本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體薄膜結(jié)構(gòu)。特別是涉及一種化合物半導(dǎo)體(compound semiconductor)薄膜結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

含鋁(A1)、鎵(Ga)或銦(In)…等的3B族元素與含氮(N)的5B族元素的氮化物系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料具有寬能隙的特性，可用來(lái)制作半導(dǎo)體激光(LD；laser diode)、發(fā)光二極管(LED；light emitting diode)、探測(cè)器、高頻高功率晶體管等電子元件。

由于目前氮化物系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體層尚不能得到適于外延生長(zhǎng)的基板。因此，與常用的藍(lán)寶石基板或硅基板之間會(huì)有較大的晶格失配度(lattice mismatch)，導(dǎo)致外延層產(chǎn)生錯(cuò)位(dislocation)，進(jìn)而造成元件性能劣化。為了改善半導(dǎo)體薄膜結(jié)構(gòu)的外延品質(zhì)，減少錯(cuò)位密度，現(xiàn)已發(fā)展出多種提高外延成長(zhǎng)品質(zhì)的方法，例如低溫緩沖層技術(shù)、插入層技術(shù)、側(cè)向成長(zhǎng)技術(shù)(epitaxial lateral overgrowth,ELO)…等。

傳統(tǒng)的低溫緩沖層技術(shù)與插入層技術(shù)都是先低溫生長(zhǎng)薄層緩沖層之后，進(jìn)行高溫退火，使低溫緩沖層具有較低密度的晶核，再進(jìn)行第二階段高溫外延生長(zhǎng)。雖然能大幅降低外延層的成核密度，但是外延結(jié)構(gòu)的錯(cuò)位密度仍然很大。而側(cè)向成長(zhǎng)技術(shù)需要先在外延成長(zhǎng)面上以蝕刻等制作工藝形成規(guī)則狀孔洞或凸出部，以阻擋外延制作工藝中晶格缺陷往上延伸，制作過(guò)程相對(duì)復(fù)雜。再加上，側(cè)向成長(zhǎng)技術(shù)的光掩模特征尺寸(critical dimension)和制作工藝裕度(process window)都屬于微米級(jí)別，制作時(shí)間長(zhǎng)和成本相對(duì)較高，難以大面積應(yīng)用。

因此，有需要提供一種先進(jìn)的化合物半導(dǎo)體薄膜結(jié)構(gòu)，以解決現(xiàn)有技術(shù)所面臨的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供一種化合物半導(dǎo)體薄膜結(jié)構(gòu)，包括基材、第一化合物半導(dǎo)體外延層以及第二化合物半導(dǎo)體外延層?；木哂幸粋€(gè)頂部平面。第一化合物半導(dǎo)體外延層形成于頂部平面上，且具有一個(gè)位于第一化合物半導(dǎo)體外延層面對(duì)頂部平面的相反一側(cè)的外延界面，以及至少一個(gè)位于第一化合物半導(dǎo)體層之中的凹室。第二化合物半導(dǎo)體外延層，形成于外延界面上。其中，頂部平面與凹室的底部之間的距離，實(shí)質(zhì)介于0.8微米(μm)至1.3微米之間。

根據(jù)上述，本發(fā)明的實(shí)施例提出一種化合物半導(dǎo)體薄膜結(jié)構(gòu)。其以外延成長(zhǎng)技術(shù)在基材頂部平面上形成一個(gè)厚度范圍實(shí)質(zhì)介于1微米至1.5微米之間的第一化合物半導(dǎo)體薄層，使化合物半導(dǎo)體薄層具有由多個(gè)凹室所隔離的多個(gè)規(guī)則排列的島狀結(jié)構(gòu)。接著繼續(xù)在島狀結(jié)構(gòu)上形成第二化合物半導(dǎo)體薄層，并覆蓋于凹室開口之上。形成具有不規(guī)則排列的孔隙(凹室)的化合物半導(dǎo)體薄膜結(jié)構(gòu)，使基材頂部平面與凹室的底部之間的距離，實(shí)質(zhì)介于0.8微米(μm)至1.3微米之間。

