TW201807269A - 具有化學障壁之基板上磊晶成長之結構 - Google Patents

Abstract

一種結構可包括基板層、稀土金屬氧化物障壁層以及第三族層，基板層具有介面且介面具有載子濃度，稀土金屬氧化物障壁層成長於基板層之上，而第三族層成長於稀土金屬氧化物障壁層之上。介面中的載子濃度數量級大於塊材載子濃度數量級而彼此不同。稀土金屬氧化物障壁層可包括稀土金屬氧化物材料，並可防止第三族成分擴散至基板層。第三族層可包括第三族元素。

Description

具有化學障壁之基板上磊晶成長之結構

相關申請案的交互參照。

本申請案主張於西元2016年05月05日向美國智慧財產局申請之美國專利申請號第62/332,095號的優先權，其全部內容藉由參考併入本文。

本申請關於一種結構，特別是有關於一種具有化學障壁之基板上磊晶成長之結構。

在下列敘述中，為了解釋用途而列舉許多細節。然而，所屬技術領域中具有通常知識者將瞭解的是，可未使用特定細節而實施本文描述的實施例。在其他例子中，以方塊圖形式繪示習知結構及裝置，使得敘述將不會被不必要細節混淆。

在任何磊晶堆疊結構中，對於磊晶堆疊的材料特性（電阻等）或容許尺寸或成本而言，基板為關鍵元素。同理，選定磊晶材料以提供可靠的材料或裝置特性。兩個相異材料之間必然有介面，其意謂有可能於介面發生陽離子交換或陰離子交換。可化學驅動或熱驅動此交換。於成長程序期間不可發生此交換或反應，但可於一些後續程序期間發生此交換或反應。舉例來說，假如需有能觸發反應的臨界溫度，則在後續程序中某個時間點達到臨界溫度。因此，有需要管理整個磊晶程序而不僅是沉積材料於基板上。遍及介面的複數個元素或單個元素的移動影響或要求初始設計參數。

因為與放置在磊晶程序中的系統反應，此為改變基板的另一個可能。複數個或單個移動元素可與成長材料不同，但最終仍會對材料和基板之間的介面造成損害。由於需在系統運行之間清理系統以移除任何汙染源，使得生產週期（cycle time）的成本增加。習知技術可造成多餘的電活性（electrically active）介面電荷。

因此，提供創新且改良式的化學障壁將為高度有利的，以防止成長成分移動至下層材料及/或上層材料。

本文描述的系統和方法為於具有化學障壁的基板上成長磊晶結構。一種結構可包括基板層、稀土金屬氧化物障壁層以及第三族層，基板層具有介面且介面具有載子濃度，稀土金屬氧化物障壁層成長於基板層之上，而第三族層成長於稀土金屬氧化物障壁層之上。介面中的載子濃度數量級大於塊材載子濃度數量級而彼此不同。稀土金屬氧化物障壁層可包括稀土金屬氧化物材料，並可防止第三族成分擴散至基板層。第三族層可包括第三族元素。

第三族層可包括三族氮化物材料。基板層可包括具有低於約1×10¹² cm^-3 之塊材載子濃度的矽材料。

於介面中的載子濃度可小於塊材載子濃度。於介面中的載子濃度可小於約1×10¹¹ cm^-3 。

於介面中的載子濃度可大於塊材載子濃度。於介面中的載子濃度可至少約1×10¹⁵ cm^-3 。

介面可具有小於5nm的厚度。介面可具有大於5nm的厚度。介面可為n型。介面可為p型。

介面可包括稀土金屬含有層，稀土金屬含有層介於稀土金屬氧化物障壁層和基板層之間。稀土金屬含有層可包括稀土金屬元素和矽。稀土金屬含有層可包括氧。

稀土金屬氧化物材料可包括兩種不同的稀土金屬氧化物元素。稀土金屬氧化物材料可包括立方晶體結構。

防止成長成分移動至下層材料及/或上層材料的一種方法為引進材料至系統，以控制成長成分在介面上的移動。這將緩解習知技術的問題或增添新功能。此外，這將提供維持現存程序層（process layers）和基板的功能。

在磊晶堆疊結構中，介面可於基板和成長於基板上的材料層之間形成。為了因應各種狀況，成長於基板上的材料的陰離子或陽離子可移動至基板，以於介面形成多餘的電活性電荷。此外，為了因應各種狀況，基板的陰離子或陽離子可移動至成長於基板上的材料層，以於介面形成多餘的電活性電荷。

