專利名稱：低腐蝕坑密度(epd)半絕緣ⅲ-ⅴ晶片的制作方法
低腐蝕坑密度(EPD)半絕緣III-V晶片發明領域
本發明涉及半導體制造，更具體而言，涉及制造低腐蝕坑密度(EPD ) III-V族晶片的系統和方法，以及所制造的晶片，這種低腐蝕坑密度III-V族晶片可以用于制造器件，例如異質結雙極型晶體管(HBT)以及贗配高電子遷移率晶體管(pHEMT)器件。
背景技術：
在11I-V族/砷化鎵(GaAs)工業領域，眾所周知的是，對于少數載流子器件的可靠性以及由襯底所制造的器件的產率而言，襯底的腐蝕坑密度
(EPD)水平是非常重要的。例如，對于某些GaAs電子器件，例如異質結雙極型晶體管(HBT)和贗配高電子遷移率晶體管(pHEMT)等，從歷史上看，襯底的EPD并未被認識到是器件產率的一個決定因素。然而，現在已知位錯與至少某些器件失效一例如HBT器件失效一存在關系，如近期由勞
(Low)等人所披露(Low, T. S. et al， The Role of SubstrateDislocations in Causing Infant Failure in High Complexity InGaP/GaAsHBT ICs， 2007 )。此外，光點缺陷(light point defect) (LPD)(也稱局部光散射，localized light scatters, LLS，參見所附SEMI M54-0304 )對于在襯底上實施的后續步驟一例如外延生長一是不利的。尤為重要的是降低可能因砷在生長成的晶錠(ingot )中沉積而發生的晶體"非顆粒"LPD。對于GaAs，這種高LPD—般源自在晶錠的晶體生長過程中使用的高的砷過壓。
晶錠退火是公知的。此外，晶錠退火述于倫斯比(Rumsby )等人在"GaAs集成電路研討會"(GaAs IC symposium) (1983 )第34-37頁《通過高溫退火生產的LEC不摻雜的砷化鎵之改進的均勻性》(Improved Uniformity ofLEC Undoped Gallium Arsenide Produced by High Temperature Annealing )中。釆用垂直梯度凝固(vertical gradient freeze) ( VGF)和碳摻雜來生長半導體晶體的技術已為人知，例如在授予劉(Liu)等人的第6, 896, 729號美國專利中所披露的。希望提供利用VGF和退火技術制造低腐蝕坑密度(EPD)的GaAs和其他III-V化合物晶片的系統和方法以及晶片本身，而本發明的各方面均與之相關。
發明內容
本發明的系統、方法和晶片涉及使用低EPD晶體生長方法和晶片退火方法制備III-V族半導體器件，從而制得更高器件產率的III-V族(例如GaAs等)晶片。
在一個示例性的實施方式中，提供一種制造一種具有低腐蝕坑密度(EPD)的III族基材料(group III based material)的方法。此外，該方法包括形成多晶III族基化合物；和使用所述多晶III族基化合物進行垂直梯度凝固晶體生長。其他的示例性的實施方式可以包括在形成III族基晶體期間，控制一個或多個溫度梯度，以提供非常低的腐蝕坑密度。
可以理解的是，無論是前述的總體說明，還是后續的詳細說明，都僅僅是示例性的和解釋性的，而不是對所述發明的限制。除所述的特征和實施方案之外，還可以有其他的特征和/或變化。例如，本發明可以是前述所公開特征的不同組合和部分的組合，和/或下述詳細描述中公開的更多若干特征的組合和部分組合。
附圖構成說明書的一部分，說明本發明的不同實施方案和各具體方面，并與說明一起，解釋發明的原理。其中
圖1示出按照本發明若干方面的、采用VGF晶體生長技術制備III-V族晶片的方法；
圖2示出一種示例性按照本發明若干方面的晶片的EPD圖；圖3示出一個未退火的晶片的LPD分布；
圖4示出 一個已按照本發明若干方面的方法進行退火的晶片的LPD分
布；
圖5A和5B示出采用本發明若干方面的晶體生長技術制造III-V族晶片的方法。
具體實施例方式
現詳細說明本發明，其實施方案如附圖所示。后述的實施方式并不代表請求保護的本發明的所有實施方式。相反，它們只是根據本發明某些方面的一些實施例。同一標記在附圖中盡可能指相同或類似的部件。
