TW201737304A - 減少基板脆性的方法和結構 - Google Patents
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Abstract
一種減少基板脆性的方法和結構。在一實施例中，提供用於一材料膜之變質磊晶的基板，且基板包含一保護層，於基板的一沉積表面為材料膜定義了一成長窗口，而成長窗口被橫向隔開於該基板之一邊緣。
Description
本發明廣泛地相關於一種減少基板脆性的方法和結構，特別是使用保護層或是薄膜以減少基板之脆性的方法或結構。
在50、100、150、200 mm或是更大尺寸的晶圓上成長III族氮化物材料（例如：氮化鎵、氮化鋁、氮化銦及它們的合金）時，儘管應變工程緩衝層改善了由熱膨脹係數（CTE）錯置所引起的拉伸應變，但是經常發現晶片在進一步的加工處理期間仍然是相當脆弱的。例如在牽涉到熱處理的步驟（例如：退火、高溫膜沉積/蝕刻等等）和機械處理程序（例如：化學機械拋光、晶圓接合等）中若發生脆性，經常有極高機率導致矽基氮化鎵晶圓脆裂。
例如：直徑200mm， 厚725μm的矽基氮化鎵(GaN-on-Si)晶圓的脆性，通常在基板接合前的低溫氮化鋁（LT-AlN）沉積階段，因在矽基板中形成滑移線而變差。而這主要是在200 mm矽基板上有垂直和放射狀的溫度變化。如果在低溫氮化鋁形成前局部壓力超過在退火溫度（1050 °C）的降伏強度，則將發生矽結晶滑移。更具體地來說，在成型承載基座上直徑200 mm，厚度725μm的矽（111）晶圓上形成氮化鎵時，矽基板將藉由多個（＞ 2）突起物懸浮在成型承載基座上。因此，在利用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）形成氮化鎵的過程中，存在有兩個主要的應力來源。它們是突起和晶圓間的接觸應力，以及因溫度在垂直和輻射方向上分散不均勻引起的熱應力。
滑移線起於晶圓的邊緣，並朝向晶圓的中心延伸。晶圓邊緣上滑移線的起點被發現與成型承載基座上之突起的位置是一致的。在成型承載基座上之突起和矽晶圓之間的熱傳導產生額外的放射和垂直的熱應力。另外同時還有額外的接觸應力，由突起施加到晶圓上。藉由材料成長期間加熱器區設定的最佳化，而最小化在200mm矽晶圓上的輻射溫度差，是減少形成滑移和降低圓脆性的一個關鍵方法。然而，事實發現以上之方法已不足以在材料成長時期獲得較高的無滑移和非脆弱晶片之產率。
本發明之各實施例乃用來尋求解決上述問題中的至少一個。
根據本發明的第一態樣，本發明提供了用於基板材料膜之變質磊晶的基板，而該基板包含了一保護層，其在基板的沈積表面上定義了材料模的成長窗口，而成長窗口被横向間隔於基板的邊緣。
根據本發明的第二態樣，本發明提供了一個晶圓，包含前述之基板與材料膜。
根據本發明的第三態樣，本發明提供了一種用以產生具有變質磊晶(metamorphic epitaxy)的材料膜之基板的製造方法，而該方法包括了提供一基板，並在基板表面形成一保護層，該保護層在基板的沈積表面為材料模定義了一成長窗口，此成長窗口與基板之邊緣是被横向間隔開的。
根據本發明的第四態樣，本發明提供了一種製造晶圓之方法，其包含完成第三態樣的所有步驟，並提供上述的材料膜。
以下描述的各實施例是為了尋求解決相關於在異質基板材料上進行材料的異質磊晶程序時的晶圓脆性問題（例如：在矽基板上的氮化鎵、氮化鋁、氮化銦及它們的合金）。
更具體來說，在各實施例中提供了一種新的方法，藉由在氮化鎵形成前，提供晶圓之邊緣以及矽晶圓之底部的保護，以進一步最小化滑移線的形成。晶圓邊緣常因錯置的存在而強度減低時，承受最高之應力。如下述之一實施例中圖1所示一個矽（111）基板之加工，是採用將140 nm熱氧化物成長於標準200 mm矽（111）晶圓上，而封包此晶圓。氧化物進而被圖案化並乾蝕刻，而在晶圓的正面形成成長窗口。