移動至基板上成長的材料之基板材料的組成實例將為於鍺（Ge）基板上成長砷化鎵（GaAs）的實例，於此實例中，鍺組成向外擴散至砷化鎵成長層。取決於砷化鎵中所需的摻雜程度，需克服鍺的補償效應或於添加額外的摻雜前提供基線。

可發生前述兩者的狀況或其一，且預防此類的發生之程序或材料為本揭露的標的。另外，使用磊晶程序中的其他材料的成分或組成可於成長程序中的任何時間移動至基板。因此，有需要管理整個磊晶成長程序。

上述程序的另一個實例為於矽基板上形成氮化鎵（GaN）。取得矽上的III-N材料層的主要技術為氮化鋁（AlN）的利用，其開始於鋁（Al）種子層的沉積。問題為鋁於矽中具有約20%的固溶度，意謂介面中有內建化學位能，其將造成鋁薄層擴散至矽基板。此外，反應器壁的鎵於程序的初始階段移動至矽基板的表面，且這也促成第三族為主的介面電荷在最終晶片中被尋得。鋁擴散至矽基板導致p型摻雜介面區域。

本文描述的系統和方法為於具有化學障壁的基板上成長磊晶結構。一種結構可包括基板層、稀土金屬氧化物障壁層以及第三族層，基板層具有介面且介面具有載子濃度，稀土金屬氧化物障壁層成長於基板層之上，而第三族層成長於稀土金屬氧化物障壁層之上。介面中的載子濃度數量級大於塊材載子濃度數量級而彼此不同。稀土金屬氧化物障壁層可包括稀土金屬氧化物材料，並可防止第三族成分擴散至基板層。第三族層可包括第三族元素。

第三族層可包括第三族氮化物材料。基板層可包括具有低於約1×10¹² cm^-3 之塊材載子濃度的矽材料。於介面中的載子濃度可小於塊材載子濃度。於介面中的載子濃度可小於約1×10¹¹ cm^-3 。於介面中的載子濃度可大於塊材載子濃度。於介面中的載子濃度可至少約1×10¹⁵ cm^-3 。

介面可具有小於5nm的厚度。介面可具有大於5nm的厚度。介面可為n型。介面可為p型。結構可於稀土金屬氧化物障壁層和基板層之間包括稀土金屬含有層。稀土金屬含有層可包括稀土金屬元素和矽。稀土金屬含有層可包括氧。稀土金屬氧化物材料可包括兩種相異的稀土金屬氧化物元素。稀土金屬氧化物材料可包括立方晶格結構。

第1圖係繪示層結構100。層結構100包括基板106、位於基板106之上的材料A層104、位於材料A層104之上的材料B層102以及基板106和材料A層104之間的介面108。材料A層104和材料B層102皆為磊晶的。介面108為於成長材料A層104和材料B層102期間之磊晶程序的結果。因此，材料A層104相對於基板106為磊晶的，且材料B層102相對於材料A層104為磊晶的。

材料A和材料B可為但不限於二元合金、三元合金或四元合金，其由週期表中第二族、第三族、第四族、第五族或第六族中含括的任何材料所構成。材料A和材料B的實例包括稀土金屬氧化物材料和三族氮化物材料。如所示，擴散成分為合金的單一組成。

在繼續磊晶程序之前，材料A層104可作為在基板106上的化學障壁。當材料B層102沉積於材料A層104之上時，材料A層104形成的化學障壁阻擋材料B的成分進入基板106。此外，材料A層104形成的化學障壁阻擋基板106的成分進入材料B層102。

第2圖係繪示層結構100的實例之層結構200。層結構200包括矽基板206、位於矽基板206之上的稀土金屬氧化層204、位於稀土金屬氧化層204之上的三族氮化物層202以及於矽基板206和稀土金屬氧化層204之間的介面208。稀土金屬氧化層204和三族氮化物層202皆為磊晶的。介面208為於稀土金屬氧化層204和三族氮化物層202期間之磊晶程序的結果。因此，稀土金屬氧化層204相對於矽基板206為磊晶的，且三族氮化物層202相對於稀土金屬氧化層204為磊晶的。矽基板206為基板106的實例。稀土金屬氧化層204為材料A層104的實例。介面208為介面108的實例。三族氮化物層202為材料B層102的實例。

稀土金屬氧化物材料和三族氮化物材料可為但不限於二元合金、三元合金或四元合金，其由週期表中第二族、第三族、第四族、第五族或第六族中含括的任何材料所構成。如所示，擴散成分為合金的單一組成。

