通過橫向擴(kuò)散液相外延的半導(dǎo)體形成的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及通過橫向擴(kuò)散液相外延來生長半導(dǎo)體材料的方法，該方法包括以下步驟：提供具有晶體結(jié)構(gòu)的單晶半導(dǎo)體基片，其中該基片的至少一部分被掩模層覆蓋，該掩模層具有至少一個用于在所述基片上產(chǎn)生種子線的開口；放置具有防止半導(dǎo)體生長的表面條件的板，使其與所述種子線基本重疊，其中所述板與所述基片分開一定距離；使用生長液包圍所述板和所述基片，該生長液包含處于至少一種熔融金屬中的半導(dǎo)體的飽和溶液；將所述板和所述基片放入加熱至一定溫度的爐；和降低爐的溫度，以促進(jìn)飽和溶液中的半導(dǎo)體沉淀并引發(fā)半導(dǎo)體在所述基片上沿種子線外延生長，其中所述板起到限制沿垂直方向的外延生長的作用。
【專利說明】通過橫向擴(kuò)散液相外延的半導(dǎo)體形成
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求2011年5月17日遞交的美國臨時申請61/487，005號的優(yōu)先權(quán)，通過援引將其內(nèi)容并入本說明書中。
【背景技術(shù)】
[0003]當(dāng)前，用于單晶半導(dǎo)體晶片或基片制造的技術(shù)涉及從單晶半導(dǎo)體晶錠切割薄晶片。切割之后，晶片需要拋光以除去切割加工所造成的損壞。切割和拋光加工是昂貴的，并且引起大量材料浪費(fèi)。
[0004]液晶外延(LPE)技術(shù)系為解決這些問題而開發(fā)，并已用于在大大低于所沉積的半導(dǎo)體熔點(diǎn)的溫度從基片上的熔融物生長優(yōu)質(zhì)半導(dǎo)體層。與其他外延技術(shù)相比，LPE具有較高的生長速率，而裝置和操作的資金成本均較低。
[0005]許多金屬可以用于LPE硅生長，如錫、銅、鋁和銦。形成了硅的熔融金屬溶液。由于銦具有低熔點(diǎn)(156.6°C)，因此較多的硅會溶解于液銦中，從而形成銦/硅合金。由于硅在銦中的溶解度隨溫度降低而降低，因此當(dāng)硅飽和的銦熔融物的溫度降低時，硅在銦中的溶解度的降低導(dǎo)致硅成核以及在基片上外延生長。在溫度為1300°C時，銦在硅中的最大溶解度為2.5 X IO18原子/cm—3。
[0006]液相外延的限制之一在于外延生長的結(jié)構(gòu)必須在單晶基片上得到支持。因此，新晶片必須從支持基片上切除，導(dǎo)致材料因切割和拋光而損失，由此增加了生產(chǎn)成本。因此，仍然需要生長自支持的單晶半導(dǎo)體片的技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本文公開的是通過橫向擴(kuò)散液相外延(Lateral Diffusion Liquid PhaseEpitaxy)生長半導(dǎo)體材料的方法，目的是實(shí)現(xiàn)自支持的液晶半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
[0008]在一個實(shí)施方式中，描述了一種生長半導(dǎo)體晶片的方法。所述方法可以包括:提供單晶半導(dǎo)體基片，所述基片有至少一部分被掩模層所覆蓋，該掩模層具有至少一個產(chǎn)生種子線(seed line)用開口 ；放置一塊與種子線基本重疊的板，使該板與基片分開一定距離；使用生長液包圍板和基片；將板和基片放入經(jīng)加熱的爐中；并降低爐溫。板可以具有防止半導(dǎo)體生長的表面條件。生長液可以包括處于至少一種熔融金屬中的半導(dǎo)體的飽和溶液。降低爐溫可以促進(jìn)半導(dǎo)體沉淀，并引發(fā)半導(dǎo)體在基片上沿種子線外延生長。板起到限制沿垂直方向的外延生長的作用。
[0009]在一個實(shí)施方式中，描述了一種適于生長半導(dǎo)體晶片的耐火裝置。該裝置可以包括滑舟(slideboat)、第一滑塊和第二滑塊?；劭梢员粯?gòu)造為可保持處于至少一種熔融金屬中的半導(dǎo)體的飽和溶液。第一滑塊可以被構(gòu)造為可保持至少一塊板。第二滑塊可以被構(gòu)造為可保持至少一個基片和至少一個晶片。放置第一滑塊和第二滑塊，使得所述至少一個基片和所述至少一塊板分開一定距離，并且所述至少一塊板與所述至少一個基片基本重疊。所述至少一塊板起到限制至少一個晶片沿垂直方向的外延生長和促進(jìn)沿水平方向的外延生長的作用。
[0010]在一個實(shí)施方式中，半導(dǎo)體晶片可以通過下述方法制備，所述方法包括:提供單晶半導(dǎo)體基片，所述基片有至少一部分被掩模層所覆蓋，所述掩模層具有至少一個產(chǎn)生種子線用開口 ；放置一塊與種子線基本重疊的板，使該板與基片分開一定距離；使用生長液包圍板和基片；將板和基片放入經(jīng)加熱的爐中；并降低爐溫。板可以具有防止半導(dǎo)體生長的表面條件。生長液可以包括半導(dǎo)體在至少一種熔融金屬中的飽和溶液。降低爐溫可以促進(jìn)半導(dǎo)體沉淀，并引發(fā)半導(dǎo)體在基片上沿種子線外延生長。板起到限制沿垂直方向的外延生長的作用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1顯示的是銦/硅體系的二元相圖。
