InSb(111)A面腐蝕坑成因分析

吳 卿，鞏 鋒，陳元瑞，侯曉敏，崔健維

(華北光電技術(shù)研究所，北京100015)

1 引言

InSb是制備3～5μm紅外探測器的主要半導(dǎo)體材料［1］。現(xiàn)代半導(dǎo)體材料與半導(dǎo)體器件制造技術(shù)的發(fā)展與半導(dǎo)體表面處理工藝的進(jìn)步緊密相關(guān)，獲得高質(zhì)量的材料表面對于半導(dǎo)體器件制備工藝至關(guān)重要［2］。化學(xué)腐蝕是器件制造工藝中常用的表面處理方法之一［3］，但在實(shí)際工藝過程中，部分InSb晶片在經(jīng)特定腐蝕液腐蝕后表面會出現(xiàn)不同的特征腐蝕坑，這些腐蝕坑若位于器件光敏面上，則影響器件的性能，對器件的穩(wěn)定性也有潛在的影響［4］。本文通過多次腐蝕試驗(yàn)，觀測了腐蝕坑的演變過程，從腐蝕機(jī)理上推斷這兩類腐蝕坑產(chǎn)生的原因，為工藝中避免類似問題的出現(xiàn)提供參考。

2 實(shí)驗(yàn)

2．1 腐蝕過程

實(shí)驗(yàn)使用的InSb晶片為＜111＞方向n型InSb晶片，晶片表面經(jīng)過研磨、拋光等標(biāo)準(zhǔn)InSb晶片加工工藝，表面質(zhì)量達(dá)到后道器件工藝要求。清洗后的晶片使用腐蝕劑A(重鉻酸鉀水溶液:鹽酸:氫溴酸:草酸水溶液=2∶2∶1∶3)腐蝕1 min。

2．2 表面缺陷觀測

使用MX61型光學(xué)顯微鏡對腐蝕后晶片A面進(jìn)行觀察，觀測腐蝕坑的尺寸、形狀并計(jì)數(shù)。使用GT－X8型光學(xué)輪廓儀對腐蝕后的晶片表面進(jìn)行檢測分析，可以得到特征腐蝕坑的三維形貌及其深度等信息。

3 結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)中InSb晶片A面在腐蝕后表面出現(xiàn)了大量的腐蝕坑(如圖1所示)。由于該腐蝕坑尺寸較小，在顯微鏡下不易區(qū)分，因此采用相同腐蝕工藝對該晶片進(jìn)行再次腐蝕，腐蝕后的形貌如圖2所示。腐蝕坑的尺寸由第一次腐蝕后的3～5μm增大到25～30μm，兩類腐蝕坑形貌差異明顯。1類腐蝕坑存在尖頂和環(huán)狀條紋。2類腐蝕坑為扁平的近似三角形，其平均密度約為7．8×104/cm2，與晶片＜100個(gè)/cm2的實(shí)際位錯(cuò)密度相差2～3個(gè)數(shù)量級，因此該類腐蝕坑并非由晶體中的原生位錯(cuò)產(chǎn)生。

圖1 首次腐蝕后出現(xiàn)的兩類腐蝕坑形貌

圖2 再次腐蝕后的表面腐蝕坑形貌

使用光學(xué)輪廓儀對這兩類特征腐蝕坑進(jìn)行觀測，結(jié)果如圖3和圖4所示。由圖3可以看出1類腐蝕坑為典型的倒三角錐形，測得其深度約為400 nm。圖4顯示的2類腐蝕坑為底部平坦的近似三棱柱形，深度約為120 nm。

圖3 1類特征腐蝕坑3D形貌

圖4 2類特征腐蝕坑3D形貌

InSb晶體屬于閃鋅礦結(jié)構(gòu)，在晶胞中存在如圖5所示的ABCD這樣的四面體，這個(gè)四面體的四個(gè)面都是{111}面，都是原子密排面，面上自由鍵少，化學(xué)穩(wěn)定性高，腐蝕的速度較小，而其他晶面由于不是密排面，面上自由鍵較多，腐蝕速度相對較大［5］。當(dāng)存在與(111)面相割的貫穿型位錯(cuò)時(shí)，由于缺陷處能量較高，缺陷中心的腐蝕速度較快，缺陷周圍經(jīng)擇優(yōu)腐蝕后3個(gè){111}會顯露出來，從而形成三棱錐的形狀，這與1類腐蝕坑的特征相吻合。

圖5 由{111}面構(gòu)成的正四面體

2類腐蝕坑深度遠(yuǎn)小于1類腐蝕坑，且底部呈現(xiàn)出扁平的特征，可以推測2類腐蝕坑是由一定深度的與(111)面相割的缺陷腐蝕后形成的。考慮到該類缺陷的深度及密度，其成因可能是晶片加工過程中產(chǎn)生的損傷層未去除干凈，殘留的損傷層區(qū)域會含有位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)和許多單個(gè)位錯(cuò)［6］。腐蝕初期，這些缺陷的腐蝕形態(tài)與晶體中貫穿型位錯(cuò)的腐蝕形態(tài)類似，但隨著腐蝕深度的增加，當(dāng)腐蝕坑底到達(dá)無損傷區(qū)域時(shí)，腐蝕坑底部不存在缺陷中心，因此坑底＜111＞方向的腐蝕速率將大大降低，隨著腐蝕次數(shù)的增加，腐蝕坑向周圍擴(kuò)展的速度將大于縱向腐蝕速度，在經(jīng)過多次腐蝕后2類腐蝕坑體現(xiàn)出平坦化特征，如圖6所示。

圖6 多次腐蝕后的晶片表面形貌

選取4片具有類似問題的InSb晶片進(jìn)行減薄實(shí)驗(yàn)，將晶片厚度由625μm減薄至440μm，隨機(jī)選取2片減薄后的晶片與同批次正常晶片進(jìn)行相同的腐蝕工藝，腐蝕后的表面形貌與正常晶片一致，如圖7所示，除了少量1類三棱錐形腐蝕坑外其余部分均為正常的表面形貌。由此可見，在減薄去除晶片表面的損傷層后，可以消除腐蝕工藝中出現(xiàn)的2類特征腐蝕坑。

圖7 晶片減薄后腐蝕的表面形貌

4 結(jié)論

通過多次腐蝕實(shí)驗(yàn)及其機(jī)理分析，我們推斷晶片腐蝕后出現(xiàn)1類特征腐蝕坑的原因是由于晶片中的原生位錯(cuò)，出現(xiàn)2類特征腐蝕坑的原因可能是晶片表面存在一定深度的損傷層。對問題晶片的減薄實(shí)驗(yàn)最終消除了2類特征腐蝕坑，從一定程度上證明了我們的推斷。鑒于問題晶片出現(xiàn)的偶然性，基本可以排除拋光工藝產(chǎn)生損傷的原因，產(chǎn)生損傷層的原因可能是由于切割損傷深度不一致導(dǎo)致?lián)p傷層未完全去除或后續(xù)工藝過程中因不確定因素引入了新的損傷層，確切的原因還需進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

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