TW201310702A - 異質磊晶層的成長方法 - Google Patents

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Abstract

在一實施例中，異質磊晶層的成長方法包括提供圖案化基底，所述圖案化基底含有具側壁的圖案化特徵。所述方法還包括在暴露步驟中將離子導向所述側壁以形成改質側壁區域；以及在一組沈積條件下沈積異質磊晶層，與所述圖案化特徵的其他表面相比，該組沈積條件適於在所述側壁上優先促進磊晶成長。

Description

改良式的使用離子植入的異質磊晶成長 【相關申請案】
本申請案主張2011年6月16號提申的美國臨時專利申請案第61/497,744號的優先權，其整體內容以引用方式併入本文。
本發明涉及離子植入，且更具體而言，涉及用以促進化合物半導體成長的離子植入。
許多商業應用的目標在於改善晶體基底(例如半導體基底，特別是化合物半導體)的品質。不像矽等材料可以相對低的成本從熔融態成長為單晶塊體形式，許多化合物半導體是以在單晶矽基底上以磊晶方式成長多個膜層的方式來製造。因為矽或藍寶石基底的品質很好，通常使用諸如矽與藍寶石的基底來成長其他單晶材料。然而，這些異質磊晶製程會遭逢異質磊晶固有的問題。
在一重要實例中，氮化鎵(GaN)是常成長在用於發光二極體(light emitting diode，LED)的基底上的材料。成長高品質GaN的能力是改善這些元件的品質和降低這些元件的成本的決定因素。在藍寶石或矽基底上成長GaN通常會產生稱為螺旋差排(threading dislocation或「thread」)的晶格缺陷(crystal fault)。這些螺旋差排可能是由GaN和基底之間的晶格尺寸不匹配或熱膨脹不匹配而產生。由於導電性較差，螺旋差排可能使LED的效率、 可靠度或壽命劣化。因此需要一種改良的成長材料(例如成長化合物半導體，更具體地說，成長GaN)的方法。具體地說，需要一種改良的異質磊晶製程。
發明內容是以簡化方式選擇性地介紹發明概念，發明概念將在實施方式中進一步地描述。發明內容並不意欲指認申請保護之主體內容(subject matter)的關鍵特徵或重要特徵，也不意欲幫助確定申請保護之主體內容的範疇。在一實施例中，異質磊晶層的成長方法包括提供基底，所述基底含有具側壁的圖案化特徵。所述方法還包括在暴露步驟中將離子導向所述側壁以形成改質的(altered)側壁區域；以及在一組沈積條件下沈積異質磊晶層，此組沈積條件適於在所述側壁上優先(與所述圖案化特徵的其他表面相比)促進磊晶成長。
在另一實施例中，發光二極體元件包括基底與元件構件。基底包括第一材料，第一材料經圖案化而成為具側壁的二維陣列峰狀特徵(peaked feature)，所述峰狀特徵具有植入區域，且所述植入區域包括分散於第一材料內部的植入物種。元件構件包括配置在圖案化基底上的磊晶層。磊晶層包括多個初始成長區，其各自鄰近峰狀特徵的側壁配置。
本文所述的實施例可針對化合物半導體(例如GaN)的成長，但這些實施例也可用於其他三/五族化合物半導 體、第四族半導體、二/六族化合物半導體或本技術領域中具有通常知識者所知的其他材料。雖然揭露一種特定類型的植入機，但本技術領域中具有通常知識者所知的可聚焦離子束或可針對基底(無論其上有無遮罩)的特定區域進行植入的其他離子植入系統也可用於本文所述的實施例。例如，也可以使用電漿摻雜或束線式(beamline)離子植入機。雖然具體地揭露LED，但本文所述的實施例對其他元件也可能是有益的。本文所述的基底可為矽、藍寶石或其他材料，且在一些案例中可包括塗層(coating)或其他膜層。因此，本發明不限於以下敘述之特定實施例。
根據本實施例，對圖案化單晶基底執行離子植入，這可為改良製造LED的製程，也可改善LED的品質。本文使用的術語「單晶」意指由單一晶體構成的物件(例如晶圓或其他基底)，以此與多晶材料(含多個晶粒的物件)區別。此種圖案化單晶基底(patterned single crystalline substrates,PSCS)的實例包括圖案化藍寶石基底、圖案化矽基底、圖案化碳化矽基底以及圖案化氮化物基底。本實施例不限於此脈絡。如本文所述，術語PSCS包括的那些基底例如圖案化藍寶石基底以及圖案化矽基底，前述兩者通常以縮寫「PSS」稱之。更具體地說，本實施例促進在PCSC上的異質磊晶成長，其中，所成長的晶體層與基底(晶體層在其上成長)的化學性質不同。這些異質磊晶的實例包括沈積在藍寶石上的氮化鎵或沈積在矽上的氮化鎵。本實施例不限於此脈絡。除非另有註明，否則，本文 使用的術語「氮化鎵材料」或「Ga：N材料」可指化合物GaN，但也可指包括氮化鎵的三元化合物或四元化合物，例如AlGaN、InGaN等。此外，本技術領域中具有通常知識者將理解，此種成長而得的材料可包括摻質，例如鎂或碳(以p型摻雜為例)以及矽(以n型摻雜為例)，且通常可具有與GaN類似的晶體結構。
不像習知的製程使用PSS基底以形成晶體層，本實施例以離子植入搭配PSCS基底，成為製造異質磊晶成長層的更佳製程。如下文詳述，藉由離子處理以及PSS結構在膜層(例如化合物半導體)製作期間的嶄新結合，可調整這些膜層的品質和性質。一些實施例可使用習知的PSS基底進行離子植入，而其他實施例可以離子植入調整PSS基底結構。
