TWI727773B - 複合基板及其製造方法 - Google Patents

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李文中
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Abstract

本發明揭示一種用於成長III-V族材料的複合基板，複合基板包含基板、 成核層及阻障層。成核層設置於基板上，成核層包含鋁離子或鎵離子。阻障層設置於基板與成核層之間，阻障層具有鋁離子或鎵離子的擴散阻障性。

Description

複合基板及其製造方法
本發明有關於一種複合基板，特別有關於用於成長三五(III-V)族材料的複合基板及其製造方法。
近年來，5G的應用處於蓬勃發展的階段。目前在5G晶片的製造中，最受矚目的材料之一為氮化鎵材料，其材料特性具有高頻率、高帶寬、高效率以及低損耗特性。目前氮化鎵材料射頻元件主要分為兩個技術路線，其一係為在半絕緣碳化矽基板上成長氮化鎵，另一分支在矽基板上成長氮化鎵。相較於在半絕緣碳化矽上成長氮化鎵，在矽基板上成長氮化鎵較有成本上的優勢，並且可以相容於目前的晶圓代工廠之產線。
一般而言，在矽基板上成長氮化鎵時，例如，成長含氮化鎵的高電子移動率晶體電晶體(High electron mobility transistor；HEMT)，因為鎵會與矽基板反應而消耗矽原子，導致鎵對矽基板產生類似蝕刻的效果。為了克服這個現象，在成長氮化鎵之前，先在矽基板上成 長氮化鋁，以避免在矽基板上直接成長氮化鎵。但在形成氮化鋁的製程中，製程的高溫會趨使某些離子產生擴散效應，例如，鋁離子與鎵離子，這些離子可能擴散至矽基板中，導致矽基板的阻值下降，使得元件之射頻的效率發生損耗。
因此，目前需要一種嶄新的複合基板及製造複合基板的方法。
在本發明內容的各種實施例中，一種用於成長III-V族材料的複合基板，複合基板包含基板、成核層及阻障層。成核層設置於基板上，成核層包含鋁離子或鎵離子。阻障層設置於基板與成核層之間，阻障層具有鋁離子或鎵離子的擴散阻障性。
在本發明內容的多個實施例中，基板包含半絕緣碳化矽基板、半絕緣氧化鎵基板、絕緣層上覆矽基板、p型矽基板、n型矽基板或氮化硼基板。
在本發明內容的多個實施例中，阻障層包含由氧化矽、氧化鋁、氧化鎵、氮化鈦或氮化硼所製成的單層，單層具有厚度為0.1Å至1000Å。
在本發明內容的多個實施例中，阻障層包含第一子層及第二子層，第二子層位於第一子層上，其中第一子層包含由氧化矽、氧化鋁或氧化鎵所製成的單層；以及第二子層包含由氮化矽、氮化鈦或氮化硼所製成的單層。
在本發明內容的多個實施例中，其中第一子層具有厚度在為1Å至100Å的範圍內；以及第二子層具有厚度在為1Å至100Å的範圍內。
在本發明內容的多個實施例中，阻障層包含第一子層、第二子層及第三子層，第二子層位於第一子層上，且第三子層位於第二子層上，其中第一子層包含由氧化矽、氧化鋁或氧化鎵所製成的單層；第二子層包含由氧化矽、氧化鋁、氧化鎵、氮化矽、氮化鈦或氮化硼所製成的單層；以及第三子層包含由氮化矽、氮化鈦或氮化硼所製成的單層。
在本發明內容的多個實施例中，第一子層具有厚度為1Å至100Å；第二子層具有厚度為1Å至100Å；以及第三子層具有厚度為1Å至100Å。
在本發明內容的多個實施例中，成核層包含由AlN、GaN、AltGa1-tN或AluInvGa1-u-vN所製成的單層，其中0≦t<1；0<u<1；0<v<1；以及成核層具有厚度為10Å至10000Å。
在本發明內容的多個實施例中，阻障層具有超晶格(super lattice)結構，其由交互堆疊的第一子層及第二子層所組成，其中第一子層與第二子層選自由AlN、GaN、AlGaN、AlGaInN、氧化矽、氧化鋁、氧化鎵、氮化矽、氮化鈦或氮化硼及其組合所組成的群組。
在本發明內容的多個實施例中，一種半導體複合基板，包含所述的複合基板及III-V族材料。III-V族材料設置於成核層上。
