專(zhuān)利名稱(chēng)：一種硅基圖形襯底上生長(zhǎng)外延層的方法
一種硅基圖形襯底上生長(zhǎng)外延層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料的生長(zhǎng)方法，尤其涉及一種硅基圖形襯底上生長(zhǎng)外 延層的方法。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體材料的異質(zhì)外延生長(zhǎng)領(lǐng)域，硅襯底作為一種價(jià)格低廉，生產(chǎn)工藝 成熟，最易獲得的襯底材料，越來(lái)越受到人們的重視。在采用硅襯底進(jìn)行異質(zhì) 外延的技術(shù)中，如何解決異質(zhì)外延中的應(yīng)力釋放以及襯底硅原子的擴(kuò)散問(wèn)題等 諸多問(wèn)題一直困擾著人們。
下面以GaN對(duì)硅襯底異質(zhì)外延中遇到的問(wèn)題加以分析。
GaN材料作為新型的寬禁帶半導(dǎo)體材料，近年來(lái)一直是國(guó)際上化合物半導(dǎo) 體研究方面的熱點(diǎn)。由于GaN屬于直接帶隙材料，可與InN， A1N形成組分連 續(xù)可變的三元或四元固溶體合金體(AlGaN、 InGaN、 AlInGaN)，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng) 覆蓋了紅光到近紫外光的范圍；而且具有化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好等優(yōu)越的特 性，因此在光電子領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用前景。其次，GaN材料與Si、 GaAs等 其他材料相比，在高電場(chǎng)強(qiáng)度下，具有更大的電子遷移速度，這樣也就使之在 微電子器件方面也具有了很高的研究?jī)r(jià)值。
通過(guò)各國(guó)科學(xué)家多年的努力，GaN基材料及其器件已經(jīng)得到了長(zhǎng)足的發(fā) 展。從1971年P(guān)ankove報(bào)道第一個(gè)GaN發(fā)光二極管到Nakamura又研制出了 GaN基的藍(lán)光激光器僅僅只是二十幾年的時(shí)間。近年來(lái)，有關(guān)于GaN基的材 料和器件的研究和發(fā)展更是大大的加速了 。這些喜人的成績(jī)給廣大研究者很大 的鼓勵(lì)，但是，對(duì)于GaN材料，存在著一個(gè)很大的問(wèn)題GaN沒(méi)有同質(zhì)襯底， 現(xiàn)在所有成熟的器件都是以藍(lán)寶石異質(zhì)襯底為基礎(chǔ)的。然而，對(duì)于外延襯底來(lái) 說(shuō)，有很多種，除了藍(lán)寶石襯底外，還有諸如SiC襯底和Si襯底等等。
Si襯底上生長(zhǎng)GaN材料，與通常采用藍(lán)寶石襯底或者SiC襯底生長(zhǎng)GaN
材料有很大不同，雖然如上所述有很多優(yōu)點(diǎn)，但是其難度要比藍(lán)寶石上外延
GaN要大得多，具體的說(shuō)主要有以下的問(wèn)題存在。
首先，Si襯底上外延GaN具有很大的晶格失配為17%。其次，Si襯底和 GaN之間較大的熱膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致較大的熱失配。Si的熱膨脹系數(shù)為3.59 X10'6K'1，而GaN的熱膨脹系數(shù)為5.59X10《K'1， 二者相差很大，為56%，在 高溫生長(zhǎng)以后降溫的過(guò)程中由于Si襯底和外延層的熱膨脹系數(shù)不同就會(huì)產(chǎn)生 很大的張應(yīng)力，這也是導(dǎo)致GaN外延層微裂的主要原因。由于晶格失配應(yīng)力 和熱失配應(yīng)力均為張應(yīng)力，因此在生長(zhǎng)過(guò)程和降溫過(guò)程都有可能產(chǎn)生裂紋。
