TW483050B - Semiconductor structure - Google Patents

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TW483050B
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semiconductor
semiconductor structure
composition
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TW090102847A
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Jamal Ramdani
Ravindranath Droopad
Lyndee L Hilt
Kurt William Eisenbeiser
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Motorola Inc
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發明範疇 本發明通¥與半導體結構有關，並且與一種製造半導體 結構的方法有關，丨其，本發明與組合物半導體結構有關 、’並且與包含-單晶組合物半導體材料之半導體結構的製 造及使用有關。 發明背景 、絕大部分的半導體離散裝置及積體電路都是以矽爲材料 所製造而成，i少在某種程度上是因爲低成本、高品質單 晶矽基材的可用性所致。諸如所謂的組合物半導體材料之 類的其:他半導體材料具有物理屬性包括比♦更寬的帶隙及 /或更南的遷移4，或是使這些材料非f適用於特定半導體 裝置的直接帶隙。可惜，組合物半導體材料的成本通常高 於矽2並且在大型晶圓中，不如矽那樣容易取得。晶圓中 可取仵的砷化鎵（GalHum arsenide; GaAS)(最容易取得的組 合物半導體材料）的直徑最大只有大約150微米（mm)。相反 地二可取得的矽晶圓具有最大大約300亳米（mm)的直徑，並 且取廣泛使用的是200 mm。150 mm仏^晶圓的成本高於 ^文的矽叩圓泎多倍。其他的組合物半導體材料晶圓更不 容易取得，並且成本比GaAs更高。 二因爲希望有组合物半導體材料的特性，並且因爲通常目 月）其成本南及較無法取得大容積形式，所以許多年來已嘗 2在異質基材上生長組合物半導體材料薄膜。然而，爲了 f現最佳的組合物半導體材料特性，需要高結晶品質的單 晶膜。例如，已嘗試在鍺、矽及各種隔離體上生長單晶組 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) f 裝-----：----訂---------線一 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -4- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 483050 A7 _B7 _ 五、發明說明（2 ) 合物半導體材料層。這些嘗試尚未成功，因爲主晶與生長 晶間的晶格不匹配，導致所產生的組合物半導體材料薄膜 的結晶品質不佳。 如果以低成本取得大面積高品質單晶組合物半導體材料 薄膜，則有助於以低成本在該薄膜上製造各種半導體裝置 ，其成本低於在組合物半導體材料的大容積晶圓上製造此 類裝置的成本，或是低於在組合物半導體材料之大容積晶 圓上此類材料的磊晶膜中製造此類裝置的成本。此外，如 果能夠在諸如矽晶圓的大容積晶圓上體現高品質單晶組合 物半導體材料的薄膜，則可利用矽及組合物半導體材料的 特性來實現積體裝置結構。 因此，需要有一種半導體結構，其能夠提供優於另一種 單晶材料的高品實單晶組合物半導體膜，以及需要有一種 製造此類結構的方法。 圖式簡單説明 本發明將藉由範例及附圖來進行解説，但本發明未限定 在這些範例及附圖内，其中相似的參照代表相似的元件， 並且其中： 圖1、2、4、5顯示根據本發明各種具體實施例之裝置結 構的斷面圖； 圖3以圖表顯示可獲得的最大膜厚度與主晶和生長結晶 覆蓋層間晶格不匹配間的關係； 圖6顯示通信裝置一部分的方塊圖；
圖7到11顯示包括組合物半導體部分、雙極性部分及MOS -5- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注咅？事項再填寫本頁) 裝-----r---訂---------線一 483050 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（3 邵分之積體電路一部分的斷面圖；以及 圖12到18顯示包括半導體雷射及刪電晶體之另一積靡 電路一邵分的斷面圖。 & 熟知技藝人士應明白，圖中的元件是簡化的㈣n 不需要按比㈣製。例如，相對於其他元件，圖 件的尺寸可能過度放大，以利於更容易瞭解本發明:: 實施例。 月 圖式詳細説明 圖1顯示根據本發明一項具體實施例之半導體处 一部分的斷面圖。半導體結構20包括單晶基材22:包含單 晶材料的容納緩衝層24以及單晶組合物半導體材料層&。 ^此上=文中，術語「單晶」應具有半導體產業内常用的 .心義術％「單卵」應代表屬於單晶或實質上屬於單晶的 材料，並JL應包含具有相#少量缺陷（諸如石夕或石夕化緒或混 合物I基材中常發現的位錯等等）的材料，以及半導體產業 中常發現之此類材料的磊晶層。 根據本發明一項具體實施例，結構2〇還包括位於基材22 與容納緩衝層24之間的非結晶中間層28。結構2〇還可包括 位於容納緩衝層與組合物半導體層26之間的模板層3〇。如 下文中詳細的説明，模板層有助於在容納緩衝層上開始生 長組合物半導體層。非結晶中間層有助於減緩容納緩衝層 應變’並藉此協助生長高結晶品質容納緩衝層。 根據本發明一項具體實施例，基材22是單晶矽晶圓，最 好疋大尺寸單晶矽晶圓。晶圓可能屬於周期表第族材料 -6- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）
(請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 483050 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（4 ) ，並且最好是第IVA族材料。第…族半導體材料的範例包 :矽、鍺、混合矽與鍺、混合矽與碳、混合矽、鍺與碳等 等。基材22最好是包含矽或鍺的晶圓，並且最好是如半導 體業產巾使用的以料晶石夕晶圓。容納緩衝層24最好是 基礎基材上磊晶生長的單晶氧化物或氮化物材料。根據本 發明一項具體實施例，非結晶中間層28係在基材22上生長 ，並位於基材22與生長的容納緩衝層之間，其方式是在生 長容納緩衝層24期間氧化基材22。非結晶中間層係用來減 緩由於基材與緩衝層間晶格常數差異而導致容納緩衝層可 能會發生的應變。在本文中，晶格常數代表在表面平面上 所測量之細胞原子間的距離。如果非結晶中間層未減緩此 類的應變，則應變會導致容納緩衝層中結晶結構中的缺陷 。接著’谷納緩衝層中結晶結構中的缺陷將導致難以實現 單晶組合物半導體層26中的高品質結晶結構。 谷納緩衝層2 4取好疋選用與基礎基材結晶相容及與覆蓋 組合物半導體材料結晶相容的單晶氧化物或氮化物材料。 例如’此類的材料可能是具有與基材匹配且與後續供應的 半導體材料匹配之晶格結構的氧化物或氮化物。容納緩衝 層所適用的材料包括氧化金屬，諸如驗土金屬鈥酸鹽、驗 土金屬锆私:鹽、绘土金屬铪酸鹽、驗土金屬短酸鹽、驗土 金屬釕酸鹽、鹼土金屬鈮酸鹽、鹼土金屬釩酸鹽、鹼土金 屬錫基鈣鈦礦（alkaline earth metal tin-based perovskites) 、鑭铭fe:鹽、氧化鑭钪及氧化乱。另外，容納緩衝層也可 使用諸如氮化鎵、氮化鋁及氮化硼之類的氮化物。這些材 -7- ‘紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） —裝-----r---訂---------線j (請先閲讀背面之注咅？事項再填寫本頁) 483050 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 ---— _B7___ 五、發明說明（5 ) 料大部分是隔離體，雖然（例如）總、釕是導體。一般而言 ’這些材料是氧化金屬或氮化金屬，尤其，這些氧化金屬 或氮化金屬包括至少兩個不同的金屬元素。在某些特定應 用中’乳化金屬或氮化金屬包括至少三個或三個以上不同 的金屬元素。 非結晶中間層2 8最好是藉由將基材2 2表面氧化所形成的 氧化物，尤其是由氧化矽所組成。非結晶中間層28的厚度 足以減緩因基材22與容納緩衝層24的晶格常數間不匹配所 導致的應變。通常，非結晶中間層28的厚度大約是0.5到5 毫微米（nm)。 可按特足半導體結構的需求’從第111A與V A族元素 (III-V半導體組合物）、混合ΠΙ·ν組合物、第II(A與B)與VIA 族元素（Π-VI半導體組合物），以及混合π_νι組合物中選用 單晶組合物半導體層26的組合物半導體材料。範例包括砷 化鎵（GaAs)、砷化鎵銦（GaIllAs)、砷化鎵鋁（GaAlAs)、磷 化銦（InP)、硫化鎘（CdS)、碲化鎘汞（CdHgTe)、硒化鋅（ZnSe) 、硒化鋅硫（ZnSSe)等等。適合的模板材料以化學方式鍵合 在容納緩衝層24表面上的選取部位，並提供後續組合物半 導體層26蟲晶生長集結（nucieati〇n)的部位。下文中將説明 適用於模板層3 0的材料。 圖2顯示根據本發明另一項具體實施例之半導體結構4〇 之一部分的斷面圖。結構40類似於前文説明的半導體結構 20，除了介於谷納緩衝層24與單結構組合物半導體材料層 26間的額外緩衝層32以外。具體而言，額外緩衝層位於模 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) · I I I l· I I I ^ « — — —— — I — — — — — — — — —f.
