TWI550689B - 使用晶格調整晶域匹配磊晶之化合物半導體的磊晶成長方法 - Google Patents

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Description

使用晶格調整晶域匹配磊晶之化合物半導體的磊晶成長方法
本發明係有關於化合物半導體之磊晶成長，特別有關晶格調整晶域匹配磊晶成長。
市場上存有發展裝置級，且於矽(Si) 晶圓上形成不同半導體化合物之異質磊晶薄膜機制的強烈誘因。材料範圍包括金屬互化物如碳化矽(SiC)與特別幾種合金系列，例如矽鍺 (Six Ge1-x )、氮化鋁鎵 (Alx Ga1-x N)、砷化鎵鋁 (Gax Al1-x As)、砷化銦鎵 (Inx Ga1-x As)、磷化銦鎵 (Inx Ga1-x P)及砷化銦鋁 (Inx Al1-x As)。其他可用的材料包括光電化合物，例如氧化鋅 (ZnO)。主要的經濟效益是相較於傳統矽材料，以上材料通常有較優越的電力及光電特性。此些材料的應用上包括高功率電晶體及開關、高電子移動性電晶體、雷射二極體、太陽能電池及偵測器。
不幸的是，與矽(Si)不同的地方是，此些材料不能大量生產，因為目前無法成長大型晶圓 (例如 300 mm) 所需的大型晶塊。因此，目前尚未能享受多年來透過由矽晶圓所形成之矽裝置所帶來的經濟效益及成本降低。
有鑑於上述問題，目前需要成長單晶化合物半導體於矽(Si)晶圓上的方法，以利後續做為形成更複雜的異質結構所需之基板。此類的成長方法將可以降低具有優越電力及光電裝置之製造成本。
本發明揭露一種最終薄膜的磊晶成長方法，係使用一晶體基板。就實際情況而論，最終薄膜無法直接成長於晶體基板之表面。成長方法包括形成過渡層於晶體基板表面上。過渡層具有過渡層晶格間距於過渡層之上表面與下表面之間變化。過渡層下表面之過渡層晶格間距與基板的基板晶格間距匹配於 7% 之第一晶格失配度內。過渡層上表面之過渡層晶格間距與最終薄膜的最終晶格間距匹配於 7% 之第二晶格失配度內。成長方法也包括在過渡層之上表面形成最終薄膜。在不同的實施例中，第一與第二晶格失配度可為 2 %、 1 %  或實質為  0 %。
本發明亦揭露一種所需(最終)薄膜的磊晶成長方法。所需薄膜具有最終晶格間距 aF 。成長方法係使用晶體基板。晶體基板具有頂面及基板晶格間距 aS 。成長方法包括: 形成至少一過渡層於晶體基板之頂面。至少一過渡層具有下表面、上表面、厚度 h 及過渡層晶格間距 aT (z) 。過渡層晶格間距 aT (z)於過渡層下表面與過渡層上表面之間變化。在過渡層下表面之過渡層晶格間距 aT (0) 滿足 m˙aT (0) = n˙aS 之關係，並在 7% 的第一晶格失配度內，其中 n 與 m 為整數。另外，在過渡層上表面之過渡層晶格間距 aT (h) 滿足 i˙aT (h) = j˙aF 之關係，並在 7% 的第二晶格失配度內，其中 i 與 j 為整數。然後，形成所需薄膜於至少一過渡層的上表面。在不同實施例中，第一及第二晶格失配度可為 2%、1% 或實質為 0%。
本發明亦揭露一種上述所需(最終)薄膜的磊晶成長方法。晶體基板之材料選自於由矽(Si)、鍺(Ge)、矽鍺 (SiGe)、氮化鋁 (AlN)、氮化鎵 (GaN)、碳化矽(SiC)及鑽石所構成的群組。
本發明亦揭露一種上述所需(最終)薄膜的磊晶成長方法。晶體基板材料包括矽(Si)。另外，形成過渡層的步驟包括將鍺 (Ge) 植入矽基板並且進行退火。
本發明亦揭露一種上述所需(最終)薄膜的磊晶成長方法。晶體基板材料包括一合金。
本發明亦揭露一種上述所需(最終)薄膜的磊晶成長方法。形成至少一過渡層的沉積法選自於由蒸鍍、濺鍍、化學氣相沉積法、有機金屬化學氣相沉積法、原子層沉積法及雷射輔助原子層沉基法所構成的群組。
本發明亦揭露一種上述所需(最終)薄膜的磊晶成長方法。至少一過渡層的材料選自於由矽化鍺 (Gex Si1-x )、氮化鎵鋁 (Gax Al1-x N)、砷化鎵鋁 (Gax Al1-x As)、砷化銦鎵 (Inx Ga1-x As)、磷化銦鎵 (Inx Ga1-x P) 及砷化銦鋁 (Inx Al1-x As) 所構成的群組。。
本發明亦揭露一種上述所需(最終)薄膜的磊晶成長方法。晶體基板與至少一過渡層彼此結晶形對位，並對至少一過渡層進行雷射處理以改善結晶形對位。
本發明亦揭露一種上述所需(最終)薄膜的磊晶成長方法。在形成至少一過渡層時進行雷射處理。
本發明亦揭露一種上述所需(最終)薄膜的磊晶成長方法。至少一過渡層之數量為複數包括複數，並且至少一過渡層具有固定晶格間距。
本發明亦揭露一種上述所需(最終)薄膜的磊晶成長方法。在形成至少一過渡層時進行晶域匹配磊晶機制。
本發明亦揭露一種上述所需(最終)薄膜的磊晶成長方法。在形成至少一過渡層時進行晶格調整晶域匹配磊晶機制。
本發明亦揭露一種上述所需(最終)薄膜的磊晶成長方法。在形成至少一過渡層包括形成一至十個過渡層。
本發明亦揭露一種上述所需(最終)薄膜的磊晶成長方法。在形成至少一過渡層的過程中對晶體基板進行加熱。
本發明亦揭露一種模板基板的形成方法。模板基板用以成長具有最終晶格間距 aF 之所需薄膜。形成方法包括: 形成至少一過渡層於晶體基板之頂面。晶體基板的頂面具有基板晶格間距 aS 。至少一過渡層具有下表面、上表面、厚度 h 及過渡層晶格間距 aT (z)。過渡層晶格間距 aT (z)於下表面與上表面之間變化。至少一過渡層的過渡層晶格間距在下表面 (aT (0)) 滿足 m˙aT (0) = n˙aS 之關係，並在 7% 的第一晶格失配度內，其中 n 與 m 為整數。另外，至少一過渡層的過渡層晶格間距在上表面 (aT (h)) 滿足 i˙aT (h) = j˙aF 之關係，並在 7% 的第二晶格失配度內，其中 i 與 j 為整數。在不同的實施例中，第一及第二晶格失配度可為 2%、1% 或實質為 0%。
本發明亦揭露一種上述模板基板的形成方法。晶體基板的材料選自於由矽(Si)、鍺 (Ge)、矽鍺 (SiGe)、氮化鋁 (AlN)、氮化鎵 (GaN)、碳化矽 (SiC)及鑽石所構成的群組。
本發明亦揭露一種上述模板基板的形成方法。形成至少一過渡層的沉積法選自於由蒸鍍、濺鍍、化學氣相沉積法、有機金屬化學氣相沉積法、原子層沉積法及雷射輔助原子層沉基法所構成的群組。
本發明亦揭露一種上述模板基板的形成方法。至少一過渡層的材料選自於由矽化鍺 (Gex Si1-x )、氮化鎵鋁 (Gax Al1-x N)、砷化鎵鋁 (Gax Al1-x As)、砷化銦鎵 (Inx Ga1-x As)、磷化銦鎵 (Inx Ga1-x P) 、砷化銦鋁 (Inx Al1-x As) 及氧化鋅 (ZnO) 所構成的群組。
本發明亦揭露一種上述模板基板的形成方法。晶體基板與至少一過渡層彼此結晶形對位，並對至少一過渡層進行雷射處理以改善結晶形對位。
本發明亦揭露一種上述模板基板的形成方法。在形成至少一過渡層時進行雷射處理。
本發明亦揭露一種上述模板基板的形成方法。至少一過渡層之數量為複數，並且至少一過渡層具有固定的晶格間距。
