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在硅基板上形成III/V族共形層的方法與制造工藝

文檔序號(hào):11057199閱讀:526來源:國知局
在硅基板上形成III/V族共形層的方法與制造工藝
在硅基板上形成III/V族共形層的方法發(fā)明背景發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明的實(shí)施例一般涉及使用III族成核層在硅基板上形成III/V族材料的處理。相關(guān)技術(shù)的描述由于寬能隙(widebandgap)、高熱導(dǎo)率和大電擊穿場(electricalbreakdownfield),III/V族半導(dǎo)體具有作為高溫、高頻及高功率微電子元件和紫外光/藍(lán)光/綠光光電元件的有用材料的顯著潛力。微電子裝置應(yīng)用包括AlGaNGaN多層基的激光二極管(AlGaNGaNmultilayer-basedlaserdiode)、高電子遷移率晶體管(highelectronmobilitytransistor,HEMT)、場效應(yīng)晶體管(FET)、異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管(heterojunctionbipolartransistor,HBT)、發(fā)光二極管(lightemittingdiodes,LED)、紫外光光檢測器(ultra-violetphotodetector),以及通常包括用于高頻、高功率通信、用于高密度光學(xué)存儲(chǔ)、全彩色顯示器(full-colordisplay)及用于其他寬能隙半導(dǎo)體應(yīng)用的(Al,In,Ga)N基礎(chǔ)的裝置。此外,能夠?qū)崿F(xiàn)III/V族材料性能優(yōu)勢的表面層可裝有(host)各種不同的諸如從極高遷移率材料所制造的CMOS和量子阱(QW)晶體管的高性能電子裝置,所述極高遷移率材料例如(但不限定于)是銻化銦(indiumantimonide,InSb)和砷化銦(indiumarsenide,InAs)。例如激光、檢測器和光生伏打電池的光學(xué)裝置也可由各種不同的其他直接能隙材料(directbandgapmaterials),例如,但不限定于,砷化鎵(galliumarsenide,GaAs)和砷化銦鎵(indiumgalliumarsenide,InGaAs)所制成。雖然此類層的優(yōu)點(diǎn)和效用,但是在硅基板上生長III/V族材料出現(xiàn)許多的挑戰(zhàn)。晶體缺陷可由在III/V族半導(dǎo)體外延層與硅半導(dǎo)體基板之間的晶格失配(latticemismatch)、極性貼非極性失配(polar-on-nonpolarmismatch)和熱失配(thermalmismatch)產(chǎn)生。當(dāng)外延層與基板間的晶格失配超過一些百分點(diǎn)時(shí),失配所引起的應(yīng)變將變得過大且當(dāng)外延膜松弛時(shí),缺陷將在外延層內(nèi)產(chǎn)生。一旦膜厚度大于臨界厚度(低于此厚度,膜被拉緊且高于此厚度,膜被松弛),應(yīng)變是通過在膜和基板界面以及在外延膜中產(chǎn)生失配位錯(cuò)(misfitdislocation)而被松弛。外延晶體缺陷通常為線位錯(cuò)(threadingdislocation)、堆垛層錯(cuò)(stackingfault)和雙晶面(twins)(在周期性斷裂處晶格的一部分是另一部分的鏡像)。許多缺陷,特別是線位錯(cuò),傾向傳播到半導(dǎo)體裝置被制造的“裝置層(devicelayer)”。通常,缺陷產(chǎn)生的嚴(yán)重性與III/V族半導(dǎo)體和硅基板間的晶格失配數(shù)量有關(guān)。已有不同的緩沖層被用來試圖減輕由硅基板和III/V族裝置層間的晶格失配所引起的應(yīng)變,且由此減少III/V族層的有害缺陷密度(detrimentaldefectdensity)。