一种InP基半导体器件的分子束外延工艺优化方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种InP基半导体器件的分子束外延工艺优化方法。

背景技术

与GaAs基化合物半导体材料相比，InP基化合物半导体材料具有更大的电子饱和速度，InP的击穿电压更高，其独特的性能成为发展高频、高速器件的首选材料。InP基半导体器件比GaAs基半导体器件具有更高的转换效率、更高的工作频率、更大的输出功率、更好的噪声特性以及抗辐照性能。因此，随着化合物半导体技术的进步，对于高性能InP基半导体器件的需求大幅增加。

InP基半导体器件可以采用分子束外延技术来制备，在制备过程中，首先需要在分子束外延设备中对InP衬底进行高温脱膜处理，以去除InP衬底表面的自然氧化物，然后再根据器件结构设计，沉积生长对应的外延层。在InP基半导体器件的大规模批量生产中，分子束外延高温脱膜工艺的优劣，直接影响着所制备的InP基半导体器件外延片的表面缺陷密度，进而影响最终器件的良率和可靠性。脱膜时间过长或者过短，都会增大衬底表面的缺陷密度。外延片的表面缺陷越多，器件的良率越低，同时器件的可靠性越差。

因此，对于InP基半导体器件的批量生产，需要提出一种分子束外延脱膜工艺的优化技术，以降低InP基半导体器件外延片的表面缺陷密度，改善InP基半导体器件外延片的质量。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种InP基半导体器件的分子束外延工艺优化方法，以解决InP基半导体器件外延片的表面质量改善问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明提供了一种InP基半导体器件的分子束外延工艺优化方法，该方法用于对分子束外延生长InP基半导体器件外延片时的衬底脱膜时间进行优化，该方法包括：

在预设As压条件下，采用预设脱膜温度T

在经脱膜后的InP衬底上利用分子束外延生长具有第一预设结构的半导体器件外延层，以形成半导体器件外延片；

对半导体器件外延片进行表面形貌表征测试，以获取半导体器件外延片的表面缺陷数据，表面缺陷数据包括缺陷类型和每种缺陷类型对应的缺陷密度，缺陷类型包括第一类缺陷和第二类缺陷，第一类缺陷是由InP衬底在脱膜时表面自然氧化物未完全脱附而导致的缺陷，第一类缺陷的形貌为椭圆形缺陷，并且在该椭圆形缺陷的内部区域存在点状凸起，第二类缺陷是由InP衬底在脱膜时表面的磷脱附后形成的InAs微晶导致的缺陷，第二类缺陷的形貌为椭圆形缺陷，并且在该椭圆形缺陷的内部区域不存在点状凸起；

基于半导体器件外延片的第一类缺陷的缺陷密度和第二类缺陷的缺陷密度，并根据预先获得的脱膜时间与缺陷密度之间的对应关系，确定下一次生长具有第一预设结构的半导体器件外延片时的InP衬底脱膜时间。

可选地，脱膜时间与缺陷密度之间的对应关系通过如下方式获得：

在预设As压条件下，采用预设脱膜温度T

对所述多个InP基外延片进行表面形貌表征测试，以获取所述多个InP基外延片的表面缺陷数据；

计算所述多个InP基外延片中的每个InP基外延片的缺陷密度参数，由缺陷密度参数以及对应的脱膜时间构成关系矩阵，由关系矩阵来表示脱膜时间与缺陷密度之间的对应关系，缺陷密度参数包括第一类参数和第二类参数，第一类参数为第一类缺陷的缺陷密度与第二类缺陷的缺陷密度的差值，第二类参数为第一类缺陷与第二类缺陷的总缺陷密度，

基于半导体器件外延片的第一类缺陷的缺陷密度和第二类缺陷的缺陷密度，并根据预先获得的脱膜时间与缺陷密度之间的对应关系，确定下一次生长具有所述第一预设结构的半导体器件外延片时的InP衬底脱膜时间，包括：