本發明亦揭露一種上述模板基板的形成方法。在形成至少一過渡層時進行晶域匹配磊晶機制。
本發明亦揭露一種上述模板基板的形成方法。在形成至少一過渡層時進行晶格調整晶域匹配磊晶機制。
本發明亦揭露一種上述模板基板的形成方法。在形成至少一過渡層時包括形成一至十個過渡層。
本發明亦揭露一種上述模板基板的形成方法。在形成至少一過渡層時，對晶體基板進行加熱。
本發明亦揭露一種上述模板基板的形成方法。在過渡層上表面形成所需薄膜。
本發明亦揭露一種最終薄膜的磊晶成長方法。成長方法使用晶體基板，係具有表面及基板晶格間距。該成長方法包含: 形成至少一過渡層於晶體基板的表面上。至少一過渡層具有過渡層晶格間距。過渡層晶格間距於至少一過渡層之下表面與上表面之間變化。至少一過渡層的過渡層晶格間距在下表面與晶體基板的基板晶格間距在 7% 的第一晶格失配度 內。至少一過渡層的過渡層晶格間距在上表面與最終薄膜的最終晶格間距在 7% 的第二晶格失配度內。然後，在過渡層的上表面形成最終薄膜。在不同的實施例中，第一及第二晶格失配度可為 2%、1% 或實質為 0%。
本發明亦揭露一種上述的最終薄膜成長方法。晶體基板的材料選自於由矽(Si)、鍺(Ge)、矽鍺(SiGe)、氮化鋁 (AlN)、氮化鎵 (GaN)、碳化矽(SiC)及鑽石所構成的群組。
本發明亦揭露一種上述的最終薄膜成長方法。晶體基板材料包括矽(Si)。另外，過渡層的形成包括將鍺 (Ge) 植入矽基板並且進行退火。
本發明亦揭露一種上述的最終薄膜成長方法。晶體基板材料包括一合金。
本發明亦揭露一種上述的最終薄膜成長方法。形成至少一過渡層的沉積法選自於由蒸鍍、濺鍍、化學氣相沉積法、有機金屬化學氣相沉積法、原子層沉積法及雷射輔助原子層沉基法所構成的群組。
本發明亦揭露一種上述的最終薄膜成長方法。至少一過渡層的材料選自於由矽化鍺 (Gex Si1-x )、氮化鎵鋁 (Gax Al1-x N)、砷化鎵鋁 (Gax Al1-x As)、砷化銦鎵 (Inx Ga1-x As)、磷化銦鎵 (Inx Ga1-x P) 及砷化銦鋁 (Inx Al1-x As) 所構成的群組。
本發明亦揭露一種上述的最終薄膜成長方法。晶體基板與至少一過渡層彼此結晶形對位，更包括對至少一過渡層進行雷射處理以改善結晶形對位。
本發明亦揭露一種上述的最終薄膜成長方法。在形成至少一過渡層時進行雷射處理。
本發明亦揭露一種上述的最終薄膜成長方法。至少一過渡層之數量為複數，並且至少一過渡層具有固定的晶格間距。
本發明亦揭露一種上述的最終薄膜成長方法。在形成至少一過渡層時進行晶域匹配磊晶機制。
本發明亦揭露一種上述的最終薄膜成長方法。在形成至少一過渡層時，進行晶格調整晶域匹配磊晶機制。
本發明亦揭露一種上述的最終薄膜成長方法。在形成至少一過渡層時包括形成一至十個過渡層。
本發明亦揭露一種上述的最終薄膜成長方法。在形成至少一過渡層的過程中，對晶體基板進行加熱。
以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者瞭解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。上述之發明內容及以下詳細說明僅為舉例，其目的為提供一概要或架構以瞭解專利範圍的屬性與特性。
以下是本發明之不同實施例的詳細參考資料，其中藉由附圖做舉例說明。在任何可能的情況下，所有圖式中相同或類似的參考數標代表了相同或類似的元件。所附之圖式並非完全按照比例。熟悉相關技藝者可從簡化的圖式中辨別本發明之主要特徵。
以下之專利範圍是併入實施方式並為其一部份。
在此所揭露之任何文獻或專利文件階包含於參考資料內。
為了標示目的，有些圖式使用笛卡爾座標，但並不是用來限制方向或位置。
在以下的文述中，參數“a”代表材料的晶格間距或晶格常數，也就是材料之晶體結構所具有單位細胞之間的距離，亦是組成單位細胞之原子或物種之間的距離。參數“aS ”代表基板的晶格間距。參數“aT (z)”代表一過渡層之變化性的晶格間距。參數“aF ”代表形成於最上之過渡層的薄膜所具有的晶格間距。
另外也在以下的文述中，m 與 n 為整數，i 與 j 亦是。
以下所使用的縮寫 “DME” 代表 “Domain-Matching Epitaxy” (晶域匹配磊晶)，而縮寫 “LT-DME” 代表 “Lattice-Tuned Domain-Matching Epitaxy” (晶格調整晶域匹配磊晶)。
在以下的文述中，文字 “X%內” 的意思是 “等於或小於Ｘ％＂。
本發明其中一個特徵是針對在一個矽(Si)基板上成長單晶體化合物。然而，這個揭露特徵不應該被解釋為限制本發明只能使用矽(Si)基板。在此引用矽(Si)基板只是純粹舉例說明與成本效益有關的製造過程。當製造成本並非重要議題時，也可使用其他晶體基板，包括鍺 (Ge)、碳化矽 (SiC)、氧化鋁 (Al2 O3 )、氮化鎵 (GaN)、鑽石等等。在此所描述的方法一樣適用於非矽晶體基板。
圖 1 為結晶型半導體基板 (以下簡稱 “基板”) 10，其具有本體 11 及頂面 14。舉例說，基板 10 為矽(Si)晶圓，其具有立方(四方)晶體結構。晶體結構具有 (1,1,1) 晶面及晶格間距 aS = 3.84 埃 (Å)。在以下的文述中，各實施例的基板 10 被稱為矽(Si)晶圓。在討論形成模板基板之文述，基板 10 在此稱為 “初始基板＂，其細節會在以下文述中提供。
如圖 2A 及 2B，對於材料(物種) 22，透過習知沉積技術，基板 10 可使用於成長裝置級異質磊晶薄膜 20。圖 2A 中之箭頭 AD 顯示物種 22 的沉積方向。異質磊晶薄膜 20 與基板 10　之頂面 14 界定出基板與薄膜之間的界面 24。圖  2A  呈現物種 22 的單層 (異質層) 22L 位於基板 10 的頂面 14。異質磊晶薄膜 20 包含了複數個異質層 22L。
在開發於基板 10 上形成 (沉積或成長) 化合物半導體之裝置級異質磊晶薄膜 20 之方法的議題上，主要有兩個困難點。首先，必需有一個熱驅動力促使沉積薄膜(異質磊晶薄膜 20)之複數個異質層 22L，與基板 10 之單晶模板等量的成長。 通常的做法是使結晶面之晶體結構產生類質同像特性，並且將基板 10 與異質磊晶薄膜 20之晶格間距做匹配，得以使基板 10 與薄膜 20 之間的界面 24 具有精確的對位。第二個難點是如何管控熱脹效應。異質磊晶成長通常需要高溫促使材料表面的行動能力及達到長程有序狀態。假如基板 10 與材料 22 彼此的熱膨脹係數不匹配，將會於冷卻的異質磊晶薄膜 20 中產生大量的殘留熱應力，其可造成變形或破裂的情形。