在本發明內容的多個實施例中，，其中III-V族材料包含氮化鎵、氮化硼、氮化鋁、氮化銦、氮化鋁鎵、氮化銦鎵、氮化鋁銦、氮化鋁銦鎵、砷化鎵或磷化銦。
在本發明內容的多個實施例中，一種用於成長III-V族材料的複合基板之製造方法，包含以下步驟：提供基板；使用有機金屬氣相沈積法、分子束磊晶法、高溫爐管、化學氣相沈積法或物理氣相沈積法形成阻障層在基板上；使用有機金屬氣相沈積法、物理氣相沈積法或分子束磊晶法形成成核層在阻障層上，成核層包含鋁離子或鎵離子；以及使用有機金屬氣相沈積法或分子束磊晶法形成III-V族材料在成核層上，其中當成核層的鋁離子或鎵離子經阻障層往基板擴散時，阻障層捕集(trap)從成核層來的鋁離子或鎵離子。
在本發明內容的多個實施例中，阻障層包含由氧化矽、氧化鋁、氧化鎵、氮化鈦或氮化硼所製成的單層，單層具有厚度為0.1Å至1000Å。
在本發明內容的多個實施例中，形成阻障層更包含形成第一子層在基板上，其中第一子層包含由氧化矽、氧化鋁或氧化鎵所製成的單層，第一子層具有厚度為1Å至100Å；以及形成第二子層在第一子層上，其中第二子層 包含由氮化矽、氮化鈦或氮化硼所製成的單層，第二子層具有厚度為1Å至100Å。
在本發明內容的多個實施例中，形成阻障層更包含形成第三子層在第二子層上，其中第三子層包含由氮化矽、氮化鈦或氮化硼所製成的單層，第三子層具有厚度為1Å至100Å。
在本發明內容的多個實施例中，阻障層具有超晶格(super lattice)結構，其由交互堆疊的第一子層及第二子層所組成，其中第一子層與第二子層選自由AlN、GaN、AlGaN、AlGaInN、氧化矽、氧化鋁、氧化鎵、氮化矽、氮化鈦或氮化硼及其組合所組成的群組。
以下將以實施方式對上述之說明做詳細的描述，並對本發明之技術方案提供更進一步的解釋。
10:基板
12:阻障層
12A:第一子層
12B:第二子層
12C:第三子層
14:成核層
16:III-V族材料
100:複合基板
M100:方法
S102:操作
S104:操作
S106:操作
S108:操作
為使本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，請詳閱以下的詳細敘述並搭配對應的圖式。
第1圖繪示根據本發明一些實施例之用於成長III-V族材料的複合基板。
第2A及2B圖繪示根據本發明一些實施例的具有複層的阻障層之複合基板。
第3圖繪示根據本發明一些實施例之用於成長III-V族材料的複合基板的製造方法的流程圖。
本發明提供一種用於成長III-V族材料的複合基板，藉由在基板與成核層中間設置阻障層，可以降低鋁離子或鎵離子擴散至基板的效應，減少擴散離子對於基板阻值之影響，並且提升半導體元件之射頻的效率。
第1圖繪示根據本發明一些實施例之用於成長III-V族材料的複合基板100。如第1圖所示，複合基板100包含基板10、成核層14及阻障層12。成核層14設置於基板10上，阻障層12設置於基板10與成核層14之間。複合基板100係用於成長III-V族材料16。III-V族材料16設置在成核層14上。
基板10可以為單晶基板，例如，矽基板。在一些實施例中，基板10為具有高阻值的矽基板。在特定的實施例中，矽基板的阻值大於1000Ω-cm。
在一些實施例中，基板10包含半絕緣碳化矽基板、半絕緣氧化鎵基板、絕緣層上覆矽基板(Silicon on Insulation；SOI)、p型矽基板、n型矽基板或氮化硼基板。
成核層14用以在基板10上方成長III-V族材料16。詳細地說，在基板10上形成成核層14之後，可以在成核層14上成長任何用於形成半導體裝置的III-V族材料。
成核層14可以為單晶或多晶層。在一些實施例中，成核層14包含鋁離子或鎵離子。在特定實施例中，成核層14包含由AlN、GaN、AltGa1-tN或 AluInvGa1-u-vN所製成的單層，其中0≦t<1；0<u<1；0<v<1。
