阅读说明：本技术 一种用于mocvd的基片以及在基片上生长缓冲层的方法 (Substrate for MOCVD and method for growing buffer layer on substrate ) 是由 李洪伟 胡建正 王文 郭世平 于 2019-03-21 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种用于MOCVD的基片,其特征在于,基片上表面包括中心区域和边缘区域,所述边缘区域环绕所述中心区域,其中中心区域由单晶结构的氧化铝构成,且表面光滑,边缘区域表面粗糙,使得所述基片被送入MOCVD反应腔时,在中心区域生长出单晶结构的缓冲层,边缘区域生长多晶结构的缓冲层。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,大幅提高的半导体器件生产效率。(The invention provides a substrate for MOCVD, which is characterized in that the upper surface of the substrate comprises a central region and an edge region, wherein the edge region surrounds the central region, the central region is made of alumina with a single crystal structure, the surface of the central region is smooth, the surface of the edge region is rough, so that when the substrate is fed into an MOCVD reaction chamber, a buffer layer with a single crystal structure grows in the central region, and a buffer layer with a polycrystalline structure grows in the edge region. In the growth process of the buffer layer, cracks appearing in the buffer layer of the edge region polycrystalline structure cannot extend into the buffer layer of the middle region single crystal structure along the lattice structure, and the production efficiency of the semiconductor device is greatly improved.)

一种用于MOCVD的基片以及在基片上生长缓冲层的方法

技术领域

本发明涉及半导体加工领域，特别涉及一种用于金属有机物化学气相沉积(MOCVD)的基片和在基片上进行处理以形成缓冲层的方法。

背景技术

MOCVD工艺被广泛用于制造LED芯片以及功率器件等半导体器件。 MOCVD设备的结构图如图1所示包括一个反应腔体100，腔体内的底部包括一个托盘110，托盘上放置有一个或多个待加工的基片10。托盘下方通过一个驱动装置如旋转轴112驱动进行旋转，同时托盘110下方设置有加热器114，使得托盘110被加热到需要的温度(600-1200度)。加热器114和旋转轴112 被一个侧壁113包围着，减少热量向周围辐射，也防止反应气体进入托盘110 下方。反应腔顶部包括一个顶盖200，顶盖内包括一个气体喷淋头用于向下方供应多种反应气体。气体喷淋头包括多个互相气体隔离的气体扩散腔201、 202，分别通过各自的气体管道211、212向反应腔内托盘110上方的反应空间通入不同的反应气体，如金属有机气体(TMG)和含氮气体(NH3)等最终在基片10上形成所需要的化合物，如氮化镓GaN。其中气体喷淋头中还包括一冷却液管道205，联通到冷却液源，以冷却气体喷淋头。用于形成LED 器件的半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才能最终生长生产LED所需要的GaN材料层。现有技术中缓冲层通常是氮化铝AlN层，但是在蓝宝石(Al2O3)基体上高温外延生长AlN时由于晶格失配，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，裂纹先从基片边缘处产生，向中心延伸，裂纹的存在使得AlN薄膜不适合进行下一步的器件结构生长，因此必须抑制生长时裂纹的产生，图2 是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，大量基片上的加工面积上生成的器件报废；所以现有技术需要提供一种新的装置或者生长工艺以克服在缓冲层AlN生长过程中大量出现的裂纹，以改善LED 器件生产质量和产量。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种器件或者一种特殊工艺使得用于 MOCVD的蓝宝石基片上生长较厚的缓冲层过程中不会产生严重的开裂现象。

本发明提出了一种用于MOCVD的基片，基片上表面包括中心区域和边缘区域，所述边缘区域环绕所述中心区域，其中中心区域由单晶结构的氧化铝构成，且表面光滑，边缘区域表面粗糙，使得所述基片被送入MOCVD反应腔时，在中心区域生长出单晶结构的缓冲层，边缘区域生长多晶的缓冲层。

