專利名稱：半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，并且具體而言，涉及具有在相同的光刻層上 的晶格失配的半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其制造方法。
背景技術(shù)：
部分地由于可獲得IV族元素半導(dǎo)體襯底，在半導(dǎo)體工業(yè)中，通常采 用基于IV族元素(例如硅)的半導(dǎo)體器件和/或基于鍺的半導(dǎo)體器件來形
成半導(dǎo)體芯片。具體而言，在半導(dǎo)體工業(yè)中，通常可以低成本地獲得包含 硅、硅鍺合金或者硅碳合金的硅基半導(dǎo)體。在硅襯底的情況下，在大M^
制造中通常采用300mm直徑的晶片。因而，在包含珪的襯底上形成的基 于IV族元素的半導(dǎo)體器件具體而言硅基器件，形成了在半導(dǎo)體芯片中使 用的大多數(shù)半導(dǎo)體部件。
化合物半導(dǎo)體是包括元素周期表中的兩個(gè)或者更多的不同族的元素的 半導(dǎo)體。化合物半導(dǎo)體是二元、三元或者四元的，即可以具有兩種、三種 或者四種不同的元素。示例性的III-V二元化合物半導(dǎo)體包括A1N、 A1P、 AlAs、 GaN、 GaP、 GaAs、 InP、 InAs、 InSb等等。示例性的II-VI化合 物半導(dǎo)體包括ZnS、 ZnSe、 ZnTe、 CdTe、 HgTe等等。示例性的三元化 合物半導(dǎo)體包括AlInGaP、 AlGaAs、 InGaN和CdHgTe。示例性的四元 化合物半導(dǎo)體包括InGaAsP。
由化合物半導(dǎo)體形成的半導(dǎo)體器件可提供超過硅基半導(dǎo)體器件的性能 優(yōu)點(diǎn)。例如，與硅相比，GaAs具有較高的飽和電子速度以及較高的電子 遷移率，這可以得到更高的器件操作頻率。并且，與可比較的尺寸的硅基 器件相比，在高頻操作期間，GaAs器件一般具有較高的擊穿電壓并產(chǎn)生 較少的噪聲。而且，GaAs的帶結(jié)構(gòu)包含在導(dǎo)帶與價(jià)帶之間的直接帶隙，
這確保了光的發(fā)射。出于上述原因，在通訊器件、微波器件以及雷達(dá)系統(tǒng)
中采用GaAs電路。相似的，在一些半導(dǎo)體應(yīng)用中，其他化合物半導(dǎo)體提 供了超越硅的明顯的優(yōu)點(diǎn).
一般而言，與IV族半導(dǎo)體元素相比，上述形成的化合物半導(dǎo)體和/或 半導(dǎo)體器件也具有一些缺點(diǎn)。例如，化合物半導(dǎo)體的機(jī)械強(qiáng)度往往比IV
族半導(dǎo)體元素要差，特別是與硅相比?；衔锇雽?dǎo)體襯底的制造也比IV 族半導(dǎo)體元素襯底特別是珪襯底難。這是因?yàn)榈厍蛏虾幸怨杷猁}的形式 存在的豐富的硅，而與硅酸鹽相比，化合物半導(dǎo)體材料往往比較稀少。而 且，化合物半導(dǎo)^M艮少具有穩(wěn)定的氧化物，而二氧化硅卻易于形成并作為 穩(wěn)定的介質(zhì)材料。
因此，希望在IV族半導(dǎo)體元素襯底中集成化合物半導(dǎo)體材料以形成 基于IV族元素的半導(dǎo)體器件和化合物半導(dǎo)體器件，從而利用它們各自的 優(yōu)點(diǎn)。然而，單晶化合物半導(dǎo)體材料與單晶IV族半導(dǎo)體元素的集成已經(jīng) 證明是具有挑戰(zhàn)性的，這是因?yàn)?一般形成化合物半導(dǎo)體的處理方法不同于 標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體的處理才支術(shù)。而且，由于IV族半導(dǎo)體元素與化合物半導(dǎo)體之 間的晶格失配，在包括單晶IV族半導(dǎo)體元素的襯底上形成單晶化合物半 導(dǎo)體層典型地涉及兩種半導(dǎo)體材料的接合。
將化合物半導(dǎo)體材料集成到IV族半導(dǎo)體元素襯底中的現(xiàn)有方法是在 IV族半導(dǎo)體元素襯底上生長厚緩沖層，然后淀積化合物半導(dǎo)體層，該方法 的缺點(diǎn)是需要厚外延生長緩沖層。而且，在化合物半導(dǎo)體層淀積之后，僅 僅化合物半導(dǎo)體層被暴露在襯底的頂部上，這#^得對(duì)化合物半導(dǎo)體層之 下的IV族半導(dǎo)體元素部分不能進(jìn)行進(jìn)一步的處理。該方法對(duì)于同時(shí)應(yīng)用 化合物半導(dǎo)體材料和IV族半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體器件同樣非常不方便。
鑒于上述情況，需要提供具有在相同的光刻層上的相互鄰近的IV族 半導(dǎo)體材料和化合物半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
此外，需要這樣的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其制造方法，該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)具有在相 同的光刻層上的晶格失配的半導(dǎo)體層例如IV族半導(dǎo)體元素層和化合物半 導(dǎo)體層。
此外，需要半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其經(jīng)濟(jì)的制造方法，該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)被形成在
硅襯底上并具有在相同的光刻層處的暴露的IV族半導(dǎo)體元素層和暴露的 化合物半導(dǎo)體層，該暴露的IV族半導(dǎo)體元素層用于形成基于IV族半導(dǎo)體
元素的器件，該暴露的化合物半導(dǎo)體層用于形成化合物半導(dǎo)體器件。

發(fā)明內(nèi)容
通過提供一種結(jié)構(gòu)和制造方法，使單晶IV族半導(dǎo)體層和與其晶格失 配(即，與所述單晶IV族半導(dǎo)體層具有不同的晶格^t)的單晶半導(dǎo)體
層位于相同的襯底的相同的光刻層上，本發(fā)明滿足了上述的需要。優(yōu)選地， 所述晶格失配的單晶半導(dǎo)體層包括單晶化合物半導(dǎo)體。
根據(jù)本發(fā)明，提供了包含單晶IV族半導(dǎo)體的半導(dǎo)體村底。在所述半 導(dǎo)體層的一部分上外延生長單晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體合金層，而掩蔽 所述半導(dǎo)體層的另一部分。調(diào)整所述晶格失配的IV族半導(dǎo)體合金層的頂
部部分的成分以基本上匹配所述單晶化合物半導(dǎo)體層的晶格常數(shù)，隨后在
所述單晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體合金層上外延生長所述單晶化合物半導(dǎo) 體層。這樣，就在相同的半導(dǎo)體襯底上提供了具有所述IV族半導(dǎo)體層和 所述單晶化合物半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)。IV族半導(dǎo)體器件例如硅器件以及化合物 半導(dǎo)體器件例如具有激光發(fā)射能力的GaAs器件，都可以形成在所述半導(dǎo) 體襯底的相同的光刻層上。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括
處理襯底；
掩埋絕緣體層，鄰接所述處理襯底；
至少一個(gè)單晶IV族半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，具有第一晶格常數(shù)，鄰接所述掩埋 絕緣體層，并包括選自硅、鍺、碳及其合金的材料；
單晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體合金層，位于所述掩埋絕緣體層上，并 包含具有第三晶格常數(shù)的頂部部分，其中第二晶格常數(shù)在所述第一晶格常 數(shù)與所述第三晶格常數(shù)之間；以及
