磊晶半导体结构与磊晶基板的制作方法

1.本发明涉及一种半导体结构和基板，尤其涉及一种磊晶半导体结构和磊晶基板。


背景技术：

2.在磊晶基板的制造过程中，当基板材料与磊晶层材料为异质材料时容易因为材料之间的热膨胀系数和晶格大小等差异而产生应力累积。进一步而言，在磊晶工艺中，随着应力累积易导致基板产生翘曲问题，进而影响基板周遭的热场与流场均匀性，降低磊晶基板的质量，如此一来，也会使得后续形成于此磊晶基板上的产品的各项光学特性较差。


技术实现要素：

3.本发明提供一种磊晶半导体结构及磊晶基板，其可以有效地调整及控制在磊晶工艺中所产生的翘曲问题，提升其质量。
4.本发明的一种磊晶半导体结构，包括基板、半导体层以及平衡结构。基板具有相对的第一表面与第二表面。半导体层形成于第一表面上。平衡结构形成于第二表面上，用以平衡基板上的热应力，且平衡结构由多个非连续性颗粒物质组成。
5.在本发明的一实施例中，上述的多个非连续性颗粒物质随机分布于第二表面上。
6.在本发明的一实施例中，上述的多个非连续性颗粒物质于第二表面上的分布密度介于0.001个/微米平方至10个/微米平方之间。
7.在本发明的一实施例中，上述的多个非连续性颗粒物质于第二表面上的表面覆盖率介于0.5％至15％之间。
8.在本发明的一实施例中，上述的第二表面上至少划分为第一区域以及第二区域，且多个非连续性颗粒物质在第一区域以及第二区域内分别具有不同的表面覆盖率。
9.在本发明的一实施例中，上述的多个非连续性颗粒物质在第一区域内的表面覆盖率大于多个非连续性颗粒物质在第二区域内的表面覆盖率。
10.在本发明的一实施例中，上述的第二表面上还包括位于第一区域与第二区域之间的第三区域，且多个非连续性颗粒物质在第一区域、第二区域与第三区域内分别具有不同的表面覆盖率。
11.在本发明的一实施例中，上述的多个非连续性颗粒物质在第三区域内的表面覆盖率大于多个非连续性颗粒物质在第一区域与第二区域内的表面覆盖率。
12.在本发明的一实施例中，上述的每一非连续性颗粒物质的尺寸介于1纳米(nanometer)至3微米之间。
13.在本发明的一实施例中，上述的第二表面为凹凸表面，且第二表面的粗糙度与每一非连续性颗粒物质的尺寸的比值介于0.1至3000之间。
14.在本发明的一实施例中，上述的基板的厚度与每一非连续性颗粒物质的尺寸的比值介于160至1400000之间。
15.在本发明的一实施例中，上述的平衡结构的材料包括半导体材料或化合物半导体
材料。
16.在本发明的一实施例中，上述的平衡结构的热导系数大于等于基板的热导系数。
17.在本发明的一实施例中，上述的平衡结构的热导系数与基板的热导系数的比值大于等于1且小于等于30。
18.在本发明的一实施例中，上述的平衡结构的材料相同于半导体层的材料。
19.一种磊晶基板，适于半导体层的生成，且包括基板以及平衡结构。基板具有相对的第一表面与第二表面。平衡结构形成于第二表面上，用以平衡基板上的热应力，且平衡结构由多个非连续性颗粒物质组成。
20.基于上述，由于基板的两相对表面上分别形成有半导体层与平衡结构，因此可以通过平衡结构对基板所产生的应力方向不同于半导体层对基板所产生的应力方向来平衡基板上的热应力。此外，由于平衡结构由多个非连续性的颗粒物质组成，如此一来，可以更弹性地搭配不同磊晶条件来对应基板上应力分布情形，因此本发明的磊晶半导体结构可以有效地调整及控制在磊晶工艺中所产生的翘曲问题，提升其质量，进而可以使得后续形成于此磊晶半导体结构上的产品具有较佳的光学特性。
21.为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
22.图1a是依据本发明一实施例的磊晶半导体结构的剖面示意图；
23.图1b是依据本发明一实施例的磊晶半导体结构的仰视示意图；
24.图1c与图1d是图1a的非连续性颗粒物质在一些实施例的放大示意图；
25.图1e是依据本发明一实施例的磊晶半导体结构的表面覆盖率分别与基板弯曲程度及产品静电放电表现的关系图；
26.图2a是依据本发明另一实施例的磊晶半导体结构的仰视示意图；
27.图2b是图2a中的区块r1的放大示意图；
28.图2c是图2a中的区块r2的放大示意图；
29.图2d是图2a中的区块r3的放大示意图；
30.图3是依据本发明又一实施例的磊晶半导体结构的剖面示意图。
具体实施方式
