去除外延用掺Fe磷化铟晶片表面Si残留的清洗方法.pdf

年 月云南化工 第 卷第 期 ，：去除外延用掺 磷化铟晶片表面 残留的清洗方法赵茂旭，刘汉保，韦华，杨春柳，孙清，赵兴凯，刘建良，杨绍楠，李晓宏（云南鑫耀半导体材料有限公司，云南昆明 ）摘要：使用常规的清洗工艺清洗后磷化铟衬底晶片在外延后会出现迁移率低的表现，对缺陷的外延晶片进行分析，发现衬底与外延层界面 元素的含量较大。针对该问题提出了优化的清洗工艺，对常规的 清洗工艺进行浓度优化并使用两步清洗，以及在过程中增加柠檬酸溶液清洗来解决 元素的残留。对优化工艺前后晶片的氧化层厚度、晶片表面颗粒残留、晶片表面粗糙度、晶片的 和 谱图进行了对比分析，并对优化清洗工艺清洗的晶片表面和外延界面 元素含量进行了测试，结果表明优化清洗工艺能明显提高晶片表面洁净度并降低晶片表面 元素的残留，最终解决由于 元素含量较高造成的外延迁移率低的问题。关键词：磷化铟晶片；迁移率低；高洁净表面；残留中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，：；引言磷化铟晶片是微电子和光电子领域器件的基础衬底材料，基于其制造的包括光模块器件、传感器件、射频器件等都有着广泛的应用和市场，全球尤其是中国对磷化铟晶片的需求每年都在增加 。而实现这些器件的制备需要在晶片表面进行外延工艺，在此工艺过程中，磷化铟晶片的表面质量决定了外延工艺的成败以及最终器件的质量 。常规的化合物半导体清洗，目前基本上采用的是较为成熟的 （）技术，即 清洗体系（的混合溶液）。目前在磷化铟晶片的加工中，当磷化铟晶片完成抛光后，会使用化蜡剂对上蜡工艺后抛光完成的磷化铟晶片进行化蜡，然后使用 （左右的混合溶液）清洗液清洗去除晶片表面的部分重金属及有机物，随后使用热、冷硫酸快速清洗去除晶片表面较大的有机颗粒和金属化合物并使其衬底表面形成一定厚度的氧化层 。但此常规清洗工艺清洗后的磷化铟衬底表面的洁净度不够，表面杂质含量超标，尤其是对抛光工艺中由于抛光液带来的 元素残留的去除达不到较好的效果。而在半导体中电子在电场作用下产生漂移运动，迁移率是单位电场作用下载流子获得的运动速度，是表征材料中电子在电场作用下运动能力的物理量，直接决定了器件的工作速度和最高频率。半导体中载流子在低温下主要受到缺陷和杂质的散射，高温下主要受到由原子晶格振动产生的声子的散射，散射越强迁移率越低。因此对于 掺杂 ，如果衬底和外延层界面的杂质 元素浓度高，便会使得外延晶片发生电特性异常，直观的表现就是迁移率低 。因此常规工艺对晶片表面含 元素微颗粒的去除不完全，会导致在衬底外延后出现迁移率低的表现，影响外延良率导致器件端出现异常。为了有效去除晶片表面含 元素残留，以获得高洁净表面，达到 要求，就需要有效解决外延中含 元素残留造成的迁移率低下的问题，以满足晶片外延的表面需求提高外延良率、保证器件端使用正常。通过对外延缺陷晶片分析提出了本文的解决方 年 月云南化工 第 卷第 期 ，案，即对清洗工艺的改进达到减少 元素残留的目的。残留导致的外延缺陷表现及分析使用 清洗工艺清洗自主生产的 英寸掺 磷化铟衬底晶片，在确保表面无明显缺陷后对衬底进行 外延后，经过 迁移率测试，外延片的迁移率出现异常，如图 所示。123456789 10 11 12 13020004000600080001000012000Mobility/(cm3/VsSample图 常规工艺清洗衬底的外延结果正常数据参考为样品（进口掺 磷化铟晶片），外延后晶片的迁移率需 ，异常晶片的迁移率只能达到 。对外延晶片进行 测试，结果如图 所示。测试结果表明，使用常规的清洗工艺清洗后，衬底和外延层界面的 元素含量为 左右。相关文献报道，表面 残留降低一个数量级，迁移率会有明显的上升，因此要使得外延后的迁移率达到要求，需要对衬底表面的 元素含量进行严格的控制较少其残留量 。0100020003000400050000.00E+0005.00E+0171.00E+0181.50E+0182.00E+0182.50E+0183.00E+0183.50E+018Concentration/(atoms/cmDepth/nm3)图 常规工艺清洗衬底的表面与外延层界面 含量 实验方案设计及结果磷化铟晶片表面由于 氧化作用生成氧化膜，该氧化膜又被 腐蚀，腐蚀后立即又发生氧化，氧化和腐蚀反复进行，因此附着在磷化铟衬底表面的颗粒也随腐蚀层而落入清洗液内。