單晶化合物半導(dǎo)體層的疊層。
所述單晶化合物半導(dǎo)體層的疊層包含
第一單晶化合物半導(dǎo)體層，鄰接所述單晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體合 金層并具有與所述第二晶格常數(shù)基本上相同的第三晶格常數(shù)；
第二單晶化合物半導(dǎo)體層，鄰接并外延對(duì)準(zhǔn)所述第 一單晶化合物半導(dǎo) 體層；以及
第三單晶化合物半導(dǎo)體層,鄰接并外延對(duì)準(zhǔn)所述第二單晶化合物半導(dǎo)體層。
所述至少 一個(gè)單晶IV族半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括波導(dǎo)。
所述波導(dǎo)從遠(yuǎn)離所述疊層直到第 一距離具有增加的截面面積，其中所 i^J巨離是連接所述波導(dǎo)內(nèi)的給定點(diǎn)與所述疊層內(nèi)的任一點(diǎn)的所有矢量中的 最短矢量的量值，并且在垂直于所述最短矢量的平面內(nèi)測(cè)量所述截面面積。 所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)還包括鄰接所述疊層和所述波導(dǎo)的近紅外透明層。 所述第二單晶化合物半導(dǎo)體層包括具有直接帶隙并能夠放大或者發(fā)射 激光的材料。
所述第一單晶化合物半導(dǎo)體層和所述第三單晶化合物半導(dǎo)體層包括 GaASl-xPx，并且所述第二單晶化合物半導(dǎo)體層包括GaASl_yNy，其中x的 范圍為約0.001到約0.999，以及y的范圍為約0.001到大約0.10。
所述笫一單晶化合物半導(dǎo)體層的長度約l|Lim到約lcm以及寬度約 200nm到約2(Him,其中所述長度大于所述寬度。
所述第二單晶化合物半導(dǎo)體層的厚度約lnm到約lOOnm,以及所述 第一和第三單晶化合物半導(dǎo)體層的厚度約50nm到約3pm。
所述笫二單晶化合物半導(dǎo)體層的垂直高度的范圍在所述波導(dǎo)的垂直高 度的范圍之內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了另一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括
處理襯底；
掩埋絕緣體層，鄰接所述處理襯底；
第一單晶IV族半導(dǎo)體層，垂直鄰接所述掩埋絕緣體層并具有第一晶 格常數(shù)，以及包括選自硅、鍺、碳及其合金的材料；
第二單晶IV族半導(dǎo)體層，垂直鄰接所述掩埋絕緣體層，與所述笫一 單晶IV族半導(dǎo)體層分離，并且包含具有所述第一晶格常數(shù)，并包括與所 述第一單晶IV族半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)相同的材料；
單晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體合金層，垂直鄰接所述第二單晶IV族半 導(dǎo)體層并包含具有第二晶格常數(shù)的頂部部分，其中所述第二晶格常數(shù)不同 于所述第一晶格常數(shù)；以及
至少一個(gè)單晶化合物半導(dǎo)體層，鄰接所述單晶晶格失配的IV族半導(dǎo) 體合金層并具有第三晶格常數(shù)，其中所述第二晶格常數(shù)為在所述第一晶格 常數(shù)與所述第三晶格常數(shù)之間，其中所述第一單晶IV族半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的頂 表面與所述至少一個(gè)單晶化合物半導(dǎo)體層的頂表面在相同的光刻層上。
在一個(gè)實(shí)施例中，所述第一單晶IV族半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的所述頂表面與所 述至少一個(gè)單晶化合物半導(dǎo)體層的所述頂表面的垂直距離小于1000nm。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了又一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括
處理襯底；
掩埋絕緣體層，鄰接所述處理襯底；
單晶IV族半導(dǎo)體層，垂直鄰接所述掩埋絕緣體層并具有第一晶格常 數(shù)，并且包括選自硅、鍺、碳及其合金的材料；
單晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體合金層，垂直鄰接所述掩埋絕緣體層并 包含具有第二晶格常數(shù)的頂部部分，其中所述笫二晶格常數(shù)不同于所述第 一晶格常數(shù)；以及
至少一個(gè)單晶化合物半導(dǎo)體層，鄰接所述單晶晶格失配的IV族半導(dǎo) 體合金層并具有笫三晶格常數(shù)，其中所述第二晶格常數(shù)在所述第一晶格常 數(shù)與所述第三晶格常數(shù)之間，其中所述第一單晶IV族半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的頂表 面與所述至少 一個(gè)單晶化合物半導(dǎo)體層的頂表面是在相同的光刻層上。
在一個(gè)實(shí)施例中，所述第一單晶IV族半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的所述頂表面與所 述至少一個(gè)單晶化合物半導(dǎo)體層的所述頂表面的垂直距離小于1000nm,
根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，提供了一種形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，包括
提供絕緣體上半導(dǎo)體層，其具有單晶IV族半導(dǎo)體層并具有第一晶格
常數(shù)，其中所述單晶IV族半導(dǎo)體層包括選自硅、鍺、碳及其合金的材料；
在所述單晶IV族半導(dǎo)體層中形成至少一個(gè)隔離溝槽，并且由所述單 晶IV族半導(dǎo)體層的剩余部分形成第一區(qū)域和笫二區(qū)域，其中所述第一與 第二區(qū)域通過所述至少一個(gè)隔離溝槽分離；
使用無機(jī)掩蔽層或者近紅外波長透明層掩蔽所述第一區(qū)域；
形成單晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體合金層，所述單晶晶格失配的IV族 半導(dǎo)體合金層鄰接所述第二區(qū)域并包含具有第二晶格常數(shù)的頂部部分，其 中所述第二晶格常數(shù)不同于所述第一晶格常數(shù)；以及
鄰接所述單晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體合金層外延生長至少一個(gè)單晶 化合物半導(dǎo)體層，其中所述單晶化合物半導(dǎo)體層具有第三晶格常數(shù)，其中 所述第二晶格常數(shù)為在所迷第一晶格常數(shù)與所述第三晶格常數(shù)之間。
在一個(gè)實(shí)施例中，形成所述單晶IV族半導(dǎo)體合金層包括
直接在所述第二區(qū)域上形成IV族區(qū)域，其中所述IV族區(qū)域包括不同 于所述單晶IV族半導(dǎo)體層的元素的IV族元素；以及
退火所述IV族區(qū)域和所述第二區(qū)域以擴(kuò)散在所述另一 IV族區(qū)域與所 述第二區(qū)域之間的成分界面(compositional interface ),從而形成具有梯 度(graded)或均勻的成分的單合金區(qū)域，所述單合金區(qū)域構(gòu)成所述單晶 IV族半導(dǎo)體合金。
