TW488082B - Single step pendeo and lateral epitaxial overgrowth of group III-nitride epitaxial layers with group III-nitride buffer layer and resulting structures - Google Patents
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Description
488082 五、發明說明(1) 發明範疇 本發明係關於電子裝置結構及製造方法,更特定而言, 係關於I I I族氮化物半導體結構,以及衡量及側路磊晶°過 成長的製造方法。 背景 氮化鎵(GaN)為一種廣為人知的寬帶溝半導體材料 用途係做為藍光發射二極體中一活性層籌=二: 研f將其用於其它的微電子裝置,包含雷射二極體,與高 速高功率電晶體裝置。如此處所使用的,”氮化鎵”或 门 G a N係心其氮化鎵及I I I族氮化物合金,其包含氮化鋁鎵 (AlGaN),氮化銦鎵(inGaN),及氮化鋁銦鎵(AHnGaN)。
GaN的南品質量產結晶目前仍無法達到商業用途。因 此,G a N結晶基本上是製造成在非G a N基板之下的異磊晶 層。可惜地是,GaN具有與大多數合適的基板結晶相當不 吻合的晶格。舉例而言,GaN與藍寶石會有15%的晶格差 異’與碳化石夕會有一 3 · 5%的晶袼差異。在一基板與一磊晶 層的晶格差異會造成散佈錯置,其會傳遞通過成長中 的阳層。甚至當與一氮化鋁緩衝層在碳化矽上成長時, :GaN蠢晶層的錯置密度經估計約超過。這個缺陷 抬度限制了將GaN應用在/高敗感的電子裝置中,例如雷射 二極體。
GaN的側路蟲晶過成長(Lateral Epitaxial Overgrowth, LEO)已成為許多注·意的焦點,因為其是首次 做為種方法能夠降低磊晶成長G a N薄膜的錯置密度。本 488082 五、發明說明(2) 質上’該技術包含利用一光罩來罩住一GaN的下層,其具 有一開口的圖案並成長該Gaj\j向上穿過及橫向地到該光罩 上。其可發現到在該光罩上側路成長的該GaN層部份會呈 現比底層的GaN層,或在該光罩開口之上的該GaN層的該部 份皆遠為低的錯置密度。如此處所使用的,”側路”或”橫 向π係指一方向’通常平行於一基板的該表面,當該名詞 1縱向”表示其通常正交於一基板的該表面的方向。 習用LE0技術的一個缺點是’需要獨立的處理步驟來成 長底層GaN層,遮蔽該GaN層,然後即成長該侧路層。早期
的LE0具體實施例並不直接將該光罩放在非GaN基板上,因 為在GaN層的成核化當中,低溫狀態下會發生不需要的成 核2 ’而防止相鄰侧路成長區域的接合(或是如果不需要 接合的話’即防止側路地成長出一所需要的距離)。當該 光罩直f放置在一GaN層,在光罩上不需要的成核化基本 上,不是問,,係由於並不需要低溫成核化,而GaN的成 長度度相當南,通常高於1〇〇(rc。在高溫成長中,因為鎵 原子在氮化鎵表面上的穿透係數比該光罩要高得多,故 會發生成核化。 $員缺點已藉由LE()的一”單一步驟,,處理的成功而得到 卞装Shea ly等人揭示了一種處理,使得一底層sic或藍 負基板由氮化矽遮蔽。此處理即稱之為"單一步驟",因 為其不需要在該基板與光罩之間成長一 GaN的中介層。 S】e=y :現到使該氮化矽光罩上的成核化最小⑶,曰而允許 一罩上成長出一相對地無缺陷的侧路成長GaN層。但 五、發明說明(3) 是,在某些 化,而仍能 的GaN層。 因此,在 出氮化鎵的 成核最小化 再者,在 出氮化鎵的 成核最小化 電基板與一 本發明的 出氮化錁的 成核最小化 本發明的 製造出氮化 層的成核最 本技藝中 無缺陷單 之方法。 本技藝中 無缺陷單 之方法, 氮化鎵的 目的即在 無缺陷單 之方法。 另一目的 =況下,其有需要避免在光罩上使成核最小 夠在一單一步驟處理中成長出一相對地無缺陷 發明目的及概沭 有需要一種在一單一步驟處理中製造 一結晶薄膜,而不需要使該光罩層的 有需要一種在一單一步驟處理中製造 一結晶薄膜,而不需要使該光罩層的 其可提供一導電緩衝層而允許在一導 蠢晶層之間的電子流通。 於提供一種在一單一步驟處理中製造 一結晶薄獏,而不需要使該光罩層的 即在於提供一 陷單一結晶薄 J、化之方法,其可提供 鎵的磊晶層之 它的目的可藉由一種在 體結構之方參來達到。 具有至少一個 緩衝層,以及 地穿過該光罩 的縱向與橫向 種在一單一 膜,而不需 一導電緩衝 間的電子流 一基板上製 該方法包含 開口的光罩 由該緩衝層 。在由該光 成長速率可 步驟處理中 要使該光罩 層而允許在 通。 造以氮化鎵 以下步驟: ’經由該至 向上成長出 罩成長該氮 維持在某速 鎵的無缺 一導電基板與一氮化 前述及其 為主的半導 直接在基板 少一個開口 一氮化鎵層 上形成一 來成長一 ,並橫向 化錁時,該氮化鎵層 488082 五、發明說明(4) 率’其足以防止在該光罩上的複晶矽材料 氮化鎵層的側路成長。 什成核化來影響該 在另一具體實施例中,該方法包含形成至处 定義基板上的相鄰溝渠,並在該基板 =巳部來 罩在該突起部的上表面上具有至少一個開;。光 由該突起部的卜本;士、真 缺你 二七技t 、後層可 上由衡量石B |成長。”矣 鎵層即在該溝渠 里妨日日做侧路地成長。
At = 體實施例中,本發明提供τ在基板上以氮化鎵 马主的+導體結構。該結構包含一基板及具有至少一窗口 的光罩^其直接應用在該基板的上表面上。氮化鎵的一過 成長層係由該光罩窗向上延伸,並橫向地穿過該光罩,在 其上則由複晶矽材料進行成核化及成長。 、在又具體實施例中,該基板包含至少一個突起部而定 相鄰的溝渠。一光罩結構覆蓋在該基板,而光罩中的 、® 口即曝露出至少該突起部的上表面的一部份。氮化鎵 的 l成長層由該光罩窗向上延伸,並橫向地越過溝渠, 並穿過光罩’在其上則由複晶石夕材料進行成核化及成長。 星式之簡單說Μ 圖1所示為一基板的剖面圖,在其上的光罩已經過圖案 化。 一 / … 圖2所示為一基板的平面圖,在其上的光罩已經過圖案 化0 圖3所不為一基板的剖面圖,在其上的一 GaN層已經在一 導電緩衝層上由LE0進行磊晶成長。