在繼續磊晶程序之前，稀土金屬氧化層204可作為在矽基板206上的化學障壁。當三族氮化物層202沉積於稀土金屬氧化層204之上，稀土金屬氧化層204形成的化學障壁阻擋三族氮化物材料的成分進入矽基板206。此外，稀土金屬氧化層204形成的化學障壁阻擋矽基板206的成分進入三族氮化物層202。因為預防三族氮化物材料的成分和矽成分之擴散成分克服化學障壁，所以介面208中的載子濃度為低的。在一些實例中，介面208中的載子濃度為p型。在一些實例中，介面208中的載子濃度為n型。在一些實例中，介面208中的載子濃度可小於約1×10¹² cm^-3 。在一些實例中，介面208中的載子濃度可小於約1×10¹¹ cm^-3 。在一些實例中，介面208中的載子濃度可小於約1×10¹⁰ cm^-3 。在一些實例中，介面208中的載子濃度可大於約1×10¹⁵ cm^-3 。在一些實例中，介面208中的載子濃度可大於約1×10¹⁶ cm^-3 。在一些實例中，介面208中的載子濃度可大於約1×10¹⁷ cm^-3 。在一些實例中，介面208具有小於5nm的厚度。在一些實例中，介面208具有小於4nm的厚度。在一些實例中，介面208具有小於3nm的厚度。在其他實例中，介面208具有大於5nm的厚度。在一些實例中，介面208具有大於7nm的厚度。在一些實例中，介面208具有大於10nm的厚度。在一些實例中，矽基板206可包括具有小於約1×10¹² cm^-3 的塊材載子濃度的矽材料。

藉由從矽基板206物理性分離三族氮化物層202，從介面208消除化學梯度（chemical gradient）。在一些實例中，於執行包括第三族金屬的程序前，在獨立腔體中磊晶成長稀土金屬氧化層204。因此，稀土金屬氧化層204防止反應器壁的殘餘金屬汙染矽基板206。在一些實例中，稀土金屬氧化層204可包括立方稀土金屬氧化物材料。

第3圖係繪示層結構300，層結構300包括基板306、位於基板306上的材料C層308、位於材料C層308上的材料A層304以及位於材料A層304上的材料B層302。材料C層308、材料A層304以及材料B層302皆為磊晶的。因此，材料C層308相對於基板306為磊晶的，材料A層304相對於材料C層308為磊晶的，且材料B層302相對於材料A層304為磊晶的。

材料A、材料B以及材料C可為但不限於二元合金、三元合金或四元合金，其由週期表中第二族、第三族、第四族、第五族或第六族中含括的任何材料所構成。材料A、材料B以及材料C的實例包括稀土金屬氧化物材料、三族氮化物材料以及包括矽、稀土金屬以及氧之混合型合金金屬。如所示，擴散成分為合金的單一組成。

在繼續磊晶程序之前，材料C層308可作為在基板306上的化學障壁。當材料A層304沉積於材料C層308之上時，材料C層308形成的化學障壁阻擋材料A的成分進入基板306。此外，材料C層308形成的化學障壁阻擋基板306的成分進入材料A層304。

藉由引進新材料的介面修改，可製造材料C層308。於沉積材料A層304期間，超出臨界溫度以形成材料C層308。應設計用來沉積材料A層304的程序，使得其提供所必要的溫度，以擴散或移動至基板306的各介面。於沉積材料A層304期間或上游程序中，可發生材料C層308的形成。可於材料C層308形成期間發生之上游程序的實例係為沉積材料B層302的程序期間。於沉積材料B層302期間，假如超出臨界溫度，可形成材料C層308。透過混合鄰近層形成材料C層308。混合兩層鄰近層形成材料C層308的實例為材料A層和基板306。

第4圖係繪示層結構300的實例之層結構400。層結構400包括矽基板406、位於矽基板406之上的混合合金層408、位於混合合金層408之上的稀土金屬氧化層404以及位於稀土金屬氧化層404之上的三族氮化物層402。混合合金層408、稀土金屬氧化層404以及三族氮化物層402皆為磊晶的。因此，混合合金層408相對於矽基板406為磊晶的，稀土金屬氧化層404相對於混合合金層408為磊晶的，且三族氮化物層402相對於稀土金屬氧化層404為磊晶的。矽基板406為基板306的實例。稀土金屬氧化層404為材料A層304的實例。混合合金層408為材料C層308的實例。三族氮化物層402為材料B層302的實例。

稀土金屬氧化物材料、三族氮化物材料以及混合合金材料可為但不限於二元合金、三元合金或四元合金，其由週期表中第二族、第三族、第四族、第五族或第六族中含括的任何材料所構成。如所示，擴散成分為合金的單一組成。

