CN101621099A - 电路结构 - Google Patents
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Abstract
一种电路结构，包括：一基底以及一薄膜于所述基底上，且包括多个部分其分配如多个横列。所述多个部分的所述多个横列的每一个包括：多个凸面部分；以及多个凹面部分。在所述多个横列的每一个中，所述多个凸面部分与所述多个凹面部分分配于一间隔的图案中。本发明的优点包括减少在GaN膜与下方基底之间的晶格位差与减少由GaN膜产生的应力。
Description
技术领域
本发明涉及半导体元件制造工艺，且特别涉及在硅基底上形成晶型第III族氮化物膜，又更加特别涉及减少在晶型第III族氮化物膜中的应力。
背景技术
第III族氮化物化合物，例如氮化镓(GaN)与其相关合金，由于其在电子与光电元件中的应用性，已于近几年被热烈地研究。潜在的光电元件包括蓝色发光二极管(light emitting diode)、激光二极管(laser diode)以及紫外光光检测器(ultra-violet photo-detector)。第III族氮化物化合物的巨大能隙(bandgap)与高电子饱和速度(electron saturation velocity)也使其在高温与高速能量电子的应用中成为杰出的候选者。
由于氮在一般成长温度的高平衡压力，因此很难获得GaN块结晶。由于缺乏可实施的块状成长方法，GaN一般沉积外延于基底上，例如SiC与蓝宝石(sapphire)(Al2O3)。然而，现今制造GaN薄膜的问题为，并无立即可得的合适基底材料其晶格常数(lattice constant)与热膨胀系数(thermal expansioncoefficient)与GaN的晶格常数与热膨胀系数接近相配。在对于GaN而言可能的基底中，研究硅基底，虽然硅基底的晶格常数与GaN的晶格常数并不相配。对于GaN成长而言，硅基底由于低成本、大直径、高晶体与表面品质、可控制的导电度与高导热度而引人注目。硅基板的使用使得GaN的光电元件与硅的电子元件的整合简单化变为可能。
因此，由于缺乏适合让GaN膜于其上成长的基底，而限制了GaN膜的尺寸。大的GaN膜会在GaN膜与下方的基底之间产生大的应力，且因此导致基底弯曲。而此可引起许多不利的影响。第一，在晶体GaN膜中可能会产生大量的缺陷。第二，所产生的GaN膜的厚度将较不均匀，导致形成于GaN膜上的光学元件所发射的光波长偏移。第三，在遭受大应力的GaN膜中可能产生碎裂。因此需要免于上述问题的新的GaN膜形成方法。
发明内容
本发明提供一种电路结构，包括：一基底；以及一薄膜于所述基底上，且包括多个部分其分配如多个横列。所述多个部分的所述多个横列的每一个包括：多个凸面部分；以及多个凹面部分。在所述多个横列的每一个中，所述多个凸面部分与所述多个凹面部分分配于一间隔的图案中。
本发明提供另一种电路结构，包括：一半导体基底；以及一第III族氮化物薄膜于所述半导体基底上。所述第III族氮化物薄膜包括多个部分实质上彼此互相分离，其中所述多个部分形成一阵列包括多个横列与纵列。所述第III族氮化物薄膜的所述多个部分包括凸面部分以及凹面部分，其中在所述多个横列的每一个与所述多个纵列的每一个中，所述凸面部分与所述凹面部分分配于一间隔的图案中。
本发明还提供一种电路结构，包括：一硅基底具有一上表面；多个多面式结构于所述硅基底的所述上表面上，其中所述多个多面式结构具有以(111)的表面排列方向的斜面；多个多面式开口从所述硅基底的所述上表面延伸进入所述硅基底，其中于所述多个多面式开口中的所述硅基底的表面为倾斜且具有(111)的表面排列方向；以及一氮化镓膜。氮化镓膜包括：多个凸面部分实质上彼此互相分离，且直接于所述多个多面式结构上；以及多个凹面部分实质上彼此互相分离，且于所述多面式开口中。所述多个凸面部分与所述多个凹面部分分配于一棋盘图案中。所述电路结构还包括一介电层掩模于所述硅基底的所述上表面上，其中所述介电层掩模将所述多个凸面部分与所述多个凹面部分彼此互相分离。