第9頁 488082 兮年$月么a餘補鬼 案號 89121473 f广年j月/曰 修正_ 五、發明說明(5) 在其上的一 GaN層已經在一 圖3 A所示為一基板的剖面圖 導電緩衝層上由LE0進行磊晶成長,但並未接合。 圖4所示為一基板的剖面圖,在其上過量的光罩上成核 化係由一 G a N層的側路成長所中斷。 圖5所示為一基板的剖面圖,其係根據本發明的一個方 面’在基板上·G a N層已經過蠢晶成長。 圖6所示為一基板的剖面圖,其係根據本發明的另一個 方面’在基板上一 GaN層已經過蠢晶成長。 圖6 A所示為一基板的剖面圖,在其上一對突起部已經形 成,並沉積一光罩層。 圖6 B所示為一基板的剖面圖,在其上一對突起部已經形 成,並利用一自我對準技術來沉積一光罩層。 圖7所示為一橫剖面SEM影像,表示出由光罩上結晶成核 化來中斷一 G a N層的側路成長,亦即該側路成長的層會接 觸到該結晶。 圖8所示為兩個GaN長條的平面SEM影像圖,其中在底層 光罩上的結晶即干擾了蠢晶成長。 圖9所示為根據本發明的一具體實施例的G a N長條的一橫 剖面SEM,其利用一反射式光罩層。 圖1 0所示為根據本發明的一具體實施例的G a N長條的一 橫剖面SEM,其直到相鄰區域已在該反射式光罩上接合。 圖11所示為在一 Si3N4光罩上成長於一導電缓衝層上的 G a N層的橫剖面S E Μ。 圖1 2為根據本發明的一第二具體實施例所成長的G a Ν層 的橫剖面S E Μ。
O:\67\67039.ptc 第10頁 488082 -1號 89121473 9f ^ 《日 五、發明說明(6) '^^~ 圖1 3為根據本發明的一第二| ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ττ〇·ηι, ^ 丹體貫施例所成長的GaN層的 平面SEM圖,亦即藉由覃— 一 ;J 1稽田早少驟衡量磊晶所成長 的GaN<l 1 〇〇>長條的平面SEM。 圖14為根據本發明所成長的GaN層的TEM(Transmissi〇n Electron Microscopy)影像橫剖面圖。 圖1 5為根據本發明的一具體實施例所成長的GaN長條的 橫剖面SEM圖,其保持側路到水平成長率的比例在彳2 . ι。 圖1 6為根據本發明的一具體實施例所成長的GaN長條的 杈剖面SEM圖,其保持側路到水平成長率的比例在^停的 發明詳細說明
現在將配合所附圖面而在此處做更完整的說明,其中所 示為本發明的較佳具體實施例。但是,本發明可包^於許 夕不同的型式,並不應視為受限於此處所揭示的具體實施 例。而是這些具體實施例係用來使所揭示内容更透澈及完 整,並對那些本技藝的專業人士而言,完整地傳達本發明 的範圍。在整篇中類似的編號即表示類似的元件。另外, 在圖面中所示的不同疊層及區域則以圖面方式來說明。因 為對那些本技藝的專業人士也可瞭解’此處所稱一疊層形 成”在” 一基板或其它疊層係表示直接形成在該基板或其它 疊層上,或是在一中介層上,或是形成在該基板或其它疊 層上的疊層。此處所稱之一疊層形成Π直接在”一基板或& 它疊層上係指該疊層形成在該基板上,而沒有一中介層或 多個疊層形成在該基板或其它疊層上。本發明並不限^在 所附圖面中所示的該相對大小及間隔。 基本LE0方法係說明於a · Usui等人所著|,藉由氫化物氣 488082 五、發明說明(7)
相磊晶的低錯置密度的厚GaN磊晶成長’1 (” Thick GaN epitaxial growth with low dislocation density by hydride vapor phase epitaxy") ,Jpn· J· Appl· Phys· 卷36,頁L8 99 -90 2 ( 1 99 7 )。不同的包含衡量磊晶技術的 LE0技術係說明於美國專利申請編號〇 9/ 0 32, 1 90,名為π由 底層氮化鎵層延伸的包含一側路氮化鎵層的氮化鎵半導體 結構’’(’’Gallium Nitride Semiconductor Structures Including a Lateral Gallium Nitride Layer that Extends From an Underlying Gallium Nitride Layern ),在1 9 98年2月27日提出;專利中請編號 0 9/ 0 3 1,834,π包含側路地偏置圖案化層的氮化鎵半導體 結構 ”(n Gallium Nitride Semiconductor Structures Including Lateral ly Offset Patterned Layers 丨丨), 1 9 9 8年2月27日提出;專利申請編號0 9/ 1 98, 784,”由遮蔽 柱的側壁所側路成長的在碳化石夕基板上製造氮化鎵半導體 層的衡量蟲晶方法,及由此所製造的氮化鎵半導體結構"
(M Pendeoepitaxial Methods of Fabricating Gallium Nitride Semiconductor Layers on Silicon Carbide Substrates by Lateral Growth from Sidewalls of Masked Posts, and Gal Hum Nitride Semi conductor Structures Fabricated Thereby") , 1998 年11 月24 曰提 出;以及,專利申請編號6 0 / 0 8 8,7 6 1,n由側壁側路成長 到溝渠的製造氮化矽半導體層的方法,及由此所製造的氮 化石夕半導體結構11 (’’Methods of Fabricating Gallium