由于，孔隙(凹室)的存在可以阻擋外延制作工藝中晶格缺陷往上延伸。因此，可以減少第二化合物半導(dǎo)體外延層的錯(cuò)位密度，提高化合物半導(dǎo)體薄膜結(jié)構(gòu)的品質(zhì)。加上，不需要額外在基材上進(jìn)行蝕刻以形成規(guī)則狀孔洞或凸出部，即可通過(guò)外延成長(zhǎng)制作工藝，在基板上形成自對(duì)準(zhǔn)(self-assembled)的化合物半導(dǎo)體薄膜結(jié)構(gòu)，可減化制作工藝步驟達(dá)到降低制作工藝成本的發(fā)明目的。

附圖說(shuō)明

圖1A至圖1C為本發(fā)明的一實(shí)施例所繪示的形成化合物半導(dǎo)體薄膜結(jié)構(gòu)的制作工藝結(jié)構(gòu)剖面示意圖；

圖2為掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)對(duì)圖1B的第一化合物半導(dǎo)體外延層所攝取的電子顯微影像的示意圖；

圖3A和圖3B為掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)分別對(duì)成長(zhǎng)厚度實(shí)質(zhì)小于1微米和大于1.5微米的第一化合物半導(dǎo)體外延層所攝取的電子顯微影像的示意圖。

符號(hào)說(shuō)明

100：化合物半導(dǎo)體薄膜結(jié)構(gòu)101：基材

101a：基板101b：前驅(qū)層

101c：基材的頂部平面102：第一外延成長(zhǎng)制作工藝

103：第一化合物半導(dǎo)體外延層103a：島狀結(jié)構(gòu)

103b/103b’：凹室103c：島狀結(jié)構(gòu)的頂部

103d：凹室的底部104：第二外延成長(zhǎng)制作工藝

105：第二化合物半導(dǎo)體外延層106：外延界面

303：第一化合物半導(dǎo)體外延層303a：島狀結(jié)構(gòu)

303b：凹室

303c：島狀結(jié)構(gòu)的頂部

H：第一化合物半導(dǎo)體外延層的厚度

D：頂部平面與凹室底部之間的距離

R：島狀結(jié)構(gòu)的直徑

W1：凹室的開口寬度

具體實(shí)施方式

本發(fā)明是提供一種化合物半導(dǎo)體薄膜結(jié)構(gòu)，可解決現(xiàn)有氮化物系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體外延薄膜晶格錯(cuò)位密度過(guò)大的問題，并且可同時(shí)簡(jiǎn)化制作工藝步驟，節(jié)省制造成本。為讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉數(shù)種化合物半導(dǎo)體薄膜結(jié)構(gòu)及其制作方法做為優(yōu)選實(shí)施例，并配合所附的附圖，作詳細(xì)說(shuō)明如下。

但必須注意的是，這些特定的實(shí)施案例與方法，并非用以限定本發(fā)明。本發(fā)明仍可采用其他特征、元件、方法及參數(shù)來(lái)加以實(shí)施。優(yōu)選實(shí)施例的提出，僅用以例示本發(fā)明的技術(shù)特征，并非用以限定本發(fā)明的權(quán)利要求。該技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者，將可根據(jù)以下說(shuō)明書的描述，在不脫離本發(fā)明的精神范圍內(nèi)，作均等的修飾與變化。在不同實(shí)施例與附圖之中，相同的元件，將以相同的元件符號(hào)加以表示。

圖1A至圖1C為根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例所繪示的形成化合物半導(dǎo)體薄膜結(jié)構(gòu)100的制作工藝結(jié)構(gòu)剖面示意圖。制作化合物半導(dǎo)體薄膜結(jié)構(gòu)100的方法包括下述步驟：首先提供一基材101(如圖1A所繪示)。在本發(fā)明的一些實(shí)施例之中，基材101可以是一種藍(lán)寶石基板、半導(dǎo)體基板、陶瓷基板或塑化基板。在本發(fā)明的另一些實(shí)施例之中，基材101也可以是一種位于基板 101a，例如藍(lán)寶石基板、半導(dǎo)體基板、陶瓷基板或塑化基板上的半導(dǎo)體前驅(qū)層101b。例如在本實(shí)施例中，基材101是位于藍(lán)寶石基板101a上的氮化鋁(AlN)前驅(qū)層101b。

接著，在基材101(氮化鋁前驅(qū)層101b)的頂部平面101c上進(jìn)行第一外延成長(zhǎng)制作工藝102，形成第一化合物半導(dǎo)體外延層103(如圖1B所繪示)。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，第一化合物半導(dǎo)體外延層103包括含鋁半導(dǎo)體材料。含鋁半導(dǎo)體材料選自于由氮化鋁(AlN)、氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化鋁銦鎵(AlInGaN)及上述的任意組合所組成的一族群。在本實(shí)施例中，第一化合物半導(dǎo)體外延層103優(yōu)選可以是氮化鋁外延層。

