低腐蚀坑密度（EPD）半绝缘ⅢⅤ晶片.pdf

公开了使用一种低EPD晶体生长方法制备晶片的系统和方法，并提供一种晶片退火方法，以形成III-V/GaAs晶片，提高由晶片制得的器件的产率。在一个示例性实施方式中，提供了一种制备具有低腐蚀坑密度(EPD)的III族基材料的方法。此外，该方法包括形成多晶III族基化合物；和使用所述多晶III族基化合物进行垂直梯度凝固晶体生长。其他的示例性的实施方式可以包括在形成III族基晶体期间，控制一个或多个温度梯度，以提供非常低的腐蚀坑密度。

1.  一种制造一种具有低腐蚀坑密度(EPD)的镓基材料的方法，该方法包括
形成多晶镓基化合物；和
使用所述多晶镓基化合物进行垂直梯度凝固晶体生长，其中进行垂直梯度凝固晶体生长的步骤包括：在形成镓基晶体过程中，控制一个或多个温度梯度，以使镓基晶体的腐蚀坑密度低于约900/平方厘米。

2.  根据权利要求1所述的方法，其中进行垂直梯度凝固晶体生长的步骤还包括控制下列二者或二者之一：熔体/晶体界面的形状和/或温度梯度。

3.  根据权利要求1所述的方法，其中进行垂直梯度凝固晶体生长的步骤还包括控制熔体/晶体界面。

4.  根据权利要求3所述的方法，其中所述控制熔体/晶体界面包括控制熔体/晶体界面的温度梯度。

5.  根据权利要求3所述的方法，其中所述控制熔体/晶体界面包括控制熔体/晶体界面的形状。

6.  根据权利要求5所述的方法，其中所述控制熔体/晶体界面包括控制熔体/晶体界面的温度梯度。

7.  根据权利要求1所述的方法，其中所述晶体具有每平方厘米约600的腐蚀坑密度。

8.  根据权利要求7所述的方法，还包括由所述镓基晶体形成一种砷化镓衬底。

9.  根据权利要求7所述的方法，还包括由所述镓基晶体形成一种磷化镓或其他镓-V族衬底。

10.  根据权利要求1所述的方法，其中进行垂直梯度凝固晶体生长的步骤还包括在垂直梯度凝固晶体生长过程中，控制熔体/晶体界面的形状，其中所述形状为相对一个熔体前沿凹陷或凸起不超过约±2mm。

11.  根据权利要求1所述的方法，其中进行垂直梯度凝固晶体生长的步骤还包括在垂直梯度凝固晶体生长过程中，控制结晶速率，其中所述结晶速率为约2-约16mm/小时之间。

12.  根据权利要求1所述的方法，其中进行垂直梯度凝固晶体生长的步骤还包括在垂直梯度凝固晶体生长过程中，控制与熔体/晶体界面相关的一个或多个温度梯度，其中所述熔体/晶体界面处的温度梯度在约0.1-约2℃/cm之间。

13.  一种制造具有低光点缺陷的衬底的方法，该方法包括以下步骤：
形成一种砷化镓基衬底；
采用单独一步退火过程对砷化镓基衬底进行退火处理；和
除去所述镓基衬底表面的一部分，以形成这样一种砷化镓基衬底：该砷化镓基衬底的光点缺陷密度小于约1每cm²每粒子尺寸大于或等于约0.3微米的砷化镓基衬底。

14.  根据权利要求13所述的方法，其中所述对砷化镓基衬底进行退火处理的步骤进一步包括在所述退火期间控制加热速率，其中所述加热速率为在约10至约48小时之内约900-约1050℃。

15.  根据权利要求13所述的方法，其中所述对砷化镓基衬底进行退火处理的步骤进一步包括在所述退火期间控制平台温度，其中所述平台温度为约900-约1050℃。

16.  根据权利要求13所述的方法，其中所述对砷化镓基衬底进行退火处理的步骤进一步包括在所述退火期间控制冷却速率，其中所述冷却速率为在约6至约24小时中达到室温。

17.  根据权利要求13所述的方法，还包括在所述退火处理期间控制进入镓基衬底表面的氧，使得达到一个预定的氧含量水平。

18.  一种镓基衬底，包括：
一个衬底，该衬底经过垂直梯度凝固处理具有每平方厘米小于900的腐蚀坑密度；并且
所述衬底具有小于总计约120光点缺陷/光点缺陷粒子尺寸大于约0.3微米的晶片。

