CN103021833A

CN103021833A - 降低衬底表面残留杂质浓度的方法

Info

Publication number: CN103021833A
Application number: CN2012105647165A
Authority: CN
Inventors: 刘京明; 赵有文; 王凤华; 杨凤云
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2013-04-03

Abstract

本发明提供了一种降低衬底表面残留杂质浓度的方法。该方法包括：将衬底浸入酸性溶液中，保持第一预设时间，以去除衬底表面的金属杂质；将衬底浸入碱性溶液中，保持第二预设时间，以去除衬底表面的非金属杂质，以及将经过上述步骤处理后的衬底经过去离子水清洗，然后用氮气吹干。本发明降低衬底表面残留杂质浓度的方法通过碱性溶液的清洗可以有效降低衬底表面的非金属杂质，尤其是硅杂质的含量，从而提高衬底的表面质量。

Description

降低衬底表面残留杂质浓度的方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及降低衬底表面残留杂质浓度的方法。

背景技术

InP单晶具有高热导率、高辐射阻抗、高电子饱和漂移速度等优越性质，适用于高速微波器件、光电集成电路以及卫星和空间探测器用太阳能电池等。InP单晶作为衬底材料已在多个领域得到广泛应用，如长波长(1.3～1.55um)发光二极管、激光器和探测器，毫米波异质结双极晶体管(HBT)、高电子迁移率晶体管(HEMT)和单片电路等。这些器件将是下一代宽带网络、区域电子对抗、预警***、高性能雷达、卫星***和精确制导武器等的关键部件。

在HBT、HEMT等器件的制作中，要求InP单晶衬底具有好的表面平整度和高的电阻率，但是衬底表面的杂质的存在，特别是残留硅杂质会使得其电阻率降低。硅在InP中作为浅施主会使衬底和外延层界面产生一层n型导电层，相当于在器件中增加了一个寄生电容，降低了器件的运行速率，从而影响外延器件的性能。为了提高InP基器件的性能，就要求降低衬底表面的硅杂质浓度。硅杂质的来源主要有三个：一是来自实验室空气中硅杂质的沾污；二是来自清洗过程中的去离子水中的硅杂质；三是来自化学机械抛光过程，抛光液中含有作为研磨剂的SiO₂。要去除硅杂质就要从硅杂质的来源去考虑去除的方法。

在现有技术中，对InP单晶衬底表面的清洗主要是通过酸性腐蚀进行腐蚀，传统的酸性腐蚀流程可以有效去除表面的金属杂质，但是对于非金属杂质的去除没有明显效果。

目前降低由硅杂质引起的界面导电层的影响的方法主要有三种：一是将InP衬底再磷化氢环境下高温退火；二是在衬底表面外延生长掺铁的InAlAs缓冲层；三是用三级丁氯(TBCl)进行腐蚀清洗。但是这些方法都过于复杂，成本过高，并且很难达到预期效果。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种降低衬底表面残留杂质浓度的方法。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种降低衬底表面残留杂质浓度的方法。该方法包括：将衬底浸入酸性溶液中，保持第一预设时间，以去除衬底表面的金属杂质；将衬底浸入碱性溶液中，保持第二预设时间，以去除衬底表面的非金属杂质，以及将经过上述步骤处理后的衬底经过去离子水清洗，然后用氮气吹干。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明降低衬底表面残留杂质浓度的方法具有以下有益效果：

(1)通过碱性溶液的清洗可以有效降低衬底表面的非金属杂质，尤其是硅杂质的含量，提高衬底的表面质量。

(2)作为衬底材料要求其具有较高的平整度，经过本发明方法的清洗处理可以有效去除衬底表面损伤，衬底表面粗糙度非常好，达到0.366nm，满足衬底开盒即用的效果。

附图说明

图1为根据本发明实施例降低衬底表面残留杂质浓度方法的流程图；

图2A至图2C为采用传统方法进行去杂质处理后衬底的飞行时间二次离子质谱图；

图3A至图3C为采用图1所示方法进行去杂质处理后衬底的飞行时间二次离子质谱图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

本发明的目的在于提出一种有效降低衬底表面的杂质浓度的方法，从而降低外延器件中寄生电容的影响，改善器件的性能。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种降低衬底表面残留杂质浓度的方法。如图1所示，该方法包括：

步骤A，对磷化铟单晶片进行化学机械抛光；

本实施例以磷化铟单晶片为例进行说明，但本领域技术人员应当知晓，本实施例的方法同样应用于除磷化铟单晶芯片之外的其他衬底，如单晶硅衬底、蓝宝石衬底、玻璃衬底或氧化镁衬底等等。