成核層14具有厚度在為約10Å至約10000Å的範圍內。較佳的厚度為約30Å至約1000Å的範圍內。較佳的數值為約30Å、90Å、120Å、150Å、180Å、210Å、240Å、270Å、300Å、400Å、500Å、600Å、700Å、800Å或900Å。
成核層14可以使用有機金屬氣相沈積法、物理氣相沈積法或分子束磊晶法或其他任何合適方式來形成。
如第1圖所示，在基板10上形成成核層14之後，接著，在成核層14上成長III-V族材料16。III-V族材料16設置於成核層14上，其中III-V族材料16包含氮化鎵、氮化硼、氮化鋁、氮化銦、氮化鋁鎵、氮化銦鎵、氮化鋁銦、氮化鋁銦鎵、砷化鎵或磷化銦。
III-V族材料16可以使用有機金屬氣相沈積法、分子束磊晶法或其他任何合適方式來形成。值得注意的是，在成核層14上成長III-V族材料16時，由於基板10置於高溫的製程環境，例如，薄膜成長的腔室，成核層14中的鋁離子或鎵離子可能從成核層14向周圍的層擴散，例如，擴散至基板10。擴散至基板10的鋁離子或鎵離子會導致基板10的阻值下降，進而造成後續形成的半導體元件之性能降低，例如，射頻的效率衰減問題。
本發明提供一種複合基板100，具有位於基板10與成核層14之間的阻障層12，用以降低從成核層14中擴散至基板10的三價離子，例如，鋁離子或鎵離子。
在一些實施例中，阻障層12具有鋁離子或鎵離子的擴散阻障性。舉例來說，鋁離子或鎵離子在阻障層12中具有較低的擴散係數。在一些實施例中，阻障層12包含由氧化矽、氧化鋁、氧化鎵、氮化鈦或氮化硼所製成的單層。在一些實施例中，阻障層12實質上覆蓋基板10。
阻障層12可以使用高溫爐管、化學氣相沈積法或物理氣相沈積法或其他任何合適方式來形成。
阻障層12具有厚度在為約0.1Å至約1000Å的範圍內。而較佳厚度為約1Å至約100Å的範圍內。較佳的數值為約5Å、10Å、15Å、20Å、25Å、30Å、50Å、70Å、90Å或95Å。如果阻障層12的厚度太薄，將不足以阻障鋁離子或鎵離子的擴散；如果阻障層12的厚度太厚，則導致後續於阻障層12上不易成長單晶或是多晶的成核層14以及其上的III-V族材料16。
值得注意的是，阻障層12亦可以為複層的結構。複層使用不同材料的組合及不同厚度的搭配，使得三價離子的擴散至基板10之現象可以更進一步地下降。
第2A及2B圖繪示根據本發明一些實施例的具有複層的阻障層之複合基板100。
如第2A圖所示，阻障層12為具有二層的複層結構，阻障層12包含第一子層12A及第二子層12B，第二子 層12B位於第一子層12A上。在一些實施例中，第二子層12B實質上覆蓋第一子層12A。
在一些實施例中，第一子層12A包含由氧化矽、氧化鋁或氧化鎵所製成的單層。
在一些實施例中，第一子層12A具有厚度在為約1Å至約100Å的範圍內。較佳的數值為約5Å、10Å、15Å、20Å、25Å、30Å、50Å、70Å、90Å或95Å。
在一些實施例中，第二子層12B包含由氮化矽、氮化鈦或氮化硼所製成的單層。
第二子層12B具有厚度在為約1Å至約100Å的範圍內。較佳的數值為約5Å、10Å、15Å、20Å、25Å、30Å、50Å、70Å、90Å或95Å。
如第2B圖所示，阻障層12為具有三層的複層結構，阻障層12包含第一子層12A、第二子層12B及第三子層12C，第二子層12B位於第一子層12A上，第三子層12C位於第二子層12B上。在一些實施例中，第三子層12C實質上覆蓋第二子層12B。
第一子層12A包含由氧化矽、氧化鋁或氧化鎵所製成的單層。
第一子層12A具有厚度在為約1Å至約100Å的範圍內。較佳的數值為約5Å、10Å、15Å、20Å、25Å、30Å、50Å、70Å、90Å或95Å。
第二子層12B包含由氧化矽、氧化鋁、氧化鎵、氮化矽、氮化鈦或氮化硼所製成的單層。
第二子層12B具有厚度在為約1Å至約100Å的範圍內。較佳的數值為約5Å、10Å、15Å、20Å、25Å、30Å、50Å、70Å、90Å或95Å。