本发明还提供一种形成电路结构的方法，包括：提供一半导体基底；以及形成一第III族氮化物薄膜于所述半导体基底上。形成所述第III族氮化物薄膜步骤包括形成多个凸面部分；以及形成多个凹面部分。所述多个凸面部分与所述多个凹面部分形成一阵列包括多个横列与纵列，且在所述多个横列的每一个与所述多个纵列的每一个中，所述凸面部分与所述凹面部分分配于一间隔的图案中。
本发明另提供一种形成电路结构的方法，包括：提供一半导体基底具有一上表面；形成一介电层掩模于所述半导体底的所述上表面上；图案化所述介电层掩模以形成第一开口露出所述半导体基底的所述上表面；经由所述第一开口蚀刻所述半导体基底的所述上表面以形成一第二开口于所述半导体基底中；形成一额外的掩模以覆盖所述第二开口；图案化所述额外的掩模与所述介电层掩模以形成第三开口露出所述半导体基底的所述上表面，其中所述第二与第三开口形成一棋盘图案；外延成长多面式的外延结构于所述半导体基底上且于所述第三开口中；以及选择性成长一第III族氮化物薄膜。所述第III族氮化物薄膜于所述多面式的外延结构上的部分形成凸面部分，以及所述第III族氮化物薄膜于所述第三开口中的部分形成凹面部分。所述介电层掩模露出的表面实质上无所述第III族氮化物薄膜的成长。
本发明的优点包括减少在GaN膜与下方基底之间的晶格位差(latticemismatch)与减少由GaN膜产生的应力。
为了让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合附图，作详细说明如下。
附图说明
图1A显示本发明一实施例的俯视图，其中于基底上形成一第III族氮化物薄膜，其具有凸面部分与凹面部分。
图1B显示图1A显示的结构的剖面图。
图1C显示本发明一额外的实施例的俯视图，其中于相近横列或纵列中的凸面部分与凹面部分不对齐。
图2-图8显示制造本发明一实施例的中间工艺剖面图。
图9显示本发明一替代实施例的剖面图。
上述附图中的附图标记说明如下：
20～芯片
21～背面接点
22～掩模
221、222～平行线
W1～掩模22介于线221间(或介于线222之间)的间隔的宽度
W2～平行线221及/或222的宽度
24～棋盘图案/凸面结构
26～棋盘图案/凹面结构
30～基底
34～发光二极管
38～N-GaN层
40～多重量子阱/有源层
42～P-GaN层
70～上电极
48～上部接点
T1～掩模22的厚度
L1～基底30露出的表面的长度/成长膜的凹面部分的长度
L2～成长膜的凸面部分的长度
54～开口
55～开口54的底部表面
56～斜面
58～薄掩模层
T2～薄掩模层58的厚度
60～光致抗蚀剂
62～开口
66～多面式结构
68～面
72～保角外延硅层
74～开口
具体实施方式
提供于一基底上完成第III族氮化物薄膜的异质外延(hetero-epitaxial)成长的方法与其所产生的结构。本发明一优选实施例的制造中间工艺以附图来显示。之后将讨论多个优选实施例。在本发明的所有附图与所示出的实施例中，相同的标号代表相同的元件。
图1A与图1B分别显示本发明一实施例的俯视图与剖面图。参见图1A，提供芯片20，且芯片20的上表面被掩模22划分成一阵列。较佳为掩模22由一介电材料所形成，例如氧化硅。掩模22较佳具有一重复的图案，例如一栅格图案，其具有平行线221重直于平行线222。在一实施例中，平均分隔平行线221与222，且因此通过掩模22定义的间隔为矩形，且更佳为正方形(其也为矩形的一特别形式)。掩模22介于线221间(或介于线222之间)的间隔的宽度W1较佳小于约100μm，且更佳为约0.2-10μm。然而需了解的是，在叙述中所提及的尺寸仅仅为举例，也可使用不同尺寸。平行线221及/或222的宽度W2较佳为约0.1-10μm。以周期出现的图案有助于掩模22定义接下来形成的凸面结构与凹面结构的边界。
在优选实施例中，通过掩模22定义的阵列包括分配于一间隔的图案中的棋盘图案24与26与在属于不同棋盘图案24与26的在任何横列与任何纵列中的邻近棋盘图案。棋盘图案24为凸面结构，因此也可在全文叙述中称为凸面结构24。反之，棋盘图案26为凹面结构，因此也可在全文叙述中称为凹面结构26。或者取代棋盘图案，凸面结构24与凹面结构26可排成其他图案，例如在每横列中，两个凸面结构24互相相邻，而两个凹面结构26跟随在后。
