專利名稱：從填充有中間層的溝槽生長Ⅲ-Ⅴ化合物半導(dǎo)體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開一般涉及集成電路制造工藝，更具體地，涉及形成III-族V-族(III-V)化 合物半導(dǎo)體膜。
背景技術(shù)：
諸如氮化鎵(GaN)的III-族V-族化合物半導(dǎo)體(通常被稱為III_V化合物半導(dǎo) 體)及其相關(guān)合金近些年來已經(jīng)被深入研究，這是由于它們在電子和光電器件中的應(yīng)用前 景。采用III-V化合物半導(dǎo)體的可能光電器件的特定實例包括藍(lán)光發(fā)光二極管和激光二極 管、以及紫外線(UV)光電探測器。許多III-V化合物半導(dǎo)體的大帶隙和高電子飽和速度還 使得它們成為在高溫和高速功率電子下進(jìn)行應(yīng)用的極好候選對象。外延生長GaN膜被廣泛用于發(fā)光二極管的制造。不幸的是，外延GaN膜必須在襯 底而不是GaN上生長，這是因為由于通常用于生長塊狀晶體的溫度處的氮的高平衡壓力而 導(dǎo)致很難獲得GaN塊狀晶體。由于缺少用于GaN襯底的可行塊生長方法，GaN通常被外延 沉積在諸如硅、SiC和藍(lán)寶石(Al2O3)的不同襯底上。然而，在不同襯底上的GaN膜的生長 是很難的，這是因為這些襯底具有不同于GaN的晶格常數(shù)并且熱膨脹系數(shù)。如果可以克服 在硅襯底上的GaN膜生長中的困難，由于硅襯底的低成本、大直徑、高晶體和表面質(zhì)量、可 控電導(dǎo)率、以及高熱導(dǎo)率，硅襯底對于GaN生長是非常具有吸引力的。硅襯底的使用還提供 了基于GaN的光電器件與基于硅的電子器件的容易集成。另外，由于缺少合適的襯底用于在其上生長GaN膜，因此限制了 GaN膜的尺寸。由 在不同襯底上生長GaN膜所產(chǎn)生的高應(yīng)力可以導(dǎo)致襯底彎曲。這可以導(dǎo)致多種不利影響。 首先，在假設(shè)的晶體GaN膜中產(chǎn)生大量缺陷(錯位)。其次，得到的GaN膜的厚度將不太均 勻，導(dǎo)致通過形成在GaN膜上的光學(xué)器件發(fā)射的光的波長偏移。第三，在受大應(yīng)力的GaN膜 中產(chǎn)生破裂。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)實施例的一個方面，形成集成電路結(jié)構(gòu)的方法包括在襯底的至少一部分上 方形成絕緣層；在絕緣層的頂面上方形成多個半導(dǎo)體柱。該多個半導(dǎo)體柱通過絕緣層的多 個部分水平隔離。該多個半導(dǎo)體柱被配置為周期性圖案。該方法進(jìn)一步包括從半導(dǎo)體柱的 頂面和側(cè)壁外延生長III-V化合物半導(dǎo)體膜。還披露了其他實施例。


為了更完整地了解實施例及其優(yōu)點，現(xiàn)在結(jié)合附圖進(jìn)行以下描述作為參考，其 中圖IA至圖8示出了根據(jù)實施例的在制造III-V半導(dǎo)體膜過程中的中間階段的截 面圖、透視圖和頂視圖；以及圖9至圖18是根據(jù)可選實施例的在制造III-V半導(dǎo)體膜過程中的中間階段的截 面圖和透視圖。
具體實施例方式下面，詳細(xì)描述本發(fā)明優(yōu)選實施例的制造和使用。然而，應(yīng)該理解，本發(fā)明提供了 許多可以在具體環(huán)境下實現(xiàn)的許多可應(yīng)用的發(fā)明概念。所討論的具體實施例僅僅示出了制 造和使用本發(fā)明的具體方式，并不限制本發(fā)明的范圍。提供了一種用于形成III-族ν-族(以下被稱為III-V)化合物半導(dǎo)體膜的新方 法。貫穿說明書，術(shù)語“III-V化合物半導(dǎo)體”被稱為包括至少一個III-族元素和一個V-族 元素的化合物半導(dǎo)體材料。術(shù)語“III-N化合物半導(dǎo)體”被稱為包括氮的III-V化合物半導(dǎo) 體。