書籍：《炬豐科技-半導(dǎo)體工藝》

文章：GaN 基板的表面處理

編號(hào)：JFSJ-21-007

作者：炬豐科技

直接比較了 GaN 襯底的表面處理方法，即使用膠體二氧化硅漿料的化學(xué)機(jī)械拋光 (CMP) 和使用 SiCl4 氣體的電感耦合等離子體 (ICP) 干蝕刻，并總結(jié)了它們的優(yōu)缺點(diǎn)。從陰極發(fā)光 (CL) 發(fā)射光譜的強(qiáng)度和 CL 成像評(píng)估次表面損傷。盡管 CMP 完成的 GaN 襯底表現(xiàn)出完美的表面，沒有劃痕和亞表面損傷，但實(shí)現(xiàn)的去除率不夠高。另一方面，ICP 干蝕刻被認(rèn)為只能以非常高的去除率去除次表面損傷，但不能去除機(jī)械過程引起的劃痕。此外，建議在 ICP 干蝕刻過程中引入等離子體引起的損傷。本研究通過展示 CMP 完成的 GaN 襯底的 ICP 干法蝕刻，顯示了引入等離子體誘導(dǎo)損傷的明確證據(jù)，該損傷是源自干法蝕刻的機(jī)械效應(yīng)（如離子轟擊）的點(diǎn)缺陷網(wǎng)絡(luò)。通過討論 CL 強(qiáng)度下降的原因。在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，總結(jié)了當(dāng)前 CMP 和 ICP 干蝕刻需要解決的問題，以開發(fā)適用于 III 族氮化物外延的 GaN 襯底的表面處理。本研究通過展示 CMP 完成的 GaN 襯底的 ICP 干法蝕刻并討論 CL 強(qiáng)度下降的原因來顯示。在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，總結(jié)了當(dāng)前 CMP 和 ICP 干蝕刻需要解決的問題，以開發(fā)適用于 III 族氮化物外延的 GaN 襯底的表面處理。本研究通過展示 CMP 完成的 GaN 襯底的 ICP 干法蝕刻并討論 CL 強(qiáng)度下降的原因來顯示。在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，總結(jié)了當(dāng)前 CMP 和 ICP 干蝕刻需要解決的問題，以開發(fā)適用于 III 族氮化物外延的 GaN 襯底的表面處理。

一??介紹

單晶體 GaN 襯底是最有希望替代藍(lán)寶石襯底的候選者之一，藍(lán)寶石襯底常用于 III 族氮化物器件，如發(fā)光二極管 (LED) 和激光二極管 (LD)，并改進(jìn) III 族氮化物器件通過實(shí)現(xiàn) III 族氮化物器件薄膜的同質(zhì)外延生長，顯著提高了性能。塊狀 GaN 單晶可以通過高壓溶液生長 (HPGS) 生長，?氫化物氣相外延 (HVPE)、氨熱生長、和液相外延 (LPE)。塊狀晶體生長后，晶體經(jīng)歷晶圓加工，包括切割、研磨、機(jī)械拋光和化學(xué)機(jī)械拋光 (CMP)。機(jī)械加工產(chǎn)生的表面具有密集的劃痕和損壞網(wǎng)絡(luò)。然而，要通過同質(zhì)外延在 GaN 襯底上獲得高性能的薄膜器件，必須使 GaN 襯底的表面沒有劃痕和損壞。因此，晶圓工藝的最后一步 CMP 對后續(xù)同質(zhì)外延 GaN 薄膜和相關(guān)器件的質(zhì)量起著極其重要的作用。最近，我們首次報(bào)道了使用膠體二氧化硅漿液通過 CMP 獲得無劃痕和亞表面損傷的完美 GaN 表面，據(jù)我們所知，這是唯一一份處理 GaN 襯底完整 CMP 的報(bào)告。在報(bào)告中，我們確認(rèn)了 CMP 對 GaN 襯底作為表面處理的可行性，以生產(chǎn)完全沒有損壞和劃痕的表面。然而，由于 GaN 的 Ga 面對幾乎所有化學(xué)溶液都呈惰性，CMP 對 GaN 的去除率不足以應(yīng)用該生產(chǎn)工藝?？紤]到 CMP 對 GaN 襯底的發(fā)展不足，干蝕刻被廣泛用作 GaN 襯底的最終表面處理，因?yàn)樗呀?jīng)普遍用于在 LED 和 LD 的器件工藝中生產(chǎn)氮化物薄膜的臺(tái)面結(jié)構(gòu)。反應(yīng)離子蝕刻 (RIE)，這種方法使用了電子回旋共振 (ECR) 和電感耦合等離子體 (ICP) 技術(shù)。等離子干蝕刻最重要的特點(diǎn)是 GaN 的蝕刻速率比濕工藝快得多。然而，一般來說，等離子干蝕刻去除了機(jī)械拋光引起的亞表面損傷，但不能去除劃痕，因?yàn)楦晌g刻隨機(jī)進(jìn)行而不參考平面。因此，干蝕刻前的機(jī)械加工產(chǎn)生的劃痕會(huì)殘留在干蝕刻后的表面上。除此之外，

