Способ обработки пластин С @ А @ Советский патент 1992 года по МПК H01L21/208 

Изобретение относится к технологии полупроводниковых материалов, в частности к способам предварительной подготовки пластин монокристаллов GaAs (100) к процессам жидкофазной .эпитаксии, и может быть использовано в электронной технике при производстве подложек для светодиодов и фотопреобразователей.

Известен способ обработки пластин арсенида галлия, включающий операцию термообработки пластин в градиенте температур . Этот способ позволяет выгнать включения металлического галлия из объема пластин и, таким образом, частично уменьшить механические напряжения в пластинах, являющиеся источником дислокаций и дефектов в кристаллической структуре.

Недостатком этого способа является то, что нельзя понизить плотность дислокаций и концентрацию дефектов, источниками которых являются неравномерное распределение примесей по объему монокристаллов и скопления быстродиффундирующих атомов примесей. Это приводит к повышенной

плотности наследуемых из подложек дислокаций и дефектов в эпитаксиальных слоях, наращиваемых на этих пластинах. Если к тому же на пластинах выращивают эпитак- сиальные слои светодиодов. то плотность дислокаций более 104 см приводит к выра- станмю роли безызлучательных переходов и, следовательно, к резкому уменьшению квантового выхода. Дислокации ухудшают также спектральные и люксамперные характеристики фотопреобразователей.

Наиболее близким к изобретению является способ обработки пластин полупроводниковых соединений А3В5, включающий термообработку пластин путем их отжига при постоянной температуре 750-900°С и контролируемого ступенчатого охлаждения. По этому способу предварительно на нерабочей поверхности пластины создают нарушенный слой, например, путем шлифовки свободным абразивом, и при термообработке этот слой является геттером, т.е. стоком для точечных дефектов, вакансий и быстро- диффундирующих атомов примесей. Эти дефекты при термообработке мигрируют по

s

Ј

VI

00

со ел о

ь

объему полупроводниковой пластины и, попадая в слой с нарушенной кристаллической структурой, осаждаются на структурных дефектах.

Способ позволяет снизить плотность дислокаций в полупроводниках А3В до величины (5-7) 104 см . Однако для многочисленных применений в оптоэяектронике требуется менее дефектные пластины.

Целью изобретения является повышение качества пластин путем снижения плотности дислокаций.

Поставленная цель достигается тем, что в данном способе, включающем формирование гетгерирующего слоя на нерабочей стороне пластины GaAs (100), проведение термообработки при температуре 800-900°С в течение 0,5-2,5 ч в среде водорода, в качестве гетгерирующего слоя используют эпитак- сиальный слой AlxGai-xAs где х 0,75-0,9, толщиной 3-17 мкм, который удаляют после термообработки.

Способ иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1 (верхние значения параметра). Монокристаллические пластины GaAs марки АГ 40-1,1-6-17 100 диаметром 30 мм, толщиной 400 мкм, исходная плотность дислокаций в пластинах (7-8) -104 , используемые в качестве подложек светодиодных структур, подвергались следующей обрабфтке.

Сначала на нерабочей стороне подложки, т.е. противоположной стороне, предназначенной для наращивания эпи- таксиальных слоев светодиодных структур, из раствора-расплава наращивали эпитак- сиальные слои Alo.gGaojAs (x 0,9) методом принудительного охлаждения ограниченного объема раствора-расплава со скоростью 0,8 град, в диапазоне температур 1000-900°С на установке ЭПОС-ЗМ, Толщина слоя 12-17 мкм.

После окончания принудительного охлаждения, не перегружая пластины (эпи- таксиальные структуры) из установки ЭПОС-ЗМ, проводили термообработку. Для этого пластины выдерживали в течение 0,5 ч при 900°С. По окончании времени термообработки нагрев установки отключали и при остывании печи реактор разгружали. Контрольные структуры передавали на измерение толщины слоев А1о,эСао,1 As и содержания AlAs в них (установка микроанализа Самебах), а остальные структуры передавали на операцию селективного травления слоя Alo.gGao.iAs и слоя с сеткой дислокаций несоответствия.

Селективное травление слоя AIGaAs осуществляли в травителе на основе HCI, а слоя с сеткой дислокаций несоответствия - в полирующем травителе на основе азотной

и плавиковой кислот.

По окончании травления и отмывки пластин их передавали на операцию химико- механической полировки. На контрольных пластинах производили измерение плотности дислокаций. Плотность дислокаций составила 9 103-3 104 . В дальнейшем на пластинах изготавливали светодиодные р- п-структуры AIGaAs с выводом излучения через эпитаксиальный слой. Внешний квантовый выход таких структур составлял 2,1 % при норме 1,8%.