图1B显示图1A所显示的结构的剖面图，其中沿着图1A中的线A-A’的平面取剖面图。图1B显示芯片20包括基底30。在一实施例中，基底30为一半导体基底。在接下来讨论的实施例中，基底30为一硅基底，且因此称为硅基底30。然而，基底30也可由其他材料，例如蓝宝石或其类似物来形成。基底30也可为一(100)基底其具有一(100)表面排列方向(surfaceorientation)，然而其也具有其他表面排列方向，例如(110)或(111)。硅基底30可为一块状基底，或一绝缘层上硅基底具有埋藏氧化层(buried oxide)于硅层之间。
在如图1B所示的实施例中，于硅基底30上形成一发光二极管34，其中发光二极管34包括n-GaN(以一n型杂质掺杂GaN)层38、多重量子阱(multiple quantum well，MQW)40、p-GaN(以一p型杂质掺杂GaN)层42与上电极70。多重量子阱40可由，例如InGaN来形成与对于发射光而言，做为一有源层。N型GaN层38、有源层40与p型GaN层42的每一个包括于基底30上的凸面部分与延伸于基底30中的凹面部分，其中N型GaN层38、有源层40与p型GaN层42的每一个的凸面部分实质上与分别的凹面部分分离，且其实质上彼此互相分离。上电极70可从凸面结构24上延伸至凹面结构26上。进一步而言，上电极70电性连接凸面结构24与凹面结构26。上部接点48可形成于上电极70上，并与其电性连接。背面接点21可形成于硅基底30的背面上，并与其电性连接。上部接点48与背面接点21形成对发光二极管34的连接。
再次参见图1A，发光二极管34(未标示)可延伸于阵列的多个横列及/或纵列上，且因此发光二极管34可包括多个凸面结构与多个凹面结构，与图1B所示相似。
在替代实施例中，特别是，若基底30为一具有(111)表面方向排列的硅基底，则在各个横列与纵列中的凸面结构24与凹面结构26分别不与在邻近的横列或纵列中的凹面结构26与凸面结构24对齐。反而，凸面结构24与凹面结构26是与在邻近的横列或纵列中的凸面结构24与凹面结构26间的间隔对齐，如图1C所示。
图2-8显示形成如图1A与图1B所示的实施例的中间工艺的剖面图，其中沿着图1A中的线A-A’的平面取剖面图。在图2中，提供硅基底30，随后形成掩模22与将其图案化。在一实施例中，掩模22由氧化硅形成，其可为一热氧化层(thermal oxide)或沉积氧化层(deposited oxide)。或者，掩模22可由其他材料，例如氮化硅(SiNx)、氮氧化硅(SiON)、氧化铝(AlOx)或其类似物所形成。掩模22的厚度T1可为约0.1-10μm。图案化掩模22覆盖未来形成凸面部分24的区域，而露出未来形成凹面部分26的区域。基底30露出的表面的长度L1小于约100μm，且较佳为约0.2-10μm。
接下来如图3所示，执行一湿蚀刻，例如使用一氢氧化钾(KOH)溶液一段时间为约5-30秒，较佳为约10秒。氢氧化钾溶液具有约45％体积百分比的KOH，其溶解于水中。在替代实施例中，也可使用对于(100)硅基底的其他非等向湿蚀刻溶液，例如，氢氧化钾/异丙醇、CsOH、氢氧化四甲基铵(tetra-methyl ammonium hydroxide，TMAH)与乙二胺(thylenediamine)/乙醇氨(pyrocetechol)/水。
湿蚀刻导致硅基底30的(111)表面露出，且因此将所产生的开口54进行刻面，并具有斜面56其具有(111)表面排列方向。若由上方观察，开口54具有四个斜面56。依据湿蚀刻的时间，开口54可为一实质上完美而颠倒的锥形，具有变窄的斜面56且在一底部点会合。或者，以较短的湿蚀刻时间，开口54可为一梯形，其中开口54的底部表面55实质上可为平的，如使用虚线所绘示。
参见图4，毯覆沉积一薄掩模层58，例如氧化硅层58。或者，掩模层58可由硅的热氧化物来形成，而其只形成于开口54中露出的硅表面上。薄掩模层58的厚度T2可为约0.1-10μm。薄掩模层58也可由不同于掩模22的材料来形成。而在此例子中，可能增加厚度T2。
在图5中，形成光致抗蚀剂60并将其图案化，以覆盖开口54，而掩模22的一部分经由产生的开口62露出。之后蚀刻薄掩模58与掩模22的露出部分以露出下方硅基底30。接着移除光致抗蚀剂60。