圖1a至圖1e根據本實施例繪示異質磊晶層的製作方法的示範性特徵。圖式呈現基底的剖面，在此，為了說明的目的而將此基底稱為PSS基底，但其也可為其他基底，非限制性的實例包括圖案化碳化矽基底或圖案化氮化物。在一些實施例中，PSS 100可為藍寶石晶圓，其具有2"、4"、6"或更大的直徑，或者PSS 100為具有任意習知直徑的矽晶圓。這些未圖案化晶圓的特徵通常在於具有相對的表面，其中至少一者可經過拋光，且在經過處理而形成元件之前可定義一平面。如圖1a所示，PSS 100起初具有表面50，且有一組遮罩特徵102沈積在表面50上。在一些實施例中，這組遮罩特徵102可以是圖案化光阻層，而在其他 實施例中，這組遮罩特徵102可以是圖案化氧化物、氮化物或其他硬遮罩材料。
根據本實施例，如圖1b所示，在這組遮罩特徵配置在表面50上時對PSS進行蝕刻，且藉由蝕刻形成多個谷101。如圖所示，多個谷定義大致排列成二維陣列的一組特徵60。排列成二維陣列的PSS的實例如以下圖2a至圖2d所示。圖1b的蝕刻製程可根據已知技術執行。例如，在這組遮罩特徵102為光阻的實施例中，可執行習知的乾蝕刻製程(例如電漿蝕刻)以定義谷101以及特徵60。相反地，在這組遮罩特徵102為氧化物硬遮罩的實例中，可執行習知的濕蝕刻製程。例如，在PSS 100為藍寶石的實施例中，可執行高溫硫酸/磷酸蝕刻。
參照圖2a至圖2d，其呈現圖1a至圖1e所繪之實施例中可採用的不同PSS基底。圖2a與圖2b繪示兩種不同的PSS 202與PSS 210的平面圖。PSS 202、PSS 210各自由谷204、谷212定義，谷204與谷212各自分隔二維陣列的特徵206與特徵214。在各個案例中，如圖2c至圖2f所進一步繪示，特徵206、特徵214的形狀為傾斜的峰狀，且其直徑約為2.5 μm至2.7 μm。谷204、谷212在峰之間的寬度約為0.9 μm至1.1 μm。值得注意的是，特徵206、特徵214可為乾蝕刻製程後形成的代表性特徵。
圖2c至圖2d分別繪示PSS 202、PSS 210的一維側像(profile)220與側像222。從此側像可知，特徵206的高度約1.1 μm至1.3 μm，而特徵214的高度約1.1 μm至1.3 μm。如圖所示，特徵214的頂部較特徵206的頂部更為尖銳。當然，在其他實施例中，其他特徵尺寸和形狀是可能的。例如，如果使用濕蝕刻形成PSS結構，蝕刻期間暴露的特徵晶面可決定特徵的形狀，且可形成至少一部份的特徵側壁。在各實施例中，特徵206之間的間距可在約1 μm至5 μm的範圍內。
如本技術領域中所知，圖2a至圖2d所繪的PSS可用來成長膜層(例如氮化鎵膜層)，以形成發光二極體(LED)晶片。特別的是，藉由散射侷限於氮化鎵層中的光(這可歸因於GaN(n=2.4)與藍寶石基底(n=1.7)(或空氣(n=1.0))之間的臨界角)，PSS可提升LED晶片的光萃取效率(light extraction efficiency,LEE)。然而，即使使用PSS型基底，先前技術中的成長製程可能在氮化鎵層(成長在PSS型基底上)中產生過多的螺旋差排，這會導致LED的效率、可靠度或壽命的劣化。
本發明提供一種更有效率且在如圖2a至圖2d所繪示的結構上成長磊晶時能產生更少缺陷的技術來處理此問題。具體地說，在本實施例中，將物種植入PSS的一個或多個部份，這改變了沈積在PSS上的異質磊晶層的成長方式，使異質磊晶層的品質得以改良。在一些實例中，所述物種可以是離子或高能中性粒子(neutrals)，但以下通稱為「離子」。參照圖1c，其呈現將離子植入PSS 100的製程實例。具體地說，離子103被導向側壁104，且被植入側壁104，如框線箭頭(open arrow)所示。在一實例中， 離子103由氮構成，但也可使用鋁、氧、磷、砷、氬或其他材料。氮、磷、砷或其他材料可促進GaN在藍寶石上的成長。這些物種或其他物種的劑量可經過調整以促進GaN成長。在一實例中，劑量低於使PSS 100非晶化的劑量。在一實例中，離子103是以介於約5 keV至150 keV的能量植入，且是以1×1014 cm-2至5×1016 cm-2的劑量植入。如此，可以在側壁上形成改質區域，所述改質區域在一些實施例中具有改變的原子結構與植入物種(1×1020/cm3至1×1022/cm3)的組成。
如圖1c所示，植入離子103時，是以不同的角度將其導向基底。在各種實施例中，離子103可在一步驟中植入或可在多個步驟中植入。離子103的一部分可大致導向一組側壁104，而離子103的另一部分可導向另一組側壁104。例如，將離子103a導向側壁104a，而將離子103b導向側壁104b；側壁104a面對第一方向，而側壁104b面對異於側壁104a的第二方向。一併參照圖1c的笛卡兒座標系統x-y-z，以PSS 100之基底平面的垂線120(沿z方向配置)為基準，側壁104a與側壁104b大致定義相反的角度。應注意，側壁104被繪示為平面，然而，側壁104不一定是平面，也可以呈彎曲狀或可定義多個平面。在特定實施例中，相對於垂線120，離子103a可形成角度-θ1°，離子103b可形成角度+θ1°，且兩者的值相等。
