VGF法生長(zhǎng)n—GaAs基板缺陷及測(cè)試方法概述

劉蕓

摘要：本文從VGF-n-GaAs的晶體生長(zhǎng)及加工出發(fā)，綜合分析了可能引入的缺陷類型和缺陷形成機(jī)理，指出了目前的較為成熟和普遍測(cè)試方法，對(duì)于晶體結(jié)構(gòu)的雙晶搖擺曲線測(cè)試，表面雜質(zhì)的TXRF測(cè)試，以及體相雜質(zhì)和能級(jí)表征的GDMS、PL測(cè)試方法，為半導(dǎo)體從業(yè)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：砷化鎵；缺陷；測(cè)試

1、砷化鎵晶片介紹

砷化鎵是目前應(yīng)用較為廣泛的一類直接帶隙半導(dǎo)體材料，其導(dǎo)帶最低點(diǎn)與價(jià)帶最高點(diǎn)在同一k空間，電子和空穴能夠有效地符合二發(fā)光。用其制做LED發(fā)光二極管，具有耗電量小、壽命長(zhǎng)、發(fā)熱量少、反應(yīng)速率快、體積小、耐碰撞、適合多種環(huán)境等許多優(yōu)點(diǎn)。

2、砷化鎵的制備工藝

20世紀(jì)80年代中后期GaAs體單晶生長(zhǎng)技術(shù)趨于成熟，1986年Clemans和Gault等人初次報(bào)告了利用垂直梯度凝固法（VGF）生長(zhǎng)出低位錯(cuò)密度的GaAs單晶的信息，其基本生長(zhǎng)方式是通過(guò)控制加熱器的加熱功率，生成一定梯度的溫場(chǎng)來(lái)驅(qū)動(dòng)晶體生長(zhǎng)，晶體在惰性氣體氛圍下生長(zhǎng)使用PBN坩堝作為容器，原料為非摻雜的富As砷化鎵多晶，使用脫水B2O3作為脫水劑，通過(guò)精準(zhǔn)控溫得到低位錯(cuò)晶棒。

砷化鎵單晶本身導(dǎo)電性能較差，禁帶寬度大，本征激發(fā)困難，需要在單晶生長(zhǎng)時(shí)加入摻雜劑改善其性能，在制備n型砷化鎵考慮到襯底與外延層的晶格匹配，采用摻雜Si的襯底，實(shí)踐證明摻Si砷化鎵經(jīng)過(guò)工藝調(diào)試產(chǎn)物較為理想，位錯(cuò)、析出物等問(wèn)題得到有效控制。

3、基板成品缺陷及測(cè)試方法概述

晶片基板缺陷主要分為單晶晶體結(jié)構(gòu)以及雜質(zhì)殘留的影響兩大類，其中由襯底引入的雜質(zhì)又可分為表面雜質(zhì)和體相雜質(zhì)兩種：

（1）單晶晶體結(jié)構(gòu)的影響。

理論上，純靜的砷化鎵單晶應(yīng)是完整無(wú)缺的，但在砷化鎵晶體生長(zhǎng)時(shí)，由于生長(zhǎng)條件的控制能力有限的客觀因素存在、使用富As多晶、人為加入摻雜劑等因素，難以做到晶體中Ga、As比例為1：1，容易產(chǎn)生鎵空位（VGa）或者砷空位（VAs），或者存在間隙原子Ga或者As，以及反結(jié)構(gòu)原子等。在而為了改善砷化鎵單晶導(dǎo)電性能而添加的摻雜劑在一定程度上破壞了晶格結(jié)構(gòu)的完整性，同時(shí)考慮到摻雜劑的純度等因素，本身也是多種雜質(zhì)引入源。高純度籽晶基本不會(huì)導(dǎo)致雜質(zhì)的引入，但如籽晶存在位錯(cuò)、在晶體生長(zhǎng)時(shí)位錯(cuò)會(huì)在晶體上延伸，導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)不良。晶體生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力也是位錯(cuò)來(lái)源之一。晶體生長(zhǎng)的承載體PBN坩堝如在放肩部位或等徑部位內(nèi)表面存在凹凸不平的非均勻區(qū)域或微小雜質(zhì)顆粒則易導(dǎo)致B2O3不能完全包覆，造成異相成核導(dǎo)致孿晶。上述多種問(wèn)題均能破壞了晶體完整性、周期性。

