TWI777621B

TWI777621B - 磊晶半導體結構與磊晶基板

Info

Publication number: TWI777621B
Application number: TW110122019A
Authority: TW
Inventors: 費遠婷; 陳佶亨
Original assignee: 錼創顯示科技股份有限公司
Priority date: 2021-06-17
Filing date: 2021-06-17
Publication date: 2022-09-11
Also published as: US11824016B2; TW202301433A; US20220406733A1

Abstract

一種磊晶半導體結構，包括基板、半導體層以及平衡結構。基板具有相對的第一表面與第二表面。半導體層形成於第一表面上。平衡結構形成於第二表面上，用以平衡基板上的熱應力，且平衡結構由多個非連續性顆粒物質組成。另提供一種磊晶基板。

Description

磊晶半導體結構與磊晶基板

本發明是有關於一種半導體結構和基板，且特別是有關於一種磊晶半導體結構和磊晶基板。

在磊晶基板的製造過程中，當基板材料與磊晶層材料為異質材料時容易因為材料之間的熱膨脹係數和晶格大小等差異而產生應力累積。進一步而言，在磊晶製程中，隨著應力累積易導致基板產生翹曲問題，進而影響基板周遭的熱場與流場均勻性，降低磊晶基板的品質，如此一來，也會使得後續形成於此磊晶基板上的產品的各項光學特性較差。

本發明提供一種磊晶半導體結構及磊晶基板，其可以有效地調整及控制在磊晶製程中所產生的翹曲問題，提升其品質。

本發明的一種磊晶半導體結構，包括基板、半導體層以及平衡結構。基板具有相對的第一表面與第二表面。半導體層形成於第一表面上。平衡結構形成於第二表面上，用以平衡基板上的熱應力，且平衡結構由多個非連續性顆粒物質組成。

在本發明的一實施例中，上述的多個非連續性顆粒物質隨機分佈於第二表面上。

在本發明的一實施例中，上述的多個非連續性顆粒物質於第二表面上的分佈密度介於0.001個/微米平方至10個/微米平方之間。

在本發明的一實施例中，上述的多個非連續性顆粒物質於第二表面上的表面覆蓋率介於0.5%至15%之間。

在本發明的一實施例中，上述的第二表面上至少劃分為第一區域以及第二區域，且多個非連續性顆粒物質在第一區域以及第二區域內分別具有不同的表面覆蓋率。

在本發明的一實施例中，上述的多個非連續性顆粒物質在第一區域內的表面覆蓋率大於多個非連續性顆粒物質在第二區域內的表面覆蓋率。

在本發明的一實施例中，上述的第二表面上更包括位於第一區域與第二區域之間的第三區域，且多個非連續性顆粒物質在第一區域、第二區域與第三區域內分別具有不同的表面覆蓋率。

在本發明的一實施例中，上述的多個非連續性顆粒物質在第三區域內的表面覆蓋率大於多個非連續性顆粒物質在第一區域與第二區域內的表面覆蓋率。

在本發明的一實施例中，上述的每一非連續性顆粒物質的尺寸介於1奈米至3微米之間。

在本發明的一實施例中，上述的第二表面為凹凸表面，且第二表面的粗糙度與每一非連續性顆粒物質的尺寸的比值介於0.1至3000之間。

在本發明的一實施例中，上述的基板的厚度與每一非連續性顆粒物質的尺寸的比值介於160至1400000之間。

在本發明的一實施例中，上述的平衡結構的材料包括半導體材料或化合物半導體材料。

在本發明的一實施例中，上述的平衡結構的熱導係數大於等於基板的熱導係數。

在本發明的一實施例中，上述的平衡結構的熱導係數與基板的熱導係數的比值大於等於1且小於等於30。

在本發明的一實施例中，上述的平衡結構的材料相同於半導體層的材料。

一種磊晶基板，適於半導體層的生成，且包括基板以及平衡結構。基板具有相對的第一表面與第二表面。平衡結構形成於第二表面上，用以平衡基板上的熱應力，且平衡結構由多個非連續性顆粒物質組成。

