TWM644163U - 半導體外延的基板及化學氣相沉積裝置 - Google Patents

Abstract

本新型提供一種半導體外延的基板及化學氣相沉積裝置。所述基板包括中心區域和邊緣區域， 所述邊緣區域包括一靠近所述中心區域的一側設置過渡區域，所述過渡區域環繞設置在所述中心區域的邊緣，所述過渡區域為一弧面或一斜面。本新型提供的基板，其邊緣區域外延得到的是晶體品質差、晶向雜亂的多晶結構的薄膜，而無法形成單晶結構的薄膜。該多晶結構的薄膜內部能夠吸收應力，使裂紋集中在邊緣區域，而不會向中心區域延伸，從而提高外延片的成品良率和使用面積。

Description

半導體外延的基板及化學氣相沉積裝置

本新型涉及半導體加工技術領域，特別涉及一種半導體外延（Epitaxy）的基板及化學氣相沉積裝置。

III族氮化物材料具有優越的物理特性，常被用來製作發光二極體（LED）、電子器件（如：HEMT）等，器件的外延多採用化學氣相沉積工藝，例如MOCVD工藝。MOCVD工藝通常是在一個反應腔內通過熱工藝（thermal processing）的方式進行。包含多種反應源的氣體通過進氣裝置被通入反應腔內，在被加熱的基板上發生化學反應形成薄膜。這些基板可以是和外延薄膜相同的材料，也可以是晶體結構和外延薄膜相似的材料。基板的晶體結構，基板表面的晶面指數以及反應發生時表面的溫度都將影響外延薄膜的品質。

由於同質基板價格昂貴，目前主要採用異質基板進行外延，常見的基板有藍寶石、矽、碳化矽等。但是，由於異質基板和形成的薄膜之間有較大的晶格失配和熱失配，薄膜內部會存在較大的應力，當薄膜厚度達到某一關鍵厚度時，薄膜邊緣會有裂紋產生，隨著薄膜厚度的增加邊緣的裂紋會向中心蔓延，從而影響外延片的可利用面積。

本新型的目的是提供一種半導體外延的基板及化學氣相沉積裝置，以解決現有技術中在異質基板上生長薄膜容易產生裂紋，影響外延片的可利用面積的問題。

為了實現以上目的，本新型通過以下技術方案實現：

一種半導體外延的基板，所述基板包括中心區域和環繞所述中心區域的邊緣區域，所述邊緣區域包括一靠近所述中心區域設置的過渡區域，所述過渡區域環繞設置在所述中心區域的邊緣，且與所述中心區域連接，所述過渡區域為一弧面和/或一斜面，所述邊緣區域呈環形，且所述環形的寬度為0.5mm~4mm。

可選的，所述中心區域各位置的厚度均相等。

可選的，所述邊緣區域採用切割、研磨或蝕刻工藝製得。

可選的，所述邊緣區域的上表面的晶面指數與所述中心區域的上表面的晶面指數不同。

可選的，沿著遠離所述中心區域的方向上，所述邊緣區域的厚度逐漸減小。

可選的，沿著遠離所述中心區域的方向上，所述邊緣區域的厚度先減小後增加。

可選的，所述弧面的曲率半徑相同或曲率半徑漸變。

可選的，所述斜面與所述基板的直徑方向上的夾角小於arctan（T/L），且所述夾角大於4度，其中T表示所述基板的中心區域的厚度，L表示所述邊緣區域的寬度。

可選的，所述邊緣區域採用弧形凹槽形成。

可選的，所述邊緣區域採用V型凹槽形成。

可選的，所述邊緣區域與所述中心區域通過一向上拱起的第一圓弧連接，以及所述邊緣區域與所述基板的側壁通過一向上拱起的第二圓弧連接。

一種化學氣相沉積裝置，所述化學氣相沉積裝置中包括基板托盤，所述基板托盤下方設置有加熱器，所述基板托盤上方具有一反應氣體進氣裝置向下方通入多種反應氣體，所述基板托盤上設置有所述半導體外延的基板，所述反應氣體在所述基板的表面形成薄膜，其中所述基板的中心區域生長的薄膜為單晶結構，所述基板的邊緣區域生長的薄膜為多晶結構或與所述中心區域生長的薄膜具有不完全相同的晶向的晶體結構。

