一種在室溫環境下向砷化鎵材料引入雜質的方法
【專利摘要】本發明公布了一種在室溫環境下向砷化鎵材料中引入雜質的方法，是在室溫環境下利用惰性氣體產生的等離子體處理固態雜質源，使雜質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，與傳統的高溫擴散和離子注入工藝相比，既便捷又經濟。
【專利說明】
一種在室溫環境下向砷化鎵材料引入雜質的方法
技術領域
[0001]本發明涉及半導體技術領域，具體涉及一種在室溫環境下向砷化鎵材料中引入雜質的方法。
【背景技術】
[0002]砷化鎵中雜質對砷化鎵的性質有十分重要的影響，離開了雜質，砷化鎵很少有什么應用。半導體摻雜工藝在整個半導體工業中具有重要的意義，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、砸等雜質會得至IJn型砷化鎵。在η型砷化鎵表面引入受主雜質，或在P型砷化鎵表面引入施主雜質都可以得到砷化鎵ρ-η結，它是許多砷化鎵器件的基礎。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個量級。
[0003]離子注入和高溫擴散是半導體摻雜的主要方法。一直到20世紀七十年代，雜質摻雜主要靠高溫擴散來完成，在這種摻雜方法中雜質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體中，雜質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，否則砷和鎵數量之比會嚴重偏離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，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，降低了工業生產的效率，對砷化鎵來說，尋找一種室溫摻雜工藝有重要意義。

【發明內容】

[0004]本發明的目的在于提供一種成本低廉、簡單便捷的可在室溫環境下向砷化鎵材料中引入雜質的方法。
[0005]本發明的技術方案如下:
[0006]—種向砷化鎵材料中引入雜質的方法，在室溫環境下利用惰性氣體產生的等離子體處理固態雜質源，使雜質源的原子或離子進入等離子體，雜質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，本發明的方法在等離子體發生器的腔體中進行，將固態雜質源放置在等離子發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雜質源。
[0009]本發明的方法可利用電感親合等離子體(Inductively Coupled Plasma，簡稱ICP)發生器進行，也可以利用電容耦合等離子體發生器進行。以ICP設備為例，其具有兩套射頻電源:一套射頻電源叫激勵電源，其作用是激活反應室內的工作氣體，使之電離，在反應室內產生高密度等離子體；另一套射頻電源叫偏壓電源，其主要作用是引導離子在垂直于被刻蝕物體方向運動。在利用ICP發生器時，僅使用激勵等離子體產生的激勵電源，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。本發明的方法可以在室溫環境下將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的數量既與等離子體的密度，即激勵射頻的功率有關，也和處理時間有關。雜質進入的深度取決于雜質原子本身的性質，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，優選為10?40sccm。
[0012]上述方法等離子體處理的功率優選為50?1000W，更優選為100?750W;處理時間優選為2?lOmin。
[0013]在本發明方法中，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，遮擋等離子體發生器的腔體壁，將固態雜質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源表面，使雜質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。雜質原子處于間隙時記為跑。
[0016]在等離子體處理過程中，根據等離子體中的雜質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原子或離子首先吸附在砷化鎵材料表面，當體內空位移動到吸附雜質原子或離子旁邊時，雜質原子或離子就可以跳入空位，并通過后續的空位向體內運動。室溫下在完整的砷化鎵晶格中，擴散系數大于McjPMAs的擴散系數，這是因為處于代位的雜質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，其擴散系數比完整晶格中的Mca或-8的擴散系數大大增加。
[0017]據文獻報道，砷化鎵中的雜質原子一般處于代位，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在所處格點時的自由能，雜質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，經過與晶格原子的多次碰撞，逐漸進入室溫下的熱平衡狀態，即自由能最低的狀態。如果雜質原子或離子以間隙狀態進入砷化鎵，而其熱平衡狀態是代位，這種雜質原子或離子最終應處于代位，其后續運動借助空位來進行；另外，在熱平衡的條件下，一種雜質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]本發明在室溫環境下利用等離子體向砷化鎵材料中引入雜質，雜質種類包括金屬和非金屬。由于本方法在室溫環境下實現，與傳統的高溫擴散和離子注入工藝相比，既便捷又經濟。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。
【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測量結果。
【具體實施方式】
[0023]下面結合實施例對本發明作進一步說明，但不以任何方式限制本發明的范圍。
[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ICP處理后的砷化鎵樣品中In雜質濃度隨深度的分布，結果如圖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ICP處理后的樣品中Sn雜質濃度隨深度的分布，結果如圖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雜質引入了砷化鎵材料中。
【主權項】
1.一種向砷化鎵材料中引入雜質的方法，在室溫環境下利用惰性氣體產生的等離子體處理固態雜質源，使雜質源的原子或離子進入等離子體，雜質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.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法在等離子體發生器的腔體中進行，將固態雜質源放置在等離子發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的那一面面向固態雜質源。5.如權利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述固體雜質源是金屬材料或非金屬材料。6.如權利要求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雜質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.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述等離子體發生器是電感耦合等離子體發生器或電容耦合等離子體發生器;對于電感耦合等離子體發生器，僅使用其激勵電源產生等離子體，而不使用偏壓電源。10.如權利要求2所述的方法，其特征在于，在等離子發生器腔體中放入兩片高純砷化鎵片遮擋等離子體發生器的腔體壁。
【文檔編號】H01L21/223GK105931951SQ201610420343
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月13日
【發明人】秦國剛, 李磊, 侯瑞祥, 徐萬勁
【申請人】北京大學