在另一個(gè)實(shí)施例中，形成所述單晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體合金層包 括直接在所述第二部分上選擇性外延淀積單晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體合 金層，而所述單晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體合金層在所述無機(jī)掩蔽層或者 所述近紅外波長透明層之上基本不生長。
在另一個(gè)實(shí)施例中，形成所述單晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體合金層包 括直接在所述第二部分上非選擇性外延淀積單晶晶格失配的IV族半導(dǎo) 體合金層，而在所述無機(jī)掩蔽層或者所述近紅外波長透明層上形成非單晶 IV族半導(dǎo)體合金；以及從所述無機(jī)掩蔽層或者所述近紅外波長透明層之上 去除所述非單晶IV族半導(dǎo)體合金。
在形成所迷單晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體合金層之前，減薄所述第二
區(qū)域。
由所述第一區(qū)域形成至少一個(gè)單晶IV族半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。所述至少一個(gè) 單晶IV族半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)是波導(dǎo)。
所述波導(dǎo)從遠(yuǎn)離所述疊層直到第一距離具有增加的截面面積，其中所 ^J巨離是連接所述波導(dǎo)內(nèi)的給定點(diǎn)與所述疊層內(nèi)的任一點(diǎn)的所有矢量中的 最短矢量的量值，并且在垂直于所述最短矢量的平面內(nèi)測(cè)量所述截面面積。
外延生長至少一個(gè)單晶化合物半導(dǎo)體層，包括
直接在所述單晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體合金層上外延生長所述第三 晶格常數(shù)的笫一單晶化合物半導(dǎo)體層；
直接在所述第一單晶化合物半導(dǎo)體層上外延生長第二單晶化合物半導(dǎo) 體層；以及
直接在所述第二單晶化合物半導(dǎo)體層上外延生長第三單晶化合物半導(dǎo) 體層。


圖1A-1H示出了第一示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在各種制造階段時(shí)的垂直截 面視圖2A-2F示出了第二示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在各種制造階段時(shí)的垂直截面 視圖3A-3F示出了第三示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在各種制造階段時(shí)的垂直截面 視圖4A-4C示出了第四示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在各種制造階段時(shí)的垂直截面 視圖5A-5C示出了第五示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。圖5A是頂部到底部的視圖； 圖5B是沿面B-B，的垂直截面視圖；以及圖5C是沿平面C-C，的垂直截面 視圖。
具體實(shí)施例方式
如上所述，本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其制造方法，該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu) 具有在相同的光刻層上的晶格失配的半導(dǎo)體層，現(xiàn)在將通過附圖進(jìn)行詳細(xì) 描述。應(yīng)當(dāng)注意，相似和對(duì)應(yīng)的元素被參考為相似的參考標(biāo)號(hào)。
本發(fā)明提供了 一種結(jié)構(gòu)和方法，用于具有在相同的半導(dǎo)體襯底的相同 的光刻層上的不同的晶格常數(shù)的多個(gè)單晶半導(dǎo)體層。在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例中，描述了 IV族半導(dǎo)體層和具有不同的晶格常數(shù)的單晶化合物半導(dǎo)體層。此外，描述了具體的示例性的結(jié)構(gòu)，其包含可以產(chǎn)生或放大激光的單晶化合物半導(dǎo)體層的疊層，以及可以引導(dǎo)激光的至少一個(gè)單晶IV族半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以通過這里描述的結(jié)構(gòu)得到其他有用的結(jié)構(gòu)。
參考圖1 A,根據(jù)本發(fā)明的第 一實(shí)施例的第 一示例性結(jié)構(gòu)包括絕緣體上 半導(dǎo)體襯底，其包括處理襯底10的、掩埋絕緣體層20以及單晶IV族半 導(dǎo)體層29。處理襯底10包括半導(dǎo)體材料，例如珪、硅碳合金、珪鍺合金、 硅碳鍺合金、GaAs、 InAs、另一 III-V化合物半導(dǎo)體材料或者II-IV化合 物半導(dǎo)體中的一種。優(yōu)選地，處理襯底10是硅襯底。掩埋絕緣體層20可 能包括介質(zhì)材料，例如氧化物或者氮化物。優(yōu)選地，掩埋絕緣體層20包括 氧化硅。
單晶IV族半導(dǎo)體層29包括珪、鍺、碳或者其合金。例如，單晶IV 族半導(dǎo)體層29可能是單晶硅層、單晶鍺層、是或者不是梯度的成分的單晶 硅鍺合金層、單晶硅碳合金層、或者單晶硅鍺碳合金層。單晶IV族半導(dǎo) 體層29的厚度約100nm到約6pm。單晶IV族半導(dǎo)體層29是;^iE或者由 電雜質(zhì)例如B、 Ga、 In、 P、 As和Sb所摻雜的。單晶IV族半導(dǎo)體層29 具有第一晶格常數(shù)。例如，對(duì)于硅層，第一晶格常數(shù)基本上在300K時(shí)為 0.543095nm，或者對(duì)于鍺層，第一晶格常數(shù)基本上在300K時(shí)為 0.564613nm。通過IV族元素的適宜的合金可以得到第一晶格常數(shù)的其他 值。
參考圖1B，光刻構(gòu)圖并蝕刻單晶IV族半導(dǎo)體層29以在單晶IV族半 導(dǎo)體層29中形成至少一個(gè)隔離溝槽T。在本領(lǐng)域中，光刻構(gòu)圖和蝕刻至少 一個(gè)隔離溝槽T的方法是爿^知的。在形成至少一個(gè)隔離溝槽T之后，在單
晶IV族半導(dǎo)體層29的剩余部分形成第一區(qū)域30和第二區(qū)域30，。 笫一 區(qū)域30和第二區(qū)域30，是由至少一個(gè)隔離溝槽T所分開的。第一區(qū)域30 和第二區(qū)域30，具有第一晶格常數(shù)。
參考圖1C，由無機(jī)掩蔽層40來掩蔽第一區(qū)域30。這樣來實(shí)施，通過 在第一和笫二區(qū)域(30， 30，)之上淀積無 N^蔽層40并光刻構(gòu)圖和蝕刻 在第二區(qū)域30，之上的無機(jī)掩蔽層40的部分，而由光致抗蝕劑的剩余部分 (未示出)保護(hù)在第一區(qū)域30之上的無機(jī)掩蔽層40的部分。無機(jī)掩蔽層 40可能包括可以經(jīng)受隨后的高溫處理?xiàng)l件例如半導(dǎo)體材料的外延的任何 無機(jī)材料。無機(jī)材料層40包括介質(zhì)材料、半導(dǎo)體材料、金屬或者其組合。 無機(jī)掩蔽層40在隨后的處理中保護(hù)笫一區(qū)域30。無機(jī)掩蔽材料包括在選 擇性外延時(shí)半導(dǎo)體基本上不淀積在其上的介質(zhì)材料。例如，無機(jī)掩蔽層40 包括氧化硅或者氮化硅。無機(jī)掩蔽層40的厚度約10nm到約lpm。