31.现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同元件符号在附图和描述中用来表示相同或相似部分。
32.以下在实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭示的内容、权利要求范围及附图，任何本领域技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。以下的实施例进一步详细说明本发明的观点，但非以任何观点限制本发明的范畴。
33.图1a是依据本发明一实施例的磊晶半导体结构的剖面示意图。图1b是依据本发明一实施例的磊晶半导体结构的仰视示意图。图1c与图1d是图1a的非连续性颗粒物质在一些实施例的放大示意图。图1e是依据本发明一实施例的磊晶半导体结构的表面覆盖率分别与
基板弯曲程度及产品静电放电表现的关系图。
34.请参考图1a至图1e，在本实施例中，磊晶半导体结构100包括适于半导体层120生成的磊晶基板，其中磊晶基板包括基板110以及平衡结构130。在一些实施例中，基板110的材料不同于半导体层120的材料，换句话说，基板110的材料与半导体层120的材料可以为异质材料。在一些实施例中，基板110的材料包括氧化铝(al2o3)、碳化硅(sic)、硅(si)或砷化镓(gaas)；而半导体层120的材料包括
ⅱ‑ⅵ
族材料(例如：锌化硒(znse))或
ⅲ‑ⅴ
族材料(例如是砷化铝镓(algaas)、磷砷化镓(gaasp)、磷化铝镓铟(algainp)、磷化镓铝(algap)、氮化铟镓(ingan)、氮化铝(aln)、氮化铝镓(algan)、氮化铝铟镓(alingan)、氮化镓(gan)、砷化镓或氮化铟(inn))，但本发明不限于此。
35.进一步来说，基板110具有相对的第一表面110a与第二表面110b，半导体层120形成于第一表面110a上，而用以平衡基板110上的热应力的平衡结构130形成于第二表面110b上。在基板110的两相对表面(即第一表面110a与第二表面110b)上分别形成有半导体层120与平衡结构130的情况下，平衡结构130对基板110所产生的热应力的作用方向反向于半导体层120对基板110所产生的热应力的作用方向，以防止基板110产生翘曲。此外，平衡结构130由多个非连续性颗粒物质132组成，如此一来，可以更弹性地搭配不同磊晶条件来对应基板110上应力分布情形。据此，本实施例的磊晶半导体结构100可以有效地调整及控制在磊晶工艺中所产生的翘曲问题，提升其质量，进而可以使得后续形成于此磊晶半导体结构100上的产品具有较佳的光学特性(例如是波长、亮度、电性或其他适宜的特性)。
36.在一些实施例中，可以通过平衡结构130与基板110之间的热应力抵抗半导体层120与基板110之间的热应力以调整及控制基板110的翘曲问题，举例而言，当半导体层120的热膨胀系数(cte)或晶格常数(lattice constant)小于基板110，半导体层120对基板110形成拉伸应力时(基板110例如是呈现凹弧形态)，则可以形成对基板110具有抵抗上述拉伸应力的平衡结构130，进而可以将基板110拉回至平衡位置，有效地调整及控制基板110在磊晶工艺中所产生的翘曲问题，反之亦然，当半导体层120的热膨胀系数或晶格常数大于基板110，半导体层120对基板110形成压缩应力时(基板110例如是呈现凸弧形态)，则可以形成对基板110具有抵抗上述压缩应力的平衡结构130，进而可以将基板110拉回至平衡位置，有效地调整及控制基板110在磊晶工艺中所产生的翘曲问题。
37.应说明的是，平衡结构130的多个非连续性颗粒物质132于第二表面110b上的排列布局可以依照实际半导体层120与基板110之间所形成的翘曲状态去设计，换句话说，不论是何种翘曲状态，只要通过多个非连续性颗粒物质132于第二表面110b上的排列布局的调整即可有效改善基板110的翘曲问题，而排列布局的调整方式是实际设计上的需求而定，因此本发明不限制平衡结构130的材料与分布状态，只要由多个非连续性颗粒物质130组成的平衡结构130形成于基板110上相对于半导体层120的表面上，且用以平衡基板110的热应力皆属于本发明的保护范围。
38.在一些实施例中，多个非连续性颗粒物质132随机分布于第二表面110b上，换句话说，多个非连续性颗粒物质132可以是不规则排列于第二表面110b上。此外，多个非连续性颗粒物质132于第二表面110b上的分布密度可以是介于0.001个/微米平方至10个/微米平方之间，过大会增加抵抗压缩应力的拉回，过小会减少抵抗压缩应力的平衡，但本发明不限于此。
