一種開管鋅擴散方法
2023-05-03 03:06:41
專利名稱：一種開管鋅擴散方法
背景技術：
本發明涉及一種化合物半導體外延片擴散方法，尤其是涉及一種以摻在有機矽膠中的鋅(Zn)一類金屬作為擴散源，在開管通氮氣氛圍將鋅一類雜質擴散到砷化鎵(GaAs)化合物半導體外延片中的一種方法。
背景技術：
目前，對III-V族半導體化合物形成p-n結的方法有閉管擴散和開管箱法擴散兩種形式。閉管擴散(Young-Don Ko，et al，Microelectronics Journal，Neural networi basedmodeling of diffusion process for high-speed avalanche photodiodes fabrication，2002，33675-680)需要在真空的石英管內進行，抽真空、封管和開管工藝麻煩，成本較昂貴，擴散時間長，不適合於大批量連續性生產。箱法擴散(張福甲，李思淵，胡建治，ZnP2在GaP表面的定態箱法擴散，發光與顯示，1984，5，(3)83-85)需要將半導體外延片和雜質源放在特製的石英舟中，石英舟的設計需要滿足一定的密封性，但又不能完全密封，需在氫氣和氮氣流動氛圍進行，對氫氣的排放和使用安全性需要採取一定的措施，所需設備較複雜。
發明內容
本發明的目的在於針對已有擴散方法的不足之處，提供一種新的開管鋅擴散工藝。
本發明的技術方案是在化合物半導體例如砷化鎵(GaAs)樣片上旋轉塗敷一層均勻摻鋅的有機矽膠作為擴散源，在惰性氣體保護下，在快速熱退火爐中進行擴散。
本發明的具體步驟為1)將鋅粉摻入有機矽膠中，按質量比鋅粉∶有機矽膠＝1∶(1～2)，得含鋅的有機矽膠；2)在化合物半導體片上塗敷上一層由步驟1)製得的含鋅的有機矽膠作為擴散源，勻膠後在樣片上塗敷上有機矽膠，烘乾；3)將步驟2)所得的化合物半導體片以惰性氣體為保護氣體進行擴散，擴散溫度為550～620℃；4)除去表面塗層，再去除還黏附的有機矽膠層，即得目標產物。
在步驟1)中，按質量比鋅粉∶有機矽膠＝1∶1，純度為99.99％以上。
在步驟2)中，所述的勻膠厚度≥0.1mm，最好為0.4mm；有機矽膠膠層厚度為0～1mm，最好為0.6mm，然後放入乾燥箱中烘至膠自然凝固，溫度為90～120℃。所述的化合物半導體片的大小、尺寸和形狀可任意，化合物半導體優選砷化鎵(GaAs)。可使用一般的有機矽膠，要求能夠耐住擴散要求的高溫，並且黏附性較強，去除方便即可。例如使用國產牌號為705型RTV-905 Silicone Adhesive的有機矽膠作為擴散源。
在步驟3)中，所述的惰性氣體選自氮氣或氬氣，氣體流量為3～5ml/m，最好為3ml/m，擴散時間為10～35min。
在步驟4)中，用沾有丙酮的棉花擦去表面塗層，然後用HF∶H2O＝1∶(0.5～5)，最好HF∶H2O＝1∶0.5的溶液去除還黏附的有機矽膠層。
與現有的擴散方法相比，本發明具有以下的突出優點(1)本發明不需要特殊設計的擴散室，僅需要具有加熱功能並具備流通氣體的裝置(2)不需要複雜繁瑣的真空處理；(3)沒有擴散室汙染問題；(4)工藝條件要求相對較低，所需熱處理設備很簡單，即諸如快速熱退火爐一類就可以；(5)工藝簡單，生產周期短，容易操作，穩定可靠，成本低。