可選地，在所述基板的表面形成的薄膜選自AlN，GaN，Ga2O3，AlGaN或SiC中的至少一種。

與現有技術相比，本新型具有如下優點：

本新型提供的半導體外延基板，所述邊緣區域靠近所述中心區域設置一過渡區域，所述過渡區域環繞設置在所述中心區域的邊緣，且與所述中心區域連接，所述過渡區域為一弧面或一斜面，導致所述邊緣區域的上表面溫度與所述中心區域的上表面溫度不同，邊緣區域至少部分位置的表面溫度偏離特定的最適宜生長的溫度窗口；同時由於所述邊緣區域的上表面晶面指數和所述中心區域的上表面晶面指數不相同，且基板托盤對邊緣區域反應源的遮擋等不利因素使反應氣體在邊緣區域分佈不均，故在邊緣區域外延得到的是晶體品質差、晶向雜亂的多晶結構的薄膜，而無法形成單晶結構的薄膜。多晶結構的薄膜內部能夠吸收應力，使裂紋集中在邊緣區域，而不會向中心區域延伸，從而提高外延片的成品良率和使用面積。

以下結合圖式和具體實施方式對本新型提出的方案作進一步詳細說明。根據下面說明，本新型的優點和特徵將更清楚。需要說明的是，圖式採用非常簡化的形式且均使用非精准的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本新型實施方式的目的。為了使本新型的目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，請參閱圖式。須知，本說明書所圖式式所繪示的結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示的內容，以供熟悉此技術的人士瞭解與閱讀，並非用以限定本新型實施的限定條件，故不具技術上的實質意義，任何結構的修飾、比例關係的改變或大小的調整，在不影響本新型所能產生的功效及所能達成的目的下，均應仍落在本新型所揭示的技術內容能涵蓋的範圍內。

化學氣相沉積工藝被廣泛用於製造LED晶片以及功率器件等半導體器件。化學氣相沉積裝置的結構圖如圖1所示，包括一個反應腔體100，腔體內的底部包括一個基板托盤110，基板托盤110上放置有一個或多個待加工的基板10。基板托盤110下方通過一個驅動裝置如旋轉軸112驅動進行旋轉，同時基板托盤110下方設置有加熱器114，使得基板托盤110被加熱到需要的溫度（例如600至1400度）。加熱器114和旋轉軸112被一個隔熱套113包圍著，減少熱量向周圍輻射，也防止反應氣體進入基板托盤110 下方。反應腔體100頂部包括一個頂蓋200，頂蓋200內包括一個反應氣體進氣裝置用於向下方供應多種反應氣體。反應氣體進氣裝置包括多個互相氣體隔離的氣體擴散腔201、202，分別通過各自的氣體管道211、212向反應腔體100內基板托盤110上方的反應空間通入不同的反應氣體，如金屬有機氣體（TMAl）和含氮氣體（NH3）等最終在基板10上形成所需要的化合物，如氮化鋁AlN。其中反應氣體進氣裝置中還包括一冷卻液管道205，聯通到冷卻液源，以冷卻反應氣體進氣裝置。

目前，用於外延的基板通常是單晶基板，材料包括但不限於藍寶石、矽、碳化矽、氮化鎵、氮化鋁等。在一定的生長窗口條件下，外延得到的III族氮化物和基板表面的晶面指數有嚴格的對應關係，例如在晶面指數（001）面的藍寶石基板上外延得到的AlN（001）為面，在晶面指數（111）面的矽基板上外延得到的AlN為（001）面。但是由於異質基板和外延材料之間有較大的晶格失配和熱失配，外延生長得到的材料內部會存在較大的應力，製備好的外延片首先在邊緣產生裂紋，隨著外延厚度的增加裂紋向中心延伸。

鑒於此，為了防止邊緣的裂紋向中心延伸，本新型提供了一種半導體外延的基板，如圖2所示，所述基板10包括中心區域11和邊緣區域12，所述邊緣區域12包括一靠近所述中心區域11的一側設置的過渡區域121，所述過渡區域121環繞設置在所述中心區域11的邊緣，且與所述中心區域11連接。所述過渡區域121為一弧面或一斜面，由此，所述邊緣區域12至少部分位置的表面溫度會偏離反應的溫度窗口，同時由於所述邊緣區域12上表面的晶面指數與所述中心區域11上表面的晶面指數不同，且基板托盤110對邊緣區域12反應源的遮擋等不利因素使反應氣體在邊緣區域12分佈不均，故在邊緣區域12外延得到的是晶體品質差、晶向雜亂的多晶結構的薄膜，而無法形成單晶結構的薄膜。多晶結構的薄膜內部能夠吸收應力，使裂紋集中在邊緣區域12，而不會向中心區域11延伸。

可選的，所述過渡區域121的寬度L2大於0.2mm，小於或等於所述邊緣區域12的寬度。

可選地，所述邊緣區域12除所述過渡區域121外的其他位置為一弧面和/或一斜面。

所述邊緣區域12與所述中心區域11同心設置，呈環形，寬度L1為0.5mm~4mm。現有的基板通常是2至8英寸直徑的圓形薄片，將裂紋集中在這個幾毫米寬的環形邊緣區域12中，後續在製成外延片後捨棄該邊緣區域12，不會對外延片整體的可利用面積造成很大影響，卻能夠大幅減少所述中心區域11的裂紋出現概率，提高外延片的成品良率，從而提高外延片的使用面積。可選的，所述邊緣區域12可採用切割、研磨、蝕刻等工藝製得。

