TWI290965B - Spinel boules, wafers, and methods for fabricating same - Google Patents

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1290965 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係一般性關於具有尖晶石晶體結構之物件，且包 括如晶塊、晶圓、基材及含此等之有源裝置之物件。此外， 本發明係一般性關於形成此等物件之方法。 【先前技術】 有源光電子裝置（如，發光二極體（LEDs)及雷射）經常利 用用於裝置有源層的以氮化物為基礎之半導體層。對此， 已用廣泛包括Ga(Al，In)N材料之氮化鎵（GaN)材料族作為 具有可在相當寬範圍於約2至6電子伏特控制之帶寬之直接 躍遷類型半導體材料。 為利用此等以氮化物為基礎之半導體材料之光電子性 月匕，匕們一般作為單晶形成。在此方面，形成以氮化物為 基礎半導體材料的大塊單晶晶塊_般不實際。因此，工業 上:般尋求在適合基材丨（如）由i晶生長使此等材料沈積 為早晶層。其上沈積以氮化物為基礎半導體層之基材理相 具有相容性晶體結構，以在已沈積的有源層上顯示所需曰; 體結構。在此等以氮化物為基礎之材料（如，㈣和綱能 夠以數種不1¾晶態存在時，所需晶體結構—般為纖辞礦， 而非閃鋅礦。為嘗試密切配合所需纖辞礦晶體結構，此技 藝已經以藍寶石（剛玉、带彳妥|田 索 玉）形式利用早晶氧化鋁，更明確為使藍 貝石基材取向，以提供其上沈積有源層之適合結晶學表 :。但、，藍寶石有多種缺點。例如，藍寶石不展示可用於 ^有源衣置之解理面。對此，由於解理能夠降低製造成 96217.doc !29〇965 本，並可使製程簡化，-般理想由解理而非切割或鑛割將 晶圓分成單獨小片（形成有源裝置，各具有裝置基材）。 相反，如果適當取向，則尖晶石材料顯示解理面，其在 晶圓表面上之投影一般平行於氮化物有源層之解理面，這 允許可預測及可靠裝置製造。晶塊和晶圓適#結晶學取向 及晶圓處理期間的晶圓物理取向（以形成有源裝置）在技藝 上一直為一挑戰。不精確取向一般導致產量降低及低產率。 蓉於前述，通常需要提供改良的尖晶石晶塊、晶圓、基 材和併入此等之光電子裝置及其形成之改良方法。 【發明内容】 本發明一具體實施例提供一種單晶尖晶石晶圓，其包 括，正面和背面；及具有第一及第二臺面之外周邊。在某 些具體實施例中’該單晶晶圓具有特定結晶學取向，且提 供臺面，以沿特定平面組延伸。 根據本發明另一具體實施例，形成有源裝置之方法包 括，提供具有正面、背面及具有第一及第二臺面之外周邊 之單晶尖晶石晶圓，以第—和第二臺面之取向為基礎對晶 圓取向，形成至少一層有源層，以覆蓋晶M，且使晶圓解 理，以形成有源裝置。 根據另-具體實施例’形成晶圓之方法包括，形成具有 <111>取向之單晶晶塊，在晶塊中形成第一和第二臺面，且

將晶塊切成晶圓，其中該第一及第-A ^ 及弟一置面顯不晶圓解理面 之取向，並確定晶圓之正及背面。 【實施方式】 96217.doc 1290965 曰本發明—方面提供單晶尖晶石晶塊及自其形成的單晶尖 曰曰石晶圓。處理單晶尖晶石晶塊典型以在坩堝中形成分批 溶融物開始，在圖u中-般性顯示為步驟21〇。一般提供分 才熔嘁物，以在已形成的晶塊中顯示非化學計量組合物。 根據-具體實施例，晶塊具有湖仰办之通式，其中A係 選自由Mg、Ca、Zn、Mn、Ba、&、以、以及其組合所組 成之群組’ E係選自由八卜In、Cr、Sc、Lu、^及其組合所 組成之群組，D係選自由〇、S、Se及其組合所組成之群組， 其中比b:a>1:1 ’以使尖晶石富含出於說明目的，化 學計量組合物為其中比1^=1:1者，而非化學計量組合物具 有 b:a关 1:1。 