GaSb晶片钝化工艺对抛光表面的影响

GaSb晶片钝化工艺对抛光表面的影响 ================== 发表时间：2019-11-18 16:12作者：九朋新材料 GaSb晶片钝化工艺对抛光表面的影响 摘要： 锑化镓(GaSb)作为常用的III---V型半导体材料，因其易于氧化的性质而限制了其应用效果，而硫钝化是一种常见而有效的应对手段。该文选取了硫化铵溶液，对化学机械抛光后的晶片表面进行处理，以研究硫钝化工艺中钝化时间对抛光面的影响。实验结果通过原子力显微镜(AFM)和X线光电子能谱(XPS)进行了表征，研究发现，经硫化铵溶液处理后，与Ga相比，Sb的硫化程度更完全，且该程度会随着硫化时间的延长而逐渐加大。另外，处理时间长会加重GaSb晶片表面的腐蚀，使其表面起伏加剧，表面粗糙度增大。 关键词：锑化镓(GaSb)；化学机械抛光；硫钝化；原子力显微镜(AFM)；X线光电子能谱(XPS) 0 引言 高迁移率的III---V型半导体材料(如GaAs和InGaAs)作为CMOS导电层中硅的替代品已备受关注。大多数III---V型半导体材料通常具有高电子迁移率，而空穴迁移率很低，因此，高空穴迁移率的GaSb材料备受重视。此外，GaSb的晶格常数使其适于作为AIGaIn、AsSb等三元或四元III---V型半导体，以及其他超晶格结构的外延生长表面。但GaSb在空气中易氧化，氧化后的GaSb获得了高密度表面态及无发射的复合中心，使得由此制得的设备性能不理想。为阻止氧化，已有研究结果表明，很多III---V型半导体在经硫基试剂处理后，表面发生了"钝化"。 半导体的钝化是指人为在材料表面生成绝缘表面，通过与外部环境的隔绝来提高电化学稳定性，并提供阻止半导体中电子向表面层转移的合适势垒。硫钝化工艺是目前主流的Ga化合物半导体的钝化手段，通过特定硫基溶液处理后，GaAs和GaSb降低了中间空隙表面态的密度，活性区域增加，从而发生频带偏移。为研究硫钝化工艺对晶片表面质量的影响，本文首先对GaSb晶片进行了化学机械抛光(CMP)，随后选取一种常用的硫钝化试剂------硫化铵溶液进行表面处理，通过不同条件下的结果对比讨论了硫钝化中的最优工艺效果。该结果由原子力显微镜(AFM)和X线光电子能谱(XPS)进行了测试和表征。 1 实验 实验对象是自行生长的非掺杂GaSb晶体样品，晶片厚500um，(100)取向。 首先，配制成分为硅溶胶：水：双氧水一1：10：0．3(体积比)的抛光液，选取5枚晶片，以70 r／min转速抛光2 h。抛光结束后，短时间内用大量去离子水冲去抛光液，然后立即将晶片整片浸入钝化液中，钝化液选用质量分数为10％的硫化铵溶液，钝化温度为室温。分别浸入不同时间后取出，清洗干燥后，利用X线光电子能谱(XPS)和原子力显微镜(AFM)进行表面测试。 2 结果与讨论 首先利用XPS对不同组晶片表面的化学成分进行了测试。图1为样品的XPS测试结果对比示意图。 为表征Ga和Sb两种元素的不同变化情况，我们分别截取了图谱中Ga3d区域和Sb3ds，z区域的相关峰位。 经去卷积化处理后，各峰位对应结合能取值参考文献。对于抛光后未经钝化的晶片，其表面的Ga全部以Ga---O键的形式存在，而Sb易与O结合，这说明，未处理的GaSb表面已完全被氧化层覆盖。而经一段时间的钝化处理后，Ga 3d区域在象征未键合Ga和Ga---Sb键的位置出现了明显的特征峰，且其强度超过了原有的Ga一0键；而Sb3d2/3区域处，未键合Sb元素的特征峰增强，且出现了Sb---S特征峰，二者都是硫钝化层形成的标志。 