第12頁 488082 五、發明說明(8)
Nitride Semiconductor Layers by Lateral Growth from Sidewalls into Trenches, and Gallium Nitride emiconductor Structures Fabricated Thereby"), 1 9 9 8年6月1 0日提出,每個所揭示内容皆在此引用做為參 考。 現在參考圖1,所示為一基板10,在其上沉積有一光罩 層1 4,具有長條1 4a及1 4b。雖然該長條圖案可以在兩側上 以週期性或非週期性方式持續’為了方便起見僅顯示長條 14a及14b。長條14a,14b的特徵在於其具有一寬度(w), 並由該光罩開口或具有一窗口長度(1 )的窗口 6所隔開。在 長條1 4 a的邊緣及相對應的長條1 4 b的邊緣之間的距離,則 定義為該光罩圖案的週期(p),至少相關於長條14a及 14b ,像是p=w+l 。 該光罩層可利用電漿加強化學氣相沉積(PECVD),濺 鑛’電子束沉積,熱氧化或其它沉積技術,並使用標準微 影技術進行圖案化。該PECVD處理係詳細說明於S. M. Sze 所著,VLSI Technology,第2 版,1998 年McGraw-Hill 出 版。在本技藝中,微影是為人熟知的技術。 如圖2所不’長條14a及14b最好疋A者(〇〇〇1)平面的 < 1Ϊ 0 0 >結晶方向。(此處/所使用的結晶標示方式為本技藝 中所熟知,故在此不需另外說明)。該光罩層1 4可包含氮 化矽(SixNy)或二氧化矽(Si 02)或是任何適用的光罩材料。 如果該結構是製造用於一光學裝置,像是一LED或雷射二 極體,該光罩層14可包含一反射或折射金屬,其在氨氣及 观U82 五、發明說明(9) 氫氣中疋穩定的,其融熔點超過1 2 0 0 °C,並可反射到所需 ,,波長這種金屬的範例包括鎮(w)及翻(p t )。另外, §亥光罩層可包含一Bragg反射器,其可包含交替的Si N及 、〇2或其它氧化物層,其設計在本技藝中也是為人所熟 知。 〜該基板可為碳化矽,藍寶石(ai2o3),矽,氧化鋅,或其 它任何類似可適用的材料。碳化矽基板的優點有一些原 因’其可提供GaN較緊密的晶格及熱膨脹配對,其熱性及 化學性都很穩定,具有自然的切開面,高熱傳導性,旅透 明於最高到38 0 nm的可見光波長。同時,碳化矽有一獨特 的優點在於其傳導性,其可允許製造幾何垂直的裝置。碳 化矽基板具有一複晶型4H,6H,3C或15R。然而較佳地 是,該基板為6H-SiC(轴上)。 基板1 0的製造為本技藝中所熟知。舉例而言,其製造說 明於美國專利4,865,685中,由Palmour等人提出,Davis 專人的8634,861,$〇叫等人的4,912,064,?31111〇111'等人的 4,9 4 6,5 4 7,每份文獻皆在此引用做為參考。藍寳石及石夕 基板的製造為本技藝中所熟知,故不需要詳細說明。 現在參考圖3,一蠢晶層20的製造可先在該基板1〇的表 面上成長一緩衝層12。蟲/晶層20可包含氮化鎵或其hi族 氮化物合金,例如氮化鋁鎵(AlGaN),氮化銦鎵(inGaN), 或氮化鋁銦鎵(AlInGaN)。對於一SiC基板,較佳地是,該 緩衝層包含一AlxGa^xN的疊層12,其中X代表存在於合金中 的鋁的莫耳比,〇 <x ‘ 1。在碳化矽基板的情況下,該緩衝
第14頁 488082 五、發明說明(ίο) 層12可具有在共同提出的專利中所說明,其編號為美國專 利申請編號0 8/ 944, 547,名為’’在碳化矽基板上具有導電 緩衝中介層結構的I I I族氮化物光子裝置”Group Π I Nitride Photonic Devices on Silicon Carbide Substrates with Conductive Buffer Interlayer Structure”),在1997年10月7日提出,其在此引用做為參 考。
較佳地是,最上層的緩衝層包含鋁,其莫耳百分比為9 % 到1 2 %之間,並大約為1 〇 〇 〇到5 〇 〇 〇 a的厚度。該缓衝層1 2 可製作為與該SiC基板導電’其係由沉積該缓衝層之前, 在該SiC基板上形成覆蓋的GaN小點來達成,其說明於美國 專利申請編號0 8/ 944, 547。 對於藍寶石或矽基板,可成長一低溫GaN,A1N *A1GaN 緩衝層。 如圖3所示,一AlGaN緩衝層12可以利用一氣相磊 (VPE)而由該光罩開口 6垂 (HVPE),或更佳地是金屬 佳具體實施例中,該緩衝 的厚度。一旦該緩衝層12 該磊晶層20即由VPE成長/ 在同一個製程或步驟中。 如圖3A所示,磊晶層20 (即平行於該基板的平面) 成長時即橫跨過該光罩長 曰曰
直地成長,例如氫化物氣相磊晶 一有機氣相磊晶(M0VPE)。在一較 層1 2係成長到一大於該光罩層i 4 已成長到一所需要的厚度,然後 較佳地是其與該緩衝層成長是 除了縱向之外也會側路地成長 。側路·成長波鋒22係在當該層20 條1 4的表面。
