CN111933515A - 砷化镓半导体晶片微缺陷改善外延层橄榄球缺陷的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于砷化镓半导体晶片微缺陷改善外延层中橄榄球缺陷的方法，尤其是半绝缘砷化镓半导体晶片，通过化学机械抛光和清洗方法，可以改善砷化镓微缺陷对外延层中橄榄球状缺陷的影响。
Description
技术领域
本发明属于半导体领域，特别涉及一种基于砷化镓半导体晶片微缺陷对其外延层橄榄球缺陷影响的方法，及该方法使用的化学腐蚀液。
背景技术
砷化镓（GaAs）是重要的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料之一。砷化镓的电子迁移率比硅高5倍，其器件的运算速率也比硅高得多，使其再信息处理和信息传递等领域有独特的应用。砷化镓不但具有高迁移率，而且有半绝缘特性，可设计高频、高速、低噪声、低功耗的器件或集成电路；如金属半导体场效应晶体管（MESFET）、高迁移率晶体管（HEMT）、微波单片集成电路（MMIC）、双异质结双极晶体管（HBT）、微波&毫米波集成电路的超高速集成电路。另外，苹果iPhone X手机的结构光人脸识别功能，带动砷化镓基垂直腔面发射激光器（VCSEL）及高阶通讯元件需求大增。砷化镓基VCSEL还广泛应用于5G、人工智能、物联网、数据中心、云计算、自动驾驶等领域。尤其是SI-GaAs砷化镓是理想的衬底材料。
目前用于砷化镓外延薄膜生长方法主要是有机化学气相沉积（MOCVD），MOCVD生长方法具有生长过程较为灵活、反应室简单、实时监控；可获得陡峭的材料界面、材料均匀性和重复性好、生长速率高等特点，受到越来越多企业的亲赖。但是也会产生一些缺陷，如Haze（薄雾）、滑移线、层错和穿刺，这些缺陷在外延材料中形成深能级杂质，构成非辐射复合中心，严重影响器件的功率和寿命。
其中，砷化镓半导体晶片的穿刺缺陷可分为非规则的缺陷和橄榄球状缺陷。橄榄球状缺陷，根据它们的形貌，也称为小丘状缺陷。它是（111）晶面沿<110>晶向方向生长；这种典型缺陷尺寸在长轴方向1-20um，宽轴方向1-10um；密度在100至10000/cm2；大大增加器件暗电流，甚至完全失效而形成致命缺陷。这种缺陷的来源有：（1）外延过程中，裂解的镓以及镓的氧化物的生成。（2）半导体衬底晶片的污染的颗粒、衬底表面的微缺陷。
本发明主要通过降低砷化镓半导体晶片衬底中微缺陷来改善外延层中橄榄球状缺陷。砷化镓微缺陷是点状缺陷的聚集。点状缺陷包含点缺陷、复合体、无辐射复合中心以及小的沉淀。微缺陷是砷化镓单晶抛光晶片经腐蚀液侵蚀后表面显示出的点状腐蚀坑。这种微缺陷在强光灯的照射下，产生光散射，显示出光点缺陷。常用的砷化镓化学机械抛光和清洗方法采用酸性和碱性相搭配的腐蚀使得对半导体晶片微缺陷腐蚀加重显现的尤为突出。砷化镓半导体表面微缺陷的存在给外延结构带来橄榄球状缺陷等问题。尤其是SI-GaAs生长的位错密度高，点缺陷易沿位错导致不均匀分布，聚集点缺陷形成的微缺陷影响着GaAs材料电学和光学特性。
发明内容
本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种砷化镓半导体晶片微缺陷改善外延层橄榄球缺陷的方法，包括如下步骤：（1）用化学机械抛光方法把砷化镓半导体晶片加工成镜面，用四甲基氢氧化铵、表面活性剂和水混合物化学机械抛光砷化镓半导体晶片；（2）用去离子水冲洗化学机械抛光后晶片；（3）用离心力旋转对抛光晶片干燥；（4）用四甲基氢氧化铵、表面活性剂和水的混合物清洗半导体晶片；（5）用去离子水冲洗晶片；（6）用连续多步的四甲基氢氧化铵、表面活性剂和水的混合物清洗处理晶片；（7）再次用去离子水冲洗晶片；（8）再次用离心式旋转使得到晶片的干燥；其中所述四甲基氢氧化铵、表面活性剂和水的混合物中，按照体积百分计算，四甲基氢氧化铵的含量为0.1-20%和表面活性剂的含量为0.1-5%。