更廣泛地說，即使在單一暴露步驟中，離子103的分佈也可以跨越一角度範圍。例如，圖10a的電漿處理裝置 或其他系統可產生寬的束線角分佈，其可用來在一角度範圍上產生離子103。
在圖1c所繪示的實施例中，一組遮罩特徵102保護PSS特徵60的頂部。根據各實施例，離子103的角度經過設計以優先植入側壁104，而不是植入谷101的底部105。因此，即使底部105是暴露的，也可以選擇離子103的入射角(例如-θ1°)以提供被特徵60和此組遮罩特徵102阻擋的離子軌跡，因此沒有(就算有也很少)離子103直接撞擊底部105。
接著，如圖1d所示，移除此組遮罩特徵102，留下具有改質側壁區域112的新PSS。在新PSS結構上成長材料的磊晶層，如圖1e所示。如圖所示，膜層106成長在PSS 100上。膜層106可成長至足以產生連續且平坦的膜層的厚度。膜層106因此可具有平坦化的表面114。對於特徵60的厚度(沿著z方向的深度)約1 μm的PSS基底來說，膜層106的厚度可約為2 μm至5 μm。本實施例不限於此脈絡。
如圖1e所示，初始成長區107沿著各側壁104形成。初始成長區107的成長受到圖1c中執行之植入的幫助，其導致改質側壁區域112的形成。改質側壁區域112可以各種機制促進沿著側壁104的成長。例如，材料(GaN)可長得更大及/或長成更完美的晶體，當側壁104經特定的離子植入而造成具有改變結構及/或組成的改質區域時，所述材料也可更輕易地成長。在膜層106的一實施例中，GaN 層的側向成長可大於其他類型的成長。
在特定實施例中，可將氮植入側壁以形成改質側壁區域112，其由側壁表面處的氮化物相構成。例如，植入的氮可在藍寶石PSS的側壁中引發薄氮化鋁層的形成。此薄層可減少接續成長GaN層(膜層106的一實施例)時的不匹配形變(misfit strain)，使膜層106中的螺旋差排變得更少。
因此，可以選擇性地促進膜層106沿著側壁104的初始成長，這可以造成良好的異質磊晶製程。雖然在圖1e中將膜層106繪示為具有螺旋差排108(以虛線表示)，但相較於習知的用以在未經植入的PSS 100上成長膜層的異質磊晶成長製程，這些螺旋差排108的數量是比較少的。在一實例中，對膜層106為GaN的實施例來說，相較於使用未經植入PSS 100的製程，螺旋差排108的數量降低了一個數量級。在另一實例中，膜層106中可能完全沒有螺旋差排108。
在各實施例中，可最佳化成長條件(例如金屬有機化學氣相沈積(MOCVD)儀器的成長條件)以促進GaN在經過植入的側壁104上的成長。例如，可改變MOCVD儀器中的壓力和溫度，以促進GaN在經過植入的區域上的成長。更具體地說，雖然在一些實施例中，圖1e繪示的成長製程與用於習知未經植入PSS的MOCVD儀器可採用相同的壓力和溫度條件，但在其他實施例中，可上下調整(相對於用於習知未經植入PSS的MOCVD儀器)壓力及/或 溫度。
大略繪示於圖1a至圖1e之製程的一個優點在於，一組遮罩特徵102可以既用作蝕刻期間的蝕刻遮罩(用以保護部份PSS 100，以定義特徵60)，又用作植入遮罩(用以屏蔽離子103，使其不撞擊部份PSS 100)。例如，-再參照圖1c與圖1e，特徵60的頂部118被此組遮罩特徵102屏蔽，使撞擊頂部118的離子103比起撞擊側壁104的離子103相對較少。以此方式，在頂部118上產生的改質區域很小，或者不產生改質區域，藉此，膜層106在頂部118上的成長未被促進。藉由選擇性地控制PSS 100中促進磊晶成長的區域，可改善膜層106的微結構以及電性。
然而，在其他實施例中，可在對特徵60的側壁進行離子植入前移除蝕刻遮罩(如遮罩特徵102)。圖3a至圖3e繪示一個這種實施例。在圖3a中，PSS 100上設置有一組遮罩特徵102。在圖3b中，蝕刻PSS 100以形成大致如圖1b所述的PSS結構。然而，相對於離子植入期間遮罩特徵102保留在原位的實施例，可能需要改變蝕刻步驟。例如，由蝕刻PSS 100而形成的特徵302或谷304的深度可大於或小於圖1b中有遮罩保護的特徵60的深度。接著，如圖3c所示，移除此組遮罩特徵102。
在移除此組遮罩特徵102後，將離子306(以箭頭表示)導向側壁308。在各實施例中，離子306的離子能量及/或離子劑量可與前述針對圖1a至圖1e所述者相似。類似地，離子306的軌跡可經過安排，使得離子306至少沿 著一部份側壁308植入，且被屏蔽而不會撞擊谷304的底部310。以此方式，側壁308可優先經過改質，以形成改質側壁區域312，其與改質側壁區域112類似。另外，雖然特徵302的頂部314暴露於離子306，但離子306的離子軌跡可使頂部314比側壁308經歷較少的改質。
接著，如圖3e所示，在新PSS結構上成長材料磊晶層。如圖所示，膜層316成長在PSS 100上。如圖3e所示，膜層316內的初始成長區318沿著各側壁308形成。初始成長區318的成長受到圖3d中執行的植入(其導致改質側壁區域312的形成)的幫助。如圖1a至圖1f所繪的實施例，可以選擇性地促進膜層316沿著側壁308的初始成長，使其成長優於底部310和頂部314附近的區域，這造成良好的異質磊晶製程。雖然在圖3e中將膜層316繪示為具有螺旋差排320，但是相較於習知的用以在未經植入的PSS 100上成長膜層的異質磊晶成長製程，這些螺旋差排320的數量是比較少的。
