一種在室溫環(huán)境下向砷化鎵材料引入雜質(zhì)的方法
【專利摘要】本發(fā)明公布了一種在室溫環(huán)境下向砷化鎵材料中引入雜質(zhì)的方法，是在室溫環(huán)境下利用惰性氣體產(chǎn)生的等離子體處理固態(tài)雜質(zhì)源，使雜質(zhì)源的原子或離子進入等離子體，這些原子或離子通過與等離子體中正離子和電子碰撞獲得動能，進而進入砷化鎵材料中。本方法由于不需高溫，不僅可以用于砷化鎵晶片的摻雜，還可以用于砷化鎵器件的摻雜，與傳統(tǒng)的高溫擴散和離子注入工藝相比，既便捷又經(jīng)濟。
【專利說明】
一種在室溫環(huán)境下向砷化鎵材料引入雜質(zhì)的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種在室溫環(huán)境下向砷化鎵材料中引入雜質(zhì)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]砷化鎵中雜質(zhì)對砷化鎵的性質(zhì)有十分重要的影響，離開了雜質(zhì)，砷化鎵很少有什么應(yīng)用。半導(dǎo)體摻雜工藝在整個半導(dǎo)體工業(yè)中具有重要的意義，向純的砷化鎵中引入二族元素鈹、鎂、鋅等雜質(zhì)會得到P型砷化鎵，而向純的砷化鎵中引入六族元素硫、砸等雜質(zhì)會得至IJn型砷化鎵。在η型砷化鎵表面引入受主雜質(zhì)，或在P型砷化鎵表面引入施主雜質(zhì)都可以得到砷化鎵ρ-η結(jié)，它是許多砷化鎵器件的基礎(chǔ)。將鉻摻入砷化鎵中，深受主能級位于砷化鎵禁帶中央附近，因此，在η型砷化鎵中摻入鉻，由于鉻深受主對η型砷化鎵中淺施主的補償作用，可得到電阻率很高的半絕緣砷化鎵。半絕緣砷化鎵是高速、高頻器件及電路、光電集成電路的重要襯底材料。有研究表明，在砷化鎵生長過程中摻入一定量的銦，可以使砷化鎵晶體中位錯密度降低數(shù)個量級。
[0003]離子注入和高溫擴散是半導(dǎo)體摻雜的主要方法。一直到20世紀七十年代，雜質(zhì)摻雜主要靠高溫擴散來完成，在這種摻雜方法中雜質(zhì)的分布主要是由溫度與擴散時間決定。離子注入工藝中摻雜離子以離子束的形式注入到半導(dǎo)體中，雜質(zhì)分布主要由注入能量和離子種類決定。對于砷化鎵的高溫擴散摻雜工藝而言，因砷的蒸汽壓高，需要采用特定措施來防止砷的蒸發(fā)，否則砷和鎵數(shù)量之比會嚴重偏離1:1。另一方面，由于離子注入會在砷化鎵中造成大量晶格缺陷，消除這些缺陷需要對砷化鎵進行退火處理，與前述高溫擴散一樣，退火過程中的高溫會使砷蒸發(fā)，須在砷化鎵表面加上二氧化硅或氮化硅的保護層后再退火。因此，離子注入和高溫擴散給砷化鎵的摻雜工藝增加了步驟，降低了工業(yè)生產(chǎn)的效率，對砷化鎵來說，尋找一種室溫摻雜工藝有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種成本低廉、簡單便捷的可在室溫環(huán)境下向砷化鎵材料中引入雜質(zhì)的方法。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0006]—種向砷化鎵材料中引入雜質(zhì)的方法，在室溫環(huán)境下利用惰性氣體產(chǎn)生的等離子體處理固態(tài)雜質(zhì)源，使雜質(zhì)源的原子或離子進入等離子體，雜質(zhì)原子或離子與等離子體中正離子和電子碰撞獲得動能，進而進入到砷化鎵材料中。
[0007]具體的，本發(fā)明的方法在等離子體發(fā)生器的腔體中進行，將固態(tài)雜質(zhì)源放置在等離子發(fā)生器腔體中等離子體密度最大的位置，而待摻雜砷化鎵材料放置在等離子體密度較小的位置，以惰性氣體作為工作氣體，在I?2500W功率下進行等離子體處理I?60min。