請(qǐng)參照?qǐng)D2，圖2是以電子顯微鏡對(duì)圖1B的第一化合物半導(dǎo)體外延層103所攝取的顯微影像。其中，由第一外延成長(zhǎng)制作工藝102所形成的氮化鋁外延層(第一化合物半導(dǎo)體外延層103)具有多個(gè)規(guī)則排列的六角形島狀結(jié)構(gòu)103a。每一個(gè)島狀結(jié)構(gòu)103a的直徑R實(shí)質(zhì)介于2微米至4微米之間。

詳言之，第一化合物半導(dǎo)體外延層103具有多個(gè)凹室103b，用來(lái)將第一化合物半導(dǎo)體外延層103區(qū)隔成多個(gè)規(guī)則排列的六角形島狀結(jié)構(gòu)103a。其中，每一個(gè)凹室103b具有上寬下窄的剖面形狀，每一個(gè)凹室103b的開口寬度W1實(shí)質(zhì)介于0.1微米至0.5微米之間，可將第一化合物半導(dǎo)體外延層103區(qū)隔成多個(gè)規(guī)則排列的六角錐形島狀結(jié)構(gòu)103a(如圖1B所繪示)。

另外，第一化合物半導(dǎo)體外延層103的每一個(gè)島狀結(jié)構(gòu)103a具有實(shí)質(zhì)平坦的頂部103c。例如，在本實(shí)施例之中，每一個(gè)島狀結(jié)構(gòu)103a的頂部103c實(shí)質(zhì)平行氮化鋁外延層的c-plane方向的平面。且值得注意的是，要使第一化合物半導(dǎo)體外延層103的每一個(gè)島狀結(jié)構(gòu)103a具有實(shí)質(zhì)平坦的頂部103c，第一化合物半導(dǎo)體外延層103的厚度H必須有所限制。例如，在本發(fā)明的一些實(shí)施例之中，第一化合物半導(dǎo)體外延層103的厚度H范圍必須控制在實(shí)質(zhì)介于1微米至1.5微米之間。第一化合物半導(dǎo)體外延層103的厚度H過(guò)大或太小，都無(wú)法使每一個(gè)島狀結(jié)構(gòu)103a具有實(shí)質(zhì)平坦的頂部103c。

請(qǐng)參照?qǐng)D3A和圖3B，圖3A和圖3B是以掃描式電子顯微鏡分別對(duì)成長(zhǎng)厚度實(shí)質(zhì)小于1微米和大于1.5微米的第一化合物半導(dǎo)體外延層303所攝取的電子顯微影像。由圖3A可觀察到，當(dāng)?shù)谝换衔锇雽?dǎo)體外延層303的成長(zhǎng)厚度實(shí)質(zhì)小于1微米時(shí)，第一化合物半導(dǎo)體外延層303之中所形成的凹室303b仍呈現(xiàn)不規(guī)則裂縫狀。因此，尚無(wú)法將第一化合物半導(dǎo)體外延層303 區(qū)隔成多個(gè)規(guī)則排列的六角錐形島狀結(jié)構(gòu)(如圖2所示)。

而由圖3B可觀察到，當(dāng)?shù)谝换衔锇雽?dǎo)體外延層303的成長(zhǎng)厚度實(shí)質(zhì)大于1.5微米時(shí)，第一化合物半導(dǎo)體外延層303的六角錐形島狀結(jié)構(gòu)303a的頂部303c出現(xiàn)不規(guī)則分布的陰影，且經(jīng)由量測(cè)六角錐形島狀結(jié)構(gòu)303a頂部303c的X光反射率(X-ray reflectometry)，更顯示六角錐形島狀結(jié)構(gòu)303a的頂部303c已非平行于氮化鋁外延層同一晶格方向的平坦表面。

之后，進(jìn)行第二外延成長(zhǎng)制作工藝104，在第一化合物半導(dǎo)體外延層103上形成第二化合物半導(dǎo)體外延層105，形成如圖1C所繪示的化合物半導(dǎo)體薄膜結(jié)構(gòu)100。其中，第二外延成長(zhǎng)制作工藝104延續(xù)第一外延成長(zhǎng)制作工藝102，但外延成長(zhǎng)溫度提高。第二外延成長(zhǎng)制作工藝104的厚度實(shí)質(zhì)介于0.5微米至1微米之間；優(yōu)選0.8微米。

