CN117071064A - 一种InAs衬底原子氢辅助脱氧方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种InAs衬底原子氢辅助脱氧方法，包括如下步骤：S1、将InAs衬底置于填充As分子的生长环境中，加热InAs衬底至预设温度，其中，所述预设温度低于InAs衬底热脱氧温度；S2、制备原子氢并将其通入生长环境中；S3、调整生长环境压力至预设压力值，待InAs衬底表面形成预期形貌后得到目标InAs衬底；S4、生长InAs同质外延层。本方法通过高化学活性的单原子氢去除InAs表面氧化物，降低了脱氧温度，提高了脱氧后衬底的表面质量，有效提高超晶格红外焦平面阵列的成品率，同时，原子氢脱氧具有极高的可重复性，使本方法更加适合大规模量产，是具有广阔使用前景的新型InAs基材料加工方法。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其是指一种InAs衬底原子氢辅助脱氧方法。
背景技术
砷化铟（InAs）基锑化物材料通常采用分子束外延设备生长，现阶段，商业化Epi-ready类型的InAs衬底表面往往存在多种不同价态的氧化物，尤其是高价氧化物，此类氧化物通常需要很高的温度才能分解，因此目前采用将InAs衬底加热到540℃以上以使氧化物分解，待其表面出现2x4衍射条纹再构的方式进行加工，但是过高的脱氧温度往往会对InAs衬底表面晶格造成严重损伤，从而在外延层产生大量高密度缺陷，导致外延材料质量和性能急剧下降，因此要在InAs衬底上生长高质量的器件结构，首先要解决InAs衬底的脱氧问题。
此外，由于InAs衬底表面氧化物不可控，因此不同厂家的商业化InAs衬底表面氧化物不一样，即使同一厂家的衬底表面氧化物类型也重复性不好，这样就造成热脱氧效果极大程度收到了衬底生产批次的影响，当采用同一高温处理方式时便不可避免地出现处理效果时好时坏，产品质量不稳定且重复性差的问题，这给InAs衬底上锑化物产业化带来很大困难。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中540℃以上高温脱氧会损伤InAs衬底表面晶格的问题，提供一种InAs衬底原子氢辅助脱氧方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种InAs衬底原子氢辅助脱氧方法，包括如下步骤：S1、将InAs衬底置于填充As分子的生长环境中，加热所述InAs衬底至预设温度，其中，所述预设温度低于InAs衬底热脱氧温度；S2、制备原子氢并将其通入所述生长环境中；S3、调整所述生长环境压力至预设压力值，待所述InAs衬底表面形成预期形貌后得到目标InAs衬底；S4、在所述目标InAs衬底表面生长InAs同质外延层。
在本发明的一个实施例中，步骤S1包括如下步骤：S11、将InAs衬底置于MBE生长系统中并调节所述MBE生长系统至预设真空度；S12、向所述MBE生长系统中通入As蒸汽，创建所述生长环境；S13、将所述生长环境内升温至预设温度以加热所述InAs衬底。
在本发明的一个实施例中，所述预设真空度为1E-8torr。
在本发明的一个实施例中，步骤S1中，所述预设温度为510℃，所述InAs衬底热脱氧温度为540℃。
在本发明的一个实施例中，步骤S2中通过将氢气加热至2000℃以上，使氢气裂解后得到单原子氢。
在本发明的一个实施例中，步骤S2中通过射频激发氢气，得到氢等离子体，过滤掉带电氢离子后得到原子氢。
在本发明的一个实施例中，步骤S3中，所述预设压力值为1E-6torr~1E-7torr。
在本发明的一个实施例中，步骤S3中通过反射高能电子衍射仪观察所述InAs衬底表面结构，所述预期形貌为2×4再构。
在本发明的一个实施例中，其还包括步骤S4、停止供应所述原子氢，调整As元素至目标束流，通入In元素后开始在所述目标InAs衬底表面生长InAs同质外延层，得到InAs基材料。