圖1為擴散升降溫度示意圖。在圖1中，橫坐標為擴散時間(t)，縱坐標為擴散溫度(T)，起始單調遞增段表示升溫時間和溫度，升溫時間很快，只需要約24秒；中間水平段表示設定的恆溫擴散的時間和溫度；末段單調遞減表示在自然降溫的時間與溫度一般降到可以取片的溫度為80℃溫度，大約要20分鐘。
圖2為砷化鎵(GaAs)樣片在580℃時，擴散結深和擴散時間的開方t1/2關係曲線。在圖2中，橫坐標為擴散時間的開方t1/2，時間單位為s，縱坐標為擴散結深(μm)。
圖3為砷化鎵(GaAs)樣片在580℃時，方塊電阻(通過四探針法測試)和擴散時間的關係。在圖3中，橫坐標為擴散時間的開方t1/2，時間單位為s，縱坐標為方塊電阻(Ω/□)。
圖4為砷化鎵(GaAs)樣片在擴散溫度580℃，擴散時間15min，ECV(電化學電容-電壓測量)測試得到的載流子縱向分布圖。在圖4中，橫坐標為結深(Depth/μm)，縱坐標為擴散樣品的表而濃度(Log Concentration/cm2)。
圖5為擴散溫度為580℃，擴散時間為30min後的GaAs表面狀態圖。
圖6為擴散溫度為600℃，擴散時間為25min後的GaAs表面狀態圖。
具體實施例方式
以下實施例將結合附圖對本發明作進一步的說明。
實施例1將0.4g鋅粉研磨後(鋅粉的顆粒大小如細麵粉狀，純度為99.99％以上)，摻入0.4g有機矽膠中，並攪拌均勻，得擴散源。在任意大小、尺寸、形狀砷化鎵片上塗敷上一層擴散源，通過舊式的甩膠機勻膠，可調變壓器從0至50V，勻膠時間約為45s，使含鋅的有機矽膠較均勻地分布在砷化鎵樣片上，厚度為0.4mm，在勻膠後的樣片上塗敷上有機矽膠，有機矽膠層厚度為0.6mm，然後放入乾燥箱中烘乾到膠自然凝固，烘乾溫度為120℃。以含鋅的有機矽膠為擴散雜質源，在快速熱退火爐中進行擴散，以氮氣為保護氣體，氣體流量為3ml/m，進行擴散，擴散溫度為550～620℃，擴散時間為10～35min；用沾有丙酮的棉花擦去表面塗層，然後用HF∶H2O＝1∶0.5的溶液去除還黏附的有機矽膠層。
GaAs擴散結果如表1所示。
表1
由表1可見，在擴散溫度550℃～590℃，時間在10～30min得到的砷化鎵表面光亮，無分解氧化等現象。在擴散溫度600～620℃後，GaAs表面仍然為鏡面，但是顏色變暗，顯微鏡下觀察有黃色斑紋。且擴散結深並不隨溫度的增加而遞增，這是由於過高溫，膠掩蔽不住，並且Zn揮發速率大於擴散速率的緣故。砷化鎵樣片在580℃時，擴散結深和擴散時間的開方t1/2關係曲線如圖2所示，可以看出Xj-t1/2基本上遵循菲克(Fick)定律。砷化鎵樣片在580℃時，方塊電阻(通過四探針法測試)和擴散時間的關係如圖3所示，可以看出隨擴散時間的增加，表面方塊電阻降低，這表明隨擴散時間的增加，擴散樣片的表面濃度降低。圖4是擴散溫度580℃，擴散時間15min時候，ECV測試得到的載流子縱向分布圖。圖5是擴散溫度為580℃，擴散時間為30min後的GaAs表面狀態圖。圖6是擴散溫度為600℃，擴散時間為25min後的GaAs表面狀態圖。
GaAs樣片的擴散結深為0.7～1.76μm，表面濃度在1019～1020/cm3範圍。
可以根據製備的半導體器件實際需要，在擴散前或擴散後進行光刻腐蝕等工藝。
實施例2與實施例1類似，其區別在於將0.4g鋅粉研磨後，摻入0.6g有機矽膠中。使含鋅的有機矽膠較均勻地分布在砷化鎵樣片上，厚度為0.1mm，在勻膠後的樣片上塗敷上有機矽膠，有機矽膠層厚度為0.1mm，然後放入乾燥箱中烘乾至膠自然凝固，烘乾溫度為90℃。