示出了制造示例性實施例所要求的多個階段。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，為了生產(chǎn)完 整的器件，在所描述的階段之前或之后，可能需要進(jìn)行其他制造步驟。貫穿公開的多個視圖 和示例性實施例，相同的參考標(biāo)號被用于指定相同元件。參考圖1A，提供了襯底20。在實施例中，襯底20為包括例如半導(dǎo)體材料(諸如， 硅)的塊狀襯底。襯底20可以由通常使用的諸如藍(lán)寶石、SiGe, SiC、Ge等的其他材料形 成。在襯底20中形成絕緣區(qū)域22 (其可以被認(rèn)為是絕緣層的多個部分)。在實施例中，絕 緣區(qū)域可以包括淺槽隔離(STI)區(qū)22，從而貫穿說明書中被稱為STI區(qū)22。STI區(qū)22的 形成工藝可以包括使襯底20的多個部分凹陷，并且利用介電材料填充所得到的凹槽，隨 后進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)以去除多余的介電材料。介電材料的剩余部分形成STI區(qū)22。 在所得到的結(jié)構(gòu)中，襯底20可以包括在STI區(qū)22的底面下方的部分20_1，以及STI區(qū)22 之間并且相互分離的部分20_2。需要注意，雖然STI區(qū)22最初形成在襯底20中，但是襯底 部分20_1也可以被看作襯底，同時STI區(qū)22可以被看作在襯底20_1上方。圖IB示出了圖IA中所示的結(jié)構(gòu)的頂視圖，其中，圖IA中的截面圖通過圖IB中的 平面交叉線1A-1A獲得。從頂視圖可以觀察到，襯底部分20_2布置成周期性圖案。在圖IB 中所示的示例性實施例中，襯底部分20_2被布置為陣列，在其他實施例中，襯底步驟20_2 可以被布置成其他圖案，諸如六邊形圖案。相鄰襯底部分20_2之間的距離D可以小于約 5 μ m,并且還可以在約20nm和約5 μ m之間。襯底部分20_2的長度和/或?qū)挾?其還為所 得到半導(dǎo)體再生長區(qū)觀和(半導(dǎo)體)柱30的長度和/或?qū)挾?，如圖5A中所示)可以小于 約5μπι。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識到，整個說明書中所述的尺寸僅是實例，如果使用 不同形成技術(shù)，尺寸可以不同。從頂視圖看，襯底部分20_2可以為正方形、三角形、圓形、六 邊形、八邊形等形狀。參考圖2，襯底部分20_2被部分或全部去除，形成凹槽沈。在圖2中所示的實施 例中，V-槽可以形成在凹槽沈的底部，使得硅襯底20在凹槽26中的暴露表面具有(111) 表面定向。在可選實施例中，如用虛線示出的，凹槽沈的底面可以是基本平坦的。
5
接下來，如圖3所示，在凹槽沈中外延生長半導(dǎo)體再生長區(qū)觀。半導(dǎo)體再生長區(qū) 觀可以由具有在襯底20的晶格常數(shù)和上覆III-V半導(dǎo)體膜32(在圖3中未示出，請參考 圖6)的晶格常數(shù)之間的晶格常數(shù)的材料形成。在一個實施例中，半導(dǎo)體再生長區(qū)觀包括 緩沖區(qū)和頂部區(qū)域觀_2。緩沖區(qū)觀_1可以由A1N、低溫GaAs、或低溫GaAs和在低溫 GaAs上的高溫GaAs形成。低溫GaAs可以在低于約400°C的溫度外延生長，而高溫GaAs可 以在高于約600°C的溫度外延生長?？蛇x地，緩沖區(qū)觀_1可以由低溫GaN或AlN形成，其 可以在低于約850°C的溫度下外延生長。頂部區(qū)域觀_2可以由GaN形成，其可以在高于約 IlOO0C的溫度下外延生長。通過在凹槽沈中生長半導(dǎo)體再生長區(qū)觀，螺紋錯位(threading dislocation)可以通過STI區(qū)22的側(cè)壁而阻止，使得隨后形成的III-V半導(dǎo)體膜32 (圖 6)中發(fā)生更少的缺陷。