[发明专利]适合划片且能避免裂痕的半导体晶粒

说明书

本发明提出一种适合划片且能避免裂痕的晶粒及其制造方法，该方法主要适用于衬底材料和基板材料热膨胀系数严重失配的情况。基板材料形成的器件区域为多边形，其所有内角均为钝角。划片道不横穿器件区域，它与至少部分包围器件区域的边界区域重合。器件区域与晶粒外形不同。

技术领域

本发明涉及集成电路领域，更确切地说，涉及在衬底上生长的半导体基板及其制法，尤其涉及与衬底热膨胀系数严重失配的半导体基板及其制法。

背景技术

氮化镓（GaN）在发光二极管（LED）、电力电子（power electronics）、射频电子（rfelectronics）等领域有广泛应用。氮化镓基板可以在硅衬底上生长以降低其生产成本。但是，氮化镓和硅的热膨胀系数严重失配：氮化镓的热膨胀系数为5.59x10^-6/K，而硅则为3.59x10^-6/K，两者之间的失配度高达36%。在硅衬底上生长氮化镓时会产生严重的拉伸应力，从而造成氮化镓基板出现裂痕，该裂痕问题随之氮化镓基板的面积增大（或厚度增大）而更加严重。因此，目前硅衬底氮化镓（GaN-on-Si）晶圆的最大尺寸仅为6英寸。工业界极其希望能制成8英寸甚至12英寸的硅衬底氮化镓晶圆。

为了解决氮化镓基板和硅衬底热膨胀系数失配的问题，图形化衬底（patternedsubstrate）提供了一种新的思路。通过在衬底上形成网状图形（如凹陷图形或凸出图形），可以在氮化镓薄膜的指定位置“故意”形成裂痕，这些裂痕能释放氮化镓生长后晶圆冷却时产生的拉伸应力，从而避免在器件区域（形成氮化镓器件的区域，为生长在网状图形内的氮化镓基板）形成裂痕。目前，数个专利披露了多种图形化衬底，如美国专利US 7,888,779 B2（发明人：Jiang等，授权日：2011年2月15日）在衬底上采用三角形网状图形，美国专利US 6,982,435 B2（发明人：Shibata等，授权日：2006年1月3日）在衬底上采用方形网状图形等。

在氮化镓器件制造过程结束后，需要对晶圆进行划片。为了保护制成的氮化镓器件，划片道（dicing street，saw street或scribe line）最好不横穿器件区域（即穿过器件区域两个不相交的边线），这样就不会切割到在器件区域形成的氮化镓器件。实际上，现有技术中图形化衬底的很多网状图形并不适合划片，如三角形网状图形就不适合划片。美国专利US 8,557,681（发明人：Herman等，授权日：2013年10月15日）披露了一种适合划片的硅衬底氮化镓。图1A表示一种具有相互垂直划片道16a、16b的晶圆12及与其适应的图形化衬底：晶圆12含有多个方形的器件区域14，器件区域14被边界区域10包围，器件区域14的边线17a、17b分别与划片道16a、16b重合，边线17a和17b相交于方形的边角Q点。图1B是一种具有相互交叉划片道16a`、16b`的晶圆12`及与其适应的图形化衬底：晶圆12`含有多个菱形的器件区域14`，器件区域14`被边界区域10`包围，器件区域14`的边线与划片道16a`和16b`重合。

从图1A可以看出，由于器件区域14的边界区域10分别与划片道16a、16b重合，器件区域14中的内角α_s等于划片道16a、16b之间的夹角并为直角；从图1B可以看出，由于器件区域14`的边界区域10`分别与划片道16a`、16b`重合，器件区域14`中的内角α<sub>p</sub>等于划片道16a`、16b`之间的夹角并为锐角。基于Tanaka等人在2017年的Advanced Materials第29卷的“Si complies with GaN to overcome thermal mismatches for the heteroepitaxyof thick GaN on Si”中的研究结论，当氮化镓基板的边角形成一个非钝角（小于等于90度的内角，如三角形或正方形）时，氮化镓基板在晶圆冷却时会在该非钝角处产生裂痕。一般说来，氮化镓基板边角形成的内角越小，在晶圆冷却时产生的拉伸应力越大，越容易形成裂痕。

发明内容