所述系統和方法適用于制備GaAs襯底，因此本發明基于此進行描述。本發明的用途更廣，這是因為他們可以用于，例如，制備其他類型的襯底，例如磷化銦(InP)、磷化鎵(GaP)和其他相關的III-V族化合物半導體。
圖l示出利用立式生長爐方法(vertical growth furnaceprocess) 100制造GaAs晶片的方法。該方法可以獲得^f氐光點缺陷、^氐腐蝕坑密度的GaAs襯底。此方法也可用于制造磷化銦(InP)、磷化鎵(GaP)或其他m-v族相關的化合物半導體。該制造方法是一種非常低EPD晶體生長方法(下文將對此作出更詳細的描述)和一種晶片退火方法(下文將加以更詳細描述)的結合，以獲得非常低LPD。通過VGF方法生長非常低EPD、半絕緣GaAs (或其他ni-V族)晶片，可以在高度集成的GaAs (或其他)電路中獲得高的器件產率。根據本發明的一些方面，本發明的晶片退火方法可以在晶片中獲得非常低的LPD和/或一在另一些方面一可控的氧水平。低LPD晶片是為所有半導體外延生長從業者所期望的，這是因為，襯底LPD越高，由該襯底制造的器件的產率越低，其原因是用高LPD襯底制造的器件失效。
參考附圖1，原材料(102)是來自合格商家的7N級(99. 9999999%)的砷(As)和鎵(Ga)。原材料直接用于已知的多晶合成步驟(104)，以生產多晶GaAs。 一旦生成多晶GaAs，則如劉等的美國專利6， 896， 729中詳述的一樣，發生垂直梯度凝固(VGF)晶體生長(106),劉等的美國 專利6, 896， 729以征引的方式納入本說明書。VGF生長的晶體可以通過 Hall檢測和腐蝕坑密度檢測進行測試(107) 。 VGF半絕緣GaAs晶體生長 方法使得GaAs晶體腐蝕坑密度小于900/cm、且對于直徑3英寸(3" )GaAs 晶體而言最低EPD達到約600/cm2。目前已有常規方法可以生產EPD低至 900/cm'的半絕緣GaAs襯底，但是沒有一種常規方法可以生產出EPD低于 900/cn^的GaAs或其他類似晶片。因此， 一般方法可能達到900/cn^的EPD， 但不能達到用這種VGF方法獲得的更低EPD水平。
為了獲得低EPD，謹慎地控制幾個VGF參數。這些參數可以包括熔體/ 晶體界面的形狀、結晶速度以及熔體/晶體界面處的溫度梯度，其中將熔 體/晶體界面的形狀控制為相對熔體前沿凹陷或凸起±2,，結晶速度為 2-16咖/小時，熔體/晶體界面處的溫度梯度在0. 1至2X:/cm之間。 一旦 VGF晶體生成(以及可選地經過測試)，則進行已知的晶錠成形處理(108)， 也可以對成形后的晶錠加以測試(109)。 一旦晶錠成形之后，則將晶錠切 割成晶片(110)，也可以選擇對這些晶片加以測試(111)，測試方法為 Hall和腐蝕坑密度檢測。以上的處理過程也可以用于生產InP晶片和其他 的in-V化合物晶片。經過這樣的處理，制造出低EPD的GaAs晶片。
一旦從晶錠中切割出低EPD晶片之后，則進行晶片退火處理(112)， 其中也可以對經過退火后的晶片加以測試(113)。與一般的三階段退火處 理不同，現采用一種"一階段退火"處理。在此處理過程中，將這些晶片 垂直地裝入一個水平的石英舟中，并與所需的砷塊一起插入一個水平的石 英安瓿中。精確地稱量這些砷塊的重量，以便在退火溫度下提供所需要的 蒸汽壓，防止砷從襯底中離解出來。然后，將石英安瓿抽到高真空水平(〈5 x10—3托(5E-3托))并密封。將石英安瓿及安瓿內物質一起插入一個水 平的3-區爐內，并開始對石英安瓿及其內物質加熱至所需的設定(平臺) 溫度。當達到該平臺溫度(900t:至10501C )時，保持恒溫若干小時(IO 至48小時)。隨后，降低加熱，使得石英安瓿在一段設定的時間(6至24 小時)內冷卻至室溫。在該一階段退火處理過程中，GaAs晶片中的氧水平 通過調整石英安瓿內的真空度來控制。針對加熱速率、平臺溫度和冷卻速 率優化退火處理的條件，從而達到非常低LPD的水平(<l/cm2)。作為退 火處理的結果，所述晶片具有低至〈l/cn^的光點缺陷，粒子尺寸>0. 3nm。 另外，對于6英寸的晶片，晶片可以具有低至〈50個粒子/粒子尺寸> 0. 3薩的晶片。
