TWI760145B - 供磊晶成長的複合基板及其製作方法 - Google Patents

Abstract

本發明提出了一種供磊晶成長的複合基板，包括一基板、至少一抗應力層，與該基板直接緊密鍵合、一結晶矽層，與該抗應力層直接緊密鍵合，其上並形成有微圖案、以及一磊晶層形成於該結晶矽層的具有微圖案的一面上。

Description

供磊晶成長的複合基板及其製作方法

本發明大體上與一種供磊晶成長的複合基板及其製作方法有關，更具體言之，其係關於一種具有供磊晶成長的抗應力層的複合基板及其製作方法。

近幾年氮化鎵(GaN)材料在業界受到多方面的關注及應用，如未來5G市場、電動車、雷達衛星通訊、無線電傳輸以及醫療技術。因為氮化鎵材料具有高能帶、高擊穿電場、高導熱率、高飽和電子速度以及元件體積小等特性，這些特性使得氮化鎵在高功率及高速電晶體管的應用上被視為是相當理想的材料，尤其是在高電子移動率晶體電晶體(high electron mobility transistor,HEMT)等高頻元件或是發光二極體(LED)元件的應用上相當廣泛。

矽基板在價格成本上有其競爭優勢，因此將氮化鎵生長在矽基板上的電路設計方案正在蓬勃地研究與發展。然而，氮化鎵與矽基板在先天上的晶格常數與熱膨脹係數等性質差異過大，如此將氮化鎵直接成長在矽基板上的異質磊晶方式會造成過大的晶格失配(約17%)及熱膨脹係數失配(約54%)，成長期間會產生很大的拉應力，形成高密度的螺旋錯位，進而使晶圓翹曲甚至產生裂紋，如此在電性方面會導致所形成的氮化鎵元件漏電流增加並降低載子遷移率與運作效率。

有鑑於上述氮化鎵磊晶在矽基板上成長的習知問題，本發明提出了使用具有高強度與較高晶格匹配度的抗應力層的複合基板來供氮化鎵磊晶成長，並且在磊晶成長表面形成規律排列的梯形微圖案來在磊晶過程中達到將缺陷彎曲的效果，以獲得低翹曲度、低應力以及高磊晶品質的氮化鎵層結構。

本發明的其一面向為提出一種供磊晶成長的複合基板，其結構包括一基板、至少一抗應力層，與該基板直接緊密鍵合、一結晶矽層，與該抗應力層直接緊密鍵合，其上並形成有微圖案、以及一磊晶層形成於該結晶矽層的具有微圖案的一面上。

本發明的另一面向為提出一種供磊晶成長的複合基板的製作方法，其步驟包含提供一第一基板與一第二基板、將一第一抗應力層鍵合在該第一基板上，將一第二抗應力層鍵合在該第二基板上、將鍵合後的該第一基板與該第一抗應力層以及鍵合後的該第二基板與該第二抗應力層在含氧環境下進行高溫熱處理，使得該第一基板與該第一抗應力層鍵合，且該第二基板與該第二抗應力層鍵合、將該第二抗應力層與該第一抗應力層在含氧環境下進行高溫熱處理而鍵合，如此該第一抗應力層與該第二抗應力層共同作為抗應力層、以及進行一光刻製程在該第二基板的表面形成具有規律排列的微圖案。