[0008]本發(fā)明中待摻雜砷化鎵材料可以是砷化鎵晶片，也可以是已部分完成的砷化鎵器件。優(yōu)選的，在放置砷化鎵晶片或砷化鎵器件時，使其待摻雜的那一面面向固態(tài)雜質(zhì)源。
[0009]本發(fā)明的方法可利用電感親合等離子體(Inductively Coupled Plasma，簡稱ICP)發(fā)生器進行，也可以利用電容耦合等離子體發(fā)生器進行。以ICP設(shè)備為例，其具有兩套射頻電源:一套射頻電源叫激勵電源，其作用是激活反應(yīng)室內(nèi)的工作氣體，使之電離，在反應(yīng)室內(nèi)產(chǎn)生高密度等離子體；另一套射頻電源叫偏壓電源，其主要作用是引導(dǎo)離子在垂直于被刻蝕物體方向運動。在利用ICP發(fā)生器時，僅使用激勵等離子體產(chǎn)生的激勵電源，而不使用偏壓電源。此外，工作氣體使用惰性氣體，例如氦氣、氬氣，而不使用Cl2XF4等刻蝕氣體，因此，摻雜時等離子體對砷化鎵材料的表面幾乎沒有刻蝕作用。
[0010]所述固體雜質(zhì)源例如金片、鋁絲、鋅錠等等，可以是金屬材料，也可以是非金屬材料。本發(fā)明的方法可以在室溫環(huán)境下將In、Sn、Zn、Ge、Au、Mn、Al、Mg等金屬元素，以及S1、P、C、B、F、S、N等非金屬元素引入砷化鎵材料中。實驗表明，此摻雜方法中引入雜質(zhì)的數(shù)量既與等離子體的密度，即激勵射頻的功率有關(guān)，也和處理時間有關(guān)。雜質(zhì)進入的深度取決于雜質(zhì)原子本身的性質(zhì)，等離子體激勵射頻的功率和處理時間。
[0011]上述方法中，作為工作氣體的惰性氣體常用的有氦氣、氬氣，進行等離子體處理時工作氣體的流量I?10sccm，優(yōu)選為10?40sccm。
[0012]上述方法等離子體處理的功率優(yōu)選為50?1000W，更優(yōu)選為100?750W;處理時間優(yōu)選為2?lOmin。
[0013]在本發(fā)明方法中，為了避免將不需要的腔體材料的原子也摻入待摻砷化鎵材料中去，在所使用的等離子體發(fā)生器腔體中放入兩片大尺寸(例如，6吋)的高純砷化鎵片，遮擋等離子體發(fā)生器的腔體壁，將固態(tài)雜質(zhì)源和待摻雜砷化鎵材料都置于這兩大片高純砷化鎵片之間。這兩大片高純砷化鎵片不會阻礙等離子體起作用，但可以阻擋腔體原子進入待摻雜砷化鎵材料中去。
[0014]室溫環(huán)境下等離子體摻雜的可能的原理如下:
[0015]以載氣為氦氣為例，在等離子體處理過程中，激勵射頻中的電磁場將電子加速，電子與載氣中He原子碰撞，將其離化成He+離子，它和電子構(gòu)成等離子體。在等離子體中電子溫度很高，可達2000-10000K。一方面，等離子中高速運動的正離子和電子轟擊雜質(zhì)源表面，使雜質(zhì)源表層原子或離子進入等離子體氣氛中，并通過碰撞迅速獲得動能。另一方面，高速運動的正離子和電子撞擊砷化鎵材料表面，在其表面產(chǎn)生空位型缺陷。在等離子體處理過程中，這些空位型缺陷會不斷釋放空位(V)。實驗表明，在室溫下，空位(V)在砷化鎵中就能擴散。為方便書寫，在這里，雜質(zhì)原子M處于砷化鎵Ga原子位，記為MGa;M處于砷化鎵As原子位，記為Mas。雜質(zhì)原子處于間隙時記為跑。