基于关系矩阵中第二类参数与脱膜时间的对应关系，确定第二类参数最小时对应的脱膜时间，将该脱膜时间作为第一脱膜时间；

基于半导体器件外延片的第一类缺陷的缺陷密度和第二类缺陷的缺陷密度，计算半导体器件外延片的第一类参数；

基于关系矩阵中第一类参数与脱膜时间的对应关系，确定半导体器件外延片的第一类参数对应的脱膜时间，并且将该脱膜时间作为第二脱膜时间；

下一次生长具有第一预设结构的半导体器件外延片时的InP衬底脱膜时间t’由下式确定：

t’=预设脱膜时间+(第一脱膜时间-第二脱膜时间)。

可选地，第一预设结构与第二预设结构为相同的结构。

可选地，基于关系矩阵中第一类参数与脱膜时间的对应关系，确定半导体器件外延片的第一类参数对应的脱膜时间，具体包括：

针对关系矩阵中的第一类参数与脱膜时间，进行多项式拟合，从而获得第一类参数与脱膜时间之间的多项式对应关系；

利用多项式对应关系，计算半导体器件外延片的第一类参数对应的脱膜时间。

可选地，所述多个不同脱膜时间t

可选地，M=5，并且所述多个不同脱膜时间t

可选地，表面形貌表征测试包括：利用金相显微镜在预设倍数下获取待测试的外延片上指定区域的表面形貌照片，然后识别表面形貌照片上的缺陷的缺陷类型，并且统计每种缺陷类型对应的缺陷密度，预设倍数为如下倍数中的一者：200倍或500倍或1000倍。

可选地，指定区域表示以待测试的外延片的中心为圆心，半径为r

可选地，预设As压的压强范围为：大于或等于1×10

可选地，预设脱膜温度T

本发明的有益效果包括：

本发明提供的InP基半导体器件的分子束外延工艺优化方法包括：在预设As压条件下，采用预设脱膜温度T

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明实施例提供的InP基半导体器件的分子束外延工艺优化方法的流程示意图；

图2示出了本发明实施例提供的InP基半导体器件外延片表面缺陷形貌示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

InP基半导体器件可以采用分子束外延技术来制备，在制备过程中，首先需要在分子束外延设备中对InP衬底进行高温脱膜处理，以去除InP衬底表面的自然氧化物，然后再根据器件结构设计，沉积生长对应的外延层。在InP基半导体器件的大规模批量生产中，分子束外延高温脱膜工艺的优劣，直接影响着所制备的InP基半导体器件外延片的表面缺陷密度，进而影响最终器件的良率和可靠性。脱膜时间过长或者过短，都会增大衬底表面的缺陷密度。外延片的表面缺陷越多，器件的良率越低，同时器件的可靠性越差。因此，对于InP基半导体器件的批量生产，需要提出一种分子束外延脱膜工艺的优化技术，以降低InP基半导体器件外延片的表面缺陷密度，改善InP基半导体器件外延片的质量。

图1示出了本发明实施例提供的InP基半导体器件的分子束外延工艺优化方法的流程示意图。

如图1所示，本发明实施例提供了一种InP基半导体器件的分子束外延工艺优化方法，该方法用于对分子束外延生长InP基半导体器件外延片时的衬底脱膜时间进行优化，该方法包括：

步骤101、在预设As压条件下，采用预设脱膜温度T

通常情况下，不同的As压条件，对应不同的最优脱膜条件，在本发明实施例中的所涉及的所有脱膜工艺，均是指在相同的预设As压条件下进行的。可选地，预设As压的压强范围为：大于或等于1×10

由于在优化之前，并不确定最优的脱膜时间，因此可以根据以往经验，在一个合理的范围内选定脱膜时间作为预设脱膜时间。例如，可选地，可以在如下范围内选择任一脱膜时间作为预设脱膜时间：大于或等于3分钟，并且小于或等于11分钟。例如，预设脱膜时间可以为5分钟。