在本发明的一个实施例中，所述目标InAs衬底通过分子束外延设备生长所述InAs同质外延层。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明所述的InAs衬底原子氢辅助脱氧方法，通过高化学活性的单原子氢去除InAs表面氧化物，并降低实际脱氧温度，使其比普通热脱氧温度低30℃以上，此温度的降低避免了过高的脱氧温度对InAs衬底表面晶格造成严重损伤，极大地提高了脱氧后衬底的表面质量，有效地保证了后续外延材料的质量，从而有效提高锑基超晶格红外焦平面阵列的成品率，降低芯片盲元率，为进一步实现超晶格红外探测器的产业化打下基础，同时，虽然商业化InAs衬底表面高价氧化物类型不同且重复性不好，但原子氢脱氧具有极高的可重复性，因此本方法更加适合大规模量产，是具有广阔使用前景的新型InAs基材料加工方法。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
图1是现有热脱氧技术与本发明中InAs衬底原子氢辅助脱氧方法所制备的InAs基材料表面反射高能电子衍射（RHEED）图；
图2是现有热脱氧技术所制备的InAs基材料表面形貌图；
图3是本发明中InAs衬底原子氢辅助脱氧方法所制备的InAs基材料表面形貌图；
图4是现有热脱氧技术与本发明中InAs衬底原子氢辅助脱氧方法所制备的InAs基材料表面粗糙度对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例一
本实施例提供一种InAs衬底原子氢辅助脱氧方法，由于高化学活性的单原子氢可以通过还原反应等化学方式去除InAs表面的各类氧化物，因此其能够实现表面脱氧的前提下降低制备温度从而避免衬底表面晶格产生热损伤。
本发明所述的InAs衬底原子氢辅助脱氧方法，通过高化学活性的单原子氢去除InAs表面氧化物，使脱氧温度比普通热脱氧温度低30℃以上，极大地提高了脱氧后衬底的表面质量，有效地保证了后续外延材料的质量，从而有效提高锑基超晶格红外焦平面阵列的成品率，降低芯片盲元率，为进一步实现超晶格红外探测器的产业化打下基础，同时，虽然商业化InAs衬底表面高价氧化物类型不同且重复性不好，但原子氢脱氧具有极高的可重复性，因此本方法更加适合大规模量产，是具有广阔使用前景的新型InAs基材料加工方法。
本实施例其包括如下步骤：
S1、将InAs衬底置于填充As分子的生长环境中，加热所述InAs衬底至预设温度，其中，所述预设温度低于InAs衬底热脱氧温度，本实施例中，预设温度为510℃，加工过程具体为：
S11、将InAs衬底置于MBE生长系统中并调节所述MBE生长系统至预设真空度；具体地，本实施例中的预设真空度为1E-8torr；
S12、向所述MBE生长系统中通入As蒸汽，使As蒸汽充满MBE生长系统的生长室，以此对InAs衬底进行保护，防止脱氧过程中InAs衬底表面发生分解，至此完成创建所述生长环境；
S13、将所述生长环境内升温至510℃以加热所述InAs衬底。本实施例中，InAs的热脱氧温度为540℃，因此，对所述InAs衬底的最高加热温度比所述InAs衬底热脱氧温度低30℃，从而采用更低的温度使衬底表面晶格几乎无任何损伤完成表面脱氧过程。
S2、制备原子氢并将其通入所述生长环境中，本实施例中制备氢原子的过程具体为：通过将氢气加热至2000℃以上，使氢气裂解后得到单原子氢；在其他实施例中，还可以通过射频激发氢气得到氢等离子体，过滤掉带电氢离子，得到原子氢。本实施例中，原子氢可以通过化学方式去除InAs表面的各类氧化物，且兼具优良的脱氧重复性，因此更加适合目前行业内的规模性生产，由此相比于传统高温脱氧具有显著优势。