接下來，執(zhí)行CMP以去除多余的半導(dǎo)體再生長區(qū)觀。所得到的結(jié)構(gòu) 如圖4所示。圖5A示出了 STI區(qū)22的凹槽。結(jié)果，STI區(qū)22的剩余部分的頂面上方的再生長 區(qū)28的多個部分形成柱30。柱30的高度H大于約50nm，甚至大于約lOOnm。圖5B示出了 圖5A中所示的結(jié)構(gòu)的透視圖。參考圖6，外延生長III-V化合物半導(dǎo)體膜32。在一個實施例中，III-V化合物半 導(dǎo)體膜32包括GaAs，但是它還可以由諸如GaN、InN, A1N、InP等的其他III-V化合物半導(dǎo) 體材料形成。由于從柱30的頂面和側(cè)壁生長III-V化合物半導(dǎo)體膜32，可以減少III-V化 合物半導(dǎo)體膜32的缺陷密度。然后執(zhí)行平坦化(例如，CMP)，以使III-V化合物半導(dǎo)體膜 32的頂面變平。可選地，如圖7所示，在III-V化合物半導(dǎo)體膜32上形成掩模層34。掩模層34可 以包括選自諸如氮化硅或二氧化硅的介電材料的材料。掩模層34還可以包括多層上述材 料。用于形成掩模層34的可應(yīng)用沉積方法包括物理汽相沉積(PVD)和化學(xué)汽相沉積(CVD)。掩模層34被圖案化，使得III-V化合物半導(dǎo)體膜32的頂面通過掩模層34的剩余 部分之間的間隙被選擇性地暴露。圖案化可以使用干蝕刻和/或濕蝕刻來執(zhí)行。掩模層34 的剩余部分可以具有受控寬度和間隔的任何圖案，并且可以形成平行帶。在其他實施例中， 掩模層34的剩余部分可以布置為陣列或其他周期性圖案，每個剩余部分具有正方形、條形 帶狀、或多邊形(在頂視圖中)。在還有的其他另一實施例中，掩模層34的剩余部分可以形 成互連網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其中窗口用于使下層III-V化合物半導(dǎo)體膜32暴露。掩模層34的厚度 可以為約2nm至約6μπι。接下來，如圖8所示，例如，使用外延層過度生長(ELOG)，在III-V化合物半導(dǎo)體膜 32的暴露表面上生長附加III-V半導(dǎo)體膜36。由于掩模層34的形成和ELOG步驟，III-V 半導(dǎo)體膜36中的缺陷密度低于III-V化合物半導(dǎo)體32中的缺陷密度。在一個實施例中， III-V半導(dǎo)體膜36可以由與III-V化合物半導(dǎo)體膜32相同的材料形成，例如，GaN。可選 地，III-V半導(dǎo)體膜32和36可以由不同材料形成，例如，III-V化合物半導(dǎo)體膜32可以由 GaAs形成，而III-V半導(dǎo)體膜36可以由GaN形成。在隨后的工藝步驟中，III-V半導(dǎo)體膜 36可以被平坦化。而且，例如，可以使用CMP，去除下層襯底20和STI區(qū)22。從而所得到的 結(jié)構(gòu)是具有低缺陷密度的塊狀I(lǐng)II-V襯底(例如，GaN襯底)。圖9至圖11示出了可選實施例。除非特別指定，該實施例(以及隨后所述的實施 例)中的相同參考標(biāo)號表示圖IA至圖8中所示的實施例中的相同部件。從而，在此不重復(fù)工藝步驟和可應(yīng)用材料。本實施例的初始步驟與圖IA至圖2中所示的基本相同。接下來， 如圖9所示，以單層形式形成半導(dǎo)體再生長區(qū)觀，其中頂部和底部由相同半導(dǎo)體材料形成。 在一個實施例中，半導(dǎo)體再生長區(qū)28由外延GaAs形成。參考圖10，STI區(qū)22凹陷，使得形成在STI區(qū)22的頂面上延伸的柱30。在隨后 的步驟中，形成III-V化合物半導(dǎo)體膜32，如圖11所示?？蛇x地，形成III-V半導(dǎo)體膜36。 ΙΠ-ν半導(dǎo)體膜32和36的工藝步驟和材料可以與圖7和圖8以及相應(yīng)描述基本相同，從而 在此不重述。