作为对本发明的改进，所述步骤（1）在2-20℃的温度下进行处理时间为1-10分钟。
作为对本发明的进一步改进，所述步骤（1）的处理时间为1-10分钟。
作为对本发明的进一步改进，所述步骤（4）在0-35℃的温度下进行。
作为对本发明的进一步改进，所述步骤（4）的处理时间为1-20分钟。
作为对本发明的进一步改进，所述步骤（6）在0-20℃的温度下进行。
作为对本发明的进一步改进，所述步骤（6）单步的处理时间为5-10分钟，连续多步的步数在1-5步。
作为对本发明的进一步改进，其中步骤（1）（4）（6）中还加入氧化剂、螯合剂的其它添加剂。
具体实施方式
下面详细说明本发明的优选实施例。
基于砷化镓半导体晶片微缺陷改善外延层中橄榄球缺陷的方法，该方法包括如下步骤：
1. 用化学机械抛光（CMP）方法把砷化镓半导体晶片加工成镜面，用四甲基氢氧化铵、表面活性剂和水处理化学机械抛光砷化镓半导体晶片；
2. 用去离子水冲洗化学机械抛光后晶片；
3. 用离心力旋转对晶片干燥；
4. 用四甲基氢氧化铵、表面活性剂和水的混合物清洗半导体晶片；
5. 用去离子水冲洗晶片；
6. 用连续多步的四甲基氢氧化铵、表面活性剂和水的混合物清洗处理晶片；
7. 再次用去离子水冲洗晶片；
8. 再次用离心式旋转使得到晶片的干燥。
在一个具体的优选实施方案中，该方法包括如下步骤：
1. 在不高于20℃的温度下，用化学机械抛光（CMP）方法把砷化镓半导体晶片加工成镜面，用四甲基氢氧化铵、表面活性剂和水处理化学机械抛光砷化镓半导体晶片；
2. 用去离子水冲洗化学机械抛光后晶片；
3. 用离心力旋转对晶片干燥；
4. 在不高于35℃的温度下，用四甲基氢氧化铵、表面活性剂和水的混合物清洗半导体晶片；
5. 用去离子水冲洗晶片；
6. 在不高于20℃的温度下，用连续多步的四甲基氢氧化铵、表面活性剂和水的混合物清洗处理晶片；
7. 用去离子水冲洗晶片；
8. 用离心式旋转使得到晶片的干燥。
本发明方法的第（1）步骤（用化学机械抛光（CMP）方法把带有微缺陷的砷化镓半导体晶片加工成镜面，用四甲基氢氧化铵、表面活性剂和水处理化学机械抛光砷化镓半导体晶片）中，化学机械抛光过程中药液有利地不高于25℃的温度进行，优选在不高于20℃的温度进行，更优选的在5-15℃进行。抛光时间通常为1-10分钟，优选在2-9分钟，更优选在3-8分钟。所述的四甲基氢氧化铵、表面活性剂和水的混合物中，按照体积百分比计算，四甲基氢氧化铵的的含量为0.1-20%，优选为5-15%，更优选为8-12%；表面活性剂的含量为0.1-5%，优选为2-4%，更优选为2.5-3.5%。
本发明方法的第（4）步骤（用四甲基氢氧化铵、表面活性剂和水的混合物清洗半导体晶片）中，清洗药液有利地不高于35℃的温度进行，优选在不高于25℃的温度进行，更优选的在1-10℃进行。清洗时间通常为1-20分钟，优选在3-15分钟，更优选在5-10分钟。所述的四甲基氢氧化铵、表面活性剂和水的混合物中，按照体积百分比计算，四甲基氢氧化铵的的含量为0.1-20%，优选为0.1-15%，更优选为0.1-8%；表面活性剂的含量为0.1-5%，优选为0.1-3%，更优选为1-2.5%。
