《炬豐科技-半導體工藝》InGaP 和 GaAs 在 HCl 中的濕蝕刻

2021-07-09 10:17 作者:華林科納 0人讀過 | 我要投稿

書籍：《炬豐科技-半導體工藝》

文章：InGaP 和 GaAs 在 HCl 中的濕蝕刻

編號：JFSJ-21-0

作者：炬豐科技

關鍵字：?InGaP，濕法蝕刻，蝕刻速率

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在H3P04和H202不同含量的HC1:H3P04:H202溶液中，我們測量了晶格匹配的InGaP和GaAs的腐蝕速率。相比之下，H202含量的影響較小。HC1:H3P04:H202(1:10:1)腐蝕劑的老化對InGaP的腐蝕速率沒有影響，而對GaAs的腐蝕速率明顯降低。對于這種溶液，我們測量了溫度對腐蝕速率的依賴關系。當溫度從20°C升高到44°C時，腐蝕速率增加了大約三倍。在溶液中不存在h202的情況下，可以在GaAs上實現(xiàn)InGaP的高選擇性刻蝕。在HC1:H3P04和HC1:H20溶液中，InGaP的腐蝕速率隨HCl的摩爾分數(shù)的變化而迅速變化。

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1.?介紹

InGaP 是一種寬帶隙化合物半導體，目前備受關注。偶爾會出現(xiàn)對其更廣泛應用的懷疑，然而，許多作者認為這種材料在電子和光電器件的多種應用中非常有前途，例如發(fā)光二極管、異質(zhì)雙極晶體管?和激光。

InGaP/GaAs 異質(zhì)結構的吸引力源于其能帶排列，價帶偏移明顯大于導帶偏移 (Mc) (AEv = 0.24 - 0.40 eV)=?0.03 -0.22 eV）。這被認為比AlGaAs/GaAs 異質(zhì)系統(tǒng)的能帶結構。特別是，人們對在異質(zhì)結雙極晶體管中使用 InGaP 發(fā)射極感興趣，這可以避免AlGaAs 的氧化和深能級問題。

用于器件制造的關鍵技術操作之一是濕化學蝕刻。在我們之前的論文中，我們介紹了一組在?HC1:C H3COOH:H2O2（所謂的 KKI）溶液中濕法蝕刻 InGaP 和 GaAs 的結果。以前，發(fā)現(xiàn)這些蝕刻劑產(chǎn)生令人滿意的效果。然而，這些解決方案的一個嚴重缺點是它們會侵蝕金，金隨后可能會重新沉積在 MESA 結構的斜面和蝕刻表面本身上。因此，非常需要尋找可能更適合器件制造的其他蝕刻劑。

2.?蝕刻率研究

在我們的研究中，我們使用通過低壓金屬有機化學氣相沉積在半絕緣、Cr 摻雜、取向的 GaAs 襯底上生長的 InGaP 層。AsH3、PH3、TMGa（三甲基鎵）和TMin（三甲基銦）分別用作As、P、Ga 和In 的來源。氫氣用作載氣，反應器中的總壓力為5kPa。外延層在 560°C 下制備，生長速率為 0.6 μm/hr。層的厚度范圍從 0.36 到 0.70 μm。各層的標稱組成為 In0.485Gao.mP。

蝕刻前，樣品在沸騰的丙酮、三氯乙烯和甲醇中清洗，并用氮氣吹干。最初，使用正性光刻膠?AZ 5214 (Hoechst) 掩蓋樣品的一部分。然后將樣品垂直浸入蝕刻劑中。在蝕刻過程中不施加攪拌。蝕刻時間根據(jù)可用蝕刻層的厚度，從?1 到 15 分鐘不等。去除的材料量決不允許超過總層厚的 95%。通過在流動的蒸餾水中沖洗樣品約 1 分鐘來終止蝕刻，然后將掩模溶解在沸騰的丙酮中，最后用氮氣吹干樣品。

蝕刻速率是通過使用?Talystep (Rank Taylor Hobson) 測量蝕刻表面和掩蔽表面之間產(chǎn)生的臺階的厚度來評估的。測量厚度的不確定度估計小于 10 nm。厚度測量重復了幾次，我們評估了蝕刻速率的誤差約為10%。使用光學顯微鏡檢查蝕刻表面的質(zhì)量。

圖?1 顯示了 InGaP 的蝕刻速率與 H3PO4 體積含量的函數(shù)關系?，蝕刻表面保持光滑。相比之下，在?H2O2 含量較高的溶液中蝕刻會導致表面明顯粗糙。GaAs 的蝕刻速率與 InGaP 的蝕刻速率大致相同。因此，該溶液適用于非選擇性 MESA 蝕刻。

這?HC1:H3PO4:H2O2 (1:10:1)蝕刻劑的老化對InGaP的蝕刻速率沒有影響，幅度相對較低，而GaAs的蝕刻速率隨著老化時間顯著下降（見圖2） . 為了進行比較，該圖還顯示了基于乙酸的溶液中 InGaP 和 GaAs 的蝕刻速率。

圖 3 描繪了 InGaP 與 HCl:H3PO4:H2O2 (1:10:1) 的蝕刻速率與溫度的關系。溫度從 20°C 增加到 44°C 導致蝕刻速率增加約三倍。假設刻蝕的熱激活速率成正比exp (- E.IRT)，其中 E. 是活化能，R 是通用氣體常數(shù)，Ti 是蝕刻溶液的絕對溫度，測量數(shù)據(jù)的最小二乘擬合得到 E. = 9.2 kcal/mole (38.5 kJ/摩爾)。這是一個相對較高的值，這是蝕刻工藝的典型值，其速率受化學反應本身的限制，而不是受反應產(chǎn)物的溶解或反應物質(zhì)向蝕刻表面擴散的限制。類似地，使用光學顯微鏡觀察到的蝕刻表面的光滑度表明蝕刻過程具有反應受限的性質(zhì)。

HClH3PO4:H2O2 蝕刻劑是 HCl 和 H2O2 在 H3PO4 中的非水溶液

溶劑。作為氧化劑的H2O2起著非常重要的作用。單獨的鹽酸，不含 H2O2，不會侵蝕 GaAs。然而，它會從 GaAs 表面去除天然氧化物。另一方面，HCl 長期以來一直被用作 InP 的蝕刻劑。因此，所研究的蝕刻劑是用于蝕刻 GaAs 和 InP 的成分的組合。結果，通過從溶液中去除氧化劑，我們獲得了高度選擇性的蝕刻劑，有效蝕刻 InGaP 而不會侵蝕 GaAs。

為了獲得更高的蝕刻選擇性，我們在隨后的實驗中消除了 H2O2。用水稀釋蝕刻劑以降低蝕刻速率。圖 4 顯示了 InGaP 的蝕刻速率與 HCl 在 HCl:H3PO4 和 HCl:H2O 溶液中的體積分數(shù)在 20°C 下的關系。圖 5 顯示了測得的 InGaP 蝕刻速率的變化，它是 20°C 下 HCl:H3PO4:H2O 溶液中 HCl（空心三角形）和 H2O（實心正方形）的體積部分 x 的函數(shù)。兩個圖中繪制的速率之間的差異在需要選擇性和明確定義的蝕刻的情況下可能很有用。