圖12至圖14示出了又一個實施例。該實施例的初始步驟與圖IA至圖2中所示 的基本相同。接下來，如圖12所示，形成半導(dǎo)體再生長區(qū)觀。半導(dǎo)體再生長區(qū)觀可以是包 括緩沖區(qū)和頂部區(qū)域觀_2的復(fù)合區(qū)，如圖3中所示，或者是由單一材料形成的區(qū)域， 如圖9所示。在一個實施例中，半導(dǎo)體再生長區(qū)觀由外延GaAs形成，但是還可以使用諸如 GaN的其他半導(dǎo)體材料。接下來，如圖13所示，例如，使用Κ0Η，對半導(dǎo)體再生長區(qū)觀執(zhí)行 各向同性蝕刻，從而形成V-槽40。半導(dǎo)體再生長區(qū)觀的暴露表面可以具有(111)表面平 面。在再生長區(qū)觀由GaAs形成的實施例中，(111)表面平面具有比圖12中所示的半導(dǎo)體 再生長區(qū)觀的平坦頂面更小的上覆III-V化合物半導(dǎo)體膜32(例如，其可以由GaN形成， 參見圖14)的晶格失配。結(jié)果，在隨后形成的III-V化合物半導(dǎo)體膜32中可以產(chǎn)生更少的 缺陷。接下來，可以形成III-V化合物半導(dǎo)體膜32，如圖14所示。然后，執(zhí)行圖7和圖8中 所示的工藝步驟，以形成III-V半導(dǎo)體膜36。圖15Α至圖16示出了又一個實施例。該實施例的最初步驟與圖IA至圖2中所示 的基本相同。接下來，如圖15Α所示，形成半導(dǎo)體再生長區(qū)觀。半導(dǎo)體再生長區(qū)觀可以為 包括緩沖區(qū)和頂部區(qū)域觀_2的復(fù)合區(qū)，如圖3所示，或者為由單層形成，如圖9所示。 在一個實施例中，頂部區(qū)域觀_2由外延GaN形成，但是也可以使用諸如GaAs的其他材料。 可以調(diào)節(jié)處理氣體的局部壓力、溫度、和形成時間，從而形成錐體42，其中，錐體42可以具 有與STI區(qū)22的頂面基本一樣高的底座。半導(dǎo)體再生長區(qū)觀的暴露表面(斜面)可以具 有(111)表面平面。圖15Β示出了圖15Α中所示的結(jié)構(gòu)的透視圖。接下來，如圖16所示，外延生長III-V化合物半導(dǎo)體膜32。III-V化合物半導(dǎo)體 膜32和頂部區(qū)域觀_2可以由相同材料或不同材料形成。由于III-V化合物半導(dǎo)體膜32從 錐體42的斜面開始生長，III-V化合物半導(dǎo)體膜32中的螺紋錯位可以向STI區(qū)22的頂面 彎曲并終止在該頂面。結(jié)果，將在III-V化合物半導(dǎo)體膜32中生成更少的缺陷。在III-V 化合物半導(dǎo)體膜32和頂部區(qū)域觀_2由諸如GaN的相同材料形成的實施例中，III-V化合 物半導(dǎo)體膜32可以在比形成頂部區(qū)域觀_2的溫度更高的溫度下形成。圖18和圖19示出了又一實施例。該實施例的初始步驟與圖IA和圖IB中所示的 基本相同。接下來，如圖18所示，STI區(qū)22凹陷，使得襯底20的頂部區(qū)域20_2形成柱30。 接下來，III-V化合物半導(dǎo)體膜32外延生長，如圖19所示。然后，選擇性地形成圖7和圖8 中所示的工藝步驟。在上述實施例中，通過從周期性圖案化的半導(dǎo)體再生長區(qū)28開始III-V化合物半 導(dǎo)體膜32的生長，可以減少所得到的III-V化合物半導(dǎo)體膜32中的缺陷數(shù)量。而且，再生 長區(qū)28的頂面為V-槽40或錐體42，可以進(jìn)一步減少缺陷數(shù)量。盡管已經(jīng)詳細(xì)地描述了本發(fā)明及其優(yōu)勢，但應(yīng)該理解，可以在不背離所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明主旨和范圍的情況下，做各種不同的改變，替換和更改。而且，本申請的范 圍并不僅限于本說明書中描述的工藝、機(jī)器、制造、材料組分、裝置、方法和步驟的特定實施 例。