混合合金層408為稀土金屬氧化層404和矽基板406之間的混合結果，以製造RESi_x O_y （0＜x＜2, 0≤y＜5）形式的合金。稀土金屬氧化層404繼續於磊晶程序期間作為化學障壁。稀土金屬氧化層404阻擋三族金屬的移動。因為混合合金層408的創建導致堆疊結構內的摻雜層，所以混合合金層408的載子濃度為高的。在一些實例中，混合合金層408的載子濃度可為n型。在一些實例中，混合合金層408的載子濃度可為p型。在一些實例中，混合合金層408的載子濃度可小於約1×10¹² cm^-3 。在一些實例中，混合合金層408的載子濃度可小於約1×10¹¹ cm^-3 。在一些實例中，混合合金層408的載子濃度可小於約1×10¹⁰ cm^-3 。在一些實例中，混合合金層408的載子濃度可大於約1×10¹⁵ cm^-3 。在一些實例中，混合合金層408的載子濃度可大於約1×10¹⁶ cm^-3 。在一些實例中，混合合金層408的載子濃度可大於約1×10¹⁷ cm^-3 。在一些實例中，混合合金層408具有小於5nm的厚度。在一些實例中，混合合金層408具有小於4nm的厚度。在一些實例中，混合合金層408具有小於3nm的厚度。在其他實例中，混合合金層408具有大於5nm的厚度。在一些實例中，混合合金層408具有大於7nm的厚度。在一些實例中，混合合金層408具有大於10nm的厚度。在一些實例中，矽基板406可包括具有小於1×10¹² cm^-3 的塊材載子濃度的矽材料。

藉由引進新材料的介面修改，可製造混合合金層408。於沉積稀土金屬氧化層404期間，超出臨界溫度以形成混合合金層408。應設計用來沉積稀土金屬氧化層404的程序，使得其提供所必要的溫度，以擴散或移動至矽基板406的各介面。於沉積稀土金屬氧化層404期間或上游程序中，可發生混合合金層408的形成。可於混合合金層408形成期間發生之上游程序的實例係為沉積三族氮化物層402的程序期間。於沉積三族氮化物層402期間，假如超出臨界溫度，可形成混合合金層408。

結構400的移動成分為來自稀土金屬氧化層404的稀土金屬陽離子。沉積三族氮化物層402之較佳的程序為使用超過900℃的溫度之有機金屬化學氣相沈積成長三族氮化物材料。

稀土金屬源為稀土金屬氧化層404的非化學計量本質（nature）。在較佳實施例中，成長富含金屬成分的稀土金屬氧化層404。於此實例中，指定稀土金屬氧化層404為RE_2+x O₃ （0＜x≤1）而非RE₂ O₃ 。於此應注意的僅一部份的稀土金屬氧化層404需用富含金屬的程序成長，其通常鄰近矽基板406的介面。

透過直接減少氧流量、增加金屬蒸氣壓或間接增加基板溫度，以相對於金屬蒸氣壓減少成長介面中的氧量，進而可成長富含稀土金屬的氧化物。於此應注意的是，在稀土金屬元素從稀土金屬氧化層404移動至矽基板406的初始階段，稀土金屬元素以摻雜成分存在而非以具有矽的合金存在。此外，於混合合金層408的形成中，並非全部稀土金屬材料皆可消耗。

於矽基板406和稀土金屬氧化層404之間的介面中成長混合合金層408的程序目的為創建摻雜層埋藏於磊晶結構中，其中相同材料的成長將排除稀土金屬氧化物材料之上的附加材料層的沉積或成長。舉例來說，當試圖在混合合金上成長稀土金屬氧化物時，會發生這兩種材料於晶體上不相容的狀況。

第5圖係繪示量測層結構200的散佈電阻圖500。散佈電阻量測為使用來分析電阻率對半導體深度之技術。散佈電阻量測提供導電類型和載子濃度的量測。圖500係繪示於鄰近或接近矽基板206中的介面208的無p型摻雜。圖500演示成功阻擋介面208各處元素的移動。

第6圖係繪示量測層結構400的散佈電阻圖600。圖600繪示於稀土金屬氧化層404和矽基板406之間的混合合金層408中的n型摻雜導電區域。圖600演示成功創建摻雜層埋藏於結構400的磊晶堆疊中。