本發明的這類目的與其他目的在閱者讀過下文中以多種圖示與繪圖來描述的較佳實施例之細節說明後應可變得更為明瞭顯見。

100:支撐基板

100a:第一基板

100b:第二基板

102:藍寶石基板

102a:第一藍寶石基板

102b:第二藍寶石基板

104:氧化矽層

105:氧化矽層

106:微圖案

106a:底切特徵

108:氧化矽

110:遮蔽層

112:遮蔽層

114:磊晶層

本說明書含有附圖併於文中構成了本說明書之一部分，俾使閱者對本發明 實施例有進一步的瞭解。該些圖示係描繪了本發明一些實施例並連同本文描述一起說明了其原理。在該些圖示中：第1圖為根據本發明較佳實施例中將一藍寶石基板與一矽基板鍵合的截面示意圖；第2圖為根據本發明較佳實施例中將一藍寶石基板與矽基板上所形成的氧化矽層鍵合的截面示意圖；第3圖為根據本發明較佳實施例中在一矽基板的背面形成一氧化矽應力補償層的截面示意圖；第4圖為根據本發明另一實施例中將兩矽基板上的抗應力層對接形成一共同的抗應力層的截面示意圖；第5圖為根據本發明較佳實施例中在抗應力層上的一矽基板表面形成規律排列的微圖案的截面示意圖；第6圖為根據本發明另一實施例中在抗應力層上的一矽基板表面形成規律排列的微圖案的截面示意圖；第7圖為根據本發明又一實施例中在抗應力層上的一矽基板表面形成規律排列的微圖案的截面示意圖；第8圖為根據本發明又一實施例中在抗應力層上的一矽基板表面形成規律排列的微圖案的截面示意圖；第9圖為根據本發明較佳實施例中在抗應力層上的一矽基板表面所形成規律排列的微圖案範例的頂示意圖；以及第10圖為根據本發明較佳實施例中在矽基板表面所形成的微圖案上成長磊晶層的截面示意圖。

須注意本說明書中的所有圖示皆為圖例性質，為了清楚與方便圖示說明之故，圖示中的各部件在尺寸與比例上可能會被誇大或縮小地呈現，一般而言， 圖中相同的參考符號會用來標示修改後或不同實施例中對應或類似的元件特徵。

現在下文將詳細說明本發明的示例性實施例，其會參照附圖示出所描述之特徵以便閱者理解並實現技術效果。閱者將可理解文中之描述僅透過例示之方式來進行，而非意欲要限制本案。本案的各種實施例和實施例中彼此不衝突的各種特徵可以以各種方式來加以組合或重新設置。在不脫離本發明的精神與範疇的情況下，對本案的修改、等同物或改進對於本領域技術人員來說是可以理解的，並且旨在包含在本案的範圍內。

閱者應能容易理解，本案中的「在…上」、「在…之上」和「在…上方」的含義應當以廣義的方式被解讀，以使得「在…上」不僅表示「直接在」某物「上」，而且還包括在某物「上」且其間有居間特徵或層的含義，並且「在…之上」或「在…上方」不僅表示「在」某物「之上」或「上方」的含義，而且還可以包括其「在」某物「之上」或「上方」且其間沒有居間特徵或層(即，直接在某物上)的含義。

此外，為了描述方便，諸如「在…之下」、「在…下方」、「下部」、「在…之上」、「上部」等空間相關的術語在本文中可以用於描述一個元件或特徵與另一個或多個元件或特徵之間的關係，如在附圖中示出的。

在下文的描述中，「基底」、「基板」以及「晶圓」等詞是可以互換的，其可包含內部中或表面上有電路形成的任何半導體結構。這些結構可包含矽、覆矽絕緣基板(SOI)、覆矽藍寶石基板(SOS)、摻雜或未摻雜的半導體、被半導體基材所支撐的矽質磊晶層、或是其他半導體結構等。半導體不一定要矽質的，其也可為矽鍺、鍺、或是砷化鎵。當下文中提到基板時，其半導體基材中或上 方可能已經有進行過製程步驟而形成層、區域或接面等結構。

如本文中使用的，術語「層」是指包括具有厚度區域的材料部分。層可以在下方或上方結構的整體之上延伸，或者可以具有小於下方或上方結構範圍的範圍。此外，層可以是厚度小於連續結構的厚度的均質或非均質連續結構的區域。例如，層可以位於在連續結構的頂表面和底表面之間或在頂表面和底表面處的任何水平面對之間。層可以水準、豎直和/或沿傾斜表面延伸。基板可以是層，其中可以包括一個或多個層，和/或可以在其上、其上方和/或其下方具有一個或多個層。

