高温退火非掺杂磷化铟制备半绝缘衬底的方法
专利名称：高温退火非掺杂磷化铟制备半绝缘衬底的方法
技术领域：
本项发明属微电子材料技术领域，它涉及的是一种用高温退火处理非掺杂磷化铟单晶片制造半绝缘衬底的方法，这种衬底可用于制造高频微波器件和光电集成电路。
背景技术：
半绝缘磷化铟单晶片是一种中重要的光电子和微电子基础材料，主要用于制造光电集成电路和高频微波器件及电路，已广泛用于宽带网络通信系统。常规生产半绝缘磷化铟的方法是在生长过程中掺入足够高浓度的铁(一般大于1016cm-3)，铁在磷化铟中是一个深受主杂质，补偿材料中的浅施主杂质，从而降低载流子浓度使磷化铟具有半绝缘性质(电阻率大于106Ω.cm)。这种方法的缺点是半绝缘磷化铟衬底中的铁很容易在外延生长过程中向外延层扩散，导致器件功能的丧失或性能降低，而且高浓度的铁还会产生沉积等缺陷。因此，人们希望获得一种制备非掺杂或低铁浓度的半绝缘磷化铟的方法，以便使半绝缘磷化铟中的铁浓度足够的低，减少衬底中的缺陷和衬底对外延层的影响。
近年来，有人报导非掺磷化铟经长时间退火处理后载流子浓度降低，电阻率增加，甚至可以得到半绝缘材料。但这种方法的重复性很差，对材料的纯度要求很高，退火时石英管内要保持很高的磷蒸气压，而且晶片的均匀性不好，难以进行批量生产。
利用在磷化铁气氛下退火处理非掺磷化铟晶片时铁的扩散作用，使一定浓度的铁通过扩散进入磷化铟晶片内部，产生深受主补偿中心，补偿残留的施主杂质即可获得半绝缘磷化铟材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种高温退火非掺杂磷化铟制备半绝缘衬底的方法，该方法的重复性好，对材料的纯度要求低，晶片的均匀性好，易进行批量生产。
本发明一种高温退火非掺杂磷化铟制备半绝缘衬底的方法，其特征在于，包括如下步骤(1)选用非掺磷化铟材料；(2)使用纯度为光谱纯以上的铁粉和6N纯度以上的红磷，将在磷化铟材料及红磷一起放入石英管中；(3)磷化铟材料的晶片要放置在样品架上，彼此隔离开以保证退火后材料的均匀性；(4)放入炉中退火。
其中所选用的非掺磷化铟材料，其要保证其室温载流子浓度低于6×1015cm-3，迁移率大于4000cm2/V.s，还要测试非掺磷化铟中的位错团的密度，尽量选用位错团密度低的材料，以保证退火后材料的均匀性。
其中退火炉的温度必须控制在900℃-930℃，恒温时间为80小时，降温的速度为30℃/小时。
其中使用的红磷和铁粉的摩尔比为2∶1，红磷的量根据石英管的有效容积来估算，按理想气体方程，P4的蒸气压小于0.3Mpa来估算。
新的制备半绝缘磷化铟(InP)单晶片的工艺技术。采用高温退火处理非掺磷化铟单晶获得的半绝缘材料具有均匀性好、热稳定性高、杂质含量低等优点。克服了常规直拉掺铁半绝缘磷化铟材料中存在的缺点掺铁浓度高(大于1016cm-3)，均匀性和热稳定性差等。在用于制造器件的外延过程中，掺铁半绝缘磷化铟衬底容易产生铁杂质向外延层扩散，影响器件的性能。因此，对非掺磷化铟高温退火获得的半绝缘衬底将是一种理想的材料。
具体实施例方式