在本文中，”晶塊”指由熔融處理形成的單晶塊，且包括 旋、圓柱或類似結構。 根據某些具體實施例，入為]^§，D為〇，且£為入丨，以使 單晶尖晶石具有式aMgO · bAl2〇3。雖然本文中所含的一些 揭不關於以MgO-AhO3尖晶石為基礎的組合物，但應瞭 解’本發明揭示更一般性關於具有如上述通式aAD ·⑽办 之車父見头晶石組合物群組。 雖然S含Ε2〇3之尖晶石一般由大於1: i之b: a比代表，但某 些具體只施例具有不小於約1 ·2:1之b:a比，如，不小於約 1 ·5 :1。其他具體實施例甚至具有相對於ad更高的e2D3比 例，如，不小於約2.0:1，或甚至不小於約2 · 5:1。根據某些 具體實施例，限制E〗D3之相對含量，以具有不大於約4:丨之 b: a比。特疋具體實施例可具有約3 ·· 1之b: a比（例如，2 · 9:1)。 96217.doc 1290965 在坩堝中形成分批熔融物後，一般由多種技術形成尖晶 石單晶晶塊，如左查悉（Czochralski)拉晶技術。雖然已用左 查悉拉晶技術形成本文的某些具體實施例，但應懂得，與 火焰熔化技術不同，可利用一些以熔融為基礎技術的任何 一種技術。此等以熔融為基礎的技術亦包括布裏奇曼 (Bridgman)方法、液化包封布裏奇曼方法、水平梯度凍結方 法及邊緣界疋生長方法、斯托伯格（gt〇ckberger)方法或若波 勒斯（Kry〇P〇lus)方法。此等以熔融為基礎的技術與火焰熔 化技術的不同之處基本在於，以熔融為基礎的技術自熔融 物生長晶塊。相反，火焰熔化不產生自其生長晶塊的分批 熔融物，而以流體提供恒固態原料流（如，粉狀）到熱火焰， 然後對其上熔融產物固化之接收表面投入熔融產物。 通常，使單晶種與熔融物接觸，同時使分批熔融物和晶 種相對相互旋轉。晶種一般由化學計量的尖晶石形成，且 具有足夠鬲純度和結晶學均勻性，以提供晶塊生長所用的 適合模板。晶種可相對於固定坩堝旋轉，坩堝可相對於固 定晶種旋轉，或可使坩堝和晶種二者旋轉。在旋轉期間， 自溶融物牵拉晶種和活躍生成的晶塊。 根據本發明一具體實施例，平均晶塊直徑和含分批熔融 物的坩堝之坩堝内徑控制在一定參數範圍内。單晶晶塊最 一般以不小於約〇·39之處理直徑比生長。在此，處理直徑 比係界定為平均晶塊直徑對㈣直徑之比。平均晶塊直徑 為晶塊沿其名義長度的平均直徑，名義長度代表用於根據 下流處理步驟形成晶圓的彼晶塊部分’一般不包括頸和尾 96217.doc 1290965 (在晶塊相反端的圓錐形端蓋）。晶塊直徑一般沿晶塊名義長 度相對不變。在最小處理直徑比形成有助於保證沒有不需 要或不理想晶塊結晶學取向或再取向（亦稱為”翻轉"）。更明 確而言，需要晶塊具有<U1>取向（三角形形態），而非<ιι〇> 取向（方形或六角形开$能、日g釣古 / ^ L )且足夠回直徑比可幫助保證不自 <111>結晶學取向翻轉到<11〇>結晶學取向。 關纽gO-Al2〇3“，以3:1(2·9:1)之“比為基礎產生多 重樣品，以下在表巾提供相關處理條件摘要。本發明的某 些具體實施例具有略高最低處理直徑比，如，不小於:勺 0.40,不小於狀42，或甚至不小於約Q43。其他具體實施 例具有甚至更高處理直徑比’如不小於約〇 44，或甚至更 大0