以含鋅的有機矽膠為擴散雜質源，在快速熱退火爐中進行擴散，以氮氣為保護氣體，氣體流量為5ml/m，進行擴散，擴散溫度為550～580℃，擴散時間為10～15min；用沾有丙酮的棉花擦去表面塗層，然後用HF∶H2O＝1∶3的溶液去除還黏附的有機矽膠層。
實施例3與實施例2類似，其區別在於將0.4g鋅粉研磨後，摻入0.8g有機矽膠中。使含鋅的有機矽膠較均勻地分布在砷化鎵樣片上，厚度為0.6mm，在勻膠後的樣片上塗敷上有機矽膠，有機矽膠層厚度為1mm，然後放入乾燥箱中烘乾至膠自然凝固，烘乾溫度為100℃。
以含鋅的有機矽膠為擴散雜質源，在快速熱退火爐中進行擴散，以氮氣為保護氣體，氣體流量為4ml/m，進行擴散，擴散溫度為600～620℃，擴散時間為25～35min；用沾有丙酮的棉花擦去表面塗層，然後用HF∶H2O＝1∶5的溶液去除還黏附的有機矽膠層。
權利要求
1.一種開管鋅擴散方法，其特徵在於其步驟為1)將鋅粉摻入有機矽膠中，按質量比鋅粉∶有機矽膠＝1∶1～2，得含鋅的有機矽膠；2)在化合物半導體片上塗敷上一層由步驟1)製得的含鋅的有機矽膠作為擴散源，勻膠後在樣片上塗敷上有機矽膠，烘乾；3)將步驟2)所得的化合物半導體片以惰性氣體為保護氣體進行擴散，擴散溫度為550～620℃；4)除去表面塗層，再去除還黏附的有機矽膠層，即得目標產物。
2.如權利要求1所述的一種開管鋅擴散方法，其特徵在於在步驟1)中，按質量比鋅粉∶有機矽膠＝1∶1。
3.如權利要求1所述的一種開管鋅擴散方法，其特徵在於在步驟2)中，所述的勻膠厚度≥0.1mm。
4.如權利要求3所述的一種開管鋅擴散方法，其特徵在於在步驟2)中，所述的勻膠厚度為0.4mm。
5.如權利要求1所述的一種開管鋅擴散方法，其特徵在於在步驟2)中，有機矽膠膠層厚度為0～1mm。
6.如權利要求5所述的一種開管鋅擴散方法，其特徵在於在步驟2)中，有機矽膠膠層厚度為0.6mm。
7.如權利要求1所述的一種開管鋅擴散方法，其特徵在於在步驟2)中，烘乾溫度為90～120℃。
8.如權利要求1所述的一種開管鋅擴散方法，其特徵在於在步驟2)中，所述的化合物半導體選自砷化鎵。
9.如權利要求1所述的一種開管鋅擴散方法，其特徵在於在步驟3)中，所述的惰性氣體選自氮氣或氬氣，氣體流量為3～5ml/m，擴散時間為10～35min。
10.如權利要求1所述的一種開管鋅擴散方法，其特徵在於在步驟4)中，用沾有丙酮的棉花擦去表面塗層，然後用HF∶H2O＝1∶0.5～5的溶液去除還黏附的有機矽膠層。
全文摘要
一種開管鋅擴散方法，涉及一種化合物半導體外延片擴散方法，尤其是涉及一種以摻在有機矽膠中的鋅一類金屬作為擴散源，在開管通氮氣氛圍將鋅一類雜質擴散到砷化鎵化合物半導體外延片中的方法。提供一種新的開管鋅擴散工藝。步驟為將鋅粉摻入有機矽膠中得含鋅的有機矽膠；在化合物半導體片上塗敷上一層含鋅有機矽膠作為擴散源，勻膠後在樣片上塗敷上有機矽膠，烘乾；以惰性氣體為保護氣體進行擴散，擴散溫度為550～620℃；除去表面塗層和有機矽膠層，即得目標產物。不需特殊設計的擴散室和複雜繁瑣的真空處理，沒有擴散室汙染問題工藝條件要求低，熱處理設備簡單，生產周期短，容易操作，穩定可靠，成本低。
文檔編號H01L21/02GK1819115SQ20051012996
公開日2006年8月16日 申請日期2005年12月16日 優先權日2005年12月16日
發明者肖雪芳, 謝生, 陳朝, 陳良惠 申請人:廈門大學