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摘要
? ? ? 本文所描述的工作是對(duì)氮化鎵的表面清潔和歐姆接觸策略的系統(tǒng)研究的一部分。本研究的目的是確定最有效的濕化學(xué)和熱解吸清洗去除氧(O)和C)碳的方法。比較了氫氯（HC1）和氫氟(HF)酸基清洗處理，并在超高真空(UHV)條件下將熱解吸作為溫度的函數(shù)進(jìn)行了表征。在整個(gè)研究過(guò)程中，俄杰電子能譜(AES)分析用于監(jiān)測(cè)表面O和C的存在。對(duì)于去除表面氧化物，hcl基溶液被發(fā)現(xiàn)是最有效的；在清潔的空氣暴露條件下，HCI：DIH20（1：1）溶液導(dǎo)致殘留的O和C水平最低。然而，hf基溶液導(dǎo)致更有效的從表面熱解吸C。與通常觀察到的熱解吸清潔砷化鎵的結(jié)果，完全去除暴露氮化鎵氧和碳表面沒(méi)有單獨(dú)使用真空加熱，甚至溫度氮化鎵分解發(fā)生(>800-900℃）。本研究的結(jié)果表明，氮化鎵表面的氧和碳的存在即使是高溫，必須添加進(jìn)一步的原位清潔方法，以獲得光譜清潔的氮化鎵表面。
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介紹?
? ? ? 半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)之間的表面和界面是固態(tài)結(jié)構(gòu)的基本組成部分。隨著設(shè)備尺寸的縮小和集成規(guī)模的增加，這些接口的質(zhì)量已經(jīng)成為一個(gè)越來(lái)越重要的問(wèn)題。此外，寄生電阻和電容的存在，如在接觸界面上存在的電容，在更高的工作功率和更高的振蕩頻率下變得更加有害。對(duì)于許多設(shè)備，發(fā)生在接觸接口上的損失占總損失的很大一部分，因此會(huì)對(duì)設(shè)備造成重大影響的性能。在半導(dǎo)體器件技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，表面清潔程序已經(jīng)被設(shè)計(jì)出來(lái)脫脂并去除嚴(yán)重污染，去除顆粒和金屬原子污染，去除表面氧化物，使表面提供盡可能的原子清潔。在實(shí)踐中，表面清潔既是一種藝術(shù)形式或工藝，也是一種科學(xué)；對(duì)表面組成和結(jié)構(gòu)的理解往往遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于處理步驟的成功應(yīng)用。程序通常是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)推導(dǎo)出來(lái)的，很少對(duì)所涉及的化學(xué)或物理進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查。
? ? ? 本研究比較了氫氯（HCI）和氫氟(HF)酸作為清潔劑；還比較了水溶液和甲醇基溶液的效果。已知HCI和高頻溶液都能去除ga基半導(dǎo)體中的氧化物。然而，有證據(jù)表明高頻溶液更有效的電和化學(xué)鈍化，通過(guò)“捆綁”暴露懸鍵與原子氫，使用低分子量有機(jī)化合物鈍化表面也在本研究中使用甲醇溶液，并與水溶液進(jìn)行比較，觀察由于氧和碳?xì)埢c氮化鎵表面的鍵不同而導(dǎo)致的熱解吸行為的任何差異。
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實(shí)驗(yàn)
? ? ? 實(shí)驗(yàn)中使用的紫外線、臭氧裝置由室內(nèi)空氣中的汞燈組成。樣品表面放置在燈表面2-3mm內(nèi)；典型的紫外線暴露為20min。除接收和紫外、臭氧氧化條件外，連續(xù)用三氯乙烯(TCE)、丙酮、甲醇(MeOH)對(duì)樣品進(jìn)行溶劑清洗，并在每個(gè)酸清洗溶液中浸泡3min。本研究中使用的所有化學(xué)試劑均為高純度電子級(jí)；沒(méi)有使用最終的水沖洗。每次濕式化學(xué)清洗后，樣品立即用N2吹干，固定在樣品支架上，并盡快插入真空系統(tǒng)（基礎(chǔ)壓力510-9Torr及以下），以盡量減少暴露在室內(nèi)空氣中。在將樣品固定到樣品塊所需的時(shí)間內(nèi)，每個(gè)樣品不可避免地暴露在空氣中約10min。對(duì)于熱解吸，樣品在(UHV)條件下(<室的510-9Torr)使用熱絲加熱；樣品以大約每分鐘75~的速度加熱，并按所需的速度保存冷卻15min后冷卻進(jìn)行分析。