而且由于磷化铟表面的氧化和腐蚀作用，磷化铟表面的金属杂质，也将随腐蚀层而进入清洗液中，并随去离子水的冲洗而被排除。再次使用碱性清洗容易是因为 的氧化作用，晶片表面的有机物可以分解成 、而被去除，以保证上一步所述的柠檬酸等有机物以及形成的颗粒得到有效去除 。而使用柠檬酸是由于柠檬酸盐的吸附作用，二氧化硅和磷化铟的 电位略有增加。柠檬酸被吸附在磷化铟衬底表面，导致这些表面上有更多的负电荷，由于表面之间的静电相互作用更加排斥，颗粒对衬底的附着力也随着柠檬酸浓度的增加而降低。因此柠檬酸的使用能够显著降低颗粒在磷化铟衬底表面的粘附 。经过对外延缺陷的分析，晶片表面残留的 元素会导致衬底外延后出现迁移率低的缺陷。因此仅使用常规的 清洗液对衬底表面残留的 元素并不能进行有效的去除，因此在常规的 清洗工艺进行浓度优化并使用进行两步清洗，以及在过程中增加柠檬酸溶液清洗来解决 元素的残留。实验方案本文使用自主生产的 英寸掺 磷化铟衬底进行磷化铟衬底清洗实验，磷化铟衬底采用贴蜡工艺进行 化学机械抛光。经过抛光工艺加工后，对陶瓷盘加热后卸下晶片，然后使用化蜡剂对晶片表面的液体蜡残留进行去除后备用。通过以下工艺对晶片完成清洗：首先将精抛后的英寸掺 磷化铟衬底置于碱性清洗溶液中，碱性清洗溶液为氢氧化铵和过氧化氢的混和溶液，其中氢氧化铵溶液的质量分数 ，过氧化氢溶液的质量分数在 。常规的 清洗液的浓度较低，氧化性和腐蚀性较弱，对衬底表面的颗粒去除已经无法达到当前外延对衬底表面的洁净度需求。然后使用 柠檬酸溶液对 英寸掺 磷化铟衬底进行清洗，清洗结束后，对处理的晶片再次置于碱性清洗溶液中清洗。将使用碱性溶液清洗处理的晶片置于 硫酸溶液中清洗，随后将使用稀硫酸处理的晶片置于质量分数大于 的硫酸溶液中清洗，浓硫酸的使用可以将上一步稀硫酸处理后裸露的磷化铟本体进行氧化保护，以匹配外延生长的需要。以上步骤在每一步的后面都需要用去离子水冲洗晶片，该过程的去离子水温度在 左右，时间为 。实验结果 表面缺陷测试晶片表面的颗粒残留会对外延工艺造成致命的缺 年 月云南化工 第 卷第 期 ，陷，因此清洗工艺需要保证晶片的表面达到高质量的洁净度。使用晶片表面测试设备对使用优化工艺清洗的衬底进行测试，与常规的 清洗液清洗后的晶片进行对比，如表 和图 所示，发现其表面直径 的颗粒从 降至 颗以下，说明优化后的清洗工艺对衬底的清洗效果明显优于常规工艺，包括在总缺陷的控制和直径 颗粒度的控制 是 更 加 稳 定 的。且 优 化 后 的 清 洗 工 艺 使 得 的颗粒更分散，不会出现集中分布，这对外延工艺来讲更具有优势。因此该清洗方法对掺 磷化铟衬底的表面质量有良好的作用。表 表面缺陷对比样品常规工艺优化工艺 （）（）（）常规工艺（）优化工艺图 表面缺陷对比图 氧化层厚度测试磷化铟晶片表面具有一定厚度稳定的氧化层对外延工艺进行是十分重要的，外延厂商会对衬底晶片的氧化层厚度做出规定，需要在固定的厚度范围内以保证外延脱氧工艺的稳定。清洗工艺的改变不能使晶片表面的氧化层厚度发生较大的变化和波动，因此对不同清洗工艺下的衬底使用椭偏光谱对表面氧化层厚度进行测试，结果如表 所示。不同的清洗方法造成的氧化层厚度接近，氧化层的厚度在 之间，能够满足生长外延层时的需求。表 表面氧化层厚度对比样品常规工艺 优化工艺 衬底表面粗糙度测试清洗工艺会对磷化铟晶片表面的粗糙度造成很大的影响，而粗糙度直接与外延质量相关。因此对优化前后清洗工艺清洗的衬底表面进行 测试衬底表面粗糙度，结果如表 所示：优化后的清洗工艺对衬底表面的粗糙度控制与常规工艺一致，在 左右，能够满足外延工艺对衬底表面粗糙度的要求。表 表面粗糙度对比点位常规工艺 优化工艺 衬底 和 测试对优化前后清洗工艺清洗的衬底表面进行 年 月云南化工 第 卷第 期 ，测试衬底的衍射峰峰位，结果如图 所示：优化后的清洗工艺与常规工艺均不会对衬底本身的衍射峰峰位造成影响，衍射峰峰位都维持在 不变，半峰宽也没有发生变化，这说明使用优化清洗工艺不会使衬底的应力和质量变差，能够满足外延生长的需要。