另一個(gè)問(wèn)題就是極性問(wèn)題，由于Si原子間形成的健是純共價(jià)鍵屬非極性 半導(dǎo)體，而GaN、 A1N或其它化合物半導(dǎo)體原子間是極性鍵，屬極性半導(dǎo)體。 對(duì)于極性/非極性異質(zhì)結(jié)界面有許多物理性質(zhì)不同于傳統(tǒng)異質(zhì)結(jié)器件，界面原 子、電子結(jié)構(gòu)、晶格失配、界面電荷和偶極距、帶階、輸運(yùn)特性等都會(huì)有很大 的不同，這也是研究Si襯底上GaN材料和器件所必須認(rèn)識(shí)到問(wèn)題。
最后，Si襯底上Si原子的擴(kuò)散也是一個(gè)重要問(wèn)題，在高溫生長(zhǎng)過(guò)程中Si 原子的擴(kuò)散加劇，在外延層中就會(huì)含有一定量的Si原子，這些Si原子可以與 生長(zhǎng)氣氛中的氨氣形成SiN非晶薄膜，降低外延層的晶體質(zhì)量，另外Ga原子 也可以擴(kuò)散到Si襯底表面，并與襯底發(fā)生回熔刻蝕現(xiàn)象，這樣也可以使得外 延層的晶體質(zhì)量降低。
因此，如何降低應(yīng)力、防止微裂，如何隔離襯底與外延層之間的擴(kuò)散是主 要Si襯底上生長(zhǎng)GaN外延層所要解決的最主要的問(wèn)題。
現(xiàn)有報(bào)道的主要有如下的幾種解決手段
1. 梯度組分AlGaN緩沖層方法
梯度組分AlGaN緩沖層的原理就是在GaN和A1N緩沖層之間插入梯度組 AlGaN，使得A1N緩沖層與GaN外延層之間存在漸進(jìn)的過(guò)渡，逐漸改變Al和 Ga的組分。這樣的方法可以明顯的降低外延層中的位錯(cuò)，也可以明顯的降低 裂紋的密度。
2. 漸變組分AlGaN緩沖層方法
與上一種方法類(lèi)似的是，H.Marchand等人采用AIN—GaN梯度緩沖層的 方法，得到了比較好的效果。與以上一種方法不同的是，所用的緩沖層不是 A1N緩沖層，而是從緩沖層開(kāi)始就逐漸增加Ga的含量。通過(guò)TEM可以觀察到， 在接近襯底處，位錯(cuò)很多，但是經(jīng)過(guò)組分的漸變，位錯(cuò)明顯減少；另外，這樣 可以利用AlN與GaN晶格常數(shù)的差別形成壓應(yīng)力。在實(shí)驗(yàn)中，他們發(fā)現(xiàn)最終 GaN層中呈現(xiàn)的是壓應(yīng)力而不是張應(yīng)力。
3. 超晶格緩沖層方法
超晶格緩沖層的方法就是直接在Si襯底上生長(zhǎng)超晶格緩沖層，然后外延 GaN，這樣超晶格層既可以緩解襯底與外延層之間的應(yīng)力，又可以降低外延層 位錯(cuò)密度，還可以阻止來(lái)自襯底的Si擴(kuò)散。但是這樣方法有存在的問(wèn)題是， 直接在Si襯底上生長(zhǎng)超晶格層比較困難，這樣超晶格緩沖層的作用也就弱化 了。
4. 超晶格插入層方法
與上述的方法類(lèi)似，Eric Feltin等人在GaN外延層與A1N緩沖層之間采用 10個(gè)周期的AlN/GaN超晶格做插入層，A1N層和GaN層厚度分別為3nm和 4nm，生長(zhǎng)出了較厚且沒(méi)有裂紋的GaN晶體(0.9—2.5Mm)。采用超晶格結(jié)構(gòu) 可以產(chǎn)生額外的壓應(yīng)力，此外超晶格能夠很好的過(guò)濾位錯(cuò)，特別是穿透位錯(cuò)， 從而可以明顯提高外延層的晶體質(zhì)量。
隨著超晶格插入層層數(shù)的增加，張應(yīng)變減少。TEM顯示位錯(cuò)密度隨厚度 變化從101Q cm'2到2.5 X 109cm'2, PL譜I2峰半寬度為6meV( 10K) ， X光Rocking 半寬度為500arcsec。
與上述方法相比較，這樣做有明顯的有點(diǎn)，首先AIN緩沖層的生長(zhǎng)要比直 接生長(zhǎng)超晶格緩沖層要容易，其次采用超晶格插入層也很好的保證了超晶格層 的晶格質(zhì)量，更有利于隔離穿透位錯(cuò)。但是，總體說(shuō)來(lái)，超晶格插入層的生長(zhǎng) 要求比較高。
5. 選擇區(qū)域外延(SAG)方法