晶塊及自其形成的晶圓_般基本由單尖晶石相組成，而 無第二相。根據另-特冑，晶塊和自其處理的晶圓無雜質 及摻雜劑。根據-具體實施例，冑晶圓處理成用於光電子 應用之裝置基材，晶圓和裝置基材具有基本由·〇 · 96217.doc -10 - 1290965 bAl2〇3组成之組合物，其中b:a之比大於1:1。關於此方面， 隹質和摻雜劑。❹，自前述具體實施例中的内 物限制Co，其另外為開關應用所用的推雜劑。與開 關應用相& ’ -般需要利用實質上沒有影響裝置基材基本 ί新丨生貝之摻雜劑之相對純淨尖晶石。 根據本發明之具體實施例，形&具有理想性能之單晶尖 曰aa塊除上述所需<1 1 1>取向外，與具有1:1 b..a比之化 學什1物件比較’晶塊、晶圓及自其形成的裝置基材一般 ，具有降低的機械應力及/或應變。在此方面，與形成有源 ^置之基材的單晶晶圓之形成有關，本發明之具體實施例 提供理想高產率，且亦提供以下更詳細討論的改良處理特 徵。 關於改良處理特徵，可以相對較冑冷卻速率冷卻晶塊， 如不小於約50。。/小時。可根據本發明之具體實施例利用甚 至更高冷卻速率，如，不小於約100°C/小時、20(TC/小時及 甚至大於約300。。/小時之速率。增加冷卻速率理想改良形 成2晶晶塊所用製程之產^，且*_步減少整個製造之熱 預算，並因此降低成本。根據習知處理形成的晶塊一般以 相對較低冷卻速率冷卻，以防止在冷卻過程期間破裂。但， 根據本發明之具體實施例，冷卻速率可實質上更高，然而 要以已冷卻形式提供完整晶塊。通f，f知冷卻速率在贼/ 小時或更小級，這需要數天冷卻時間。 另外根據本發明另一具體實施例，習知在冷卻後進行 的晶塊退火限於相對較短時間。此時間一般不大於約別小 96217.doc -11 - 1290965 時，如，不大於約30小時，或甚至20小時。根據某些具體 實施例，退火限制在不大於約1 〇小時之時間。實際上，退 火可實質上完全取消，由此排除成形後熱處理。相反，習 知晶塊成形技術一般需要使用實質退火階段，以試圖緩和 造成低晶圓產率及晶塊破裂的殘餘内應力和應變。雖然不 願受任何特別理論約束，但可以相信，根據本文具體實施 例降低晶塊内應力及應變允許此等靈活處理條件，包括減 少或完全消除退火階段及如上提到的所增加冷卻速率。 根據另一特徵，降低内機械應力及應變由產率（由切分晶 塊形成的完整晶圓之數目）量化。通常，切分由數種切分技 術之一進行，線鋸最值得注意。在本文中，產率可由式 \\^/(\¥汁^)\1〇〇%量化，其中^=自晶塊處理的完整晶圓 之數目’ Wf ==自晶塊由晶塊中内機械應力或應變導致的破 裂晶圓之數目。此產率習知很低，如1 0°/◦級。不可接受的 低產率為晶塊中過高内應力和應變之表現。相反，根據本 發明具體實施例之產率一般不小於約25%、3〇%或甚至 40%。其他具體實施例顯示漸高產率，如，不小於約5〇、 60或甚至70%。實際上，某些具體實施例已顯示接近1〇〇% 產率。由於以上量化不僅在已成形（未加工）的晶塊内顯示， 而且在處理的晶塊、自晶塊切分的晶圓、自晶圓切開的穿 置基材内顯示，所以這減少内機械應力及/或應變。在此方 面’所處理晶塊的前述說明一般代表已經過冷卻後機械加 工步驟（如磨削、研磨、拋光及清洗）之晶塊。 自晶塊切開的晶圓一般具有足夠直徑及有關表面積，以 96217.doc •12' 1290965 便在半導體製造領域以增加的晶圓尺寸降低半導體小片成 =之類似方式，為有源裝置製造商提供低加卫成本。因此， 一般需要晶圓具有不小於社75英寸之名義直徑，—般不 J於、力2.0英寸，且在某些具體實施例中為2 5英寸或更大。 在有源衣置製造中操作晶圓所用的目前技藝水平加工工具 適σ心作2英寸晶圓’而操作3英寸晶圓所用的加工設備目 前即將線上。對此，由於本文所述的處理特徵及晶圓特徵， 可根據本發明之具體實施例支持下一代晶圓。 已生長的<111>單晶尖晶石晶塊及其晶面結構顯示於圖i 中。