首先需选用纯度高的非掺杂磷化铟单晶片，其室温载流子浓度低于6×1015cm-3，迁移率大于4000cm2/V.s。晶片要加工成标准尺寸的片子(2英寸、3英寸等)以便放置在样品架上。晶片经有机溶剂清洗、酸腐蚀、去离子水清洗，然后用氮气吹干。将晶片放入样品架，一起放置在内径合适的石英管内。在石英管内放入一定量的纯度为六个九以上的红磷和光谱纯以上的铁粉，它们的摩尔比为2∶1，总量根据石英管的耐压强度和内部体积大小来控制，以便使退火时管内的磷蒸气压力适当，防止石英管被炸裂。石英管要有足够的强度便于封管，封管时管内抽真空。
使用常规的退火炉进行退火，退火的温度控制在900℃-930℃，时间为80小时。升温的速度为150℃/小时，降温的速度为30℃/小时。
本项发明采用了不同于背景技术的退火工艺和退火条件。在退火过程中引入了适量的铁，通过气相扩散的方式进入磷化铟晶片内部并且分布均匀，由铁产生的深受主补偿浅施主使磷化铟呈现半绝缘特性。本项退火技术用普通水平或竖直筒形炉在常压下封闭的石英管内即可完成。
背景技术：
文献中均使用高压斧在几十个大气压下进行，对设备的要求较高。此外，本项发明可使杂质浓度较高的非掺磷化铟转变为半绝缘材料，适用的范围更广，背景技术文献均要求高纯度的非掺磷化铟材料。从材料的测试结果可以证明本方法获得的半绝缘磷化铟的电学均匀性优于背景技术文献中报导的材料的均匀性。
本发明的具体步骤是1)选用非掺磷化铟材料时除了要保证其室温载流子浓度低于6×1015cm-3，迁移率大于4000cm2/V.s外，还要测试非掺磷化铟中的位错团的密度，尽量选用位错团密度低的材料，以保证退火后材料的均匀性。
2)退火的温度必须控制在900℃-930℃，恒温时间为80小时，降温的速度为30℃/小时。
3)使用纯度为光谱纯以上的铁粉和6N纯度以上的红磷。红磷和铁粉的摩尔比为2∶1，红磷的量根据石英管的有效容积来估算，按理想气体方程，P4的蒸气压小于0.3Mpa来估算。
4)晶片要放置在样品加上，彼此隔离开以保证退火后材料的均匀性。
实验中所用的非掺杂磷化铟单晶是用高压液封直拉法(LEC即LiquidEncapsulated Czochralski)生长的。磷化铟单晶锭的晶向为<100>，直径稍大于2英寸和3英寸，分别用内圆切片机切割成(100)晶向的片子，切割片经喷砂切割成标准的2英寸和3英寸片子供退火实验用。
实验中使用的退火炉要求具有一定长度的恒温区，以便每次可处理一定数量的磷化铟晶片。本项工作所用的退火炉为一台引进的旧的砷化镓水平单晶炉。该炉具有十四段炉子，我们只使用其中一端的五段炉，中间用保温材料与其余几段炉子隔开，用外径120毫米的氧化铝管外包保温材料将炉膛填满。退火时，磷化铟晶片密封在内径为88毫米，壁厚2毫米的石英管内，石英管放置在氧化铝管内并用保温耐火材料将炉膛口堵好。在退火过程中，炉子的升温、恒温和降温均由一台工控机来自动控制。
磷化铟片在装入石英管进行退火之前，需要经过有机溶剂清洗(丙酮、乙醇)、酸腐蚀(一般用王水腐蚀2分钟)、去离子水冲洗，然后用氮气吹干或烘干放在样品架上装入石英内，再放置一定量的红磷和铁粉，摩尔比为2∶1。最后将石英管抽真空密封后放入退火炉内进行退火。
在正式使用标准磷化铟片进行退火实验之前，我们先用小的非掺磷化铟样品片进行工艺试验，以确定退火的工艺条件。经多次反复试验后，最后确定了退火的基本条件为退火温度900℃-930℃，退火时升温时间3小时，恒温80小时，以30℃/小时的速度降温至室温。在退火温度下，石英管内的磷蒸气的压力估算为1个大气压，用此方法获得的结果如下表所示。
表1非掺磷化铟在磷化铁气氛下退火前后的电参数(室温)
权利要求