晶棒的后期加工，即經(jīng)切割、研磨腐蝕、拋光、清洗包裝，得到開盒即用的潔凈晶片成品，而在晶加過(guò)程中，在對(duì)表面的加工過(guò)程中造成對(duì)表面的應(yīng)力，晶片會(huì)存在不同深度的損傷，這種損傷將最終也將導(dǎo)致器件性能不良

一般采用雙晶衍射搖擺曲線半峰寬（即FWHM）來(lái)表征晶體缺陷。FWHM不僅與晶片亞表層損傷層有關(guān)，也受到晶體自身本征缺陷的影響。[1]當(dāng)晶體尺寸趨于無(wú)窮大時(shí)，衍射峰的寬度趨于零。真實(shí)衍射峰不可能為零。雙晶衍射條件下單晶材料的理論衍射峰最大強(qiáng)度一半位置的全寬度，簡(jiǎn)稱理論半高度，又稱為材料本征半高度。實(shí)際晶體中的各種缺陷，會(huì)使衍射峰加寬，因此可以利用衍射峰的半高度來(lái)判斷半導(dǎo)體的結(jié)晶質(zhì)量。[2]

（2）雜質(zhì)殘留-表面雜質(zhì)殘留的影響。

表層殘留的雜質(zhì)成分，主要是在晶片切、磨、拋、洗加工過(guò)程中源于加工試劑、工具、環(huán)境等在晶片表面的造成雜質(zhì)殘留，含量一般在ppm級(jí)以下，這種殘留一般較難通過(guò)強(qiáng)光燈目檢檢出，但在外延磊晶時(shí)會(huì)帶入過(guò)渡層中，導(dǎo)致過(guò)渡層產(chǎn)生雜質(zhì)能級(jí)，影響發(fā)光效率，降低器件品質(zhì)。

可采用TXRF測(cè)試表面元素掃描測(cè)試。TXRF背景低，峰背比高。元素分析檢出限可達(dá)pg級(jí)，表面分析的檢出限可達(dá)109～11原子cm-2，穿透深度淺，基體效應(yīng)基本消除，準(zhǔn)確率較高，分析范圍可從原子序數(shù)11（Na）到92（U）。TXRF可顯示被測(cè)試表面元素在基板上的位置，對(duì)于充分解析晶體加工過(guò)程的不同工序?qū)廴镜挠绊懹猩钸h(yuǎn)意義。[3]

（3）雜質(zhì)殘留-體相雜質(zhì)殘留的影響。

體相雜質(zhì)一般在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中引入的，通常分為兩類，一類是因工藝所需主動(dòng)引入的摻雜劑Si、覆蓋劑B2O3；另一類是在生長(zhǎng)中無(wú)意引入的其他雜質(zhì)。

從這些雜質(zhì)原子起到的作用看，主要分為四種：雜質(zhì)做施主原子，如Ⅵ族元素Se、S、Te在砷化鎵中通常替代V族元素As原子，成為淺施主雜質(zhì)，這些原子比起替代的原子多一個(gè)或以上電子，多出來(lái)的電子在晶體中自由移動(dòng)可形成電流；雜質(zhì)做受主原子，如Ⅱ族元素Zn、Be、Mg、Cd、Hg在砷化鎵中取代Ⅲ族元素Ga的晶格位置，成為淺受主雜質(zhì)，這些原子比其替代的原子少一個(gè)或以上的電子，捕獲晶體中的自由電子；兩性雜質(zhì)既可做施主也可做受主，如Ⅳ族元素雜質(zhì)Si、Ge、Sn、Pb等，可取代Ga，也可取代As，或同時(shí)取代兩者，此類雜質(zhì)起到施主作用還是受主作用，取決于施主或受主的相對(duì)數(shù)量；中性雜質(zhì)，Ⅲ族元素B、Al、In和Ⅴ族元素P、Sb在砷化鎵中通常分別替代Ga和As，這類雜質(zhì)在晶格位置上并不改變?cè)械膬r(jià)電子數(shù)，因此既不給出電子也不復(fù)活電子而顯電中性，對(duì)砷化鎵的電學(xué)性質(zhì)沒(méi)有明顯影響。