首先請參照第1圖，其為根據本發明較佳實施例中將一藍寶石基板與一矽基板貼合的截面示意圖。在第1圖的步驟中，首先提供一支撐基板100作為整體結構的支撐基礎並提供較佳的散熱性質。在此實施例中，支撐基板100可為一矽基板或矽晶圓，例如具有<100>或<111>晶格方向的結晶矽。在其他實施例中，支撐基板100也可為碳化矽或是矽鍺等其他散熱性佳的基板。另一方面，提供一藍寶石(sapphire)基板或晶圓102，來做為後續磊晶成長的基礎層與抗應力層。藍寶石基板的強度高(楊氏係數大於350Gpa)，且與矽質的支撐基板100的晶格不匹配度較低(小於13%，使用矽質基板或晶圓的晶格不匹配度為16%)，故可做為一優良的抗應力層。藍寶石基板可具有任何晶面，例如晶格方向為<100>的晶面，來供磊晶成長。

在第1圖的步驟中，支撐基板100會與藍寶石基板102進行貼合。在進行貼合步驟之前，先對支撐基板100與藍寶石基板102進行SC1與SC2濕式化學清洗製程，其可包含使用氨水與雙氧水的溶液以及鹽酸與雙氧水的溶液對基板的表面進行清洗，去除表面的微粒子與金屬雜質。在清洗步驟後，將支撐基板100與藍寶石基板102對準並於真空環境下進行緊密鍵合。鍵合後的基板之後會在含氧的環境下進行高溫熱處理，例如在950℃~1250℃的高溫含氧環境下持續2~5個 小時的熱退火處理。如此，使得矽質的支撐基板100與藍寶石基板102之間產生鍵合，其鍵合能量大於0.2mJ/cm²，形成緊密鍵合的複合基板或複合晶圓。

在其他實施例中，如第2圖所示，支撐基板100在與藍寶石基板102鍵合之前可先進行一高溫氧化處理，致使在支撐基板100的表面形成一氧化矽層104，其厚度介於1~3μm，膜厚均勻度小於3%。此氧化矽層104的存在將有助於提升後續支撐基板100與藍寶石基板102之間的鍵合力，亦可透過控制此氧化矽層104的厚度來調整後續鍵合完成的複合基板的整體翹曲度。此實施例同樣是將所形成的氧化矽層104與藍寶石基板102鍵合後進行上述的高溫熱處理，完成支撐基板100與藍寶石基板102之間的鍵合。

此外，在其他實施例中，如第3圖所示，亦可在支撐基板100與藍寶石基板鍵合成複合晶圓之後對支撐基板100的背面進行高溫氧化處理，如此形成另一氧化矽層105來做為複合基板的應力補償層。同樣可以透過控制此背面的氧化矽層105的厚度來調整複合基板的翹曲度。

如前文所述，由於氮化鎵磊晶層與矽基板有很大的晶格失配與熱膨脹係數失配，故其成長期間會產生很大的拉應力，造成晶圓翹曲。透過在氮化鎵磊晶層與矽基板設置一中介的藍寶石層/基板，由於該藍寶石層與氮化鎵磊晶層之間具有較低的晶格失配與熱膨脹係數失配，故可以達到一緩衝層的作用，降低磊晶所產生的應力。再者，由於藍寶石層具有較高的強度與抗應變特性，其可抑制剩餘的應力對基板造成翹曲的影響。

接下來請參照第4圖，其為根據本發明另一實施例中將兩矽基板上的抗應力層對接形成一共同的抗應力層的截面示意圖。在本發明實施例中，可以將兩組複合基板對接方式來形成抗應力層與磊晶基礎層。如第4圖所示，提供兩組如第3圖所示支撐基板與藍寶石基板鍵合後的複合基板，其分別包含第一基板100a與第一藍寶石基板(或晶圓)102a以及第二基板100b與第二藍寶石基板(或 晶圓)102b，其中第一藍寶石基板102a與第二藍寶石基板102b在鍵合過後皆已進行過平坦化製程，如一化學機械平坦化(CMP)製程，使厚度減薄至2~10μm。而在此實施例中，第一基板100a與第二基板100b較佳為具有<111>晶格方向的矽基板或晶圓。