第三子層12C包含由氮化矽、氮化鈦或氮化硼所製成的單層。
第三子層12C具有厚度在為約1Å至約100Å的範圍內。較佳的數值為約5Å、10Å、15Å、20Å、25Å、30Å、50Å、70Å、90Å或95Å。
阻障層12各個子層12A、12B及12C可以使用高溫爐管、化學氣相沈積法或物理氣相沈積法或其他任何合適方式來形成。
值得注意的是，阻障層12亦可以具有超結晶(super lattice)結構，其由交互堆疊的第一子層及第二子層所組成(出於簡化未繪示)。藉由阻障層12的超結晶結構，使得三價離子的擴散至基板10之現象可以更進一步地下降。
在一些實施例中，具有超結晶結構的阻障層12之第一子層與第二子層選自由AlN、GaN、AlGaN、AlGaInN、氧化矽、氧化鋁、氧化鎵、氮化矽、氮化鈦或氮化硼及其組合所組成的群組。
在一些實施例中，使用有機金屬氣相沈積法、分子束磊晶法、高溫爐管、化學氣相沈積法或物理氣相沈積法來形成第一子層與第二子層交互堆疊的超結晶結構。
在一些實施例中，具有超結晶結構的阻障層12的厚度分別為約1Å至約200Å的範圍內。較佳的數值為約5Å、10Å、20Å、40Å、60Å、80Å、100Å、120Å、140Å、160Å、180Å或200Å。
第3圖繪示根據本發明一些實施例之用於成長III-V族材料16的複合基板100的製造方法M100的流程圖。方法M100包含操作S102、操作S104、操作S106及操作S108。
方法M100始於操作S102，參照第1圖，提供基板10。基板10為具有高阻值的矽基板。在特定的實施例中，矽基板的阻值大於1000Ω-cm。
接著，方法M100進行至操作S104，繼續參照第1圖，使用高溫爐管、化學氣相沈積法或物理氣相沈積法形成阻障層12在基板10上。在一些實施例中，使用物理層沈積法在矽基板上形成阻障層12，其為厚度約1nm的二氧化矽。
接著，方法M100進行至操作S106，繼續參照第1圖，使用有機金屬氣相沈積法、物理氣相沈積或分子束磊晶法形成成核層14在阻障層12上。在一些實施例中，使用物理層沈積法沉積成核層14，其為厚度約30nm的氮化鋁。在一些實施例中，使用有機金屬氣相沈積法成長成核層14，成核層14為AlxGa1-xN，此成核層的鋁含量在垂直於基板10的方向上具有梯度濃度，往遠離基板10的方向遞減。
接著，方法M100進行至操作S108，繼續參照第1圖，使用有機金屬氣相沈積法或分子束磊晶法形成III-V族材料16在成核層14上，其中當成核層14的鋁離子或鎵離子經阻障層12往基板10擴散時，阻障層12捕集(trap)從成核層14來的鋁離子或鎵離子。
在一些實施例中，III-V族材料16為高阻值GaN層。在一些實施例中，高阻值GaN層摻雜碳或鐵。在特定實施例中，碳摻雜濃度為約1E16[1/cm3]至約1E21[1/cm3]。在特定實施例中，鐵摻雜濃度為約1E16[1/cm3]至約1E19[1/cm3]。
在其他實施例中，III-V族材料16為AlyGa1-yN，其中0.1<y<0.3。在特定實施例中，III-V族材料16為p-GaN或p-AlzGa1-zN。
再次參照操作S104與第2A圖，在一些實施例中，形成阻障層12包含形成第一子層12A在基板10上，以及形成第二子層12B在第一子層12A上。在其他實施例中，參照第2B圖，形成阻障層12進一步包含形成第三子層12C在第二子層12B上。
綜上所述，一種用於成長III-V族材料的複合基板，具有一阻障層佈置在基板與成核層之間，從而在後續的高溫製程中可以避免成核層的離子擴散至基板，以此改善基板的阻值受離子擴散而衰減的問題。
10:基板
12:阻障層
14:成核層
16:III-V族材料
100:複合基板

Claims (15)

  1. 一種複合基板，包含：一基板；一成核層，設置於該基板上，包含鋁離子或鎵離子；以及一阻障層，設置於該基板與該成核層之間，具有鋁離子或鎵離子的擴散阻障性，包含：一第一子層，包含由氧化矽、氧化鋁或氧化鎵所製成的單層；及一第二子層，位於該第一子層上，包含由氮化矽、氮化鈦或氮化硼所製成的單層。
