【专利解密】消除裂缝求“生存” 中微半导体发明基片上生长缓冲层方案

【嘉勤点评】中微半导体发明的应用于MOCVD领域在基片上生长缓冲层的方案，在缓冲层生长过程中，边缘区域多晶结构的缓冲层中出现的裂缝不会沿着晶格结构延伸到中区域单晶结构的缓冲层中，从而可以大幅提高半导体器件的生产效率。

LED芯片以及功率器件等半导体器件的制造过程中广泛采用MOCVD工艺，如上图，为MOCVD设备的结构示意图，该设备的主体由反应腔体100构成，腔体内的底部设置有托盘110，托盘上放置有待加工的基片10。托盘下方通过一个驱动装置驱动进行旋转，同时下方设置有加热器114，使得托盘可以加热到需要的温度。

用于形成LED器件的导体材料层通常由晶体的氮化镓构成，但是现有技术常用的基片材料通常是有晶体氧化铝(Al2O3)构成。两者之间的晶体结构相差巨大，晶格不匹配，所以需要在基片上首先生长多层的缓冲层（通常是氮化铝AlN）才能最终生长生产LED所需要的GaN材料层。但是在缓冲层厚度逐渐增长过程中，缓冲层内会产生很大的应力，AlN生长到一定厚度时就会产生裂纹。

如上图，为利用仪器扫描基片上的AlN薄膜后显示出的裂纹，其中的每一条线条均代表一条裂纹，如此多的裂纹导致上方的半导体结构无法进行有效生长，导致大量基片上的加工面积上生成的器件报废。因此，为了改善LED器件生产质量和产量，中微半导体在2019年3月21日申请了一项名为“一种用于MOCVD的基片以及在基片上生长缓冲层的方法”的发明专利（申请号：201910217948.5），申请人为中微半导体设备（上海）股份有限公司。

根据该专利目前公开的相关技术资料，让我们一起来看看这项技术方案吧。

如上图，为该专利中发明的基片表面结构示意图，基片10表面包括大面积的平滑区域用于生长AlN材料层，其中平滑区域的表面粗糙度小于1nm。同时在基片边缘区域包括粗糙区域11，在粗糙区域中基片上表面的粗糙度使得该区域内无法有效的生长平滑的AlN晶体材料层，在粗糙区域中基片表面粗糙度远大于中心平滑区域，可以达到5nm以上。

这样的粗糙度使得AlN材料层只能在粗糙区域生长出多晶结构的氮化铝材料层，无法形成单晶结构的缓冲层。同时，由于边缘的粗糙区域中没有单晶结构的材料层，所以边缘区域即使存在少量裂纹也不会沿着多晶结构的复杂晶格组合向中心的平滑区域扩散形成长条的裂纹带，只是在边缘区域内极小面积内扩散。

利用这样的方案，在边缘的粗糙区域内虽然无法再利用来生长出上方的各种半导体器件结构，但是可以保证中心的平滑区域生产出高质量的器件，因此，仍然能取得远比现有技术更高的生产效率。

如上图，为该专利中展示的一种基片表面结构下，基片表面晶体生长过程，位于基片边缘区域的粗糙区域为上图所示的由基片10和固定在基片边缘上一个辅助环14制成。其中基片外周缘包括一个下凹的台阶13，辅助环就设置在台阶上表面上，辅助环的上表面粗糙度远大于基片中心上表面的粗糙度。

在基片和辅助环的组合被一起送入反应腔后，缓冲材料层(AlN)就会开始生长，直到缓冲层达到目标的厚度和晶体结构。这种方式虽然无法在后续的晶体生长过程中生长有效的半导体结构，但是能够在后续缓冲层生长过程中避免产生裂纹。

以上就是中微半导体发明的应用于MOCVD领域在基片上生长缓冲层的方法，在该方案的缓冲层生长过程中，边缘区域多晶结构的缓冲层中出现的裂缝不会沿着晶格结构延伸到中区域单晶结构的缓冲层中，从而可以大幅提高半导体器件的生产效率。

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