[0012]圖2顯示的是一個實(shí)施方式的說明性耐火裝置。
[0013]圖3顯示的是基片和種子線取向。
[0014]圖4顯示的是LPE硅生長的一個周期。
[0015]圖5顯示的是種子線與中央條交叉點(diǎn)處的單晶硅條帶的45°視圖。
[0016]圖6顯示的是沿一條種子線生長的兩個硅條帶的45°視圖。
[0017]圖7顯示的是在一條種子線上的LPE硅條帶的橫截面圖。
[0018]圖8顯示的是LPE硅條帶的底平面與基片表面之間的4°角和硅條帶的面與面之間的70°角。
[0019]圖9顯示的是在910°C的較差成核所引起的中央條區(qū)中的穴和孔。
[0020]圖10顯示的是其生長在910°C終止的硅條帶的橫截面。
[0021]圖11以二維橫截面圖顯示了推定的生長過程。
[0022]圖12顯示的是在100X50的蝕刻背溝中的1000個硅原子生長。
[0023]圖13顯示的是在100X 10的蝕刻背溝中的硅原子生長和在掩模上的過度生長。
【具體實(shí)施方式】
[0024]本公開內(nèi)容不限于所描述的特定系統(tǒng)、裝置和方法，它們可以有所變化。描述中所使用的術(shù)語僅旨在描述特定形式或?qū)嵤┓绞剑灰庠谙拗品秶?br> [0025]除非上下文明確指出，本文件中所使用的單數(shù)形式“一種”和“該”(“a”、“an”和“the”)包括復(fù)數(shù)指代物。除非另有限定，否則本文中所使用的所有科技術(shù)語具有與本領(lǐng)域技術(shù)人員通常理解的相同的含義。本公開中的任何內(nèi)容均不應(yīng)解釋為承認(rèn)本公開所描述的實(shí)施方式不能享有借助作為在先發(fā)明而先于這些公開內(nèi)容的權(quán)利。本文件中所使用的術(shù)語“包括”是指“包括但不限于”。
[0026]術(shù)語“晶片(wafer)，，、“片(sheet) ”、“小片(platelet) ”及其復(fù)數(shù)是指所指代的材料的薄結(jié)構(gòu)，并且除非上下文明確指出，否則被可互換地使用。
[0027]本文公開的是通過橫向擴(kuò)散液相外延生長半導(dǎo)體材料的方法，目的是實(shí)現(xiàn)自支持的液晶半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。本文所公開的方法通過限制基片上的垂直方向成核而有利于沿側(cè)壁的結(jié)構(gòu)生長。這引起表面光滑度的增強(qiáng)，由此降低或消除了對于拋光由此形成的片或晶片的表面(及其造成的損耗)的需求。該方法中所使用的設(shè)備的幾何形狀限制了由此生長的片的厚度，由此獲得高縱橫比(寬/厚)的片。
[0028]在一些方面中，描述了一種生長半導(dǎo)體晶片的方法。所述方法可以包括:提供單晶半導(dǎo)體基片，所述基片有至少一部分被掩模層所覆蓋，該掩模層具有至少一個產(chǎn)生種子線(seed line)用開口 ；放置一塊與種子線基本重疊的板，使該板與基片分開一定距離；使用生長液包圍板和基片；將板和基片放入經(jīng)加熱的爐中；并降低爐溫。板可以具有防止半導(dǎo)體生長的表面條件。生長液可以包括處于至少一種熔融金屬中的半導(dǎo)體的飽和溶液。降低爐溫可以促進(jìn)半導(dǎo)體沉淀，并引發(fā)半導(dǎo)體在基片上沿種子線外延生長。板起到限制沿垂直方向的外延生長的作用。
[0029]在一些實(shí)施方式中，基片可以由如S1、GaAs、Ge、SiC等半導(dǎo)體材料或其組合構(gòu)成。
[0030]在一些實(shí)施方式中，所述方法可以還包括在用掩模層覆蓋之前清潔基片。在一些實(shí)施方式中，清潔可以包括在如丙酮、甲醇、乙醇、丙醇等有機(jī)溶劑或其組合存在下對基片進(jìn)行超聲處理，以除去基片表面的任何有機(jī)殘余物。在一些實(shí)施方式中，可以將基片在沸騰的酸溶液(例如，H2SO4的H2O2溶液和HCl的H2O2溶液)中進(jìn)一步清潔，隨后用水沖洗。在一些實(shí)施方式中，水可以是去離子水。在一些實(shí)施方式中，基片可能存在有原生氧化物薄層。在一些實(shí)施方式中，該氧化物薄層通過將基片暴露于適當(dāng)酸蝕刻劑溶液而去除，所述酸蝕刻劑溶液例如為緩沖的 HF、KOH、HC1+H3P04、H3P04+H202+H20、H2S04+H202+H20、C6H807+H202、hci+hno3+h2o、hno3+h2so4:h2o 和 / 或 hcl+h2o2+h2o 等。
[0031]在一些實(shí)施方式中，所述方法可以還包括利用光刻法在掩模層上圖案化形成種子線。在一些實(shí)施方式中，可以以適當(dāng)蝕刻劑溶液(諸如HF的緩沖溶液)蝕刻如SiO2和/或Si3N4等掩模層 的一部分，以在基片上獲得種子線。在一些實(shí)施方式中，種子線可以具有約10 μ m~約1000 μ m的寬度。種子線寬度的實(shí)例包括約10 μ m、約50 μ m、約100 μ m、約200 μ m、約 300 μ m、約 400 μ m、約 500 μ m、約 600 μ m、約 700 μ m、約 800 μ m、約 900 μ m、約1000 μ m，以及這些值中任意兩個之間的范圍。