SAG方法的基本原理就是利用GaN晶核在介質(zhì)掩蔽膜和襯底上的生長(zhǎng)選 擇性，把GaN外延層限制生長(zhǎng)在沒(méi)有隱蔽膜的區(qū)域，形成分立的外延層，由此釋放外延層的張應(yīng)力。Y.Honda等人最早采用了選擇區(qū)域外延方法。他們首 先采用Si02薄膜在襯底上形成正方形的"圍堰"，然后生長(zhǎng)A1N緩沖層，GaN 外延層，利用該方法可實(shí)現(xiàn)XRD雙晶測(cè)量(0004) Rocking curve半寬度為388 arcsec。但是，這種方法有一個(gè)缺點(diǎn)，就是"圍堰"的尺寸有一個(gè)臨界值， 一般"圍 堰"邊長(zhǎng)超過(guò)0.5mm就會(huì)使得GaN外延層上形成裂紋。
6. 低溫A1N插入層方法
A. Krost等人采用了在高溫GaN外延層插入低溫AlN插入層方法，這種 方法可以有效的控制GaN外延層的應(yīng)力，并且降低位錯(cuò)密度，張應(yīng)力和位錯(cuò) 密度都隨著插入層數(shù)量的增加而減少。A1N插入層的方法和超晶格插入層方法 也有類(lèi)似之處，就是采用插入的方法使得外延層的中應(yīng)力得到緩解，但是這樣 生長(zhǎng)方法比超晶格插入層方法更容易，所以可操作性也更強(qiáng)。A.Krost等人采 用這種方法成功的生長(zhǎng)出了 7微米無(wú)裂紋的GaN外延層，這也是現(xiàn)在最好的 結(jié)果。
7. 圖形襯底方法
在Si襯底上刻蝕一定深度的圖形，在圖形之間的Si襯底上生長(zhǎng)GaN，通 過(guò)橫向外延使之聚合，形成外延層下面中空結(jié)構(gòu)，釋放張應(yīng)力。這種方法在藍(lán) 寶石襯底上就有過(guò)應(yīng)用，但是與藍(lán)寶石襯底不同的是，在Si襯底上生長(zhǎng)GaN， 橫向生長(zhǎng)非常緩慢，所以要達(dá)到橫向的聚合也是很困難的。所以技術(shù)要求也很 高。
8. SOI襯底技術(shù)
如果襯底的厚度小于傳統(tǒng)的臨界厚度，那么外延層有效的臨界厚度將變得 無(wú)限大；如果襯底比外延層薄，則鏡像力把位錯(cuò)限制在襯底里。因此，SOI襯 底不但解決大失配外延系統(tǒng)高位錯(cuò)密度的問(wèn)題，同時(shí)可以釋放熱失配所產(chǎn)生的
應(yīng)力，是生長(zhǎng)GaN比較好的方法，但缺點(diǎn)是成本較高。
9. 通過(guò)離子注入的Si襯底預(yù)應(yīng)力技術(shù)
這種方法的基本原理就是采用改變Si襯底來(lái)適應(yīng)GaN外延層晶格常數(shù)， 而不是改變外延薄膜的條件來(lái)適應(yīng)襯底的特性。這種方法是采用N+注入Si (111)襯底，然后按常規(guī)的方式用MOCVD生長(zhǎng)GaN，實(shí)驗(yàn)中注入計(jì)量從2X1014，至U2X10"; N+能量從60keV到100keV，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，外延層GaN 的張應(yīng)力由于Si襯底中應(yīng)力的增加而減少。但是這種方法應(yīng)用范圍不大，因 為之所以采用Si襯底生長(zhǎng)GaN材料，就是為了利用Si材料能夠很好的與傳統(tǒng) 器件集成，并且成本可以降低。
現(xiàn)有技術(shù)的上述諸方法中，各自重點(diǎn)均在于解決硅襯底上生長(zhǎng)外延層所遇 到的某一方面或者某幾個(gè)方面的問(wèn)題，而不能通盤(pán)考慮所遇到的各個(gè)問(wèn)題，因 此具有一定的局限性，有的方法甚至在有效的解決了某一個(gè)方面問(wèn)題的同時(shí)， 又引起了新的問(wèn)題。
以上是硅襯底外延GaN材料時(shí)所遇到的問(wèn)題。實(shí)際上，在硅襯底外延A1N、 InGaN、 AlGaN等其他三族氮化物襯底，以及外延SiGe、 SiC或者ZnO等II-VI 族化合物中也遇到與上述情況類(lèi)似的問(wèn)題，現(xiàn)有技術(shù)通?？梢云娴亟鉀Q一兩 個(gè)問(wèn)題，但無(wú)法通盤(pán)考慮所遇到的多個(gè)問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種硅基圖形襯底上生長(zhǎng)外延層的方 法，可以同時(shí)解決龜裂以及襯底的硅向外延層中擴(kuò)散的問(wèn)題，同時(shí)還可以提高 外延層的晶體質(zhì)量，并且此方法還要適合大批量生產(chǎn)。