低EPD晶片 一旦退火和可選擇地測試LPD和雜質水平之后，則實施已 知的晶片拋光過程(114),對低EPD晶片進行拋光，還可以選擇性地對經 過拋光后的晶片進行測試(115)。晶片一旦拋光之后，則對晶片進行清洗 處理(116 )并可選擇性地對其進行測試(117),然后包裝以備運送給用戶 (118)。
EPD的測量是根據SEMI M36-0699以及ASTM測試方法F1404-92進行 的。圖2示出了在37個點(每一個點的面積為0. 024cm2)所測量的EPD水 平的一個實例。該實例示出的平均EPD為695/cm2。需要注意的是，在整個 晶片上EPD不是均勻分布的；在此樣品中，最大的EPD是1167/cm2。圖2 所示的所有數字都是EPD數值的實際計數一-為了獲得EPD值，這些數字應 除以單位面積(即0. 024cm2)，從而得到每平方厘米的數值。
使用KLA-Tencor Surfscan 6220系統進行LPD檢測。圖3示出了對 未退火晶片的檢測結果。未對晶片退火的情況下，平均LPD密度為大于 164/cm2 (在6英寸直徑的整個晶片表面上大于30， 000 )。圖4示出了示 例性退火晶片的檢測結果。平均LPD密度為小于1/cm2 (在6英寸直徑的整 個晶片表面上小于50)。
圖5A和5B示出了采用按照本發明某些方面的晶體生長技術制備 ni-V晶片的方法。例如，圖5A對應于一種制備低腐蝕坑密度的III族基 材料的方法，該方法包括形成多晶ni族基化合物510，以及采用多晶 in族基化合物實施垂直梯度凝固晶體生長520。另外，晶體生長方法還可 以包括控制一個或多個溫度梯度530。例如，這樣的控制可以包括在形成 III族基晶體過程中控制III族基晶體的溫度梯度，從而使III族基晶體 具有低于約900/cn^的腐蝕坑密度。在另一個示例性實施方式中，晶體生長 過程可包括在垂直梯度凝固晶體生長過程中，控制與III族基晶體相關的 一個或多個溫度梯度，其中晶體/熔體溫度梯度維持在約0.1至約2TC/cm 之間。此外，生長過程還可以選擇地包括控制晶體/熔體界面540，例如 控制下列二者或二者之一熔體/晶體界面的形狀和/或溫度梯度。
圖5B示出了一種制備低光點缺陷襯底的示例性方法，該方法包括 形成一種III-V族基襯底550,對III-V族基村底退火560—例如采用單獨 一步退火方法，以及除去III-V族基村底的一部分表面570。按照本發明進行實施，可以形成這樣的襯底光點缺陷密度低于約l每cn^每粒子尺寸 為大于或等于約0, 3微米的GaAs基村底。
雖然以上結合了特定的實施方案對本發明的技術方案進行了說 明，但是，應當理解，可以在不脫離本發明的原理和精神的前提下作出 修改，本發明的范圍由權利要求限定。
10
權利要求
1.一種制造一種具有低腐蝕坑密度(EPD)的鎵基材料的方法，該方法包括形成多晶鎵基化合物；和使用所述多晶鎵基化合物進行垂直梯度凝固晶體生長，其中進行垂直梯度凝固晶體生長的步驟包括在形成鎵基晶體過程中，控制一個或多個溫度梯度，以使鎵基晶體的腐蝕坑密度低于約900/平方厘米。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中進行垂直梯度凝固晶體生長的 步驟還包括控制下列二者或二者之一熔體/晶體界面的形狀和/或溫 度梯度。
3. 根據權利要求1所述的方法，其中進行垂直梯度凝固晶體生長的 步驟還包括控制熔體/晶體界面。
4. 根據權利要求3所述的方法，其中所述控制熔體/晶體界面包括 控制熔體/晶體界面的溫度梯度。
5. 根據權利要求3所述的方法，其中所述控制熔體/晶體界面包括 控制熔體/晶體界面的形狀。
6. 根據權利要求5所述的方法，其中所述控制熔體/晶體界面包括 控制熔體/晶體界面的溫度梯度。
7. 根據權利要求1所述的方法，其中所述晶體具有每平方厘米約 600的腐蝕坑密度。
8. 根據權利要求7所述的方法，還包括由所述鎵基晶體形成一種砷 化鎵襯底。
9. 根據權利要求7所述的方法，還包括由所述鎵基晶體形成一種磷 化鎵或其他鎵-V族襯底。
