[发明专利]利用化学键结形成化合物磊晶层的方法及磊晶产品

说明书

技术领域

本发明是关于一种利用化学键结形成化合物磊晶层的方法及磊晶产品，主要是在接触层上形成一不饱和离子键结层，并以能量激发的方式在不饱和离子键结层的非金属离子上形成悬空键结，并利用悬空键结的极性，以化学键结的方式，在不饱和离子键结层上形成化合物磊晶层，令制造厂商在不需采用昂贵的分子束磊晶技术的情况下，即可制作出质量稳定的镜面状平面晶的磊晶层。

背景技术

磊晶(Epitaxy)技术是一种应用于半导体元件制造过程中的技术，其目标是在原有芯片上长出新结晶，以制成新半导体层，此种技术又称为磊晶成长(Epitaxial Growth)，而利用磊晶技术成长出的结晶或晶粒即称为磊晶。磊晶技术可用以制造硅晶体管及CMOS(Complementary metal-oxide-semiconductor)集成电路等各种元件，且在制作化合物半导体时，磊晶技术更是不可或缺的重要技术。

磊晶技术包括化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition，简称CVD)、分子束磊晶技术(Molecular Beam Epitaxy，简称MBE)、真空蒸镀技术、液态磊晶技术(Liquid Phase Epitaxy，简称LPE)及固相磊晶技术(Solid Phase Epitaxy，简称SPE)。在半导体基板上生长一层磊晶，是半导体制程中一项基本且重要的技术，而磊晶的厚度及成分控制，将大幅影响产品的特性及良率，在各种磊晶技术中能完全达到精度要求，可能只有分子束磊晶(MBE)，故制造厂商为了生产镜面状平面晶的磊晶产品，通常是采用分子束磊晶技术(MBE)，该技术是由贝尔实验室的J.R.阿瑟(J.R.Arthur)和卓以和(Alfred Y.Cho)所发明。分子束磊晶技术是使单晶材料生长的一种方法，且必须在高真空或超高真空(ultra-high vacuum)的环境进行。

分子束磊晶最重要的重点是其低沉积率，通常使薄膜以每小时低于1000纳米的速度磊晶生长，但低沉积率意味着真空程度必须足够高，以达到其它沉积方式同等级别的洁净程度。在固体源的分子束磊晶过程中，元素会以超纯(ultra-pure)的形式被独立加热，直到其开始缓慢升华为气态物质，该气态物质将会在晶圆上凝结，并互相作用，例如以镓和砷作用产生单晶砷化镓。之所以称为「分子束」，是由于过程中的气体原子并不产生交互作用，且亦不与真空室物质反应。在磊晶过程中，制造厂商可利用反射高能电子绕射来检测晶体层次生长的进程，并通过控制反应室的阀门，以精确控制每个晶体生长层次，使其精确度可以达到单层原子。磊晶成长的速率完全由单位时间内射到基板表面的分子数目决定，由于磊晶速度慢，所以可以很精确的控制磊晶层的厚度。

制造厂商采用分子束磊晶技术(MBE)制成的镜面状平面晶的产品，即不会有岛状成核(island type nucleation)或块状成长(cluster growth)等柱状晶的特征。然而，通过分子束磊晶技术所产出的产品，由于磊晶层之间是以物理接触的方式相结合，其结合的强度往往较弱，发明人根据多年的研究与观察发现，以现有分子束磊晶技术所制成的产品，往往会有各磊晶层分离剥落的问题发生，相当不理想。再者，分子束磊晶技术常会遭遇到磊晶障壁高的问题，且分子束磊晶的制程成本极高，对于制造厂商而言更是一大负担。

此外，经查有研发单位研发出一种以氮化钛作为磊晶缓冲层的三五族AlGaInN氮化合物基板结构(中国台湾公告第I264835号发明专利)，其是在硅基板表面上，形成一氮化钛缓冲层。以硅做为三五族氮化合物磊晶基板具有下列几项优点：(1)可简化制程及降低成本、(2)优良导热性、(3)大面积(目前可至12吋以上)、(4)可结合目前以硅为主的半导体技术。不过由于硅的(111)面与三五族AlGaInN氮化合物的(0001)面晶格常数相差甚大，其间的晶格不匹配程度高，因此首先必须先在硅上成长一层缓冲层(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应力问题。该专利前案是直接以金属有机化合物化学气相沉积法，成长出氮化钛薄膜，但发明人深入研究后发现，在实际生产上，该专利前案的作法很难制造出有效的结晶颗粒，故该专利前案所揭露的方法目前并无法适用在实际制程中。