[0016]在等離子體處理過程中，根據(jù)等離子體中的雜質(zhì)原子或離子體型大小，其進入砷化鎵中的方式可分為兩種:一種是體型較小的雜質(zhì)原子或離子可以直接從晶格間隙進入砷化鎵中并在間隙中運動；另一種是體型較大的雜質(zhì)原子或離子首先吸附在砷化鎵材料表面，當(dāng)體內(nèi)空位移動到吸附雜質(zhì)原子或離子旁邊時，雜質(zhì)原子或離子就可以跳入空位，并通過后續(xù)的空位向體內(nèi)運動。室溫下在完整的砷化鎵晶格中，擴散系數(shù)大于McjPMAs的擴散系數(shù)，這是因為處于代位的雜質(zhì)原子或離子的擴散要以近鄰存在空位為前提，而M1的擴散不需要此前提。本發(fā)明方法在表面引入的空位型缺陷不斷釋放V，而且室溫下V可在砷化鎵晶格中快速擴散。當(dāng)V運動到Mca或者Mas旁邊時，Mca或Mas即可進入近鄰的V，即從一個格點運動到另一個格點，其擴散系數(shù)比完整晶格中的Mca或-8的擴散系數(shù)大大增加。
[0017]據(jù)文獻報道，砷化鎵中的雜質(zhì)原子一般處于代位，取代Ga格點即為Mca，取代As格點即為Mas，最終處于何種代位取決于這些雜質(zhì)在所處格點時的自由能，雜質(zhì)原子傾向于自由能較低的位置。
[0018]前述通過間隙或空位進入砷化鎵中的雜質(zhì)原子或離子，在初期，其能量遠較室溫下的熱平衡動能為大，經(jīng)過與晶格原子的多次碰撞，逐漸進入室溫下的熱平衡狀態(tài)，即自由能最低的狀態(tài)。如果雜質(zhì)原子或離子以間隙狀態(tài)進入砷化鎵，而其熱平衡狀態(tài)是代位，這種雜質(zhì)原子或離子最終應(yīng)處于代位，其后續(xù)運動借助空位來進行；另外，在熱平衡的條件下，一種雜質(zhì)在砷化鎵中的溶解度是一定的，濃度超過溶解度的那部分雜質(zhì)原子或離子將會分凝出來。
[0019]不排除可能存在其它的機制，進一步的機理研究還在進行中。
[0020]本發(fā)明在室溫環(huán)境下利用等離子體向砷化鎵材料中引入雜質(zhì)，雜質(zhì)種類包括金屬和非金屬。由于本方法在室溫環(huán)境下實現(xiàn)，與傳統(tǒng)的高溫擴散和離子注入工藝相比，既便捷又經(jīng)濟。更值得一提的是本摻雜方法中樣品表面摻雜濃度較高，并且可同時引進多種雜質(zhì)。
【附圖說明】
[0021]圖1.實施例1中等離子體750W 2min摻雜In原子和未作處理的兩片相同η型砷化鎵中In原子濃度分布的S頂S測量結(jié)果。
[0022]圖2.實施例2中等離子體750W 2min摻雜Sn原子和未作處理的兩片相同η型砷化鎵中Sn原子濃度分布的S頂S測量結(jié)果。
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步說明，但不以任何方式限制本發(fā)明的范圍。
[0024]實施例1:
[0025]選用液封直拉法生長的η型砷化鎵單晶，單面拋光，電阻率16Ω.cm。首先將砷化鎵用丙酮、乙醇、去離子水分別進行超聲清洗lOmin。在ICP腔體中，在腔體上方放置純的砷化鎵圓片，腔體底部放置另一片同樣大小的純的砷化鎵圓片。將In錠放在底部砷化鎵圓片的中心，而將待摻雜的砷化鎵樣品放置底部砷化鎵圓片邊緣，樣品拋光面朝上。接著對砷化鎵片的拋光面進行ICP處理，載氣為氦氣，流量22SCCm，真空度5E-3Pa左右，處理時間2min，功率選用750W。之后利用SMS手段得到經(jīng)ICP處理后的砷化鎵樣品中In雜質(zhì)濃度隨深度的分布，結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出，ICP750W處理后，砷化鎵中的In的濃度大大增加，表面濃度達到119Cnf3以上，擴散深度40nm左右，說明該摻雜方法成功地將In雜質(zhì)引入了砷化鎵材料中。
[0026]實施例2:
[0027]選用液封直拉法生長的η型砷化鎵單晶，單面拋光，電阻率16Ω.cm。首先將砷化鎵用丙酮、乙醇、去離子水分別進行超聲清洗lOmin。在ICP腔體中，在腔體上方放置純的砷化鎵圓片，腔體底部放置另一片同樣大小的純的砷化鎵圓片。將In錠放在底部砷化鎵圓片的中心，而將待摻雜的砷化鎵樣品放置底部砷化鎵圓片邊緣，樣品拋光面朝上。接著對砷化鎵片的拋光面進行ICP處理，載氣為氦氣，流量22SCCm，真空度5E-3Pa左右，處理時間2min，功率選用750W。之后利用SMS手段得到經(jīng)ICP處理后的樣品中Sn雜質(zhì)濃度隨深度的分布，結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，ICP750W處理后，砷化鎵中的Sn的濃度大大增加，表面濃度達至Ij121CnT3左右，擴散深度40nm左右，說明該摻雜方法成功地將Sn雜質(zhì)引入了砷化鎵材料中。
【主權(quán)項】
1.一種向砷化鎵材料中引入雜質(zhì)的方法，在室溫環(huán)境下利用惰性氣體產(chǎn)生的等離子體處理固態(tài)雜質(zhì)源，使雜質(zhì)源的原子或離子進入等離子體，雜質(zhì)原子或離子與等離子體中正離子和電子碰撞獲得動能，進而進入到砷化鎵材料中。2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法在等離子體發(fā)生器的腔體中進行，將固態(tài)雜質(zhì)源放置在等離子發(fā)生器腔體中等離子體密度最大的位置，而待摻雜砷化鎵材料放置在等離子體密度較小的位置，以惰性氣體作為工作氣體，在I?2500W功率下進行等離子體處理I?60min。3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述砷化鎵材料砷化鎵晶片或砷化鎵器件。4.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，在進行等離子體處理時，所述砷化鎵材料待引入固體雜質(zhì)的那一面面向固態(tài)雜質(zhì)源。5.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述固體雜質(zhì)源是金屬材料或非金屬材料。6.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，向砷化鎵材料中引入的固態(tài)雜質(zhì)選自下列金屬元素中的一種或多種:111、311、211、66、411、]/[11、41和1%;和/或，選自下列非金屬元素中的一種或多種:S1、P、C、B、F、S和N。7.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述惰性氣體是氦氣和/或氬氣，進行等離子體處理時惰性氣體的流量為I?lOOsccm。8.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，等離子處理的功率為50?1000W，時間為2?1min09.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述等離子體發(fā)生器是電感耦合等離子體發(fā)生器或電容耦合等離子體發(fā)生器;對于電感耦合等離子體發(fā)生器，僅使用其激勵電源產(chǎn)生等離子體，而不使用偏壓電源。10.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，在等離子發(fā)生器腔體中放入兩片高純砷化鎵片遮擋等離子體發(fā)生器的腔體壁。
【文檔編號】H01L21/223GK105931951SQ201610420343
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月13日
【發(fā)明人】秦國剛, 李磊, 侯瑞祥, 徐萬勁
【申請人】北京大學(xué)