本發明實施例有利地提供了一個用以防止在高溫程序（例如：磊晶之形成）中形成矽基板缺陷的手段。而本發明實施例更與薄膜之變質在高溫中生成有關（例如在矽上生成III族氮化物），其中存在者大晶格及/或熱膨脹係數（CTE）不匹配，因而在磊晶膜和基板中產生顯著的應力，導致大晶圓之彎曲或破裂。藉由抑制在基板中缺陷的形成，晶圓之脆性可被大幅地降低，導致更明顯改進生成及後續程序之產率。在處理生成和處理大尺寸晶圓中上述是特別重要。
圖1（a）為一個鍍膜矽基板100上III族氮異質磊晶之一實施例的流程示意圖。步驟一：提供一個習知的傳統矽基板或晶圓102。步驟二：形成熱氧化物104以作為保護層。於一實施例中，矽基板100上之熱氧化物104較佳在900 °C至1300 °C之乾或濕氧化條件中生成。可藉由氧化時間控制厚度為此領域之通常技術者可理解的。值得注意的是，其他可形成矽基板上的二氧化矽的技術可被使用在不同之實施例中，例如：電漿加強化學氣相沉積法（PECVD）以及濺鍍等等。步驟三：本實施例中揭示從矽晶圓102邊緣之一定距離以反應離子蝕刻（RIE）而曝露出成長窗口106，但是在矽晶圓102之邊緣和背面仍保留熱氧化物104。在一實施例裏，於反應離子蝕刻中，以一個分別具有200 mm外直徑與190 mm 內直徑之環作為一遮罩（圖中未顯示）。且此環被設置於熱氧化矽基板100之周圍。在一實施利中，利用反應離子蝕刻做為一工具（使用三氟甲烷（CHF3
）作為蝕刻氣體）移除暴露的熱氧化區域。在氮化鎵形成之前，原位矽同質磊晶（在一實施例中，但是異位方法也可被使用於不同實施例中）生成於步驟四，以去除由熱氧化物形成及其移除引起的表面損傷（於成長窗口106）。步驟五：如此領域通常技術者可理解，利用與氮化鋁和應變補償生形之矽基氮化鎵（GaN-on-Si）形成一氮化鎵元件107，值得注意的是於此實施例中，一層薄的多晶氮化鎵108沈積於成長窗口106外之熱氧化物104的上方。步驟六：利用感應耦合型電漿（Inductively Coupled Plasma, ICP）去除熱氧化物104上之多晶氮化鎵108沈積。在一實施例中，由二氧化矽或氮化矽製成的一硬遮罩（圖中未顯示）沈積於整個晶圓上，並且利用光蝕刻搭配反轉極性遮罩作為開設成長窗口106的遮罩。未被遮罩遮蔽之多晶氮化鎵透過被遮罩之氮化鎵元件107被蝕刻。可將整個晶圓浸於氟化氫（HF）而移除熱氧化物104。然而，若熱氧化物若在接下步驟中是必須的，其可在不同的實施例中被保留。
在一實施例中，由於整個矽晶圓100邊緣被保護，所以滑移線成核被有效地防止在矽晶圓100邊緣形成。另外，如圖1（b）所示成型承載基座152上的突出150與矽晶圓100間之熱傳導可較佳地被降低，因為二氧化矽具較低的熱傳導率。因此，根據比較圖2（a）與（b）之結果，可證明在氮化鎵成長窗口沒有滑移線生成。圖2（a）為根據一實施例的氮化鎵鍍膜之矽晶圓200剖面結構圖及晶圓200邊緣的諾馬爾斯基顯微鏡圖201，而圖2（b）為一傳統矽基氮化鎵晶圓202之剖面結構示意圖及晶圓202邊緣的諾馬爾斯基顯微鏡圖203。由諾馬爾斯基顯微鏡圖203與201相比，在諾馬爾斯基顯微鏡圖201中無顯示滑移線，而諾馬爾斯基顯微鏡圖203中則可清楚辨識滑移線，例如標號204所標示者。
此外，在本實施例中顯示承載基座上突觸與熱氧化物206遮罩之區域接觸（在晶圓200的底部並靠近其邊緣附近）。如此具有減少在晶圓200邊緣的接觸應力的好處。