基於上述，由於基板的兩相對表面上分別形成有半導體層與平衡結構，因此可以藉由平衡結構對基板所產生的應力方向不同於半導體層對基板所產生的應力方向來平衡基板上的熱應力。此外，由於平衡結構由多個非連續性的顆粒物質組成，如此一來，可以更彈性地搭配不同磊晶條件來對應基板上應力分佈情形，因此本發明的磊晶半導體結構可以有效地調整及控制在磊晶製程中所產生的翹曲問題，提升其品質，進而可以使得後續形成於此磊晶半導體結構上的產品具有較佳的光學特性。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者瞭解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。

圖1A是依據本發明一實施例的磊晶半導體結構的剖面示意圖。圖1B是依據本發明一實施例的磊晶半導體結構的仰視示意圖。圖1C與圖1D是圖1A的非連續性顆粒物質在一些實施例的放大示意圖。圖1E是依據本發明一實施例的磊晶半導體結構的表面覆蓋率分別與基板彎曲程度及產品靜電放電表現的關係圖。

請參考圖1A至圖1E，在本實施例中，磊晶半導體結構100包括適於半導體層120生成的磊晶基板，其中磊晶基板包括基板110以及平衡結構130。在一些實施例中，基板110的材料不同於半導體層120的材料，換句話說，基板110的材料與半導體層120的材料可以為異質材料。在一些實施例中，基板110的材料包括氧化鋁(Al ₂O ₃)、碳化矽(SiC)、矽(Si)或砷化鎵(GaAs)；而半導體層120的材料包括Ⅱ-Ⅵ族材料(例如：鋅化硒(ZnSe))或Ⅲ-Ⅴ族材料(例如是砷化鋁鎵(AlGaAs)、磷砷化鎵(GaAsP)、磷化鋁鎵銦(AlGaInP)、磷化鎵鋁(AlGaP)、氮化銦鎵(InGaN)、氮化鋁(AlN)、氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化鋁銦鎵(AlInGaN)、氮化鎵(GaN)、砷化鎵或氮化銦(InN))，但本發明不限於此。

進一步來說，基板110具有相對的第一表面110a與第二表面110b，半導體層120形成於第一表面110a上，而用以平衡基板110上的熱應力的平衡結構130形成於第二表面110b上。在基板110的兩相對表面(即第一表面110a與第二表面110b)上分別形成有半導體層120與平衡結構130的情況下，平衡結構130對基板110所產生的熱應力的作用方向反向於半導體層120對基板110所產生的熱應力的作用方向，以防止基板110產生翹曲。此外，平衡結構130由多個非連續性顆粒物質132組成，如此一來，可以更彈性地搭配不同磊晶條件來對應基板110上應力分佈情形。據此，本實施例的磊晶半導體結構100可以有效地調整及控制在磊晶製程中所產生的翹曲問題，提升其品質，進而可以使得後續形成於此磊晶半導體結構100上的產品具有較佳的光學特性(例如是波長、亮度、電性或其他適宜的特性)。

在一些實施例中，可以藉由平衡結構130與基板110之間的熱應力抵抗半導體層120與基板110之間的熱應力以調整及控制基板110的翹曲問題，舉例而言，當半導體層120的熱膨脹係數(CTE)或晶格常數(lattice constant)小於基板110，半導體層120對基板110形成拉伸應力時(基板110例如是呈現凹弧形態)，則可以形成對基板110具有抵抗上述拉伸應力的平衡結構130，進而可以將基板110拉回至平衡位置，有效地調整及控制基板110在磊晶製程中所產生的翹曲問題，反之亦然，當半導體層120的熱膨脹係數或晶格常數大於基板110，半導體層120對基板110形成壓縮應力時(基板110例如是呈現凸弧形態)，則可以形成對基板110具有抵抗上述壓縮應力的平衡結構130，進而可以將基板110拉回至平衡位置，有效地調整及控制基板110在磊晶製程中所產生的翹曲問題。