19.  根据权利要求18所述的衬底，其中所述衬底为砷化镓(GaAs)。

20.  根据权利要求18所述的衬底，其中所述衬底是磷化铟、磷化镓或其他III-V族化合物。

21.  一种制造一种具有低腐蚀坑密度(EPD)的III族基材料的方法，该方法包括
形成多晶III族基化合物；和
使用所述多晶III族基化合物进行垂直梯度凝固晶体生长，其中进行垂直梯度凝固晶体生长的步骤包括：在形成III族基晶体过程中，控制III族基晶体温度梯度，以使III族基晶体的腐蚀坑密度低于约900/平方厘米。

22.  根据权利要求21所述的方法，还包括由所述III族基晶体形成磷化铟或其他III-V族衬底。

23.  根据权利要求21所述的方法，其中进行垂直梯度凝固晶体生长的步骤还包括在垂直梯度凝固晶体生长过程中，控制与III族基晶体相关的一个或多个温度梯度，其中晶体/熔体温度梯度维持在约0.1-约2℃/cm之间。

24.  一种制造一种具有低腐蚀坑密度(EPD)的镓基材料的方法，该方法包括
形成多晶镓基化合物；和
使用所述多晶镓基化合物进行垂直梯度凝固晶体生长，其中进行垂直梯度凝固晶体生长的步骤包括：在形成镓基晶体过程中，控制熔体/晶体界面，以使镓基晶体的腐蚀坑密度低于约900/平方厘米。