異質磊晶成長包含基板 10 的表面能、異質磊晶薄膜 20 的表面能及基板/薄膜界面 24 能量之間的競爭。競爭的結果是使異質磊晶薄膜 20 有三種可能成長模式。當界面能主導時，FM (Frank-Van der Merwe) 成長模式會顯現，其中異質磊晶薄膜 20 做層狀成長。SK (Stranski – Krastanov) 模式則先層狀成長至一臨界厚度，然後異質磊晶薄膜 20 開始形成複數個三度空間 (3D) 的島狀結構。最後一種是 VW (Volmer – Weber) 成長模式，其中島狀結構直接形成於基板 10 (也就是矽(Si)晶圓) 之頂面 14。SK 與 VW 成長模式會促使複數個異質層 22L 分裂為複數個具有高晶界密度的小晶域。
成長高品質異質磊晶薄膜 20 之關鍵在於尋找適合 FM 模式之條件。主要的挑戰是透過所形成的基板/薄膜界面 24，使薄膜 20 的成長與下方基板 10 之晶體模板的成長是同量的。特別注意的是，基板 10 與成長中的異質磊晶薄膜 20 的晶格必需有某種程度上的對位。以上情況的一個必要條件是基板 10 與異質磊晶薄膜 20 之晶面是彼次對稱的。
以下表格呈現一些較有興趣之半導體材料的晶體結構。
從表一中可得知，氮化鎵鋁 (Ga-Al-N) 化合物具有六方緊密堆積型 (hcp) (wurtzite/纖鋅礦) 晶格結構。此些異質磊晶薄膜 20 皆朝 (001) 方向成長，其中面內晶格具有 hcp 結構。若此些異質磊晶薄膜 20 要做異質磊晶成長，被使用的基板 10 則需與六方晶相對稱。其餘之材料 (矽(Si)、鍺 (Ge)、碳化矽 (SiC)、砷化鎵鋁 (GaAlAs)、砷化銦鎵 (InGaAs)、磷化銦鎵 (InGaP)、砷化銦鋁 (InAlAs)) 具有立方晶體結構，並且在 (111) 方向為六方對稱。因此，於表一中所列之方向，所有材料 22 的面內對稱是相匹配的。
雖然異質磊晶薄膜 20 可藉由不同技術做沉積 (例如: 物理氣相沉積 (PVD); 化學氣相沉積 (CVD); 蒸鍍; 濺鍍及原子層沉積法 (ALD))，可是 ALD 是較有優勢的，因為此項技術專門提供 FM 成長模式。
就一般沉積過程而論，掌控沉積物種 22 的能量對於在沉積過程中控制不同單一層之間的界面能量是重要的。假如能量太小，沉積材料 22 則不能重新對準下方基板 10 的晶體方向。就 ALD 技術來說，可藉由在沉積過程中控制基板 10 的溫度，亦可在沉積過程中或之後執行雷射尖峰退火 (Laser Spike Annealing /LSA) 製程技術，加以掌控沉積過程的能量。短程有序排列是透過化學反應而界定的。長程有序排列是經由加入更多的能量而界定，其來源可為溫度的提高或者雷射退火技術。透過雷射尖峰退火製程技術，輸送給異質磊晶薄膜 20 之能量及其吸收的時間與規模可被有效的管控。此方式提供了一個獨特又獨立的沉積材料 22 及其能量之控制方法。縱然雷射輔助原子層沉積法 (LA-ALD) 只是其中一種沉積的方法，但此方法提供了空前未有的界面成長控制度，並且允許低溫狀態的沉積 (＜ 400oC)。對於在高溫下沉積具有不同熱脹係數之材料 22 於基板 10 所帶來的問題，此方法提供了一個紓緩的對策。
異質磊晶成長異質磊晶薄膜 20 的另一個基本條件就是: 晶格間距 (或晶格常數) “a” 應該互相匹配。在理想的情況下，此條件代表物種 22 於基板/薄膜界面 24 具有一對一的對位，促使異質層 22L “鎖固” 於基板 10 之頂面 14。
圖 3 是內面晶格間距 “a” (Å) (縱軸線) 與材料成份之比對圖。不同水平實線代表各材料 22 之合金的晶格間距。舉例來說，矽 (Si) 及鍺 (Ge) 可形成合金連續系統: 當矽 (Si) 是 100 %，晶格間距是 3.8 Å ; 當鍺 (Ge) 是100 %，晶格間距是 4.0 Å 。虛線箭頭則代表使用 DME 之成長機會，並且 DME 的比例也列於圖中。例如說，在 DME 的機制下，一個 4:3 比例之碳化矽 (SiC) 可成長於磷化鎵銦 (Ga0.2 In0.8 P)。磷化鎵銦 (GaInP) 的成份調整則代表了 LT-DME。
請注意矽鍺(Si-Ge)形成連續性合金。另外，氮化鎵鋁 (Ga-Al-N)、砷化鎵鋁(Ga-Al-As)、砷化銦鎵 (In-Ga-As)、磷化銦鎵 (In-Ga-P)及砷化銦鋁 (In-Al-As) 系統也是如此。圖 3 指出相對來說，矽(Si) 晶圓 (也就是基板 10) 與碳化矽 (SiC) 及氮化鎵鋁(Ga-Al-N) 材料 22 有明顯的晶格失配 (~ 20%) 問題。然而，透過 DME 將晶格間距 “a”  的整數做匹配，還是可以做到長程有序的排列。在 DME 中，基板 10 通常被加溫至室溫與 700o C 之間。 此外，當沉積溫度抵達 700o C 並且大約 30 分鐘後，對基板 10 與沉積材料 22 施以退火。在沉積過程中或之後的高溫是為了提供沉積物種 22 足夠的表面能量，使其有能力與基板 10 做排列與對位。有些沉積法賦予沉積材料 22 更多的能量，以致於在沉積過程中或之後需要較少 (或不需要) 的熱處理。
DME已證明能夠磊晶成長材料22之單一異質層22L，其中異質層22L具有第一晶格常數 (a1 )。異質層22L上又可沉積材料22的另一個單層，其具有不同的(第二)晶格常數 (a2 )。成長方式為使第一及第二晶格常數之整數相互匹配。譬如說，氮化鋁 (AlN) 的晶格常數為 a2 = 3.11 Å，而矽 (Si) 的晶格常數為 a1 = 3.84 Å。幸運的是，五個氮化鋁 (AlN) 的晶格間距與四個矽 (Si) 的晶格間距差異不大。具體來說，(5)˙(3.11) = 15.55 Å，而 (4)˙(3.84) = 15.36 Å。相對於 15.5 Å，差異只有 0.19 Å，或者 1.2%。此差異足以使氮化鋁 (AlN) 的異質磊晶薄膜 20 磊晶成長於矽 (Si) 晶圓(也就是基板 10)上。其他 DME的例子包括: 在氧化鋁 (Al2 O3 )上成長氧化銦 (In2 O3 ); 在矽(Si) 100% 上成長氧化釹鎳 (NdNiO3 ); 在氧化釔 (Y2 O3 ) 上成長氧化鋅 (ZnO);  在矽鍺 (Si-Ge) (30 % Ge) 上成長氮化鎵 (GaN);  及在矽 (Si) 上成長碳化矽 (SiC)。
從已知技術得知就某些材料而言，DME 最適用的情況是:當晶格間距 a1 之整數倍是等於或小於第二個晶格間距 a2 之整數倍的 7%。換句話說，晶格失配度 ≤  7 %。另外，也得知當晶格失配度為更小時，譬如 2 % 或 1 %，DME 的成效會更好。當失配度越小，第二層的成長就越好，因為出現位錯的缺陷越少。在理想的情況下，完全晶格匹配可使所成長的各單一層有最少的缺陷。
舉例來說，一個常見的 DME 條件是 m˙a1 = n˙a2 ≤  臨界值 TH。有些材料之臨界值 TH 最大可為 7 %，但此些材料成長時通常帶有很多位錯缺陷。當 DME 條件的符合度在範圍 2 %  或 1 % 之內，或者本質上是完美的 (也就是說晶格失配度基本上是零，或者 TH = 0)，成長的情況會較好。就開放更多種材料 22 進行磊晶成長而言，以上的做法已經是相當大的進展。但是，仍不代表任何的材料都可以成長。另外，由於矽 (Si) 晶圓很普遍，使用矽 (Si) 晶圓做初使基板 10  較合乎商業利益。就矽 (Si) 晶圓而論(基板 10)，傳統 DME 的做法是限用晶格常數符合以上矽 (Si) 晶圓 (基板 10) 之臨界條件的材料。   晶格調整 DME (LT-DME)
