书籍：《炬丰科技-半导体工艺》

文章：GaN 基板的表面处理

编号：JFSJ-21-007

作者：炬丰科技

直接比较了 GaN 衬底的表面处理方法，即使用胶体二氧化硅浆料的化学机械抛光 (CMP) 和使用 SiCl4 气体的电感耦合等离子体 (ICP) 干蚀刻，并总结了它们的优缺点。从阴极发光 (CL) 发射光谱的强度和 CL 成像评估次表面损伤。尽管 CMP 完成的 GaN 衬底表现出完美的表面，没有划痕和亚表面损伤，但实现的去除率不够高。另一方面，ICP 干蚀刻被认为只能以非常高的去除率去除次表面损伤，但不能去除机械过程引起的划痕。此外，建议在 ICP 干蚀刻过程中引入等离子体引起的损伤。本研究通过展示 CMP 完成的 GaN 衬底的 ICP 干法蚀刻，显示了引入等离子体诱导损伤的明确证据，该损伤是源自干法蚀刻的机械效应（如离子轰击）的点缺陷网络。通过讨论 CL 强度下降的原因。在实验结果的基础上，总结了当前 CMP 和 ICP 干蚀刻需要解决的问题，以开发适用于 III 族氮化物外延的 GaN 衬底的表面处理。本研究通过展示 CMP 完成的 GaN 衬底的 ICP 干法蚀刻并讨论 CL 强度下降的原因来显示。在实验结果的基础上，总结了当前 CMP 和 ICP 干蚀刻需要解决的问题，以开发适用于 III 族氮化物外延的 GaN 衬底的表面处理。本研究通过展示 CMP 完成的 GaN 衬底的 ICP 干法蚀刻并讨论 CL 强度下降的原因来显示。在实验结果的基础上，总结了当前 CMP 和 ICP 干蚀刻需要解决的问题，以开发适用于 III 族氮化物外延的 GaN 衬底的表面处理。

一  介绍

单晶体 GaN 衬底是最有希望替代蓝宝石衬底的候选者之一，蓝宝石衬底常用于 III 族氮化物器件，如发光二极管 (LED) 和激光二极管 (LD)，并改进 III 族氮化物器件通过实现 III 族氮化物器件薄膜的同质外延生长，显着提高了性能。块状 GaN 单晶可以通过高压溶液生长 (HPGS) 生长， 氢化物气相外延 (HVPE)、氨热生长、和液相外延 (LPE)。块状晶体生长后，晶体经历晶圆加工，包括切割、研磨、机械抛光和化学机械抛光 (CMP)。机械加工产生的表面具有密集的划痕和损坏网络。然而，要通过同质外延在 GaN 衬底上获得高性能的薄膜器件，必须使 GaN 衬底的表面没有划痕和损坏。因此，晶圆工艺的最后一步 CMP 对后续同质外延 GaN 薄膜和相关器件的质量起着极其重要的作用。最近，我们首次报道了使用胶体二氧化硅浆液通过 CMP 获得无划痕和亚表面损伤的完美 GaN 表面，据我们所知，这是唯一一份处理 GaN 衬底完整 CMP 的报告。在报告中，我们确认了 CMP 对 GaN 衬底作为表面处理的可行性，以生产完全没有损坏和划痕的表面。然而，由于 GaN 的 Ga 面对几乎所有化学溶液都呈惰性，CMP 对 GaN 的去除率不足以应用该生产工艺。考虑到 CMP 对 GaN 衬底的发展不足，干蚀刻被广泛用作 GaN 衬底的最终表面处理，因为它已经普遍用于在 LED 和 LD 的器件工艺中生产氮化物薄膜的台面结构。反应离子蚀刻 (RIE)，这种方法使用了电子回旋共振 (ECR) 和电感耦合等离子体 (ICP) 技术。等离子干蚀刻最重要的特点是 GaN 的蚀刻速率比湿工艺快得多。然而，一般来说，等离子干蚀刻去除了机械抛光引起的亚表面损伤，但不能去除划痕，因为干蚀刻随机进行而不参考平面。因此，干蚀刻前的机械加工产生的划痕会残留在干蚀刻后的表面上。除此之外，