明確而言，圖i⑷為左查悉技術生長的曰曰曰塊i 0 0之相片， 圖1(b)為顯示左查悉技術生長的去除頸和尾之晶塊11〇之相 片。圖1(b)亦包括已自晶塊切開的晶圓12G，明顯顯示外表 面上的晶面。圖1(c)為顯示晶面133、136、139的<；[1卜型生 長之晶塊之示意橫截面13 〇 。 士圖1(c)所示’ <iii>單晶尖晶石晶塊一般為具有⑵固晶 面133、136、139之三角形。晶塊包括為{22_4}平面族的三 個大晶面。六個中間大小的晶面136沿{〇2_2}平面族延伸， 而三個小晶面139沿{_2-24}平面族延伸。 在一具體實施例中形成臺面（一般平面狀表面），一般沿 {22-4}晶面133之-由（機械操作）形成。在晶塊之尖晶石結 構中，{22-4}平面族之平面平行於{〇〇1}解理面族平面與晶 圓之正面或表面所產生（形成線）的點之執跡。因此，臺面實 質上（在約5°範圍内）平行於{〇〇1}解理面族與晶圓表面所產 生的線。所以，{22-4}平面族平面中的臺面確定晶圓解理 96217.doc -13- 1290965 面之取向。 單晶尖晶石晶圓中{22-4}平面族和{001}解理面族間之 關係顯示於圖2。<111 >取向的基材晶圓200具有正面210、 背面22〇及於面2 1 〇、22〇間之外周邊23〇。在一具體實施例 中’較大臺面240沿{22-4}平面族之平面磨成邊棱230。較 大臺面240—般在自晶塊切成晶圓2〇〇之前磨成晶塊，但可 視需要在切開之後進行。 如圖2中所示，由解理面26〇和正面21〇相交形成的點之軌 跡形成平行於臺面240之線。在所示具體實施例中，雖然沿 正面的投影線和較大臺面相互平行，但可使用不同取向， 如，在較大臺面和投影線間的預定非〇角。在晶圓2〇〇中沿 面240與晶

-正面相交處形成的點之執跡。 {001}解理面260開始的解理將與平行於較大臺 圓200之正面210相交。這特別有利，因為在义。】 圓200上生長的（_υ似〜為縣晶層之（

亦如圖2中所示， 使晶圓取向， 以使解理面自較大臺面傾 96217.doc -14- 1290965 2開。更明破言之，各解理面沿形成_條線的點之執㈣ :面相交，該沿背面之線與較大臺面比沿正面之線和較工 7面間之間距相距更大距離。該取向相餘自正面的較大 堂面為向下坡度，在本文中被認為，，負••坡度。各平面舆正 面產生約40至6G度範圍之角度，—般約⑽，如圖2中所示。 在尖晶石結構中，較大臺面的法線（垂線）和第二臺面的 法線處於相同平面，以使法線相互相交，且法線相互產生 (例如）60、90、120或150度角。例如，沿（〇2-2)/(〇1_ ”平面 延伸的較小臺面之法線與沿{22部⑴_2}平面族平面延伸 的較大臺面之法線產生3G、9()和丨5G度角。沿（22_4)/⑴4 平面延伸的較小臺面之法線與沿{11_2}/(22_4}平面族平面 延伸的較大臺面之法線產生6〇度角。使用如本文中所述取 向的主及較小臺面，可使晶圓200精確取向。 晶塊U〇之取向藉助於電子成像完成，>，用勞厄(Laue) …、相機通過反向電子散射成像。此方法可用冑《a)]⑷和 圖⑽⑷辅助解釋。圖4⑷至4⑷為單晶尖晶石不同取向 反向政射相片。圖4(a)和5(b)顯示三角形橫截面具有 頁’ $形成的< 111 >取向尖晶石單晶之圖案明顯，較大臺面 240為與頂點相對的三角形之底，且與照相機相對的面為正 面 210 〇 在進灯成像時，首先自已生長的晶塊100除去頸和尾，在 k取向圓柱形晶塊的相反端留下第一和第二臺面表面，以 使B曰鬼9中轴垂直於堂面端表面，且中軸一般平行於<111〉 方向。