在其他實施例中，PSS的峰狀特徵經過調整，使得植入之前其峰狀的頂部部分的尺寸變小。圖4a至圖4d繪示另一實施例的示範性特徵，其中PSS結構經過製作而具有呈現尖銳結構的峰狀特徵404。在圖4a中，在基底400上設置一組遮罩特徵402。在一些實施例中，此組遮罩特徵402可為光阻或硬遮罩材料。此組遮罩特徵402用以在蝕刻製程期間選擇性地遮蔽基底400，以定義一組作為異質磊晶成長之模板的特徵。在圖4b中呈現執行蝕刻製程之後 的基底400。基底400包括一組峰狀特徵404，其包括側壁406且由底部408所分隔。如圖4b所大略繪示，峰狀特徵404可被蝕刻到峰狀特徵404內相對的側壁互相結合的程度。在圖4c中，將離子410(以箭頭表示)導向側壁，並植入側壁406而形成改質側壁區域412。在一些實施例中，針對相同的起始遮罩特徵402，峰狀特徵404沿著z軸的高度可超過特徵60的高度。因此，相較於圖1b至圖1e所示的特徵60的側壁104，側壁406可覆蓋較大的區域。因此，相對於改質側壁區域112，改質側壁區域412的表面積也可延伸而變得更大。接著，執行磊晶成長製程，以在基底400上成長膜層。圖4d繪示磊晶成長後的結構。如圖所示，初始成長區414配置在改質側壁區域412上。繼續磊晶成長可能產生連續的膜層，例如圖4d所示的膜層416。因為初始成長區414可沿著相對長的(相較於側壁104)側壁延伸，因此形成膜層416的磊晶製程整體可能與圖1a至圖1e所繪的實施例不同，例如，與螺旋差排108相較，前述磊晶製程可產生密度較低的螺旋差排418。
圖5a至圖5c繪示圖4a至圖4d所繪之實施例的相關變化的示範性製程。具體地說，圖5a至圖5c的製程繪示了圖4b的峰狀特徵404的演變細節。在圖5a中，以一組遮罩特徵502圖案化基底500，所述遮罩特徵502經過設計而能抵抗濕式化學蝕刻製程。在一實例中，此組遮罩特徵502可為氧化物材料。圖5b中，基底500(包括此組遮罩特徵502)在蝕刻液504中經受蝕刻。如圖所示，蝕刻 液蝕刻基底500，以定義具有傾斜側壁406a且由底部408a分隔的峰狀特徵404a。各峰狀特徵404a的側壁406a並未結合。以藍寶石基底為例，蝕刻液504可包括前述的硫酸/磷酸混合物。此蝕刻液可蝕刻基底500，以定義形成側壁406a的特定晶面。
圖5c繪示基底500被繼續蝕刻而使圖4b的峰狀特徵404完全形成的後端製程階段。接著，可在磊晶成長或植入前移除此組遮罩特徵502。
在另一種變化中，峰狀特徵404可藉由乾蝕刻製作，如圖6a至圖6c所示。在搭配圖案化遮罩(例如光阻)使用乾蝕刻製程(例如反應性離子蝕刻、束線式蝕刻或反應性離子束蝕刻)時，所得的側壁側像的形狀可取決於實際使用的乾蝕刻製程。在一些案例中，可能產生傾斜的側像(例如圖4b所繪示者)。如圖6a所示，基底600上設置有一組遮罩特徵602，其可為光阻。在圖6b中，基底600以及此組遮罩特徵602經受物種604的乾蝕刻，物種604可包括離子與中性氣相物種的混合物。物種604蝕刻基底600，以定義具傾斜側壁406b的峰狀特徵404b。如圖所示，傾斜的側壁406b(並未互相結合)被底部408b分隔。可持續進行乾蝕刻，進而形成圖6c所繪的結構(即形成峰狀特徵404)。接著，可在磊晶成長或植入前移除遮罩特徵602。
應注意，圖5a至圖5c以及圖6a至圖6c對峰狀特徵404的側壁結構的描繪可能是理想化的。具體地說，如本 技術領域中所知，由濕蝕刻形成的側壁的實際形狀可能與由乾蝕刻形成者不同。
在又一實施例中，製作具有垂直側壁之特徵的PSS基底。術語「垂直側壁」在本文中是用來指涉及側壁與基底平面(如圖1c的x-y平面)形成80至100度的角度的狀況。在這些實施例中，側壁還是可以經植入而產生改質區域，以在側壁上促進初始磊晶成長。圖7a繪示植入PSS結構之垂直側壁的實施例。如圖所示，置放遮罩特徵702以蝕刻基底700，從而定義具有垂直側壁706的特徵704。接著，將垂直側壁暴露於離子708(以箭頭表示)，離子708植入垂直側壁706而形成改質側壁區域710。在後續步驟中，如圖7b所示，發生膜層714的磊晶成長。改質側壁區域710的存在促使初始成長區712沿著靠近改質側壁區域710的垂直側壁706形成。接著，形成連續的膜層(膜層714)，與先前技術的製程(磊晶成長在習知的側壁未經離子植入的PSS上發生)相較，其螺旋差排716的密度降低。
在其他實施例中，PSS結構經歷多次不同的暴露步驟。在一些實施例中，各暴露步驟之間的離子入射角可能不同。在其他實施例中，各暴露步驟之間的物種或離子可能不同。在其他實施例中，各暴露步驟之間的離子劑量或離子能量不同。在更多其他的實施例中，各暴露步驟之間，前述參數的組合不同。如此，提供了執行異質磊晶成長前調整PSS結構和組成的有彈性的方法。
圖8a至圖8d繪示在兩個不同的暴露步驟之間，物種 (可為離子)的入射角不同的實施例。圖8a中，PSS 100經過蝕刻而形成具傾斜側壁的特徵60，如圖1b所示。然而，在其他實施例中，PSS可具有具垂直側壁的特徵。如圖8b所示，特徵60經歷第一暴露步驟，暴露於離子802(以箭頭表示)。如下文詳述，在圖8b中，例如離子802a的離子以角度-θ1°(相對於垂線120)導向基底，而例如離子802b的離子以角度+θ1°(相對於PSS 100之基底平面的垂線120)導向基底，+θ1°可具有與-θ1°相同的絕對值。例如，相對於垂線120，-θ1°可為-30°而+θ2°可為+30°。在一實施例中，暴露於離子802的步驟可在同時以不同的角度提供離子802的單一暴露步驟中發生。例如，以下圖10a所繪設備可以同時提供跨越一角度範圍的離子，並將其施予基板。