第7圖係繪示結構100、結構200、結構300以及結構400中任何結構的成長方法700的流程圖。方法700可為有機金屬化學氣相沈積程序及/或有機金屬氣相磊晶（OMVPE）程序。在一些實例中，可使用分子束磊晶（MBE）、鹵化物氣相磊晶（HVPE）、脈衝雷射沉積（PLD）及/或物理氣相沉積（PVD）而非有機金屬化學氣相沈積執行此方法700。可直接負載基板於磊晶腔體或使用轉移（負載-上鎖）腔體負載基板。於步驟702中，調整磊晶腔體或負載-上鎖腔體中的狀況為負載晶片狀況。冷卻基板座至室溫。調整純氮氣氣流為近0。於步驟704中，負載一個或多個基板（例如基板106、矽基板206、基板306、矽基板406）於磊晶腔體或負載-上鎖腔體中，接著轉移其至磊晶腔體。假如使用負載-上鎖腔體，磊晶腔體維持在基態狀況下。

於步驟706中，調整磊晶腔體狀況為成長稀土金屬氧化層的狀況（例如材料A層104、稀土金屬氧化層204、材料A層304、稀土金屬氧化層404）。加熱一個或多個基板（例如基板106、矽基板206、基板306、矽基板406）至550℃至1200℃的溫度。調整磊晶腔體中的壓力為40 Torr至760 Torr。也可利用相當低氣壓技術（＜ 50 Torr）。調整氫氣、氮氣或混合其兩者的純氣流為1至1000 slm（每分鐘標準公升）。在一些例子中，未使用載體氣體。控制成長稀土金屬氧化層的前驅物流量率於1至500 µmol/min的範圍內。依據需求的成長率，也可調整前驅物流量率於0.1至5000 µmol/min的範圍內。

於步驟708中，於一個或多個基板之上成長稀土金屬氧化層（例如材料A層104、稀土金屬氧化層204、材料A層304、稀土金屬氧化層404）。持續步驟708一個預定時間，其對應稀土金屬氧化層所需求的厚度。需求的厚度可為約1 µm、於 1 nm 和 10 µm之間、 於 1 nm 和 100 nm之間、 於 10 nm 和 1 µm之間、 於 100 nm 和 1 µm之間及/或於 100 nm 和 10 µm之間。

於步驟710中，調整磊晶腔體狀況為成長三族氮化物的狀況。加熱晶片至550℃至1100℃的溫度。調整腔體中的壓力為40 Torr 至760 Torr。也可利用相當低氣壓技術（＜ 50 Torr）。調整氫氣、氮氣或混合其兩者的純氣流為1至1000 slm（每分鐘標準公升）。在一些例子中，可使用不純的氣體。控制三族元素前驅物流率於1至500 µmol/min的範圍內。控制五族元素前驅物流率於0.001至10 mol/min的範圍內。於步驟712中，於成核層（nucleation layer）上成長三族氮化物層（例如材料B層102、三族氮化物層202、材料B層302、三族氮化物層402）。三族氮化物層可包括多層，並可包括非III-V組成。

於步驟714中，調整磊晶腔體為卸載一個或多個基板的狀態。假如使用負載-上鎖腔體於基板負載，調整磊晶腔體狀況為基態狀況。假如從磊晶腔體直接實行基板負載，冷卻晶片至約室溫或至少低於約450℃。調整純氮氣流為接近0。於步驟716中，從成長腔體卸載一個或多個基板。

可使用化學氣相沉積（CVD）、有機金屬化學氣相沉積（MOCVD）、有機金屬氣相磊晶（OMVPE）、原子層沉積（ALD）、分子束磊晶（MBE）、鹵化物氣相磊晶（HVPE）、脈衝雷射沉積（PLD）及/或物理氣相沉積（PVD）之其一種或多種執行本文描述的沉積及/或成長。

三族氮化物材料為包括氮及一種或多種的第三族元素之半導體材料。使用來形成三族氮化物材料之常見第三族元素包括鋁、鎵以及銦。三族氮化物材料具有大直接能隙，讓其在高電壓元件、射頻元件及光學元件上為有利的。再者，因為多重第三族元素可以不同成分結合於單一三族氮化物膜，三族氮化物膜的特性為高度可調變的。

可利用有機金屬化學氣相沉積成長三族氮化物材料和III-V材料。於有機金屬化學氣相沉積中，一種或多種三族前驅物與五族前驅物反應以於基板上沉積三族氮化物膜。一些第三族前驅物包括作為鎵源的三甲基鎵（trimethylgallium, TMGA）、作為鋁源的三甲基鋁（trimethylaluminum, TMA）以及作為銦源的三甲基銦（trimethylindium, TMI）。氨（ammonia）為第五族前驅物，其可使用為氮源。叔丁基砷和砷化氫為第五族前驅物，其可使用為砷源。叔丁基磷和磷化氫為第五族前驅物，其可使用為磷源。