一般的平行典型指軸在<111>方向5度内，一般在3 96217.doc -15- 1290965 度内，較佳在2度内。某些具體實施例在1度内（0代表精確 平行）。然後以反向散射方式使晶塊11〇成像。圖4(b)代表面 與照相機相反時的背面。一旦確定正面21〇和背面22〇，將 車乂大$面240和較小平面250磨成晶塊11〇。根據一具體實施 例，晶圓200自晶塊110切割，且以正面向上取向，其具有 與較大臺面240相隔的較小臺面250，以便法線產生，且逆 時針形成小於約18〇度的角。根據此佈置，可在加工操作所 用的製造期間使晶圓適當取向，如用於完工操作的典型對 蟲晶層（epilayer)沈積所用基材表面進行之適當取向。此 外，電子或光電子裝置製造商可適當鑒定經生長磊晶層所 用之表面，且對晶圓取向，以用於磊晶生長。 根據一具體實施例，光電子裝置根據本文揭示用晶圓形 成。根據此方法，一般在晶圓上生長晶層。 X和y的值均可自〇至1變化。較佳〇SX別·25，且叱5。 AlxGa^ylnyNi晶層解理面之邊緣一般平行於晶圓正面中 (〇〇1)解理面之投影。然後可依欲製造的特殊裝置，視需要 生長不同濃度的額外層。另外，為製造LEDs及雷射，亦可 進行數個額外步驟，如圖案化及形成接觸。實際裝置製造 細節為熟諳製造技藝者所熟悉，且超出本發明揭示之範圍。 實例 將由左查悉技術生長的晶塊（錠）去除頂及尾5以產生兩 個臺面表面。用勞厄反向散射技術乂光照射晶塊端（兩個臺 面表面），以驗證取向，且鑒定丨）未來晶圓的正側，以保 说（1 00)解理面自未來晶圓之底面解理到頂面，且底上的相 96217.doc -16- 1290965 交線比頂部上的相交線離欲形成的較大臺面更遠，及2)較 大（1-1-2)(或（2-2-4))及較小（0 或（0 2-2))臺面的近似位 置。然後用X射線照射晶塊端，以檢測取向及使晶塊之軸對 準<111>方向。 然後使晶塊變成約2英寸直徑，以形成精確平行於1丨丨方 向的圓柱（即，中心軸平行於〈丨丨1：>取向）。在此點，由劃線 在頂面標上較大和較小臺面方向。然後由研磨成晶塊之外 周邊將較大和較小臺面加到圓柱，以沿垂直於 < 丨丨丨 > 方向之 方向除去材料，由此形成的臺面平行於<;111>方向延伸。然 後將轉變的晶塊切成單獨晶圓场料。然後將單獨坯料磨 削用研磨產生斜角，用雷射寫入序列號，最後沿正面拋 光’以提供用於磊晶層生長之適合表面。 前述說明用於例證及說明目的。希望其詳盡或其範圍限 於精確形式或所揭示的具體實施例，且修改及變化可根據 以上揭示’或可自實施本發明之具體實施例獲得。 【圖式簡單說明】 自以上說明、附加請求項及以下簡述圖式，本發明之具 體實施例之特徵、方面及優點將變得顯而易見。應注意到， 除非另外指明，類似元件具有相同參考數位。 圖1 a顯不已生長的尖晶石<111>晶塊，圖lb為具有已除去 頸和尾之晶塊及自其形成之晶圓，圖1C為晶圓之示意橫截 面。 圖2為根據本發明一具體實施例之晶圓之透視圖。 圖3為根據本發明一具體實施例之晶圓之俯視圖。 96217.doc -17- 1290965 圖4a和4b為相反取向的尖晶石<m>之反向散射圖像，圖 4c為<〇ιι>取向的晶塊，圖4〇1為<1〇〇>取向的晶塊。 圖5 a - 5 c顯不根據本發明一具體貫施例之尖晶石晶塊之 取向，圖5a顯示表現較大及較小平面之<u 1：>尖晶石之橫截 面，圖5b為<111>取向之反向散射圖像，圖5c為具有所鑒定 正面之晶塊。 【主要元件符號說明】 100 左查悉技術生長的晶塊 110 左查悉技術生長的去除 120 晶圓 130 晶塊之示意橫截面 133, 136, 139 晶面 200 <111>取向的基材晶圓 210 正面 220 背面 230 外周邊 240 較大臺面 250 較小臺面 260 解理面 96217.doc -18-