圖3示出了本新型第一實施例的半導體外延的基板結構圖。該實施例是圖2所示的基板沿A-A’方向的剖面圖，如圖3所示，沿著遠離所述中心區域11的方向上，所述邊緣區域12的厚度逐漸減小。可選的，所述中心區域11各位置的厚度均相等。具體的，如圖3所示的基板結構中，所述邊緣區域12為一段弧面，所述過渡區域121的曲率半徑與所述邊緣區域12其他位置的曲率半徑相同。在其它實施例中，所述過渡區域121的曲率半徑與所述邊緣區域12其他位置的曲率半徑也可以是不同的。在一些其他的實施例中，所述過渡區域121的曲率半徑與所述邊緣區域12其他位置的曲率半徑也可以是漸變的。所述中心區域11的上表面晶面指數處處相同，所述邊緣區域12的上表面的晶面指數與所述中心區域11的上表面的晶面指數不同。可選的，沿著遠離所述中心區域11的方向上，所述邊緣區域12上表面的晶面指數也各不相同。

當如圖3所示的基板用於化學氣相沉積工藝時，在特定的工藝窗口條件下製備出的外延片如圖4所示，所述中心區域11外延得到的是連續緻密的單晶薄膜21，而在所述邊緣區域12，從中心向外，得到的是晶體品質差、晶向雜亂的多晶薄膜22，而且越靠近邊緣晶體品質越差。邊緣的多晶區域能夠有效的抑制裂紋向所述中心區域11延伸，從而提高外延片可利用的區域面積。

圖5示出了本新型第二實施例的半導體外延的基板結構圖。該實施例是圖2所示的基板沿A-A’方向的剖面圖，與上述第一實施例的基板的區別在於，所述邊緣區域12為一段斜面。由於受基板10的厚度T的限制，斜面的傾斜角θ可以是小於arctan（T/L1） 度且大於4度的任意角度。所述過渡區域121的傾斜角與所述邊緣區域12其他位置的傾斜角相同。在其它實施例中，所述過渡區域121的傾斜角與所述邊緣區域12其他位置的傾斜角也可以不同。這種基板結構同樣可以在所述邊緣區域12得到和所述中心區域11不同的表面晶面指數和表面溫度，從而在所述中心區域11外延得到單晶薄膜，在所述邊緣區域12外延得到多晶薄膜，將裂紋集中在所述邊緣區域12，提高外延片可利用的區域面積。

圖6示出了本新型第三實施例的半導體外延的基板結構圖，該實施例是圖2所示的基板沿A-A’方向的剖面圖。與上述兩個實施例的基板的區別在於，所述邊緣區域12採用弧形凹槽形成，所述弧形凹槽的弧度大於等於90°，使得在沿著遠離所述中心區域11的方向上，所述邊緣區域12的厚度逐漸減小，且邊緣區域12上表面的晶面指數與中心區域11上表面的晶面指數不同。所述過渡區域121的曲率半徑與所述邊緣區域12其他位置的曲率半徑相同。在其它實施例中，所述過渡區域121的曲率半徑與所述邊緣區域12其他位置的曲率半徑也可以是不同的。在一些其他的實施例中，所述過渡區域121的曲率半徑與所述邊緣區域12其他位置的曲率半徑也可以漸變的。

在其它實施例中，在沿著遠離所述中心區域11的方向上，所述邊緣區域12的厚度可以先減小後增加。由此，也可以在所述中心區域11外延得到單晶薄膜，在所述邊緣區域12外延得到多晶薄膜，將裂紋集中在所述邊緣區域12，提高外延片可利用的區域面積。圖7示出了本新型第四實施例的半導體外延的基板結構圖，該實施例是圖2所示的基板沿A-A’方向的剖面圖，其中，所述邊緣區域12採用弧形凹槽形成，所述過渡區域121的曲率半徑與所述邊緣區域12其他位置的曲率半徑不同。圖8示出了本新型第五實施例的半導體外延的基板結構圖，該實施例是圖2所示的基板沿A-A’方向的剖面圖，其中，所述邊緣區域12採用V型凹槽形成，所述過渡區域121的傾斜角與所述邊緣區域12其他位置的傾斜角不同。

可選的，在上述第二、三、四、五實施例中，還可以使所述邊緣區域12與所述中心區域11通過一向上拱起的弧面連接，以及所述邊緣區域12與所述基板10的側壁通過一向上拱起的弧面連接，從而使所述邊緣區域12與所述中心區域11以及所述基板10側壁平滑過渡。