进一步地，基片边缘区域的宽度小于4mm，其中中心区域的表面粗糙度小于1nm，所述边缘区域的表面粗糙度大于等于5nm。

本发明还提出了一种用于MOCVD的基片，基片上表面包括中心区域和边缘区域，所述边缘区域环绕所述中心区域，所述基片边缘包括一台阶部，所述台阶部的上表面高度低于所述中心区域的上表面高度，一个辅助环设置在所述台阶部上，所述辅助环的上表面具有与中心区域不同的粗糙度或者材料。其中所述辅助环也可以有氧化铝制成，上表面的粗糙度大于中心区域的粗糙度，或者辅助环也可以由碳化硅制成。

本发明还提出了一种MOCVD处理器，所述处理器中包括基片托盘，基片托盘下方设置有加热器，基片托盘上方具有一反应气体进气装置向下方通入多种反应气体，所述基片托盘上设置有上述中心区域光滑边缘区域粗糙的基片，所述反应气体进气装置向所述基片通入反应气体后形成缓冲层，其中基片中心区域生长的缓冲层为单晶结构，基片边缘区域生长的缓冲层为多晶结构。

本发明还提供了一种在基片上生长缓冲层的方法，包括：提供一初始基片，所述基片具有单晶氧化铝晶体结构，表面光滑；所述初始基片进行预处理，生成第一厚度的第一缓冲层；对所述沉积有第一缓冲层的基片进行处理，使得基片边缘区域的第一缓冲层具有高于基片中心区域的粗糙度；在所述处理后的基片上再次进行缓冲层沉积，生成第二厚度的第二缓冲层，第二厚度大于所述第一厚度；其中基片中心区域的第二缓冲层为单晶结构，基片边缘区域的第二缓冲层为多晶结构。

本发明还提供了另一种在基片上生长缓冲层的方法，包括：提供一初始基片，所述基片具有单晶氧化铝晶体结构，表面光滑；所述初始基片进行第一MOCVD沉积工艺，生成第一厚度的第一缓冲层，其中第一缓冲层包括边缘区域和中心区域，边缘区域的粗糙度大于中心区域；对所述生长有第一缓冲层的基片进行第二MOCVD沉积工艺，使得基片上生成第二厚度的第二缓冲层，其中第二厚度大于第一厚度。其中所述第一MOCVD沉积工艺中，控制MOCVD中的边缘区域加热器的加热功率或者可移动环的位置使得基片边缘区域的温度与基片中心区域温度具有第一温度差值，在第二MOCVD沉积工艺中基片边缘区域与基片中心区域的第二温度差小于所述第一温度差值。

其中上述缓冲层由氮化铝构成，在完成缓冲层沉积之后可以生长氮化镓材料层作为半导体器件层。所述边缘区域粗糙度大于5nm，中心区域粗糙度小于1nm。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了现有技术MOCVD反应器结构示意图；

图2示出了采用现有技术工艺时基片上裂纹分布示意图；

图3示出了本发明基片表面结构示意图；

图4a、图4b示出了本发明基片表面结构下，基片表面晶体生长过程。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

发明人经过研究发现缓冲层生长过程中的大量裂纹是从基片边缘区域开始出现，并沿着晶格结构向基片中心区域延伸的，所以图2所示的采用现有技术的沉积工艺后产生大量呈直线分布的裂纹。所以为了大幅减少裂纹产生，发明人提出了如图3所示的基片结构，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，典型的是0.2nm。同时在基片边缘区域包括一粗糙区域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或者10nm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。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。现有基片通常是2-8英寸直径的圆形薄片，其中边缘环形的粗糙区域11的宽度可以设置的很窄，比如小于4mm，甚至小于2mm，在这个几个毫米宽的环形带中放弃的面积不会对整体的有效生长面积造成很大影响，却能够大幅减少中心平滑区域的裂纹出现概率。所以边缘的粗糙区域11内虽然无法再利用来生长出上方的各种半导体器件结构，但是保证中心的平滑区域生产出高质量的器件仍然能取得远比现有技术更高的生产效率。