Ga和Sb在受S钝化的情况下，表现出了不同的作用方式，如Sb与S的键合，而Ga未与S键合，以及Ga在硫S钝化后，Ga---O键未表现出明显的减少趋势等。这与两种元素的化学性质有关，即与Sb---O键相比，Ga---O键在对抗脱氧化时的相对阻力较大，使S在与0争夺反应资源时处于劣势。 当GaSb晶体暴露于硫化物溶液时，表面发生的硫钝化反应原理可表示为 GaSb+HS一+H20-------Gax. Sy+SbxSy+OH-+H2 (1) 式中化学计量数x y、xn和yn可取1～4之间的值。 在式(1)涉及到的反应物和生成物中，Sb(III)和Sb(V)倾向于生成可溶性的阴离子化合物，给体原子可是0，也可是S，但二者的稳定性有区别。与Sb(V)相比，Sb(III)因其更强的Lewis酸性，是一种更活泼的基体，其更倾向于与S结合，即更有效地脱氧化。因此，S基阴离子配位化合物(如SbS4^3-^)的形成，可同时造成Sb(III)一O和Sb(V)一O的消除。而Ga在与0结合后表现出了更多的化学惰性，反应中的Ga---S键只作为中间体存在，将迅速转化为Ga单体、Ga---Sb键或Ga一0键。这解释了为什么Ga---O仍顽固地存在GaSb表面，同时无法在钝化层中检测到Ga---S键的存在。 在对比实验中，还可得出，钝化时间的延长对Ga的硫化程度影响不大，而钝化时间的延长对Sb的硫化程度影响较明显，这同样也与上文所述的二者反应活性差别有关。 实际应用中，晶片的表面粗糙度是很重要的技术指标，对晶片进行了原子力显微镜测试，如图2所示。 由图2(a)可看出，抛光后未经处理的晶片，其在10um×10um的范围内出现了数条较明显的划痕，这是抛光工艺中的残留。由图2(b)、(c)可看出，晶片虽划痕仍可被模糊地分辨，但不明显。由图2(d)、(e)可看出，晶片上已无可见的划痕。但这并不能说明晶片的表面质量在钝化中获得了改善，因为从AFM图像表征的粗糙度数据(反应于坐标尺度的范围值)可看出，实际上晶片表面的起伏程度是在随着钝化时间的延长而逐渐加大的。因此，本来存在的划痕可能并没有消失，而是因划痕较浅(由图2(a)可判断，划痕约2 nm深)而变得不可见。 由AFM测试同时测得的晶片表面粗糙度R。，可定量反应晶片的表面质量，测得5组晶片的R。分别为0．589 nm、0．641 nm、0．821 nm、1．060 nm及1．370 nm，由此可看出，钝化时间对R。数据的影响情况，即证明了关于表面质量变化趋势的推测：将钝化时间控制在30 S，抛光片表现出最低的表面粗糙度，即最好的表面质量；而经处理的样品，其R。随着处理时间的延长而逐步加大。这说明钝化液的成分对GaSb晶片具有一定的腐蚀作用，且该腐蚀作用的程度随着时间的延长而逐步加深。抛光是晶片平整化过程中最重要的手段，因此，R。数值普遍被认为越低越好。从这个角度来说，钝化时间应控制，以保证处理后晶片的R。保持在可接受范围内。 3 结束语 本文对一组GaSb晶片进行了化学机械抛光，并对其进行了不同时长的S钝化处理，晶片的表面状况通过原子力显微镜、X线光电子能谱等测试手段进行了表征。结果表明，抛光后的晶片表面被氧化层覆盖，而硫化铵溶液的处理可有效地在表面生成硫化物层，其中Ga的硫化程度有限，而Sb的硫化程度更完全，且随着硫化时间的延长而逐渐加大。另一方面，硫化铵溶液对抛光面造成腐蚀，随着处理时间的延长，晶片表面起伏加剧，表面粗糙度R。数值升高。在化学机械抛光工艺后，根据应用中的实际需求，平衡晶片的硫化程度和表面粗糙度，是选择硫钝化工艺参数的重点。