接著，與第1圖之步驟相同，在進行貼合步驟之前，先對兩組複合基板進行SC1與SC2濕式化學清洗製程，去除表面的微粒子與金屬雜質。在清洗步驟後，將第一藍寶石基板102a與第二藍寶石基板102b對準並於真空環境下進行緊密貼合。貼合後的基板之後會在含氧的環境下進行高溫熱處理，例如在950℃~1250℃的高溫含氧環境下持續2~5個小時的熱退火處理。如此，使得兩個藍寶石基板之間產生化學鍵結，其鍵合能量大於0.2mJ/cm²，形成緊密鍵合的複合基板或複合晶圓。在此實施例中，鍵合後的第一藍寶石基板102a與第二藍寶石基板102b會共同作為一抗應力層，而其中一基板(如第一基板100a)作為支撐基板。另一基板(如第二基板100b)則會以平坦化製程減薄，使其厚度介於2~300μm。同時，第二基板100b的表面為<111>晶格方向，可作為磊晶基礎層來供GaN-HEMT的磊晶成長。

此實施例的優點在於可以使用含有矽基板/藍寶石基板的複合基板並透過很簡單的鍵合製程來製作出支撐基板/抗應力層/磊晶基礎層的三層結構，如第5圖所示，最下層的第一基板100a作為支撐基板，位於中間鍵合後的第一藍寶石基板102a與第二藍寶石基板102b共同作為抗應力層，最上方薄化後的第二基板100b作為磊晶基礎層。

復參照第5圖，在兩複合基板接合後，接下來在薄化後的第二基板100b上形成規律排列且均勻分佈的微圖案106，圖形的高度可為0.2~5μm。如圖中所示，微圖案106的截面均勻地分布在第二藍寶石基板102b上，且形成微圖案106後的第二基板100b並不會露出下方的第二藍寶石基板102b。在此實施例中， 三角形截面的微圖案106可以透過等向性蝕刻製程蝕刻具有<111>晶格方向的第二基板100b來直接形成。

在本發明實施例中，在磊晶基礎面上形成微圖案106，如三角形截面的微圖案，因為這些微圖案具有<111>晶格方向的斜面的緣故，其可達成吾人所欲的側向磊晶成長(epitaxial lateral overgrowth,ELOG)功效。這樣的磊晶方式可以在磊晶過程中將所產生的缺陷彎曲，避免缺陷擴散增加。同時，三角形截面的微圖案106也可以在磊晶界面處吸收磊晶成長時的應力，有助於產生低缺陷密度、高磊晶品質的氮化鎵磊晶層。

在其他實施例中，微圖案106也可以透過光刻製程的方式來形成有別於前述所示的三角形截面圖案，如第6圖所示，其步驟可包含在第二基板100b的表面形成一圖案化光阻(未圖示)，該光阻已透過曝光顯影等步驟定義有微圖案106。再以該光阻為遮罩進行異向性乾式蝕刻，將光阻上的微圖案106轉移到第二基板100b，之後再將該光阻去除。在其他實施例中，亦可採用網版印刷或是雷射雕刻等方式來在藍寶石基板102的表面形成微圖案106。

復參照第6圖，在此實施例中，於前述實施例不同的是，由於採用光阻以及異向性蝕刻製程的緣故，微圖案106具有矩形的截面，也就是其具有筆直的側壁，並不像前述實施例中的三角形截面般。再者，微圖案106會裸露出下方的第二藍寶石基板102b，且可在第二基板100b圖案化後進行一氧化製程在其表面形成一層共形的氧化矽層108。在此實施例中，磊晶是從具有<100>晶格方向的第二藍寶石基板102b表面開始成長的，且由於矽質的第二基板100b表面形成有氧化矽層108的緣故，磊晶層不會從第二基板100b表面成長。

現在請參照第7圖。在此實施例中，於前述實施例不同的是，所形成的微圖案106在截面視角下呈現由下往上漸縮的梯形。在製程方面，其同樣可以透過光刻製程，先在第二基板100b的表面形成一圖案化光阻(未圖示)，該光阻 已透過曝光顯影等步驟定義有微圖案106。再以該光阻為遮罩進行等向性乾蝕刻製程或濕蝕刻製程，將光阻上的微圖案106轉移到第二基板100b，之後再將該光阻去除。由於採用等向性乾蝕刻製程的緣故，所形成的微圖案106會具有晶格方向上的斜面。與前述實施例相同，可在第二基板100b圖案化後進行一氧化製程在表面形成共形的氧化矽層108。在此實施例中，由於微圖案106有斜面的存在，其可達成吾人所欲的側向磊晶成長功效，可在磊晶過程中將所產生的缺陷彎曲，避免缺陷擴散增加。同時，由於在此實施例中，微圖案106的底部有底切特徵106a的存在，後續磊晶成長時該些底切特徵106a的位置容易形成孔洞，其有助於降低磊晶成長時的應力，以產生低缺陷密度、高磊晶品質的氮化鎵磊晶層。