如本文描述，層意謂實質上均勻厚度的材料覆蓋表面。層可為連續的或不連續的（即材料的區域之間具有間隙）。舉例來說，層可完全覆蓋表面，或分割成共同定義層之分離區域（即使用選定區域磊晶形成之區域）。層結構意謂層組，且可為單一結構或大結構的一部分。三族氮化物結構意謂包含三族氮化物材料的結構，並可包括三族氮化物之外的其他附加材料，其以矽、矽氧化物（SiOx）、矽氮化物（SixNy）以及III-V材料為例。同樣地，III-V結構意謂包含III-V材料之結構，並可包括III-V材料之外的其他附加材料，其以矽、矽氧化物（SiOx）、矽氮化物（SixNy）以及三族氮化物材料（III-V材料的子集）為例。

「單片整合（Monolithically-integrated）」意謂形成在基板表面之上，通常藉由沉積層設置於表面之上。

「設置（disposed） 」下面材料或層「上（on ） 」意謂「存在（exists）」於下面材料或層「上（on ） 」。這層可包括確保適當表面所需之中間層，例如過渡層。舉例來說，若材料被描述為「設置於基板上」，則此可意謂（1）材料與基板緊密接觸；或（2）材料與在基板上的一種或多種過渡層接觸。

「單晶（single crystal）」意謂實質上僅包括一種單位晶胞的結晶結構。然而，單晶層可顯出一些結晶缺陷，例如堆疊缺陷、錯位或其他通常發生的結晶缺陷。

「單晶域（single domain）」意謂包括實質上只有一種結構的單位晶胞和實質上只有一種方向的單位晶胞的結晶結構。換句話說，單晶域結晶展現無雙晶域或反相晶域。

「單相（single phase）」意謂單晶且單晶域的結晶結構。

「結晶（crystalline）」意謂實質上單晶且實質上單晶域的結晶結構。結晶度意謂結晶結構為單晶及單晶域的程度。高結晶結構將是全部或幾乎全部為單晶且單晶域。

「磊晶（Epitaxy）」、「磊晶成長（epitaxial growth）」 以及「磊晶沉積（epitaxial deposition）」意指結晶層成長或沉積於結晶基板之上。「結晶層（crystalline layer）」意指磊晶層。「結晶基板（crystalline substrate）」作為模板，並決定結晶層的晶格方向和晶格間距。在一些例子中，結晶層可為晶格匹配或晶格共位。晶格匹配的結晶層可具有與結晶基板頂面相同或非常相似的晶格間距。晶格共位的結晶層可具有為結晶基板的晶格間距的整數倍或近似整數倍之晶格間距。或者，晶格基板的晶格間距可為晶格共位的結晶層的晶格間距的整數倍或近似整數倍。磊晶的品質部分根據結晶層的結晶度。實際上，高品質磊晶層將是具有低缺陷及鮮少或無晶粒邊界的單晶。

「基板（Substrate）」意謂形成沉積層在其上的材料。例示性基板包括但不限於：矽塊材晶圓，其中晶圓包括單晶矽的均勻厚度；組成晶圓，例如矽在絕緣體之上的晶圓，其包括設置於二氧化矽層之上的矽層，二氧化矽層設置於矽塊材操作晶圓之上；或用作為在其中或其上形成裝置之基底層的任何其他材料。適合作為應用用途以作為基板層及塊材基板的此類其他材料之例子包括但不限於氮化鎵（gallium nitride）、碳化矽（silicon carbide）、氧化鎵（gallium oxide）、鍺（germanium）、氧化鋁（alumina）、砷化鎵（gallium-arsenide）、磷化銦、矽石（silica）、二氧化矽（silicon dioxide）、硼矽玻璃（borosilicate glass）、耐熱玻璃（pyrex）及藍寶石（sapphire）。

本文描述的稀土金屬氧化物（REO）材料為可包含一種、兩種或多種稀土金屬元素和氧的材料。稀土金屬元素包括鑭（La）、鈰（Ce）、鐠（Pr）、釹（Nd）、鉕（Pm）、釤（Sm）、銪（Eu）、釓（Gd）、鋱（Tb）、鏑（Dy）、鈥（Ho）、鉺（Er）、銩（Tm）、鐿（Yb）、鎦（Lu）、鈧（Sc）和釔（Y）之其中一種或多種或其任何其他組合。