如上所述，CMP 和干蚀刻似乎各有优缺点。但是，没有关于它们的系统比较的报告。因此，在本文中，我们首次对 CMP 和 ICP 干蚀刻 GaN 衬底表面处理方法进行了直接比较。使用胶体二氧化硅浆料的 CMP 和使用 SiCl4 的 ICP 干蚀刻都应用于通过使用金刚石磨料进行机械抛光预处理的 GaN 衬底。总结了 CMP 和 ICP 干蚀刻表面处理方法的优缺点，并分别讨论了影响表面粗糙度、损伤去除和每个过程中引入的损伤的因素，以深入了解合适的表面处理方法。用于外延的 GaN 衬底。此外，我们将首次展示通过将 ICP 干法蚀刻应用于 CMP 完成的 GaN 衬底引入等离子体诱导损伤的明确证据。还详细讨论了等离子体干蚀刻对GaN衬底产生等离子体诱导损伤的可能原因。

二  实验程序

1.GaN 衬底的金刚石抛光作为最终表面的预处理治疗

本研究使用了来自商业来源的研磨后的 GaN 衬底。在使用 CMP 或干法蚀刻进行最终表面处理之前，使用尺寸逐渐减小的金刚石磨料分几个步骤用金刚石磨料对 GaN 衬底进行机械抛光。作为第一步，使用 2.0 微米直径的金刚石磨料（2.0 微米金刚石磨料）去除初始表面粗糙度。使用 2.0 μm 金刚石磨料抛光后，使用 0.5 μm 直径金刚石磨料（0.5 μm 金刚石磨料）进行第二次金刚石抛光。在最终表面处理之前，一些用 0.5 μm 金刚石磨料抛光的 GaN 衬底用 0.25 μm 金刚石磨料（0.25 μm 金刚石磨料）进行进一步抛光。

2.GaN衬底的CMP处理

在金刚石抛光之后，在GaN衬底中采用CMP。具有 300 毫米直径压板的桌面抛光机用于 CMP 工艺。典型的 CMP 条件在别处有描述。(7) 在 CMP 浆料的几种候选中，胶体二氧化硅是最流行的，在实际工业中用于硅、玻璃和蓝宝石衬底的 CMP。因此，选择市售的胶体二氧化硅作为用于GaN衬底的CMP的浆料。在典型的 CMP 条件下，CMP 去除 GaN 的速率为 17 nm/h。

3.GaN衬底的ICP干法刻蚀

干蚀刻也应用于通过用金刚石磨料机械抛光预处理的基材。在几种干蚀刻技术中，我们采用了 ICP 蚀刻。这是因为 ICP 蚀刻可以在保持快速蚀刻速率的同时最大限度地减少损坏。此外，一般认为 ICP 蚀刻在生产规模扩大、改善大面积等离子体均匀性和低运营成本方面具有若干优势。 (8) 市售的干法蚀刻机，通常用于制造LED 的台面结构，用于 GaN 的干蚀刻基质。使用SiCl4气体

作为蚀刻气体。通过改变偏置功率，应用两种不同的蚀刻速率来蚀刻 GaN 衬底：185 和 685 nm/min，这是用于生产 LED 和 LD 的台面结构的蚀刻速率的典型范围。文章全部详情，请加V获取：hlknch / xzl1019

4. 表面处理后的表面和次表面评估

通过光学显微镜（OM）和原子力显微镜（AFM）评估表面粗糙度。通常，使用金刚石磨料进行机械抛光会在基材的表面区域处或附近产生位错网络。与划痕等表面缺陷相关的位错可以通过常规表面分析（例如 OM 和 AFM）进行评估。然而，对于地下位错，我们需要一种不同的方法来可视化它们的存在。在这项工作中，通过阴极发光 (CL) 强度评估机械抛光引起的亚表面损伤的去除，并通过 CL 成像在视觉上理解。由于位错区作为非辐射复合位点，位错在 CL 图像中表现为暗区，导致 CL 强度降低。

三  结果和讨论

1.GaN衬底的CMP处理

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