本發明可擴展應用至不同實施例中，以進一步控制由熱膨脹係數與晶格錯置導致的應力累積。在不同實施例中，可藉由在形成熱氧化物的保護層後形成複數成長窗口，以取代前述實施例中圖1與圖2中的單一成長窗口。在不同實施例中，值得注意的是無論是形成單一成長窗口或複數成長窗口，單一圖像化步驟是優先必備的。圖3揭示了一晶圓300具有成長窗口，例如302、303之圖像化陣列，並且成長窗口302、303與晶圓300之邊緣及彼此之間均被横向隔開。在例如成長窗口302、303間之例如氧化物條304避免了氮化鎵在其生成期間沈積在這些區域，而導致氮化鎵材料的離散台面/島，例如306的形成，這些區域之間因而較優的具有空間，以承受磊晶膜之應力。值得注意的是多晶氮化鎵沈積在氧化物條，例如304上時通常包含分離之氮化鎵島。因此在多晶氮化鎵間有許多空隙，用以預防應力在離散台面/島306之間累積。成長窗口302、303間的空間是可依據紓解應力的最佳化或有用之晶片設計區域而改變，並且成長窗口302、303可依據所提供之晶片或元件設計而圖像化成所需的任意尺寸及形狀，且在晶圓邊緣的氧化物308仍保持完整。插圖301是一單一成長窗口312與熱氧化物鍍膜314之放大光學影像圖。
雖然本發明上述之實施例為應用於矽上生成III族氮化物的異質磊晶，但是值得注意的是根據不同實施例，本發明可被應用於因晶格和/或熱膨脹係數不匹配而導致應力生成於晶圓中之任何材料系統的變質磊晶中，以減少晶圓之脆性。因為大尺寸晶圓上的大量的不匹配與典型的成長，所以III族氮化物系統最大的挑戰為晶圓的脆性且進而導致應力加劇以及彎曲等問題。如前所述，在本發明的不同實施例中，其他材料系統也可受惠於減少晶圓之脆性，即使在被降低的不匹配存在於如此的系統中時，它們通常可能不需面臨如此大程度的脆性問題。
值得注意的是當如前述實施例使用矽氧化物作為保護層時，在不同實施例中，其他材料（包含其他介電質材料）也可被作為保護層。在此領域通常技術者可理解在半導體工業中保護層通常為介電質（例如普遍性被同時使用或交替性使用之氮化物及氧化物）。舉例來說，氮化矽可被使用在不同實施例中，同時另一可替代物為矽氮氧化物。氮化矽可作為一保護層，例如將一矽基板於溫度900 °C至1400 °C的氮氣環境中執行退火程序。在其他不同實施例中則可使用其他不同之氮化矽沉積技術，例如電漿加強化學氣相沉積法或低壓化學氣相沉積法（LPCVD）。實施例中去除氮化矽的方法相似於上述實施例所述去除氧化物之方法。值得注意的是，舉例來說，因為電漿加強化學氣相沉積介電質在理論上是共形(conformal)的，因此在實施例中晶圓的邊緣受到保護。同時，與熱（氧化物）生成相比，在晶圓表面與周緣的介電質之厚度還是可能有極大差距，但是實施例顯示這也許不會對保護需求造成太大問題。為了在背面以及正面（即晶片邊緣的介電質環）兩者上形成介電質，可藉由使用兩個分別之沉積步驟，使用例如一實施例中的電漿加強化學氣相沉積法，值得注意的是電漿加強化學氣相沉積法基本上是單側的，而上述為此領域通常技術者可理解。
在一實施例中，提供用於一材料膜之變質磊晶的基板，且基板包含一保護層，於基板的一沉積表面為材料膜定義了一成長窗口，而成長窗口被橫向隔開於該基板之一邊緣。
保護層被用以於材料膜的變質磊晶時，防止自基板的該邊緣起的滑移線成核之形成。
基板還包含由材料模於基板的沉積表面的複數個成長窗口所形成的一陣列，其中複數個成長窗口與基板之邊緣及彼此之間均被横向隔開。保護層是被用以在複數個成長窗口間提供空間而緩解在該材料膜的變質磊晶時產生的應力。
保護層是形成環繞於基板之邊緣和基板與沈積表面相反之一背面。
基板還包含矽。