1.一种高温退火非掺杂磷化铟制备半绝缘衬底的方法，其特征在于，包括如下步骤(1)选用非掺磷化铟材料；(2)使用纯度为光谱纯以上的铁粉和6N纯度以上的红磷，将在磷化铟材料及红磷一起放入石英管中；(3)磷化铟材料的晶片要放置在样品架上，彼此隔离开以保证退火后材料的均匀性；(4)放入炉中退火。
2.根据权利要求1所述的高温退火非掺杂磷化铟制备半绝缘衬底的方法，其特征在于，其中所选用的非掺磷化铟材料，其要保证其室温载流子浓度低于6×1015cm-3，迁移率大于4000cm2/V.s，还要测试非掺磷化铟中的位错团的密度，尽量选用位错团密度低的材料，以保证退火后材料的均匀性。
3.根据权利要求1所述的高温退火非掺杂磷化铟制备半绝缘衬底的方法，其特征在于，其中退火炉的温度必须控制在900℃-930℃，恒温时间为80小时，降温的速度为30℃/小时。
4.根据权利要求1所述的高温退火非掺杂磷化铟制备半绝缘衬底的方法，其特征在于，其中使用的红磷和铁粉的摩尔比为2∶1，红磷的量根据石英管的有效容积来估算，按理想气体方程，P4的蒸气压小于0.3Mpa来估算。
全文摘要
一种高温退火非掺杂磷化铟制备半绝缘衬底的方法，其特征在于，包括如下步骤(1)选用非掺磷化铟材料；(2)使用纯度为光谱纯以上的铁粉和6N纯度以上的红磷，将在磷化铟材料及红磷一起放入石英管中；(3)磷化铟材料的晶片要放置在样品架上，彼此隔离开以保证退火后材料的均匀性；(4)放入炉中退火。
文档编号H01L21/477GK1499587SQ02150629
公开日2004年5月26日 申请日期2002年11月11日 优先权日2002年11月11日
发明者赵有文 申请人:中国科学院半导体研究所
技术领域：
本项发明属微电子材料技术领域，它涉及的是一种用高温退火处理非掺杂磷化铟单晶片制造半绝缘衬底的方法，这种衬底可用于制造高频微波器件和光电集成电路。
背景技术：
半绝缘磷化铟单晶片是一种中重要的光电子和微电子基础材料，主要用于制造光电集成电路和高频微波器件及电路，已广泛用于宽带网络通信系统。常规生产半绝缘磷化铟的方法是在生长过程中掺入足够高浓度的铁(一般大于1016cm-3)，铁在磷化铟中是一个深受主杂质，补偿材料中的浅施主杂质，从而降低载流子浓度使磷化铟具有半绝缘性质(电阻率大于106Ω.cm)。这种方法的缺点是半绝缘磷化铟衬底中的铁很容易在外延生长过程中向外延层扩散，导致器件功能的丧失或性能降低，而且高浓度的铁还会产生沉积等缺陷。因此，人们希望获得一种制备非掺杂或低铁浓度的半绝缘磷化铟的方法，以便使半绝缘磷化铟中的铁浓度足够的低，减少衬底中的缺陷和衬底对外延层的影响。
近年来，有人报导非掺磷化铟经长时间退火处理后载流子浓度降低，电阻率增加，甚至可以得到半绝缘材料。但这种方法的重复性很差，对材料的纯度要求很高，退火时石英管内要保持很高的磷蒸气压，而且晶片的均匀性不好，难以进行批量生产。
利用在磷化铁气氛下退火处理非掺磷化铟晶片时铁的扩散作用，使一定浓度的铁通过扩散进入磷化铟晶片内部，产生深受主补偿中心，补偿残留的施主杂质即可获得半绝缘磷化铟材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种高温退火非掺杂磷化铟制备半绝缘衬底的方法，该方法的重复性好，对材料的纯度要求低，晶片的均匀性好，易进行批量生产。