已知稀土金屬氧化物顯出螢石類型結構。隨著存在於氧化物的稀土金屬元素的原子量等任意其他因素之函數改變，這些結構顯出形態差異。

特別是，包括較輕稀土金屬之氧化物由於+2及/或+3及/或+4之可能的離子狀態而導致形成立方氟化鈣型結晶結構。具有這種結晶結構的氧化物由於其多重可能性的氧化狀態（就稀土金屬氧化物而言）而顯出明顯的淨電荷缺陷。另一方面，較重稀土金屬形成的氧化物（如RE₂ O₃ 等）由於RE＜3+＞的離子狀態而顯出歪曲的氟化鈣型結晶結構，其以包括陰離子空缺之方鐵錳礦出名。這些較重稀土金屬元素包括三氧化二鎦（Lu₂ O₃ ）、三氧化二鐿（Yb₂ O₃ ）、三氧化二銩 （Tm₂ O₃ ）、三氧化二鉺（Er₂ O₃ ）、三氧化二鈥（Ho₂ O₃ ）、 三氧化二鏑（Dy₂ O₃ ）、三氧化二鋱 （Tb₂ O₃ ）、三氧化二釓（Gd₂ O₃ ）、三氧化二釤（ Sm₂ O₃ ）。

具有RE₂ O₃ 形式的稀土金屬氧化物的例示性實例為Er₂ O₃ 。 Er₂ O₃ 的單元晶胞的結晶結構為氧缺位衍生的（oxygen-vacancy-derived）螢石衍生物（即方鐵錳礦結構）。稀土金屬氧化物介電層可包括這些單位晶胞的組合。

稀土金屬氧化物基板意謂包括單晶稀土金屬氧化物和基板之成分。稀土金屬氧化物的實例為三氧化二釓（Gd₂ O₃ ）、三氧化二鉺（Er₂ O₃ ）以及三氧化二鐿（Yb₂ O₃ ）。基板由矽＜100＞、矽＜1111＞或其他適當材料組成。稀土金屬氧化層磊晶沉積於基板上。

「絕緣體上的半導體（Semiconductor-on-Insulator）」意謂包括單晶半導體層、單相介電層及基板的組成，其中介電層介於半導體層和基板之間。這結構使人聯想到先前技術的絕緣體上的矽（“SOI”）組成，其通常包括單晶矽基板、非單相的介電層（如非晶二氧化矽等）及單晶矽半導體層。

載子濃度意謂每單位體積的多數載子數目。

電荷載子密度表示每單位體積的電荷載子的數目。

介面意謂不相似的結晶半導體的兩層或兩個區域之間的表面。

絕緣體上的半導體組成包括具有單相形態（morphology）的介電層，然而SOI晶圓則無。事實上，通常SOI晶圓的絕緣層甚至不是單晶。

絕緣體上的半導體組成包括矽、鍺或矽－鍺「主動（active）」層，然而先前技術的SOI晶圓使用矽主動層。換句話說，例示性之絕緣體上的半導體組成包括但不限於：絕緣體上的矽、絕緣體上的鍺及絕緣體上的矽－鍺。

本文繪示及/或描述為在第二層「上（on）」或「之上（over）」的第一層可緊密相鄰於第二層，或可有一個或多個中間層在第一層和第二層之間。本文繪示及/或描述之「在」第一層和第二層「之間（between）」的中間層可緊密相鄰於第一層及/或第二層，或一個或多個附加中間層可介於中間層和第一層和第二層之間。除了可因為第一層和第二層或基板混合而形成中間合金層以外，本文描繪及/或描述為「直接（directly）」在第二層或基板「上（on）」或「之上（over）」的第一層係無中間層存在地緊密相鄰於第二層或基板。除此之外，本文繪示及/或描述之在第二層或基板「上（on）」、「之上（over）」、「直接（directly）」在第二層或基板「上（on）」、「之上（over）」的第一層可覆蓋整個第二層或基板、或第二層或基板的一部分。

基板在層成長期間被放置在基板座上，頂面或上面為離基板座最遠的基板或層的表面，而底面或下面為離基板座最近的基板或層的表面。本文描述及描繪的任何結構可為具有其他層於所繪的這些結構之上/之下的較大結構的一部分。雖然這些其他層可為所揭露結構的一部分，但為了清楚起見，本文圖式可省略這些其他層。除此之外，所繪之結構可為重複單元，即使此些重複未繪示於圖式中。