488082 五、發明說明(11) 再參考圖3 ’在一具體實施例中,磊晶層2 〇側路地成 長’直到該成長波鋒22接合到其介面24,來形成氮化鎵的 連續層20。但是,成長波鋒不需要在所有的應用中皆接 合’因為其有可能在側路過成長的GaN部份製造裝置,甚 至當其與相鄰部份並不接合時。如圖9所示,層2〇的一有 用部份在相鄰部份不接合時亦可製造。舉例而言,一雷射 二極體長條可以製造於層20的一區域中,其並不接合。對 於LED的製造’則一接合層比較好。例如,一25{) #寬, 2 75 #長的LED裝置可製造於根據本發明所成長的氮化鎵的 一接合層上。 該緩衝層1 2及該過成長層2 〇可在h2的稀釋劑中利用 t r i m e t h y 1 g a 1 1 i u m ( T M G ) ’ t r i m e t h y 1 a 1 u m i n u m (Τ Μ A ),及 ammonia(NH3)先質來成長。一種適用的M〇vpE成長技術係 詳細說明於由Weeks等人所著,"GaN thin films deposited via organometallic vapor phase epitaxy on α(6H) -SiC(OOOl) using high-temperature monocrystalline AIN buffer layers1’,見於Appl·
Phys· Let·,卷 67,第3 期,1 9 9 5 年7 月,頁 40 1 -403。 當該氮化鎵的層20成長時,複晶矽AixGai_xN 30的成核化 及成長基本上是由所曝參的光罩長條丨4的上表面開始進 行。如圖4所示,如果在光罩上的AlxGai χΝ的成長速率過 高’該層2 0的側路成長將會中斷,以防止其形成側路過成 長材料來形成一所需的寬度,及/或防止其接合於相鄰的 區域。本質上,在光罩上的AixGai_xN 30係垂直地成長,並
m 1 ill 發明說明(12) 阻隔°亥單一結晶層2 0的側路成長。 本發明人已發現到,i 垂直成長速率來防止= 了此糟由控制該層20的水平及 長層以複日日矽A1xGahN 3 0中斷該側路成 曰υ 措由增加相對於J: Φ古士 l 取 成長速率,藉由粑Μ 4 : 長速率的該層2 0的側路 有可能成長一層2〇 , 1可赤集=仃采給疋其增加數量,其 其光罩上的成核化。成長到—所需要的㈣,而不論 路ΪΪΓΓ目層20的垂直成長速率的-充份高的側 、、 在°玄光罩上的成核化並不需要控制,孫士 A 該層2 0 2會過成長任何的複晶矽成核化及光罩上的成長: ^為特殊例,其已發現到藉由維持侧路成長速率與縱 向成長速率的比例至少在丨:i,其有可能在一長條上成長· 一側路過成長GaN層,其具有在圖案中的寬度為5 # ,間隔 為3 0 //,來自一成核化層,其鋁濃度約為1〇%。藉由維持w 側路/縱向成長比例在4 : 1,其有可能在一具有2 5 #寬的長 條的光罩上,成長一GaN層。如圖5所示’當側路成長速率 超過縱向成長速率一足夠量時’該層20的成長波鋒即會在 複晶矽A IGaN成長於該長條14a,b之前,而成長到足约大來 阻隔它們。 現在將詳細說明控制,關成長因素的機制。該過成長芦 2 0的側路及縱向成長速率係由一些因素所控制。一個控制 因素即為所稱的,,填充因素”’在此處定義為該窗口長度 (1)與該長條間隔(P)的比例。對一給定的窗口長度,:較 高的填充因素(意即對一給定間隔之一較大的窗口長度)會
第17頁 488082 五、發明說明(13) 造成一較慢的成長速率。相反地,對一給 一較低的壤充因音合、生 > 、 的固口長度’ ^^ ” 9 &成縱向成長速率的增加。直它用來 動速率,來泝氣體氣的因素為成長〉皿度’纟源氣體流 ==;源虱體虱虱/鎵的比例,及成長壓力。 如果需要的活’ 一旦声?/〇,! όα, e 夹罝P垃人兮# E 一 9 〇的側路成長的成長波鋒22已在 罩上接& ’ δ玄成長條件可以祐士两敫水说丄 率。 干J以破凋整來增加縱向成長速 =依制使用的該特殊以成長反應器的 所§兄明之典型的成長速率參數可由下表做一總結 处 成長壓力 N/Ga比例 1714-0.833 1 真充因i 表1 —代表性的成長參數 較佳地是,應選擇約2-8 ///hr的側路成長速率,及約 1-2 /z/hr的縱向成長速率。約6·3 的侧路成長速率, 及約1.5 ///hr的縱向成長速率(4· 2:丨的比例)可藉由在一 具有一 10//的長條寬度,/25 //的窗口寬度及一填充因素 〇· 71的35 A間隔之SixNy的圖案化光罩上,於;[丨i 〇艺及2〇() Torr之下,由M0VPE法來成長該層20來達到。側路成長速 率與縱向成長速率的比率將超過4. 2 : 1。
為了成長該緩衝層,在氫氣15.5 slpm的稀釋劑中,tmG
第18頁 488082 五、發明說明(14) 可以34. 8 //mol/min來流動,丁MA則可以6. 5 /zmol/min速率 流動,而氨氣的流動速率則為1 0 s 1 pm。一旦緩衝層已成 長到一所需要的厚度時,該層20的成長則是在氫氣22. 5 slpm的稀釋劑中,丁 MG可以309 emol/min來流動,而氨氣 的流動速率則為17 slpm,直到該GaN層已成長到一所需要 的厚度。 4. 2 ju /hr (1 : 1比例)的一側路及縱向成長速率,可藉由 在一具有' 1 〇 V的長條寬度’ 2 5 //的窗口寬度及,—填充因 素0· 71的35 //間隔之SixNy的圖案化光罩上,於1 0 6 0及 2 0 0 Torr之下,由M0VPE法來成長該層20來達到。在成長 該層20時,N/Ga比例較佳地是在2 5 0 0左右。 本發明的一具體實施例中利用衡量磊晶成長的方式示於 圖6。在此具體實施例中,該基板1 〇係蝕刻來形成至少— 突起部15,其定義了基板10之上相鄰的凹陷區域或溝渠 1 8。圖6所示的具體實施例中,一對突起部1 5 a,1 5 b係利 用標準的微影技術及反應式離子蝕刻來進行圖案化。較佳 地是,突起部15的高度(即溝渠18的深度)至少為1/z。— 光罩層14,其可為SixNy,Si〇2或任何適用的光罩,即接著 沉積在基板1 0的上表面上,而光罩開口 1 6則形成於突起& 份1 5a,1 5b的上表面上。/ # 在此具體實施例中’該基板1 〇可以為碳化石夕,誃寶石 矽,砷化鎵,氮化鎵,或其它111族氮化物,例如氮化在呂 或氮化鋁鎵。該氮化鋁基板的製造係說明於美國專利編。 5, 8 58, 0 8 6及5, 954, 8 74,其由Hunter提出,在此引用傲