483050 A7 五、發明說明（6 ) ”覆蓋组合物半導體材料層之間。當容納缓衝居奋 法通备匹配覆蓋單晶組合物半導體材料層時，半導體^ 合物羊導體材料所形成的額外續输展 。 X 7毛、外，皮衝層係用來提供晶格補償 下列非限制性、作例證的範例説明根據本發明各種替代 具體實施例之結構20與結構40中可用的各種材料组合 些完全是用來説明，並且本發明不限定於這些作例證的範 例〇 範例1 根據本發明一項具體實施例，單晶基材U係以（1〇〇)方向 爲目的之矽基材。矽基材可能是（例如）用來製造直徑大約 爲200到300 mm之互補金屬氧化物半導體（cm〇s^^體電路 中常用的矽基材。根據本發明的此項具體實施例，容納緩 衝層24是SrzBai_zTi〇3單晶層，其中z介於以"範圍内，而 非結晶中間層是在介於矽基材與容納緩衝層間之界面上形 成的氧化矽（SiOx)層。所選用的z値是爲了獲得緊密匹配對 應之後續形成層26之晶格常數的一個或一個以上晶格常數 。例如’谷納緩衝層的厚度大約在2 nm到100 nm的範圍内 ’並且取好疋大約1 〇 nm的厚度。一般而言，希望容納緩衝 層的厚度足以隔離組合物半導體層與基材，以獲得所希望 的電子及光學特性。厚度低於1 〇〇 nm的層通常提供較少的 額外優點’並增加不必要的成本；然而，若需要，可製造 較厚的層。氧化矽非結晶中間層厚度大約在〇 5 nn^,】5 nm 的範圍内’並且最好是大約1 · 5 nm到2 · 5 nm的厚度。 -9- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝-----r---訂---------線赢 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 哪050 五、 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 發明說明（7 根據本發明的此項具體實施例，组合物半導體材料層26 是砷化鎵（GaAs)或坤化鋁鎵（AlGaAs)層，其厚度大約si ηπι到大約1〇〇微米（μπχ) ’並且最好是大約〇5 叫的 厚度。厚度通常視所準備之層的應用而定。爲了促進在單 晶乳化物上暴晶生長砰化鎵或砰化銘鎵，將藉由覆蓋氧化 層來形成模板層。模板層最好是Ti-As、Sr-〇-As、Si*-Ga_Q 或81*-八1-0的1到1〇層單分子層（111011〇1叮^)。藉由較佳範例 ，已證實Ti-As或Sr-Ga-Ο的1到2層單分子層可成功生長 GaAs 層0 範例2 根據本發明進一步具體實施例，單晶基材22是如上文所 述的碎基材。容納緩衝層24是立體或斜方晶相之鳃或鋇錐 酸鹽或給的單晶氧化物，而非結晶中間層是在介於石夕基材 與容納緩衝層間之界面上形成的氧化矽層。容納緩衝層的 厚度大約在2 nm到100 nm的範圍内，並且最好是至少5 nm 的厚度，以確保足夠的結晶及表面品質，並且是由單晶 SrZi*03、BaZr〇3、SrHf03、BaSn03或 BaHf03所組成。例如 ’可在大約700度C的溫度下生長BaZr03單晶氧化層。所產 生之結晶氧化物的晶格結構呈現相對於基材矽晶格結構的 45度旋轉。 由這些鋇锆酸鹽或铪材料所形成的容納緩衝層適合在瑪 化銦（InP)系統中生長組合物半導體材料。組合物半導體材 料可能是（例如）厚度大約是1 ·〇 nm到10 μιη的磷化銦（InP) 或坤化鋼鎵（InGaAs)。適用於此結構的模板層是锆-砰 -10- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
48J050 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 五、發明說明（8 ) (Zr-As)、鍺磷（Zr-P)、铪_砷（财_八5)、铪-磷（Hf-P)、鳃-氧 -砷（Sr-0-As)、鳃-氧-磷（Sr-Ο-Ρ)、鋇·氧-砷（Ba-0-As)、銦-翅-氧（In-Sr-O)或鋇-氧·磷（Ba_〇_P)的1到10層單分子層 (monolayer)，並且最好是這些材料其中一個的丨到2層單分 子層。藉由範例，就鋇結酸鹽容納緩衝層而言，表面係以 錐的1到2層單分子層終止，之後接著沈積坤的1到2層單分 子層，以形成Zr-As模板。然後，在模板層上生長以磷化銦 系統爲材料的組合物半導體材料的單晶層。所產生之組合 物半導體材料的晶格結構呈現相對於容納緩衝層晶格結構 的45度旋轉，並且不匹配（1〇〇) Inp的晶格小於2 5%，並且 最好小於大約1.0%。 範例3 根據本發明進一步具體實施例，假設結構適合生長π-νι 材料暴晶膜，以覆蓋矽基材。如上文所述，基材最好是矽 晶圓。適合的容納緩衝層材料是SrxBai xTi〇3，其中χ介於〇 到1範圍内，厚度大約在2 nm到1〇〇 nm的範圍内，並且最好 是大約5 nm到15 nm的厚度。π-VI組合物半導體材料可能是 (例如）鋅亞涵酸鹽（ZnSe)或鋅硫亞硒酸鹽（ZnSSe)。適用於 此材料系統的模板層包括鋅_氧（Zn-〇)的1到1〇層單分子層 ’之後接著過量的鋅的1到2層單分子層，之後接著位於表 面上的鋅亞磁酸鹽。或者，模板層可能是（例如）鳃-硫（Sr_s) ’之後接著ZnSeS。 範例4 本發明的此項具體實施例是圖2所示之結構4〇的範例。基 -11- 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝-----^----訂---------線* 483050 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（9 ) 材22、單晶氧化層24及單晶組合物半導體材料層26可能類 似於範例1中所説明對應項。此外，額外緩衝層32係用來減 緩應變，其中應變是由於容納緩衝層晶格與單晶半導體材 料間不匹配所致。緩衝層32可能是砷磷化鎵（GaASxPix)或 嶙化銦鎵（ΙηγGaNyP)應變補償超晶格。在绅騎化鎵超晶格中 ，X値介於〇到i範圍内，而在磷化銦鎵超晶格中，y値介於〇 到1範圍内。藉由看情況來改變x値或y値，晶格常數會隨之 橫跨超晶格從下到上變改，以產生基礎氧化物與覆蓋組合 物半導體材料之晶格常數間的匹配。超晶格的厚度大約在 50 nm到500 nn^範圍内，並且最好是大約2〇〇 nn^ i〇〇 nm 的厚度。此結構的模板可能與範例丨中説明的模板相同。或 者，緩衝層可能是厚度爲1 nm到50 nm的的單晶鍺，並且最 好疋大約2 nm到20 nm的厚度。在使用鍺緩衝層的過程中， 可使用厚度大約一個單分子層的鍺—鳃（Ge_Sr)或鍺-欽 (Ge-Ti)的模板層。形成氧化層的方式是覆蓋單分子層鳃或 單分子層鈦，以作爲後續沈積單晶鍺的集結部位。單分子 層鳃或單分子層鈦提供第一單分子層鍺可键合的集結部位 範例5 此$例還説明圖2所示之結構4〇中使用的材料。基材材料 22奋饷，、爰衝層24及單晶組合物半導體材料層26及模板層 ^ 〇可把與範例2中所説明對應項相同。此外，會在容納緩衝 層與覆蓋單晶組合物半導體材料層《間插入緩衝層32。緩 衝層（進一步的單晶半導體材料）可能是（例如）砷化銦鎵 -12- 本紙張尺度_ + _家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱"7 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 訂---------線赢 483050 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（1〇 ) (InGaAs)的粒級層（graded layer)，其中銦成份大約從0到 47%間變化。