然而,在硅基板的不同表面方位間的層均勻度仍然是一個(gè)問題。沉積具有CMOS特征的III/V族層的相關(guān)困難是在硅基板上的共形沉積。傳統(tǒng)上,在異質(zhì)外延中,緩沖層必須生長得很厚,例如緩沖層厚度為1微米或者更厚,以克服在層間的失配且產(chǎn)生高質(zhì)量的結(jié)晶膜。因此,在不同結(jié)晶方位形成共形層需要沉積厚層以調(diào)節(jié)上述對(duì)于在CMOS上形成小特征并非最佳的晶體缺陷。因此,有普遍的需要是具有高沉積速率的沉積工藝,能夠在大基板或多重基板上方均勻地沉積III/V族膜而不需考慮到晶格失配、極性貼非極性失配或其他的困難。再者,對(duì)于本領(lǐng)域也需要一種改良的沉積方法,即不需要厚緩沖層用于硅基板上生長III/V族結(jié)晶層。發(fā)明概述本發(fā)明的各實(shí)施例一般涉及使用III族成核層形成III/V族層的方法。III/V族層可以是任何的III/V族層且可以在文獻(xiàn)中已知的金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(metalorganicchemicalvapordeposition,MOCVD)的一般條件下被沉積。重要的是當(dāng)同時(shí)產(chǎn)生高質(zhì)量結(jié)晶膜時(shí),沉積共形于不同的表面方位上。在一個(gè)實(shí)施例中,提供一種在基板上形成共形層的方法,該方法包括:從該基板去除原生氧化物之后,將該基板在處理腔室內(nèi)定位;將該基板加熱至第一溫度;將該基板冷卻至第二溫度;和將III族前驅(qū)物流入該處理腔室以給該基板加入晶種。一或更多個(gè)實(shí)施例可進(jìn)一步包括當(dāng)將III族前驅(qū)物和V族前驅(qū)物流入該處理腔室時(shí),將該處理腔室維持在該第二溫度,直到形成共形二元III/V族層。接著當(dāng)停止III族前驅(qū)物的流動(dòng)時(shí),該處理腔室可被加熱至第三溫度。在依序的冷卻回到該第二溫度之后,處理終止。在另一實(shí)施例中,在基板上形成共形層的方法可包括:將基板在處理腔室內(nèi)定位;調(diào)整該處理腔室的溫度至第一溫度;將III族前驅(qū)物流入該處理腔室以產(chǎn)生成核層;將III族前驅(qū)物和V族前驅(qū)物流入該處理腔室以產(chǎn)生二元III/V族緩沖層;當(dāng)停止該第二III族前驅(qū)物的流動(dòng)時(shí),將該處理腔室加熱至第二溫度;將該處理腔室冷卻至該第一溫度;依序重復(fù)該前驅(qū)物、退火和冷卻步驟直到達(dá)到所期望的二元III/V族緩沖層厚度。在某些實(shí)施例中,硅基板可包括:具有電介質(zhì)和半導(dǎo)體兩種區(qū)域的上表面,III族成核層設(shè)置在該硅基板的至少一個(gè)表面上,其中該III族成核層由一或更多個(gè)III族元素所構(gòu)成;和位于該III族成核層上方的III/V族緩沖層。在一或更多個(gè)實(shí)施例中,該基板可進(jìn)一步包括形成于該緩沖層上的一或更多層二元或三元的III/V族層。所述二元或三元III/V族層可包括一或更多個(gè)III族或一或更多個(gè)V族元素,所述二元或三元III/V族層可由使用于該緩沖層或該成核層中的相同的III族或相同的V族元素所構(gòu)成且可以是共形層。附圖簡要說明因此,可實(shí)現(xiàn)且可更詳細(xì)地了解本發(fā)明上述列舉特征的方式,可參考各實(shí)施例獲得上文簡單概括的本發(fā)明更具體的敘述,各實(shí)施例圖示于所附附圖中。圖1A描繪根據(jù)一或更多個(gè)實(shí)施例的在基板上形成成核層和緩沖層的方法的流程圖。圖1B描繪根據(jù)一或更多個(gè)實(shí)施例的在具有已形成成核層和緩沖層的基板上形...
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