S3、调整所述生长环境压力至预设压力值，待所述InAs衬底表面形成2×4再构后得到目标InAs衬底。本实施例中，所述预设压力值设置为1E-6torr。具体地，在生长室压力稳定后，通过反射高能电子衍射仪(RHEED)观察所述InAs衬底表面结构,当能够观察到InAs衬底表面逐渐形成预期形貌，具体为标准的2×4表面再构时，证明此次脱氧过程完成，此时的InAs衬底即为目标InAs衬底。
S4、停止供应所述原子氢，调整As元素至目标束流，通入In元素后开始在所述目标InAs衬底表面生长InAs同质外延层，得到InAs基材料。进一步地，本实施例中目标InAs衬底通过分子束外延设备生长所述InAs同质外延层。
在图1所示的现有热脱氧技术与本实施例中InAs衬底原子氢辅助脱氧方法所制备的InAs基材料表面反射高能电子衍射图中，(a)、(b)为现有热脱氧技术所制备的InAs基材料表面2x方向和4x方向的反射高能电子衍射图，(c)、(d)为本实施例中制备的InAs基材料表面2x方向和4x方向的反射高能电子衍射图，可以看出，(a)、(b)中热脱氧后生长InAs材料的RHEED图谱出现明显分叉，由此说明衬底表面晶格产生损伤，(c)、(d)中生长的InAs材料的RHEED 4x方向未出现变形，和脱氧结束后无明显差别，且此本实施例中状态持续到生长结束，由此说明生长状态理想，相比于常规热脱氧加工具有显著优势。
在图2所示的现有热脱氧技术所制备的InAs基材料表面形貌图及图3所示的本发明中InAs衬底原子氢辅助脱氧方法所制备的InAs基材料表面形貌对比可以看出，图2中热脱氧后生长的InAs同质外延层表面为橘皮状且伴有高密度不规则浅凹凸缺陷，由此说明其表面结构已经发生破坏。图3本发明中InAs衬底原子氢辅助脱氧方法所制备的InAs基材料表面平整无橘皮状结构，由此可以证明本实施例中的方案对InAs材料表面结构能够实现很好的保护作用。
在图4所示的现有热脱氧技术与本发明中InAs衬底原子氢辅助脱氧方法所制备的InAs基材料表面粗糙度对比图中，图4中(a)为现有热脱氧技术制备的InAs基材料表面形貌，可以看出，常规热脱氧后生长的InAs同质外延层表面未出现原子台阶，经测量，其均方根粗糙度（RMS）为0.38nm，由于衬底热脱氧后表面晶格损伤，导致InAs生长过程并非处于理想的二维生长模式，因此未出现原子台阶。图4中(b)为本发明中InAs衬底原子氢辅助脱氧方法所制备的InAs基材料表面形貌，可以看出，本实施例中制备的InAs同质外延层表面出现规则原子台阶，其均方根粗糙度为0.22nm，说明此材料处于理想的二维模式生长状态。
综上所述，本发明所述的InAs衬底原子氢辅助脱氧方法，通过高化学活性的单原子氢去除InAs表面氧化物，使脱氧温度比普通热脱氧温度低30℃以上，由此能够避免常规技术手段中需要将InAs衬底加热到540℃以上的情况，极大地提高了脱氧后衬底的表面质量，有效地保证了后续外延材料的质量，从而有效提高锑基超晶格红外焦平面阵列的成品率，降低芯片盲元率，为进一步实现超晶格红外探测器的产业化打下基础，同时，虽然商业化InAs衬底表面高价氧化物类型不同且重复性不好，但原子氢脱氧具有极高的可重复性，因此本方法更加适合大规模量产，是具有广阔使用前景的新型InAs基材料加工方法。因此目前采用将InAs衬底加热到540℃以上以使氧化物分解，由此避免了过高的脱氧温度对InAs衬底表面晶格造成严重损伤，提高了InAs衬底上生长器件结构质量。
实施例二
本实施例提供另一InAs衬底原子氢辅助脱氧方法，具体包括如下步骤：
S1、将InAs衬底置于填充As分子的生长环境中，加热所述InAs衬底至预设温度，其中，所述预设温度低于InAs衬底热脱氧温度，本实施例中，预设温度为490℃，加工过程具体为：
S11、将InAs衬底置于MBE生长系统中并调节所述MBE生长系统至预设真空度；具体地，本实施例中的预设真空度为1E-8torr；
S12、向所述MBE生长系统中通入As蒸汽，使As蒸汽充满MBE生长系统的生长室，以此对InAs衬底进行保护，防止脱氧过程中InAs衬底表面发生分解，至此完成创建所述生长环境；