本發明特徵之包含一改良形DME，並於此命名為 晶格調整 DME (LT-DME)。請參閱圖 4A 至 4F，其例舉了LT-DME 程序，其使用物種42以形成複數個異質層 42L，並且於基板 10 形成過渡層 40。
LT-DME 指得是在基板 10 上的過渡層 40 之磊晶成長，其中至少一種材料 (薄模或基板) 屬於一個連續性的合金系統。為了對過渡層 40 的晶格間距施以調整，先對合金的化學計量比進行篩選，使過渡層 40 與基板 10 之晶格間距滿足第一晶格匹配條件，其為 m:n ≤  臨界值 TH (最大為 7 %) 。以上原則亦包括比例為 1:1 以及晶格間距同等的特殊情況。
經由連續合金系統所提供之連續性晶格間距，對過渡層 40 之晶格間距可施以變化，進而對最終薄膜 (也就是要在過渡層 40 上形成的異質磊晶層 20) 產生第二晶格匹配條件 i:j  (於晶格失配臨界值 TH 內)。因此，藉由 DME 所形成之最終薄膜 (異質磊晶薄膜 20)之材料種類數量可大幅的增加。譬如說，第一及第二晶格失配度 (由臨界值 TH 界定) 在 7%、2%、1%　內或實質為 0% (也就是無晶格失配)。在一實施例中，第一晶格失配度可不同於第二晶格失配度。
因此，在 LT-DME 過程中，物種 42 的成份受到變化，促過渡層 40 具有如複數個異質層 42L 所界定之變化性的合金成份。某些異質層 42L 可有相同的成份，但不是全部。過渡層 40 位於基板 10 與所需最終薄膜 (異質磊晶薄膜 20，請參閱圖 4F) 之間，其中基板 10 與最終薄膜 (異質磊晶薄膜 20) 彼此具有不同的晶格間距，造成無法利用傳統 DME 在基板 10 之頂面 14 上形成最終薄膜 (異質磊晶薄膜 20) 的可能。LT-DME 技術透過篩選過渡層 40 之複數個異質層 42L 的合金初始成份之方式，使初始成份與基板 10 相互匹配。然後，對過渡層 40 之化學計量比隨著厚度施以變化 (例如: 變化複數個異質層 42L 的成份)，進而取得匹配最終薄膜 20 的成份。
在一實施例中，過渡層 40 具有連續變化的化學計量比。換句話說，複數個異質層 42L 的化學計量比從基板 10 至最終薄膜 (異質磊晶薄膜 20) 連續性的變化。任何一種合理的複數個異質層 42L 之計量比變化可選用於 LT-DME 過程中與最終層 20 匹配。
圖 4A 為一實施例，其使用雷射束光 LB　對　LT-DME 機制中正在沉積的複數個異質層 42L 進行處理。大的箭頭代表 LT-DME 的沉積過程，其詳細內容如下。圖 4B 為另一實施例的剖面圖，其展示由矽 (Si) 晶圓 (基板 10) 所形成的模板基板 50，其也做為初始基板。模板基板 50 包括至少一過渡層 40 形成於矽 (Si) 晶圓 (基板 10) 的頂面 14 上。圖 4B 也展示已沉積的過渡層 40 選擇性的被雷射束光 LB 進行退火。箭頭 AS 代表雷射束光 LB 的掃描方向。
在一實施例中，雷射處理包含了雷射退火程序，譬如雷射輔助原子層沉積法 (LA-ALD)。適用於本發明所揭露之方法的 LA-ALD 系統及方式是由美國專利申請說明書揭露，其序號為 61/881,369，申請日期為 2013 年的 9 月 22 日及標的為 “於矽基板上形成複數個裝置級氮化鎵層之方法及設備＂。對過渡層 40 施以雷射處理可用於改善矽 (Si) 晶圓 (基板 10)之頂面 14 與過渡層 40 之間的結晶形對位。
圖 4C 為圖 4A 的放大圖，並展示透過材料 42 之複數個異質層 42L，於矽 (Si) 晶圓 (基板 10) 之上表面 14 形成過渡層 40。本圖亦利用複數個原子12 構成基板 10，並界定出基板 10 的頂面 14 及具有基板晶格間距 aS。
過渡層 40 包含本體 41。本體41具有下表面 43及上表面 44。下表面 43 貼附於矽 (Si) 晶圓 (基板 10) 之頂面 14 ，並界定晶圓/層界面 46。過渡層 40 具有高度 (厚度) h 及變化性 (層) 的結構，其界定出隨 z 方向而變化的過渡層晶格間距 aT 。譬如，於過渡層 40 之 z = 0 的下表面 43 至 z = h 的上表面 44。以複數個異質層 42L  來說，雖然過渡層晶格間距 aT 於過渡層 40 隨 z 方向的變化是不連續的，但為了方便，過渡層 40 之過渡層晶格間距變化仍由 aT (z) 代表。
透過離子植入技術及退火程序可在基板 10 形成過渡層 40。譬如說，鍺 (Ge) 可被植入矽 (Si) 晶圓 (基板 10)，並藉由退火形成由矽鍺 (SiGe) 組成之過渡層  40。鍺 (Ge) 的百分比是由摻雜物密度而決定。此做法可產生不同的晶格間距，並使用於成長更多的過渡層 40。
在一實施例中，過渡層 40 之過渡層晶格間距 aT (z) 變化是藉由當材料 42 沉積為複數個異質層 42L 時，對組成物種 (材料) 42 的元素之混合度施以調變。請參閱圖 4D，其為一理想圖展現經由 LT-DME 機制所產生的過渡層晶格間距 aT (z) 之線性變化。位於晶圓/層界面 46 之異質層 42L 具有過渡層晶格間距 aT (0)，其實質上匹配基板 10 之基板晶格間距 aS (也就是在第一晶格失配度內)。在本例子中，過渡層 40 的過渡層晶格間距 aT 從初始值 aT (0) = aS 增加至最終值 aT (h)。此過程也適用於晶格間距從初始值遞減至最終值的情況。
請再參閱圖 4C。下一個或複數個異質層 42L 的形成是藉由對組成材料 42 的元素之混合度施以調變，進而改變過渡層晶格間距 aT (z)。譬如說，以此範例來說，過渡層晶格間距 aT (z) 越來越大。請注意，在建立過渡層 40 時，一個或多個異質層 42L 可具有同樣的過渡層晶格間距 aT (z)。以上的成長過程會持續直到在過渡層 40 的上表面 44 取得所要的過渡層晶格間距 aT (h)。位於過渡層 40 之上表面 44 的過渡層晶格間距 aT (h) 亦稱為 “表面晶格間距”。
舉例來說，過渡層 40 的形成可藉由組合矽 (Si) 及鍺 (Ge) 元素以產生矽鍺的單晶體材料 42，其為合金 (Si1-x Gex )。鍺 (Ge) 可加入矽 (Si) 中從 0% (x = 0) 直到 100% (x = 1)，其結果為在過渡層 40 產生具有連續性過渡層晶格間距 aT (z)，其範圍包含從原始矽 (Si) 晶圓的基板晶格間距 aS = 3.84 Å (z = 0) 直到最大值 4.00 Å (例如: aT (h)，或者表面晶格間距)，其為結晶體鍺 (Ge) 的晶格間距。在另一個例子中，氮化鋁 (AlN) 可與氮化鎵 (GaN) 結合，進而產生具有連續過渡層晶格間距 aT (z) 的合金，其範圍為從氮化鋁的 3.11 Å 至氮化鎵的 3.19 Å。