Claims (1)

1. I29C^6S288〇〇號專利申請案 中文申請專利範圍替換本(96年9月） 十、申請專利範圍： 1 · 一種單晶尖晶石晶圓，其包括： 正面和背面，該晶圓具有<lu>結晶學取向；及 具!第一臺面及第二臺面之外周邊’其中該第-臺面 顯不曰曰圓解理面之取向’該晶圓解理面在沿一條線延伸 的點之軌跡相交於正面’且該線平行於第一臺面，以及 该第一堂面顯示解理面之解理蔓延方向； 其中該晶圓具有由通式aAD.bE2D3代表之組成，其中A 係選自由 Mg、Ca、Zn、Mn、Ba、Sr、cd、FeUM 所組成之群組，E#選自由Ah In、emu、Fe及其 組合所組成之群組，以及選自由〇、s、se及其組合所 組成之群組。 2 ·根據請求項1之單晶尘曰 曰 日日大日日石日日圓，其中該晶圓之正面及背 面沿{ 1 1 1 }結晶平面延伸。 3.根據清求項1之單a，丨、a二曰问 早日日穴日日石日日圓，其中該第一臺面沿{2 2-4}和{1 1_2}平面族中的一個平面延伸。 •根據°月求項1之單晶尖晶石晶圓，其中該第二臺面確定晶 圓之正表面及背表面。 才康月求項1之單晶尖晶石晶圓，其中該解理面與正面產 生約55度角。 6 ·根據請求項1夕结 、之早日日乂日日石晶圓，其中該第二臺面沿不平 4 於&大量面平面的{02-2}、{01-1}、{22-4}及{11-2}平 面族中之平面延伸。 7 ·根據請求項1 、之早日日义日日石晶圓，其中該第一臺面的法線 96217-960920.doc 1290965 和第一矣工 一至面的法線處於相同平面，以使法線相互相交， 且法線產生60、90、120或150度角。 8 ·根據明求項1之單晶尖晶石晶圓，其中該晶圓包括非化學 計量尖晶石。 9.根據％求項1之單晶尖晶石晶圓，其中該A為Mg，D為Ο， 且E為A1，，、》 M使單晶尖晶石具有式aMg〇· bAl203。 I 0 ·根據睛灰jg。 ϋΤ? 八項8之單晶尖晶石晶圓，其中該b:a之比係不小於 約 1.2:1 〇 II ·根據請求工苜2 + σσ 、之早曰曰乂晶石晶圓，其中該b: a之比係不小於 約 1.5:1 。 12.根據請求項r 、之早曰曰乂晶石晶圓，其中該b: a之比係不小於 約 2.0:1。 13·根據明求項8之單晶尖晶石晶圓，其中該b:a之比係不小於 約 2.5 :1。 14 ·根據請求jg s 、之早曰a尖晶石晶圓，其中該b ·· a之比係不大於 約 4:1 〇 ' 15·根據巧求項8之單晶尖晶石晶圓，其中與化學計量尖晶石 比幸乂’遠晶圓具有較低機械應力及應變。 I6·根據明求項1之單晶尖晶石晶圓，其進一步包括有源層， 该有源層包括氮化物半導體層。 祀康月长項16之單晶尖晶石晶圓，其中該氮化物半導體 層包括AlxGai”InyN，其中〇加0.25，且〇冰0.5。 虞月求項1之單晶尖晶石晶圓，其中該第一臺面為較大 至面第二臺面為較小臺面。 96217-960920.doc 1290965 19. 20. 根據請求項丨θ „ ^ ,、日日圓，其中該解理面沿形成第二線的 軌跡與底面相丄* 艮的點之 相父，其中該解理面係經取向， 面自第—臺而猫^ 使该解理 至面傾斜開，且該第二線係位於離第_ * 於箆一妗a # ^室面大 乐線和第一臺面間距離之距離。 根據明求項19之晶圓，其中該第一臺面 筮-吉工上 勹平乂穴室面，該 弟一 $面為較小臺面。 21. 根據請求項19之晶圓，其中該第二臺面係經佈置 示解理面坡度之方向。 ， 以顯 96217-960920.doc