應說明的是，平衡結構130的多個非連續性顆粒物質132於第二表面110b上的排列佈局可以依照實際半導體層120與基板110之間所形成的翹曲狀態去設計，換句話說，不論是何種翹曲狀態，只要透過多個非連續性顆粒物質132於第二表面110b上的排列佈局的調整即可有效改善基板110的翹曲問題，而排列佈局的調整方式是實際設計上的需求而定，因此本發明不限制平衡結構130的材料與分佈狀態，只要由多個非連續性顆粒物質130組成的平衡結構130形成於基板110上相對於半導體層120的表面上，且用以平衡基板110的熱應力皆屬於本發明的保護範圍。

在一些實施例中，多個非連續性顆粒物質132隨機分佈於第二表面110b上，換句話說，多個非連續性顆粒物質132可以是不規則排列於第二表面110b上。此外，多個非連續性顆粒物質132於第二表面110b上的分佈密度可以是介於0.001個/微米平方至10個/微米平方之間，過大會增加抵抗壓縮應力的拉回，過小會減少抵抗壓縮應力的平衡，但本發明不限於此。

另一方面，多個非連續性顆粒物質132於第二表面110b上的表面覆蓋率(如圖1E中的N%)可以是介於0.5%至15%之間，過大會增加抵抗壓縮應力的拉回，過小會減少抵抗壓縮應力的平衡，但本發明不限於此。舉例而言，多個非連續性顆粒物質132於第二表面110b上的表面覆蓋率可以是介於0.5%至10%之間，因此本實施例的磊晶半導體結構100在上述的表面覆蓋率範圍下可以在同樣磊晶參數下可以降低基板彎曲程度及顯著提升形成於此磊晶半導體結構100上的產品的靜電放電表現，如圖1E所示。但本發明不限於此。

在本實施例中，多個非連續性顆粒物質132的一部分可凝聚成團簇，換句話說，多個非連續性顆粒物質132可以具有不同尺寸，有效地調整及控制基板110在磊晶製程中所產生的翹曲問題。舉例而言，多個非連續性顆粒物質132可以具有單一顆粒狀尺寸(如圖1C所示)及顆粒凝聚成團簇狀尺寸(如圖1D所示)。進一步來說，非連續性顆粒物質132可為規則形狀、不規則形狀、結晶或非晶之多面體，但本發明不限於此。

在一些實施例中，每一非連續性顆粒物質132的尺寸，例如是長度、寬度或厚度，介於1奈米至3微米之間。進一步來說，單一顆粒狀尺寸可以是介於1奈米至3微米之間，團簇狀尺寸可以是介於1奈米至3微米之間，但本發明不限於此。

在一些實施例中，基板110的厚度110T與每一非連續性顆粒物質132的尺寸的比值介於160至1400000之間。進一步來說，基板110的厚度110T與單一顆粒狀尺寸的比值可以是介於160至1400000之間，且基板110的厚度110T與團簇狀尺寸的比值可以是介於160至1400000之間，但本發明不限於此。

在一些實施例中，平衡結構130的材料包括半導體材料或化合物半導體材料，其中半導體材例如矽半導體類材料(例如是矽、碳化矽或矽鍺等)；而化合物半導體類材料例如是陶瓷材料(例如是氮化鈦、氮化鋯、氮化硼、碳化鉭、碳化鋯、碳化鎢、二矽化鉬等)、氮化物及其合金(例如：氮化鎵、氮化鋁、氮化銦、氮化銦鎵、氮化鋁鎵或氮化鋁銦鎵等)、砷化物及其合金(例如：砷化鎵、砷化鋁、砷化銦、砷化銦鎵、砷化鋁鎵或砷化鋁銦鎵等)、磷化物及其合金(例如：磷化鎵、磷化鋁、磷化銦、磷化銦鎵、磷化鋁鎵或磷化鋁銦鎵等)、氧化物(例如：氧化鋅)，但本發明不限於此。