目前工藝普遍采用6N或7N的原材料，除B、Si兩種元素外，其他元素的引入量較少，影響較低。結(jié)合VGF法生長(zhǎng)Si-GaAs的材料及條件，生長(zhǎng)過(guò)程中主要采用B2O3作為覆蓋劑，否則在生長(zhǎng)中GaAs熔體與PBN坩堝直接接觸，易造成異相成核二形成孿晶、同時(shí)抑制表面As分解。B在砷化鎵中傾向于占鎵位，與硅施主存在占位競(jìng)爭(zhēng)，降低了硅施主的摻入效率，增加自補(bǔ)償，需增加摻硅的量以達(dá)到所需電參數(shù)，而在生長(zhǎng)中發(fā)現(xiàn)， B2O3與摻雜劑Si在高溫下起化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致熔體中溶解的Si量減少，導(dǎo)致載流子濃度降低，因此通常摻雜時(shí)使用過(guò)量Si摻雜，然而當(dāng)摻Si達(dá)到一定濃度時(shí)，載流子濃度并不隨Si濃度成比例增加，Si含量過(guò)高容易增加與B2O3反應(yīng)幾率，生成雜質(zhì)沉淀，沉淀物隨機(jī)分布嚴(yán)重影響器件性能，因此摻雜量的控制尤為關(guān)鍵。[4]：

通常采用GDMS法測(cè)試體相元素含量從而計(jì)算激活率的方式表征、同時(shí)也可進(jìn)行PL光譜掃描觀察襯底的能級(jí)情況。

①GDMS測(cè)試體相元素含量、計(jì)算激活率。GDMS即高解析-輝光放電質(zhì)譜可應(yīng)用于測(cè)試固體物質(zhì)，檢測(cè)時(shí)樣品持續(xù)的受到離子撞擊侵蝕，濺射出的樣品原子被離子化為離子態(tài)，輝光放電離子源穩(wěn)定、不受樣品屬性影響，可均勻的濺射到樣品表面下數(shù)10um，對(duì)元素的靈敏度穩(wěn)定，不受組成元素或?qū)嶒?yàn)條件的影響，適合半導(dǎo)體體相雜質(zhì)含量的監(jiān)測(cè)，測(cè)試后使用激活率和樣品中硅含量比值計(jì)算實(shí)際硅的激活率表征摻雜的效率。

②PL光譜掃描襯底能級(jí)情況進(jìn)行測(cè)試。PL Mapping是在固定激發(fā)光下，樣品表面的發(fā)光強(qiáng)度的變化可直觀反應(yīng)樣品發(fā)光濃度的變化，當(dāng)激光照射到測(cè)試樣品表面時(shí)，材料出現(xiàn)本征吸收，在材料表面產(chǎn)生大量的空穴電子對(duì)。通過(guò)不同的復(fù)合機(jī)理進(jìn)行復(fù)合，產(chǎn)生光發(fā)射。發(fā)射光在逸出表面前會(huì)受到樣品本身的自吸收。逸出表面的發(fā)射光經(jīng)探測(cè)器接收，得到發(fā)光強(qiáng)度按光譜能量分布的曲線，經(jīng)處理后還可得到樣品任意直徑上發(fā)光峰發(fā)光強(qiáng)度變化曲線[5]。

4、總結(jié)

從上述概述上可以看到目前對(duì)基本主要的影響集中在單晶完整性和表面、體相雜質(zhì)引入上，通過(guò)較為成熟的雙晶衍射、TXRF表面測(cè)試、GDMS體相雜質(zhì)分析以及PL光譜能級(jí)測(cè)試可對(duì)基片做較為全面的測(cè)試表征。

參考文獻(xiàn)：

[1]曹福年.卜俊鵬.吳讓元.鄭紅軍.惠峰.白玉珂.劉明焦.何宏家 X射線回?cái)[曲線定量檢測(cè)Si-GaAs拋光晶片的亞表面損傷層厚度[期刊論文]半導(dǎo)體學(xué)報(bào) 1998（8）

[2]MaYong-qiang.Wu yi-bin etal.Analysis on 4H？SiC（004）plane by double crystal diffrication.Semiconducotor Technoloy Vol.32 No.7

[3]陳遠(yuǎn)盤.全反射X-射線熒光光譜的原理和應(yīng)用[期刊論文]分析化學(xué)1994，22（4）

[4] 牛沈軍.常玉璟.豐梅霞.王建利.蘭天平 VB-GaAs晶體生長(zhǎng)技術(shù)中摻硅濃度的控制[期刊論文]第十三屆全國(guó)化合物半導(dǎo)體材料、微波器件和光電器件學(xué)術(shù)會(huì)議 2004（8）

[5] 趙彥橋 大直徑Si-GaAs中缺陷的微觀特性及其分布[學(xué)術(shù)論文]2007