39.另一方面，多个非连续性颗粒物质132于第二表面110b上的表面覆盖率(如图1e中的n％)可以是介于0.5％至15％之间，过大会增加抵抗压缩应力的拉回，过小会减少抵抗压缩应力的平衡，但本发明不限于此。举例而言，多个非连续性颗粒物质132于第二表面110b上的表面覆盖率可以是介于0.5％至10％之间，因此本实施例的磊晶半导体结构100在上述的表面覆盖率范围下可以在同样磊晶参数下可以降低基板弯曲程度及显著提升形成于此磊晶半导体结构100上的产品的静电放电表现，如图1e所示。但本发明不限于此。
40.在本实施例中，多个非连续性颗粒物质132的一部分可凝聚成团簇，换句话说，多个非连续性颗粒物质132可以具有不同尺寸，有效地调整及控制基板110在磊晶工艺中所产生的翘曲问题。举例而言，多个非连续性颗粒物质132可以具有单一颗粒状尺寸(如图1c所示)及颗粒凝聚成团簇状尺寸(如图1d所示)。进一步来说，非连续性颗粒物质132可为规则形状、不规则形状、结晶或非晶的多面体，但本发明不限于此。
41.在一些实施例中，每一非连续性颗粒物质132的尺寸，例如是长度、宽度或厚度，介于1纳米至3微米之间。进一步来说，单一颗粒状尺寸可以是介于1纳米至3微米之间，团簇状尺寸可以是介于1纳米至3微米之间，但本发明不限于此。
42.在一些实施例中，基板110的厚度110t与每一非连续性颗粒物质132的尺寸的比值介于160至1400000之间。进一步来说，基板110的厚度110t与单一颗粒状尺寸的比值可以是介于160至1400000之间，且基板110的厚度110t与团簇状尺寸的比值可以是介于160至1400000之间，但本发明不限于此。
43.在一些实施例中，平衡结构130的材料包括半导体材料或化合物半导体材料，其中半导体材例如硅半导体类材料(例如是硅、碳化硅或硅锗等)；而化合物半导体类材料例如是陶瓷材料(例如是氮化钛、氮化锆、氮化硼、碳化钽、碳化锆、碳化钨、二硅化钼等)、氮化物及其合金(例如：氮化镓、氮化铝、氮化铟、氮化铟镓、氮化铝镓或氮化铝铟镓等)、砷化物及其合金(例如：砷化镓、砷化铝、砷化铟、砷化铟镓、砷化铝镓或砷化铝铟镓等)、磷化物及其合金(例如：磷化镓、磷化铝、磷化铟、磷化铟镓、磷化铝镓或磷化铝铟镓等)、氧化物(例如：氧化锌)，但本发明不限于此。
44.在一些实施例中，半导体材料具有掺质，举例而言，硅半导体类材料可以具有砷、磷、硼或铝等掺质，而化合物半导体类材料可以具有镁、硅、碳、镓、铟或氮等掺质，但本发明不限于此。
45.在一些实施例中，平衡结构130的材料相同于半导体层120的材料，例如皆是
ⅲ‑ⅴ
族材料，亦即平衡结构130的热膨胀系数相同于半导体层120的热膨胀系数，因此可以降低非连续性颗粒物质132的排列布局的设计难度。更进一步的说，于未绘示出的实施例中，半导体层可包括多层半导体结构，其中平衡结构的材料与半导体层中，接近基板的半导体结构可为相同的材料，例如皆为氮化镓。因此，在磊晶成长半导体层时而形成压缩应力时(基板例如是呈现凸弧形态)，则可以通过对基板具有抵抗上述压缩应力的平衡结构，进而同时将基板拉回至平衡位置，有效地调整及控制基板110在磊晶工艺中所产生的翘曲问题，但本发明不限于此。
46.此外，由于在磊晶工艺中热源的流动方向通常是由第二表面110b至第一表面110a的方向，亦即热量通常是由第二表面110b传递至第一表面110a，因此，在一些实施例中，平衡结构130的热导系数大于等于基板110的热导系数，如此一来，可以提升磊晶工艺中热能
分布的均匀性，举例而言，平衡结构130的热导系数与基板110的热导系数的比值可以大于等于1且小于等于30，但本发明不限于此。
47.在一些实施例中，通过参数调整可以使平衡结构130与半导体层120同时形成于基板110的两相对表面上，但本发明不限于此，在其他实施例中，亦可以是先形成平衡结构130再形成半导体层120，或者，先形成半导体层120再形成平衡结构130。
48.在此必须说明的是，以下实施例沿用上述实施例的元件标号与部分内容，其中采用相同或近似的标号来表示相同或近似的元件，并且省略了相同技术内容的说明，关于省略部分的说明可参考前述实施例，下述实施例不再重复赘述。