在一些實施例中，半導體材料具有摻質，舉例而言，矽半導體類材料可以具有砷、磷、硼或鋁等摻質，而化合物半導體類材料可以具有鎂、矽、碳、鎵、銦或氮等摻質，但本發明不限於此。

在一些實施例中，平衡結構130的材料相同於半導體層120的材料，例如皆是Ⅲ-Ⅴ族材料，亦即平衡結構130的熱膨脹係數相同於半導體層120的熱膨脹係數，因此可以降低非連續性顆粒物質132的排列佈局的設計難度。更進一步的說，於未繪示出的實施例中，半導體層可包括多層半導體結構，其中平衡結構的材料與半導體層中，接近基板的半導體結構可為相同的材料，例如皆為氮化鎵。因此，在磊晶成長半導體層時而形成壓縮應力時(基板例如是呈現凸弧形態)，則可以透過對基板具有抵抗上述壓縮應力的平衡結構，進而同時將基板拉回至平衡位置，有效地調整及控制基板110在磊晶製程中所產生的翹曲問題，但本發明不限於此。

此外，由於在磊晶製程中熱源的流動方向通常是由第二表面110b至第一表面110a的方向，亦即熱量通常是由第二表面110b傳遞至第一表面110a，因此，在一些實施例中，平衡結構130的熱導係數大於等於基板110的熱導係數，如此一來，可以提升磊晶製程中熱能分佈的均勻性，舉例而言，平衡結構130的熱導係數與基板110的熱導係數的比值可以大於等於1且小於等於30，但本發明不限於此。

在一些實施例中，藉由參數調整可以使平衡結構130與半導體層120同時形成於基板110的兩相對表面上，但本發明不限於此，在其他實施例中，亦可以是先形成平衡結構130再形成半導體層120，或者，先形成半導體層120再形成平衡結構130。

在此必須說明的是，以下實施例沿用上述實施例的元件標號與部分內容，其中採用相同或近似的標號來表示相同或近似的元件，並且省略了相同技術內容的說明，關於省略部分的說明可參考前述實施例，下述實施例不再重複贅述。

圖2A是依據本發明另一實施例的磊晶半導體結構的仰視示意圖。圖2B是圖2A中的區塊R1的放大示意圖。圖2C是圖2A中的區塊R2的放大示意圖。圖2D是圖2A中的區塊R3的放大示意圖。請參考圖2A至圖2D，相較於磊晶半導體結構100而言，本實施例的磊晶半導體結構200的第二表面210b上至少劃分為第一區域201、第二區域202以及位於第一區域201與第二區域202之間的第三區域203。進一步來說，在本實施例中，多個非連續性顆粒物質132在第一區域201、第二區域202以及第三區域203內分別具有不同的分佈密度及表面覆蓋率，舉例而言，多個非連續性顆粒物質132在第三區域203內的分佈密度(如圖2C的區塊R2所示)可以大於多個非連續性顆粒物質132在第一區域201與第二區域202內的分佈密度(如圖2B的區塊R1、圖2D的區塊R3所示)。此外，多個非連續性顆粒物質132在第三區域203內的表面覆蓋率可以大於多個非連續性顆粒物質在第一區域201與第二區域202內的表面覆蓋率，但本發明不限於此，多個非連續性顆粒物質132在第一區域201、第二區域202以及第三區域203內的分佈密度與表面覆蓋率可以視實際設計上的需求而定。

在一些實施例中，第三區域203環繞第二區域202，且第一區域201環繞第三區域203，舉例而言，第三區域203可以是封閉地環繞第二區域202，且第一區域201可以是封閉地環繞第三區域203，但本發明不限於此，在另一些實施例中，第三區域203可以是非封閉地環繞第二區域202，且第一區域201可以是非封閉地環繞第三區域203，換句話說，第一區域201與第三區域203可以是多個弧形區段所構成。