25.  根据权利要求24所述的方法，其中所述控制熔体/晶体界面包括控制下列二者或二者之一：熔体/晶体界面的形状和/或温度梯度。

低腐蚀坑密度(EPD)半绝缘Ⅲ－Ⅴ晶片
发明领域
本发明涉及半导体制造，更具体而言，涉及制造低腐蚀坑密度(EPD)III-V族晶片的系统和方法，以及所制造的晶片，这种低腐蚀坑密度III-V族晶片可以用于制造器件，例如异质结双极型晶体管(HBT)以及赝配高电子迁移率晶体管(pHEMT)器件。
背景技术
在III-V族/砷化镓(GaAs)工业领域，众所周知的是，对于少数载流子器件的可靠性以及由衬底所制造的器件的产率而言，衬底的腐蚀坑密度(EPD)水平是非常重要的。例如，对于某些GaAs电子器件，例如异质结双极型晶体管(HBT)和赝配高电子迁移率晶体管(pHEMT)等，从历史上看，衬底的EPD并未被认识到是器件产率的一个决定因素。然而，现在已知位错与至少某些器件失效-例如HBT器件失效-存在关系，如近期由劳(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，光点缺陷(light point defect)(LPD)(也称局部光散射，localized light scatters，LLS，参见所附SEMI M54-0304)对于在衬底上实施的后续步骤-例如外延生长-是不利的。尤为重要的是降低可能因砷在生长成的晶锭(ingot)中沉积而发生的晶体“非颗粒”LPD。对于GaAs，这种高LPD一般源自在晶锭的晶体生长过程中使用的高的砷过压。
晶锭退火是公知的。此外，晶锭退火述于伦斯比(Rumsby)等人在“GaAs集成电路研讨会”(GaAs IC symposium)(1983)第34-37页《通过高温退火生产的LEC不掺杂的砷化镓之改进的均匀性》(Improved Uniformity ofLEC Undoped Gallium Arsenide Produced by High Temperature Annealing)中。
采用垂直梯度凝固(vertical gradient freeze)(VGF)和碳掺杂来生长半导体晶体的技术已为人知，例如在授予刘(Liu)等人的第6,896,729号美国专利中所披露的。希望提供利用VGF和退火技术制造低腐蚀坑密度(EPD)的GaAs和其他III-V化合物晶片的系统和方法以及晶片本身，而本发明的各方面均与之相关。
发明内容
本发明的系统、方法和晶片涉及使用低EPD晶体生长方法和晶片退火方法制备III-V族半导体器件，从而制得更高器件产率的III-V族(例如GaAs等)晶片。
在一个示例性的实施方式中，提供一种制造一种具有低腐蚀坑密度(EPD)的III族基材料(group III based material)的方法。此外，该方法包括形成多晶III族基化合物；和使用所述多晶III族基化合物进行垂直梯度凝固晶体生长。其他的示例性的实施方式可以包括在形成III族基晶体期间，控制一个或多个温度梯度，以提供非常低的腐蚀坑密度。
可以理解的是，无论是前述的总体说明，还是后续的详细说明，都仅仅是示例性的和解释性的，而不是对所述发明的限制。除所述的特征和实施方案之外，还可以有其他的特征和/或变化。例如，本发明可以是前述所公开特征的不同组合和部分的组合，和/或下述详细描述中公开的更多若干特征的组合和部分组合。
附图说明
附图构成说明书的一部分，说明本发明的不同实施方案和各具体方面，并与说明一起，解释发明的原理。其中：
图1示出按照本发明若干方面的、采用VGF晶体生长技术制备III-V族晶片的方法；
图2示出一种示例性按照本发明若干方面的晶片的EPD图；
图3示出一个未退火的晶片的LPD分布；
图4示出一个已按照本发明若干方面的方法进行退火的晶片的LPD分布；
图5A和5B示出采用本发明若干方面的晶体生长技术制造III-V族晶片的方法。
具体实施方式
现详细说明本发明，其实施方案如附图所示。后述的实施方式并不代表请求保护的本发明的所有实施方式。相反，它们只是根据本发明某些方面的一些实施例。同一标记在附图中尽可能指相同或类似的部件。
所述系统和方法适用于制备GaAs衬底，因此本发明基于此进行描述。本发明的用途更广，这是因为他们可以用于，例如，制备其他类型的衬底，例如磷化铟(InP)、磷化镓(GaP)和其他相关的III-V族化合物半导体。
图1示出利用立式生长炉方法(vertical growth furnaceprocess)100制造GaAs晶片的方法。该方法可以获得低光点缺陷、低腐蚀坑密度的GaAs衬底。此方法也可用于制造磷化铟(InP)、磷化镓(GaP)或其他III-V族相关的化合物半导体。该制造方法是一种非常低EPD晶体生长方法(下文将对此作出更详细的描述)和一种晶片退火方法(下文将加以更详细描述)的结合，以获得非常低LPD。通过VGF方法生长非常低EPD、半绝缘GaAs(或其他III-V族)晶片，可以在高度集成的GaAs(或其他)电路中获得高的器件产率。根据本发明的一些方面，本发明的晶片退火方法可以在晶片中获得非常低的LPD和/或--在另一些方面--可控的氧水平。低LPD晶片是为所有半导体外延生长从业者所期望的，这是因为，衬底LPD越高，由该衬底制造的器件的产率越低，其原因是用高LPD衬底制造的器件失效。