[0032]在一些實(shí)施方式中，生長液可以是例如處于熔融的如In、Sn、Al、Au、Pb、Cu、Ga等
金屬或其組合中的半導(dǎo)體的飽和溶液。熔融金屬的具體選擇可取決于下述因素，例如特定基片材料、金屬的熔點(diǎn)、擬沉積的半導(dǎo)體的熔點(diǎn)、半導(dǎo)體在熔融金屬中的溶解度，和半導(dǎo)體在熔融金屬中的溶解度的溫度依賴性等。在一些實(shí)施方式中，取決于所選擇的半導(dǎo)體和熔融金屬，理想的是，在使用生長液包圍基片和板之前，先使用生長液預(yù)潤濕基片和板。
[0033]在一些實(shí)施方式中，生長液和基片可以放置在滑舟中。在一些實(shí)施方式中，板被放置在滑動條上，所述滑動條可以經(jīng)構(gòu)造以適配在滑舟上。為使半導(dǎo)體在基片上的外延生長連續(xù)進(jìn)行，在一些實(shí)施方式中可能需要補(bǔ)充溶解在生長液中的半導(dǎo)體。在一些實(shí)施方式中，可以另外將半導(dǎo)體材料的源晶片放在生長液中，其目的是補(bǔ)充生長液中的半導(dǎo)體。對于作為其他選擇的適當(dāng)?shù)某洚?dāng)生長液的金屬的選擇對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是公知的，在所述生長液中所需半導(dǎo)體是飽和的以便沉積。類似地，適當(dāng)?shù)臓t溫、加熱/冷卻時間和速率和其他爐條件可以由技術(shù)人員優(yōu)化。
[0034]在一些實(shí)施方式中，滑舟和滑動條可以由如石墨、氧化鋁、二氧化硅、鎢、氧化鋯、硅酸鋯(IV)等耐火材料和/或其組合制成。
[0035]在一些實(shí)施方式中，板和基片可以分開一定距離。在一些實(shí)施方式中，板與基片之間的距離可以為約0.25mm~約0.5mm。[0036]在一些實(shí)施方式中,在將基片和板放入爐之前可以先將爐抽空。在一些實(shí)施方式中，爐可以還填充有如氫氣等氣體以防止生長液、基片或爐內(nèi)的任何其他組分氧化。
[0037]在一些實(shí)施方式中，外延生長可以通過將基片移離生長液而終止。
[0038]通常，在生長進(jìn)行中沿種子線生長的結(jié)構(gòu)被稱作小片(platelet)。板起到限制沿垂直方向的外延生長的作用。這引起沿水平方向的外延生長，使得所獲得的小片的寬度隨著更多半導(dǎo)體得到沉積而增加。因此，通過本技術(shù)生長的晶片可以具有大于I的縱橫比(寬度與厚度之比)，這取決于生長何時終止。在一些實(shí)施方式中，所獲得的小片的縱橫比可以為約0.5~約2.75?？v橫比的具體實(shí)例包括約0.5、約0.75、約1、約1.25、約1.5、約1.75、約2、約2.25、約2.5、約2.75，以及這些值中任意兩個之間的范圍。
[0039]在一些實(shí)施方式中，基片可以是摻雜過的或未摻雜的硅晶片。由于硅的晶體結(jié)構(gòu)不同于二氧化硅，因此在二氧化硅表面上不發(fā)生硅生長，使得當(dāng)基片為硅時，二氧化硅成為適合用于掩模層和適合用于板的材料。在一些實(shí)施方式中，用于娃晶片的掩模層可以由二氧化硅制成。在一些實(shí)施方式中，可以通過硅晶片的干式氧化而將二氧化硅沉積在硅晶片上。在一些實(shí)施方式中，板可以由二氧化硅制成。
[0040]銦具有156.2°C的較低熔點(diǎn)。硅溶于熔融銦，并與銦在高溫下不反應(yīng)。硅在銦中的溶解度隨溫度升高而升高，使銦成為適用于生長液的材料(參見圖1中的相圖)。在一些實(shí)施方式中，生長液可以是硅的銦飽和溶液。在一些實(shí)施方式中，可以在將基片和板放入爐之前先將爐加熱至約950°C。在一些實(shí)施方式中，在使用生長液包圍基片和板之前，可以先將生長液、基片和板在氫氣存在下于爐中烘烤約8小時~24小時，以除去任何氧化的材料。在一些實(shí)施方式中，在使用生長液包圍基片和板之后，可以將爐溫降低至約850°C。在一些實(shí)施方式中 ，以約0.250C /分鐘的速率降溫。
[0041]本公開內(nèi)容的教導(dǎo)不限于本文所述的特定材料和參數(shù)值。用于基片、掩模層、板、滑舟和滑動條等的適當(dāng)?shù)膫溥x材料對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的。類似地，本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠優(yōu)化實(shí)施所公開的方法所需的各參數(shù)，所述參數(shù)例如為但不限于板與基片之間的距離、方法中各步驟的溫度、加熱/冷卻速率、預(yù)潤濕的持續(xù)時間、設(shè)備的熱固化持續(xù)時間和種子線的尺寸等。
[0042]在一些方面中，描述了一種適于生長半導(dǎo)體晶片的耐火裝置。圖2顯示的是一個實(shí)施方式的說明性耐火裝置。在一些實(shí)施方式中，裝置可以包括滑舟(參見圖2(b))、第一滑塊(滑塊I)和第二滑塊(滑塊2)?；劭梢员粯?gòu)造來保持處于至少一種熔融金屬中的半導(dǎo)體的飽和溶液。第一滑塊可以被構(gòu)造為可保持至少一塊板(圖2(a)中所示的硅板)。第二滑塊可以被構(gòu)造為可保持至少一個基片和至少一個晶片。放置第一滑塊和第二滑塊，使得所述至少一個基片和所述至少一塊板分開一定距離，并且所述至少一塊板與所述至少一個基片基本重疊。所述至少一塊板起到限制所述至少一個晶片沿垂直方向的外延生長和促進(jìn)沿水平方向的外延生長的作用。
