未示）’其對稱方式為（7X 7 )六重對稱。 接著將該試片在沒有接觸大氣的情況下，直接以臨場 门一 I的方式傳送至一第二腔室，該第二腔室内之壓力亦 保持在ι〇Λ〇ΓΓ以下，且該第二腔室中設有一純粉末堆積（ P P Wder-Packed )的氧化銳蒸鍍源，利用電子束汽化該 虱化叙瘵鍍源以對該矽基底施予磊晶成長，在此同時，該 夕基底、准持在約77〇c之溫度，使磊晶成長過程在約77〇它 高溫的工作溫度下進行，進而在該石夕基底上形成一約工奈 米厚的氧化銳接面膜。於完成蠢晶成長該氧化銳接面膜： 後、，利用反射式1^能量電子束繞射影像觀察，#可得到一 相當完美銳利的繞射線影像（圖未示），其對稱方式為（4 六重對稱。 、 ^ 一 ^w γ φ见散干面的對稱 方式均相同。在完成以成長該氧化筑接面膜之後，㈣ ，製有氧化銳接面膜的石夕基底試片傳送至一第三腔室，臨 场再於該氧化銳接面膜上沉積一約數奈米厚且可防止水氣 進入該氧化銳接面膜的非晶仲，層，進而形成—Μ /Sc2〇3層/Si基底的膜層結構。 s
:閱圖1與圖2 ’分別是使用該具體例的製程條件並在 =化筑接面膜於厚度5奈米時沿著[4-2_2]方向 方向之即時RHEED量測 J 利筆直的…… 見有非常明亮且銳 章直的㈣置反射式電子繞射條紋（即，皆顯示有一 12 1275135 (,4x4)之重構圖案），並表現出表面結構重整的情形，顯示該 氧化敍接面膜晶體結構非常完美。 該氧化敍接面膜的晶體結構經測定為立方晶系的相。 如圖3戶斤示’為沿著石夕（叫平面法向量做X射線掃描（x_ ray sc叫的頻譜圖，其結果顯示該氧化銳接面膜為—單晶結 構在代表石夕（in)基底之最強的導值旁邊約谓〇弧秒（ arCSeC)附近，有一明顯的波峰，此為氧化銃立方晶系之 (222)平面所造成。由於動態' χ射線繞射掃描方式對於原子 結構是否完美非常的敏感，只要有些許的不完美原子排列 就Γ徹底的破壞此一流蘇狀的條紋。因此，這個清晰的潘 迪維呆振盪（Pendellosung 〇scl】】ati〇ns)頻譜紋是高品質氧化 :蟲晶接面膜的強有力證明’顯示該氧化筑接面膜有著非 ^…坦的表面與介面。此外，…所示，該氧化 、几面te的（ill)轴與該石夕基底的（出）轴相對準，且 =化銳接面膜與料基底的其他單位晶胞（⑽灿）向 二相平行，此結果並可與該氧化銳接面膜{，方向的 "/〇ne_SCan)掃目苗相互對照（如下面® 7所示）。 強列斟：圖4 $低角度x射線反射比量測結果，亦觀測到 :比的嶋紋，利用這些不同週期的震 :::::的厚度’以及利用訊號對於不同角度的 好計面及介面的粗链度’在定量上準確的應用電腦 準二：：算出該接面膜膜厚約為181埃(Α)，且可 n,面間的介面粗糙度，其中，sc必岸/s 之介面粗键度約為6A、a.Sl層 θ 土- 2%層之介面粗糙度約為 13 1275135 〇 11.93Α’而最上層的a_Si層的表面粗糙度約為u•料人。再 次說明該氧化料面膜的高度㈣性，以及氧Μ接面膜/ 石夕基底之間介面的平坦性。 另外，如圖5與圖6所示之搖擺曲線（⑽⑻ 的刀析’推异在該矽基底（1ιι)方向及該氧化敍接面膜（ 22)方向之強度峰的半高寬值各為1〇弧秒及”弧秒，從 狹窄时高寬值可再-次驗證本發明所製得的氧化銳接= 肤為咼品質的單晶氧化銳薄膜。 值得-提的是，該石夕基底在進入分子束蟲晶系統前， 可使用-般的標準清洗流程（RCA_eIean)預先去除該石夕其 的表面微粒或有機污染物等雜質，並進-步使用氫氣酸 =)濕式㈣”基底的表面原生氧化層，進而改善各介面 間的表面粗趁度。 