49.图2a是依据本发明另一实施例的磊晶半导体结构的仰视示意图。图2b是图2a中的区块r1的放大示意图。图2c是图2a中的区块r2的放大示意图。图2d是图2a中的区块r3的放大示意图。请参考图2a至图2d，相较于磊晶半导体结构100而言，本实施例的磊晶半导体结构200的第二表面210b上至少划分为第一区域201、第二区域202以及位于第一区域201与第二区域202之间的第三区域203。进一步来说，在本实施例中，多个非连续性颗粒物质132在第一区域201、第二区域202以及第三区域203内分别具有不同的分布密度及表面覆盖率，举例而言，多个非连续性颗粒物质132在第三区域203内的分布密度(如图2c的区块r2所示)可以大于多个非连续性颗粒物质132在第一区域201与第二区域202内的分布密度(如图2b的区块r1、图2d的区块r3所示)。此外，多个非连续性颗粒物质132在第三区域203内的表面覆盖率可以大于多个非连续性颗粒物质在第一区域201与第二区域202内的表面覆盖率，但本发明不限于此，多个非连续性颗粒物质132在第一区域201、第二区域202以及第三区域203内的分布密度与表面覆盖率可以视实际设计上的需求而定。
50.在一些实施例中，第三区域203环绕第二区域202，且第一区域201环绕第三区域203，举例而言，第三区域203可以是封闭地环绕第二区域202，且第一区域201可以是封闭地环绕第三区域203，但本发明不限于此，在另一些实施例中，第三区域203可以是非封闭地环绕第二区域202，且第一区域201可以是非封闭地环绕第三区域203，换句话说，第一区域201与第三区域203可以是多个弧形区段所构成。
51.应说明的是，本发明不限制第一区域201、第二区域202以及第三区域203须具有相同的封闭状态，如第三区域203可以是非封闭地环绕第二区域202，且第一区域201也可以是封闭地环绕第三区域203，前述各种封闭状态可依照实际设计上的需求进行设计组合。
52.在一些实施例中，第一区域201、第二区域202以及第三区域203具有圆形轮廓，并以第二区域202的圆心向外呈放射状，但本发明不限于此，第一区域201、第二区域202以及第三区域203可以具有如矩形、正方形、菱形或其他适宜的几何轮廓。此外，第一区域201、第二区域202以及第三区域203可以具有相同或类似的几何轮廓，或者，第一区域201、第二区域202以及第三区域203可以具有不同的几何轮廓，本发明不加以限制。
53.在一些实施例中，第一区域201的宽度d1(例如：径向宽度)可以是大于等于0且小于等于2厘米(cm)，而第三区域203的宽度d2(例如：径向宽度)可以是大于等于0且小于等于1厘米(cm)，能调整及控制基板在磊晶工艺中所产生的翘曲问题，但本发明不限于此。
54.图3是依据本发明又一实施例的磊晶半导体结构的部分剖面示意图。请参考图3，相较于磊晶半导体结构100而言，在本实施例的基板310中，第一表面310a可以为平坦表面，且第二表面310b为凹凸表面。举例来说，第二表面310b的粗糙度(ra)与每一非连续性颗粒
物质132的尺寸的比值介于0.1至3000之间。进一步来说，第二表面310b的粗糙度与单一颗粒状尺寸的比值介于0.1至3000之间，且第二表面310b的粗糙度与团簇状尺寸的比值介于0.1至3000之间但本发明不限于此。通过平衡结构130以及具有凹凸的第二表面310，使得磊晶时产生的热应力可以相对于平坦表面更亦被调控。于一未绘示出的实施例中，第一表面亦可以具有凹凸，能有更佳的调控效果。更佳的，当基板(如蓝宝石基板)形成半导体层时是两侧向上翘曲的，第一表面的粗糙度大于第二表面的粗糙度可有较佳的平衡。而当基板(如硅基板)形成半导体层是两侧向下翘曲的，第一表面的粗糙度小于第二表面的粗糙度可有较佳的平衡。
55.综上所述，由于基板的两相对表面上分别形成有半导体层与平衡结构，因此可以通过平衡结构对基板所产生的应力方向不同于半导体层对基板所产生的应力方向来平衡基板上的热应力。此外，由于平衡结构由多个非连续性的颗粒物质组成，如此一来，可以更弹性地搭配不同磊晶条件来对应基板上应力分布情形，因此本发明的磊晶半导体结构可以有效地调整及控制在磊晶工艺中所产生的翘曲问题，提升其质量，进而可以使得后续形成于此磊晶半导体结构上的产品具有较佳的光学特性。此外，平衡结构的热导系数可以是大于等于基板的热导系数，如此一来，可以提升磊晶工艺中热能分布的均匀性。
56.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。