[0043]在一些實(shí)施方式中，滑舟可以被構(gòu)造為可保持第一滑塊和第二滑塊(如圖2(b)所示)。在一些實(shí)施方式中，第一滑塊和第二滑塊可以被構(gòu)造為可彼此獨(dú)立地移動。在一些實(shí)施方式中，滑舟可以由如石墨、氧化鋁、二氧化硅、鎢、氧化鋯和/或硅酸鋯(IV)等耐火材料制成。在一些實(shí)施方式中，第一滑塊和第二滑塊可以由如石墨、氧化鋁、二氧化硅、鎢、氧化鋯和/或硅酸鋯(IV)等耐火材料制成。取決于生長液、板和基片的特定材料，在一些實(shí)施方式中可能理想的是，選擇可能彼此不同的用于滑舟和兩個滑塊的特定材料。用于滑舟和滑動條的材料的選擇對于本領(lǐng)域技術(shù)人員非常顯而易見。
[0044]在一些方面中，描述的是通過橫向擴(kuò)散液相外延而生長的半導(dǎo)體晶片。在一些實(shí)施方式中，半導(dǎo)體晶片可以通過下述方法制備，所述方法包括:提供單晶半導(dǎo)體基片，所述基片有至少一部分被具有至少一個產(chǎn)生種子線用開口的掩模層所覆蓋；放置一塊與種子線基本重置的板，使該板與基片分開一定距尚；使用生長液包圍板和基片；將板和基片放入經(jīng)加熱的爐中；并降低爐溫。板可以具有防止半導(dǎo)體生長的表面條件。生長液可以包括處于至少一種熔融金屬中的半導(dǎo)體飽和溶液。降低爐溫可以促進(jìn)半導(dǎo)體沉淀，并引發(fā)半導(dǎo)體在基片上沿種子線外延生長。板起到限制沿垂直方向的外延生長的作用。基片、掩模層、板、種子線、生長液和滑舟等的各種實(shí)施方式如本文中所述。
[0045]實(shí)施例
[0046]實(shí)施例1:基片制備
[0047]從η型(111)單晶硅晶片上切割大小為20mmX 12mm的基片。表面相對于真正的(111)面向指示〈110〉方向的主平面錯開4°的角度。利用以下程序清潔基片:在丙酮和甲醇中超聲清潔10分鐘以除去油脂；在&304:!1202=2:1溶液中輕微沸騰10分鐘并在去離子水中沖洗；在11(:1:!1202=2:1溶液中輕微沸騰10分鐘并在去離子水中沖洗；浸入緩沖的HF溶液中20秒以出去原生氧化物并在去離子水中沖洗。清潔之后，通過干式氧化形成SiO2層(約400nm)。通過光刻法在基片上界定一組種子線。種子線沿垂直于主平面的〈211〉方向取向(參見圖3;在右圖中種子線以白色顯示，并且氧化物掩模以灰色顯示)。種子線的寬度為100 μ m，并且中央條的寬度為600 μ m。在加載至LPE爐中之前，通過重復(fù)以上清潔程序?qū)⒕哂蠸iO2掩模的基片再清潔一次。
[0048]實(shí)施例2:橫向擴(kuò)散液相外延設(shè)備
[0049]用于LPE的滑舟主要由三部分構(gòu)成:A)具有精確溫度控制(1°C以內(nèi))的三區(qū)石英管爐；B)對石英管抽真空并能使石英管填充有以下鈀純化(SN)的氫氣的真空和氣體系統(tǒng)；和C)由高密度且高純度的熱解石墨制成的雙倉滑舟。滑舟在兩個料倉中容有銦(6N純)，并具有可移動的滑動條，所述滑動條能夠保持基片和源晶片并使它們在料倉下方移動，使其與銦接觸或不接觸。
[0050]實(shí)施例3:通過橫向擴(kuò)散液相外延生長的硅條帶
[0051]在加載銦之后，基片和源晶片被放置在滑舟中，并將滑舟安裝在石英管內(nèi)。然后，在加熱前將該管抽空，并使用鈀凈化(8N)的氫氣填充。在950°C烘烤滑舟過夜，以除去銦熔融物中的氧化物并防止生長過程中基片氧化。
[0052]圖4顯示的是950°C~850°C的LPE硅條帶生長周期，SP:1)將爐加熱至950°C ;2)使一個料倉中的銦在950°C達(dá)到P型硅源晶片飽和；和3)移動基片使其與飽和銦/硅熔融物接觸并以0.5°C /分鐘的冷卻速率將溫度由950°C降至850°C。溶解在銦熔融物中的硅被沉積在基片上，直至熔融物中的硅濃度以原子百分比計由1.71%降至0.53%。然后通過將基片移離富含硅的銦熔融物并移動通過另一料倉中的純銦(不含溶解的硅)而終止生長。
[0053]在一個生長周期之后，銦熔融物可以再度達(dá)到源晶片飽和，并通過依次重復(fù)圖4中所示的程序I)、2)和3)來實(shí)現(xiàn)多周期生長。
[0054]圖5和圖6顯示的是上述在具有氧化物掩模的基片上的硅LPE生長的SEM照片。生長溫度為950°C~850°C范圍內(nèi)，并且冷卻速率為0.5°C /分鐘。圖4顯示的是在種子線和中央條的交叉點(diǎn)處的硅外延生長。幾何形態(tài)顯示出大開闊區(qū)域(中央條，600 寬)與窄種子線(IOOiim寬)的明顯對比。在中央條區(qū)域，外延層的表面由梯臺和溝槽結(jié)構(gòu)構(gòu)成，表明較差的成核和不均一的生長。但是，在圖5和圖6中，兩個單晶硅條帶在各自的種子線上生長。這些條的所有面都是光滑平面，并且未觀察到梯臺和溝槽。