步骤102、在经脱膜后的InP衬底上利用分子束外延生长具有第一预设结构的半导体器件外延层，以形成半导体器件外延片。

在脱膜完成后，根据预先设计要求的半导体器件外延层材料结构，在经脱膜后的InP衬底上进行外延生长，从而获得半导体器件外延片。在所获得的半导体器件外延片表面上，通常会存在各种类型的表面缺陷，这些表面缺陷，有些是由于脱膜工艺引起的，有些是由于衬底本身的质量问题引起的，还有其他一些问题也会引起表面缺陷。不同原因引起的表面缺陷的形貌通常是不一样的。本发明所提出的方法仅仅是针对脱膜工艺中的脱膜时间进行优化，以减少由于脱膜时间不合适而引起的外延片表面缺陷。

步骤103、对半导体器件外延片进行表面形貌表征测试，以获取半导体器件外延片的表面缺陷数据。

表面缺陷数据包括缺陷类型和每种缺陷类型对应的缺陷密度。本发明中所提及的缺陷密度表示单位面积内的缺陷的数目。缺陷类型包括第一类缺陷和第二类缺陷，第一类缺陷是由InP衬底在脱膜时表面自然氧化物未完全脱附而导致的缺陷，第一类缺陷的形貌为椭圆形缺陷，并且在该椭圆形缺陷的内部区域存在点状凸起，第二类缺陷是由InP衬底在脱膜时表面的磷脱附后形成的InAs微晶导致的缺陷，具体地，第二类缺陷是由InP衬底在脱膜时表面的磷脱附后形成的铟点与As结合进而形成的InAs微晶导致的缺陷，第二类缺陷的形貌为椭圆形缺陷，并且在该椭圆形缺陷的内部区域不存在点状凸起。图2示出了本发明实施例提供的InP基半导体器件外延片表面缺陷形貌示意图。如图2所示，在图2中，缺陷201和缺陷204为椭圆形缺陷，并且缺陷201和缺陷204的内部区域存在点状凸起，将缺陷201和缺陷204归类为第一类缺陷，缺陷202、缺陷203以及缺陷205为椭圆形缺陷，并且缺陷202、缺陷203以及缺陷205的内部区域不存在点状凸起，因此将缺陷202、缺陷203以及缺陷205归类为第二类缺陷。应当理解，本发明在对每个缺陷进行归类划分时，对于缺陷本身的大小尺寸并不做限定和考虑。应当理解，半导体器件外延片上还可能存在除了上述第一类缺陷和第二类缺陷之外的其他类型的缺陷，本发明对其他类型的缺陷不做统计。

可选地，表面形貌表征测试包括：利用金相显微镜在预设倍数下获取待测试的外延片上指定区域的表面形貌照片，然后识别表面形貌照片上的缺陷的缺陷类型，并且统计每种缺陷类型对应的缺陷密度，预设倍数为如下倍数中的一者：200倍或500倍或1000倍。在具体操作中，根据如上参照图2所述的缺陷的形貌来识别表面形貌照片上的缺陷的缺陷类型。通过较大的显微镜倍数，可以避免遗漏小尺寸缺陷，然而倍数过大，会降低统计识别的效率，优选地，可以选择500倍为预设倍数。外延片表面上的缺陷通常是跨整个表面分布的，分布通常也是大体上均匀的，但是也存在如下情况：在极小区域内缺陷数量异常小或异常大。为了更加真实地反应外延片表面上缺陷的整体情况，同时尽可能减小统计工作量，可以选择外延片表面上适当大小的区域作为表面形貌表征测试区域。可选地，指定区域表示以待测试的外延片的中心为圆心，半径为r