如上所述，CMP 和干蝕刻似乎各有優(yōu)缺點(diǎn)。但是，沒有關(guān)于它們的系統(tǒng)比較的報(bào)告。因此，在本文中，我們首次對 CMP 和 ICP 干蝕刻 GaN 襯底表面處理方法進(jìn)行了直接比較。使用膠體二氧化硅漿料的 CMP 和使用 SiCl4 的 ICP 干蝕刻都應(yīng)用于通過使用金剛石磨料進(jìn)行機(jī)械拋光預(yù)處理的 GaN 襯底?？偨Y(jié)了 CMP 和 ICP 干蝕刻表面處理方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并分別討論了影響表面粗糙度、損傷去除和每個(gè)過程中引入的損傷的因素，以深入了解合適的表面處理方法。用于外延的 GaN 襯底。此外，我們將首次展示通過將 ICP 干法蝕刻應(yīng)用于 CMP 完成的 GaN 襯底引入等離子體誘導(dǎo)損傷的明確證據(jù)。還詳細(xì)討論了等離子體干蝕刻對GaN襯底產(chǎn)生等離子體誘導(dǎo)損傷的可能原因。

二??實(shí)驗(yàn)程序

1.GaN 襯底的金剛石拋光作為最終表面的預(yù)處理治療

本研究使用了來自商業(yè)來源的研磨后的 GaN 襯底。在使用 CMP 或干法蝕刻進(jìn)行最終表面處理之前，使用尺寸逐漸減小的金剛石磨料分幾個(gè)步驟用金剛石磨料對 GaN 襯底進(jìn)行機(jī)械拋光。作為第一步，使用 2.0 微米直徑的金剛石磨料（2.0 微米金剛石磨料）去除初始表面粗糙度。使用 2.0 μm 金剛石磨料拋光后，使用 0.5 μm 直徑金剛石磨料（0.5 μm 金剛石磨料）進(jìn)行第二次金剛石拋光。在最終表面處理之前，一些用 0.5 μm 金剛石磨料拋光的 GaN 襯底用 0.25 μm 金剛石磨料（0.25 μm 金剛石磨料）進(jìn)行進(jìn)一步拋光。

2.GaN襯底的CMP處理

在金剛石拋光之后，在GaN襯底中采用CMP。具有 300 毫米直徑壓板的桌面拋光機(jī)用于 CMP 工藝。典型的 CMP 條件在別處有描述。(7) 在 CMP 漿料的幾種候選中，膠體二氧化硅是最流行的，在實(shí)際工業(yè)中用于硅、玻璃和藍(lán)寶石襯底的 CMP。因此，選擇市售的膠體二氧化硅作為用于GaN襯底的CMP的漿料。在典型的 CMP 條件下，CMP 去除 GaN 的速率為 17 nm/h。

3.GaN襯底的ICP干法刻蝕

干蝕刻也應(yīng)用于通過用金剛石磨料機(jī)械拋光預(yù)處理的基材。在幾種干蝕刻技術(shù)中，我們采用了 ICP 蝕刻。這是因?yàn)?ICP 蝕刻可以在保持快速蝕刻速率的同時(shí)最大限度地減少損壞。此外，一般認(rèn)為 ICP 蝕刻在生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大、改善大面積等離子體均勻性和低運(yùn)營成本方面具有若干優(yōu)勢。 (8) 市售的干法蝕刻機(jī)，通常用于制造LED 的臺(tái)面結(jié)構(gòu)，用于 GaN 的干蝕刻基質(zhì)。使用SiCl4氣體

作為蝕刻氣體。通過改變偏置功率，應(yīng)用兩種不同的蝕刻速率來蝕刻 GaN 襯底：185 和 685 nm/min，這是用于生產(chǎn) LED 和 LD 的臺(tái)面結(jié)構(gòu)的蝕刻速率的典型范圍。文章全部詳情，請加V獲?。篽lknch?/ xzl1019

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4.?表面處理后的表面和次表面評(píng)估

通過光學(xué)顯微鏡（OM）和原子力顯微鏡（AFM）評(píng)估表面粗糙度。通常，使用金剛石磨料進(jìn)行機(jī)械拋光會(huì)在基材的表面區(qū)域處或附近產(chǎn)生位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)。與劃痕等表面缺陷相關(guān)的位錯(cuò)可以通過常規(guī)表面分析（例如 OM 和 AFM）進(jìn)行評(píng)估。然而，對于地下位錯(cuò)，我們需要一種不同的方法來可視化它們的存在。在這項(xiàng)工作中，通過陰極發(fā)光 (CL) 強(qiáng)度評(píng)估機(jī)械拋光引起的亞表面損傷的去除，并通過 CL 成像在視覺上理解。由于位錯(cuò)區(qū)作為非輻射復(fù)合位點(diǎn)，位錯(cuò)在 CL 圖像中表現(xiàn)為暗區(qū)，導(dǎo)致 CL 強(qiáng)度降低。

三??結(jié)果和討論

1.GaN襯底的CMP處理

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