為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種硅基圖形襯底上生長(zhǎng)外延層的方 法，包括如下步驟提供硅襯底；在硅襯底表面生長(zhǎng)第一外延層；在第一外延 層遠(yuǎn)離硅襯底的表面生長(zhǎng)第一介質(zhì)層；將第一介質(zhì)層的一部分腐蝕除去，至露 出第一外延層后停止；以保留的第一介質(zhì)層為掩模，采用選擇性腐蝕的方法刻 蝕第一外延層，至露出硅襯底后停止；腐蝕露出的硅襯底，在硅襯底上形成凹 陷結(jié)構(gòu)；在硅襯底的凹陷結(jié)構(gòu)的底部和側(cè)面制備第二介質(zhì)層；腐蝕第一介質(zhì)層， 至露出第一外延層；以露出的圖形化的第一外延層為籽晶，采用外延方法生長(zhǎng) 連續(xù)的第二外延層。
作為可選的技術(shù)方案，所述第一外延層和第二外延層的材料為三族氮化 物，所述第一外延層進(jìn)一步包括緩沖層和籽晶層，所述緩沖層位于硅襯底和籽 晶層之間。
作為可選的技術(shù)方案，所述第一介質(zhì)層以及第二介質(zhì)層的材料選自于氧化
物、氮化物以及氮氧化物中的一種或多種，所述第一介質(zhì)層的厚度大于10nm， 所述第二介質(zhì)層的厚大于lnm。
作為可選的技術(shù)方案，采用側(cè)向腐蝕工藝腐蝕露出的硅襯底，以使硅襯底 表面的圖形化的第一外延層的圖形邊緣部分懸空。
作為可選的技術(shù)方案，所述將第一介質(zhì)層的一部分刻蝕除去之后，保留的 第一介質(zhì)層為置于第一外延層表面的若干孤立凸塊。
作為可選的技術(shù)方案，所述凸塊的橫截面的形狀為菱形，所述菱形的邊長(zhǎng) 小于100nm，菱形之間的距離小于100pm。
作為可選的技術(shù)方案，所述凸塊的橫截面的形狀為條形，所述條形的寬度 小于100^im，條形之間的距離小于100^m。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于
1、 可以解決硅襯底上生長(zhǎng)外延層容易龜裂的問(wèn)題；
2、 可以降低外延層中的位錯(cuò)密度和缺陷密度，提高外延層的晶體質(zhì)量；
3、 可以解決傳統(tǒng)圖形硅襯底上生長(zhǎng)外延層時(shí)因?yàn)橐r底上凹槽中的硅容易 向外擴(kuò)散，從而導(dǎo)致外延材料橫向生長(zhǎng)的速率很慢，難以合并形成連續(xù)的膜的 問(wèn)題；
4、 工藝可重復(fù)性好，與平面工藝兼容，適合大批量生產(chǎn)。

附圖1為本發(fā)明所述硅基圖形襯底上生長(zhǎng)外延層的方法的具體實(shí)施方式
的 實(shí)施步驟流程附圖2至附圖14所示為本發(fā)明所述硅基圖形襯底上生長(zhǎng)外延層的方法的具體實(shí)施方式
的工藝步驟示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明提供的硅基圖形襯底上生長(zhǎng)外延層的方法的具 體實(shí)施方式。
附圖1為本具體實(shí)施方式
的實(shí)施步驟流程圖，包括如下步驟步驟S100,
提供硅襯底；步驟S110，在硅襯底表面生長(zhǎng)第一外延層；步驟S120，在第一 外延層遠(yuǎn)離硅襯底的表面生長(zhǎng)第一介質(zhì)層；步驟S130，將第一介質(zhì)層的一部 分腐蝕除去，至露出第一外延層后停止；步驟S140,以保留的第一介質(zhì)層為 掩模，采用選擇性腐蝕的方法刻蝕第一外延層，至露出硅襯底后停止；步驟 S150，腐蝕露出的硅襯底，在硅襯底上形成凹陷結(jié)構(gòu)；步驟S160，在硅襯底 的凹陷結(jié)構(gòu)的底部和側(cè)面制備第二介質(zhì)層；步驟S170，腐蝕第一介質(zhì)層，至 露出第一外延層；步驟S180，以露出的圖形化的第一外延層為籽晶，采用外 延方法生長(zhǎng)連續(xù)的第二外延層。
附圖2至附圖14所示為本具體實(shí)施方式