緩衝層的厚度最好大約是1〇到3〇 。將緩衝 層成份從GaAs變化成InGaAs，以提供基礎單晶氧化材料與 早晶組合物半導體材料覆蓋層間的晶格匹配。如果容納緩 衝層24與單晶組合物半導體材料層26間晶格不匹配，則此 類的緩衝層特別有利。 请重新參考圖1及2，基材22是諸如單晶矽基材之類的單 晶基材。單晶基材結晶結構的特徵在於晶格常數及晶格方 向。在類似的方法中，容納緩衝層24也是單晶材料，並且 單晶材料晶格的特徵在於晶格常數及晶體方向。容納緩衝 層與單晶基材的必須緊密匹配，或者，必須某一晶體方向 係對著另一晶體方向旋轉，才能達成實質上晶格常數匹配 。在此上下文中，「實質上等於」及「實質上匹配」表示 晶格常數間有充足的相似點，而能夠在基礎層上生長高品 質結晶層。 圖3顯示可達成之高結晶品質生長晶體層厚度的關係，作 爲主晶與生長晶的晶格常數之間不匹配的函數。曲線4 ?高 結晶品質材料的界限。曲線42右方的區域代表愈來愈晶格 匹配的多晶體，因此能夠在主晶上生長無限厚度、高品質 磊晶層。由於晶格常數不匹配遞增，所以可達成、高品質 結晶層的厚度迅速遞減。例如，作爲參考點，如果主晶與 生長層間的晶格常數不匹配超過大約2%，則無法達成超過 大約20 nm的單晶磊晶層。 根據本發明一項具體實施例，基材22是以（1〇〇)或（ιιι) -13- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注咅？事項再填寫本頁) 裝·丨丨—：---丨訂— I---·*5^ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 483050 A7 _B7 _ 五、發明說明（11 ) 爲方向的單晶矽晶圓，而容納緩衝層24是鳃鋇鈦酸鹽層。 達成這兩種材料之晶格常數實質上匹配的方式爲’將欽酸 鹽材料晶體方向往相對於矽基材晶圓晶體方向45°旋轉。在 此範例中，非結晶中間層24結構中所包含的氧化矽層係用 來降低鈇酸鹽單晶層應變，因爲欽酸鹽單晶層應變會導致 主矽晶圓與生長鈦酸鹽層的晶格常數不匹配。結果，根據 本發明一項具體實施例，可達成高品質、更厚的單晶層鈦 酸鹽層。 請重新參考圖1及2,層26是磊晶生長單晶組合物半導體 材料層’並且該結晶材料的特徵在於晶格常數及晶體方向 。爲了達成南結晶品質的蟲晶生長層’容納緩衝層必須具 有南結晶品質。此外^爲了達成面結晶品質的層26’布望 主晶（在此情況下，主晶是單晶容納緩衝層）與生長晶體的 晶格常數之間實質上匹配。配合正確選用的材料，由於生 長晶體的晶體方向會相對於主晶方向旋轉^所以可達成晶 格常數實質上匹配。如果生長晶體是坤化鎵、砷化鋁鎵、 鋅亞硒酸鹽或鋅硫亞硒酸鹽，而容納緩衝層是單晶 Si^Ba^TiC^，則可達成這兩種材料的晶格常數實質上匹配 ，其中會將生長層的晶體方向往相對於主單晶氧化物方向 旋轉45°。同樣地，如果主晶材料是鳃或鋇锆酸鹽或鳃或鋇 铪或鋇錫氧化物，而組合物半導體層是磷化銦或砷化鎵銦 或砷化鋁銦，則可達成晶格常數實質上匹配，其方式是將 生長晶體層的方向往相對於主氧化物晶體方向旋轉45°。在 某些情況中，主晶氧化物與生長組合物半導體層之間的結 -14- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝-----Γ---訂---------線座 483050 A7 B7 五、發明說明（12 t半導體緩衝層可用來降低生長單晶組合物半導體層的應 變，因爲應變會導致晶格常數的微幅差異。藉此可二成最 佳的生長單晶組合物半導體層結晶品質。 下文説明根據本發明一項具體實施例之製造諸如圖丨與二 所π之結構之半導體結構的方法。方法的開始步驟是提供 一種包括，碎或鍺的單晶半導體基材。根據本發明較佳具體 實施例，半導體晶基材是具有（100)方向的矽晶圓。基材^ 好是以軸線爲方向，最多偏離軸線大約05。。半導體基材 的至少一部分具有裸面，然而基材的其他部分可能圍繞著 其他結構，如下文所述。在此上下文中，術語「裸」表示 已清除基材的部分表面，以去除氧化物、致污物或其他異 質材料。眾所皆知，裸矽具有高度反應性，並且很容易形 成天然氧化物。術語「裸」包含此類的天然氧化物。還可 能故意在半導體基材上生長薄型氧化矽，然而此類的生長 氧化物不是根據本發明之方法的必要項。爲了羞晶生長單 晶氧化層以覆蓋單晶基材，必須先去除天然氧化層，以暴 露基礎基材的結晶結構。下列的方法最好是藉由分子束磊 晶生長（molecular beam epitaxy ; ΜΒΕ)方法來實現。藉由 先在MBE裝置中熱沈積薄型鳃層，以去除天然氧化物。然 後，將基材加熱到大約75(TC，使鳃與天然矽氧化層產生化 學反應。鳃係用來分解氧化矽，而留下無氧化矽表面。所 產生的表面包括锶、氧及矽，並呈現整齊的2χ1結構。整齊 的2x1結構形成模板，用以有序生長單晶氧化物的覆蓋層。 模板提供必要的化學及物理特性，以集結結晶生長的覆蓋 -15- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝·----r---訂---------線| 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 483050 發明說明（13 根據本發明替代具體實施例，可轉換天然氧化矽並準備 基材表面，以生長單晶氧化層，其方式是在低溫下藉由MBE 在基材表面上沈積氧化鳃，接著將結構加熱到大約75〇。〇。 在此溫度下，氧化鳃與天然氧化矽間發生的固態反應導致 天然氧化矽返原，並在基材表面上留下具有鳃、氧及矽的 整齊2x1結構。再次，以此方式形成模板，用以接著生長有 序單晶氧化物層。 根據本發明一項具體實施例，在去除基材表面上的氧化 矽後，將基材冷卻到大約400到600。(：範圍内的溫度，並且 藉由分子束磊晶生長在模板層上生長鳃鈦酸鹽層。MBE方 法從MBE裝置中的開孔活閘（〇pening shuUer)開始，以暴露 锶、鈦及氧來源。鳃與鈦的比率大約是1 : 1。部分壓力之 氧氣最初設定在最小値，以利於以每分鐘大約〇 3到〇 5 的生長速度來生長推測的總鈥酸鹽。在初步生長鳃鈦酸鹽 後，將部分壓力之氧氣遞增到大約最初的最小値。氧氣過 壓會導致在基礎基材與生長中之總鈥酸鹽層之間的界面上 生長非結晶氧化矽。生長氧化矽層起因於氧氣會通過生長 中之鳃鈦酸鹽層擴散到位於基礎基材表面上氧氣與碎產生 化學反應的表面。鳃鈦酸鹽生長成爲有序單晶，並且具有 相對於整齊2x1結晶結構之基礎基材旋轉45。的結晶方向。 否則，魏鈥酸鹽層可能存在應變，這是因爲矽基材與生長 晶體之間晶格常數微幅不匹配所致，而在非結晶氧化秒中 間層可減缓此類的應變。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝·----：----訂·--------線表 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -16- 483050 A7 -------— B7 五、發明說明（14 ) ^總鈥酸鹽生長到所希望的厚度後，接著藉由模板層來 覆盍單晶鳃鈦酸鹽，以促進後續生長所希望的組合物半導 體材料磊晶層。就後續生長砷化鎵層而言，覆蓋生長 的鳃鈦酸鹽單晶層的方式爲，以丨到2層單分子層鈦、丨到9 層單分子層鈦-氧或1到2層單分子層翅一氧來終止生長。在 形成此覆蓋層後，接著沈積砷，以形成Ti_As鍵合、Ti_〇_As 鍵合或Sr-0-As。這些的任一種都可形成適合沈積及形成砷 化鎵單晶層的模板。