参考附图1，原材料(102)是来自合格商家的7N级(99.9999999％)的砷(As)和镓(Ga)。原材料直接用于已知的多晶合成步骤(104)，以生产多晶GaAs。一旦生成多晶GaAs，则如刘等的美国专利6,896,729中详述的一样，发生垂直梯度凝固(VGF)晶体生长(106)，刘等的美国专利6,896,729以征引的方式纳入本说明书。VGF生长的晶体可以通过Hall检测和腐蚀坑密度检测进行测试(107)。VGF半绝缘GaAs晶体生长方法使得GaAs晶体腐蚀坑密度小于900/cm²，且对于直径3英寸(3”)GaAs晶体而言最低EPD达到约600/cm²。目前已有常规方法可以生产EPD低至900/cm²的半绝缘GaAs衬底，但是没有一种常规方法可以生产出EPD低于900/cm²的GaAs或其他类似晶片。因此，一般方法可能达到900/cm²的EPD，但不能达到用这种VGF方法获得的更低EPD水平。
为了获得低EPD，谨慎地控制几个VGF参数。这些参数可以包括熔体/晶体界面的形状、结晶速度以及熔体/晶体界面处的温度梯度，其中将熔体/晶体界面的形状控制为相对熔体前沿凹陷或凸起±2mm，结晶速度为2-16mm/小时，熔体/晶体界面处的温度梯度在0.1至2℃/cm之间。一旦VGF晶体生成(以及可选地经过测试)，则进行已知的晶锭成形处理(108)，也可以对成形后的晶锭加以测试(109)。一旦晶锭成形之后，则将晶锭切割成晶片(110)，也可以选择对这些晶片加以测试(111)，测试方法为Hall和腐蚀坑密度检测。以上的处理过程也可以用于生产InP晶片和其他的III-V化合物晶片。经过这样的处理，制造出低EPD的GaAs晶片。
一旦从晶锭中切割出低EPD晶片之后，则进行晶片退火处理(112)，其中也可以对经过退火后的晶片加以测试(113)。与一般的三阶段退火处理不同，现采用一种“一阶段退火”处理。在此处理过程中，将这些晶片垂直地装入一个水平的石英舟中，并与所需的砷块一起插入一个水平的石英安瓿中。精确地称量这些砷块的重量，以便在退火温度下提供所需要的蒸汽压，防止砷从衬底中离解出来。然后，将石英安瓿抽到高真空水平(＜5×10^-3托(5E-3托))并密封。将石英安瓿及安瓿内物质一起插入一个水平的3-区炉内，并开始对石英安瓿及其内物质加热至所需的设定(平台)温度。当达到该平台温度(900℃至1050℃)时，保持恒温若干小时(10至48小时)。随后，降低加热，使得石英安瓿在一段设定的时间(6至24小时)内冷却至室温。在该一阶段退火处理过程中，GaAs晶片中的氧水平通过调整石英安瓿内的真空度来控制。针对加热速率、平台温度和冷却速率优化退火处理的条件，从而达到非常低LPD的水平(＜1/cm²)。作为退火处理的结果，所述晶片具有低至＜1/cm²的光点缺陷，粒子尺寸＞0.3μm。另外，对于6英寸的晶片，晶片可以具有低至＜50个粒子/粒子尺寸＞0.3μm的晶片。
低EPD晶片一旦退火和可选择地测试LPD和杂质水平之后，则实施已知的晶片抛光过程(114)，对低EPD晶片进行抛光，还可以选择性地对经过抛光后的晶片进行测试(115)。晶片一旦抛光之后，则对晶片进行清洗处理(116)并可选择性地对其进行测试(117)，然后包装以备运送给用户(118)。
EPD的测量是根据SEMI M36-0699以及ASTM测试方法F1404-92进行的。图2示出了在37个点(每一个点的面积为0.024cm²)所测量的EPD水平的一个实例。该实例示出的平均EPD为695/cm²。需要注意的是，在整个晶片上EPD不是均匀分布的；在此样品中，最大的EPD是1167/cm²。图2所示的所有数字都是EPD数值的实际计数---为了获得EPD值，这些数字应除以单位面积(即0.024cm²)，从而得到每平方厘米的数值。
使用KLA-Tencor Surfscan 6220系统进行LPD检测。图3示出了对未退火晶片的检测结果。未对晶片退火的情况下，平均LPD密度为大于164/cm²(在6英寸直径的整个晶片表面上大于30,000)。图4示出了示例性退火晶片的检测结果。平均LPD密度为小于1/cm²(在6英寸直径的整个晶片表面上小于50)。
图5A和5B示出了采用按照本发明某些方面的晶体生长技术制备III-V晶片的方法。例如，图5A对应于一种制备低腐蚀坑密度的III族基材料的方法，该方法包括：形成多晶III族基化合物510，以及采用多晶III族基化合物实施垂直梯度凝固晶体生长520。另外，晶体生长方法还可以包括控制一个或多个温度梯度530。例如，这样的控制可以包括在形成III族基晶体过程中控制III族基晶体的温度梯度，从而使III族基晶体具有低于约900/cm²的腐蚀坑密度。在另一个示例性实施方式中，晶体生长过程可包括在垂直梯度凝固晶体生长过程中，控制与III族基晶体相关的一个或多个温度梯度，其中晶体/熔体温度梯度维持在约0.1至约2℃/cm之间。此外，生长过程还可以选择地包括控制晶体/熔体界面540，例如控制下列二者或二者之一：熔体/晶体界面的形状和/或温度梯度。
图5B示出了一种制备低光点缺陷衬底的示例性方法，该方法包括：形成一种III-V族基衬底550，对III-V族基衬底退火560-例如采用单独一步退火方法，以及除去III-V族基衬底的一部分表面570。按照本发明进行实施，可以形成这样的衬底：光点缺陷密度低于约1每cm²每粒子尺寸为大于或等于约0.3微米的GaAs基衬底。
虽然以上结合了特定的实施方案对本发明的技术方案进行了说明，但是，应当理解，可以在不脱离本发明的原理和精神的前提下作出修改，本发明的范围由权利要求限定。