請參閱圖 4E，其與圖 4B 類似並列舉一實施例，其中模板基板 50 包括初始基板及複數個 (p) 過渡層 40，譬如 40-1、40-2、….40-p，其具有相對應的厚度 h1, h2,…hp 及晶格間距 aT1 (z)、aT2 (z)、….aTp (z)。以下包括模板基板 50 之舉例說明。另外，圖 4F 與圖 4E 類似並展現最終薄膜 (異質磊晶薄膜 20)，其形成於最上之過渡層 40-p 之上方。圖 4F 亦展現最終層 (異質磊晶薄膜 20) 的最終晶格間距 aF。
請參閱圖 5A 及 5B。當模板基板 50 形成後，其可成長具有最終晶格間距 aF 之最終薄膜 20 (例如使用 LT-DME ，如圖 3 中之虛線箭頭所代表)。請再次注意，就實際情況而論，因為 aS 與 aF 之間晶格尺寸失配的問題，導致最終層 (異質磊晶薄膜 20) 無法直接生長於矽 (Si) 晶圓 (基板 10)　之頂面 14 上 。實質上來說，所需薄膜 20 之最終晶格間距 aF 與最高過渡層 40-p 之表面 (過渡層)晶格間距 aTp (h) 匹配 (於第二晶格失配度範圍內)。
圖 6 為流程圖 100，其描述形成所需薄膜 (異質磊晶薄膜 20) 之方法的實施例。所需薄膜無法透過其他方法直接形成於基板 10  (如矽 (Si) 晶圓) 上。在步驟 S101 中，所成立的條件是所需薄膜 (異質磊晶薄膜 20) 的最終晶格間距 aF 與基板晶格間距 aS 之差異大於臨界值 TH。臨界值 TH 通常以材料為準，並且如以上文述所示，通常大約為 7 % 或在某些狀況下為 2 %。晶格失配度之臨界值條件所容許的偏差可由  |aS – aF |/aS ≤ TH　關係形容，其中 “|x|” 代表 “ x 的絕對值”。
因此，步驟 S101 首先建立了|aS – aF |/aS ＞ TH 之條件，以確認就實際情況而論，最終所需薄膜 (異質磊晶薄膜 20) 無法直接形成於基板 10 上。透過晶格調整以降低晶格失配度小於所設臨界值 (例如 7 % 、2 % 、1 % 或實質為 0 %)，可使 DME 機制之磊晶成長過程大幅的改善。在一實施例中，LT-DME 之目的就是盡可能減少過渡層 40 與最終薄膜 (異質磊晶薄膜 20) 之間的晶格失配度。
步驟 S102 包含使用基板 10 做為初始基板以形成具有 p 個過渡層40 之模板基板 50 (也就是過渡層 40-1、40-2、….. 40-p，其中 p = 1、2、3 …)，其可滿足根據臨界值所設的標準，也就是說 |aF – aTp (zp ) |/aTp ≤ TH。aTp (zp ) 為最上之過渡層 40 –p 的表面晶格間距，其表面位於 z = zp (請看圖 4E)。如以上描述，臨界值 (其指出晶格失配度) 為 7%、2%、1% 或實質為 0 %。
步驟 S103 包含在最上之過渡層 40-p 成長所需材料層 22 之薄膜 (異質磊晶薄膜 20)，並且同時不超過晶格失配度之臨界值 (滿足第二晶格失配度條件，請看圖 4F)。
請再參閱圖 3。某些水平線包括了比例值 m:n (例如 4:3)，也就是對應的晶格間距，其可滿足由雙箭頭虛線所指之材料的匹配條件。深色線代表不同元素及化合物的晶格間距，而深色箭頭表示連續性合金。 DME 機制可採用所展示的 m: n 比例值。舉例來說，使用 5: 4 比例可使氮化鋁 (AlN) 成長於矽鍺合金 (30% Ge) (m = 5 氮化鎵(GaN) 晶格間距與 n = 4 矽鍺 (SiGe) 晶格間距互匹配)。
氮化鎵鋁 (Ga-Al-N) 系統與矽 (Si) 之間的晶格匹配也是可行的。最接近的匹配狀況是 5:4 的比例，其中氮化鋁 (AlN) 的晶格間距為 a1 = 3.90 Å，其大於矽 (Si) 的晶格間距 (aS = 3.84 Å) 之　1.6　%。然而，透過利用矽 (Si) 加 30 % 鍺 (Ge) 之合金過程所形成的過渡層 40，晶格失配情況可被移除，並產生近乎完美的晶格間距匹配情況。矽鍺 (Si-Ge) 合金的晶格間距與合金成份基本上維持一個線性關係。透過將鍺 (Ge) 植入矽 (Si) 並經過退火處理，其可提供模板基板 50。模板基板 50具有第一過渡層 40-1，係具有過渡層晶格間距 aT1 (z = h1 ) 。過渡層晶格間距 aT1 經由調整與氮化鋁 (AlN) 異質層 20 完全匹配。接下來，第二過渡層 40-2 由氮化氧 (AlN) 開始，然後透過調整砷化鎵鋁 (Gax Al1-x As) 的化學計量比以取得特定的成份，並具有過渡層晶格間距 aT2 (z = h2 )，其可做為第三過渡層 40-3 或所要薄膜 20 的成長表面 (請看圖 4E)。舉例來說，假設第二過渡層 40-2 的最終成份為氮化鎵 (GaN) 並具有 3.99 Å 的晶格間距。此情況可為氮化鎵　(GaN) 或砷化鎵 (GaAs) 的最終異質層 20 (a = 4.00  Å) 之成長表面。
因此，本說明書所揭露的方法包括形成一序列的過渡層 40，其讓模板基板 50 成形並具有極大範圍之晶格間距選擇使用。複數個過渡層 40 也讓過渡層晶格間距的範圍產生漸進式的變化，直到最上之過渡層 40-p 具有表面晶格間距，其充份的與所要薄膜 (異質磊晶薄膜 20) 之材料 22 的最終晶格間距 aF 做匹配。
就形成一個或複數個過渡層 40 而言，有幾種不同的合金物種可被有效的採用，其包括矽鍺 (Six Ge1-x )、氮化鋁鎵 (Alx Ga1-x N)、砷化鎵鋁 (Gax Al1-x As)、砷化銦鎵 (Inx Ga1-x As)、磷化銦鎵 (Inx Ga1-x P)、砷化銦鋁 (Inx Al1-x As) 及氧化鋅 (ZnO)。化合物氧化鋅 (ZnO)  的晶格間距為 a = 3.252 Å。一般來說，氧化鋅 (ZnO) 不能成長於矽 (Si) 晶圓上 (基板 10)，因為晶格失配度幾乎是 17 %。然而，LT-DME 機制提供了一個成長氧化鋅 (ZnO) 異質磊晶薄膜 20 的途徑。譬如說，透過以下的關係 (m = 6)˙(3.252 Å) ≈ (n = 5)˙(3.9 Å)，氧化鋅 (ZnO) 可與矽鍺 (Si-Ge) 晶體 (30 % Ge) 做匹配。這代表具有 m =6 與 n = 5 的一對晶格間距之 LT-DME 機制是可行的。這裡要再強調，就實際情況而論，因為晶格尺寸失配度過高，氧化鋅 (ZnO) 無法直接成長於基板 10 的頂面 14。
請注意不同的材料可使用不同的組合方式取得 DME 過程中想要的晶格常數。請參閱圖 7，其中實施者可先由矽 (Si) 晶圓 (基板 10) 開始，接著植入鍺 (Ge) 以形成矽鍺 (SiGe) 過渡層 40-1，其在 z = z1 具有 30 % 的鍺 (Ge) 密度並界定表面晶格間距 aT1 (h1 ) ≈  3.9 Å。然後，以 5:4 DME 比例方式，氮化鋁 (AlN) 可直接成長於過渡層 40-1 並界定具有表面晶格間距為 aT2 (z2 ) = 3.11 Å 的第二過渡層 40-2。