由于作为衬底材料要求去除单晶表面损伤层并要求具有很好的平整度和低的粗糙度，因此，需要对衬底进行抛光。而需要说明的是，对于商用的一些衬底，其已经是单面抛光和双面抛光。对于这些衬底来讲，本步骤可以省略。

步骤B，将进行抛光后的磷化铟单晶衬底浸入氢氟酸溶液中，保持第一预设时间，以去除衬底表面的金属杂质；

在本步骤中，氢氟酸溶液的浓度为10％，腐蚀时间为30s，腐蚀温度为常温，即15度至25度。本领域技术人员也可以选择浓度范围为1％-30％的氢氟酸溶液。需要说明的是，氢氟酸溶液的浓度越低，所需要的腐蚀时间越长。正常情况下的腐蚀时间介于15s-300s之间。此外，腐蚀温度越高，腐蚀的效果越好，但该腐蚀温度应当在氢氟酸溶液的凝固点至100度之间。

步骤C，将去除金属杂质的磷化铟单晶衬底再浸入氢氧化钠溶液中，保持第二预设时间，以去除衬底表面的非金属杂质；

在本步骤中，氢氧化钠的浓度为10％，腐蚀时间为60s，腐蚀温度为常温，即15度至25度。本领域技术人员也可以选择浓度范围为1-30％的氢氧化钠溶液。需要说明的是，氢氧化钠溶液的浓度越低，所需要的腐蚀时间越长。正常情况下的腐蚀时间介于30s-300s之间。此外，腐蚀温度越高，腐蚀的效果越好，但该腐蚀温度应当在氢氧化钠溶液的凝固点至100度之间。

步骤D，将去除非金属杂质的磷化铟单晶衬底再浸入盐酸中，保持第三预设时间，以去除残余金属杂质；

在本步骤中，盐酸的浓度为10％，腐蚀时间为30s，腐蚀温度为常温，即15度至25度。本领域技术人员也可以选择浓度范围为1％-30％的盐酸溶液。需要说明的是，盐酸的浓度越低，所需要的腐蚀时间越长。此外，腐蚀温度越高，腐蚀的效果越好，但该腐蚀温度应当在盐酸的凝固点至100度之间。

步骤E，将经过步骤D处理的磷化铟单晶衬底再浸入浓硫酸中，保持第四预设时间，以去除衬底表面氧化层；

在本步骤中，浓硫酸的浓度为96％，腐蚀时间为120s，腐蚀温度为常温，即15度至25度。本领域技术人员也可以选择其他腐蚀温度或者时间。需要说明的是，浓硫酸的浓度越低，所需要的腐蚀时间越长。此外，腐蚀温度越高，腐蚀的效果越好，但该腐蚀温度应当在盐酸的凝固点至100度之间。

步骤F，将经过步骤E处理的磷化铟单晶衬底再浸入浓硫酸和过氧化氢的混合水溶液中，保持第五预设时间，以进一步去除衬底表面氧化层和表面损伤；

在本步骤中，浓硫酸的浓度为96％，过氧化氢的浓度为30％，其中其体积配比为H₂SO₄∶H₂O₂∶H₂O＝7∶1∶1，腐蚀时间为120s，腐蚀温度为常温，即15度至25度。本领域技术人员也可以选择其他配比度的该混合溶液。需要说明的是，浓硫酸和过氧化氢的浓度越低，所需要的腐蚀时间越长。此外，腐蚀温度越高，腐蚀的效果越好，但是温度过高会使过氧化氢挥发，建议腐蚀温度不要超过50度。

步骤G，将经过上述步骤处理的磷化铟单晶经过去离子水清洗，然后用氮气吹干封装，以避免表面氧化和杂质的沾污。

至此，本实施例降低衬底表面残留硅杂质浓度方法介绍完毕。

为验证本发明降低衬底表面残留杂质方法的杂质去除效果，利用飞行时间二次离子质谱(TOF-SIMS)测试分析了采用传统方法与采用本实施例的方法磷化铟表面杂质的变化，附图为测试结果。其中，在传统方法中，晶片沉底依次通过氢氟酸、盐酸和硫酸的腐蚀清洗。图2A和图3A为质量数1-100的测试图谱，图2B和图3B为质量数101-200的测试图谱，图2C和图3C为质量数201-300的测试图谱。图中横坐标为探测离子或离子团质量数，纵坐标为探测强度，通过二次离子探测强度反应浓度的变化。