步骤104、基于半导体器件外延片的第一类缺陷的缺陷密度和第二类缺陷的缺陷密度，并根据预先获得的脱膜时间与缺陷密度之间的对应关系，确定下一次生长具有第一预设结构的半导体器件外延片时的InP衬底脱膜时间。

脱膜时间与缺陷密度之间的对应关系通过如下方式获得：

在预设As压条件下，采用预设脱膜温度T

具体地，对于同一规格的InP衬底（也就是衬底的掺杂类型、掺杂浓度、尺寸、抛光类型等常规衬底参数均相同），不同批次生产的衬底由于衬底制备工艺稳定性、环境、包装因素以及在衬底在进入分子束外延设备之前的预处理工艺（例如清洗工艺）的稳定性等原因，导致在进行脱膜前，InP衬底表面的自然氧化物的厚度会存在差异，脱膜的目的是为了去除衬底表面的自然氧化物，然而，脱膜时间如果过短，自然氧化物会去除不干净，引入缺陷（也就是上述的第一类缺陷），脱膜时间如果过长，虽然去除了自然氧化物，但是会由于磷脱附后形成的铟点而引入新的缺陷（也就是上述的第二类缺陷）。因此，对于不同厚度的自然氧化物，理论上对应着最优的脱膜时间。在分子束外延批量生产中，如果精确测量每一个InP衬底的表面自然氧化物的厚度，会大幅增加时间和测试成本，同时在测试时还会引入其他污染，因此，在批量生产中测试每一个InP衬底的表面自然氧化物厚度是不现实的。本发明的方法是通过对生长完毕的外延片进行表面形貌测试（利用显微镜，对外延片是非破坏性的，并且外延片已经生长完毕，不会对外延层本身造成污染），然后快速计算反馈给后续生长。

基于半导体器件外延片的第一类缺陷的缺陷密度和第二类缺陷的缺陷密度，并根据预先获得的脱膜时间与缺陷密度之间的对应关系，确定下一次生长具有所述第一预设结构的半导体器件外延片时的InP衬底脱膜时间，包括：

基于关系矩阵中第二类参数与脱膜时间的对应关系，确定第二类参数最小时对应的脱膜时间，将该脱膜时间作为第一脱膜时间，由于脱膜工艺本身而引起的外延片表面的表面缺陷的总量可以通过第一类缺陷与第二类缺陷的总缺陷密度（也就是第二类参数）来表征。第二类参数具体为第一类缺陷的缺陷密度与第二类缺陷的缺陷密度之和。第二类参数越小，就表示脱膜工艺本身在外延片表面引起的缺陷越少，第二类参数越大，就表示脱膜工艺本身在外延片表面引起的缺陷越多，因此，对于脱膜工艺的优化的目的在于获得更小的第二类参数。

基于半导体器件外延片的第一类缺陷的缺陷密度和第二类缺陷的缺陷密度，计算半导体器件外延片的第一类参数；基于关系矩阵中第一类参数与脱膜时间的对应关系，确定半导体器件外延片的第一类参数对应的脱膜时间，并且将该脱膜时间作为第二脱膜时间。可选地，基于关系矩阵中第一类参数与脱膜时间的对应关系，确定半导体器件外延片的第一类参数对应的脱膜时间，具体包括：针对关系矩阵中的第一类参数与脱膜时间，进行多项式拟合，从而获得第一类参数与脱膜时间之间的多项式对应关系；利用多项式对应关系，计算半导体器件外延片的第一类参数对应的脱膜时间。

由于第一类缺陷是由InP衬底在脱膜时表面自然氧化物未完全脱附而导致的缺陷，因此可知，对于同一片InP衬底，随着脱膜时间的增加，第一类缺陷的缺陷密度是逐渐减小的；由于第二类缺陷是由InP衬底在脱膜时表面的磷脱附后形成的铟点与As结合进而形成的InAs微晶导致的缺陷，因此可知，对于同一片InP衬底，随着脱膜时间的增加，第二类缺陷的缺陷密度是逐渐增大的。为了优化脱膜时间，可以利用第一类缺陷的缺陷密度和第二类缺陷的缺陷密度来建立指导优化脱膜时间的参考指标。