無機(jī)掩蔽層40的剩余部分的邊緣與第二區(qū)域30，之間的交疊可以變 化。在一個(gè)實(shí)施例中，無機(jī)掩蔽層40的剩余部分的邊緣可能基本上與第二 區(qū)域30，的邊緣一致。在另一實(shí)施例中，無機(jī)掩蔽層40的剩余部分的邊緣 可能位于第二區(qū)域30，的一部分之上。在又一實(shí)施例中，無機(jī)掩蔽層40的 剩余部分的邊緣可以位于至少一個(gè)隔離溝槽T之中。在實(shí)施例中，采用選 擇性淀積，即僅僅從半導(dǎo)體表面生長材料并抑制從介質(zhì)表面生長半導(dǎo)體材 料，無機(jī)掩蔽層40的剩余部分的邊緣與第二區(qū)域30，之間的交疊沒有任何 重要的作用。在實(shí)施例中，采用非選擇性淀積，即從半導(dǎo)體表面與介質(zhì)表 面都生長材料，優(yōu)選無機(jī)掩蔽層40的剩余部分的邊緣接觸第二區(qū)域30，。
參考圖1D,減薄第二區(qū)域30，以形成減薄的第二區(qū)域30"。例如通過 對(duì)無機(jī)掩蔽層40有選擇性的反應(yīng)離子蝕刻方法實(shí)現(xiàn)第二區(qū)域30，的減薄。 減薄的笫二區(qū)域30"的厚度可能從約5nm到約5pm,并且優(yōu)選約lOrnn到 約300腿。
參考圖1E，直接在減薄的第二區(qū)域30"上外延生長單晶晶格失配的IV 族半導(dǎo)體合金層50。單晶晶格失配IV族半導(dǎo)體合金層50包括至少兩種IV 族元素。單晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體合金層50包括選自碳、硅和鍺中的
至少兩種元素。例如，單晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體合金層50包括硅鍺合 金。單晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體合金層50的厚度約5nm到大約—m, 并且優(yōu)選約50nm到大約3pm。
單晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體合金層50的頂部部分具有第二晶格常 數(shù)，其不同于第一區(qū)域30以及減薄的第二區(qū)域30，，的第一晶格常數(shù)?？梢?通過采用其中成分和晶格參數(shù)逐漸變化的梯度層用于單晶晶格失配的IV 族半導(dǎo)體合金層50，來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。因而，單晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體 合金層50與笫一區(qū)域30的第一晶格常數(shù)是"晶格失配"的。然而，晶格匹 配的程度是這樣的，單晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體合金層50外延對(duì)準(zhǔn)減薄 的第二區(qū)域30"。第二晶格常數(shù)基本上匹配接下來將在單晶晶格失配的IV 族半導(dǎo)體合金層50上形成的化合物半導(dǎo)體材料的晶格常數(shù)。雖然通過一個(gè) 單晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體合金層50來描述本發(fā)明，但是這里也可以明 確考慮彼此具有不同的晶格參數(shù)的多個(gè)單晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體合金 層的疊層。
單晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體合金層50可由選擇性外延生長而成，其 中單晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體合金層50的材料是在減薄的第二區(qū)域30" 上生長的，而在無機(jī)掩蔽層40上不生長或者生長很少的材料。 一般而言， 在選擇性外延方法中，在非晶絕緣體表面上生長晶體半導(dǎo)體材料是被抑制 的。
可選地，單晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體合金層50由非選擇性外延生長， 其中單晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體合金層50的材料是在減薄的第二區(qū)域 30"上生長的，而在無機(jī)掩蔽層40上生長多晶或者非晶IV族半導(dǎo)體合金 層(未示出)，該多晶或者非晶IV族半導(dǎo)體合金層基本上與單晶晶格失 配的IV族半導(dǎo)體合金層50具有相同的成分。在該情況下，去除多晶或者 非晶IV族半導(dǎo)體合金層，例如，通過濕法蝕刻、反應(yīng)離子蝕刻或者通過 平坦化。此外，根據(jù)需要凹進(jìn)單晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體合金層50以形 成圖1E的結(jié)構(gòu)。
參考圖1F，直接在單晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體合金層50上外延生長單晶化合物半導(dǎo)體層60。單晶化合物半導(dǎo)體層60的晶格常救基本上與單 晶晶格失配IV族半導(dǎo)體合金層50的第二晶格常數(shù)相同。單晶化合物半導(dǎo) 體層60包括可在單晶晶格失配的rv族半導(dǎo)體合金層50上外延生長的
GaAs、 InAs、 InP、另一 III-V化合物半導(dǎo)體合金、或II-V化合物半導(dǎo)體 合金。例如，單晶化合物半導(dǎo)體層60包括GaAs^Px，其中x的值的范圍 約0.001到約0.999。單晶化合物半導(dǎo)體層60的厚度約5nm到約4nm，并 且優(yōu)選約50nm到約3pm。單晶化合物半導(dǎo)體層60的頂表面位于第一區(qū)域30的頂表面之上、位 于基本上與第一區(qū)域30的頂表面相同的高度處、或者位于第一區(qū)域30的 頂表面之下。優(yōu)選地，單晶化合物半導(dǎo)體層60的頂表面基本上位于與第一 區(qū)域30的頂表面基本上相同的高度處。在這里，將這樣的兩個(gè)區(qū)域稱為是 在相同的光刻層上，該兩個(gè)區(qū)域具有足夠小的高度差異并使得可以以相同 的光刻方法在該兩個(gè)區(qū)域上進(jìn)行圖形定義。 一般而言，考慮為是相同的光 刻層的兩個(gè)區(qū)域之間的可允許的高度變化依賴于光刻方法中采用的具體的 光刻工具和光致抗蝕劑。例如，光刻系統(tǒng)的聚焦的深度是可允許的高度變 化的測(cè)量。Inoue等人的美國專利No.5,422，205，將其內(nèi)容合并到此處作 為參考，描述了聚焦深度與其他光刻工藝參數(shù)之間的關(guān)系。對(duì)于MUV和 DUV光刻系統(tǒng)，聚焦深度約100nm到約1000nm，并且典型地約200nm 到大約700nm。優(yōu)選地，在第一示例性結(jié)構(gòu)中，單晶化合物半導(dǎo)體層60的頂表面和第 一區(qū)域30的頂表面是在相同的光刻層內(nèi)。以與形成上述的單晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體合金層50相同的方式， 通過選擇性外延生長單晶化合物半導(dǎo)體層60，其中在單晶晶格失配的IV 族半導(dǎo)體合金層50上生長單晶化合物半導(dǎo)體層60的材料，而在無機(jī)掩蔽 層40上不生長或者生長;f艮少的材料?？蛇x地，單晶化合物半導(dǎo)體層60可通過非選擇性外延來生長，其中在 單晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體合金層50上生長單晶化合物半導(dǎo)體層60的 材料，而在無機(jī)掩蔽層40上生長具有基本上與單晶化合物半導(dǎo)體層60相
同的成分的多晶或非晶化合物半導(dǎo)體層(未示出)。在該情況下，例如， 通過濕法蝕刻、反應(yīng)離子蝕刻或者通過平坦化來去除多晶或者非晶化合物合金層。此外，根據(jù)需要凹進(jìn)單晶化合物半導(dǎo)體層60.