本发明方法的第（6）步骤（用连续多步的四甲基氢氧化铵、表面活性剂和水的混合物清洗处理晶片）中，清洗药液有利地不高于20℃的温度进行，优选在不高于15℃的温度进行，更优选的在1-10℃进行。单步清洗时间通常为5-10分钟，优选在5-8分钟，更优选在5-7分钟。所述的四甲基氢氧化铵、表面活性剂和水的混合物中，按照体积百分比计算，四甲基氢氧化铵的的含量为0.1-20%，优选为0.1-15%，更优选为0.1-8%；表面活性剂的含量为0.1-5%，优选为0.1-3%，更优选为1-2.5%。连续多步的步数在1-5，优选为1-5步，更优选为2-4步。其中连续各部或部分步骤中还使用超声波；该处理过程也可部分或全部以超声波技术进行。优选地，超声波的波长范围为25kHz-400kHz，优选为40kHz-200kHz。
本发明方法的第（2）（5）（7）步骤中，各部的使用去离子水冲洗，该处理过程全程用高压水枪进行喷淋。优选地，去离子水压力为0-100psi，优选为40-60psi。
本发明的第（3）（8）步骤中，用离心式旋转使得晶片甩干，优选地，转速为0-7000rad/min，优选为3000-5000rad/min。
在本发明方法的一个优选实施方案中，可在第（1）（4）（6）体系中加入氧化剂、螯合剂其它添加剂以降低表面杂质沾污。
本发明的特点包括：使用四甲基氢氧化铵、表面活性剂和水的混合物，在不高于25℃温度下对砷化镓晶片表面进行化学机械抛光；在不高于25℃温度下对砷化镓晶片表面进行多步腐蚀清洗以及部分辅助以超声波作用。不用多种酸、多种碱混合增强对晶片表面腐蚀，呈现出砷化镓微缺陷。步骤（1）（4）（6）分别用不同浓度的药液，降低化学腐蚀药液晶片表面的残留。采用砷化镓半导体晶片同质外延1um厚的外延层，橄榄球状缺陷密度从15000个/cm2降低为20个/cm2。
Claims (8)
1.一种砷化镓半导体晶片微缺陷改善外延层橄榄球缺陷的方法，其特征在于：包括如下步骤：（1）用化学机械抛光方法把砷化镓半导体晶片加工成镜面，用四甲基氢氧化铵、表面活性剂和水混合物化学机械抛光砷化镓半导体晶片；（2）用去离子水冲洗化学机械抛光后晶片；（3）用离心力旋转对抛光晶片干燥；（4）用四甲基氢氧化铵、表面活性剂和水的混合物清洗半导体晶片；（5）用去离子水冲洗晶片；（6）用连续多步的四甲基氢氧化铵、表面活性剂和水的混合物清洗处理晶片；（7）再次用去离子水冲洗晶片；（8）再次用离心式旋转使得到晶片的干燥；其中所述四甲基氢氧化铵、表面活性剂和水的混合物中，按照体积百分计算，四甲基氢氧化铵的含量为0.1-20%和表面活性剂的含量为0.1-5%。
2.根据权利要求1所述的砷化镓半导体晶片微缺陷改善外延层橄榄球缺陷的方法，其特征在于：所述步骤（1）在2-20℃的温度下进行处理时间为1-10分钟。
3.根据权利要求1所述的砷化镓半导体晶片微缺陷改善外延层橄榄球缺陷的方法，其特征在于：所述步骤（1）的处理时间为1-10分钟。
4.根据权利要求1所述的砷化镓半导体晶片微缺陷改善外延层橄榄球缺陷的方法，其特征在于：所述步骤（4）在0-35℃的温度下进行。
5.根据权利要求1所述的砷化镓半导体晶片微缺陷改善外延层橄榄球缺陷的方法，其特征在于：所述步骤（4）的处理时间为1-20分钟。
6.根据权利要求1所述的砷化镓半导体晶片微缺陷改善外延层橄榄球缺陷的方法，其特征在于：所述步骤（6）在0-20℃的温度下进行。
7.根据权利要求1所述的砷化镓半导体晶片微缺陷改善外延层橄榄球缺陷的方法，其特征在于：所述步骤（6）单步的处理时间为5-10分钟，连续多步的步数在1-5步。
8.根据权利要求1所述的砷化镓半导体晶片微缺陷改善外延层橄榄球缺陷的方法，其特征在于：其中步骤（1）（4）（6）中还加入氧化剂、螯合剂的其它添加剂。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20201113 |
|
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