[0055]圖7顯示的是圖4和圖5中部所示的在一個生長周期后同一種子線上的兩個硅條帶的橫截面。硅條帶的橫截面是類平行四邊形的。條帶的一個下角與基片相連。左側(cè)的條帶比右側(cè)的條帶厚，并且二者之間存在20 的間隙。圖8顯示的是條帶的右角的放大圖。底面具有與基片表面呈4°的角度，這一角度與基片的偏向相同，表明條帶的底面是真正的(111)面。條帶的側(cè)面具有與底面呈約70°的角。在硅中，(111)面之間的夾角為70° 32'，非常接近于所觀察到的角，因此，可以得出側(cè)面是另一(111)面的結(jié)論。硅條帶橫截面的平均尺寸為109.2iim(寬)X44.1iim(厚)。
[0056]實(shí)施例4:硅的短周期橫向擴(kuò)散液相外延生長
[0057]為研究LPE硅條帶生長的早期階段，進(jìn)行短周期生長。該生長在950°C開始，并在910°C終止，同時保持冷卻速率為0.50C /分鐘。在圖9中，SEM顯示的是，與圖5所示的具有梯臺和溝槽結(jié)構(gòu)的外延層的表面相比，具有不同穴和孔結(jié)構(gòu)的中央條區(qū)域中的外延層的表面。該對比表明，較高的生長溫度引起較高的表面覆蓋率和較好的成核。在圖10中，SEM照片顯示的是其生長在910°C終止的硅條帶的橫截面。該條的(111)面未完全形成，并且平均橫截面尺寸為69.8iim(寬)X25.1y m(厚)。
[0058]實(shí)施例5:橫向擴(kuò)散液相外延生長過程的蒙特卡羅模擬
[0059]由于缺乏實(shí)時監(jiān)測LPE生長的技術(shù)，因此難以描述硅條帶是如何在種子線上生長的。為更好地理解硅條帶的生長機(jī)制，推斷了生長過程(顯示在圖11中)，并利用二維蒙特卡羅隨機(jī)漫步模型對其檢驗(yàn)。
[0060]出于該模型的目 的，硅原子被推定隨機(jī)分布于銦熔融物中，形成稀釋液。硅原子的移動被推定是隨機(jī)而獨(dú)立于其他硅原子的。抵達(dá)固體硅的硅原子被推定為于該處沉降，而抵達(dá)SiO2掩模的硅原子被推定為繼續(xù)其隨機(jī)漫步。質(zhì)量輸送的趨向被推定為朝向種子線。因此，Si/Si02w面處的生長速率高于種子線中心處的生長速率。硅開始在SiO2掩模上方橫向生長，并且種子線中心處的間隙開始形成，如圖11(2)中所示。當(dāng)生長被終止時，硅條帶的橫截面如圖11(3)所示。
[0061]為簡化模擬，如下以1000X 1000矩陣構(gòu)造蒙特卡羅隨機(jī)漫步模型。各網(wǎng)格被銦或硅原子所占據(jù)。硅原子可以在網(wǎng)格內(nèi)以相同的概率沿四個方向中的任一方向隨機(jī)移動。當(dāng)硅原子抵達(dá)固體硅時則粘附于其上；當(dāng)硅原子抵達(dá)SiO2掩模時則不粘附于或滲透SiO2掩模；當(dāng)硅原子抵達(dá)矩陣邊界時則消失。在一個硅原子粘附或消失之后，條帶的幾何形態(tài)被更新，并且另一原子開始其隨機(jī)漫步。該過程被重復(fù)數(shù)千次，模擬結(jié)果繪制在圖12和圖13中。
[0062]在圖12中，種子線位于X軸中央的單位450~550處。在種子線區(qū)域，溝槽的深度為50個單位，代表深蝕刻。在靠近Si/Si02界面的溝槽的邊緣處觀察到了較快的生長速率，這對應(yīng)于SiO2表面上的質(zhì)量輸送的趨向朝向種子線并且該質(zhì)量輸送趨向引起Si/Si02界面處的生長速率比其他區(qū)域高的推定。[0063]在圖13中，溝槽的深度被改變?yōu)?0個單位，代表淺蝕刻。模擬結(jié)果顯示，當(dāng)外延硅的高度高于基片表面時，與圖11所述的生長過程的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致的外延橫向過度生長開始。
[0064]實(shí)施例6:板的選擇
[0065]為在限制硅條帶的厚度的同時實(shí)現(xiàn)橫向生長，采用改良的生長過程。引入生長過程中在基片上方保持固定距離的板。該板的目的在于限制硅條帶上方的硅的供給，以限制在條帶的厚度方向上的生長，同時允許可保持條帶的橫向生長的硅供給。
[0066]對于本實(shí)施例而言，使用氧化的硅晶片作為板。氧化可防止不合需要的硅在板上的外延生長。板通過第二滑動條保持，第二滑動條可以獨(dú)立于容有源晶片和基片的滑動條而移動。以此方式，板可以根據(jù)需要移入或移出熔融物。
[0067]板被銦熔融物包圍，以使銦熔融物存在于板與基片之間。板被放置在生長區(qū)域上方，使板與其上發(fā)生生長的基片之間存在一定距離(通常為約0.25mm~約Imm)。選擇板以使半導(dǎo)體不在板上生長。生長液中的半導(dǎo)體原子橫向擴(kuò)散至種子線，而不是從種子線頂部擴(kuò)散至種子線，因?yàn)閬碜皂敳康腟i原子的通道被阻斷。
[0068]在以上【具體實(shí)施方式】中，參照了構(gòu)成其一部分的附圖。附圖中，除非另有上下文指出，否則相似的附圖標(biāo)記通常指示的是相似的組成部分?！揪唧w實(shí)施方式】、附圖和權(quán)利要求中所描述的說明性實(shí)施方式并不意在起限制作用?？梢圆捎闷渌麑?shí)施方式，并可進(jìn)行其他改變，而不偏離本文所提出的主題的主旨或范圍。容易理解的是，可以以各種各樣的不同配置，對如本文所一般性描述的及如附圖所說明的本公開內(nèi)容的方面進(jìn)行安排、取代、組合、分離和設(shè)計，所 有這些在此都得到明確預(yù)期。