的工藝步驟示意圖。
附圖2所示，參考步驟SIOO,提供硅襯底IOO。所述硅襯底可以是普通的 單晶硅襯底，例如P型單晶硅、N型單晶硅或者本征單晶硅，也可以是應(yīng)變硅、 絕緣體上的硅(SOI)等其他經(jīng)過(guò)工藝處理的硅襯底。
附圖3所示，參考步驟SllO，在硅襯底100表面生長(zhǎng)第一外延層110。
于本具體實(shí)施方式
中，所述第一外延層110的材料是三族氮化物，例如 GaN、 A1N、 InGaN或者AlGaN等。所述第一外延層110也可以是其他半導(dǎo)體 材料，如三族砷化物、II-VI族化合物半導(dǎo)體、鍺硅或者碳化硅等。
所述第一外延層110進(jìn)一步包括緩沖層111和籽晶層112，所述緩沖層位 于硅襯底100和籽晶層112之間。此方案為可選技術(shù)方案，所述第一外延層110 也可以是單獨(dú)的一層外延層，在后續(xù)工藝中，此單獨(dú)的一層外延層的作用相當(dāng) 于所述籽晶層112。所述緩沖層111采用物理學(xué)與晶體學(xué)性質(zhì)介于硅襯底100 和籽晶層112之間的材料，例如對(duì)于籽晶層112為GaN而言，所述緩沖層lll 可以采用A1N、 InGaN或者AlGaN中的一種。采用緩沖層111的目的在于可 以提高籽晶層的晶體質(zhì)量。
附圖4所示，參考步驟S120，在第一外延層110遠(yuǎn)離硅襯底100的表面 生長(zhǎng)第一介質(zhì)層120。
第一介質(zhì)層120的作用在于作為后續(xù)腐蝕第一外延層110的工藝中作為腐
蝕的阻擋層。
作為可選的技術(shù)方案，所述第一介質(zhì)層120的材料選自于氧化硅、氮化硅 以及氮氧化硅中的一種或多種。上述材料制備工藝成熟，制備成本較低，并且 化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在后續(xù)工藝中不會(huì)引起額外的污染，因此是優(yōu)選的技術(shù)方案。 所述第一介質(zhì)層120的材料自于氧化物、氮化物以及氮氧化物中的多種，上述 情況是指第一介質(zhì)層120是由氧化硅、氮化硅以及單氧化硅等構(gòu)成的多層復(fù)合 結(jié)構(gòu)。所述第一介質(zhì)層120的厚度范圍以大于10nm為佳，此厚度可以保證第 一介質(zhì)層120的發(fā)揮其腐蝕阻擋的作用。
附圖5所示，參考步驟S130，將第一介質(zhì)層120的一部分腐蝕除去，至 露出第一外延層IIO后停止。
將第一介質(zhì)層120的一部分腐蝕除去采用半導(dǎo)體工藝中常見(jiàn)的光刻工藝， 此處不再贅述。所述將第一介質(zhì)層120的一部分刻蝕除去之后，保留的第一介 質(zhì)層為置于第一外延層110表面的若干孤立凸塊121、 122、 123和124。凸塊 的橫截面的形狀選自于矩形和菱形中的一種。
附圖5采用的是本領(lǐng)域內(nèi)描述工藝流程的常用表達(dá)方式，是步驟S130實(shí) 施完畢后得到的晶圓結(jié)構(gòu)的剖面圖。附圖6所示為附圖5沿AA方向的橫截面 示意圖，凸塊的橫截面形狀為菱形。為了在后續(xù)生長(zhǎng)第二外延層的工藝中，保 證菱形凸塊上生長(zhǎng)的籽晶層的內(nèi)部應(yīng)力控制在工藝允許的范圍內(nèi)，所述菱形的 邊長(zhǎng)小于100pm為佳。為了保證后續(xù)生長(zhǎng)第二外延層的工藝中，生長(zhǎng)于被凸 塊所限定的位置的外延籽晶之間可以通過(guò)側(cè)向外延合并起來(lái)，所述菱形之間的 距離小于lOO^m為佳。
類(lèi)似地，附圖7是凸塊的橫截面形狀為條形的情況下，沿AA方向的橫截 面示意圖。所述條形的寬度小于lOOMm，條形之間的距離小于10(Him為佳。
所述凸塊將用做腐蝕第一外延層的阻擋圖形。
附圖8所示，參考步驟S140，以保留的第一介質(zhì)層為掩模，采用選擇性 腐蝕的方法刻蝕第一外延層110,至露出硅襯底100后停止。
所述選擇性腐蝕方法是本領(lǐng)域內(nèi)常用的腐蝕手段，例如可以采用等離子刻
蝕的手段刻蝕第一外延層110。