需要注意的是，所述邊緣區域的結構並不以上述五種實施例中所示的結構為限，任何過渡區域為一弧面或一斜面，從而可實現在邊緣區域生長出與中心區域形貌或晶向不同的薄膜的基板結構，均應被本申請所包含。

綜上所述，本新型同時利用了化學氣相沉積工藝對於基板晶面和基板溫度的選擇特性，通過對基板的邊緣區域進行簡單加工，使邊緣區域的上表面的晶面指數與中心區域的不同，就可以實現抑制外延片開裂的行業難題，實施方案簡單、易操作。

需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關係術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關係或者順序。而且，術語「包括」、「包含」或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句「包括一個……」限定的要素，並不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。

儘管本新型的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本新型的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容後，對於本新型的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本新型的保護範圍應由所附的申請專利範圍來限定。

100:反應腔體 200:頂蓋 110:基板托盤 10:基板 112:旋轉軸 113:隔熱套 114:加熱器 201、202:氣體擴散腔 211、212:氣體管道 205:冷卻液管道 11:中心區域 12:邊緣區域 121:過渡區域 21:單晶薄膜 22:多晶薄膜 L1:邊緣區域寬度 L2:過渡區域寬度 A-A’:剖面線

為了更清楚地說明本新型的技術方案，下面將對描述中所需要使用的圖式作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的圖式是本新型的一個實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出進步性勞動的前提下，還可以根據這些圖式獲得其他的圖式： 圖1為化學氣相沉積裝置的結構圖； 圖2為本新型提供的一種半導體外延的基板的俯視圖； 圖3為本新型第一實施例提供的圖2所示基板的A-A’剖視圖； 圖4為由圖3所示基板制得的外延片的結構圖； 圖5為本新型第二實施例提供的圖2所示基板的A-A’剖視圖； 圖6為本新型第三實施例提供的圖2所示基板的A-A’剖視圖； 圖7為本新型第四實施例提供的圖2所示基板的A-A’剖視圖； 圖8為本新型第五實施例提供的圖2所示基板的A-A’剖視圖。

11:中心區域

12:邊緣區域

21:單晶薄膜

22:多晶薄膜

Claims (13)

1. 一種半導體外延的基板，包括： 一中心區域；和 一環繞所述中心區域的邊緣區域，所述邊緣區域包括一靠近所述中心區域設置的過渡區域，所述過渡區域環繞設置在所述中心區域的邊緣，且與所述中心區域連接，所述過渡區域為一弧面和/或一斜面，所述邊緣區域呈環形，且所述環形的寬度為0.5mm~4mm。
2. 如請求項1所述的半導體外延的基板，其中，所述中心區域各位置的厚度均相等。
3. 如請求項1所述的半導體外延的基板，其中，所述邊緣區域採用切割、研磨或蝕刻工藝製得。
4. 如請求項1所述的半導體外延的基板，其中，所述邊緣區域的上表面的晶面指數與所述中心區域的上表面的晶面指數不同。
5. 如請求項1所述的半導體外延的基板，其中，沿著遠離所述中心區域的方向上，所述邊緣區域的厚度逐漸減小。
6. 如請求項1所述的半導體外延的基板，其中，沿著遠離所述中心區域的方向上，所述邊緣區域的厚度先減小後增加。
7. 如請求項1所述的半導體外延的基板，其中，所述弧面的曲率半徑相同或曲率半徑漸變。
8. 如請求項1所述的半導體外延的基板，其中，所述斜面與所述基板的直徑方向上的夾角小於arctan（T/L），且所述夾角大於4度，其中T表示所述基板的中心區域的厚度，L表示所述邊緣區域的寬度。
9. 如請求項6所述的半導體外延的基板，其中，所述邊緣區域採用弧形凹槽形成。
10. 如請求項6所述的半導體外延的基板，其中，所述邊緣區域採用V型凹槽形成。
11. 如請求項1所述的半導體外延的基板，其中，所述邊緣區域與所述中心區域通過一向上拱起的第一弧面連接，以及所述邊緣區域與所述基板的側壁通過一向上拱起的第二弧面連接。
12. 一種化學氣相沉積裝置，所述化學氣相沉積裝置中包括：基板托盤，所述基板托盤下方設置有加熱器，所述基板托盤上方具有一反應氣體進氣裝置向下方通入多種反應氣體，所述基板托盤上設置有如請求項1-11中任一項所述的半導體外延的基板，所述反應氣體在所述基板的表面形成薄膜，其中所述基板的中心區域生長的薄膜為單晶結構，所述基板的邊緣區域生長的薄膜為多晶結構或與所述中心區域生長的薄膜具有不完全相同的晶向的晶體結構。
13. 如請求項12所述的化學氣相沉積裝置，其中，在所述基板的表面形成的薄膜選自AlN，GaN，Ga2O3，AlGaN或SiC中的至少一種。