10. 根據權利要求1所述的方法，其中進行垂直梯度凝固晶體生長 的步驟還包括在垂直梯度凝固晶體生長過程中，控制熔體/晶體界面的 形狀，其中所述形狀為相對一個熔體前沿凹陷或凸起不超過約土2mm。
11. 根據權利要求l所述的方法，其中進行垂直梯度凝固晶體生長 的步驟還包括在垂直梯度凝固晶體生長過程中，控制結晶速率，其中所 述結晶速率為約2-約16mm/小時之間。
12. 根據權利要求l所述的方法，其中進行垂直梯度凝固晶體生長 的步驟還包括在垂直梯度凝固晶體生長過程中，控制與熔體/晶體界面相關的一個或多個溫度梯度，其中所述熔體/晶體界面處的溫度梯度在約0. 1-約21C/cm之間。
13. —種制造具有低光點缺陷的襯底的方法，該方法包括以下步驟形成一種砷化鎵基襯底；采用單獨一步退火過程對砷化鎵基襯底進行退火處理；和除去所述鎵基襯底表面的一部分，以形成這樣一種砷化鎵基襯底該砷化鎵基襯底的光點缺陷密度小于約l每ci^每粒子尺寸大于或等于約0. 3微米的砷化鎵基襯底。
14. 根據權利要求13所述的方法，其中所迷對砷化鎵基襯底進行退火處理的步驟進一步包括在所述退火期間控制加熱速率，其中所述加熱速率為在約10至約48小時之內約900-約10501C。
15. 根據權利要求13所述的方法，其中所述對砷化鎵基村底進行退火處理的步驟進一步包括在所述退火期間控制平臺溫度，其中所述平臺溫度為約900-約1050r。
16. 根據權利要求13所述的方法，其中所述對砷化鎵基襯底進行退火處理的步驟進一步包括在所述退火期間控制冷卻速率，其中所述冷卻速率為在約6至約24小時中達到室溫。
17. 根據權利要求13所述的方法，還包括在所述退火處理期間控制進入鎵基襯底表面的氧，使得達到一個預定的氧含量水平。
18. —種鎵基襯底，包括一個村底，該襯底經過垂直梯度凝固處理具有每平方厘米小于900的腐蝕坑密度；并且所述村底具有小于總計約120光點缺陷/光點缺陷粒子尺寸大于約0. 3微米的晶片。
19. 根據權利要求18所述的村底，其中所述襯底為砷化鎵(GaAs )。
20. 根據權利要求18所述的村底，其中所述襯底是磷化銦、磷化鎵或其他ffl-V族化合物。
21. —種制造一種具有低腐蝕坑密度(EPD)的III族基材料的方法，該方法包括形成多晶III族基化合物；和使用所述多晶III族基化合物進行垂直梯度凝固晶體生長，其中進行垂直梯度凝固晶體生長的步驟包括在形成III族基晶體過程中，控制ni族基晶體溫度梯度，以使in族基晶體的腐蝕坑密度低于約900/平方厘米。
22. 根據權利要求21所述的方法，還包括由所述m族基晶體形成磷化銦或其他m-v族襯底。
23. 根據權利要求21所述的方法，其中進行垂直梯度凝固晶體生長的步驟還包括在垂直梯度凝固晶體生長過程中，控制與m族基晶體相關的一個或多個溫度梯度，其中晶體/熔體溫度梯度維持在約0. 1-約2TC/cm之間。
24. —種制造一種具有低腐蝕坑密度(EPD)的鎵基材料的方法，該方法包括 形成多晶鎵基化合物；和使用所述多晶鎵基化合物進行垂直梯度凝固晶體生長，其中進行垂直梯度凝固晶體生長的步驟包括在形成鎵基晶體過程中，控制熔體/晶體界面，以使鎵基晶體的腐蝕坑密度低于約900/平方厘米。
25. 根據權利要求24所述的方法，其中所述控制熔體/晶體界面包括控制下列二者或二者之一熔體/晶體界面的形狀和/或溫度梯度。
全文摘要
公開了使用一種低EPD晶體生長方法制備晶片的系統和方法，并提供一種晶片退火方法，以形成III-V/GaAs晶片，提高由晶片制得的器件的產率。在一個示例性實施方式中，提供了一種制備具有低腐蝕坑密度(EPD)的III族基材料的方法。此外，該方法包括形成多晶III族基化合物；和使用所述多晶III族基化合物進行垂直梯度凝固晶體生長。其他的示例性的實施方式可以包括在形成III族基晶體期間，控制一個或多個溫度梯度，以提供非常低的腐蝕坑密度。
文檔編號C30B15/14GK101688323SQ200880024243
公開日2010年3月31日 申請日期2008年5月9日 優先權日2007年5月9日
發明者M·H·巴達維, M·S·揚, 劉衛國 申請人:Axt公司