[发明专利]使用大气压等离子体准备步骤的外延生长

说明书

在CMP之后且在外延生长步骤之前，通过大气压等离子体对衬底进行准备，所述大气压等离子体不仅包含还原化学物质，还包含化学惰性载气的亚稳态。这会去除残留物、氧化物和/或污染物。任选地，氮气钝化也在大气条件下进行，以钝化衬底表面，以便于后续外延生长。

交叉引用

要求美国临时申请62/205,938的优先权，其通过引用并入本文。

背景技术

本申请涉及外延生长，具体涉及在由不同材料组成的单晶衬底上单晶半导体层的外延生长(“异质外延沉积”)。

请注意，下面讨论的观点可能反映了从已公开的发明中获得的后见之明，不一定被认为是现有技术。

半导体加工的基本步骤之一是沉积薄层材料。外延是特殊情况，其中在使新材料以与衬底相同的取向延续相同的晶格的条件下，将晶体材料沉积在单晶衬底上。

增加的材料具有与衬底不同组成的特定情况有时被称为异质外延沉积。当外延材料的晶格常数等于衬底材料的晶格常数时，异质外延沉积最容易：否则在材料中将会出现应变(拉伸或压缩)。然而，完美的晶格匹配通常是不可能的。

分子束外延(“MBE”)是外延沉积工艺的一个例子。在此工艺中，衬底保持在非常高的真空下，并且通常被加热(例如，到几百摄氏度)。使源原子或源分子非常缓慢地释放以撞击暴露的衬底，从而实现缓慢的晶体生长。

外延沉积也可以在气相下进行。这种工艺使用各种源气体，并且通常实现远远更快的晶体生长。在液相或固相下外延生长也是可能的。

一项具体的挑战是在外延沉积之前准备衬底。外延沉积工艺要求进入的原子(“被吸附原子”)优先被吸引到晶体衬底的暴露表面中的晶格空位，从而随着晶体生长，使衬底的晶格得以延续。问题是偏离被吸附原子完美对准的任何偏差都可能引发孪晶或缺陷，从而削弱外延层的性能。一旦引发缺陷或孪晶区域，其就可以随着生长面移动而传播。

生长晶体的每一层的对准由就在其前的晶格层限定。这使晶体材料得以生长，但是这也使现有表面中的缺陷随着晶体生长得以传播到新材料中。换句话说，新沉积的每层由晶体材料的表面层而不是块状晶体限定，新沉积的每层生长到表面层上。

这在传统的生长过程中并不是一个大难题，但其指明缺点的一个来源：生长必须在某个阶段开始，并且在该阶段必须存在可用的良好晶格表面，以便新生长的层自身对准。在开发外延生长工艺方面已经投入了大量精力，但是(取决于衬底材料)外延沉积的引发仍然可能是缺陷的重要来源。

通常使用CMP(化学机械抛光)步骤来提供原子级有序的晶格表面。

本申请涉及固体晶体衬底表面的准备以及在该衬底上半导体层的外延生长。在衬底(例如，在GaSb衬底上生长的InGaAs)上生长的外延层(Epi层)的质量取决于在衬底表面处原子晶格的完美性，以及在该表面上没有干扰物质，例如氧、碳、烃类、H₂O、OH和其他物质，这些物质会破坏作为衬底原子晶格的延伸的Epi层原子结构的均一生长。

在为Epi生长准备衬底时标准工业实践包括许多典型的步骤：

1.对衬底进行化学机械抛光以产生洁净的、有序的、无晶格异常的晶体表面；

2.抛光后用有机溶剂和酸清洗衬底表面以去除来自抛光过程的任何残留物；

3.一般在炉子中在高纯度氧存在下，在准备好的表面上生长设想的氧化物；

4.将氧化的衬底晶片存储以便随后在密封容器中使用；

5.(可选地)清洁衬底的表面以去除由于存储包装的除气而积聚在表面上的有机污染物；

6.将晶片放入具有高真空能力的外延生长机中；