除了上述實施例外，在其他實施例中，微圖案106也可以透過硬遮罩的方式來形成。例如，如第8圖所示，首先，對矽質的第二基板100b進行氧化反應或氮化反應，形成高溫之氧化矽或氮化矽遮蔽層110。之後，在遮蔽層110的表面形成圖案化光阻(未圖示)，該光阻已透過曝光顯影等步驟定義有微圖案106。之後以該光阻為遮罩進行乾蝕刻或溼蝕刻製程，將光阻上的微圖案106轉移到遮蔽層110，並透過轉移的微圖案106裸露出遮蔽層110下方的矽質第二基板100b，在露出第二基板100b即停止蝕刻動作，之後將該光阻去除。接著，再以遮蔽層110為蝕刻遮罩進行等向性的乾蝕刻或溼蝕刻製程，將微圖案106轉移第二基板100b中。須注意在此實施例中，所形成的微圖案106並未完全延伸穿過第二基板100b，也就是其並未裸露出下方的第二藍寶石基板102b。此外，此實施例中的微圖案106截面是呈倒梯形態樣的。再者，可以在微圖案106形成後於微圖案106的底面再形成另一遮蔽層112，其同樣可以透過氧化反應或氮化反應的方式來形成。形成該遮蔽層112的步驟可包含：再次對矽質的第二基板100b進行氧化反應或氮化反應，以在其表面(包含微圖案106的斜面與底面)形成氧化矽或氮化矽材質的遮蔽層112。接著，進行一光刻製程移除位於微圖案106斜面上的遮蔽層112，例如 使用光阻遮蓋遮蔽層110與微圖案106底面上的遮蔽層112後進行蝕刻製程，如此僅留下位於微圖案106底面上的遮蔽層112。

此實施例的優點在於，倒梯形微圖案106的斜面為裸露出的<111>晶格方向的矽基板，而其頂部與底部的<100>晶格方向的平面分別被遮蔽層110與112所屏蔽，其後續在進行磊晶成長時，磊晶只會從裸露出的矽質<111>斜面生長，其可達成吾人所欲的側向磊晶成長功效，而磊晶成長時頂部與底部的平面有遮蔽層110與112屏蔽可以蓋住原本矽質第二基板100b的<100>晶格方向的表面，阻止磊晶從該晶格方向產生磊晶堆積。這樣的磊晶方式可以在磊晶過程中將所產生的缺陷彎曲，避免缺陷擴散增加。同時，倒梯形截面型態的微圖案106可以在磊晶界面處吸收磊晶成長時的應力，有助於產生低缺陷密度、高磊晶品質的氮化鎵磊晶層。

請參照第9圖，其為根據本發明較佳實施例中在矽質第二基板100b表面所形成規律排列的微圖案106範例的頂示意圖。在本發明實施例中，微圖案106在頂視角度下可為線形或是多邊形，其均勻規律地分佈在第二基板100b表面上，圖形的寬度可為0.5~5μm，圖形之間的間距可為0.5~10μm。

現在請參照第10圖。在第二基板100b的表面形成微圖案106後，接下來則進行磊晶製程在第二基板100b具有微圖案106的表面上形成磊晶層114。更具體言之，以第6圖的實施例為例，可以透過有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD)在第二基板100b的表面生長出氮化鎵(GaN)磊晶層114，所形成的磊晶層114可包含極性、半極性或是非極性的氮化鎵磊晶層。在實作中，可在本發明所提供的複合基板上進行氮化鎵元件之製作，其結構順序可能依序包含成核層、緩衝層、高反射層、通道層以及/或阻障層等層結構。由於本發明重點並非是氮化鎵元件之製作，實施例中僅以一磊晶層114來表示。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等 變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100a:第一基板

100b:第二基板

102a:第一藍寶石基板

102b:第二藍寶石基板

106:微圖案

108:氧化矽層

114:磊晶層

Claims (17)