在其他實施例中，圖8b所繪的暴露於離子802的步驟可在一系列(至少兩個)的次暴露步驟中發生。在每一個次暴露步驟中，離子可以一個給定的入射角進行導向，使得在第一次暴露步驟中離子以角度-θ1°進行導向(以離子802a表示)，在第二次暴露步驟中離子以角度+θ2°進行導向(以離子802b表示)，以此類推。
離子802可以離子802被一組遮罩特徵102和特徵60屏蔽的一組角度導向PSS 100，使離子802不會撞擊底部105。以此方式，離子802可以主要沿著側壁104植入或僅沿著側壁104植入。
在後續的暴露步驟中，如圖8c所示，將離子804沿 著垂線120導向PSS 100。以此方式，離子804可撞擊底部105並穿過底部105而植入PSS。取決於側壁104與垂線120所形成的角度，離子804植入側壁104的程度可以相對少很多，或者根本不植入側壁104。舉例來說，雖然PSS 100呈現傾斜的側壁104，但特徵具垂直側壁的PSS在如圖8c所示的暴露步驟中，其側壁區域可能經受少許植入或不被植入。
圖8d繪示暴露於離子802與離子804之後PSS 100的結構。如圖所示，改質側壁區域808沿著側壁104形成，而改質區域810在底部105形成。根據本實施例，在PSS結構的側壁和底部中分別形成改質區域的能力有助於調整後續PSS上的磊晶成長。例如，離子802可經過調整以產生改質側壁區域808，其可促使沿著具有低缺陷密度的大晶粒的側壁104的異質磊晶成長。改質側壁區域808也有助於使晶體材料沿著側壁104更快速地初始成長。另一方面，在一實例中，離子804可經過調整以抑制異質磊晶材料從底部105成長，這使得從側壁104成長的材料至少一開始主宰了整個成長過程。
在一實施例中，離子802植入側壁104的劑量可小於或等於離子804植入底部105的劑量。在又一實施例中，PSS 100是藍寶石，側壁104是以由第一物種(例如氮)構成的離子802植入，藉此促進GaN成長。底部105(也有可能被第一物種植入)接著以由第二物種構成的離子804植入，以抑制GaN的成長，所述第二物種例如為惰性 氣體、氫、氟、氯、金屬或碳，或者是劑量高到足以非晶化底部105的物種，藉此抑制GaN在底部105的成長。一種抑制或避免化合物半導體成長的機制是，比起PSS 100的非晶部份，化合物半導體會優先沈積在PSS 100的晶體部份上。因此，可以設計一種在底部105中造成PSS 100非晶化的植入物種。另一種抑制或避免化合物半導體成長的機制是關於使用妨礙化合物半導體成核的物種。當然，其他機制是可能的。
在各實施例中，使用具最小離子分佈的離子束對PSS的側壁進行植入，使得離子以平行方式導向側壁。PSS可在一系列暴露步驟中暴露於離子束。在一些實施例中，離子束相對於基底平面之垂線的角度在各暴露步驟之間可保持不變，而PSS基底在各暴露步驟之間旋轉。參照圖9a，其繪示具有圖案化特徵904的陣列的PSS 900，圖案化特徵904具有側壁906，且圖案化特徵904被一組遮罩特徵102遮蔽。PSS 900暴露於離子相對於垂線120之角度為-θ1°的離子束902。在各實施例中，這些離子束可以束線式離子植入設備產生。同時參照圖9b，其繪示PSS 900的平面圖，亦即，自x-y平面觀看的視圖。可將離子束902安排成平行於x方向。在第一植入(或暴露)步驟中，可如圖9b所示安排PSS 100。接著，可執行多個連續的暴露步驟(暴露於離子束902)，其中在各暴露步驟之間，PSS 100在x-y平面上旋轉一角度Φ。
在一些實施例中，在每一暴露步驟之間，PSS 900旋 轉等於90°的角度Φ。在一實施例中，總共執行四個暴露步驟，而在另一實施例中，總共執行八個暴露步驟。在後者的狀況中，PSS 900總共旋轉了兩次360度，使離子束902的離子植入各側壁906兩次。在其他實施例中，在每一暴露步驟之間，PSS 900旋轉等於45°的角度Φ。在此實施例中，總共執行八個暴露步驟，使PSS 900完成一次360度的旋轉。
在選擇性實施例中，可執行以下暴露步驟的組合：植入物種與底部908形成非垂直角度的暴露步驟以及植入物種垂直於底部908的暴露步驟，其中在暴露步驟之間PSS 900在x-y平面上旋轉。為了形成有角度的植入(如圖9a所大略呈現)，PSS 900可相對於離子束902傾斜，離子束902可相對於PSS 900的表面具有角度，或者可發生前述傾斜或具有角度的組合。
在各種其他的實施例中，如圖8d所示之具有多個改質區域的PSS 100結構可藉由下述方法的組合製作：使用光阻或其他遮罩的遮罩方法；選擇性或圖案化離子植入；或控制離子，使其沿著一角度分佈導向(如下文針對圖10a至圖10c所進一步詳述)。