[0069]本文所公開的所有范圍都是包括端點(diǎn)并可合并的。本文所使用的術(shù)語“約”是指所使用的數(shù)加或減10%的數(shù)值。因此，約50%是指在40%~60%的范圍內(nèi)。
[0070]本公開內(nèi)容不限于本申請中所述的特定實(shí)施方式，所述特定實(shí)施方式意在說明各個方面。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，可以進(jìn)行許多修改和變化而不脫離其主旨和范圍。除本文所列舉的內(nèi)容之外，由以上描述，在本公開內(nèi)容范圍內(nèi)的功能等同的方法和設(shè)備對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。所述修改和變化將落在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。本公開內(nèi)容僅受所附權(quán)利要求的各項以及這些權(quán)利要求所賦予權(quán)利的等同物的全部范圍的限制。可以理解的是，本公開內(nèi)容不限于可以有所變化的特定方法、試劑、化合物、組合物或生物系統(tǒng)。還應(yīng)理解，本文所使用的術(shù)語僅出于描述【具體實(shí)施方式】的目的，而不意在作出限制。
[0071]關(guān)于本文中基本上任何復(fù)數(shù)和/或單數(shù)術(shù)語的使用，在適合上下文和/或應(yīng)用的情形下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以將復(fù)數(shù)解讀為單數(shù)和/或?qū)螖?shù)解讀為復(fù)數(shù)。清楚起見，本文中可明確闡述各種單數(shù)/復(fù)數(shù)置換。
[0072]本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解，一般而言，本文中、特別是所附權(quán)利要求(例如，所附權(quán)利要求的主體分)中所使用的術(shù)語通常意在作為“開放式”術(shù)語(例如，術(shù)語“包括(including) ”應(yīng)理解為“包括但不限于”，術(shù)語“具有”應(yīng)理解為“至少具有”，術(shù)語“包括(includes) ”應(yīng)理解為“包括但不限于”，等等)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將進(jìn)一步理解，如果意圖在所引入的權(quán)利要求記述中使用明確的數(shù)量，則這樣的意圖將在權(quán)利要求中進(jìn)行明確地記述，且如果沒有這樣的記述，則表明沒有這樣的意圖。例如，為幫助理解，以下所附的權(quán)利要求可能包含對引入性短語“至少一個”和“一個或多個”的使用，以引入權(quán)利要求記述內(nèi)容。然而，這種短語的使用不應(yīng)解釋為暗指:由不定冠詞“一 (a或an) ”介紹的權(quán)利要求敘述會使包含如此引入的權(quán)利要求記述內(nèi)容的任何特定權(quán)利要求限于包含僅一個這種記述內(nèi)容的實(shí)施方式，即使當(dāng)同一權(quán)利要求包括引入性短語“一個或多個”或“至少一個”和如“一 (a或an) ”等不定冠詞時亦如此(例如“一(a和/或an) ”應(yīng)解釋為“至少一個”或“一個或多個”的意思)；這同樣適用于對引入權(quán)利要求記述內(nèi)容的不定冠詞的使用。另外，即使在所介紹的權(quán)利要求敘述中明確地記述了確定的數(shù)量，本領(lǐng)域技術(shù)人員也將認(rèn)識到這種記述應(yīng)解釋為至少為所陳述的數(shù)量的意思(例如，沒有其他修飾語的“兩個記述物”這種單純的記述是至少兩個記述物或者兩個以上記述物的意思)。此外，在其中采用類似于“A、B和C等中的至少一種”的慣用說法的那些情形中，通常這類修辭意指本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的該慣用說法(例如，“具有A、B和C中至少一種的系統(tǒng)”包括但不限于只具有A的系統(tǒng)、只具有B的系統(tǒng)、只具有C的系統(tǒng)、同時具有A和B的系統(tǒng)、同時具有A和C的系統(tǒng)、同時具有B和C的系統(tǒng)和/或同時具有A、B和C的系統(tǒng))。在其中采用類似于“A、B或C等中的至少一種”的慣用說法的那些情形中，通常這類修辭意指本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的該慣用說法(例如，“具有A、B或C中至少一種的系統(tǒng)”包括但不限于只具有A的系統(tǒng)、只具有B的系統(tǒng)、只具有C的系統(tǒng)、同時具有A和B的系統(tǒng)、同時具有A和C的系統(tǒng)、同時具有B和C的系統(tǒng)和/或同時具有A、B和C的系統(tǒng))。本領(lǐng)域技術(shù)人員還應(yīng)理解，表現(xiàn)兩個以上可選擇的項目的轉(zhuǎn)折連詞和/或短語，無論是在說明書、權(quán)利要求書還是附圖中都應(yīng)被理解為認(rèn)為包括這些項目之一、這些項目中的任一個或者全部這些項目的可能。例如，短語“A或B”將被理解為包括“A”或“B”或者“A”和“B”的可能。