本发明一种高温退火非掺杂磷化铟制备半绝缘衬底的方法，其特征在于，包括如下步骤(1)选用非掺磷化铟材料；(2)使用纯度为光谱纯以上的铁粉和6N纯度以上的红磷，将在磷化铟材料及红磷一起放入石英管中；(3)磷化铟材料的晶片要放置在样品架上，彼此隔离开以保证退火后材料的均匀性；(4)放入炉中退火。
其中所选用的非掺磷化铟材料，其要保证其室温载流子浓度低于6×1015cm-3，迁移率大于4000cm2/V.s，还要测试非掺磷化铟中的位错团的密度，尽量选用位错团密度低的材料，以保证退火后材料的均匀性。
其中退火炉的温度必须控制在900℃-930℃，恒温时间为80小时，降温的速度为30℃/小时。
其中使用的红磷和铁粉的摩尔比为2∶1，红磷的量根据石英管的有效容积来估算，按理想气体方程，P4的蒸气压小于0.3Mpa来估算。
新的制备半绝缘磷化铟(InP)单晶片的工艺技术。采用高温退火处理非掺磷化铟单晶获得的半绝缘材料具有均匀性好、热稳定性高、杂质含量低等优点。克服了常规直拉掺铁半绝缘磷化铟材料中存在的缺点掺铁浓度高(大于1016cm-3)，均匀性和热稳定性差等。在用于制造器件的外延过程中，掺铁半绝缘磷化铟衬底容易产生铁杂质向外延层扩散，影响器件的性能。因此，对非掺磷化铟高温退火获得的半绝缘衬底将是一种理想的材料。
具体实施例方式
首先需选用纯度高的非掺杂磷化铟单晶片，其室温载流子浓度低于6×1015cm-3，迁移率大于4000cm2/V.s。晶片要加工成标准尺寸的片子(2英寸、3英寸等)以便放置在样品架上。晶片经有机溶剂清洗、酸腐蚀、去离子水清洗，然后用氮气吹干。将晶片放入样品架，一起放置在内径合适的石英管内。在石英管内放入一定量的纯度为六个九以上的红磷和光谱纯以上的铁粉，它们的摩尔比为2∶1，总量根据石英管的耐压强度和内部体积大小来控制，以便使退火时管内的磷蒸气压力适当，防止石英管被炸裂。石英管要有足够的强度便于封管，封管时管内抽真空。
使用常规的退火炉进行退火，退火的温度控制在900℃-930℃，时间为80小时。升温的速度为150℃/小时，降温的速度为30℃/小时。
本项发明采用了不同于背景技术的退火工艺和退火条件。在退火过程中引入了适量的铁，通过气相扩散的方式进入磷化铟晶片内部并且分布均匀，由铁产生的深受主补偿浅施主使磷化铟呈现半绝缘特性。本项退火技术用普通水平或竖直筒形炉在常压下封闭的石英管内即可完成。
背景技术：
文献中均使用高压斧在几十个大气压下进行，对设备的要求较高。此外，本项发明可使杂质浓度较高的非掺磷化铟转变为半绝缘材料，适用的范围更广，背景技术文献均要求高纯度的非掺磷化铟材料。从材料的测试结果可以证明本方法获得的半绝缘磷化铟的电学均匀性优于背景技术文献中报导的材料的均匀性。
本发明的具体步骤是1)选用非掺磷化铟材料时除了要保证其室温载流子浓度低于6×1015cm-3，迁移率大于4000cm2/V.s外，还要测试非掺磷化铟中的位错团的密度，尽量选用位错团密度低的材料，以保证退火后材料的均匀性。
2)退火的温度必须控制在900℃-930℃，恒温时间为80小时，降温的速度为30℃/小时。
3)使用纯度为光谱纯以上的铁粉和6N纯度以上的红磷。红磷和铁粉的摩尔比为2∶1，红磷的量根据石英管的有效容积来估算，按理想气体方程，P4的蒸气压小于0.3Mpa来估算。
4)晶片要放置在样品加上，彼此隔离开以保证退火后材料的均匀性。