作為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)理解，通過本發(fā)明，現(xiàn)有的或今后開發(fā)的用于執(zhí)行與根據(jù)本 發(fā)明所采用的所述相應(yīng)實施例基本相同的功能或獲得基本相同結(jié)果的工藝、機(jī)器、制造，材 料組分、裝置、方法或步驟根據(jù)本發(fā)明可以被使用。因此，所附權(quán)利要求應(yīng)該包括在這樣的 工藝、機(jī)器、制造、材料組分、裝置、方法或步驟的范圍內(nèi)。此外，每條權(quán)利要求構(gòu)成單獨的實 施例，并且多個權(quán)利要求和實施例的組合在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種形成集成電路結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括 設(shè)置襯底；在所述襯底的至少一部分上方形成絕緣層；在所述絕緣層的頂面上方形成多個半導(dǎo)體柱，其中，所述多個半導(dǎo)體柱通過所述絕緣 層的多個部分水平隔離，并且其中，所述多個半導(dǎo)體柱配置為周期性圖案；以及 從所述半導(dǎo)體柱的頂面和側(cè)壁外延生長III-V化合物半導(dǎo)體膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，形成所述多個半導(dǎo)體柱的步驟包括 在所述絕緣層中形成凹槽；在所述凹槽中外延生長半導(dǎo)體再生長區(qū)；執(zhí)行平坦化，以去除所述半導(dǎo)體再生長區(qū)的多余部分；以及將所述絕緣層的頂面降低到低于所述半導(dǎo)體再生長區(qū)的頂面的程度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述半導(dǎo)體再生長區(qū)包括GaAs，并且其中，所述 III-V化合物半導(dǎo)體膜包括GaN ；或者所述半導(dǎo)體再生長區(qū)包括緩沖區(qū)以及在所述緩沖區(qū)上方的頂部區(qū)域，其中，所述頂部 區(qū)域由不同于所述緩沖區(qū)的材料形成，所述緩沖區(qū)的頂面低于所述絕緣層的頂面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，形成所述多個半導(dǎo)體柱的步驟包括 設(shè)置所述襯底；在所述襯底中形成所述絕緣層，所述襯底的多個部分在所述絕緣層中，并且通過所述 絕緣層與相互隔離；以及降低所述絕緣層的頂面，其中，所述襯底的多個部分的上部形成所述半導(dǎo)體柱。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括在所述III-V化合物半導(dǎo)體膜上方形成圖案化掩模層，所述III-V化合物半導(dǎo)體膜的 多個部分通過所述圖案化掩模層暴露；以及從所述III-V化合物半導(dǎo)體膜的暴露部分外延生長附加的III-V化合物半導(dǎo)體膜。
6.一種形成集成電路結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括 設(shè)置襯底；在所述襯底中形成絕緣層，所述襯底的多個部分在所述絕緣層的多個部分中，并且通 過所述絕緣層的多個部分相互隔離；去除所述襯底的多個部分，以在所述絕緣層中形成凹槽； 在所述凹槽中外延生長半導(dǎo)體材料；執(zhí)行平坦化以去除所述半導(dǎo)體材料的多余部分，其中，所述半導(dǎo)體材料在所述凹槽中 的剩余部分形成半導(dǎo)體再生長區(qū)；蝕刻所述半導(dǎo)體再生長區(qū)的頂面，以形成V槽；以及 從所述V槽開始外延生長III-V化合物半導(dǎo)體膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述半導(dǎo)體再生長區(qū)包括GaAs，并且其中，所述 III-V化合物半導(dǎo)體膜包括GaN，以及所述V-槽中的所述半導(dǎo)體再生長區(qū)的暴露頂面具有 (111)表面定向。