在形成模板後，接著導入鎵，以與砷 產生化學反應’並形成砰化鎵。或者，可在覆蓋層上沈積 鎵，以形成Sr-0-Ga鍵合，並且導入與鎵反應的砷，以形成 GaAs 〇 藉由如上文所述的方法並加上額外緩衝層沈積步驟，即 可形成如圖2所示的結構。在沈積單晶組合物半導體層之前 ，會先形成覆蓋模板層的緩衝層。如果缓衝層是組合物半 導體超晶格，則可在如上文所述的模板上藉由（例如）mbe 來沈積此類的超晶格。如果用錯層來取代緩衝層，則會修 改上述的方法，以最後的總層或鈥層來覆蓋總鈥酸鹽單晶 層，然後藉由沈積鍺，以利於與鳃或鈦產生化學反應。然 後，可在此板板上直接沈積錯緩衝層。 如上文所述的方法説明一種藉由分子束磊晶生長方法來 形成半導體結構的方法，其中該半導體結構包含一矽基材 、一單晶鳃鈦酸鹽容納緩衝層及一單晶砷化鍺組合物半導 體層。然而，還可能藉由化學蒸汽化殿積（chemical vapor deposition ; CVD)、金屬有機化學蒸汽澱積（metal organic -17- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注咅J事項再填寫本頁) 裝-----r---訂---------線羞 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 483050 Α7 Β7 五、發明說明（15) chemical vapor deposition ; MOCVD)、遷移率增強型系晶 生長（migration enhanced epitaxy ; MEE)、原子層磊晶生長 (atomic layer epitaxy ; ALE)等等來實現此項方法。另外， 藉由類似的方法，還可生長其他的單晶容納緩衝層，諸如 ，鹼土金屬鈦酸鹽、驗土金屬锆酸鹽、驗土金屬給酸鹽、 鹼土金屬短酸鹽、鹼土金屬釩酸鹽、鹼土金屬釕酸鹽、鹼 土金屬說酸鹽、驗土金屬錫基轉鈇礦（alkaline earth metal tin-based perovskites)、鑭鋁酸鹽、氧化鑭銃及氧化釓。另 外，藉由諸如MBE的類似方法，還可沈積其他的第ΙΠ_ν& II-VI族單晶組合物半導體層，以覆蓋單晶氧化物容納緩衝 層。 組合物半導體材料與單晶氧化物容納緩衝層的每種變化 都是使用適當的模板層，以利於開始生長組合物半導體層 。例如，如果容納緩衝層是鹼土金屬锆酸鹽，則可藉由薄 型锆層來覆盍氧化物。沈積锆之後，接著沈積要與錐產生 化學反應的砷或磷，作爲分別沈積砷化銦鎵、砷化銦鋁或 磷化銦的前導。同樣地，如果單晶氧化物容納緩衝層是鹼 土金屬铪酸鹽，則可藉由薄型铪層來覆蓋氧化層。沈積铪 之後，接著沈積要與铪產生化學反應的砷或磷，作爲分別 生長砷化銦鎵、砷化銦鋁或磷化銦層的前導。在類似的方 法中，可用鳃或鳃暨氧層來覆蓋鳃鈦酸鹽，並且用鋇或鋇 暨氧層來覆蓋鋇鈦酸鹽。沈積前述各項之後，接著沈積要 與覆蓋材料產生化學反應的坤或磷，以形成用來沈積組合 物半導體材料層的模板，其中組合物半導體材料層包括砷 丨丨---------•裝-----r---訂---------線# (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -18-
483050 A7 B7 五、發明說明（16 ) 化銦鎵、砷化銦鋁或磷化銦層。 斷=顯=本發明進一步具體實施例之裝置結構5。的 口-裝匕結構50包括單晶半導體基材52，並最好… =圓。單晶半導體基材52包㈣及54兩個區域。；： ΓΓΓΓ子半導體组件通常是在區域53中形成。ΐΐ 的主動式半導體組件，或者諸/五姑：^或電晶體之類 … 4 #逢如互補金屬氧化物丰道髀 聰）積體電路之類的積體電路。例如，電子半導體^ 56可能是CM0S積體電路，用來執行數位信號處理，^用來 執=當通切積體電路的另_種功能。可藉由眾所皆知 ΐ ί體產業中廣泛實施的傳統半導體處理來形成區域53 的電：半導體組件。諸如二氧化矽層之類的隔離材料層 58可覆盍電子半導體組件56。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 區域54的表面上會移除半導體組件56處理期間在區域53 中形成或沈積的隔離材料58或任何其他層，以便在區域Μ 中提供㈣表面。眾所皆知，㈣表面具有高度反應性， 亚且裸表面上可迅速形成天然氧化矽層。會在區域Μ表面 上的天然氧化物層上沈積鋇或鋇暨氧層，並且與氧化表面 產生化學反應，以形成第一模板層（圖中未顯示）。根據本 發明-項具體實施例，會藉由分子束蓋晶生長方法來形成 單晶氧物層60,以覆蓋模板層。在模板層上沈積包括鋇 、鈦暨氧的反應物，以形成單晶氧化物層。首先，於沈積 期間’將部分壓力之氧氣維持在接近與鋇及鈦完全反應所 須的最小限度’以形成單晶鋇鈦酸鹽層6〇。然後，遞增部 -19- 483050 五、發明說明（17) 供氧氣過塵，並允許氧氣通常生長中的 區域54表面上的砂產μ ^，層擴政的錢會與位於 广… 7屋生化學反應，用以在第二區域上形达 氧化矽非結晶層62，非姓曰厗67彳^、人& # 氐$上形成 之間的界面。 非、、·，層62位抑基材與單晶氧化物 根=發明1具體實施例，終止沈積單晶氧化物層6〇 ::、疋沈積弟二模板層64’該第二模板層“可能是即。 ::为子層鈦、鋇、鋇暨氧或鈦暨氧。然後，藉由分子束 磊晶生長方法來沈積單晶組合物半導體材料層66，以覆蓋 第=模板層、。沈積層66的第一步驟是在模板層上沈積石^ 。、第一步驟（後，接著沈積鎵及砰，以形成單晶砰化鎵。 或者’在上面的範例中，可用鳃來取代鋇。 根據本發明進一步具體實施例，通常會在組合物半導體 層66上形成虛線68所指示的半導體組件。可藉由製造砷化 鎵或其他第III-V族組合物半導體材料裝置中使用的傳統處 理步驟來形成半導體組件68。半導體組件68可能是任何的 主動型或被動型組件，並且最好是利用組合物半導體材料 物理特性的半導體雷射、發光二極體、光檢測器、異質結 雙極性電晶體（heterojunction bipolar transistor ; HBT)、高 頻MESFET或其他的組件。可形成線條7〇所指示的金屬導體 ，以利於電子耦合裝置68及裝置56，以此方式建置積體電 路’該積體電路包括至少碎基材中形成的一個組件及單晶 組合物半導體材料層中形成的一個裝置。雖然已説明之作 爲例證的結構50是在矽基材52上形成的結構，並且具有鋇（ -20- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝----l· — 訂---------線一 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 483050 A7 ____B7 五、發明說明（18) 或鳃）鈦酸鹽層60及砷化鎵層66,但是可使用本發表中他處 所説明的其他基材、單晶氧化層及其他組合物半導體層來 製造類似的裝置。 圖5顯示根據本發明另一項具體實施例之半導體結構72 的圖式。結構72包括單晶半導體基材74，諸如包含區域乃 及區域76的單晶矽晶圓。將使用半導體產業中常用的傳統 矽裝置處理技術，在區域75中形成虛線78所指示的電子組 件。使用類似於如上文所述的方法步驟，來形成·單晶氧化 層80及中間非結晶氧化矽層82，以覆蓋基材74的區域％。 接著形成模板層84及其後的單晶半導體層86，以覆蓋單晶 氧化物層80。根據本發明進一步具體實施例，藉由^似= 形成層80的方法步驟來形成額外單晶氧化物層88，以覆蓋 層86，並且，藉由類似於形成層86的方法步驟來形成額外 單晶半導體層90，以覆蓋單晶氧化物層88。根據本發明一 項具體實施例，會從組合物半導體材料來形成層86及9〇的 至少其中一層。 