保護層還包含一介電質材料。介電質材料還包含一氧化物或氮化物。
在一實施例中，一晶圓還包含如上述實施例之基板與材料膜。
材料膜與基板呈現晶格及/或熱膨脹係數不匹配。
材料膜還包含一III族氮化物材料。
圖4為根據一實施例製造供一材料膜變質磊晶用的基板之方法的流程示意圖400。在步驟402中提供一基板。在步驟404中，在基板上提供一保護層，於基板的一沉積表面為材料膜定義了一成長窗口，而成長窗口被橫向隔開於基板之一邊緣。
上述方法還可包含配置一保護層，以於材料膜的變質磊晶時，防止自基板的邊緣起始的滑移線成核之形成。
上述方法還可包含由材料模在基板的沉積表面提供由複數個成長窗口所形成的一陣列，其中複數個成長窗口與基板之邊緣及彼此之間均被横向隔開。保護層是被用以在複數個成長窗口間提供空間而緩解在材料膜的變質磊晶時產生的應力。
提供保護層之方法還可包含形成一保護層，環繞於基板之邊緣和基板與沈積表面相反之背面。
基板還可包含矽。
保護層還可包含一介電質材料。介電質材料還可包含一氧化物或氮化物。
在一實施例中，提供了一種製造晶圓之方法，此方法包含如上述實施例所述之方法以及提供上述的材料膜。
材料膜與基板之間可呈現晶格及/或熱膨脹係數不匹配。
材料膜還可包含一III族氮化物材料。
總而言之，根據本發明之實施例可以解決因磊晶膜成長與高晶格及/或熱膨脹係數不匹配所導致的晶圓損傷與脆性問題，這些問題對大尺寸晶圓來說特別明顯。
增加基板/晶圓對於因為高溫處理程序所導致的損傷/塑性變型抗性將有效提高產率，特別是相關於經常使用大尺寸晶圓的矽晶圓產業。本發明前述之實施例使用的晶圓大小，其直徑為50、100、150、200 mm或更大，或其尺寸為2”、3”、4”、6”、8”或更大，上述大小僅為提供示例但並不用於限定本發明晶圓的大小。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技術者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
400、402、404‧‧‧步驟
100‧‧‧矽基板
102‧‧‧矽晶圓
104‧‧‧熱氧化物
106、302、303、312‧‧‧成長窗口
107‧‧‧氮化鎵元件
108‧‧‧多晶氮化鎵
150‧‧‧突出
152‧‧‧成型承載基座
200‧‧‧氮化鎵鍍膜矽晶圓
201、203‧‧‧諾馬爾斯基顯微鏡圖
202‧‧‧常規矽基氮化鎵晶圓
204‧‧‧滑移線
300‧‧‧晶圓
301‧‧‧放大光學影像圖
304‧‧‧氧化物條
306‧‧‧氮化鎵材料
308‧‧‧氧化物
314‧‧‧熱氧化物鍍膜
100‧‧‧矽基板
102‧‧‧矽晶圓
104‧‧‧熱氧化物
106、302、303、312‧‧‧成長窗口
107‧‧‧氮化鎵元件
108‧‧‧多晶氮化鎵
150‧‧‧突出
152‧‧‧成型承載基座
200‧‧‧氮化鎵鍍膜矽晶圓
201、203‧‧‧諾馬爾斯基顯微鏡圖
202‧‧‧常規矽基氮化鎵晶圓
204‧‧‧滑移線
300‧‧‧晶圓
301‧‧‧放大光學影像圖
304‧‧‧氧化物條
306‧‧‧氮化鎵材料
308‧‧‧氧化物
314‧‧‧熱氧化物鍍膜
為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下為特舉術個較佳實施例，並配合所附圖式，做詳細說明如下： 圖 1（a） 係依據本發明之一實施例的將III族氮化物異質磊晶(heteroepitaxy)鍍膜在矽基板之流程步驟示意圖； 圖 1（b）係基板經由圖 1（a）所示步驟處理完成於成型承載基座之基板示意圖。 圖 2（a）係依據本發明之一實施例的氮化鎵鍍膜的矽晶圓之剖面結構示意圖及晶圓邊緣之諾馬爾斯基(Nomarski)顯微鏡圖。 圖 2（b）係一個傳統矽基氮化鎵晶圓之剖面結構示意圖及晶圓邊緣之諾馬爾斯基顯微鏡圖。 圖 3 係依據本發明之一實施例的矽晶圓，表面具有由氧化物長條定義出來的成長窗口陣列圖案。而插圖是晶圓之單個成長窗口的放大光學影像圖。 圖 4 係依據本發明之一實施例的用於材料膜之變質磊晶的基板之製作方法的流程圖。