從上述說明顯而易見的是可使用各種技術來執行本文描述的概念而未悖離本揭露的範圍。所述的實施例在所有方面上皆被認為係說明性而非限制性的。應理解的是本文描述的技術與結構不限於本文所述的特定實例，而是可以其他實例執行而未悖離本揭露的範圍。同樣地，雖然操作在圖式中以特定順序繪示，然而此不應被理解為要求以特定順序或依序執行此些操作或需執行所有所示的操作來達到理想的結果。此外，本文描述的不同實施例非為單一實例，而其他揭露的實施例可包括單一實例的特徵。因此，將理解的是申請專利範圍未限制於本揭露的實例，但應理解的是所述技術領域中具有通常知識者將從上述提供的技術性教示得知本發明。

100、200、300、400‧‧‧結構
104、304‧‧‧材料A層
202、402‧‧‧三族氮化物層
102、302‧‧‧材料B層
204、404‧‧‧稀土金屬氧化層
106、306‧‧‧基板
206、406‧‧‧矽基板
108、208‧‧‧介面
308‧‧‧材料C層
408‧‧‧混合合金層
500、600‧‧‧圖
700‧‧‧方法
702、704、706、708、710、712、714、716‧‧‧步驟

經由與附圖結合考量以下的詳細描述，本揭露的上述及其他特徵將會顯而易見，其中：

第1圖係繪示根據例示性實施方式的包括化學障壁的磊晶結構；

第2圖係繪示例示性實施方式的包括化學障壁的III-N磊晶結構；

第3圖係繪示例示性實施方式的包括摻雜的化學障壁的磊晶結構；

第4圖係繪示例示性實施方式的包括摻雜的化學障壁的III-N磊晶結構；

第5圖係繪示例示性實施方式的量測包括化學障壁的III-N磊晶結構之散佈電阻圖；

第6圖係繪示例示性實施方式的量測包括摻雜的化學障壁的III-N磊晶結構之散佈電阻圖；以及

第7圖係繪示例示性實施方式的第1圖、第2圖、第3圖以及第4圖所示的任何結構之沉積方法之流程圖。

100‧‧‧層結構

102‧‧‧材料B層

104‧‧‧材料A層

106‧‧‧基板

108‧‧‧介面

Claims (16)

1. 一種具有化學障壁之基板上磊晶成長之結構，其包括： 一基板層，具有一第一介面並於該第一介面具有一第一載子濃度，其中該第一介面中的該第一載子濃度數量級大於該基板層的一塊材載子濃度數量級而彼此不同； 一稀土金屬氧化物障壁層，磊晶成長於該基板層之上，其中該稀土金屬氧化物障壁層包括一稀土金屬氧化物材料；以及 一第三族層，磊晶成長於該稀土金屬氧化物障壁層之上，其中該第三族層包括第三族元素，其中該稀土金屬氧化物障壁層防止第三族成分（species）擴散至該基板層。
2. 如申請專利範圍第1項所述之結構，其中該第三族層包括三族氮化物材料。
3. 如申請專利範圍第1項所述之結構，其中該基板層包括矽材料。
4. 如申請專利範圍第3項所述之結構，其中該基板層的該塊材載子濃度為小於約1x10¹² cm^-3 。
5. 如申請專利範圍第1項所述之結構，其中該第一載子濃度小於該塊材載子濃度。
6. 如申請專利範圍第5項所述之結構，其中該第一載子濃度小於約1x10¹¹ cm^-3 。
7. 如申請專利範圍第1項所述之結構，其中該第一載子濃度大於該塊材載子濃度。
8. 如申請專利範圍第7項所述之結構，其中該第一載子濃度至少約1x10¹⁵ cm^-3 。
9. 如申請專利範圍第1項所述之結構，其中該第一介面具有小於5nm的厚度。
10. 如申請專利範圍第1項所述之結構，其中該第一介面具有大於5nm的厚度。
11. 如申請專利範圍第1項所述之結構，其中該第一介面為n型。
12. 如申請專利範圍第1項所述之結構，其中該第一介面為p型。
13. 如申請專利範圍第1項所述之結構，更包括一稀土金屬含有層，該稀土金屬含有層介於該稀土金屬氧化物障壁層和該基板層之間，其中該稀土金屬含有層包括稀土金屬元素和矽。
14. 如申請專利範圍第13項所述之結構，其中該稀土金屬含有層更包括氧。
15. 如申請專利範圍第1項所述之結構，其中該稀土金屬氧化物材料包括一第一稀土金屬元素和一第二稀土金屬元素。
16. 如申請專利範圍第7項所述之結構，該稀土金屬氧化物材料包括一立方晶格結構。