第一外延層110被腐蝕后，形成若干與孤立凸塊121、 122、 123和124相 對(duì)應(yīng)的外延島lll、 112、 113和114,即獲得了由上述外延島所構(gòu)成的圖形化 的第一外延層。
附圖9所示，參考步驟S150，腐蝕露出的硅襯底100，在硅襯底100上形 成凹陷結(jié)構(gòu)101、 102和103。
所述腐蝕可以采用干法刻蝕或者濕法腐蝕等常見(jiàn)的半導(dǎo)體腐蝕工藝。 于本具體實(shí)施方式
中，采用側(cè)向腐蝕工藝腐蝕露出的硅襯底，以使硅襯底
表面的圖形化的第一外延層的圖形邊緣部分懸空，即使外延島111、 112、 113 和114的邊緣部分懸空。所述側(cè)向腐蝕工藝包括采用KOH或者TMAOH等腐 蝕液腐蝕硅襯底，上述方法在可以在腐蝕硅襯底表面以形成凹槽的同時(shí)，也腐 蝕凹槽的側(cè)壁，使凹槽的寬度變寬，從而使外延島lll、 112、 113和114的邊 緣部分懸空，上述情況可以參見(jiàn)附圖9中的敘述。
使外延島lll、 112、 113和114的邊緣部分懸空的優(yōu)點(diǎn)在于，后續(xù)生長(zhǎng)的 連續(xù)的第二外延層是通過(guò)外延島111、 112、 113和114同硅襯底IOO相連接的， 外延島lll、 112、 113和114的邊緣部分懸空可以降低外延島同襯底硅的接觸 面積，從而降低兩者之間的結(jié)合強(qiáng)度，達(dá)到制備柔性緩沖層、減小應(yīng)力的目的。
附圖10所示，參考步驟S160,在硅襯底100的凹陷結(jié)構(gòu)101、 102和103 的底部和側(cè)面制備第二介質(zhì)層131、 132和133。
可以采用選擇性生長(zhǎng)的方法生長(zhǎng)第二介質(zhì)層130，以保證其只生長(zhǎng)于凹陷 結(jié)構(gòu)IOI、 102和103的底部和側(cè)面，而不生長(zhǎng)于外延島lll、 112、 113禾卩114 的表面和側(cè)面。所述選擇性生長(zhǎng)的方法包括采用熱氧化法，例如干氧氧化或者 濕氧氧化法，生長(zhǎng)二氧化硅作為第二介質(zhì)層131、 132和133。由于熱氧化法生 長(zhǎng)氧化硅需要襯底提供硅做為反應(yīng)物質(zhì)，而外延島lll、 112、 113和114的材 料是三族氮化物，因此熱氧化法不會(huì)在外延島111、 112、 113和114的表面和 側(cè)面生成氧化硅。對(duì)于由其他材料所構(gòu)成的第一外延層和第二介質(zhì)層的組合， 可以根據(jù)實(shí)際情況選擇生長(zhǎng)工藝，以實(shí)現(xiàn)選擇性生長(zhǎng)。
也可以采用非選擇性生長(zhǎng)的方法生長(zhǎng)連續(xù)的第二介質(zhì)層，再通過(guò)光刻和腐
蝕的方法，將外延島lll、 112、 113和114的表面的第二介質(zhì)層去除。
在硅襯底100的凹陷結(jié)構(gòu)101、 102和103的底部和側(cè)面制備第二介質(zhì)層 131、 132和133的目的在于抑制在后續(xù)生長(zhǎng)第二外延層的過(guò)程中，硅襯底IOO 中的硅原子相外延層中擴(kuò)散對(duì)外延層的晶體質(zhì)量產(chǎn)生影響。所述第二介質(zhì)層 131、 132和133的材料選自于氧化硅、氮化硅以及氮氧化硅中的一種或多種。 上述材料制備工藝成熟，制備成本較低，并且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在后續(xù)工藝中不 會(huì)引起額外的污染，因此是優(yōu)選的技術(shù)方案。第二介質(zhì)層131、 132和133的 厚度范圍以大于lnm為佳，此厚度可以保證第二介質(zhì)層130發(fā)揮其阻擋硅原 子擴(kuò)散的作用。
附圖11所示，參考步驟S170，腐蝕第一介質(zhì)層120，至露出第一外延層
110。
所述腐蝕可以采用本領(lǐng)域的常規(guī)方法。采用光刻膠做掩模，通過(guò)曝光和顯 影的方法將與由第一外延層110形成的外延島111、 112、 113和114上方對(duì)應(yīng) 的光刻膠除去，然后采用等離子刻蝕或者濕法腐蝕的方法腐蝕第一介質(zhì)層120。