31.6431.65 31.66 31.67 31.68 31.6931.70-50000050000100000150000200000250000300000350000Intensity/Conventional Optimized图 对比图对优化前后清洗工艺清洗的衬底表面进行 测试衬底的峰值波长分布，结果如表 和图 所示：优化后的清洗工艺与常规工艺均不会对衬底本身的峰值波长造成影响，的平均值在 左右；样品、的 测试图也显示，使用两种工艺清洗的同条晶体的相邻片的波长一致，清洗工艺不会改变衬底的杂质分布和波长分布，优化后的清洗工艺能够满足外延工艺对掺 磷化铟衬底波长的要求。表 不同工艺下 对比样品 备注 常规工艺 常规工艺 常规工艺 常规工艺 优化工艺 优化工艺 优化工艺 优化工艺（）常规工艺（）优化工艺图 分布图 测试和外延生长使用优化工艺清洗自主生产的 英寸掺 磷化铟衬底晶片，在确保表面无明显缺陷后对衬底片进行 测试，结果如图 所示。测试结果表明，使用优化后的清洗工艺清洗后，衬底表面的 元素含量为 ，与迁移率异常的晶片界面 元素 相比，有了明显的降低，说明该清洗工艺对 元素的去除是有效的。随后对使用优化后的清洗工艺清洗的衬底进行 外延生长后，对其测试 迁移率，其外延后晶片的迁移率如表 所示。从外延结果看出，清洗工艺改善后的 片衬底外延结果均正常，所有的衬底晶片在进行外延生长后其迁移率均达到 以上。对使用优化清洗工艺的外延晶片进行 测试，结果如图 所示。衬底与外延层的界面 元素含量为 ，与迁移率异常的晶片界面 元素 相比，有了明显的降低。说明该清洗工艺对 元素的去除是有效的。0500 1000 1500 2000 2500 30000.00E+0001.00E+0162.00E+0163.00E+0164.00E+0165.00E+016Depth/nmConcentration/(atoms/cm3)图 优化工艺清洗衬底的表面 含量表 优化工艺清洗衬底的外延结果样品外延后迁移率（）（）改善样品 改善样品 改善样品 改善样品 年 月云南化工 第 卷第 期 ，表 （续）样品外延后迁移率（）改善样品 改善样品 改善样品 改善样品 改善样品 改善样品 0100020003000400050000.00E+0002.00E+0164.00E+0166.00E+0168.00E+0161.00E+017Depth/nmConcentration/(atoms/cm3)图 优化工艺清洗衬底的表面与外延层界面 含量 结论本文针对掺 磷化铟衬底由于 元素残留含量过高导致外延后出现迁移率低的问题进行了分析，并提出改善方法。）对两种清洗方法的衬底片进行表面缺陷的检测，改善后的清洗工艺对晶片表面颗粒的控制更加优异。对两种清洗方法的衬底片进行表面 、氧化层的测试，优化清洗工艺对衬底的粗糙度和氧化层不会造成影响。对两种清洗方法的衬底片进行 和 的测试，不同的清洗工艺对晶片本身的性质不会造成影响。）对常规的 清洗工艺进行浓度优化并使用优化后的清洗液进行两步清洗，以及在过程中增加柠檬酸溶液清洗的衬底进行 外延生长的外延结果正常。改善后的清洗工艺清洗的衬底表面 元素含量在 左右。衬底与外延层的界面 元素含量由常规工艺的 降低至为 ，优化清洗工艺清洗的衬底在外延后的迁移率均达到 以上，表现正常。参考文献：武永超，林健，刘春香等 外延生长用磷化铟单晶片清洗技术 半导体技术，（）：周铁军，廖彬，马金峰，等 锗抛光片表面清洗研究进展 科技风，（）：张凇铭 半导体单晶抛光片清洗技术分析 电子测试，（）：袁绪泽 半导体单晶抛光片清洗工艺研究 通讯世界，（）：赵权 半导体单晶抛光片清洗工艺分析 半导体技术，（）：张庆昆 砷化镓表面清洗及表面分析 济南：山东大学，郑金龙，周铁军，马金峰，等 一种磷化铟衬底晶片的清洗方法：，（）：，（）：，（）：，（）：硅晶片表面污染物去除的关键工艺 电子工业专用设备，（）：刘汉保，杨春柳，吕欣泽等 大偏角半导体级激光器用砷化镓晶片清洗方法 云南化工，（）：胡新星，檀柏梅 对铜 后清洗颗粒去除的影响 硅酸盐通报，（）：收稿日期：作者简介：作者简介：赵茂旭（），男，四川巴中人，硕士，助理工程师、研究方向为半导体材料加工。通讯作者：刘汉保（），男，云南昆明人，博士在读，高级工程师，主要从事光电半导体材料晶体生长、晶片加工和测试分析技术等方面的工作。