通常會在單晶半導體層86的至少一部分上形成虛線92所 指示的半導體部分。根據本發明一項具體實施例，半導體 組件9 2可包含場效電晶體，在某種程度上，該場效電晶㉗ 的閘電介質係由單晶氧化物層8 8所形。此外，可使用單晶 半導體層92來建置該場效電晶體的閘電極。根據本發明— 項具體實施例，會從第III-V族組合物來形成單晶半導體層 8 6 ’並且半導體組件9 2是利用第ΠI - V族組合物材料物理特 性的射頻（RF)放大器。根據本發明更進一步具體實施例， -21- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝-----：----訂---------^^^^1 . 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 483050 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 _______B7___ 五、發明說明（19 ) 線條94所指示的電子交接以電子方式交接組件78及組件92 。以此方式，結構72集成利用兩種單晶半導體材料唯一特 4生的組件。 藉由更多的特定範例，圖6到18顯示其他的積體電路及系 統。圖6顯示用以説明通信裝置100之一部分的簡化方塊圖 ，該通信裝置100具有信號收發裝置1(H、積體電路1〇2、輸 出單元103及輸入單元1 〇4。信號收發裝置的範例包括天線 、數據機或任何其他的裝置，這些裝置可用來將資訊或資 料傳送至或自外邵裝置。在本文中，收發功能係用來表示 可邊只能夠傳輸、只能夠接收或可接收暨傳輸信號至通信 裝置或來自於通信裝置之信號的信號收發裝置。輸出單元 1〇3可包括顯示器、監視器、揚聲器等等。輸入單元1〇4可 包括麥克風、鍵盤等等。請注意，在替代具體實施例中， 可用諸如記憶體等等的單一單元來取代輸出單元1〇3及輸 入單元104。記憶體可包括隨機存取記憶體或非揮發性記憶 體，諸如硬碟、快閃記憶卡或模組等等。 積體電路通常是連續基材上或内不能分離組合的至少兩 個％路元件（例如’電晶體、二極體、電阻器、電容哭等等 )的組合。積體電路102包括組合物半導體部分1〇22、雙極 性部分1024及金屬氧化物半導體（M0S)部分1〇26。組合物 半導體部分1022包括組合物半導體材料内至少部分形成的 電子組件。組合物半導體部分丨022内的電晶體及其他電子 組件能夠處理至少大約0.8 GHz的射頻信號。在其他具體實 施例，信號可能是較低或較高的頻率。例如，在諸如^化 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -----^---—訂·--1111--*5^遍 -22- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 483050 A7 _B7 _ 五、發明說明（2〇 ) 銦鎵之類的某些材料能夠處理大約27 GHz的射頻信號。 組合物半導體部分1022進一步包括雙工器10222、射頻轉 基頻帶轉換器10224 (解調變裝置或解調變電路）、基頻帶轉 射頻轉換器10226 (調變裝置或調變電路）、功率放大器 10228及隔離體10229。雙極性部分1024及MOS部分1026通 常係以IV族半導體材料所形成。雙極性部分1024包括接收 放大器10242、類比到數位轉換器10244、數位到類比轉換 器10246及傳輸放大器10248。MOS部分1026包括數位信號 處理裝置10262。此類裝置的範例包括市場上通常可購買到 的 DSP核心，諸如 Motorola DSP 566xx (Motorola，Incorporated of Schaumburg，Illinois銷售）及 Texas Instruments TMS 320C54x (Texas Instruments of Dallas，Texas銷售）系列數位信號處理 器。數位信號處理裝置10262通常包括互補金屬氧化物半導 體（CMOS)電晶體及類比到數位暨數位到類比轉換器。顯然 地，積體電路10 2中會出現其他的電子組件。 在某一操作模式中，通信裝置100自天線接收信號，其中 天線屬於信號收發裝置101的一部分。信號通過雙工器 10227傳送到射頻轉基頻帶轉換器10224。類比資料或其他 資訊經過接收放大器10224放大後，即傳輸到數位信號處理 裝置10262。數位信號處理裝置10262處理資訊或其他資料 後，將經過處理的資訊或其他資料傳輸到輸出單元103。如 果通信裝置是傳呼機，則輸出單元可能是顯示器。如果通 信裝置是行動電話，則輸出單元103可包含揚聲器、顯示器 或兩項皆有。 -23- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 l·---訂---------線痛 483050 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制衣 A7 五、發明說明（ .21 ) 通信裝置1 00可將資料或其他資訊進相反方向傳送。資料 或其他貧訊將通過輸入單元104。在行動電話中，輸入單元 104可包括麥克風或键盤。然後，會使用數位信號處理裝置 102 62來處理資訊或其他資料。經過處理後，然後使用數位 到類比轉換器10246來轉換信號。傳輸放大器1〇248負責放 大已轉換的信號。已放大的信號經過基頻帶轉射頻轉換器 10226調變後，由功率放大器1〇228負責進一步放大。已放 大的射頻信號通過隔離體10229及雙工器1〇222傳送到天線 〇 通信裝置100的先前技藝具體實施例將具有至少兩個分 開的積體電路：其中一個是组合物半導體部分i 022，而另 一個是MOS部分1026。雙極性部分1024可能位於與M〇s部 分1026相同的積體電路上，或可能位於另一個積體電路上 現在，運用本發明具體實施例，可在單一積體電路内形 成运三個部分。因爲所有的電晶體都可駐存於單一積體電 路上，所以可大幅小型化通信裝置，並且更方便攜帶通信 裝置。 現在，將説明如圖了到“所示之一種用以形成示範性積體 電路⑽部分的方法。於圖7中，所提供的p型換雜式單晶石夕 基材110具有組合物半導體部分1022 '雙極性部分1〇24及 MOS部分1026。在雙極性部分内摻雜單晶石夕基材，以形成 N +埋置區域1102。然後，在埋置區域11〇2與基材ιι〇上面形 成輕微P型摻雜式蟲晶單晶，夕層11〇4。然後，實行摻雜步驟 ，以便在N + 埋置區域⑽上產生輕^型掺雜式漂移區川7 本紙張尺度適时關家標準（CNS)A4 g (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