488082 五、發明說明(15) 參考。氮化鎵基板已藉由在一非GaN基板上成長氮化鎵的 ^ ;&G晶層來製造。其它用於得到氣化嫁基板的方法係概括 於A· Usui專人所者’由氮化物氣相蠢晶的低錯置密度之 厚GaN蠢晶成長"(’’Thick GaN epitaxial growth with low dislocation density by hydride vapor phase epitaxy”,見於Jpn· j· Appl· Phys·卷36,頁 L899-902(1997年)。對本技藝的專業人士可以瞭解到,當 該基板為I I I族氮化物時,可利用同質磊晶持成長。 如圖6所示,如果需要一緩衝層,一A1GaN緩衝層12可以 利用M0VPE來由該光罩開口(或窗口)16縱向地成長。在一 較佳具體實施例中,該緩衝層12所成長的厚度會大於該光 罩層14的厚度。一旦該緩衝層12已成長到一所需要的厚 度,然後即成長該衡量磊晶層26。衡量磊晶層26除了縱向 之外,也進行側路地成長(即平行於該基板的表面)。 雖=複晶石夕GaN 30的成核化與成長可以發生在該光罩14 二:::生在溝渠18之中,因此並不干擾衡量-晶層⑼
=12 ^根據本發明此具體實施例成長的一衡量蟲晶g a N :的=SEM圖。複晶州GaN材料在溝渠中是… 仁疋並不會干擾GaN'層的側路成長。 其可立即瞭解到,1 的溝 π 以視需要來製造出深度小/或木大=即為^列。溝渠18可 晶石夕在該光罩上的成長速率:广1〜’或是必須依據複 的寬度而定 或疋要成長出的衡量蟲晶層
488082 五、發明說明(16) 在 具體實施例中,衡量爲晶層2 6係側路地成長,直到 相對的成長波鋒22接合到介面24,而形成一氮化鎵的連續 層26。但是,如上所述,該成長波鋒22不需要在所有的應 用中都要接合’因為其有可能在GaN側路過成長部份製造 裝置’即便其並不與相鄰部份接合。 圖1 3為根據本發明此具體實施例而成長的兩個衡量磊晶 GaN長條的平面SEM影像圖。 如圖6所示的具體實施例,有另外的方法來形成該光罩 層14’其示於圖6A及6B。如上所述,突起部份15可利用標 準f刻技術來形成。基本上,此牽涉到利用一蝕刻光罩來 圖案化一基板的表面,蝕刻該基板到該所需的深度,然後 即移除該蝕刻光罩。如圖6A所示,在該蝕刻光罩被移除之 後^該光罩層14即可由PECVD來形成在基板1〇的表面上。 然後,窗口 1 6即開在光罩1 4中,來顯示出突起部丨5的上表 面。 因為微影技術的誤差限制,當窗口16被開在光罩14 _, 其很困難將窗口 1 6的邊緣對準於突起部丨5的邊緣。因此, 會有:些光罩14的重疊17形成在突起部15的上表面。 一簡化的光罩1 4形成方法係示於圖6β。在此方法上,一 蝕刻光罩1 9即應用在基板1 〇的表面,而基板丨〇即被蝕刻來 形成溝渠18。光罩14是在蝕刻溝渠18之後沉積,但是在移 除蝕刻光罩1 9之前。在此方法申,光罩丨4較佳地是包含一 薄光罩層,其厚度約為5〇_2〇〇A。光罩14可包含,
Si02 ’或任何其它適合的光罩材料。#刻光罩19然^即被 488082 五、發明說明(π) 移除’並顯不出突起部15的上表面。光罩14中窗口IQ之邊 緣因而與突起部1 5之邊緣自我對齊。因此,藉此方法,揮 需要一單一遮蔽步驟,其並不需要使用微影技術來開出光 罩層14中的窗口16。 圖7所示為被光罩上結晶成核化所干擾的GaN層的側路成 長的橫剖面SEM影像。 圖8所示為兩個GaN長條的平面SEM影像圖,其中在底層 光罩上的結晶會干擾該磊晶成長。 圖9所示為利用一反射式光罩層而根據本發明的一具體 實施例成長的G a N長條的橫剖面s E Μ。 圖1 0所不為根據本發明的一具體實施例成長的G a Ν長條 的橫剖面SEM,其係直到相鄰區域已在該光罩上相接合。 圖11為在一 S“N4光罩的一導電緩衝層上成長的GaN層的 橫剖面SEM。 圖1 4為根據本發明成長的一GaN層的橫剖面TEM(傳送電 子顯Μ扰)影像圖。該缺陷密度係可觀察到一預估的降 =,其由在窗口上的區域中大約1〇Vcm2,會降低到在該光 罩長條上的區域申約為106/cm2。 範例1 : =案化的SixNy長條的光罩,具有一長條寬度ι〇 V ,一 度25// ,及一間隔35# ,而其填充因子為0·715, 二到一6H —SlC基板。該長條係配置成平行於<ΐΐ00> 、、古、〇· 5u厚的AlQ.lGaG9N緩衝層係由M0VPE來成長,其 /;,L 為 34· 8 Vmol/min,TMA 為6· 5 //mol/min,而氨氣
488082 五、發明說明(18) 為10 slpm,在1020 °C及76 Torr的15.5 slpm氫氣的稀釋 劑中總共80分鐘。接下來該緩衝層的成長,是由M0VPE來 成長一 GaN的蟲晶層,其流動TMG為309 /zmol/min,而氨氣 為 17 slpm,在 1110°C 及 2 0 0 Torr 的 22.5 slpm 氫氣的稀釋 劑中總共45分鐘。在這些條件下,側路對縱向成長的比例 大約是4 · 2 : 1。圖1 5為所得到的G a N層的一橫剖面S E Μ影像 圖〇 IL例 2 : 一圖案化的S ix Ny長條的光罩,具有一長條寬度丨〇 # ,一 窗口長度2 5# ,及一間隔35// ,而其填充因子為0.715, 其係應用到一6H-SiC基板。該長條係配置成平行於〈丨〇〇> 方向。一 0.5u厚的AlG1GaG.9N緩衝層係由M0VPE來成長,其 流動 TMG 為 34· 8 /zmol/min,TMA 為6· 5 /nnol/mU,而氨氣 為10 Slpm,在105(TC及76 了〇1^的15.5 slpm氫氣的稀釋 劑中總共80分鐘。接下來該緩衝層的成長,是由肋即£來 成長一GaN的磊晶層,其流動TMG為3〇9//m〇1/min,而氨氣 ^17 slpm ’ 在 1 0 6 0 °C 及2 00 ΤΟΠ22.5 Slpm 氫氣的稀釋 劊中總共一小時。在這些條件下,側路對縱向成長的比例 大約是1:1。圖16為所得到的GaN層的—橫剖面SEM影像 圖。 / 在該說明書及圖面中,已揭示出本發明的較佳 實施例,其係以範例方式為之,而不是 ,、體 ; 卜疋做為限制,太發明 的範圍則由該所附具體實施例所揭示。