再来，如图6所示，外延成长多面式结构66。多面式结构66可由碳化硅(SiC)、硅锗(SiGe)或实质上为纯硅来形成，然而可在原处掺杂p型或n型杂质。更佳为经原处掺杂的结构66具有与半导体基底30相同的导电型态。通过选择性外延成长(selective epitaxial growth)来形成多面式结构66，且因此多面式结构66局限于开口62中。外延成长为选择性，且实质上无多面式结构形成于薄掩模层58与掩模22露出的部分上。在掩模22的平行线间的各正方形或矩形间隔中，形成一个，较佳为只形成一个多面式结构66。多面式结构66具有刻面(其为多面式结构66的斜面)68。可调整工艺条件以帮助多面式结构66的形成。例如，形成多面式结构66的温度可高于约600℃，且更佳可高于约700℃以增强刻面效应(facet effect)。所以，各多面式结构66可具有一锥形体，其具有四面，各面通过分别的掩模221与222来定义。从下至上，多面式结构66的四面渐渐变窄。因此多面式结构66可为一实质上完美的锥形，具有变窄的斜面68且其在一顶部点会合。或者，多面式结构66的剖面图为一梯形，其中多面式结构66的顶部表面67(虚线)实质上可为平的，例如以较短的外延成长时间就可达到此效果。
在图7中，通过例如等向蚀刻来移除薄掩模58，其中控制蚀刻时间而不蚀刻掩模22。在所产生的结构中，开口54的露出的表面56与68全具有(111)表面排列方向。
图8显示n型GaN层38、有源层40与p型GaN层42的选择性成长，且其较佳可使用选择性外延成长来形成。在一实施例中，使用有机金属化学气相沉积(metal organic chemical vapor deposition，MOCVD)。所产生的n型GaN层38、有源层40与p型GaN层42形成于露出的硅(111)表面上，但不在掩模22之上。有益地，由于硅(111)具有一三方晶系的对称，因此所产生的GaN层具有改善的结晶结构。
再回到图1B，上电极70被形成，其可由p型欧姆材料(ohmic material)，例如AuZn合金或其他金属材料来形成。此形成方法包括溅镀、物理气相沉积或其类似的方法。在所形成的结构中，于多面式结构66之一上，各凸面结构24(也参见图1A)包括n型GaN层38、有源层40与p型GaN层42，且形成一小的发光二极管。于基底30中的开口54之一中，各凹面结构26包括n型GaN层38、有源层40与p型GaN层42，且形成一小的发光二极管。上电极70使小的发光二极管互相连接成为一大的发光二极管34。
图9显示本发明的一替代实施例。于此实施例中，发光二极管34的凸面部分24(也参见图1A)具有实质上平坦的上表面，其形成于保角外延硅(conformal epitaxial silicon)层72之上。于开口76中的发光二极管34的凹面部分26具有实质上垂直的侧壁与实质上平坦的底部。因此凹面部分26包括侧壁部分与一底部部分。形成显示于图9中的结构的工艺实质上与图2-图8的工艺相似。然而当形成外延硅层72时，可降低形成温度以减少刻面效应，且可使用干蚀刻以形成开口76。
需了解的是，虽然使用GaN的形成来做为例子，但是本发明的教示可用来形成任何于基底上的薄膜，而与分别的芯片尺寸相较，无论什么时候薄膜的总面积都明显较大。在一实施例中，也可形成其他第III族氮化物材料，例如InGaN或AlInGaN。
本发明实施例具有许多优点。由于外延成长膜(例如GaN膜)具有中断的图案，且中断的图案不在相同水平面，所以释放出成长膜与下方基底间的晶格位差所引的应力，且因此至少也减少了由外延成长膜引起的芯片弯曲。也减少了于薄膜中的转位(dislocation)，而产生品质改善的薄膜。由于GaN膜形成在硅(111)薄膜上，也减少了晶格位差，更进一步减少了应力。
为了使本发明的有益的影响最大化，成长膜的凸面部分与凹面部分较佳为在尺寸与形状上为对称。例如，于图8中，成长膜的凹面部分的长度L1较佳为等于成长膜的凸面部分的长度L2。更佳为，除了上下颠倒外，成长膜的凹面部分的形状较佳为与成长膜的凸面部分的形状相同。由于具有对称的结构，由凸面部分产生的应力可抵销由凹面部分所产生的应力，而因此不管成长膜的总面积，所产生的芯片将不会弯曲。因此在一实施例中，若多面式结构66(参见图8)为一实质上完美的锥形，开口54较佳也为一实质上完美而颠倒的锥形。然而，若多面式结构66为一梯形，开口54较佳也为一颠倒的梯形。