如圖7所不’由該氧化銳接面膜{440}與該矽基底{22〇} 繞射峰方向相對於平面法向量的面内（-PW)圓椎掃目苗 C〇lle咖〇可看出，該氧化銳接面膜與該石夕基底表面方 。的對㈣係是呈三重對稱且# 6Q度旋轉的對稱模式，且 由於立方晶系在（m)方向轴對於{22〇}取向上為三重對稱， 顯示該氧μ接面膜於料基底切呈現 選的結晶區域（slngledGma】n)。 圖8為1^析度穿透式電子顯微鏡（η㈣r⑽】此⑽ 咖而副細，簡稱HRTEM)影像，從 f 8中可得知在該氧化銳接面膜與該石夕基底介面處並未有 其他氧化石夕層產生，代表本發明可以保持介面處的完整潔 ]4 1275135 。又及平整度。且由圖8可知該a-Si声之尸 ㈧，該接面膜膜厚約為182埃(A)… '度約為2〇埃 果相符。 圖4分折所得之結 圖9為該氧化銳接面膜之漏電流密 析圖，其量測主要結構為：金屬層/氧化物芦導電場㈤分 使用金屬層材料為金—並作為上電極層/氧化=層，所 化叙接面膜，半導體層則為該石夕基底。漏兩q运即該氧 測到的電流值除以上φ ^机抢度為所量 ； 上兒極0柱狀金屬層的 2 中，上電極圓柱狀金屬層 、（咖），其 卜 嘈向矛貝為7.85xicr5 cm2。 知加的電愿佶e 电#為所 d土值⑺除以乳化層及其上非 ㈣’電壓正負取向為相對於上電極層的方 (M〇S)結構在氮氣環境下進行350〇C的退火將 乳 電現象，表示此退火的方式可有效消除於製程蟲晶中 ：？ =對於氧化物層薄膜所造成的電致缺陷，且崩潰電= 達到5MV/cm以上。 :然術㈣晶格常數為5.43埃，氧化筑晶體的晶格 吊數為9.86埃。若以兩個石夕晶格匹配一個氧化銳晶格作為 -個單位胞來計算時’其不匹配率高彡9·2百分比…。 但是由該具體例的各項分析數據顯示’該氧化銃接面膜是 相當高品質的單晶| ’且具有低漏電流與高崩潰 (breakdown)電場。該氧化銳接面膜與該石夕基底㈤，雖有很 大的晶格不匹配度’但並未產生太多的晶型或電致缺陷。 綜上所述，本發明具有單晶氧化叙接面膜的蟲晶用基 板之製作方法’在異質蟲晶成長過程中可降低氧化銳接面 15 1275135 膜與下方基底之間的缺陷密度並提高氧化銃接面膜的結晶 品質，因而致使該具有單晶氧化銳接面膜的磊晶用基板於 後-賣元件衣私上的應用時，仍能維持良好的結晶品質並具 有整體元件性能佳等特點，故確實達到本發明之目的。/ 处惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不 2以此限定本發明實施之·，即大凡依本發明申請專利 乾圍及發明說明内容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍 屬本發明專利涵蓋之範圍内。 【圖式簡單說明】 桩而B-从r 々Μ工,,木丨卞业隹一氧化筑 :、旱度5奈米時沿著[4 2 q方向的Rheed圖案· 於严使㈣具體例的製成條件並在該氧化銃接面膜 4度5奈米時沿著[2叫方向的RHEED輯； 、 圖3是該具體例之X光射線掃描單晶頻譜卞圖； 圖4是該具體例之低角度X光反射比量測圖； 是，體例之繼Si(m)的摇擺曲線圖； "疋该具體例之氧化銳接面膜Sc2〇 ί22：η & 曲線圖； C2〇3 ( 222)的搖擺 及 圖 '你畀體例之X光的 B 「^ π巧诵分析圖； -該具體例之高解析度穿透式電子顯微鏡影像; 圖9疋該具體例之漏電流密度⑴對於 電場（Ε)分析圖 〇 16 1275135 【主要元件符號說明】