  2. 如請求項1所述的複合基板，其中該基板包含半絕緣碳化矽基板、半絕緣氧化鎵基板、絕緣層上覆矽基板、p型矽基板、n型矽基板或氮化硼基板。
  3. 如請求項1所述的複合基板，其中該阻障層包含由氧化矽、氧化鋁、氧化鎵、氮化鈦或氮化硼所製成的單層，該單層具有一厚度在為0.1Å至1000Å的範圍內。
  4. 如請求項1所述的複合基板，其中該第一子層具有一厚度在為1Å至100Å的範圍內；以及該第二子層具有一厚度在為1Å至100Å的範圍內。
  5. 如請求項1所述的複合基板，其中該阻障層包含一第一子層、一第二子層及一第三子層，該第二子層位於該第一子層上，且該第三子層位於該第二子層上，其中該第一子層包含由氧化矽、氧化鋁或氧化鎵所製成的單層；該第二子層包含由氧化矽、氧化鋁、氧化鎵、氮化矽、氮化鈦或氮化硼所製成的單層；以及該第三子層包含由氮化矽、氮化鈦或氮化硼所製成的單層。
  6. 如請求項5所述的複合基板，其中該第一子層具有一厚度在為1Å至100Å的範圍內；該第二子層具有一厚度在為1Å至100Å的範圍內；以及該第三子層具有一厚度在為1Å至100Å的範圍內。
  7. 如請求項1所述的複合基板，其中該成核層包含由AlN、GaN、AltGa1-tN或AluInvGa1-u-vN所製成的單層，其中0≦t<1；0<u<1；0<v<1；以及該成核層具有一厚度在為10Å至10000Å的範圍內。
  8. 如請求項1所述的複合基板，其中該阻障層具有超晶格(super lattice)結構，其由交互堆疊的一第一子層及一第二子層所組成，其中該第一子層與第二子層選自由AlN、GaN、AlGaN、AlGaInN、氧化矽、氧化鋁、氧化鎵、氮化矽、氮化鈦或氮化硼及其組合所 組成的群組。
  9. 一種半導體複合基板，包含：如請求項1至6任一項所述的複合基板；以及一III-V族材料，設置於該成核層上。
  10. 如請求項9所述的半導體複合基板，其中該III-V族材料包含氮化鎵、氮化硼、氮化鋁、氮化銦、氮化鋁鎵、氮化銦鎵、氮化鋁銦、氮化鋁銦鎵、砷化鎵或磷化銦。
  11. 一種複合基板之製造方法，包含：提供一基板；使用有機金屬氣相沈積法、分子束磊晶法、高溫爐管、化學氣相沈積法或物理氣相沈積法形成一阻障層在該基板上，其中所形成之該阻障層包含形成一第一子層在該基板上，該第一子層包含由氧化矽、氧化鋁或氧化鎵所製成的單層，以及形成一第二子層在該第一子層上，該第二子層包含由氧化矽、氧化鋁、氧化鎵、氮化矽、氮化鈦或氮化硼所製成的單層；使用有機金屬氣相沈積法、物理氣相沈積法或分子束磊晶法形成一成核層在該阻障層上，該成核層包含鋁離子或鎵離子；以及 使用有機金屬氣相沈積法或分子束磊晶法形成一III-V族材料在該成核層上，其中當該成核層的鋁離子或鎵離子經該阻障層往該基板擴散時，該阻障層捕集(trap)從該成核層來的鋁離子或鎵離子。
  12. 如請求項11所述的製造方法，其中該阻障層包含由氧化矽、氧化鋁、氧化鎵、氮化鈦或氮化硼所製成的單層，該單層具有一厚度為0.1Å至1000Å。
  13. 如請求項11所述的製造方法，其中該第一子層具有一厚度為1Å至100Å，且該第二子層具有一厚度為1Å至100Å。
  14. 如請求項13所述的製造方法，其中形成該阻障層更包含：形成一第三子層在該第二子層上，其中該第三子層包含由氮化矽、氮化鈦或氮化硼所製成的單層，該第三子層具有一厚度為1Å至100Å。
  15. 如請求項11所述的製造方法，其中該阻障層具有一超晶格(super lattice)結構，其由交互堆疊的一第一子層及一第二子層所組成，其中該第一子層與第二子層選自由AlN、GaN、AlGaN、AlGaInN、氧化矽、氧化鋁、氧化鎵、氮化矽、氮化鈦或氮化硼及其 組合所組成的群組。
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