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述V-槽的頂端與所述絕緣層的頂角接合。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述半導(dǎo)體再生長區(qū)包括緩沖區(qū)以及在所述緩沖區(qū)上方的頂部區(qū)域，并且其中，所述頂部區(qū)域由不同于所述緩沖區(qū)的材料形成。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，進(jìn)一步包括在所述III-V化合物半導(dǎo)體膜上方形成圖案化掩模層，所述III-V化合物半導(dǎo)體膜的 多個部分通過所述圖案化掩模層暴露；以及從所述III-V化合物半導(dǎo)體膜的暴露部分外延生長附加的III-V化合物半導(dǎo)體膜。
11.一種形成集成電路結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括 設(shè)置襯底；在所述襯底中形成絕緣層，所述襯底的多個部分在所述絕緣層中，并且通過所述絕緣 層相互隔離；去除所述襯底的多個部分，以在所述絕緣層中形成凹槽；在所述凹槽中外延生長半導(dǎo)體材料，以形成半導(dǎo)體再生長區(qū)，其中，所述半導(dǎo)體再生長 區(qū)的頂端形成錐體；以及從所述錐體開始外延生長III-V化合物半導(dǎo)體膜。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述半導(dǎo)體再生長區(qū)和所述III-V化合物半導(dǎo) 體膜包括GaN。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述錐體的暴露表面具有(111)表面定向，或者所述錐體的底座與所述絕緣層的頂面基本一樣高。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述半導(dǎo)體再生長區(qū)包括緩沖區(qū)和在所述緩 沖區(qū)上方的所述頂部區(qū)域，并且其中，所述頂部區(qū)域由不同于所述緩沖區(qū)的材料形成，以及 所述緩沖區(qū)的頂面低于所述絕緣層的頂面。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，進(jìn)一步包括在所述III-V化合物半導(dǎo)體膜上方形成圖案化膜層，所述III-V化合物半導(dǎo)體膜的多 個部分通過所述圖案化膜層暴露；以及從所述III-V化合物半導(dǎo)體膜的暴露部分外延生長附加的III-V化合物半導(dǎo)體膜。
全文摘要
一種形成集成電路結(jié)構(gòu)的方法，包括在襯底的至少一部分上方形成絕緣層；在絕緣層的頂面上方形成多個半導(dǎo)體柱。該多個半導(dǎo)體柱通過絕緣層的多個部分水平隔離。該多個半導(dǎo)體柱配置為周期性圖案。該方法進(jìn)一步包括從半導(dǎo)體柱的頂面和側(cè)壁外延生長III-V化合物半導(dǎo)體膜。此外，還公開了一種從填充有中間層的溝槽生長III-V化合物半導(dǎo)體。
文檔編號H01L21/20GK102064098SQ201010267459
公開日2011年5月18日 申請日期2010年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月17日
發(fā)明者萬幸仁, 吳政憲, 柯志欣 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司