若步驟S160中采用了非選擇性生長(zhǎng)工藝，則生長(zhǎng)的第二介質(zhì)層130不僅 覆蓋了凹陷結(jié)構(gòu)IOI、 102和103的底部和側(cè)面，也同時(shí)將晶圓表面的其他部 分也一同覆蓋，因此在腐蝕第一介質(zhì)層120的步驟中，首先腐蝕去除的是外延' 島lll、 112、 113和114上方對(duì)應(yīng)的第二介質(zhì)層130，使第一介質(zhì)層120露出 之后，再腐蝕第一介質(zhì)層120。第二介質(zhì)層130的腐蝕方法同第一介質(zhì)層120 相類(lèi)似，同樣可以采用等離子刻蝕或者濕法腐蝕的方法。腐蝕至露出外延島
111、 112、 113和114的表面后停止。
參考步驟S180，以露出的圖形化的第一外延層為籽晶，采用外延方法生 長(zhǎng)連續(xù)的第二外延層140。
所述的露出的圖形化的第一外延層為由第一外延層110形成的外延島 111、 112、 113和114。
此步驟可以采用金屬有機(jī)化學(xué)汽相淀積(MOCVD)、分子束外延(MBE)
或者氫化物汽相外延(HVPE)等方法生長(zhǎng)第二外延層140。
附圖12至附圖14表示了一種外延工藝的生長(zhǎng)過(guò)程示意圖。附圖12所示， 以外延島lll、 112、 113和114為籽晶，采用外延工藝在其表面生長(zhǎng)第二外延 層籽晶141、 142、 143和144。附圖13所示，改變外延工藝的生長(zhǎng)條件為側(cè)向 生長(zhǎng)的工藝條件，該工藝條件的特點(diǎn)是可以抑制第二外延層籽晶141、 142、 143 和144在縱向的生長(zhǎng)而加快其在橫向的生長(zhǎng)速度。附圖14所示，在側(cè)向生長(zhǎng) 的工藝條件下，第二外延層籽晶141、 142、 143和144相互靠近并最終相互連 接在一起，從而形成連續(xù)的第二外延層140。上述外延生長(zhǎng)方法被稱(chēng)為側(cè)向外 延法，其目的在于將獨(dú)立的籽晶生長(zhǎng)成連續(xù)的外延層，側(cè)向外延法的技術(shù)細(xì)節(jié) 以及如何調(diào)整工藝參數(shù)以控制外延的生長(zhǎng)方向均屬于本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員的公 知技術(shù)。
由于外延島lll、 112、 113和114的邊緣部分懸空，因此可以降低外延島 同襯底硅的接觸面積，從而降低兩者之間的結(jié)合強(qiáng)度，達(dá)到制備柔性緩沖層、 減小應(yīng)力的目的。
上述步驟實(shí)施完畢后，得到的連續(xù)的第二外延層140具有無(wú)龜裂、位錯(cuò)密 度低的優(yōu)點(diǎn)，并且是連續(xù)的外延層，可以用于后續(xù)其上繼續(xù)生長(zhǎng)發(fā)光二極管、 激光器二極管、探測(cè)器、高遷移率晶體管等任意器件結(jié)構(gòu)。
上述方法中的各個(gè)步驟均采用平面工藝中常見(jiàn)的工藝方法，例如光刻、干 法刻蝕以及濕法腐蝕等，因此工藝成熟，可重復(fù)性好，與現(xiàn)有的器件平面工藝 兼容，適合大批量生產(chǎn)。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通 技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些 改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1. 一種硅基圖形襯底上生長(zhǎng)外延層的方法，其特征在于，包括如下步驟提供硅襯底；在硅襯底表面生長(zhǎng)第一外延層；在第一外延層遠(yuǎn)離硅襯底的表面生長(zhǎng)第一介質(zhì)層；將第一介質(zhì)層的一部分腐蝕除去，至露出第一外延層后停止；以保留的第一介質(zhì)層為掩模，采用選擇性腐蝕的方法刻蝕第一外延層，至露出硅襯底后停止；腐蝕露出的硅襯底，在硅襯底上形成凹陷結(jié)構(gòu)；在硅襯底的凹陷結(jié)構(gòu)的底部和側(cè)面制備第二介質(zhì)層；腐蝕第一介質(zhì)層，至露出第一外延層；以露出的圖形化的第一外延層為籽晶，采用外延方法生長(zhǎng)連續(xù)的第二外延層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的硅基圖形襯底上生長(zhǎng)外延層的方法，其特征在于， 所述第一外延層和第二外延層的材料為三族氮化物。.