第二外延成長(zhǎng)制作工藝104過(guò)程中，外延形成的化合物半導(dǎo)體并不會(huì)完全填滿凹室103b，僅隨機(jī)部分地填充位于第一化合物半導(dǎo)體外延層103中的凹室103b，而逐漸形成不規(guī)則排列的凹室103b’(孔隙)。所形成的第二化合物半導(dǎo)體外延層105覆蓋于凹室103b’上，與第一化合物半導(dǎo)體外延層103的六角錐形島狀結(jié)構(gòu)103a的頂部103c直接接觸；且在第二化合物半導(dǎo)體外延層105與第一化合物半導(dǎo)體外延層103之間形成一個(gè)外延界面106。詳言之，外延界面106位于第一化合物半導(dǎo)體外延層103面對(duì)基材101的頂部平面101c的相反一側(cè)。另外，基材101的頂部平面101c與凹室103b’的底部之間的距離D，實(shí)質(zhì)介于0.8微米至1.3微米之間。

由于在本實(shí)施例中，第一化合物半導(dǎo)體外延層103的每一個(gè)島狀結(jié)構(gòu)103a的頂部103c具有實(shí)質(zhì)平行氮化鋁外延層的c-plane方向的平面，可提供第二外延成長(zhǎng)制作工藝104一個(gè)實(shí)質(zhì)平坦的表面。加上，凹室103b’可以阻擋外延制作工藝中晶格缺陷往上延伸。因此，可以減少第二化合物半導(dǎo)體外延層105的晶格錯(cuò)位密度，提高化合物半導(dǎo)體薄膜結(jié)構(gòu)100的外延品質(zhì)。

另外，在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，第一外延成長(zhǎng)制作工藝102和第二外延成長(zhǎng)制作工藝104可以在相同的反應(yīng)槽中原位(in situ)進(jìn)行，形成自對(duì)準(zhǔn)的化合物半導(dǎo)體薄膜結(jié)構(gòu)100。而不需要額外在基材上進(jìn)行蝕刻以形成規(guī)則狀孔洞或突出部，可減化制作工藝步驟達(dá)到降低制作工藝成本的發(fā)明目的。

根據(jù)上述，本發(fā)明的實(shí)施例提出一種化合物半導(dǎo)體薄膜結(jié)構(gòu)。其是以外延成長(zhǎng)技術(shù)在基材頂部平面上形成一個(gè)厚度范圍實(shí)質(zhì)介于1微米至1.5微米 之間的第一化合物半導(dǎo)體薄層，使化合物半導(dǎo)體薄層具有由多個(gè)凹室所隔離的多個(gè)規(guī)則排列的島狀結(jié)構(gòu)。接著繼續(xù)在島狀結(jié)構(gòu)上形成第二化合物半導(dǎo)體薄層，并覆蓋于凹室開口之上。形成具有不規(guī)則排列的孔隙(凹室)的化合物半導(dǎo)體薄膜結(jié)構(gòu)，使基材頂部平面與凹室的底部之間的距離，實(shí)質(zhì)介于0.8微米至1.3微米之間。

由于，孔隙(凹室)的存在可以阻擋外延制作工藝中晶格缺陷往上延伸。因此，可以減少第二化合物半導(dǎo)體外延層的晶格錯(cuò)位密度，提高化合物半導(dǎo)體薄膜結(jié)構(gòu)的品質(zhì)。加上，不需要額外在基材上進(jìn)行蝕刻以形成規(guī)則狀孔洞或凸出部，即可通過(guò)外延成長(zhǎng)制作工藝，在基板上形成自對(duì)準(zhǔn)的化合物半導(dǎo)體薄膜結(jié)構(gòu)，可減化制作工藝步驟達(dá)到降低制作工藝成本的發(fā)明目的。

雖然結(jié)合以上優(yōu)選實(shí)施例公開了本發(fā)明，然而其并非用以限定本發(fā)明。此處所述的制作工藝步驟和結(jié)構(gòu)并未涵蓋制作整體集成電路的完整制造過(guò)程。本發(fā)明可以和許多目前已知或未來(lái)被發(fā)展出來(lái)的不同集成電路制作技術(shù)合并實(shí)施。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可作各種的更動(dòng)與潤(rùn)飾。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以附上的權(quán)利要求所界定的為準(zhǔn)。