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結(jié)果和討論
? ? ?從各種濕化學(xué)溶液中清洗的氮化鎵表面中獲得的AES光譜如圖所示1，以及典型空氣暴露條件和紫外線、臭氧氧化表面的光譜?！癉I”指去離子水；“溶劑清洗”指?jìng)鹘y(tǒng)的三氯乙烯(TCE）、丙酮和甲醇(MeOH)。為了繪制這些數(shù)據(jù)，氮的峰到峰的高度都被設(shè)置為相同的值，以便可以比較氧和碳的相對(duì)濃度。峰值高度比的相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。氧和碳信號(hào)的峰頂高度與氮信號(hào)的峰頂高度有關(guān)，表明了加氧基和碳基表面覆蓋層的相對(duì)豐度。比率之所以使用峰值高度，是因?yàn)?，盡管給定峰值中的計(jì)數(shù)總數(shù)可能因運(yùn)行而異，但對(duì)于給定表面的相對(duì)峰值強(qiáng)度保持不變。在接收到的表面使用紫外線、臭氧氧化導(dǎo)致O大量增加，C覆蓋率略有增加，這并不奇怪。
? ? ? 其他最近的熱解吸實(shí)驗(yàn)的結(jié)果NCSU在真空中執(zhí)行類(lèi)似氮化鎵薄膜迄今為止表明，O和C沒(méi)有完全消失，甚至氮化鎵分解發(fā)生的溫度(>800-900℃）。這些觀察形成成熟的，通常直接的砷化鎵表面氧化物的熱行為?；钚晕锓N的存在來(lái)幫助表面去除（例如，氫等離子體，離子轟擊等）。在NH3通量中加熱以抑制氮化鎵分解，預(yù)計(jì)會(huì)產(chǎn)生比真空中簡(jiǎn)單的熱解吸更清潔的表面。在這方面的一個(gè)重要考慮是目前關(guān)注H及其補(bǔ)償體雜質(zhì)的作用。尋找一種盡可能獲得原子“原始”表面的方法，必須包括與表面清潔程序有關(guān)的可能發(fā)生的任何表面損傷或其他性質(zhì)退化的特征。
? ? ? 在清洗方法中使用電離的、加速的氣相物質(zhì)很可能會(huì)造成一些表面損傷，這取決于電離物質(zhì)的動(dòng)能和質(zhì)量。也有濕化學(xué)清洗步驟也可能造成一些表面損傷；有跡象表明，即使短期暴露于酸水溶液也會(huì)導(dǎo)致砷化鎵表面微脫落，隨著暴露時(shí)間的增加而增加。
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圖1 用不同化學(xué)處理清洗的氮化鎵表面的AES測(cè)量光譜
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表一 不同濕化學(xué)處理處理的氮化鎵表面的相對(duì)霧峰強(qiáng)度
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圖3 高頻清洗后的氮化鎵表面的AES測(cè)量光譜隨溫度的變化
結(jié)論
? ? ??本研究進(jìn)行的表面清潔實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氮化鎵表面的清潔溶液的選擇取決于在后續(xù)處理步驟之前是否在真空中進(jìn)行熱解吸。在這里研究的濕化學(xué)清洗方法中，HCI：DI（1：1）溶液在清潔的表面殘氧和碳水平最低。所有檢測(cè)的涉及心衰的清潔方法最初都發(fā)現(xiàn)在表面留下更多的氧和碳。相比之下，我們發(fā)現(xiàn)基于hf的清潔處理可以更有效地從表面解吸C。與砷化鎵的熱解吸清洗中通常觀察到的結(jié)果相反，僅使用真空加熱沒(méi)有完全去除空氣暴露的氮化鎵表面的O和C，即使是氮化鎵分解的溫度(>800-900℃在加熱到800℃后，特別是HF：MeOH樣品，經(jīng)歷了大量的C去除；然而，殘氧覆蓋并沒(méi)有低于HCl清洗表面的水平。除了簡(jiǎn)單的濕式化學(xué)清潔和熱解吸外，進(jìn)一步的原位處理是必要的，以實(shí)現(xiàn)光譜清潔的氮化鎵表面。
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