參考圖1G，可以可選地去除無機(jī)掩蔽層40?？梢栽诘谝粎^(qū)域30和/ 或單晶化合物半導(dǎo)體層60中形成半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)。
參考圖1H,可選地在第一區(qū)域30與單晶化合物半導(dǎo)體層60、單晶晶 格失配的IV族半導(dǎo)體合金層50以及減薄的笫二區(qū)域30，，的疊層之間形成 淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)70。蝕刻第一區(qū)域30和疊層的部分以形成淺溝槽，在淺 溝槽中形成淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)70。由于非選擇性外延傾向于在無機(jī)掩蔽層40 的側(cè)壁上留下一些多晶或者非晶材料，因此在形成單晶化合物半導(dǎo)體層60 或者單晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體合金層50期間采用了非選擇性外延的情 況下，形成淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)70是尤其有用的。在形成淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)70 期間去除了這樣的晶體缺陷。在第一區(qū)域30和/或單晶化合物半導(dǎo)體層60 中形成附加的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)。
參考圖2A，通過首先提供圖1C中所示出的第一示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)， 來形成根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的笫二示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
參考圖2B，直接在具有初始厚度的第二區(qū)域30，上外延生長單晶IV 族半導(dǎo)體層50。這與第一實(shí)施例不同，因?yàn)樵诘诙?shí)施例中，沒有減薄笫 二區(qū)域30，。單晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體合金層50的成分和厚度與第一 實(shí)施例中的情況是相同的。與第一實(shí)施例一樣，單晶晶格失配的IV族半 導(dǎo)體合金層50具有不同于第一區(qū)域30和第二區(qū)域30，的第一晶格常數(shù)的 第二晶格常數(shù)。第二晶格常數(shù)基本上匹配將隨后形成在單晶晶格失配的IV 族半導(dǎo)體合金層50上的化合物半導(dǎo)體材料的晶格常數(shù)。在第二實(shí)施例中， 采用與第 一 實(shí)施例中外延生長單晶iv族半導(dǎo)體層50的方法相同的方法以
在第二區(qū)域30，上外延生長單晶IV族半導(dǎo)體層50。
參考圖2C，直接在單晶晶格失配IV族半導(dǎo)體合金層50上外延生長 單晶化合物半導(dǎo)體層60。單晶化合物半導(dǎo)體層60的成分和厚度與笫一實(shí) 施例中的情況相同。單晶化合物半導(dǎo)體層60包括可以在單晶晶格失配的
IV族半導(dǎo)體合金層50上外延生長的GaAs、 InAs、 InP、另一 III-V化合 物半導(dǎo)體合金或者n-VI化合物半導(dǎo)體合金。例如，單晶化合物半導(dǎo)體層 60包括GaASl_xPx，其中x的值的范圍約0.001到約0.999。在笫二實(shí)施例 中，采用與第一實(shí)施例中外延生長單晶化合物半導(dǎo)體層60的方法相同的方 法，在單晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體合金層50上外延生長單晶化合物半導(dǎo) 體層60。單晶化合物半導(dǎo)體層60的頂表面可以位于無機(jī)掩蔽層40的頂表 面之上、與無機(jī)掩蔽層40的頂表面位于相同的光刻層、或者位于無機(jī)掩蔽 層40的頂表面之下。此外，單晶化合物半導(dǎo)體層60的頂表面位于第一區(qū) 域30的頂表面之上，與第一區(qū)域30的頂表面位于相同的光刻層、或者位 于第一區(qū)域30的頂表面之下。
參考圖2D，可選地在第一區(qū)域30與單晶化合物半導(dǎo)體層60、單晶晶 格失配的IV族半導(dǎo)體合金層50以及笫二區(qū)域30，的疊層之間形成淺溝槽 隔離結(jié)構(gòu)70。蝕刻第一區(qū)域30和疊層的一部分以形成淺溝槽，在其中形 成淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)70。由于上一目同的原因，所以在先前的處理步驟中采 用了非選擇性外延的情況下，形成淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)70是尤其有用的。在該 步驟，可以在第一區(qū)域30和/或單晶化合物半導(dǎo)體層60中形成半導(dǎo)體器件 結(jié)構(gòu)。
參考圖2E，可選的在淺溝槽隔離70、無機(jī)掩蔽層40以及單晶化合物 半導(dǎo)體層60的表面上施加光致抗蝕劑71，并光刻構(gòu)圖以覆蓋單晶化合物 半導(dǎo)體層60的至少一部分并暴露無機(jī)掩蔽層40的至少一部分。通過采用 構(gòu)圖的光致抗蝕劑71作為蝕刻掩模的反應(yīng)離子蝕刻，來蝕刻無機(jī)掩蔽層 40的暴露部分。
參考圖2F，暴露出單晶化合物半導(dǎo)體層60的至少一部分以及第一區(qū) 域30的至少一部分。第一區(qū)域30包括具有第一晶格常數(shù)的IV族半導(dǎo)體 元素，并且單晶化合物半導(dǎo)體層60包括具有笫二晶格常數(shù)的化合物半導(dǎo) 體。因而，提供了具有在相同的光刻層上的晶格失配的半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體 結(jié)構(gòu)。具體而言，可以在是硅襯底的處理襯底10上形成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，該 半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)具有在相同的光刻層處的用于形成基于IV族半導(dǎo)體元素的器
件(即基于硅的器件或者基于鍺的器件)的暴露的IV族半導(dǎo)體元素層(例 如第一區(qū)域30的暴露部分)和用于形成化合物半導(dǎo)體器件的暴露的化合物 半導(dǎo)體層(例如單晶化合物半導(dǎo)體層60的暴露部分)。
參考圖3A，根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的第三示例性結(jié)構(gòu)包括提供根據(jù) 第一實(shí)施的圖1D所示的第一示例性結(jié)構(gòu)。
參考圖3B，在減薄的第二區(qū)域30"上形成另一IV族區(qū)域148。另一 IV族區(qū)域148包括與在減薄的第二區(qū)域30"中的單晶IV族半導(dǎo)體材料不 同的材料。例如，在第一區(qū)域30和減薄的第二區(qū)域30"包括硅的情況下， 則另一IV族區(qū)域148可以包括鍺、硅鍺合金、碳、硅碳合金和/或鍺碳合 金。在第一區(qū)域30和減薄的第二區(qū)域30"包括鍺的情況下，則另一IV族 區(qū)域148可以包括硅、硅鍺合金、碳、鍺碳合金和/或硅碳合金。
參考圖3C，對(duì)另一IV族區(qū)域148和減薄的第二區(qū)域30"進(jìn)行退火以 將另一IV族材料擴(kuò)散到減薄的第二區(qū)域30"中以形成梯度或均勻的第二區(qū) 域，該梯度或均勻的第二區(qū)域是具有不同于第一晶格常數(shù)的第二晶格常數(shù) 的單晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體合金層150。退火可能是其中退火整個(gè)的第 三示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的全局退火例如爐退火或者快速熱退火(RTA)，或 者可選地是局部退火例如激光退火，在局部退火時(shí)局部地退火減薄的第二 區(qū)域30"中的半導(dǎo)體材料而不必將第三示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的剩余部分加熱 到相同的溫度。典型地，在下范圍約500'C到約1400。C的高溫下進(jìn)^f亍退火。