本发明中位于基片边缘区域的粗糙区域11可以是如图4a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10外周缘包括一个下凹的台阶13，台阶上表面上设置辅助环14，辅助环的上表面粗糙度远大于基片10中心上表面的粗糙度。在基片10和辅助环14的组合被一起送入反应腔后开始进行缓冲材料层(AlN)生长，直到缓冲层12达到目标的厚度和晶体结构。其中基片10中心光滑区域生长的缓冲层12a具有单晶体结构，而且表面平滑，与之不同的是，基片边缘的辅助环14上表面很粗糙所以在辅助环14 上沉积的缓冲材料层12b不仅表面粗糙，而且不是单晶结构而是多晶结构的。这种多晶结构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。其中辅助环14可以选择与基片相同的氧化铝材料制成，也可以是耐高温的其它材料制成，如SiC，只要能够固定在基片10上而且在进行缓冲层生长工艺时辅助环上生长出的缓冲层与中间的光滑区域晶体结构不同，任何辅助环都能应用于本发明目的。当辅助环的材料与基片材料不同时即使辅助环也是单晶结构的材料组成同时表面很平滑，也无法形成单晶的AlN，比如辅助环采用SiC时，由于与需要生长的 AlN材料的晶格尺寸差距过大，无法形成单晶结构，只能形成多晶结构的AlN，所以也属于本发明的实施例之一。

本发明还提供另一个实施例在基片边缘区域产生粗糙区域11，如图4b所示，在平整的基片10基础上首先进行预处理，使得基片10边缘区域产生足够粗糙的区域。其中预处理可以是在边缘进行机械加工，也可以是化学处理，在边缘利用反应气体或者液体对基片表面进行腐蚀，从而形成粗糙区域20b，环绕位于基片中心的光滑区域20a。随后进行缓冲层生长工艺，在中心的光滑区域20a上生长单晶、光滑的缓冲层22a，同时在粗糙区域20b上生长出表面粗糙、多晶的材料层22b。

本发明中的为了达到发明目的可以选择如图4a、4b所示的专用的具有边缘粗糙区域的基片，也可以采用传统的上表面光滑的基片，在基片上初步生长一定厚度的缓冲材料层，出现大量裂缝之前，将基片取出对边缘进行粗糙化处理，然后再次送入MOCVD反应器进行后续的缓冲层生长，直到达到目标厚度，最后再在基片上进行半导体结构材料层的生长。

对于基片托盘上只有一个基片的MOCVD反应器，还可以通过改变气流或托盘周围温度分布的方式，改变基片上的生长效果。在初始的缓冲层生长过程中，执行第一MOCVD生长工艺，故意生长一层中心区域光滑，边缘边缘粗糙的初始缓冲层，随后再进行第二MOCVD生长工艺，生长完整的缓冲层以在基片中心获得所需要厚度和结构的缓冲层。其中初始缓冲层厚度小于第二MOCVD生长工艺生长的缓冲层厚度。上述故意在边缘生成一次粗糙层的反应器结构可以是如本发明申请人提交的在先专利201820837091.8所描述的结构，在基片托盘周围设置一个可升降的挡板，当进行初始缓冲层生长时降下挡板使得基片托盘边缘区域的大量热向低温的反应腔区域辐射，基片托盘边缘的温度会显著低于中心区域，所以基片托盘的边缘区域温度更低，只能生长非晶体的缓冲层。另一方面，本发明为了达到边缘区域温度显著低于中心的区域的目的，也可以控制加热器114的加热功率分布，加热器包括多个独立控制的区域，其中极边缘区域中的加热丝的功率小于中心或中间区域的加热丝功率，所以基片托盘极边缘区域的温度会远小于中心或中间区域，最终使得基片边缘区域沉积生产的多晶材料层粗糙度高，中心区域形成的单晶材料层具有光滑的表面。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。