劉蕓

摘要：本文從VGF-n-GaAs的晶體生長及加工出發(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試方法，對于晶體結(jié)構(gòu)的雙晶搖擺曲線測試，表面雜質(zhì)的TXRF測試，以及體相雜質(zhì)和能級表征的GDMS、PL測試方法，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、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體單晶生長技術(shù)趨于成熟，1986年Clemans和Gault等人初次報告了利用垂直梯度凝固法（VGF）生長出低位錯密度的GaAs單晶的信息，其基本生長方式是通過控制加熱器的加熱功率，生成一定梯度的溫場來驅(qū)動晶體生長，晶體在惰性氣體氛圍下生長使用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，通過精準(zhǔn)控溫得到低位錯晶棒。

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，需要在單晶生長時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，實踐證明摻Si砷化鎵經(jīng)過工藝調(diào)試產(chǎn)物較為理想，位錯、析出物等問題得到有效控制。

3、基板成品缺陷及測試方法概述

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)是完整無缺的，但在砷化鎵晶體生長時，由于生長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導(dǎo)致雜質(zhì)的引入，但如籽晶存在位錯、在晶體生長時位錯會在晶體上延伸，導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)不良。晶體生長過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力也是位錯來源之一。晶體生長的承載體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，而在晶加過程中，在對表面的加工過程中造成對表面的應(yīng)力，晶片會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)晶體尺寸趨于無窮大時，衍射峰的寬度趨于零。真實衍射峰不可能為零。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，簡稱理論半高度，又稱為材料本征半高度。實際晶體中的各種缺陷，會使衍射峰加寬，因此可以利用衍射峰的半高度來判斷半導(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級以下，這種殘留一般較難通過強(qiáng)光燈目檢檢出，但在外延磊晶時會帶入過渡層中，導(dǎo)致過渡層產(chǎn)生雜質(zhì)能級，影響發(fā)光效率，降低器件品質(zhì)。

可采用TXRF測試表面元素掃描測試。TXRF背景低，峰背比高。元素分析檢出限可達(dá)pg級，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可顯示被測試表面元素在基板上的位置，對于充分解析晶體加工過程的不同工序?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)一般在晶體生長過程中引入的，通常分為兩類，一類是因工藝所需主動引入的摻雜劑Si、覆蓋劑B2O3；另一類是在生長中無意引入的其他雜質(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或以上電子，多出來的電子在晶體中自由移動可形成電流；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原有的價電子數(shù)，因此既不給出電子也不復(fù)活電子而顯電中性，對砷化鎵的電學(xué)性質(zhì)沒有明顯影響。

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Si-GaAs的材料及條件，生長過程中主要采用B2O3作為覆蓋劑，否則在生長中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爭，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，因此通常摻雜時使用過量Si摻雜，然而當(dāng)摻Si達(dá)到一定濃度時，載流子濃度并不隨Si濃度成比例增加，Si含量過高容易增加與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法測試體相元素含量從而計算激活率的方式表征、同時也可進(jìn)行PL光譜掃描觀察襯底的能級情況。

①GDMS測試體相元素含量、計算激活率。GDMS即高解析-輝光放電質(zhì)譜可應(yīng)用于測試固體物質(zhì)，檢測時樣品持續(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，對元素的靈敏度穩(wěn)定，不受組成元素或?qū)嶒灄l件的影響，適合半導(dǎo)體體相雜質(zhì)含量的監(jiān)測，測試后使用激活率和樣品中硅含量比值計算實際硅的激活率表征摻雜的效率。

②PL光譜掃描襯底能級情況進(jìn)行測試。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)激光照射到測試樣品表面時，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。通過不同的復(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受到樣品本身的自吸收。逸出表面的發(fā)射光經(jīng)探測器接收，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，通過較為成熟的雙晶衍射、TXRF表面測試、GDMS體相雜質(zhì)分析以及PL光譜能級測試可對基片做較為全面的測試表征。

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射線回擺曲線定量檢測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 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晶體生長技術(shù)中摻硅濃度的控制[期刊論文]第十三屆全國化合物半導(dǎo)體材料、微波器件和光電器件學(xué)術(shù)會議 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