请参照图2A和图3A，质量数为28的探测峰Si元素对应的探测强度，其中，在图2A中，该峰的强度为0.7×10⁵；在图2B中，该峰的高度为0.2×10⁵。通过比较图2A和图3A可以发现，硅杂质的浓度明显降低。这是因为氢氟酸和氢氧化钠溶液可与硅发生反应，反应产物为气体和可溶物，腐蚀后经过清洗可有效去除。其反应式分别为：

SiO₂+4HF＝SiF₄↑+2H₂O

SiO₂+2NaOH+H₂O＝Na₂SiO3+2H₂O

图2B和图3B为磷化铟衬底中铟元素的两个衍射峰。

请参照图2A和图3A，从图中发现衬底表面的有机杂质主要有C₃H₅、C₄H₁₂N、C₁₉H₃₂N，其质量数分别对应41、74、274。比较图2C和图3C可发现，有机杂质有不同程度的降低，特别是C₁₉H₃₂N，在图2C中其探测强度为0.6×10⁵，经过本实施例方法处理后其可完全去除。表明本实施例方法可以有效的去除衬底表面的有机杂质。另外通过测试结果可发现经过处理的晶片沉底表面的主要氧化物为In₂OH。

此外，为了验证本发明降低衬底表面残留杂质方法对衬底表面粗糙度的影响，对经过处理的衬底进行了三围光学轮廓仪测试。测试表明，磷化铟单晶表面粗糙度无明显改变，其先前的粗糙度为0.484nm，处理后的粗糙度为0.366nm。可见，本发明降低衬底表面残留硅杂质方法不会对表面质量产生不良影响，保证了衬底符合开盒即用的要求。

需要说明的是，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换，例如：

(1)可以将该腐蚀流程中腐蚀顺序进行改变；

(2)NaOH溶液可以用KOH等碱性溶液来代替。

综上所述，本发明通过对酸性腐蚀流程进行改进，加入能与硅杂质反应的碱性腐蚀液，可明显降低InP衬底表面残留硅杂质的浓度，从而达到器件所要求的范围，提高了磷化铟基器件的性能。此外，本发明工艺简单，对设备要求低，效果稳定，操作方便，并且成本很低，适用于大量生产过程。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种降低衬底表面残留杂质浓度的方法，其特征在于，包括：

将衬底浸入酸性溶液中，保持第一预设时间，以去除衬底表面的金属杂质；

将衬底浸入碱性溶液中，保持第二预设时间，以去除衬底表面的非金属杂质；以及

将经过上述步骤处理后的衬底经过去离子水清洗，然后用氮气吹干。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将衬底浸入碱性溶液中，保持第二预设时间的步骤中：所述碱性溶液为氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述氢氧化钠溶液的浓度介于1％至30％之间，所述第二预设时间介于15s至300s之间。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述氢氧化钠溶液的浓度为10％，所述第二预设时间为30s。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将衬底浸入酸性溶液中，保持第一预设时间的步骤中：所述酸性溶液为氢氟酸溶液，该氢氟酸溶液的浓度介于1％至30％之间；所述第一预设时间介于15s至300s之间。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述氢氟酸溶液的浓度为10％，所述第一预设时间为30s。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述将衬底浸入碱性溶液中，保持第二预设时间的步骤之后还包括：

将衬底浸入盐酸中，保持第三预设时间，以去除衬底表面的残余的金属杂质。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述将衬底浸入盐酸中，保持第三预设时间的步骤中：所述盐酸的浓度介于1％至30％之间；所述第三预设时间介于15s至300s之间。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述盐酸的浓度为10％，所述第三预设时间为30s。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述将衬底浸入碱性溶液中，保持第二预设时间的步骤之后还包括：

将衬底浸入浓硫酸中，保持第四预设时间，以去除衬底表面氧化层；

将衬底再浸入浓硫酸和过氧化氢的混合水溶液中，保持第五预设时间，以进一步去除衬底表面氧化层和表面损伤。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：

所述将衬底浸入浓硫酸中，保持第四预设时间的步骤中，所述浓硫酸的浓度为96％，腐蚀时间为120s；

所述将衬底再浸入浓硫酸和过氧化氢的混合水溶液中，保持第五预设时间的步骤中，所述混合水溶液的体积配比为浓H₂SO₄∶H₂O₂∶H₂O＝7∶1∶1，其中，浓H₂SO₄的浓度为96％，H₂O₂的浓度为30％。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，所述衬底为单面抛光或双面抛光的磷化铟单晶衬底、单晶硅衬底、蓝宝石衬底、玻璃衬底或氧化镁衬底。