參考圖3D,直接在單晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體合金層150上外延生 長單晶化合物半導(dǎo)體層160。第三實(shí)施例中的單晶化合物半導(dǎo)體層160的 成分和厚度與第一實(shí)施例中的單晶化合物半導(dǎo)體層60的成分和厚度^^目 同的。單晶化合物半導(dǎo)體層160包括可以在單晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體 合金層150上外延生長的GaAs、 InAs、 InP、另一 III-V化合物半導(dǎo)體合 金或者II-V化合物半導(dǎo)體合金。例如，單晶化合物半導(dǎo)體層160包括 GaASl-xPx，其中x的值的范圍約0.001到約0.999。在第三實(shí)施例中，采用 與第 一 實(shí)施例中外延生長單晶化合物半導(dǎo)體層60的方法相同的方法，在單 晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體合金層150上外延生長單晶化合物半導(dǎo)體層
160。單晶化合物半導(dǎo)體層160的頂表面可以位于第一區(qū)域30的頂表面之 上，與第一區(qū)域30的頂表面位于相同的光刻層、或者位于第一區(qū)域30的 頂表面之下。優(yōu)選地，單晶化合物半導(dǎo)體層160的頂表面與第一區(qū)域30 的頂表面位于相同的光刻層。
參考圖3E,可以可選地去除無機(jī)掩蔽層40。可以在第一區(qū)域30和/ 或單晶化合物半導(dǎo)體層160中形成半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)。
參考圖3F,淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)70可以可選地形成在第一區(qū)域30與單晶 化合物半導(dǎo)體層160和單晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體合金層150的疊層之 間。蝕刻第一區(qū)域30和疊層的部分以形成淺溝槽，在該淺溝槽中形成淺溝 槽隔離結(jié)構(gòu)70。出于上述相同的原因，在采用了非選擇性外延的情況下， 淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)70的形成是非常有用的?？梢栽诘谝粎^(qū)域30和/或單晶化 合物半導(dǎo)體層160中形成附加的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)。
參考圖4A，形成了根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的第四示例性半導(dǎo)體結(jié) 構(gòu)，除了無機(jī)掩蔽層40替換為近紅外波長透明層140之外，采用與圖3D 所示的第三示例性結(jié)構(gòu)相同的制造方法。此外，由于在笫四實(shí)施例中存在 附加的單晶化合物半導(dǎo)體層，所以第三實(shí)施例中的單晶化合物半導(dǎo)體層 160在第四實(shí)施例中稱為第一單晶化合物半導(dǎo)體層160，。例如，笫一單晶 化合物半導(dǎo)體層160，包括GaAshPx,其中x的值的范圍約0.001到約0.999。 第一單晶化合物半導(dǎo)體層160，的厚度約50nm到約3jim。
近紅外波長透明層140在光i普波長的近紅外波長區(qū)域是透明的，該區(qū) 域?yàn)榧s800nm到約2400nm。用于近紅外波長透明層140的材料的非限制 性的實(shí)例包括氧化硅、氮化珪、碳化硅、氧化鋁、氮化鋁以及其它介質(zhì) 材料。 一般而言，可以采用具有大于約1.5eV的帶隙的任何的材料用于近 紅外波長透明層140。
參考圖4B，直接在笫一單晶化合物半導(dǎo)體層160，上外延生長第二單晶 化合物半導(dǎo)體層162。笫二單晶化合物半導(dǎo)體層162包括可以在笫一單晶 化合物半導(dǎo)體層160，上外延生長的GaAs、 InAs、 InP、另一III-V化合物 半導(dǎo)體合金、或者II-V化合物半導(dǎo)體合金。優(yōu)選地，第二單晶化合物半導(dǎo)
體合金層162的成分不同于第一單晶化合物半導(dǎo)體合金層160，的成分。例 如，第二單晶化合物半導(dǎo)體合金層162包括GaAsLyNy,其中y的值的范圍 約0.001到約0.10。
可以采用與第一實(shí)施例中外延生長單晶化合物半導(dǎo)體層60的方法相 同的方法，在第一單晶化合物半導(dǎo)體層160，上外延生長第二單晶化合物半 導(dǎo)體層162。第二單晶化合物半導(dǎo)體層162的厚度約0.5nm到約200nm。 第二單晶化合物半導(dǎo)體層162的頂表面可以位于第一區(qū)域30的頂表面之 上，位于與第一區(qū)域30的頂表面相同的光刻層、或者位于第一區(qū)域30的 頂表面之下。優(yōu)選地，第二單晶化合物半導(dǎo)體層162的頂表面與第一區(qū)域 30的頂表面位于相同的光刻層。
參考圖4C，直接在笫二單晶化合物半導(dǎo)體層162上外延生長第三單晶 化合物半導(dǎo)體層164。第三單晶化合物半導(dǎo)體層164包括可以在第二單晶 化合物半導(dǎo)體層162上外延生長GaAs、 InAs、 InP、另一III-V化合物半 導(dǎo)體合金、或者II-V化合物半導(dǎo)體合金。優(yōu)選地，第三單晶化合物半導(dǎo)體 合金層164的成分不同于笫二單晶化合物半導(dǎo)體M層162的成分。例如， 第三單晶化合物半導(dǎo)體層164包括GaAs^Px，其中x值的范圍從大約0.001 到大約0.999。
可以采用與第一實(shí)施例中外延生長單晶化合物半導(dǎo)體層60的方法相 同的方法，在第二單晶化合物半導(dǎo)體層162上外延生長第三單晶化合物半 導(dǎo)體層164。第一單晶化合物半導(dǎo)體層160，的厚度約50nm到約3^im。第 三單晶化合物半導(dǎo)體層164的頂表面可以位于第一區(qū)域30的頂表面之上， 與第一區(qū)域30的頂表面位于相同的光刻層、或者位于第一區(qū)域30的頂表 面之下。
應(yīng)當(dāng)理解，層162可以由不同成分的兩種單晶化合物半導(dǎo)體的多個(gè)交 替薄層的疊層形成以便形成多量子阱(MQW)，這是本領(lǐng)域技術(shù)人員所 公知的。
參考圖5A-5C，示出了根據(jù)本發(fā)明的第五實(shí)施例的笫五示例性半導(dǎo)體 結(jié)構(gòu)。圖5A是頂視圖；圖5B是沿面B-B，的垂直截面視圖；以及圖5C是
沿面c-c，的垂直截面視圖。
第五示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括處理襯底10、掩埋絕緣體層20以及至少 一個(gè)單晶IV族半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)34。至少一個(gè)單晶IV族半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)34包括第 一到第四實(shí)施例的第一區(qū)域30的材料，并可以通過光刻構(gòu)圖并蝕刻單晶 IV族半導(dǎo)體層29而形成，其包括硅或者鍺，并具有第 一 晶格常數(shù)和約50nm 到約6pm的厚度。
第五示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)還包括近紅外波長透明層140以及單晶晶格 失配的IV族半導(dǎo)體合金層150,單晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體合金層150 具有本發(fā)明第四實(shí)施例中所描述的第二晶格常數(shù)。如圖5B和5C所示，單 晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體合金層150鄰接掩埋氧化物層，或者可選地， 如圖1F所示，在單晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體合金層150與掩埋絕緣體層 20之間存在插入的減薄的第二區(qū)域30"。
第五示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)還包括在本發(fā)明第四實(shí)施例中所描述的單晶 化合物半導(dǎo)體層的疊層。具體而言，疊層包括