1. 一種供磊晶成長的複合基板，包括：一基板，係為矽基板、碳化矽基板或是矽鍺基板；至少一抗應力層，與該基板直接緊密接合；一結晶矽層，與該抗應力層直接緊密接合，其上並形成有微圖案；以及一磊晶層，形成於該結晶矽層的具有微圖案的一面上。
2. 如申請專利範圍第1項所述之供磊晶成長的複合基板，其中該基板與該抗應力層之間形成有一氧化矽層。
3. 如申請專利範圍第1項所述之供磊晶成長的複合基板，其中該抗應力層為一藍寶石基板。
4. 如申請專利範圍第1項所述之供磊晶成長的複合基板，其中該抗應力層包含：一第一藍寶石基板，與該基板直接緊密接合；以及一第二藍寶石基板，其兩面分別與該第一藍寶石基板以及該結晶矽層直接緊密接合。
5. 如申請專利範圍第1項所述之供磊晶成長的複合基板，其中該結晶矽層之微圖案在頂視視角下為線形或多邊形，在截面視角下為向下漸縮的倒梯形、向上漸縮的梯形、或是倒三角形。
6. 如申請專利範圍第1項所述之供磊晶成長的複合基板，其中上述抗 應力層從上述微圖案裸露出來。
7. 如申請專利範圍第6項所述之供磊晶成長的複合基板，更包含一氧化矽層形成在該結晶矽層上，且未形成在該抗應力層上。
8. 如申請專利範圍第1項所述之供磊晶成長的複合基板，更包含一氧化矽材質的應力補償層形成在該基板的背面。
9. 如申請專利範圍第1項所述之供磊晶成長的複合基板，其中該磊晶層為氮化鎵層。
10. 一種供磊晶成長的複合基板的製作方法，包含：提供一第一基板與一第二基板；將一第一抗應力層鍵合在該第一基板上，將一第二抗應力層鍵合在該第二基板上；將鍵合後的該第一基板與該第一抗應力層以及鍵合後的該第二基板與該第二抗應力層在含氧環境下進行高溫熱處理，使得該第一基板與該第一抗應力層鍵合，且該第二基板與該第二抗應力層鍵合；將該第二抗應力層與該第一抗應力層在含氧環境下進行高溫熱處理而鍵合，如此該第一抗應力層與該第二抗應力層共同作為抗應力層；以及進行一光刻製程在該第二基板的表面形成具有規律排列的微圖案。
11. 如申請專利範圍第10項所述之供磊晶成長的複合基板的製作方法，更包含在該第二基板具有上述微圖案的一面上進行磊晶製程以形成一磊晶 層。
12. 如申請專利範圍第11項所述之供磊晶成長的複合基板的製作方法，其中該磊晶製程為側向磊晶成長製程。
13. 如申請專利範圍第10項所述之供磊晶成長的複合基板的製作方法，更包含在將該第一抗應力層與該第一基板鍵合之前先對該第一基板進行高溫氧化處理，以在該第一基板的表面形成一氧化矽層，並與該第一抗應力層鍵合。
14. 如申請專利範圍第10項所述之供磊晶成長的複合基板的製作方法，更包含在該第一抗應力層與該第二抗應力層鍵合之前對該第一抗應力層與該第二抗應力層進行平坦化處理，使該第一抗應力層與該第二抗應力層具有特定的厚度。
15. 如申請專利範圍第10項所述之供磊晶成長的複合基板的製作方法，更包含在該第二基板的表面形成上述微圖案之前先在該第二基板的表面形成一遮蔽層，該光刻製程先在該遮蔽層的表面形成上述微圖案，之後再以該遮蔽層為蝕刻遮罩進行蝕刻製程蝕刻從上述微圖案裸露出的該第二基板，使得上述微圖案延伸至該第二基板中。
16. 如申請專利範圍第15項所述之供磊晶成長的複合基板的製作方法，更包含以氧化反應或氮化反應形成上述之遮蔽層。
17. 如申請專利範圍第10項所述之供磊晶成長的複合基板的製作方法，更包含在形成上述微圖案之前對該第二基板進行平坦化處理，使該第二基板具有特定的厚度。

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