С целью исследования влияния режимов обработки (запредельных значений) на плотность дислокаций пластин изменяли

режимы с получением следующих результатов:

наращивание слоя AIGaAs с х 0,9 молярных долей AlAs не позволило получить сплошной слой из-за окисления А1;

скорость охлаждения раствора-расплава более 0,8 град/мин (0,9; 1,0 град/мин) приводила к гомогенной кристаллизации, слой AIGaAs получался непрогнозируемой толщины и состава, что приводило к невоспроизводимости эксперимента;

увеличение температуры начала эпитак- сии более 1000°С(1060°С, 1090°С) при водило к улету мышьяка с рабочей стороны и, следовательно, к непригодности использования пластин для изготовления светодио- дов;

проведение термообработки при температурах более 900°С (910°С, 950°С) в течение большого времени (0,6 ч; 1,0 ч)

не приводило к существенному уменьшению плотности дислокаций в пластинах (,5-103-3,104см 2).

Пример 2 (нижние пределы параметров). Пластины арсенида галлия марки АГ

40-1,1-6-17 (1000) диаметром 30 мкм, толщиной 400 мкм, исходная плотность дислокаций (7-8) 104 см , используемые для подложек светодиодных p-n-структур, подвергали следующей обработке.

На нерабочей стороне подложки наращивали эпитаксиальные слои Alo.75Gao.25As (х 0,75) методом принудительного охлаждения ограниченного объема раствора-расплава со скоростью 0,3 град/мин в

диапазоне температур 900-800°С на установке ЭПОС-ЗМ. Толщина слоев составила 3-7 мкм. Пос/ie окончания наращивания слоя твердого раствора проводили термообработку при температуре 800°С в течение 2.5

ч. После разгрузки реак;ора слой AIGaAs удаляли селективным травлением. На контрольных пластинах производили измерение плотности и дислокаций. Плотность дислокаций составила 8 103 - 3 104 .

Внешний квантовый выход ИК-излуче- ния светодиодов, изготовленных на данных пластинах, составил в среднем 2,2% при норме 1,8%.

С целью исследования влияния режи- мое обработки (запредельных значений) на плотность дислокаций в пластинах изменяли режимы с получением следующих результатов:

при наращивании слоя AIxGai-xAs сх 0.75 молярных долей (х 0,65; х 0,5) после обработки плотность дислокаций на рабочей поверхности подложки не изменяется; Положительный эффект не достигался;

скорость снижения температуры менее 0,3 град/мин приводит к недопустимому удлинению технологического цикла обработки пластин без существенного влияния на плотность дислокаций;

температура начала эпитаксии AIGaAs ниже 900°С (890°С, 850°С) приводит к неравномерности состава AIIAs по площади пластины, что способствует впоследствии неравномерному удалению слоя AlAs в селективном травителе; эффект снижения плотности дислокаций при этом также не достигается;

термообработка пластин при температурах менее 800°С (790°С, 780°С. 750°С) в течение времени более 2.5 ч (3 ч; 3,5 ч; 4,0 ч) неэффективна, так как эффект снижения плотности дислокаций слабый, а время термообработки увеличивается значительно; такие режимы экономически нецелесообразны.

Пример 3 (средние значения параметров). Пластины а рее ни да галлия марки АГ 40-1,1-6-17 100 диаметром 30 мм. толщиной 400 мкм и исходной плотностью дислокаций (7-8) 10 см , используемые в качестве подложек светодиодных р-п-струк- тур, подвергали следующей обработк

5

10

5

0

5 0

5 0

5

На нерабочей стороне подложки наращивали эпитаксиальные слои AlxGai-xAs составила Alo,82Gao,i8As (х 0,82) методом принудительного охлаждения ограниченного объема раствора-расплава со скоростью 0,5 град/мин в диапазоне температур 950- 850°С на установке ЭПОС-ЗМ. Толщина эпи- таксиальных слоев составила 8-11 мкм.

После окончания процесса программного принудительного охлаждения ростовой си- стемы, не перегружая эпитаксиальные структуры из установки ЭПОС-ЗМ, проводили их термообработку. С этой целью структуры выдерживали в течение 1,5ч«лри 850°С.

Разгрузив реактор установки, слой твердого раствора удаляли селективным травлением в травителе на основе HCI. На контрольных пластинах производили измерение плотности дислокаций.

Плотность дислокаций составила (5-7) -10 см . Внешний квантовый выход ИК-излучения светодиодов GaAstSi, изготовленные на данных пластинах-подложках, составил в среднем 2,7% при норме 1.8%.

Способ позволяет снизить плотность дислокаиий в пластинах А3В до уровня 1 10 см , отличается простой реализации (может быть совмещен с процессом эпитак- сиального наращивания); позволяет уменьшить число операций механической обработки пластин (шлифовки и полировки).

Формула изобретения Способ обработки пластин GaAs, включающий формирование генерирующего слоя на нерабочей стороне пластины GaAs (100), проведение термообработки при температуре 800-900°С в течение 0,5-2,5 ч в среде водорода, отличающийся тем, что. с целью повышения качества пластин путем снижения плотности дислокаций, в качестве геттерирущего слоя используют эпитакси- альный слой AlxGai-xAs, где х 0,75-0,9, толщиной 3-16 мкм, который после термообработки.

Использование: при изготовлении подложек для светодиодов и фотопреобразователей. Сущность изобретения: на нерабочую поверхность пластины GaAs