接下來，於第二過渡層 40-2 上形成第三過渡層 40-3，其具有表面晶格間距 aT3 (z)。形成方式是透過摻合氮化鋁 (AlN) 與氮化鎵 (GaN) 以形成氮化鋁鎵 (Alx Ga1-x N)，其中 x 持續變化直到純氮化鎵 (GaN)成長完成並界定出自己的第四過渡層 40-4。
氮化鎵 (GaN) 過渡層 40 的上表面 44 具有表面晶格間距 aT4 (z4 ) = 3.19 Å。透過 5:4 DME 比例，上表面 44 可使用於成長任何砷化鋁鎵 (Alx Ga1-x As) 合金，進而形成具有表面晶格間距 aT5 (z5 ) = 4.0 Å 之第五過渡層 40-5。倘若接著於第五過渡層 40-5 上成長砷化鎵 (GaAs) 或砷化鋁 (AlAs)，這些材料 42 可行成具有表面晶格間距 aT6 (z) 之第六過渡層 40-6，並透過 LT-DME的方式連續性的層級化至砷化銦 (InAs)，使其具有表面晶格間距 aT6 (z6 ) = 4.28 Å。LT-DME 機制也可使用 5:4 的比例在氮化鎵 (GaN) 之第五過渡層 40-5 成長一個不同的第六過渡層 40-6 ，其為磷化銦鎵 (In0.5 Ga0.5 P)。然後，第七過渡層 40-7 之表面晶格間距可形成為磷化銦　(InP) 的 aT7 (z7 ) = 4.15 Å 或磷化鎵 (GaP) 的 aT7 (z7 ) = 3.85 Å。
舉例來說，模板基板 50 包括1至10層過渡層 40。在兩層過渡層 40 以上的情況下，至少一個過渡層 40 的晶格尺寸是固定的。在一個例子中，保有相同晶格尺寸的至少一過渡層 40 是使用 LT-DME 機制形成的。
本說明書所舉例的方法採用以下的連續性合金系統: 鍺矽 (Gex Si1-x )、氮化鎵鋁 (Gax Al1-x N)、砷化鎵鋁 (Gax Al1-x As)、砷化銦鎵 (Inx Ga1-x As)、磷化銦鎵 (Inx Ga1-x P) 及砷化銦鋁 (Inx Al1-x As) 。這些合金系統允許將模板基板 50 的一個或複數個過渡層 40 之晶格間距進行調整，使其為在一大範圍內的一個準確值，並特別促使最高之過渡層 40-p 的表面晶格間距 aTp (zp ) 對應所要薄膜 (異質磊晶薄膜 20) 的最終晶格間距 aF ，進而滿足第二晶格匹配條件。 LT-DME 提供了一種調整晶格間距的機制。另外，在使用單一或複數個連續性合金系統狀況下，LT-DME 使尋找一條從基板 10 開始，進行多種化合物半導體材料之異質磊晶成長的途徑，成為有可能的。
請參閱圖 8，其為一流程圖 200 舉例說明一種所需薄膜(異質磊晶薄膜 20)的成長方法。成長方法使用矽(Si)晶圓(基板10)。所需薄膜是由所需(最終)材料A所組成，並且具有最終晶格間距 aF 。第一步驟 S201 包含了辮認所要的材料 A 及其晶格間距。譬如說，所需最終材料 A 之晶格間距為aF = 3.72 Å。
步驟 S202 詢問是否材料 A 可透過 LT-DME 與矽鍺 (Si-Ge)合金匹配。此問題包括了當晶格間距比例為 1:1 的特殊情況。換句話說，晶格間距是同等的。倘若答案為 “是”，方法的流程直接前進至步驟 S203，其中包括使用矽鍺 (SiGe) 合金過渡層 40 成長材料 A。然而，因為矽鍺 (Si-Ge) 系統的基板晶格間距範圍為 aS = 3.84 – 4.00 Å，所以彼此匹配的情況是不可能的，也代表就以上例子而論，步驟 S202 問題之答案為 “否”。
既然步驟 S202 的答案為 “否”，本方法的流程進行至步驟 S204。步驟 S204 提出的問題是: “在透過一系統中之最終材料所形成的連續性合金 A-B 中，是否其中一個合金透過 LT-DME 可與矽鍺合金 (Si-Ge) 產生晶格匹配 ?” 倘若答案為 “是”，方法的流程前進至步驟 S205，其中包含使用矽鍺 (Si-Ge) 形成第一過渡層 40-1，並且材料之合金A-B可透過 LT-DME 生長於矽鍺 (Si-Ge)。合金 A-B的成份有受到改變 (譬如連續的規格化) 直到與材料 A 的晶格間距匹配。在這個案例中，材料 A 是被假設不被包括於一連續性合金系統內，所以答案為 “否”，也因此本方法流程前進至步驟 S206。步驟 S206 所問的題目是材料 A-B是否可透過 LT-DME 匹配於屬於一連續性合金系統內的材料 C-D。在這個例子中，答案為 “是”，因為氮化鎵 (GaN)具有一 DME 比例 7:6以及晶格間距 3.72 Å。因此，本方法流程前進至步驟 S207，其詢問的問題是氮化鋁鎵 (Al-Ga-N) 合金系統 是否可透過 LT-DME 與矽鍺 (Si-Ge) 匹配。經過確認，氮化鋁 (AlN) 合金具有一 DME 比例 5:4 以及晶格間距 3.89 Å，其與 Si0.7 Ge0.3 匹配。
因為步驟 S207 所問的答案為 “是”，本方法流程前進至步驟 S208。步驟 S208包括使用LT-DME，並且透過以下方式成長材料 A: 首先成長矽鍺 (Si-Ge) 過渡層 40-1; 然後沉積氮化鋁鎵 (Al-Ga-N) 過渡層，其中成份由純氮化鋁 (AlN) 轉變為純氮化鎵 (GaN); 最後沉積想要的材料 A 於氮化鎵之基板10上。
請注意在步驟 S206 與S207 中，假如答案為 “否”，那就代表沒有合適的匹配，而本方法流程也停止在步驟 S210。
對於熟知相關技藝者，對本說明書所揭示的較佳實施例進行各種改變，而不違背本發明之精神與範圍如所附之專利範圍，是顯而易見的。因此，本發明所包括所附專利範圍之概念所涵蓋之變化與改變以及同等之概念。
10‧‧‧基板
11‧‧‧本體
12‧‧‧原子
14‧‧‧頂面
20‧‧‧異質磊晶薄膜
22‧‧‧材料(物種)
22L‧‧‧單層
24‧‧‧基板/薄膜界面
40‧‧‧過渡層
41‧‧‧本體
40-1、40-2、….40-7‧‧‧過渡層
h、h1、h2、….h7‧‧‧厚度
z、z1、z2、….z7‧‧‧方向(高度)
42‧‧‧物種
42L‧‧‧異質層
43‧‧‧下表面
44‧‧‧上表面
46‧‧‧晶圓/層界面
50‧‧‧模板基板
aS‧‧‧基板晶格間距
aT(0)=aS‧‧‧初始值
aT(h)‧‧‧最終值
aT(z)‧‧‧過渡層晶格間距
aF‧‧‧最終晶格間距
TH‧‧‧臨界值
LB‧‧‧雷射束光
AD、AS‧‧‧箭頭
DME‧‧‧晶域匹配磊晶
LT-DME‧‧‧晶格調整晶域匹配磊晶
100、200‧‧‧流程圖
S101‧‧‧建立|aS–aF|/aS＞TH之條件。
S102‧‧‧形成p個過渡層於基板上，並滿足|aF–aTp(zp)|/aTp TH。
S103‧‧‧成長所需材料層之薄膜於最上之過渡層，薄膜之最終晶格間距aF於晶格失配度之臨界值TH內。
S201‧‧‧辨認最終材料A及基板之DME晶格間距。
S202‧‧‧最終材料A與矽鍺(Si-Ge)合金是否有DME匹配 ?