488082 案號 89121473 f/年今月了曰修正β正/補免 W年i月Θ曰/ 修正
O:\67\67039-910329.ptc 第24頁
Claims (1)
- 488082 ____案號89121473_f /年J月^^曰 修正 _ 六、申請專利範圍 1. 一種在一基板上製造以氮化鎵為主半導體結構之方 法,該方法包含: 在該基板上形成具有一開口的光罩; 其係選自由氮化鎵及I I I族氮化蘇的氮化物合金所組 成的群組中,縱向地由該開口成長,並側路地穿越該光 罩;及 將該磊晶層的該側路成長速率維持在一充份的速率, 而來防止複晶矽氮化物材料成核化於該光罩上,而不會干 擾該蠢晶層的該側路成長。 2 .如申請專利範圍第1項之製造方法,其包含維持該側 路成長速率大於該縱向成長速率。 、3 ·如申請專利範圍第1項之製造.方法,其包含維持該側 路成長速率對該縱向成長速率的比例大於約1 : 1。 4. 如申請專利範圍第1項之製造方法,其包含維持該側 路成長速率對該縱向成長速率的比例約在1 : 1及4. 2 : 1之 間。 5. 如申請專利範圍第1項之製造方法,其包含維持該側 路成長速率對該縱向成長速率的比例大於約4. 2 : 1。 6 .如申請專利範圍第3項之製造方法,其包含維持該側 路成長速率在約每小時2到8的微米之間。 7.如申請專利範圍第1項之製造方法,其中該基板包含 碳化矽。 8 .如申請專利範圍第1項之製造方法,另包含: 經由光罩中的開口而成長一緩衝層,其中該缓衝層將O:\67\67039-910329.ptc 第25頁 488082 修正 案號89121473 7/年d月日 六、申請專利範圍 可支援其上的I I I族氮化物的蠢晶成長。 9 .如申請專利範圍第8項之製造方法,其中該成長緩衝 層的步驟包含成長一 AlxGai_xN,其中0 S 1。 1 0 .如申請專利範圍第9項之製造方法,其中該缓衝層形 成與該基板的一導電介面。 11. 一種在一基板上製造以氮化鎵為主半導體結構之方 法,該方法包含: 在該基板上形成具有一開口的光罩; 其係選自由氮化鎵及I I I族氮化鎵的氮化物合金所組 成的群組中,縱向地由該開口成長,並側路地穿越該光 罩,其條件是該複晶矽氮化物材料並不禁止在該光罩上的 成核化; 其中該側路成長蠢晶層即過成長該複晶碎氛化物材 料。 1 2.如申請專利範圍第1 1項之製造方法,其包含維持該 側路成長速率大於該縱向成長速率。 1 3.如申請專利範圍第1 1項之製造方法,其包含維持該 側路成長速率對該縱向成長速率的比例大於約1 : 1。 1 4.如申請專利範圍第1 1項之製造方法,其包含維持該 側路成長速率對該縱向成長速率的比例約在1 : 1及4. 2 : 1之 間。 1 5 .如申請專利範圍第1 1項之製造方法,其包含維持該 側路成長速率對該縱向成長速率的比例大於約4. 2 : 1。 1 6.如申請專利範圍第1 3項之製造方法,其包含維持該O:\67\67039-910329.ptc 第26頁 488082 _案號89121473 Pf年ci月a/曰 修正_ 六、申請專利範圍 側路成長速率在約每小時2到8的微米之間。 1 7.如申請專利範圍第1 1項之製造方法,其中該磊晶層 的成長係在約1 0 6 0到1 1 2 0 °C左右來進行。 1 8.如申請專利範圍第1 1項之製造方法,其包含形成該 光罩在一碳化砍基板上。 1 9 .如申請專利範圍第1 8項之製造方法,其包含形成一 長條的光罩,其配置方向為沿著該S i C基板的(0 0 0 1 )表面 上的<1100〉方向。 2 0 .如申請專利範圍第1 1項之製造方法,另包含: 經由光罩中的開口而成長一缓衝層,其中該缓衝層將 可支援其上的I I I族氮化物的磊晶成長。 、2 1 .如申請專利範圍第2 0項之製.造方法,其中該成長缓 衝層的步驟包含成長一 AlxGa^N層,其中O^xSl 。 2 2 .如申請專利範圍第2 1項之製造方法,其中該缓衝層 形成與該基板的一導電介面。 2 3.如申請專利範圍第2 0項之製造方法,其包含成長該 緩衝層到一厚度大於該光罩厚度。 2 4.如申請專利範圍第1 1項之製造方法,其包含利用一 個或多個選自由三曱基鎵,三曱基鋁及氨所組成群組中的 來源氣體’來由氣相蠢晶來成長該蠢晶層。 2 5 .如申請專利範圍第1 1項之製造方法,其包含形成一 光罩,其具有複數個開口 ,而由該複數個開口成長該緩衝 層及蠢晶層。 2 6 .如申請專利範圍第2 5項之製造方法,其包含成長該O:\67\67039-910329.ptc 第27頁 488082 修正 案號 89121473 六、申請專利範圍 蠢晶層,直到側路成長的部份相接合。 27. —種在一基板上製造以氮化鎵為主半導體結構之方 法,該方法包含: 在一基板上形成至少具有兩個開口的一光罩; 在光罩的開口中的基板上成長一缓衝層; 其係選自由氮化鎵及I I I族氮化鎵的氮化物合金所組 成的群組中,由該緩衝層向上地成長一蠢晶層,並側路地 穿越該光罩;並保持該氮化鎵層的水平成長在一足夠的速率來防止 在該光罩上的複晶矽材料成核化中斷了該氮化鎵層的側路 成長,直到由該開口的側路成長互相接合;及 然後即持績縱向地成長該蠢晶層。 2 8 .如申請專利範圍第2 7項之製造方法,另包含: 在由該開口進行的該側路成長接合之後,即增加該接 合的蠢晶層的縱向成長速率。 2 9 .