书籍：《炬丰科技-半导体工艺》
文章：通过新型蚀刻和清洁方法改善半绝缘InP衬底的表面质量
编号：JFKJ-21-
作者：炬丰科技
引言
磷化铟具有良好的导热性、高抗辐射性和高电子饱和迁移率，是电子和光子器件的重要ⅲ-ⅴ族半导体。半绝缘InP单晶现在被广泛用作制造高频、高速、高功率微波器件和光电子集成电路的衬底，这些对于无线技术是不可或缺的。半绝缘(SI)InP晶片上的残留杂质和污染对于外延生长和器件性能是有害的，尤其是因为SI-InP晶片表面上的残留硅是电活性的，并且在外延层和InP衬底之间的界面处产生n型导电层。为了降低硅的浓度和改善表面质量，作者研究了一种适用于InP衬底的湿化学清洗工艺。在传统的酸性清洗工艺中加入碱性溶液，开发了一种新颖实用的清洗工艺。飞行时间二次质谱是一种非常强大的分析技术，用于表征表面和研究磷化铟表面存在的任何有机和无机污染物，在不同的清洗工艺下蚀刻样品后使用。结果表明，新的刻蚀工艺有效地减少了硅的污染。
实验
本方法中使用的样本为2英寸。直径约为lm的掺铁磷化铟晶片，由高压液体封装直拉法生长的单晶锭切片而成。这首先通过机械-化学抛光制备晶片，以获得无损伤的镜面，然后用有机溶剂脱脂。此后，用去离子水冲洗晶片，并分成三组，每组的晶片清洗过程如表1所示。所有湿化学清洗过程都在室温(25摄氏度)下进行。试剂的浓度和每个步骤的清洗时间如表所示I每个清洗步骤后，用去离子水冲洗。WCP1是标准的酸性清洗工艺，其中使用不同的酸性溶液去除表面天然氧化物、金属和碳表面污染物。氢氟酸由于其溶解二氧化硅的特性而被用来降低硅的浓度，尽管氢氟酸是强酸，但它不能完全去除硅杂质。
为了研究硅化合物的性质和反应，我们在传统的酸洗过程中加入了氢氧化钠，因为氢氧化钠也能溶解硅。在WCP2中，选择氢氧化钠配方来代替氟化氢，以研究其与WCP1相比在硅还原方面的有效性。此外，在WCP3中，为了获得更好的结果，在用氢氟酸溶液蚀刻磷化铟晶片之后，添加氢氧化钠清洗。在所有清洁程序后，用去离子水冲洗样品，用氮气吹干，并封装。用离子飞行时间的五型仪器进行分析。
结果和讨论
在器件制造过程中，InAlAs层通过固态源分子束外延生长在掺铁半绝缘磷化铟衬底上，这是使用标准酸性清洗工艺制备的。
在使用三种不同的清洗工艺后获得的强度，我们可以得出结论，NaOH溶液在控制硅污染方面比HF清洗更有效，并且在清洗工艺中将HF和NaOH结合在一起提供了显著的硅浓度降低。为了更好地理解不同清洗溶液的结果，我们考虑了硅还原过程中的化学反应压力。二氧化硅在室温下很容易与氟化氢和氢氧化钠溶液反应，产生的产物是气态或可溶的，很容易去除。
硅污染的来源并不独特。研究了硅污染的三个主要来源。硅污染的最初来源是洁净室的空气，空气中的硅原子会吸附在磷化铟表面。磷化铟晶片中硅原子的第二个来源是机械化学抛光工艺，其中抛光剂含有二氧化硅作为研磨材料。第三个来源是清洗过程中的去离子水冲洗。抛光过程和空气污染是污染的主要原因，从上面的过程来看，这是不可避免的。硅不仅以矿物硅的形式存在于表面，而且还以有机物的形式存在。然而，在我们的研究中没有检测到有机硅，这表明洁净室空气质量更高。
主要峰值如表2所示。对比数据清楚地说明了由于氢氧化钠溶液的影响，检测到的峰的变化。有机污染峰以不同的方式减少，特别是C19H32N()，它几乎被完全去除。铟峰无明显变化，硫和氯略有增加，磷酸盐峰增加一个数量级。在蚀刻和清洗过程中，可形成厚度为7–8埃的氧化层，保护表面免受污染和损坏。氧化层可以在生长之前通过退火而被解吸外延工艺。
三维光学轮廓仪用于评估表面形态和由于不同的湿化学清洗过程而产生的变化。使用WCP1、WCP2和WCP3配方得到的均方根值分别为0.、和0.纳米。氢氧化钠蚀刻不会增加表面粗糙度，完美地提高了表面的实际性能。图5显示了用WCP3处理的InP衬底的图像，可以看出表面具有极好的表面形态，并提供了用于外延工艺的突变界面。
总结
我们研究了制备过程中外延InP晶片的湿法化学清洗工艺，并引入了一种新的清洗方法，即在标准酸洗工艺中加入氢氧化钠溶液，以减少表面硅污染。TOF-SIMS数据清楚地表明，氢氧化钠蚀刻比高频蚀刻更有效地去除硅污染，并且通过在清洗过程中将两种配方结合在一起，已经获得了高效的硅去除系统。采用这种新型清洗工艺清洗的磷化铟晶片的均方根值为0.纳米，显示出优异的表面形貌。