^--------1T---------I -24- 483050 A7 B7 五、發明說明（22 ) 。摻雜步驟將雙極性區域刪部分内的輕微p型蟲晶層的捧 雜物類型轉換成輕微η型單晶矽區域。然後，在雙極性部分 1024與MOS部分1026間形成場隔離區域〗1〇6。在m〇s部分 1026内的磊晶層1104部分上形成間電介質層ιιι〇,然後， 在閘電介質層1110上形成閘電極1112。沿著閘電極1112與 閘電介質層1110的垂直面形成側壁間隔i i i 5。 將P型摻雜物導入漂移區域1117,以形成活性或本質基極 區域1114。然後，在雙極性部分1〇24内形成11型、深層集電 極區域1108，以允許電子連接到埋置區域11〇2。實行可有 選擇性η型摻雜，以形成N +摻雜區域1116及發射極區域ιΐ2〇 。N +摻雜區域1116係在沿著閘電極1112鄰接側的層ιι〇4内 形成’並且是MOS電晶體的源極、汲極或源/汲極區域。N+ 掺雜區域1116及發射極區域112〇的摻雜濃度爲每立方公分 至少1E 19個原子，以允許形成歐姆接觸點。形成p型摻雜區 域’以建P摻雜區域的非活性或非本質基極區域1丨1 8 ( 掺雜濃度爲每立方公分至少1E 19個原子）。 在所説明的具體實施例中，已實行數項處理步驟，但是 有一些步驟無圖解或進一步説明，諸如形成井區域、門限 調整植入、通道穿通阻植入、場穿通阻植入及各種遮罩層 。到目前爲止，方法中使用傳統步驟來形成裝置。如上文 所述，MOS區域1〇26内已形成標準N通道MOS電晶體，並 且雙極性部分1024内已形成垂直式NPN雙極性電晶體。到 目前爲止，組合物半導體部分1〇22内尚未形成任何電路元 件。 -25- 本紙張尺度適用中國國豕標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -I ·1111111 ·1111111. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 發明說明（23) 現在，從組合物丰道蝴r ; \ 山 初千寸肢郅分1022的表面移除 之雙極性及MOS部分古、本如σ日 ^缸私路 ^万去期間已形成的所有層。以此方式 k供裸m以利於進行部分的後續處理，例如，用如 上文所述的方法。 然後’在基材U〇上形成容納緩衝層124,如圖8所示。所 >成，合緩衝層將作爲邵分1〇22中適當準備之裸梦表面 上的早晶層。然而’在部分1G24及W26上形成的層124部分 可能是多晶體或非結晶，這是因爲這是在非單晶材料上形 成，因此，不會集結單晶生長所致。容納緩衝層η#通常是 單晶氧化金屬或氮化金屬層，並且其厚度大約在2nm到⑽ 毫微米（urn)的範圍内。在一項特定具體實施例中，容納緩 衝層厚度大約是5到15 nm。於形成容納緩衝層期間，會沿 著積體電路102最上面的矽表面上形成非結晶中間層122。 非結晶中間層122通常包括氧化矽，並且其厚度大約是丨到5 nm。在一項特疋具體實施例中，非結晶中間層厚度大約是 2 nm。在形成容納緩衝層124及非結晶中間層122後，然後 形成模板層126 ,模板層的厚度大約在材料的丨到丨〇層單分 子層範圍内。在一項特定具體實施例中，材料包括鈦^中、 鳃-氧-坤，或是如上文參考圖丨到5所述的其他類似材料。 然後，磊晶生長單晶組合物半導體材料層丨3 2，以覆蓋容 納緩衝層124的單晶部分，如圖9所示。在非單晶層ι24部分 上生長的層132部分可能是多晶體或非結晶。可藉由數種方 式來形成單晶組合物半導體層，並且通常包括諸如绅化鎵 、碎化銦链、嶙化銦或如上文所述的其他組合物半導體材 -26- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ----裝-----：--- 訂---I----- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 483050 A7 —---------B7_______ 五、發明說明（24 ) — ' 料。層的厚度大約在1 nm到5,000 範圍内，並且最好 是大約100 nm到500 nm的厚度。在此項特定具體實施$中 ，模板層内的每個元件也會出現在容納緩衝芦丨 曰 早卵組 奋物半導體材料132，或兩者中。因此，於處理期間，模板 層126與其兩層緊鄰層之間輪廓消失。因此，當拍攝透射式 電子顯微鏡（transmission electron micr〇sc〇py; tem)照片 時，可能看到介於容納缓衝層124與單晶組合物半導體材料 層132間的界面。 此時，將移除位於覆蓋雙極性部分1〇24與]^〇8部分1〇26 之部分的組合物半導體層132及容納缓衝層124的區段，如 圖ίο所示。移除此區段後，接著在基材110上形成隔離層142 。隔離層142可包含一些材料，諸如，氧化物、氮化物、氮 氧化物、低k電介質等等。在本文中，低具有低於大約 3.5電介質常數的材料。沈積隔離層i 42後，接著拋光、移 除覆盖單晶組合物半導體層13 2的隔離層14 2部分。 然後’在單晶組合物半導體部分1〇22内形成電晶體144 。然後’在單晶組合物半導體層132内形成閘電極148。然 後’在早晶組合物半導體層132内形成掺雜區域146。在此 項具體實施例中，電晶體144，是金屬半導體場效電晶體 (metal-semiconductor field-effect transistor ; MESFET)。如 果MESFET是η型MESFET，則摻雜區域146及單晶組合物半 導體層132也是η型摻雜式。如果要形成ρ型meSFET，則摻 雜區域146及單晶組合物半導體層132是相反的掺雜型。重 摻雜（Ν + )區域146允許製作單晶組合物半導體層部分132的 •27- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱)------ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) .裝 訂-------- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 483050 A7 __B7_ 五、發明說明（25 ) 歐姆接觸點。此類，已形成積體電路内的主動裝置。此項 特定具體實施例包括η型MESFET、垂直式NPN雙極性電晶 體及平面Ν通道MOS電晶體。可使用許多其他類型的電晶 體，包括Ρ通道MOS電晶體、ρ型垂直式雙極性電晶體、ρ 型MESFET及垂直式暨平面電晶體的組合。再次，一個或一 個以上的部分1022、1024及1026中可形成其他的電子組件 ，諸如電阻器、電容器、二極體等等。 繼續處理，以形成實質上完整的積體電路102，如圖11 所示。在基材110上形成隔離層152。隔離層152可包括蝕刻 終止或拋光終止區域，圖11中未顯示。然後，在第一隔離 層152上形成第二隔離層154。移除層154、152、142、124 及122部分，以確定接觸點開孔的界限，用以交接裝置。在 隔離層154内形成交接溝槽，以提供接觸點間的橫向連接。 如圖1 1所示，交接1562將部分1022内的η型MESFET源極或 汲極區域連接到雙極性部分1024内之NPN電晶體的深層集 電極區域1108。將NPN電晶體的發射極區域1120連接到 MOS部分1026内之N通道MOS電晶體之摻雜區域1116的其 中一區。將其他的摻雜區域1116電子連接到圖中未顯示之 積體電路的其他部分。 在交接1562、1564暨1566及隔離層154上形成鈍化層156 。製作如圖所示之電晶體的其他連接，並製作積體電路1 〇2 内其他的電氣或電子組件，但圖中未顯示。另外，若需要 ，可形成額外隔離層及交接，以形成積體電路102内各種組 件間的適當交接。 •28- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) · H·· _1 «1 n tKm ϋ I 一 口，I n n mm§§ 11 n i 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 483050 A7 _B7___ 五、發明說明（26 ) 從前面的具體實施例可得知，可將組合物半導體及第IV 半導體材料的主動裝置集成到單一積體電路中。因爲在同 一積體電路内併入雙極性電晶體及MOS電晶體存在一些困 難，所以可將雙極性部分内的某些組件移到组合物半導體 部分1022或MOS部分1024中。