圖10a是具有電漿鞘調整器的電漿處理設備的方塊圖。電漿1004以本技術領域中所知的方法產生。電漿1004大致是離子和電子的準中性集合。離子通常具正電荷，電子通常具負電荷。在電漿1004的主體中，電漿1004的電場例如可約為0 V/cm。在含有電漿1004的系統中，電漿 1004的離子1002被吸引至基底(如PSS 1000，其可為PSS 100或一些其他的PSS)。可以足夠的能量吸引離子1002，使其植入PSS 1000。電漿1004以靠近PSS 1000(被稱為電漿鞘242)的區域為界。電漿鞘242是電子比電漿1004少的區域。因此正負電荷之間的差在電漿鞘242中造成鞘電位。因為存在較少電子，所以從電漿鞘242發出的光與從電漿1004發出的光相比強度較低，且因此激發鬆弛碰撞(excitation-relaxation collision)較少。因此，電漿鞘242有時被稱為「暗空間」。
電漿鞘調整器1010用以調整電漿鞘242中的電場，並藉此控制電漿1004及電漿鞘242之間的電漿鞘邊界241的形狀。因此，離子1002由電漿1004中被吸引出來，穿過電漿鞘242，且可以大範圍的入射角撞擊PSS 1000。電漿鞘調整器1010例如可稱為聚焦板或鞘處理板(sheath engineering plate)。
在圖10a的實施例中，電漿鞘調整器1010包括一對平板1012與1014，其定義位於其間且具有水平間距(G)的孔徑。平板1012與平板1014可為絕緣體、半導體、或導體。在其他實施例中，電漿鞘調整器1010可僅包括一個平板或包括兩個以上的平板。平板1012與平板1014可以是一對薄且形狀扁平的片材。在其他實施例中，平板1012和平板1014可以是其他形狀，例如管狀、楔形及/或可在靠近設備處具有斜邊(beveled edge)。平板1012與平板1014可定位於平面151上，且與平面151之間具有垂直間 距(Z)，平面151是由PSS 1000的表面所定義。在一實施例中，垂直間距(Z)可為約1.0 mm至10.0 mm。
可藉由不同的機制自電漿1004中吸引離子1002，使其穿過電漿鞘242。在一實例中，施偏壓於PSS 1000以自電漿1004吸引離子1002並使其穿過電漿鞘242。在另一實例中，產生電漿1004的電漿源以及包圍電漿1004的腔壁被施以正偏壓，而基底PSS 1000可接地。在一特定實施例中，偏壓可以是脈衝式的。在又一實例中，可以使用電場或磁場以自電漿1004中將離子1002吸引至PSS 1000。
有利之處在於，電漿鞘調整器1010調整電漿鞘242中的電場，以控制位於電漿1004及電漿鞘242之間的電漿鞘邊界241的形狀。在一實例中，電漿1004及電漿鞘242之間的電漿鞘邊界241可具有相對於平面151凸起的形狀。舉例來說，對PSS 1000施加偏壓時，離子1002被吸引而穿過電漿鞘242，並以大範圍的入射角穿過平板1012和平板1014之間的孔徑。舉例來說，沿軌跡路徑271行進的離子1002可以相對於平面151呈+θ°的角度撞擊PSS 1000。沿軌跡路徑270行進的離子1002可以相對於相同平面151呈約0°的角度撞擊PSS 1000。沿軌跡路徑269行進的離子1002可以-θ°的角度(相對於平面151)撞擊PSS 1000。因此，入射角的範圍可以介於+θ°與-θ°之間(以約0°為中心)。此外，一些離子軌跡路徑(例如軌跡路徑269和軌跡路徑271)可相互交叉。視若干因素而定，入射角(θ)的範圍可以0°為中心，介於+60°與-60°之間，前述因 素包括但不限於平板1012與平板1014之間的水平間距(G)、平板1012和平板1014與平面151的垂直間距(Z)、平板1012和平板1014的介電常數、電漿功率或電漿1004的其他製程參數。
具體地說，圖10a的設備提供調整離子1002的軌跡，使離子1002在PSS 1000上的入射角分佈能改變而符合目標側像的能力。因此，根據各實施例，可調整軌跡，使入射角更靠近平面151的垂線，或者產生角度相對於平面151而言更斜的離子。另外，在不同實例中，入射角分佈可為窄峰形或寬峰形，離子的入射角分佈的頻率之峰形可為單峰或雙峰。再參照圖1c，以此方式，可將離子103的入射角調整至目標分佈以選擇性的植入PSS的目標區域，例如側壁104。
圖10b至圖10c根據本揭露內容之實施例分別繪示示範性的離子側像1022b至1022c，其中以不同的電漿功率位準從電漿1004加速離子，使其穿過電漿鞘調整器1010。如圖所示，可改變針對圖10a討論之設備的電漿功率位準來產生離子側像1022b與1022c。在圖10b所繪組態(功率位準較低)中，電漿鞘邊界241b的曲度相對較大，藉此從電漿1004中以一較大的角範圍吸引離子，使離子側像1022b中的離子以一較大的角範圍撞擊PSS 900。在圖10c的組態(功率位準較高)中，電漿鞘邊界241c的曲度相對較小，藉此從電漿1004中以一較小的角範圍吸引離子，使得離子側像1022c中的離子以一較小的角範圍撞擊PSS 1000，前述角範圍之峰值可能約等於平面151的垂直角。此點與離子側像1022b不同，其可提供多個離子入射角，例如約30度至60度(相對於平面151)。