第一單晶化合物半導(dǎo)體層160，，鄰接單晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體合 金層150，其中第一單晶化合物半導(dǎo)體層160，的頂部部分具有第三晶格常 數(shù)，其中第二晶格常數(shù)是在第一晶格常數(shù)與第三晶格常數(shù)之間；
第二單晶化合物半導(dǎo)體層162，鄰接并外延對(duì)準(zhǔn)第一單晶化合物半導(dǎo) 體層160，；以及
第三單晶化合物半導(dǎo)體層164,鄰接并外延對(duì)準(zhǔn)第二單晶化合物半導(dǎo) 體層162。
與第四實(shí)施例一樣，層162可以由不同成分的兩種單晶化合物半導(dǎo)體 的多個(gè)交替薄層的疊層形成以便形成多量子阱(MQW)，這是本領(lǐng)域技 術(shù)人員所/>知的。
至少一個(gè)單晶rv族半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)34包括波導(dǎo)。該波導(dǎo)從遠(yuǎn)離疊層直到 第一距離dl具有增加的截面面積，其中該距離是連接波導(dǎo)內(nèi)的給定點(diǎn)與 在疊層內(nèi)的任一點(diǎn)的所有矢量中的最短矢量的量值，并且在垂直于最短矢 量的平面內(nèi)測(cè)量截面面積。
至少一個(gè)單晶1￥族半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)34還包括多個(gè)波導(dǎo)。例如，另一波導(dǎo)， 其從遠(yuǎn)離疊層直到第二距離d2具有逐漸增加的截面面積，其中該距離是 連接該另一波導(dǎo)內(nèi)的給定點(diǎn)與在疊層內(nèi)的任一點(diǎn)的所有矢量中的最短矢量 的量值，并且在垂直于最短矢量的平面內(nèi)測(cè)量截面面積。
在疊層之內(nèi)的各種單晶化合物半導(dǎo)體層(160，， 162， 164)可被構(gòu)圖 以使第一單晶化合物半導(dǎo)體層160，和第三單晶化合物半導(dǎo)體層164具有不 同面積，并且金屬接觸180可形成在各種單晶化合物半導(dǎo)體層(160，， 162， 164)中的至少兩種上。具體而言，通過相對(duì)于笫一單晶化合物半導(dǎo)體層 160，，減小第二和第三單晶化合物半導(dǎo)體層(162， 164)的面積，將接觸 180形成到第一和第三單晶化合物半導(dǎo)體層(160，， 164)。此處還明確考 慮了到第二單晶化合物半導(dǎo)體層162的可選的接觸。
優(yōu)選地，第二單晶化合物半導(dǎo)體層162包括具有直接帶隙并且能夠放 大或發(fā)射激光的材料。具有直接帶隙并且能夠放大或發(fā)射激光的示例性材 料包括GaAs以及由其它元素部分替代Ga或者As而得到的化合物半導(dǎo)體 材料。特定的實(shí)例，第一單晶化合物半導(dǎo)體層160，和第三單晶化合物半導(dǎo) 體層164包括GaAs^Px，并且第二單晶化合物半導(dǎo)體層162包括 GaAsLyNy，其中x的范圍為約0.001到大約0.999，以及y的范圍為約0.001 到約O，IO。
優(yōu)選地，第一單晶化合物半導(dǎo)體層160，的長度約ljim到約lcm，并且 寬度約200nm到約2(Him，其中長度大于寬度。
優(yōu)選地，第二單晶化合物半導(dǎo)體層162的厚度約lnm到約100nm, 并且第一和第三單晶化合物半導(dǎo)體層(160，， 164 )的厚度為約50nm到約
第二單晶化合物半導(dǎo)體層162的垂直高度的范圍在波導(dǎo)的垂直高度的 范圍之內(nèi)。換言之，至少一個(gè)單晶IV族半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)34的頂表面位于笫二 單晶化合物半導(dǎo)體層162的頂表面之上，并且至少一個(gè)單晶IV族半導(dǎo)體 結(jié)構(gòu)34的底表面位于第二單晶化合物半導(dǎo)體層162的底表面之下。通過至 少一個(gè)單晶IV族半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)34,該幾何設(shè)置增加了光收集的效率，其中
至少一個(gè)單晶IV族半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)34是至少一個(gè)光波導(dǎo)。
雖然根據(jù)特定的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是根據(jù)上述描述，顯
然，許多替代、修改和變化將對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員變得顯而易見。因此， 本發(fā)明旨在包括落入本發(fā)明以及下面的權(quán)利要求的范圍和精神之內(nèi)的所有 這樣的替代、修改和變化。
權(quán)利要求
1. 一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括:處理襯底；掩埋絕緣體層，鄰接所述處理襯底；至少一個(gè)單晶IV族半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，具有第一晶格常數(shù)，鄰接所述掩埋絕緣體層，并包括選自硅、鍺、碳及其合金的材料；單晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體合金層，位于所述掩埋絕緣體層上，并包含具有第二晶格常數(shù)的頂部部分，其中所述第二晶格常數(shù)與所述第一晶格常數(shù)不同；以及單晶化合物半導(dǎo)體層的疊層，所述疊層包含:第一單晶化合物半導(dǎo)體層，鄰接所述單晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體合金層并具有第三晶格常數(shù)，其中所述所述第二晶格常數(shù)在所述第一晶格常數(shù)與所述第三晶格常數(shù)之間；第二單晶化合物半導(dǎo)體層，鄰接并外延對(duì)準(zhǔn)所述第一單晶化合物半導(dǎo)體層；以及第三單晶化合物半導(dǎo)體層，鄰接并外延對(duì)準(zhǔn)所述第二單晶化合物半導(dǎo)體層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述至少 一個(gè)單晶IV族半導(dǎo) 體結(jié)構(gòu)包括波導(dǎo)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述波導(dǎo)從遠(yuǎn)離所述疊層直 到第 一距離具有增加的截面面積，其中所i^巨離是連接所述波導(dǎo)內(nèi)的給定 點(diǎn)與所述疊層內(nèi)的任一點(diǎn)的所有矢量中的最短矢量的量值，并且在垂直于 所述最短矢量的平面內(nèi)測(cè)量所述截面面積。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，還包括鄰接所述疊層和所述波導(dǎo) 的近紅外透明層。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述第二單晶化合物半導(dǎo)體 層包括具有直接帶隙并能夠放大或者發(fā)射激光束的材料。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述第一單晶化合物半導(dǎo)體 層和所述笫三單晶化合物半導(dǎo)體層包括GaASl_xPx，并且所述第二單晶化合 物半導(dǎo)體層包括GaASl.yNy，其中x的范圍為約0.001到約0.999，以及y 的范圍為約0.001到約0.10。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述第一單晶化合物半導(dǎo)體 層具有約ljwn到約lcm的長度和約200nm到約20pm的寬度，其中所述 長度大于所述寬度。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述第二單晶化合物半導(dǎo)體 層的垂直高度的范圍在所述波導(dǎo)的垂直高度的范圍之內(nèi)。