[0073]另外，當(dāng)公開內(nèi)容的特征或方面以馬庫什群組描述時，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，公開內(nèi)容由此也以馬庫什群組的任何單獨(dú)的項或項的亞組來描述。
[0074]如本領(lǐng)域技術(shù)人員 所將理解的，對于任何和所有目的，如就提供書面說明書等而言，本文所公開的所有范圍都包括任何和所有可能的子范圍及其子范圍的組合。任何所列范圍均可以容易地被認(rèn)作充分描述了并可使同一范圍分解為至少兩等分、三等分、四等分、五等分、十等分等。作為非限制性實(shí)例，本文所討論的各范圍可以容易地分解為下三分之一、中三分之一和上三分之一，等等。如本領(lǐng)域技術(shù)人員也將理解的，如“至多”、“至少”、“大于”、“小于”等所有語言包括所陳述的數(shù)字并指之后可分解為如上所述的子范圍的范圍。最后，如本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的，范圍包括各單獨(dú)的組成部分。因此，例如，具有I~3項的組是指具有1、2或3項的組。類似地，具有I~5項的組是指具有1、2、3、4或5項的組，等
坐寸o
[0075]可將各種以上公開的其他的特征和功能或者其替代物結(jié)合至許多其他不同系統(tǒng)或應(yīng)用中。其中各種目前未預(yù)見或未預(yù)料到的替代物、修改、改變或改進(jìn)可以在由本領(lǐng)域技術(shù)人員在以后進(jìn)行，它們也應(yīng)包括于所公開的實(shí)施方式之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種生長半導(dǎo)體晶片的方法，所述方法包括: 提供具有晶體結(jié)構(gòu)的單晶半導(dǎo)體基片，其中所述基片的至少一部分被掩模層覆蓋，所述掩模層具有至少一個用于在所述基片上產(chǎn)生種子線的開口； 放置具有防止半導(dǎo)體生長的表面條件的板，使其與所述種子線基本重疊，其中所述板與所述基片分開一定距離； 使用生長液包圍所述板和所述基片，所述生長液包含處于至少一種熔融金屬中的半導(dǎo)體的飽和溶液； 將所述板和所述基片放入加熱至一定溫度的爐；和 降低所述爐的溫度，以促進(jìn)所述飽和溶液中的所述半導(dǎo)體沉淀并引發(fā)所述半導(dǎo)體在所述基片上沿所述種子線外延生長，其中所述板起到限制沿垂直方向的外延生長的作用。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，所述方法還包括在用所述掩模層覆蓋之前先清潔所述基片。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，所述方法還包括利用光刻法在所述掩模層上使種子線圖案化并蝕刻掉所述掩模層的一部分，以在所述基片上獲得所述種子線。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，所述方法還包括在使用所述生長液包圍所述板和所述基片之前使用所述生長液將所述基片和所述板預(yù)先潤濕。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，所述方法還包括將所述基片放置在滑舟中并將所述板放置在滑條上，其中所述滑舟和所述滑條包含石墨。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述板和所述基片分開約0.25mm~約Imm的距離。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在將所述基片和所述板放入所述爐之前先將所述爐抽空。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，所述方法還包括在放置所述基片和所述板之前先使用氫氣填充所述爐。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，所述方法還包括通過將所述半導(dǎo)體基片從所述生長液中移走而終止所述外延生長。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述外延生長獲得具有與所述基片基本相同的晶體結(jié)構(gòu)的單晶小片。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述外延生長獲得具有約0.5~約2.75的縱橫比(寬度與厚度之比)的小片。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述基片為未摻雜的或摻雜過的硅晶片。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述掩模層包含二氧化硅。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其中對所述掩模層的清除包括使所述硅晶片干式氧化。