100‧‧‧矽基板
102‧‧‧矽晶圓
104‧‧‧熱氧化物
106‧‧‧成長窗口
107‧‧‧氮化鎵元件
108‧‧‧多晶氮化鎵
Claims (22)
- 一種基板，用於一材料膜的變質磊晶，該基板包含了一保護層，於該基板的一沉積表面為該材料模定義了一成長窗口基板，而該成長窗口被横向隔開於該基板之一邊緣。
- 如專利申請範圍第1項所述之基板，其中該保護層被用以於進行該材料模的該變質磊晶時，防止自該基板的該邊緣起始的滑移線成核之形成。
- 如專利申請範圍第1或2項所述之基板，包含由該材料模於該基板的該沉積表面的複數個該成長窗口所形成的一陣列，其中該複數個成長窗口與該基板之該邊緣及彼此之間均被横向隔開。
- 如專利申請範圍第3項所述之基板，其中該保護層是被用以在該複數個成長窗口間提供空間而緩解在該材料膜的變質磊晶時產生的應力。
- 如專利申請範圍第1～4項之任一項所述之基板，其中該保護層是形成環繞於該基板之該邊緣，及該基板與該沈積表面相反之一背面。
- 如專利申請範圍第1～5項之任一項所述之基板，其中該基板包含矽。
- 如專利申請範圍第1～6項之任一項所述之基板，其中該保護層包含一介電材料。
- 如專利申請範圍第7項所述之基板，其中該介電材料包含一氧化物，一氮化物或一氮氧化物。
- 一晶圓包含： 如專利申請範圍第1～8項之任一項所述之該基板；以及 該材料膜。
- 如專利申請範圍第9項所述之晶圓，其中該材料膜與該基板呈現晶格及/或熱膨脹係數不匹配。
- 如專利申請範圍第9或10項所述之晶圓，其中該材料膜包含一III族氮化物材料。
- 一種製造變質磊晶材料膜基板之方法，其中包含： 提供一基板；以及 提供一保護層於該基板上，該保護層在該基板的一沈積表面為該材料模定義出一成長窗口，而該成長窗口被横向隔開於該基板之一邊緣。
- 如專利申請範圍第12項所述之方法，更包含將該保護層設置成足以在該材料膜的變質磊晶進行過程中，防止自基板邊緣起始的滑移線成核之形成。
- 如專利申請範圍第12或13項所述之方法，其中還包含了提供該材料膜的複數個該成長窗口所形成的一陣列，用以形成該沈積表面於該基板上，並且該複數個成長窗口與該基板之該邊緣及彼此之間均被横向隔開。
- 如專利申請範圍第14項所述之方法，更包含將該保護層設置成足以在該複數個成長窗口間提供空間而緩解在該材料膜的變質磊晶進行時產生的應力。
- 如專利申請範圍第12～15項所述之方法，其中還包含了提供一保護層於該基板之邊緣，及該基板與該沈積表面相反之一背面。
- 如專利申請範圍第12～16項所述之方法，其中該基板包含矽。
- 如專利申請範圍第12～17項所述之方法，其中該保護層包含一介電材料。
- 如專利申請範圍第18項所述之方法，其中該介電材料包含一氧化物、一氮化物或一氮氧化物。
- 一種製造晶圓之方法，其中包含： 提供如專利申請範圍第12～19項之任一項所述之方法；以及 提供該材料膜。
- 如專利申請範圍第20項所述之方法，其中該材料膜與該基板呈現晶格及/或熱膨脹係數不匹配。
- 如專利申請範圍第20或21項所述之方法，其中該材料膜包含一III族氮材料。
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