S203‧‧‧矽鍺(Si-Ge)合金上成長材料A。
S204‧‧‧最終材料A是否有合金A-B與矽鍺(Si-Ge)合金LT-DME匹配 ?
S205‧‧‧矽鍺(Si-Ge)合金上成長過渡層，由A-B合金開使，材料A做結束。
S206‧‧‧最終材料A是否有合金A-B與不同合金 C-D(除了Si-Ge以外) LT-DME匹配 ?
S207‧‧‧材料C-D是否有合金C’-D’與矽鍺(Si-Ge)合金LT-DME匹配 ?
S208‧‧‧矽鍺(Si-Ge)合金上成長過渡層，由C’-D’合金開始，然後由C-D做結束。接著，成長第二過渡層，由A-B合金開始，然後由材料A做結束。
S210‧‧‧結束
所附之圖式提供對本發明更多的瞭解，並合併與屬於本說明書的一部份。該些圖式舉例說明一個或多個實施例，並且與以下的詳細說明共同解釋不同實施例之原理及使用程序。透過以下的詳細說明與附圖可獲得對本發明更完全的瞭解。
[第1圖] 係習知半導體基板之剖面圖。 [第2A圖] 係習知第1圖在半導體基板形成磊晶薄膜的剖面圖。  [第2B圖] 係習知第2A圖透過磊晶沉積在半導體基板所形成之薄膜 示意圖。  [第3圖] 係面內(in-plane)晶格間距“a”(Å)及晶域匹配磊晶 (DME)(垂直軸)與材料成份對比圖。 [第4A圖] 係本發明透過晶格調整晶域匹配磊晶(LT-DME)所形成的過渡層之示意圖，並且對過渡層選擇性的進行雷射處理。 [第4B圖] 係由第1圖之半導體基板所形成之本發明的模板基板剖面圖，其包括具有不同晶格間距之過渡層，並且選擇性的透過雷射光對過渡層進行雷射處理。 [第4C圖] 係本發明由第4B圖中LT-DME在半導體基板表面所形成具有一厚度之過渡層的放大圖，其過渡層晶格間距 aT (z) 隨 z = 0 至 z = h 而變化。 [第4D圖] 係本發明第4C圖中過渡層晶格間距aT (z)的理想圖，並舉例說明過渡層晶格間距如何依照過渡層之複數個材料層的成份改變而產生線形變化。 [第4E圖] 係本發明具有 p個過渡層形成於初始基板上之模板基板的剖面圖。 [第4F圖] 係本發明與第4E圖相似之剖面圖，其展示最終薄膜形成於模板基板的最上之過渡層。 [第5A圖] 係包含初始基板及過渡層的模板基板之剖面圖，其展示透過晶域匹配磊晶(DME)於過渡層上所形成之最終薄膜。 [第5B圖]係相似第5A圖之剖面圖，其展示經過第5A圖所示之過程所產生的結構。 [第6圖]係本發明之方法流程圖，其描述在使用初始基板及無法直接形成所需薄膜的狀況下，將所需薄膜形成於模板基板上。 [第7圖]係本發明具有初始基板及七個過渡層的模板基板之剖面圖。 [第8圖]係本發明另一方法流程圖，其描述在使用初始基板及無法直接形成所需薄膜的狀況下，將所需薄膜形成於模板基板上。
10‧‧‧基板
12‧‧‧原子
14‧‧‧頂面
40‧‧‧過渡層
42‧‧‧物種
42L‧‧‧異質層
43‧‧‧下表面
44‧‧‧上表面
46‧‧‧晶圓/層界面
z‧‧‧方向(高度)
h‧‧‧厚度
aT(0)=aS‧‧‧初始值
aS‧‧‧基板晶格間距

Claims (44)

  1. 一種所需薄膜的磊晶成長方法，該所需薄膜具有一最終晶格間距(aF)，且該成長方法係使用一晶體基板，該晶體基板具有一頂面及一基板晶格間距(aS)，該成長方法包括：在該晶體基板之該頂面上形成至少一過渡層，該至少一過渡層具有一下表面、一上表面、一厚度(h)及一過渡層晶格間距(aT(z))，其中該至少一過渡層係由複數異質層所構成，該些異質層係由定義一合金組成之複數元素之一混合物所構成，且包含改變該些異質層之該合金組成，以使該過渡層晶格間距於該下表面與該上表面之間變化，使該過渡層晶格間距在該下表面(aT(0))滿足m‧aT(0)=n‧aS之關係，並在7%的一第一晶格失配度內，其中m與n為整數，亦使之該過渡層晶格間距在該上表面(aT(h))滿足i‧aT(h)=j‧aF之關係並在7%的一第二晶格失配度內，其中i與j為整數；以及在該至少一過渡層之該上表面形成該所需薄膜。
  2. 如請求項1所述之成長方法，其中至少該第一或該第二晶格失配度為2%內。
  3. 如請求項2所述之成長方法，其中至少該第一或該第二晶格失配度為1%內。
  4. 如請求項1所述之成長方法，其中該晶體基板的材料選自於由矽(Si)、鍺(Ge)、矽鍺(SiGe)、氮化鋁(AlN)、氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC)及鑽石所構成的群組。
  5. 如請求項1所述之成長方法，其中該晶體基板包括矽(Si)，且形成該過渡層之步驟包括植入鍺(Ge)於一矽基板並進行退火。
  6. 如請求項1所述之成長方法，其中該晶體基板包括一合金。
  7. 如請求項1所述之成長方法，其中形成該至少一過渡層的沉積法選自於由蒸鍍沉積法、濺鍍沉積法、化學氣相沉積法、有機金屬化學沉積法、原子層沉積法或雷射輔助原子層沉積法所構成的群組。
  8. 如請求項1所述之成長方法，其中該至少一過渡層之材質選自於由矽化鍺(GexSi1-x)、氮化鎵鋁(GaxAl1-xN)、砷化鎵鋁(GaxAl1-xAs)、砷化銦鎵(InxGa1-xAs)、磷化銦鎵(InxGa1-xP)或砷化銦鋁(InxAl1-xAs)所構成的群組。
  9. 如請求項1所述之成長方法，其中該晶體基板與該至少一過渡層達成結晶形對位，且進一步對該至少一過渡層進行雷射處理以改善結晶形對位。
  10. 如請求項1所述之成長方法，更包括在形成該至少一過渡層時進行雷射處理。
  11. 如請求項1所述之成長方法，其中該至少一過渡層之數量為複數，其中至少一過渡層具有固定晶格間距。
  12. 如請求項1所述之成長方法，其中在形成該至少一過渡層的步驟中包括進行晶域匹配磊晶。
  13. 如請求項1所述之成長方法，其中在形成該至少一過渡層的步驟中包括進行晶格調整晶域匹配磊晶。
  14. 如請求項1所述之成長方法，在形成該至少一過渡層的步驟中包括形成一至十個過渡層。