如申請專利範圍第2 7項之製造方法,其包含維持該 側路成長速率大於該縱向成長速率。 3 0 .如申請專利範圍第2 9項之製造方法,其包含維持該 側路成長速率對該縱向成長速率的比例大於約1 : 1。3 1 .如申請專利範圍第2 9項之製造方法,其包含維持該 側路成長速率對該縱向成長速率的比例約在1 : 1及4. 2 : 1之 間0 3 2.如申請專利範圍第2 9項之製造方法,其包含維持該 側路成長速率對該縱向成長速率的比例大於約4. 2 : 1。O:\67\67039-910329.ptc 第28頁 488082 _案號89121473 f/年3月二/日 修正_ 六、申請專利範圍 3 3.如申請專利範圍第3 0項之製造方法,其包含維持該 側路成長速率在約每小時2到8的微米之間。 3 4.如申請專利範圍第27項之製造方法,其包含使用選 自於由電漿加強化學氣相沉積,濺鍍,反應式濺鍍,電子 束沉積及熱氧化所組成之群組中的一方法來遮蔽該基板。 35.如申請專利範圍第27項之製造方法,其包含遮蔽一 S i C基板。 3 6 .如申請專利範圍第2 7項之製造方法,其中該成長緩 衝層的步驟包含成長一 AlxGahN層,其中0$χ$1 。 37.如申請專利範圍第36項之製造方法,其中該缓衝層 形成與該基板的一導電介面。 、3 8.如申請專利範圍第36項之製.造方法,其包含使用三 曱基鎵,三甲基鋁及氨做為來源氣體,由氣相磊晶成長該 緩衝層。 39.如申請專利範圍第27項之製造方法,其包含成長該 緩衝層到大於該光罩厚度的一厚度。 4 0 .如申請專利範圍第2 7項之製造方法,其包含利用一 個或多個選自由三甲基鎵,三曱基鋁及氨所組成群組中的 來源氣體’來由氣相蠢晶來成長該蠢晶層。 41. 一種在一基板上製造以氮化鎵為主半導體結構之方 法,該方法包含: 在一基板上形成一光罩,其同時包含至少一溝渠及至 少一相鄰於該溝渠的突起部,而該光罩在該基板的突起部 中具有至少一個開口;O:\67\67039-910329.ptc 第29頁 488082 修正 案號 89121473 六、申請專利範圍 在光罩的開口中的基板之突起部上成長一缓衝層;及 其係選自由氮化鎵及I I I族氮化鎵的氮化物合金所組 成的群組中,由該緩衝層向上地成長一蠢晶層,並側路地 穿越該溝渠。 4 2 .如申請專利範圍第4 1項之製造方法,其包含成長該 緩衝層到大於該光罩厚度的一厚度。 4 3.如申請專利範圍第4 1項之製造方法,其包含形成至 少兩個相鄰於該溝渠的突起部,並成長該磊晶層,直到其 在該溝渠上相接合。 4 4.如申請專利範圍第4 1項之製造方法,其中該形成光 罩的步驟包含形成該光罩,然後在其中形成該開口。 4 5 .如申請專利範圍第4 1項之製.造方法,其包含形成在 一碳化矽基板上的該光罩。 4 6. —種在一基板上製造以氮化鎵為主半導體結構之方 法,該方法包含: 在一基板中至少形成一溝渠,而由此同時定義了立即 相鄰於該溝渠的該溝渠及一突起部; 在該溝渠化的基板上形成一光罩,而該光罩中具有至 少一個開口在該基板的突起部上; 在該基板的突起部上成長一缓衝層而穿越該光罩中的該開口;及 其係選自由氮化鎵及I I I族氮化鎵的氮化物合金所組 成的群組中,由該缓衝層向上地成長一磊晶層,並側路地 穿越該溝渠。O:\67\67039-910329.ptc 第30頁 488082 __案號89121473 f/年j月日 修正_ 六、申請專利範圍 47.如申請專利範圍第46項之製造方法,其中形成該溝 渠的步驟包含在基板中蝕刻該溝渠。 4 8 .如申請專利範圍第4 7項之製造方法,其中該蝕刻步 驟包含一反應式離子姓刻。 4 9 .如申請專利範圍第4 6項之製造方法,其中形成該缓 衝層的步驟包含使用氣相蠢晶來形成該緩衝層。 5 〇 .如申請專利範圍第4 6項之製造方法,其包含成長該 缓衝層到一厚度大於該光罩厚度。 5 1 .如申請專利範圍第4 6項之製造方法,其包含形成至 少兩個相鄰於該溝渠的突起部’並成長該蠢晶層’直到其 在該溝渠上相接合。 5 2 .如申請專利範圍第4 6項之製.造方法,其中該形成光 罩的步驟包含形成該光罩,然後在其中形成該開口。 53. 如申請專利範圍第46項之製造方法,其包含使用選 自於由電漿加強化學氣相沉積,濺鍍,反應式濺鍍,電子 束沉積及熱氧化所組成的群組中的一方法來遮蔽該基板。 54. —種在一碳化矽基板上製造以氮化鎵為主半導體裝 置之方法,該方法包含: 在一碳化矽基板中蝕刻複數個大致平行的溝渠,其在 其中定義了該基板的個別突起部份; 遮蔽該溝渠化的基板; 打開該基板突起部上光罩中的複數個窗口; 在該突起部份的窗口中縱向地成長一磊晶層;及 其係選自由氮化鎵及I I I族氮化鎵的氮化物合金所組O:\67\67039-910329.ptc 第31頁 488082 _案號89121473_7/年d月曰 修正_ 六、申請專利範圍 成的群組中,由該缓衝層縱向地及側路地成長一蠢晶層, 並延伸穿過該複數個溝渠。 5 5 .如申請專利範圍第5 4項之製造方法,其包含保持該 氮化鎵層的縱向及水平成長在一足夠的速率來防止在該光 罩上的複晶矽材料成核化中斷了該氮化鎵層的側路成長。 5 6 .如申請專利範圍第5 5項之製造方法,其包含維持該 側路成長速率等於或大於該縱向成長速率。 5 7.如申請專利範圍第5 5項之製造方法,其包含維持該 側路成長速率對該縱向成長速率的比例大於約1 : 1。 5 8.如申請專利範圍第5 5項之製造方法,其包含維持該 側路成長速率對該縱向成長速率的比例在約1 : 1及4 · 2 ·· 1之 、間。 5 9 .如申請專利範圍第5 5項之製造方法,其包含維持該 側路成長速率對該縱向成長速率的比例大於約4. 2 : 1。 6 0 .如申請專利範圍第5 7項之製造方法,其包含維持該 側路成長速率在約每小時2到8的微米之間。 6 1 .