实验中所用的非掺杂磷化铟单晶是用高压液封直拉法(LEC即LiquidEncapsulated Czochralski)生长的。磷化铟单晶锭的晶向为<100>，直径稍大于2英寸和3英寸，分别用内圆切片机切割成(100)晶向的片子，切割片经喷砂切割成标准的2英寸和3英寸片子供退火实验用。
实验中使用的退火炉要求具有一定长度的恒温区，以便每次可处理一定数量的磷化铟晶片。本项工作所用的退火炉为一台引进的旧的砷化镓水平单晶炉。该炉具有十四段炉子，我们只使用其中一端的五段炉，中间用保温材料与其余几段炉子隔开，用外径120毫米的氧化铝管外包保温材料将炉膛填满。退火时，磷化铟晶片密封在内径为88毫米，壁厚2毫米的石英管内，石英管放置在氧化铝管内并用保温耐火材料将炉膛口堵好。在退火过程中，炉子的升温、恒温和降温均由一台工控机来自动控制。
磷化铟片在装入石英管进行退火之前，需要经过有机溶剂清洗(丙酮、乙醇)、酸腐蚀(一般用王水腐蚀2分钟)、去离子水冲洗，然后用氮气吹干或烘干放在样品架上装入石英内，再放置一定量的红磷和铁粉，摩尔比为2∶1。最后将石英管抽真空密封后放入退火炉内进行退火。
在正式使用标准磷化铟片进行退火实验之前，我们先用小的非掺磷化铟样品片进行工艺试验，以确定退火的工艺条件。经多次反复试验后，最后确定了退火的基本条件为退火温度900℃-930℃，退火时升温时间3小时，恒温80小时，以30℃/小时的速度降温至室温。在退火温度下，石英管内的磷蒸气的压力估算为1个大气压，用此方法获得的结果如下表所示。
表1非掺磷化铟在磷化铁气氛下退火前后的电参数(室温)
权利要求
1.一种高温退火非掺杂磷化铟制备半绝缘衬底的方法，其特征在于，包括如下步骤(1)选用非掺磷化铟材料；(2)使用纯度为光谱纯以上的铁粉和6N纯度以上的红磷，将在磷化铟材料及红磷一起放入石英管中；(3)磷化铟材料的晶片要放置在样品架上，彼此隔离开以保证退火后材料的均匀性；(4)放入炉中退火。
2.根据权利要求1所述的高温退火非掺杂磷化铟制备半绝缘衬底的方法，其特征在于，其中所选用的非掺磷化铟材料，其要保证其室温载流子浓度低于6×1015cm-3，迁移率大于4000cm2/V.s，还要测试非掺磷化铟中的位错团的密度，尽量选用位错团密度低的材料，以保证退火后材料的均匀性。
3.根据权利要求1所述的高温退火非掺杂磷化铟制备半绝缘衬底的方法，其特征在于，其中退火炉的温度必须控制在900℃-930℃，恒温时间为80小时，降温的速度为30℃/小时。
4.根据权利要求1所述的高温退火非掺杂磷化铟制备半绝缘衬底的方法，其特征在于，其中使用的红磷和铁粉的摩尔比为2∶1，红磷的量根据石英管的有效容积来估算，按理想气体方程，P4的蒸气压小于0.3Mpa来估算。
全文摘要
一种高温退火非掺杂磷化铟制备半绝缘衬底的方法，其特征在于，包括如下步骤(1)选用非掺磷化铟材料；(2)使用纯度为光谱纯以上的铁粉和6N纯度以上的红磷，将在磷化铟材料及红磷一起放入石英管中；(3)磷化铟材料的晶片要放置在样品架上，彼此隔离开以保证退火后材料的均匀性；(4)放入炉中退火。
文档编号H01L21/477GK1499587SQ02150629
公开日2004年5月26日 申请日期2002年11月11日 优先权日2002年11月11日
发明者赵有文 申请人:中国科学院半导体研究所
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