如果仅采用第一类缺陷的缺陷密度或者第二类缺陷的缺陷密度中的一者作为参考指标，例如，将第一类缺陷的缺陷密度作为参考指标，在实际脱膜时间过长时，第一类缺陷的缺陷密度的非常小，不同的脱膜时长可能导致观测到的缺陷密度的值差异不大，因此，单一的缺陷密度值无法精确指导优化过程。因此，本发明采用第一类参数（也就是第一类缺陷的缺陷密度减去第二类缺陷的缺陷密度的差值）来作为参考指标，在这种情况下，在脱膜时间过小时，第一类缺陷的缺陷密度值较大，第二类缺陷的缺陷密度值非常小，第一类参数的数值的变化主要由第一类缺陷的缺陷密度值决定；在脱膜时间过大时，第一类缺陷的缺陷密度值非常小，第二类缺陷的缺陷密度值较大，第一类参数的数值的变化主要由第二类缺陷的缺陷密度值决定，采用本发明所确定的第一类参数，可以在脱膜时间过小或过大时均能反应缺陷密度随时间的变化情况。对于同一片InP衬底，随着脱膜时间的增大，第一类缺陷的缺陷密度是逐渐减小的，第二类缺陷的缺陷密度是逐渐增大的，因此，第一类参数的值是逐渐减小的。因此，可以建立第一类参数与脱膜时间之间的对应关系。

下一次生长具有第一预设结构的半导体器件外延片时的InP衬底脱膜时间t’由下式确定：t’=预设脱膜时间+(第一脱膜时间-第二脱膜时间)。

优选地，在本发明中生长第一预设结构和生长第二预设结构时所采用的InP衬底的常规参数（也就是衬底的掺杂类型、掺杂浓度、尺寸、抛光类型等）相同，应当理解，此处的常规参数不包括自然氧化物厚度。

具体地，在建立对应关系的多组实验中，对于同一规格相同厚度自然氧化物的InP衬底，建立了第一类参数与脱膜时间之间的对应关系，同时获得了第二类参数最小时对应的脱膜时间（也就是上述的第一脱膜时间）。对于新的InP衬底，由于该衬底的自然氧化物的厚度未知，因此，预设脱膜时间通常并不是最优值，对于采用预设脱膜时间脱膜后生长的外延片，可以获取该外延片的第一类参数，并且由该参数从对应关系中获得对应的脱膜时间（也就是上述的第二脱膜时间）。如果第一脱膜时间大于第二脱膜时间，也就是说明当前脱膜时间较短，下次脱膜时需要增加脱膜时间。如果第一脱膜时间小于第二脱膜时间，也就是说明当前脱膜时间较长，下次脱膜时需要减小脱膜时间，具体地，下一次生长具有第一预设结构的半导体器件外延片时的InP衬底脱膜时间=预设脱膜时间+(第一脱膜时间-第二脱膜时间)。

需要说明的是，本发明实施例中所涉及的所有脱膜工艺和外延工艺，均是针对同一台分子束外延设备而言的。通常情况下，不同的分子束外延设备在操作时，对应不同的最优工艺参数，因此，如果需要更换分子束外延设备，则需要针对新的外延设备，按照本发明实施例提供的方法，重新构建关系矩阵即可。

综上所述，通过获取InP衬底在预设脱膜时间条件下两类缺陷密度的差值，可以根据预先建立的相同规格的InP衬底的脱膜时间与缺陷密度之间的对应关系来计算确定经优化的脱膜时间，在InP基半导体器件外延片的批量生产中，可以根据每轮次的生长测试结果，方便快捷地优化后续轮次的脱膜时间，改善InP基半导体器件外延片的质量。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让本领域普通技术人员能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围内。