具體而言，請重新參考圖6 所示的具體實施例，可將放大器10248及10242移到組合物 半導體部分1022中，而將轉換器10244及10246移到MOS部 分1026中。因此，需要特殊的製造步驟，以排除雙極性電 晶體。因此，積體電路内只有組合物半導體部分及MOS部 分0 在還有另一項具體實施例中，可形成一種積體電路，該 積體電路包含位於組合物半導體部分中的光雷射，以及光 交接（波導），以連接到同一積體電路之第IV族半導體區域 内的MOS部分。圖12到18顯示一項具體實施例的圖式。 圖12顯示包括單晶矽晶圓161之積體電路160—部分的斷 面圖。晶圓161上已形成非結晶中間層162及容納緩衝層164 ，類似於上文所述。在此項特定具體實施例中，會先形成 要形成光雷射所需的層，之後形成要形成MOS電晶體所需 的層。在圖12中，上半部鏡射層166包含組合物半導體材料 的間隔層。例如，光雷射内的第一、第三及第五膜可包含 諸如坤化鎵之類的材料，而下半部鏡射層166内的第二、第 四及第六膜可包含坤化鋁鎵，反之亦然。層168包含用來產 生光子的活性區域。形成上半部鏡射層1 70的方法類似於形 成下半部鏡射層166的方法，並且包含組合物半導體材料的 -29- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
483050 A7 五、發明說明（27 ) 間隔膜。在一項特定具體實施例 是P型掺雜組合物半導體材科， 射層170可能 型摻雜組合物半導體材料。 °"兄射層166可能是η 在上半部鏡射層170上形成另_麻— 、 另 層谷納緩衝層172，其類 似於谷納緩衝層164。在一項巷你 ^杳代具胆^施例中，容納緩衝 層164及172可能包含不同的材 竹竹。然而，容納緩衝層164 及172的功能實質上相同，因 犮啊曰 馬都疋用來製作組合物半導體 層與单晶第IV族半導體層間的鏟 f把曰间的轉換。在容 成單晶第IV族半導體層1?4。在一 衡曰 上形 曰口弟IV族半導體層1 74包含鍺 ϋ鳍矽鍺、碳化矽鍺等等。 在圖U中，將處理刪部分，以形成位於此 第IV族半導體層174内的電子 ^ " J %于組件。如圖13所示，從層174 的邵分形成場隔離區域171。層m上形成閘電介質層173 ；8^ f ^ 173" ^ ^ ^ !77^ t ,,,, 源極、没極或源/；；及極區域，如圖所示。在鄰接問電 極175的垂直面形成側壁間隔179。可在層η#的至少一部分 内製作其他的組件。這些其他的組件包括其他的電晶體化 通迢或P通道）、電容器、電晶體、二極體等等。 在摻雜區域177的其中一區上磊晶生長單晶第IV族半導 ^ ^上半邓分184是P +摻雜，而下半部分182實質上維持 本貝（未摻雜），如圖13所示。可使用選擇性磊晶方法式形 成孩層。在—項具體實施例中，在電晶體181及場隔離區域 1上形成隔離層（圖中未顯示）。製作隔離層的圖樣，以確 定用來暴露摻雜區域177之其中一區的開孔界限。至少一開 -30- 訂 % 濟 部 智 慧 財 員 工 消 費 合 社 印 製 度適用規格⑵0 X 297公釐 483050 A7 五、發明說明（28 ) 始，先形成不含掺雜物的選擇性蓋晶層。整個 層可能是本質’或是在選擇性暴晶層形成接近 ^ 型捧雜物。如果選擇性羞晶層是本質，當形成時時可加入: 植入或藉由炫爐摻雜來形絲摻雜步驟。無論 ^ = 接著都會移除隔離層，以形成如_i3所示的 執行下-組步驟，以確定光雷射180的界限，如圖μ所于 。移除位於積體電路之組合物半導體部分上的場隔離區域 ⑺及容納緩衝層m。執行額外的步驟，以確定光雷射18〇 <上半邵鏡射層17〇及活性層168的界限。上半部鏡射層no 及活性層16S的側邊實質上相接。 曰 形成接觸點i 8 6及i 8 8 ’以製作分別連接到上半部鏡射層 170及下半部鏡射層166的電子接觸點，如圖14所示。接： 點186爲環狀，以許光（光子）通過上半部鏡射層17〇進入後 續形成的光波導。 然後形成並製作隔離層19〇的圖樣，以確定延伸到接觸點 層186及摻雜區域177之其中一區之光開孔的界限，如圖Η 所示。隔離材料可能是任何不同的數種材料，包括氧化物 、氮化物、氮氧化物、低k電介質或任何組合。在確定開孔 192的界限後，接著在開孔内形成較高折射率材料2〇2，並 將其填入並沈積於位於隔離層190上的層，如圖16所示。關 於較高折射率材料202,其中「較高」係相對於隔離層19〇 的材料（即，材料202的折射率高於隔離層19〇的折射率）。 視需要而定，在形成較高折射率材料2〇2之前，可先形成相 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) i裝--------訂--------- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -31- 483050 A7
當薄的較低折射率膜（圖中未顯示）。然後，在較高折射率 材料202上形成硬遮罩層2〇4。移除覆蓋開孔到接近圖μ側 邊範圍之_分上的硬遮罩層2〇4部》及較高折射率材料2〇2 〇 完成作爲光交接之光波導形成的平衡，如圖17所示。執 行沈積程序（可能是沈積-蝕刻方法），以有效建立侧壁區段 2 12。在此項具體實施例，製成側壁區段2 12所使用的材料 與材料202相同。然後，移除硬遮罩層2〇4，並在較高折射 率材料212及202上形成較低折射率材料214(相對於材料 202及層212的低折射率），並暴露隔離層19〇的部分。圖17 中的虛線描繪出較高折射率材料2 12及202間的邊界。此項 命名疋用來識別以相同材料所製成，但在不同時間形成。 繼績處理’以形成實質上完整的積體電路，如圖丨8所示 。然後，在光雷射180及MOSFET電晶體181上形成鈍化層 220。雖然圖中未顯示，但是可在積體電路内製作其他的電 子或光學連接’而圖18中未顯示。這些連接可包括其他的 光波導或可包括金屬交接。 在其他具體實施例中，可形成其他類型的雷射。例如， 另一種雷射類型可放射水平光（光子），而不是放射垂直光 。如果放射水平光，則可在基材161内形成MOSFET電晶體 ，並將重新配置光波導，使雷射能夠適當耦合（光連接）到 電晶體。在一項特定具體實施例中，光波導可包括容納緩 衝層的至少一部分。可能使用其他的組態配置。 顯然地，這些具有組合物半導體部分及第IV族半導體部 -32- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -----：----訂---------線邊 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 483050 A7 _B7___ 五、發明說明（3〇 ) 分的積體電路具體實施例都是用來解説本發明具體實施例 ，而不是用來限制本發明。尚有其他組合的多樣性及本發 明的其他具體實施例。例如，組合物半導體部分可包括發 光二極體、光檢測器、二極體等等，而第IV族半導體可包 括數位邏輯、記憶體陣列以及可在傳統MOS積體電路上形 成的大部分結構。藉由運用本發明的具體實施例，現在更 容易合併適合用組合物半導體材料運作的裝置與適合用第 IV族半導體材料運作的其他組件。如此可縮小裝置、降低 製造成本並增加良率及可靠度。 雖然未説明，但是在晶圓上只形成組合物半導體電子組 件的過程中，可使用單晶第IV族晶圓。在此方法中，晶圓 實質上是在製造用來覆蓋晶圓之單晶組合物半導體層内的 组合物半導體電子組件的期間所使用的「處理」晶圓。因 此，可在直徑至少約200毫米且可能是至少約300毫米之晶 圓上的第III-V或II-VI族半導體材料内形成電子組件。 