繼續參照圖8a至圖8d所繪之實例，在一特定實施例中，使用角分佈控制將較高劑量(相對於植入底部105)的第一物種植入側壁104，例如在第一暴露步驟中採用寬的角分佈。在一實例中，可以使用圖10a的處理設備來獲得角分佈控制。因此，離子802的軌跡可表示在產生寬的離子角分佈的一組條件下(例如電漿功率位準較低)使用圖10a之設備所致的主要離子軌跡。在一特定實例中，寬的角分佈可為雙峰分佈，其中離子入射角的峰值在垂線120 +/- 10度至+/- 70度的範圍內。這種類型的分佈對選擇性植入側壁104來說是有效的(與植入PSS 100的其他表面相比)。接著，執行垂直於底部105的植入，將較高劑量(相對於側壁104所接受者而言)的第二物種植入底部105。例如，為了植入第二物種，圖10a的設備可經過調控而產生窄的(接近垂線120的)角分佈，如圖10c的高功率方案所示。雖然有一些第一物種可能被植入底部105，有一些第二物種可能被植入側壁104，但這些情形可被最小化，使促進異質磊晶成長之品質的效果依舊能夠產生，如本文的實施例所揭露。
本揭露內容不限於本文描述的特定實施例。事實上，除了本文所述的那些實施例之外，根據前文敘述及所附圖式，對本領域中具有通常知識者而言，本揭露內容之其他 各種實施例及變化將是顯而易見的。因此，本揭露內容的範疇意欲涵蓋該些其他實施例及變化。進一步地說，雖然本文是以在特定環境下針對特定目的之特定實施型態的脈絡來描述本揭露內容，但本技術領域中具有通常知識者將理解本揭露內容的用處不限於此，且本揭露內容可有效益地落實於任意環境及任意目的。因此，隨附請求項應根據本文所述之本發明的完整範圍及精神加以解釋。
50‧‧‧表面
60、206、214、702、704、904‧‧‧特徵
100、202、210、900、1000‧‧‧PSS
101、204、212、304‧‧‧谷
102、402、502、602‧‧‧遮罩特徵
103、103a、103b、306、410、708、802、802a、802b、1002‧‧‧離子
104、104a、104b、308、406、406a、406b、706、906‧‧‧側壁
105、310、408、408a、408b、908‧‧‧底部
106、316、416、714‧‧‧膜層
107、318、414、712‧‧‧初始成長區
108、320、418、716‧‧‧螺旋差排
112、412、710‧‧‧改質側壁區域
114‧‧‧表面
118、314‧‧‧頂部
120‧‧‧垂線
151‧‧‧平面
220、222‧‧‧側像
241、241b、241c‧‧‧邊界
242‧‧‧電漿鞘
269、270、271‧‧‧路徑
312‧‧‧側壁區域
400、500、600、700‧‧‧基底
404、404a、404b‧‧‧峰狀特徵
504‧‧‧蝕刻液
604‧‧‧物種
810‧‧‧改質區域
902‧‧‧離子束
1004‧‧‧電漿
1010‧‧‧電漿鞘調整器
1012、1014‧‧‧平板
1022b、1022c‧‧‧離子側像
G、Y、Z‧‧‧間距
θ1、Φ‧‧‧角度
x、y、z‧‧‧笛卡兒座標系統
圖1a至圖1e繪示一種示範性方法。
圖2a至圖2d繪示兩種基底實例。
圖3a至圖3e繪示另一示範性方法。
圖4a至圖4d繪示又一示範性方法。
圖5a至圖5c及圖6a至圖6c分別繪示圖4a至圖4d的方法的兩種變化。
圖7a至圖7b繪示另一示範性方法。
圖8a至圖8d繪示再另一示範性方法。
圖9a至圖9b繪示一種示範性方法中採用的幾何配置的細節。
圖10a繪示一種示範性設備。
圖10b至圖10c繪示使用圖10a之設備的兩種不同方案。
60‧‧‧特徵
100‧‧‧PSS
102‧‧‧遮罩特徵
103、103a、103b‧‧‧離子
104、104a、104b‧‧‧側壁
105‧‧‧底部
120‧‧‧垂線
θ1‧‧‧角度

Claims (25)

  1. 一種異質磊晶層的成長方法，包括：提供基底，所述基底含有圖案化特徵，所述圖案化特徵具有側壁；在暴露步驟中將離子導向所述側壁，以形成改質側壁區域；以及在一組沈積條件下沈積異質磊晶層，相較於所述圖案化特徵的其他表面，所述沈積條件優先在所述側壁促進磊晶成長。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之異質磊晶層的成長方法，其中提供所述基底的步驟包括：在所述基底上設置一組遮罩特徵；以及蝕刻所述基底，以在所述基底中定義所述一組圖案化特徵。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之異質磊晶層的成長方法，其中將所述離子導向的步驟是在所述一組遮罩特徵配置在所述基底上時進行，且所述異質磊晶層的成長方法更包括在沈積所述異質磊晶層之前移除所述一組遮罩特徵。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之異質磊晶層的成長方法，其中所述一組遮罩特徵是光阻。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之異質磊晶層的成長方法，其中所述側壁相對於所述基底的表面呈非垂直的角度。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之異質磊晶層的成長方法，其中所述異質磊晶層包括化合物半導體。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之異質磊晶層的成長方法，其中所述異質磊晶層包括Ga：N材料。