  15. 如請求項1所述之成長方法，在形成該至少一過渡層的步驟中對該晶體基板進行加熱。
  16. 一種模板基板的形成方法，該模板基板用以成長具有一最終晶格間距(aF)之一所需薄膜，該方法包括：形成至少一過渡層，於一晶體基板之一頂面，該頂面具有一基板晶格間距(aS)，該至少一過渡層具有一下表面、一上表面、一厚度(h)及一過渡層晶格間距(aT(z))，其中該至少一過渡層係由複數異質層所構成，該些異質層係由定義一合金組成之複數元素之一混合物所構成，且包含改變該些異質層之該合金組成，以使該過渡層晶格間距(aT(z))於該下表面與該上表面之間變化，使該至少一過渡層之過渡層晶格間距在該下表面(aT(0))滿足m‧aT(0)=n‧aS之關係，並在7%的一第一晶格失配度內，其中m與n為整數，亦使該過渡層晶格間距在該上表面(aT(h))滿足i‧aT(h)=j‧aF之關係，並在7%的一第二晶格失配度內，其中i與j為整數。
  17. 如請求項16所述之形成方法，其中至少該第一或該第二晶格失配度為2%內。
  18. 如請求項17所述之形成方法，其中至少該第一或該第二晶格失配度為1%內。
  19. 如請求項16所述之形成方法，其中該晶體基板之材料選自於由矽(Si)、鍺(Ge)、矽鍺(SiGe)、氮化鋁(AlN)、氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC)及鑽石所構成的群組。
  20. 如請求項16所述之形成方法，其中形成該至少一過渡層的沉積法選自於由蒸鍍沉積法、濺鍍沉積法、化學氣相沉積法、有機金屬化學沉積法、原子層沉積法及雷射輔助原子層沉積法所構成的群組。
  21. 如請求項16所述之形成方法，其中該至少一過渡層之材質選自於由矽化鍺(GexSi1-x)、氮化鎵鋁(GaxAl1-xN)、砷化鎵鋁(GaxAl1-xAs)、砷化銦鎵(InxGa1-xAs)、磷化銦鎵(InxGa1-xP)、砷化銦鋁(InxAl1-xAs)及氧化鋅(ZnO)所構成的群組。
  22. 如請求項16所述之形成方法，其中該晶體基板與該至少一過渡層達成結晶形對位，且對該至少一過渡層進行雷射處理以改善結晶形對位。
  23. 如請求項16所述之形成方法，更包括在形成該至少一過渡層時進行雷射處理。
  24. 如請求項16所述之形成方法，其中該至少一過渡層之數量為複數，且至少一過渡層具有一固定晶格間距。
  25. 如請求項16所述之形成方法，其中在形成該至少一過渡層的步驟中包括進行晶域匹配磊晶。
  26. 如請求項16所述之形成方法，其中在形成該至少一過渡層的步驟中包括進行晶格調整晶域匹配磊晶。
  27. 如請求項16所述之形成方法，在形成該至少一過渡層的步驟中包括形成一至十個過渡層。
  28. 如請求項16所述之形成方法，在形成該至少一過渡層的步驟中對該晶體基板進行加熱。
  29. 如請求項16所述之形成方法，更包括於該過渡層之該頂面形成該所需薄膜。
  30. 一種最終薄膜的磊晶成長方法，係使用一晶體基板，該晶體基板具有一表面及一基板晶格間距，該成長方法包括：形成至少一過渡層於該晶體基板之該表面上，該過渡層具有一過渡層晶格間距，該至少一過渡層係由複數異質層所構成，該些異質層係由定義一合金組成之複數元素之一混合物所構成，且包含改變該些異質層之該合金組成，以使該過渡層晶格間距在該至少一過渡層的一下表面與該至少一過渡層的一上表面之間變化，使該過渡層晶格間距在該至少一過渡層的下表面與該晶體基板之該基板晶格間距匹配於7%的一第一晶格失配度內，亦使該過渡層晶格間距在該至少一過渡層的該上表面與該最終薄膜之一最終晶格間距匹配於7%的一第二晶格失配度內；以及在該至少一過渡層之上表面形成該最終薄膜。
  31. 如請求項30所述之成長方法，其中至少該第一或該第二晶格失配度為2%內。
  32. 如請求項31所述之成長方法，其中至少該第一或該第二晶格失配度為1%內。
  33. 如請求項30所述之成長方法，其中該晶體基板之材料選自於由矽(Si)、鍺(Ge)、矽鍺(SiGe)、氮化鋁(AlN)、氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC)及鑽石所構成的群組。
  34. 如請求項30所述之成長方法，其中該晶體基板包括矽(Si)，且形成該過渡層之步驟包括植入鍺(Ge)於一矽基板並進行退火。
  35. 如請求項30所述之成長方法，其中該晶體基板包括一合金。
  36. 如請求項30所述之成長方法，其中形成該至少一過渡層的沉積法選自於由蒸鍍沉積法、濺鍍沉積法、化學氣相沉積法、有機金屬化學沉積法、原子層沉積法及雷射輔助原子層沉積法所構成的群組。
  37. 如請求項30所述之成長方法，其中該至少一過渡層之材質選自於由矽化鍺(GexSi1-x)、氮化鎵鋁(GaxAl1-xN)、砷化鎵鋁(GaxAl1-xAs)、砷化銦鎵(InxGa1-xAs)、磷化銦鎵(InxGa1-xP)或砷化銦鋁(InxAl1-xAs)所構成的群組。
  38. 如請求項30所述之成長方法，其中該晶體基板與該至少一過渡層達成結晶形對位，且對該至少一過渡層進行雷射處理以改善結晶形對位。
  39. 如請求項30所述之成長方法，更包括在形成該至少一過渡層時進行雷射處理。
  40. 如請求項30所述之成長方法，其中該至少一過渡層之數量為複數，其中至少一過渡層具有一固定晶格間距。
  41. 如請求項30所述之成長方法，其中在形成該至少一過渡層的步驟中包括進行晶域匹配磊晶。
  42. 如請求項30所述之成長方法，其中在形成該至少一過渡層的步驟中包括進行晶格調整晶域匹配磊晶。
  43. 如請求項30所述之成長方法，在形成該至少一過渡層的步驟中包括形成一至十個過渡層。
  44. 如請求項30所述之成長方法，在形成該至少一過渡層的步驟中對該晶體基板進行加熱。
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