藉由使用此類型基材，相當低價的「處理」晶圓克服組 合物半導體晶圓的易碎性質^其方式是將此類晶圓放置在 相對更耐用且容易製造的基礎材料上。因此，可形成一種 積體電路，以便能夠在組合物半導體材料内形成所有的電 子組件，尤其是所有的主動式電子組件，即使基材本可包 括第IV族半導體材料。與相對小型且更易碎、傳統的組合 物半導體晶圓相比，因爲能夠以更經濟且更容易的方式來 處理大型基材，所以可降低組合物半導體裝置的製造成本 -33- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ·ϋ ϋ ϋ 1_1 ϋ 1_1 一δ,τ · ϋ ϋ ϋ ·ϋ ^1 n · A7 -----------B7 五、發明說明（31 ) 於前面的説明金φ，p 4 土 、 曰中已參考特足具體實施例來説明本發 明0然而，熟知技蓺人丰虛 "士尤明白本發明的各種修改並且容 易修改：而不會脱離如下文中申請專利範例所提供之本發 明的㈣與精神。0此，説明書暨附圖應視爲解説，而不 應視爲限制，並且所有此類的修改皆屬本發明範疇内。 已説月關於特定具體實施例的優勢、其他優點及問題解 決方案。但是，可導致任何優勢、優點及解決方案發生或 更顯著的優勢、優點、問題解決方案及任何元件不應被理 解爲任何或所有申請專利範例的關鍵、必要項或基本功能 或元件。本文中所使用的術語「包括」、「包含」或其任 何其他的變化都是用來涵蓋非專有内含項，使彳^包括元件 清單的方法、方法、物品或裝置不僅包括這些元件，而且 還包括未明確列出或此類方法、方法、物品或裝置原有的 其他元件。 ^ (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) 裝-----r---訂--------- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

  1. A8 B8 C8 D8 六 申請專利範圍 i·種半導體結構，包括： 一單晶矽基材； 一非晶氧化物材料，以覆蓋該單晶矽基材； 一單晶舞欽礦氧化物材料，以覆蓋該非晶氧化物材申 ;以及 一單晶組合物半導體材料，以覆蓋該單晶鈣鈦礦氧>π 物材料。 2.如申4專利範園第i項之半導體結構，其中該單晶矽』 材係以（100)方向定位。 3· 2申请專利範圍第丨項之半導體結構，該半導體結構幻 步匕括介於該單晶鈣鈥礦氧化物材料與該單曰 合物半導體材料之間形成的模板層。 I、 4. ^申4專利範圍第巧之半導體結構，該半導體結構^ 一步包括一介於該單晶鈣鈦礦氧化物材料與該 :物半導體材料之間形成的單晶半導體材料的缓：: 5·如申請專利範圍第4項之半導體結構，該半導體 一步包括一介於該單晶約鈇礦 ^ 料之間形成的模板層。化物材科與i緩衝対 6· 利範圍第4項之半導體結構，其中該緩衝材料 =自由下列所组成的群組：錯、一GaAsn^， 其中X値介於範圍内，—InyGaiyP超晶格， 介於0到1範圍内。 乂値 7.如申請專利範圍第”頁之半導體結構，丨中該單 -----------^--------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -35- 483050 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 礦氧化物材料係選自由下列所組成的群組：鹼土金屬鈦 酸鹽、鹼土金屬锆酸鹽、鹼土金屬铪酸鹽、鹼土金屬鈕 酉^鹽、驗土金屬釕酸鹽、驗土金屬說酸鹽、驗土金屬訊 酸鹽、驗土金屬錫基鈣鈦礦（alkaline earth metal tin-based perovskite) 、 鹼 土金屬 鋁酸鹽 及氧化 鑭钪。 8·如申請專利範圍第1項之半導體結構，其中該單晶鈣鈦 礦氧化物材料包括Sr/BaMTiC^，其中z値介於0到1範圍 内0 9·如申請專利範圍第1項之半導體結構，其中該單晶組合 物半導體材料係選自由下列所組成的群組：ΠΙ-V族組合 物、混合III-V族組合物、11_\^族組合物及混合n-VI族 組合物。 10·如申請專利範圍第1項之半導體結構，其中該單晶組合 物半導體材料係選自由下列所組成的群組：GaAs、 AlGaAs、InP、InGaAs、InGaP、ZnSe、AlInAs、CdS、 CdHgTe及 ZnSeS 〇 11. 一種半導體結構，包括： 一單晶基材，其特徵在於一第一晶格常數； 一覆蓋該單晶基材的單晶隔離層，該單晶隔離層具有 一不同於該第一晶格常數的第二晶格常數； 一介於該單晶基材與該單晶隔離層之間的非晶氧化 物層；以及 一覆蓋該單晶隔離層的單晶組合物半導體層，該單晶 組合物半導體層具有一不同於該第一晶格常數的第三 -36- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） Θ裝·-- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂·
    經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 483050 A8 B8 C8 _____ D8 六、申請專利範圍 晶格常數； 其中該第二晶格常數係選自下列其中一項： 等於該第三晶格常數；以及 介於該第一與該第三晶格常數之間的中間値。 12·如申請專利範圍第丨丨項之半導體結構，其中該單晶基材 係以（10 0 )方向定位。 13·如申請專利範圍第i i項之半導體結構，其中該非晶氧化 物層的厚度足以減緩該單晶隔離層的應變。 14·如申請專利範圍第11項之半導體結構，該半導體結構進 一步包括一介於該單晶隔離層與該單晶組合物半導體 層之間的模板層。 15·如申請專利範圍第11項之半導體結構，該半導體結構進 一步包括一介於該單晶隔離層與該單晶組合物半導體 層之間的緩衝層。 16·如申請專利範圍第11項之半導體結構，其中該單晶基材 的特徵在於一第一晶體方向，以及該單晶隔離層的特徵 在於一第二晶體方向，其中該第二晶體方向係相對於該 第一晶體方向旋轉。 17·如申請專利範圍第i i項之半導體結構，其中該單晶基材 包含矽。 18·如申請專利範圍第丨丨項之半導體結構，其中該單晶基材 包括一包含矽的材料，該單晶隔離層包括一鹼土金屬鈦 酸鹽，該單晶組合物半導體材料包括一選自由下列所組 成的群組的材料：GaAs、AlGaAs、ZnSe及ZnSeS。 -37- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 χ 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 装------- 訂---------線！ 483050 A8B8C8D8 六、申請專利範圍 19·如申請專利範圍第18項之半導體結構，其中該單晶隔離 層包括SrzBa^zTiO3，其中z値介於0到1範圍内。 20·如申請專利範圍第丨丨項之半導體結構，其中該單晶隔離 層包括一選自由鹼土金屬锆酸鹽與鹼土金屬铪酸鹽所 組成之群組的氧化物，並且，該單晶組合物半導體$料 包括一選自由下列所組成的群組的材料：inP& InGaP。 f請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝--------訂---------線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -38- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）
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