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之異質磊晶層的成長方法，其中所述基底包括單晶矽或單晶藍寶石。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之異質磊晶層的成長方法，其中所述暴露步驟是第一組暴露，所述離子是第一離子，且所述第一組暴露包括一次或多次暴露，其中，所述第一離子相對於所述基底的表面之垂線的入射角具有共同的絕對值，且所述異質磊晶層的成長方法更包括在第二暴露步驟中以相對於所述垂線的第二入射角將第二離子導向所述基底，其中所述第二入射角與所述第一入射角不同。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之異質磊晶層的成長方法，其中所述第一離子與所述第二離子在以下一種或多種方面不同：離子劑量、離子能量、離子種類以及入射角的範圍。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之異質磊晶層的成長方法，其中所述第一離子優先在所述側壁促進磊晶成長，而所述第二離子阻止在所述側壁以外的所述基底的表面上的磊晶成長。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之異質磊晶層的成長方法，其中所述異質磊晶層包括氮化鎵，所述基底包括藍寶石，所述第一離子包括氮，而所述第二離子包括惰性氣體。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之異質磊晶層的成長 方法，其中所述離子的離子能量約5 keV至150 keV，所述離子的離子劑量介於約1×1014 cm-2至5×1016 cm-2之間。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之異質磊晶層的成長方法，其中所述圖案化特徵包括在所述基底中的二維陣列特徵，其直徑約1.0 μm至5 μm，高度約0.3 μm至2.5 μm，間距約1 μm至5 μm。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之異質磊晶層的成長方法，其中沈積所述異質磊晶層的步驟包括執行金屬有機化學氣相沈積。
  16. 一種在基底上異質磊晶成長材料的方法，所述基底具有表面，所述在基底上異質磊晶成長材料的方法包括：在所述基底中形成二維陣列的圖案化特徵，所述圖案化特徵的特徵在於，其側壁是以與所述基底的所述表面不垂直的角度配置；在一組曝光步驟中將離子植入所述側壁，所述離子在所述一組曝光步驟的每一曝光步驟中相對於至少一側壁定義出非零角度；以及在適於磊晶成長材料的沈積條件下沈積所述材料，其中相對於所述基底的其他表面，所述材料至少一開始優先在所述側壁上形成。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之在基底上異質磊晶成長材料的方法，所述材料包括Ga：N材料，且所述基底包括單晶矽或單晶藍寶石。
  18. 如申請專利範圍第16項所述之在基底上異質磊晶 成長材料的方法，其中所述一組暴露步驟相對於所述基底的所述表面之垂線的入射角具有共同的絕對值，且所述在基底上異質磊晶成長材料的方法更包括以垂直於所述表面的角度將第二離子導向所述基底。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之在基底上異質磊晶成長材料的方法，其中所述第一離子與所述第二離子在以下一種或多種方面不同：離子劑量、離子能量、離子種類以及入射角的範圍。
  20. 如申請專利範圍第18項所述之在基底上異質磊晶成長材料的方法，其中所述第一離子促進在所述側壁上的異質磊晶成長，且所述第二離子阻止在基底的谷底表面上的異質磊晶成長，所述基底的所述谷底表面配置在所述圖案化特徵之間。
  21. 如申請專利範圍第18項所述之在基底上異質磊晶成長材料的方法，其中所述材料包括氮化鎵，所述基底包括藍寶石，所述第一離子包括氮，而所述第二離子包括惰性氣體。
  22. 一種發光二極體元件，包括：基底，包括第一材料，其經圖案化而成為具側壁的二維陣列的峰狀特徵，所述側壁具有植入區域，所述植入區域包括分散於所述第一材料內的植入物種；以及元件構件，包括配置在經圖案化的所述基底上的磊晶層，所述磊晶層包括多個初始成長區，各所述初始成長區鄰接所述峰狀特徵的所述側壁配置。
  23. 如申請專利範圍第22項所述之發光二極體元件，其中所述元件構件包括Ga：N材料，且所述基底包括單晶矽或單晶藍寶石。
  24. 如申請專利範圍第22項所述之發光二極體元件，其中所述二維陣列的特徵的直徑1.0 μm至5 μm，且高度0.3 μm至2.5 μm。
  25. 如申請專利範圍第22項所述之發光二極體元件，其中所述植入物種的濃度在每立方公分1×1020至1×1022之間。
TW101121563A 2011-06-16 2012-06-15 異質磊晶層的成長方法 TW201310702A (zh)

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