S13、将所述生长环境内升温至490℃以加热所述InAs衬底。本实施例中，InAs的脱氧温度为540℃，因此，对所述InAs衬底的最高加热温度比所述InAs衬底热脱氧温度低50℃，从而采用更低的温度使衬底表面晶格几乎无任何损伤完成表面脱氧过程。
S2、制备原子氢并将其通入所述生长环境中，本实施例中制备氢原子的过程具体为：通过射频激发氢气得到氢等离子体，过滤掉带电氢离子，得到原子氢。本实施例中，原子氢可以通过化学方式去除InAs表面的各类氧化物，且兼具优良的脱氧重复性，因此更加适合目前行业内的规模性生产，由此相比于传统高温脱氧具有显著优势。
S3、调整所述生长环境压力至预设压力值，待所述InAs衬底表面形成2×4再构后得到目标InAs衬底。本实施例中，所述预设压力值设置为1E-7torr。具体地，在生长室压力稳定后，通过反射高能电子衍射仪(RHEED)观察所述InAs衬底表面结构,当能够观察到InAs衬底表面逐渐形成标准的2×4再构时，证明此次脱氧过程完成，此时的InAs衬底即为目标InAs衬底。
S4、停止供应所述原子氢，调整As元素至目标束流，通入In元素后开始在所述目标InAs衬底表面生长InAs同质外延层，得到InAs基材料。进一步地，本实施例中目标InAs衬底通过分子束外延设备生长所述InAs同质外延层。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种InAs衬底原子氢辅助脱氧方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、将InAs衬底置于填充As分子的生长环境中，加热所述InAs衬底至预设温度，所述预设温度低于InAs衬底热脱氧温度，其中，所述预设温度为490℃~510℃；
S2、制备原子氢并将其通入所述生长环境中；
S3、调整所述生长环境压力至预设压力值，待所述InAs衬底表面形成预期形貌后得到目标InAs衬底；
S4、在所述目标InAs衬底表面生长InAs同质外延层。
2.根据权利要求1所述的InAs衬底原子氢辅助脱氧方法，其特征在于：步骤S1包括如下步骤：
S11、将InAs衬底置于MBE生长系统中并调节所述MBE生长系统至预设真空度；
S12、向所述MBE生长系统中通入As蒸汽，创建所述生长环境；
S13、将所述生长环境内升温至预设温度以加热所述InAs衬底。
3.根据权利要求2所述的InAs衬底原子氢辅助脱氧方法，其特征在于：所述预设真空度为1E-8 torr。
4.根据权利要求1或2所述的InAs衬底原子氢辅助脱氧方法，其特征在于：所述InAs衬底热脱氧温度为540℃。
5.根据权利要求1所述的InAs衬底原子氢辅助脱氧方法，其特征在于：步骤S2中通过将氢气加热至2000℃以上，使氢气裂解后得到单原子氢。
6.根据权利要求1所述的InAs衬底原子氢辅助脱氧方法，其特征在于：步骤S2中通过射频激发氢气，得到氢等离子体，过滤掉带电氢离子后得到原子氢。
7.根据权利要求1所述的InAs衬底原子氢辅助脱氧方法，其特征在于：步骤S3中，所述预设压力值为1E-6torr~1E-7torr。
8.根据权利要求1所述的InAs衬底原子氢辅助脱氧方法，其特征在于：步骤S3中通过反射高能电子衍射仪观察所述InAs衬底表面结构，所述预期形貌为2×4再构。
9.根据权利要求1所述的InAs衬底原子氢辅助脱氧方法，其特征在于：其还包括步骤S4、停止供应所述原子氢，调整As元素至目标束流，通入In元素后开始在所述目标InAs衬底表面生长InAs同质外延层，得到InAs基材料。
10.根据权利要求1所述的InAs衬底原子氢辅助脱氧方法，其特征在于：所述目标InAs衬底通过分子束外延设备生长所述InAs同质外延层。
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