15.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述板包含二氧化硅。
16.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述生長液包含硅在熔融銦中的飽和溶液。
17.如權(quán)利要求12所述的方法，其中在將所述基片和所述板放入所述爐之前先將所述爐加熱至約950°C。
18.如權(quán)利要求12所述的方法，其中在將所述基片和所述板放入所述爐之后將所述爐的溫度降低至約850°C。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中將所述爐的溫度以約0.250C /分鐘的速率降低。
20.如權(quán)利要求1所述的方法，其中種子線具有約10μ m~約1000 μ m的寬度。
21.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述半導(dǎo)體為S1、GaAs、Ge、SiC或其組合。
22.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述熔融金屬為In、Sn、Al、Ga、Au、Pb、Cu或其組八口 ο
23.一種適于生長半導(dǎo)體晶片的耐火裝置，所述裝置包括: 被構(gòu)造為可保持處于至少一種熔融金屬中的半導(dǎo)體的飽和溶液的滑舟； 被構(gòu)造為可保持至少一塊板的第一滑塊；和 被構(gòu)造為可保持至少一個基片和至少一個晶片的第二滑塊， 其中放置所述第一滑塊和所述第二滑塊，使得所述至少一個基片和至少一塊板彼此基本重疊并分開一定距離，并且 其中所述至少一塊板起到限制所述至少一個晶片沿垂直方向的外延生長和促進(jìn)沿水平方向的外延生長的作用。
24.如權(quán)利要求23所述的耐火裝置，其中所述滑舟經(jīng)額外構(gòu)造來保持所述第一滑塊和所述第二滑塊。
25.如權(quán)利要求23所述的耐火裝置，其中所述第一滑塊和所述第二滑塊被構(gòu)造為能夠彼此獨(dú)立地移動。
26.如權(quán)利要求23所述的耐火裝置，其中所述滑舟由石墨制成。
27.如權(quán)利要求23所述的耐火裝置，其中所述第一滑塊和所述第二滑塊由石墨制成。
28.如權(quán)利要求23所述的耐火裝置，其中所述半導(dǎo)體為S1、GaAs、Ge、SiC或其組合。
29.如權(quán)利要求23所述的耐火裝置，其中所述熔融金屬為In、Sn、Al、Ga、Au、Pb、Cu或其組合。
30.一種半導(dǎo)體晶片，該半導(dǎo)體晶片通過包括下述步驟的方法制備: 提供具有晶體結(jié)構(gòu)的單晶半導(dǎo)體基片，其中所述基片好至少一部分被掩模層覆蓋，所述掩模層具有至少一個用于在所述基片上產(chǎn)生種子線的開口； 放置具有與所述基片的晶體結(jié)構(gòu)不同的晶體結(jié)構(gòu)的板，使其與所述種子線基本重疊，其中所述板和所述基片分開一定距離； 使用生長液包圍所述板和所述基片，所述生長液包含處于至少一種熔融金屬中的半導(dǎo)體的飽和溶液； 將所述板和所述基片放入加熱至一定溫度的爐；和 降低所述爐的溫度，以促進(jìn)所述飽和溶液中的所述半導(dǎo)體沉淀并引發(fā)所述半導(dǎo)體在所述基片上沿所述種子線外延生長，其中所述板起到限制沿垂直方向的外延生長的作用。
31.如權(quán)利要求30所述的半導(dǎo)體晶片，其中所述晶片的晶體結(jié)構(gòu)與所述單晶半導(dǎo)體基片基本相同。
32.如權(quán)利要求30所述的半導(dǎo)體晶片，其中所述晶片具有約0.5~約2.75的縱橫比(寬度與厚度之比)。
33.如權(quán)利要求30所述的半導(dǎo)體晶片，其中所述單晶半導(dǎo)體基片為摻雜過的或未摻雜的硅。
34.如權(quán)利要求33所述的半導(dǎo)體晶片，其中所述掩模層包含二氧化硅。
35.如權(quán)利要求33所述的半導(dǎo)體晶片，其中所述板包含二氧化硅。
36.如權(quán)利要求33所述的半導(dǎo)體晶片，其中所述生長液包含硅在熔融銦中的飽和溶液。
37.如權(quán)利要求33所述的半導(dǎo)體晶片，其中在將所述基片和所述板放入所述爐之前先將所述爐加熱至約950°C。
38.如權(quán)利要求33所述的半導(dǎo)體晶片，其中在將所述基片和所述板放入所述爐之后將所述爐的溫度降低至約850°C。
39.如權(quán)利要求33所述的半導(dǎo)體晶片，其中將所述爐的溫度以約0.25°C/分鐘的速率降低。
40.如權(quán)利要求30所述的半導(dǎo)體晶片，其中所述半導(dǎo)體為S1、GaAs、Ge、SiC或其組合。
41.如權(quán)利要求30所述的 半導(dǎo)體晶片，其中所述熔融金屬為In、Sn、Al、Ga、Au、Pb、Cu或其組合。
【文檔編號】C30B29/06GK103764881SQ201280021237
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2012年5月17日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月17日
【發(fā)明者】A·基泰, 于豪靈, 李博 申請人:麥克馬斯特大學(xué)