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2中所述的硅基圖形襯底上生長(zhǎng)外延層的方法，其特征在于，所述第一外延層進(jìn)一步包括緩沖層和籽晶層，所述緩沖層位于硅襯 底和籽晶層之間。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2中所述的硅基圖形襯底上生長(zhǎng)外延層的方法，其特征 在于，所述第一介質(zhì)層以及第二介質(zhì)層的材料選自于氧化物、氮化物以及 氮氧化物中的一種或多種。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4中所述的硅基圖形襯底上生長(zhǎng)外延層的方法，其特征在于， 所述第一介質(zhì)層的厚度大于10nm。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4中所述的硅基圖形襯底上生長(zhǎng)外延層的方法，其特征在于， 所述第二介質(zhì)層的厚大于lnm。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或2中所述的硅基圖形襯底上生長(zhǎng)外延層的方法，其特征 在于，采用側(cè)向腐蝕工藝腐蝕露出的硅襯底，以使硅襯底表面的圖形化的 第一外延層的圖形邊緣部分懸空。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1或2中所述的硅基圖形襯底上生長(zhǎng)外延層的方法，其特征 在于，所述將第一介質(zhì)層的一部分刻蝕除去之后，保留的第一介質(zhì)層為置 于第一外延層表面的若干孤立凸塊。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8中所述的硅基圖形襯底上生長(zhǎng)外延層的方法，其特征在于， 所述凸塊的橫截面的形狀為菱形，所述菱形的邊長(zhǎng)小于10(Vm，菱形之間 的距離小于100pm。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8中所述的硅基圖形襯底上生長(zhǎng)外延層的方法，其特征在于， 所述凸塊的橫截面的形狀為條形，所述條形的寬度小于10(Him，條形之間 的距離小于100Mm。
全文摘要
一種硅基圖形襯底上生長(zhǎng)外延層的方法，包括如下步驟提供硅襯底；在硅襯底表面生長(zhǎng)第一外延層；在第一外延層遠(yuǎn)離硅襯底的表面生長(zhǎng)第一介質(zhì)層；將第一介質(zhì)層的一部分腐蝕除去；刻蝕第一外延層，至露出硅襯底后停止；在硅襯底上形成凹陷結(jié)構(gòu)；在硅襯底的凹陷結(jié)構(gòu)的底部和側(cè)面制備第二介質(zhì)層；腐蝕第一介質(zhì)層；采用外延方法生長(zhǎng)連續(xù)的第二外延層。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于可以解決硅襯底上生長(zhǎng)外延層容易龜裂的問(wèn)題；可以降低外延生長(zhǎng)中的位錯(cuò)密度和缺陷密度，提高晶體質(zhì)量；可以解決硅容易向外擴(kuò)散的問(wèn)題；工藝可重復(fù)性好。
文檔編號(hào)H01L21/02GK101378017SQ20081020019
公開(kāi)日2009年3月4日 申請(qǐng)日期2008年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月19日
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