砷化镓晶片表面损伤层分析 - 中国科学院半导体研究所机构

稀有金属

CHINEXE JOURNAL OF RARE METALS

1999年7月 第23卷 第4期 vol.23 No.4 1999

砷化镓晶片表面损伤层分析

郑红军 卜俊鹏 曹福年 白玉柯 吴让元 惠 峰 何宏家

摘 要： 采用TEM观测与X射线双晶回摆曲线检测化学腐蚀逐层剥离深度相结合的方法，分析了SI-GaAs晶片由切、磨、抛加工所引入的损伤层深度。比较两种方法测量结果上的差异，得出了TEM观测到的只是晶片损伤层厚度，而X射线双晶回摆曲线检测化学腐蚀逐层剥离所得的深度是晶片损伤层及其形成应力区的总厚度的结论。

关键词： 砷化镓 切片 磨片 抛光片 表面损伤层

Analyses of Surface Damage in SI-GaAs Wafers

Zheng Hongjun, Bu Junpeng, Cao Funian, Bai Yuke, Wu Rangyuan,

Hui Feng and He Hongjia

(Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083, China) Abstract： The surface damage Layer in the SI-GaAs wafer induced by cutting, grining and polishing was analyzed by means of transmission electron microscopy and X-ray rocking curve measurements after the wafer was chemically etched. A method for determining the depth of surface damage layer of SI-GaAs wafer according to the quantitative difference in the results obtained by the two methods is proposed.

Key Words: SI-GaAs, Cutting wafer, Grinding wafer, Polishing wafer, Surface damage

许多重要的砷化镓器件及砷化镓高速数字电路、微波单片电路均在砷化镓晶片表面制造， 集成度越高，对表面的要求越严格。所以，材料表面加工的质量直接影响着器件的性能、成品率及寿命等。

半导体材料表面因切、磨、抛加工而引入的损伤层深度一直是人们深入研究的工作。加工后的晶片表面损伤层可能是由非晶层、多晶层、嵌镶块层和弹性畸变层等构成的多层结构［1］。 测定这些表面损伤层厚度的通常方法有恒定化学腐蚀速率法［2，3］、椭圆偏振仪［4］、透射电子显微镜［5］、光背散射［6］以及Knudsen［7］提出的X射线双晶摆动曲线观测腐蚀剥层晶片表面损伤层法。但这些方法都有一定的局限性。本文采用X射线双晶回摆曲线检测化学腐蚀逐层剥离损伤层深度与TEM观测相结合的方法，定量地分析了材料加工过程中 (切、磨、抛) 引入的损伤层深度。根据两种测量结果的差异，得出了TEM观测到的只是晶片损伤层厚度，而X射线双晶回摆曲线检测化学腐蚀逐层剥离损伤层深度是晶片损伤层及其形成应力层的总厚度的结论。

1 实 验

实验所用的SI-GaAs材料是采用LEC技术生长并经常规退火热处理后加工成

Φ50mm<100>±0.5°取向的晶片。实验用晶片取自同一个锭条，切片是在进口的瑞士TS23内圆切片机上进行的，切片厚度为690μm。将晶片在4道国产双面磨片机上进行研磨，氧化铝磨砂粒径为2～4μm，研磨片每面去除30μm厚(切片加工所引入的损伤层已全部磨去)。研磨后的晶片经化学腐蚀(研磨片加工引入的损伤层全部腐蚀掉) 后用作抛光基片。采用粗细两种不同的抛光布，利用SiO2胶体水溶液 (粒径为0.05～0.07μm)及相关的添加剂在国产的MutiBLE-Ⅲ单面抛光机上进行粗、细两步化学机械抛光。

将经过加工后的切、磨、抛晶片沿<110>解理成两半，将靠主定位边的半片沿中心

<100>方向解理成宽1cm，长5cm的窄条作为化学跟踪腐蚀的X射线测试样品，相邻的作为透射电镜样品。

1.1 X射线检测

以H2SO4∶H2O2∶H2O=5∶1∶1为腐蚀液，在25℃下进行化学腐蚀剥离，采用光学显微测厚仪和称重相结合的方法，测其被腐蚀掉的厚度，然后利用高精度、高分辨率的日本SLX-IA双晶衍射仪进行X射线回摆曲线检测，观测X射线回摆曲线的FWHM(半峰宽)值。逐渐增加化学腐蚀的时间， 重复前面的测量，直到X射线双晶回摆曲线FWHM值稳定为止，本实验的样品的本征FWHM值为8.8 arcsec.(对于同一优质砷化镓晶体，其本征缺陷基本相同，而不同的晶体，其本征缺陷是不一样的，X射线双晶回摆曲线的FWHM值的变化也是不同的)。

1.2 TEM观测

将透射电镜用的样品沿<110>方向解理成约1mm宽的小窄条，经研磨、减薄后，制成剖面样品，要求样品薄区大于晶片厚度600μm。使用日本TEM-200CX分析透射电子显微镜进行观测。 通过透射电子显微镜的明场或暗场的观测，在确认后进行拍照，根据观测的放大倍数和洗印照片的放大倍数，即可确定标尺。

2 结果及讨论

2.1 X射线双晶回摆曲线检测化学腐蚀逐层剥离的损伤层深度

对加工后并经化学腐蚀逐层剥离的晶片进行观测，观测其X射线双晶回摆曲线的FWHM值的变化， 得出了FWHM值与化学腐蚀深度的关系曲线。本文定义FWHM值稳定在

8.8arcsec，所对应的化学腐蚀深度为晶片损伤层深度［2］，见图1、2。由图可知，当腐蚀厚度分别达到18μm、12μm时， FWHM值稳定在8.82arcsec，相当于无应变状态的情况，说明这一样品的切片损伤层深度为18μm左右，研磨片损伤层深度为12μm左右。当粗抛光片的化学腐蚀深度为4μm、细抛光片的化学腐蚀深度为1.2μm时，FWHM值稳定在8.81arcsec 和8.79arcsec， 相当于处在无应变状态的情况， 说明这一样品的粗抛光片损伤层深度为

4μm左右，细抛光片损伤层深度为1.2μm左右。