如申請專利範圍第5 4項之製造方法,其包含使用選 自於由電漿加強化學氣相沉積,濺鍍,反應式濺鍍,電子 束沉積及熱氧化所組成之群組中的一方法來遮蔽該基板。 6 2 .如申請專利範圍第5 4項之製造方法,其包含沿著該 <1 00>方向來遮蔽該SiC基板的(0001)表面。 _ 6 3 .如申請專利範圍第5 4項之製造方法,其中該成長缓 ® 衝層的步驟包含成長一 AlxGai_xN層,其中OSx^l 。 6 4.如申請專利範圍第6 3項之製造方法,其中該缓衝層O:\67\67039-910329.ptc 第32頁 488082 _案號89121473 年d月日 修正_ 六、申請專利範圍 形成與該基板的一導電介面。 6 5 .如申請專利範圍第6 3項之製造方法,其包含使用三 曱基鎵,三曱基鋁及氨做為來源氣體,由氣相磊晶成長該 缓衝層。 6 6.如申請專利範圍第5 4項之製造方法,其包含成長該 缓衝層到大於該光罩厚度的一厚度。 6 7.如申請專利範圍第5 4項之製造方法,其包含利用一 個或多個選自由三曱基鎵,三曱基鋁及氨所組成群組中的 來源氣體’來由氣相蠢晶來成長該蠢晶層。 6 8.如申請專利範圍第5 4項之製造方法,其包含在形成 該光罩的步驟之後打開該窗口。 6 9 .如申請專利範圍第5 4項之製.造方法,其包含在遮蔽 該溝渠化的基板時形成該窗口。 70. —種半導體結構,其包含: 一具有一上表面的基板; 一直接位於該基板的該上表面的光罩,其中具有至少 一個窗口;及 其中複晶矽材料已經成核化於該光罩上。 7 1 .如申請專利範圍第7 0項之半導體結構,其中該光罩 包含一折射材料。 7 2 .如申請專利範圍第7 0項之半導體結構,其中該光罩 為反射式。 7 3 .如申請專利範圍第7 0項之半導體結構,其中該光罩 為一Bragg反射器。O:\67\67039-910329.ptc 第33頁 488082 案號 89121473 六、申請專利範圍 7 4.如申請專利範圍第7 0項之半導體結構,其中該光罩 係選自由SixNy,Si02,鉑及鎢所組成的群組中。 7 5 .如申請專利範圍第7 0項之半導體結構,其中該基板 係選自由碳化矽,藍寶石,矽,砷化鎵及氧化鋅所組成的 群組中。 7 6 .如申請專利範圍第7 0項之半導體結構,其中該基板 為碳化矽,並具有一係選自由4 Η,6 Η,3 C及1 5 R複型態中 的複型態。 7 7.如申請專利範圍第7 0項之半導體結構,並另包含該 基板與該蠢晶層之間的一缓衝層。 7 8 .如申請專利範圍第77項之半導體結構,其中該緩衝 _ 層形成與該基板的一導電介面。 7 9 .如申請專利範圍第7 7項之半導體結構,其中該基板 包含藍寶石,而該成長缓衝層是以AlxGai_xN所形成,其中 0 $ X S 1 〇 8 0 .如申請專利範圍第7 0項之半導體結構,其包含在該 光罩中的複數個窗口。 8 1 .如申請專利範圍第8 0項之半導體結構,其中該磊晶 層係接合於該窗口之間。 82. —種以氮化鎵為主之半導體結構,其包含: 一基板,其具有一上表面及該上表面上的至少兩個突 起部,在其間至少定義一溝渠; 一覆蓋該基板的光罩結構,該光罩結構具有一窗口, 其曝露出該基板的該突起部份的該上表面的至少一部份;O:\67\67039-910329.ptc 第34頁 488082 _案號89121473 7/年月2,日 修正_ 六、申請專利範圍 及 一選自由氮化鎵及I I I族氮化鎵的氮化物合金所組成 的群組中的過成長蠢晶層’其係由該光罩窗口中向上延 伸,並側路地越過該溝渠及穿過該光罩。 8 3 .如申請專利範圍第8 2項之半導體結構,其包含在該 光罩上成核化複晶碎材料。 8 4.如申請專利範圍第8 2項之半導體結構,其中成核化 的複晶石夕材料是在該溝渠中。 8 5 .如申請專利範圍第8 2項之半導體結構,其中該基板 係選自由碳化矽,藍寶石,矽,砷化鎵及氧化鋅所組成的 群組中。 、8 6 .如申請專利範圍第8 5項之半.導體結構,其中該基板 係選自由碳化矽及藍寶石所組成的群組中,而其中該結構 另包含該基板與該蠢晶層之間的一缓衝層。 8 7.如申請專利範圍第8 2項之半導體結構,其中該光罩 包含SixNy。 8 8.如申請專利範圍第8 2項之半導體結構’其中該蠢晶 層部份的一些部份係在該至少一溝渠上相接合。 8 9 .如申請專利範圍第8 2項之半導體結構,其包含在該 光罩中該窗口内的該基板上的一緩衝層。 9 0 .如申請專利範圍第8 2項之半導體結構,其包含複數 個溝渠,及具有至少在其中包含該窗口的至少兩個該突起 部份。 9 1 . 一種半導體結構,其包含:O:\67\67039-910329.ptc 第35頁 488082 案號 89121473 曰 修正 六、申請專利範圍 一具有一上表面的一碳化石夕基板; 一直接為於該基板的該上表面上的SixNy光罩,並在其 中具有至少一個窗口; 一在該光罩窗口中的AlxGai_xN的缓衝層,其中 1 ;及 一選自由氮化鎵及I I I族氮化鎵的氮化物合金所組成 的群組中的過成長蠢晶層’其係由該光罩窗口中向上延 伸,並側路地穿過該光罩; 其中複晶石夕材料即在該光罩上成核化·。 92. —種以氮化鎵為主之半導體結構,其包含: 一具有一上表面及該上表面的至少兩個突起部份的一 碳化矽基板,在其間至少定義一倜溝渠; 覆蓋該基板的一 SixNy光罩,該光罩結構具有一窗口, 其曝露出該基板的該突起部份的該上表面上至少一部份; 及 一在該光罩窗口中的AlxGapxN的緩衝層,其中 1 ;及 一選自由氮化鎵及I I I族氮化鎵的氮化物合金所組成 的群組中的過成長蠢晶層》其係由該光罩窗口中向上延 伸,並側路地越過該溝渠及穿過該光罩。 ΦO:\67\67039-910329.ptc 第36頁
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