[发明专利]降低外延薄膜缺陷的退火方法及利用该方法得到的外延薄膜

说明书

技术领域

本发明涉及一种外延薄膜的退火方法及利用该方法得到的外延薄膜，尤其涉及一种可有效减少外延薄膜的缺陷的退火方法及由其得到的外延薄膜。 

背景技术

外延技术泛指将单晶薄膜成长于基材的工艺，其得到的单晶薄膜也称作外延薄膜，外延生长所使用的基材通常为仅有单一晶粒且原子排序均具特定方向的单晶材料，而依外延薄膜与基材的化学组成与晶格类型差异，外延薄膜可分为同质外延(Homoepitaxy)或异质外延(Heteroepitaxy)，前者指外延薄膜与基材为同一材料，如两者均为硅或钻石；后者则指外延薄膜与基材为相异材料，如氮化镓(Gallium Nitride，简称GaN)生长于蓝宝石基材，磷化铝铟镓(Aluminium Gallium Indium Phosphide，简称AlGaInP)生长于砷化镓(Gallium Arsenide，简称GaAs)基材。外延技术可应用于制造集成电路的晶体管、微机电的感测元件、通讯元件的电磁波收发膜、过滤信号用的振动膜、发光二极管的发光层等或是用于检测脱氧核糖核酸(Deoxyribonucleic acid，简称DNA)、抗体或氨基酸的芯片等。 

又外延工艺一般可采气相外延法(Vapor phase epitaxy，简称VPE)、分子束外延法(Molecular beam epitaxy，简称MBE)或液相外延法(Liquid phase epitaxy，简称LPE)等，以气相外延法而言，目前业界大多使用金属有机化学气相沉积(Metal organic chemical vapor deposition，简称 MOCVD)或氢化物气相外延(Hydride vapor phase epitaxy，简称HVPE)，相关技术可参日本发明专利公开第JP 2010135598号、美国发明专利公开第US 2006/0115933号、美国发明专利公开第US 2010/0221902号、美国发明专利公开第US 2007/0224786号、美国发明专利公开第US2010/0006024号、美国发明专利公开第US 2011/0012109号、美国发明专利公告第US 7,943,492号、美国发明专利公告第US 7,883,996号以及美国发明专利公告第US 7,427,555号等等。 

外延薄膜生长的原理是原子以基材的晶格作为模板而延伸生长，进而形成单晶结构的薄膜。但是，以外延工艺得到的外延薄膜仍不免会产生材料缺陷，包括空穴(Voids)、位错(Dislocations)、断层(Faults)甚或夹杂物(Inclusions)等。针对同质外延的成长，缺陷的形成可能是源自于基材本身即有较多的缺陷；基材局部的化学组成不均匀；工艺腔室或气体来源含有杂质；或者沉积速度过快，导致外延薄膜的原子排列发生错误。在异质外延的成长中，除前述因素外，还会由于外延薄膜与基材间的原子尺寸及晶格方向差异，进一步使外延薄膜的缺陷密度增加。进一步来说，当原子沉积在基材表面不稳定的位置时，其能量较高，如果沉积的温度不够高，造成原子的移动困难，就容易引发缺陷的生成。 

以气相外延法来说，由于属非平衡生长，故沉积后的原子本来就难以在基材表面移动，也无法使沉积在错位处的原子进行气化而重新沉积，因此，缺陷密度将大幅增加。相反，如果外延工艺可较接近平衡生长，即液固相的界面原子可同时沉积及融熔，则外延薄膜的缺陷密度可较低。以蓝光发光二极管的外延薄膜为例，常通过气相沉积法将氮化镓成长于蓝宝石基材，其中，氮化镓的稳定相为六方晶系的纤锌矿(Wurtzite)，而蓝宝石为六方晶系的(0002)面，也就是说，氮化镓与蓝宝石之间的晶格不匹配(Lattice mismatch)将超过13％，当使用自液相冷凝结晶得到的蓝宝石基材时，其位错密度将高达10⁹/cm²。相比之下，硅晶自熔液内拉出晶棒的位错密度仅有10⁴/cm²。 

外延薄膜内的位错密度越高，其晶片的性质就越差。以集成电路为例说明，位错密度的增加，会影响电流信号的降低且使噪声增加。再以发光二极管为例，位错的生成会降低由内部量子效应(Internal quantum effect)所产生的光子数量，且当温度升高时，位错的尺寸会加大而造成不可逆的光度衰减，再以氮化镓/蓝宝石外延来说，其位错的平均间距仅约1μm，光子在行进间若遇到位错将发生散射而产生热能。由此可知，降低缺陷密度可提高发光二极管的亮度，并延长其使用寿命。