虽然本发明已以优选实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域的普通技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定的范围为准。
Claims (15)
1.一种电路结构，包括：
一基底；以及
一薄膜于所述基底上，且包括多个部分其分配如多个横列，其中所述多个部分的所述多个横列的每一个包括：
多个凸面部分；以及
多个凹面部分，其中在所述多个横列的每一个中，所述多个凸面部分与所述多个凹面部分分配于一间隔的图案中。
2.如权利要求1所述的电路结构，其中所述薄膜的所述多个部分形成一阵列。
3.如权利要求1所述的电路结构，其中所述薄膜的所述多个部分实质上彼此互相分离。
4.如权利要求1所述的电路结构，还包括：
外延结构于所述基底的所述上表面上，其中所述多个凸面部分直接于所述外延成长结构上；以及
开口从所述基底的所述上表面延伸进入所述基底，其中所述多个凹面部分于所述开口中。
5.如权利要求4所述的电路结构，其中所述外延结构为多面式结构，且其中所述开口具有倾斜的侧壁。
6.如权利要求1所述的电路结构，还包括一导电上电极延伸于所述薄膜的所述多个部分上，且与其电性连接。
7.如权利要求1所述的电路结构，还包括一图案化介电层掩模于所述基底上，其中所述多个凸面部分的侧边缘与所述多个凹面部分的侧边缘接触所述图案化介电层掩模的边缘。
8.一种电路结构，包括：
一半导体基底；以及
一第III族氮化物薄膜于所述半导体基底上，其中所述第III族氮化物薄膜包括多个部分实质上彼此互相分离，其中所述多个部分形成一阵列包括多个横列与纵列，且其中所述第III族氮化物薄膜的所述多个部分包括：
凸面部分；以及
凹面部分，在所述多个横列的每一个与所述多个纵列的诶一个中，所述凸面部分与所述凹面部分分配于一间隔的图案中。
9.如权利要求8所述的电路结构，其中所述第III族氮化物薄膜包括一n型氮化镓层、一有源层包括一发光材料于所述n型氮化镓层上，以及一p型氮化镓层于所述有源层上。
10.如权利要求8所述的电路结构，还包括一介电层掩模将所述第III族氮化物薄膜的所述多个部分彼此互相分离。
11.如权利要求8所述的电路结构，还包括多面式结构于所述半导体基底的一上表面上，其中所述凸面部分直接于所述多面式结构上；以及多面式开口从所述半导体基底的所述上表面延伸进入所述半导体基底，其中所述凹面部分于所述多面式开口中。
12.如权利要求11所述的电路结构，其中所述半导体基底为一硅基底，且其中所述多面式结构与在所述多面式开口中的所述半导体基底露出的表面具有(111)的表面排列方向。
13.如权利要求8所述的电路结构，其中各个所述凸面部分在尺寸上与各个所述凹面部分对称。
14.一种电路结构，包括：
一硅基底具有一上表面；
多个多面式结构于所述硅基底的所述上表面上，其中所述多个多面式结构具有以(111)的表面排列方向的斜面；
多个多面式开口从所述硅基底的所述上表面延伸进入所述硅基底，其中在所述多个多面式开口中的所述硅基底的表面为倾斜且具有(111)的表面排列方向；
一氮化镓膜包括：
多个凸面部分实质上彼此互相分离，且直接于所述多个多面式结构上；以及
多个凹面部分实质上彼此互相分离，且于所述多面式开口中，其中所述多个凸面部分与所述多个凹面部分分配于一棋盘图案中；以及
一介电层掩模于所述硅基底的所述上表面上，其中所述介电层掩模将所述多个凸面部分与所述多个凹面部分彼此互相分离。
15.如权利要求14所述的电路结构，其中所述氮化镓膜为n型氮化镓膜，且其中所述电路结构还包括一有源层，其包括一发光材料于所述氮化镓膜上，以及一p型氮化镓膜于所述有源层上，且其中所述有源层与所述p型氮化镓膜各包括额外的凸面部分与额外的凹面部分。
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