應說明的是，本發明不限制第一區域201、第二區域202以及第三區域203須具有相同的封閉狀態，如第三區域203可以是非封閉地環繞第二區域202，且第一區域201也可以是封閉地環繞第三區域203，前述各種封閉狀態可依照實際設計上的需求進行設計組合。

在一些實施例中，第一區域201、第二區域202以及第三區域203具有圓形輪廓，並以第二區域202的圓心向外呈放射狀，但本發明不限於此，第一區域201、第二區域202以及第三區域203可以具有如矩形、正方形、菱形或其他適宜的幾何輪廓。此外，第一區域201、第二區域202以及第三區域203可以具有相同或類似的幾何輪廓，或者，第一區域201、第二區域202以及第三區域203可以具有不同的幾何輪廓，本發明不加以限制。

在一些實施例中，第一區域201的寬度d1(例如：徑向寬度)可以是大於等於0且小於等於2公分(cm)，而第三區域203的寬度d2(例如：徑向寬度)可以是大於等於0且小於等於1公分(cm)，能調整及控制基板在磊晶製程中所產生的翹曲問題，但本發明不限於此。

圖3是依據本發明又一實施例的磊晶半導體結構的部分剖面示意圖。請參考圖3，相較於磊晶半導體結構100而言，在本實施例的基板310中，第一表面310a可以為平坦表面，且第二表面310b為凹凸表面。舉例來說，第二表面310b的粗糙度(Ra)與每一非連續性顆粒物質132的尺寸的比值介於0.1至3000之間。進一步來說，第二表面310b的粗糙度與單一顆粒狀尺寸的比值介於0.1至3000之間，且第二表面310b的粗糙度與團簇狀尺寸的比值介於0.1至3000之間但本發明不限於此。透過平衡結構130以及具有凹凸的第二表面310，使得磊晶時產生的熱應力可以相對於平坦表面更亦被調控。於一未繪示出的實施例中，第一表面亦可以具有凹凸，能有更佳的調控效果。更佳的，當基板(如藍寶石基板)形成半導體層時是兩側向上翹曲的，第一表面的粗糙度大於第二表面的粗糙度可有較佳的平衡。而當基板(如矽基板)形成半導體層是兩側向下翹曲的，第一表面的粗糙度小於第二表面的粗糙度可有較佳的平衡。

綜上所述，由於基板的兩相對表面上分別形成有半導體層與平衡結構，因此可以藉由平衡結構對基板所產生的應力方向不同於半導體層對基板所產生的應力方向來平衡基板上的熱應力。此外，由於平衡結構由多個非連續性的顆粒物質組成，如此一來，可以更彈性地搭配不同磊晶條件來對應基板上應力分佈情形，因此本發明的磊晶半導體結構可以有效地調整及控制在磊晶製程中所產生的翹曲問題，提升其品質，進而可以使得後續形成於此磊晶半導體結構上的產品具有較佳的光學特性。此外，平衡結構的熱導係數可以是大於等於基板的熱導係數，如此一來，可以提升磊晶製程中熱能分佈的均勻性。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100、200:磊晶半導體結構

110、310:基板

110a、310a:第一表面

110b、210b、310b:第二表面

110T:厚度

120:半導體層

130:平衡結構

132:非連續性顆粒物質

201:第一區域

202:第二區域

203:第三區域

d1、d2:寬度

R1、R2、R3:區塊

圖1A是依據本發明一實施例的磊晶半導體結構的剖面示意圖。圖1B是依據本發明一實施例的磊晶半導體結構的仰視示意圖。圖1C與圖1D是圖1A的非連續性顆粒物質在一些實施例的放大示意圖。圖1E是依據本發明一實施例的磊晶半導體結構的表面覆蓋率分別與基板彎曲程度及產品靜電放電表現的關係圖。圖2A是依據本發明另一實施例的磊晶半導體結構的仰視示意圖。圖2B是圖2A中的區塊R1的放大示意圖。圖2C是圖2A中的區塊R2的放大示意圖。圖2D是圖2A中的區塊R3的放大示意圖。圖3是依據本發明又一實施例的磊晶半導體結構的剖面示意圖。