9. 一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括 處理襯底；掩埋絕緣體層，鄰接所述處理襯底；第一單晶IV族半導(dǎo)體層，垂直鄰接所述掩埋絕緣體層并具有第一晶 格常數(shù)，并且包括選自硅、鍺、碳及其合金的材料；第二單晶iv族半導(dǎo)體層，垂直鄰接所述掩埋絕緣體層，與所述第一 單晶IV族半導(dǎo)體層分離，并且包含具有所述第一晶格常數(shù)，并包括與所 述第一單晶IV族半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)相同的材料；單晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體合金層，垂直鄰接所述第二單晶IV族半 導(dǎo)體層并包含具有第二晶格常數(shù)的頂部部分，其中所述第二晶格常數(shù)不同 于所迷第一晶格常數(shù)；以及至少一個(gè)單晶化合物半導(dǎo)體層，鄰接所述單晶晶格失配的iv族半導(dǎo)體合金層并具有第三晶格常數(shù)，其中所述第二晶格常數(shù)為在所述第一晶格 常數(shù)與所述第三晶格常數(shù)之間，其中所述第一單晶IV族半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的頂 表面與所述至少一個(gè)單晶化合物半導(dǎo)體層的頂表面在相同的光刻層上。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述第一單晶IV族半導(dǎo)體 結(jié)構(gòu)的所述頂表面與所述至少 一個(gè)單晶化合物半導(dǎo)體層的所述頂表面具有 小于1000nm的垂直足巨離。
11. 一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括 處理4十底；掩埋絕緣體層，鄰接所述處理村底；單晶IV族半導(dǎo)體層，垂直鄰接所述掩埋絕緣體層并具有第一晶格常 數(shù)，以及包括選自硅、鍺、碳及其合金的材料；單晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體合金層，垂直鄰接所述掩埋絕緣體層， 并包含具有笫二晶格常數(shù)的頂部部分，其中所述第二晶格常數(shù)不同于所述 第一晶格常數(shù)；以及至少一個(gè)單晶化合物半導(dǎo)體層，鄰接所述單晶晶格失配的IV族半導(dǎo) 體合金層并具有第三晶格常數(shù)，其中所述第二晶格常數(shù)為在所述第一晶格 常數(shù)與所述第三晶格常數(shù)之間，其中所述第一單晶IV族半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的頂 表面與所述至少一個(gè)單晶化合物半導(dǎo)體層的頂表面在相同的光刻層上。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述第一單晶IV族半導(dǎo)體 結(jié)構(gòu)的所述頂表面與所述至少一個(gè)單晶化合物半導(dǎo)體層的所述頂表面具有 小于1000nm的垂直iE巨離。
13. —種的形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)方法，包括提供具有單晶IV族半導(dǎo)體層的絕緣體上半導(dǎo)體層，所述單晶IV族半 導(dǎo)體層具有第一晶格常數(shù)，其中所述單晶IV族半導(dǎo)體層包括選自硅、鍺、 碳及其合金的材料；在所述單晶IV族半導(dǎo)體層中形成至少一個(gè)隔離溝槽，并且由所述單 晶IV族半導(dǎo)體層的剩余部分形成第一區(qū)域和第二區(qū)域，其中所述第一與 第二區(qū)域通過所述至少一個(gè)隔離溝槽分離；使用無機(jī)掩蔽層或者近紅外波長透明層掩蔽所述第一區(qū)域；形成單晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體合金層，所述單晶晶格失配的IV族 半導(dǎo)體合金層鄰接所述第二區(qū)域并包含具有第二晶格常數(shù)的頂部部分，其 中所述第二晶格常數(shù)不同于所述第一晶格常數(shù)；以及鄰接所述單晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體M層外延生長至少一個(gè)單晶 化合物半導(dǎo)體層，其中所述單晶化合物半導(dǎo)體層具有第三晶格常數(shù)，以及 其中所述第二晶格常數(shù)為在所述第一晶格常數(shù)與所述第三晶格常數(shù)之間。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13的方法，形成所述單晶IV族半導(dǎo)體合金層包括 以下步驟直接在所述第二區(qū)域上形成另一IV族區(qū)域，其中所述另一IV族區(qū)域 包括不同于所述單晶IV族半導(dǎo)體層的元素的至少一種IV族元素；以及退火所述另一 IV族區(qū)域和所述笫二區(qū)域以擴(kuò)散在所述另一 IV族區(qū)域 與所述第二區(qū)域之間的成分界面，從而形成具有梯度或均勻的成分的單合 金區(qū)域，所述單合金區(qū)域構(gòu)成所述單晶IV族半導(dǎo)體合金。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中形成所述單晶晶格失配的IV族半 導(dǎo)體合金層包括直接在所述笫二部分上選擇性外延淀積單晶晶格失配的 IV族半導(dǎo)體合金層，而所述單晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體合金層在所述無 機(jī)掩蔽層或者所述近紅外波長透明層之上基本不生長。
16. 根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中形成所述單晶晶格失配的IV族半 導(dǎo)體合金層包括直接在所述第二部分上非選擇性外延淀積單晶晶格失配的IV族半導(dǎo) 體合金層，而在所述無4幾掩蔽層或者所述近紅外波長透明層上形成非單晶 IV族半導(dǎo)體合金；以及從所述無機(jī)掩蔽層或者所述近紅外波長透明層之上去除所述非單晶 IV族半導(dǎo)體合金。
17. 根據(jù)權(quán)利要求13的方法，還包括在形成所述單晶晶格失配的IV 族半導(dǎo)體合金層之前，減薄所述第二區(qū)域。
18. 根據(jù)權(quán)利要求13的方法，還包括由所述第一區(qū)域形成至少一個(gè) 單晶IV族半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中所述至少一個(gè)單晶IV族半導(dǎo)體結(jié) 構(gòu)是波導(dǎo)，所述波導(dǎo)從遠(yuǎn)離所述疊層直到笫一距離具有增加的截面面積， 其中所i4J巨離是連接所述波導(dǎo)內(nèi)的給定點(diǎn)與所述疊層內(nèi)的任一點(diǎn)的所有矢 量中的最短矢量的量值，并且在垂直于所述最短矢量的平面內(nèi)測(cè)量所述截 面面積。
20. 根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中外延生長至少一個(gè)單晶化合物半 導(dǎo)體層包括直接在所述單晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體合金層上外延生長具有所述 笫三晶格常數(shù)的第 一單晶化合物半導(dǎo)體層；直接在所述第一單晶化合物半導(dǎo)體層上外延生長第二單晶化合物半導(dǎo) 體層；以及直接在所述笫二單晶化合物半導(dǎo)體層上外延生長第三單晶化合物半導(dǎo) 體層。
全文摘要
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其形成方法。提供了一種包含單晶IV族半導(dǎo)體的半導(dǎo)體襯底。在半導(dǎo)體層的一部分上外延生長單晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體合金層，同時(shí)掩蔽所述半導(dǎo)體層的另一部分。調(diào)整所述晶格失配的IV族半導(dǎo)體合金層的頂部部分的成分以基本上匹配所述單晶化合物半導(dǎo)體層的晶格常數(shù)，隨后在所述單晶晶格失配的IV族半導(dǎo)體合金層上外延生長所述單晶化合物半導(dǎo)體層。這樣，就在相同的半導(dǎo)體襯底上提供了具有所述IV族半導(dǎo)體層和所述單晶化合物半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)。IV族半導(dǎo)體器件例如硅器件以及化合物半導(dǎo)體器件例如具有激光發(fā)射能力的GaAs器件，都可以形成在所述半導(dǎo)體襯底的相同的光刻層上。
文檔編號(hào)H01L21/02GK101383356SQ200810213770
公開日2009年3月11日 申請(qǐng)日期2008年9月4日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月7日
發(fā)明者D·K·薩達(dá)那, T·巴爾維奇 申請(qǐng)人:國際商業(yè)機(jī)器公司