100:磊晶半導體結構

110:基板

110a:第一表面

110b:第二表面

110T:厚度

120:半導體層

130:平衡結構

132:非連續性顆粒物質

Claims

一種磊晶半導體結構，包括：基板，具有相對的第一表面與第二表面；半導體層，形成於所述第一表面上；以及平衡結構，形成於所述第二表面上，用以平衡所述基板上的熱應力，其中所述平衡結構由多個非連續性顆粒物質組成，且所述平衡結構對所述基板所產生的熱應力的作用方向反向於所述半導體層對所述基板所產生的熱應力的作用方向。
如請求項1所述的磊晶半導體結構，其中所述多個非連續性顆粒物質隨機分佈於所述第二表面上。
如請求項1所述的磊晶半導體結構，其中所述多個非連續性顆粒物質於所述第二表面上的分佈密度介於0.001個/微米平方至10個/微米平方之間。
如請求項1所述的磊晶半導體結構，其中所述多個非連續性顆粒物質於所述第二表面上的表面覆蓋率介於0.5%至15%之間。
如請求項1所述的磊晶半導體結構，其中所述第二表面上至少劃分為第一區域以及第二區域，所述第一區域環繞所述第二區，且所述多個非連續性顆粒物質在所述第一區域以及所述第二區域具有不同的表面覆蓋率。
如請求項5所述的磊晶半導體結構，其中所述多個非連續性顆粒物質在所述第一區域內的表面覆蓋率大於所述多個非連續性顆粒物質在所述第二區域內的表面覆蓋率。
如請求項5所述的磊晶半導體結構，更包括第三區域，位於所述第一區域與所述第二區域之間的第三區域，且所述多個非連續性顆粒物質在所述第一區域、所述第二區域以及所述第三區域內分別具有不同的表面覆蓋率。
如請求項7所述的磊晶半導體結構，其中所述多個非連續性顆粒物質在所述第三區域內的表面覆蓋率大於所述多個非連續性顆粒物質在所述第一區域與所述第二區域內的表面覆蓋率。
如請求項1所述的磊晶半導體結構，其中每一所述非連續性顆粒物質的尺寸介於1奈米至3微米之間。
如請求項1所述的磊晶半導體結構，其中所述基板的厚度與每一所述非連續性顆粒物質的尺寸的比值介於160至1400000之間。
如請求項1所述的磊晶半導體結構，其中所述第二表面為凹凸表面，且所述第二表面的粗糙度與每一所述非連續性顆粒物質的尺寸的比值介於0.1至3000之間。
如請求項1所述的磊晶半導體結構，其中所述平衡結構的熱導係數大於等於所述基板的熱導係數。
如請求項12所述的磊晶半導體結構，其中所述平衡結構的熱導係數與所述基板的熱導係數的比值大於等於1且小於等於30。
如請求項1所述的磊晶半導體結構，其中所述平衡結構的材料包括半導體材料或化合物半導體材料。
如請求項14所述的磊晶半導體結構，其中所述平衡結構的材料相同於所述半導體層的材料。
一種磊晶基板，適於一半導體層的生成，包括：基板，具有相對的第一表面與第二表面；以及平衡結構，形成於所述第二表面上，用以平衡所述基板上的熱應力，其中所述平衡結構由多個非連續性顆粒物質組成，且所述平衡結構對所述基板所產生的熱應力的作用方向反向於所述半導體層對所述基板所產生的熱應力的作用方向。