書籍：《炬豐科技-半導體工藝》

文章：GaN 的簡單濕法蝕刻

編號：JFKJ-21-459

作者：炬豐科技

摘要

? 我們討論了對 GaN 的非接觸式紫外線增強濕法蝕刻技術(shù)的研究。該技術(shù)利用氧化劑過硫酸鉀來消耗光生電子，從而避免了與外部陰極電接觸的需要。蝕刻速率很大程度上取決于光照強度和均勻性以及 KOH 溶液的 pH 值，蝕刻表面的粗糙度也是如此。雙照明方案的實施，即使用額外的 UVC 燈僅照亮溶液而不是晶片，從而提高了蝕刻速率和更光滑的蝕刻表面。最后，發(fā)現(xiàn)沉積在以這種方式蝕刻的 n 型 GaN 上的觸點的歐姆性質(zhì)與未蝕刻表面上的觸點相比有所改善。

關(guān)鍵詞： GaN、氮化鎵、濕蝕刻、UV、PEC、加工、表面

介紹

? GaN 及其與 InGaN 和 AlGaN 的合金形成寬帶隙半導體材料系統(tǒng)，具有眾多光學和電子器件應用。波長范圍從 1.9eV (InN) 到 6.2eV (AlN)，涵蓋技術(shù)上重要的紫外 (UV) 和可見光譜范圍。此外，由于寬帶隙和高粘合強度，該材料具有高耐化學性和耐輻射性。由于之前沒有半導體材料能夠滿足對藍色、綠色和紫外線激光器和發(fā)光器件的商業(yè)需求，這是 GaN 研究和進展的第一個直接關(guān)注點，現(xiàn)在這些都可以商用。由于具有高擊穿場和大的預測電子飽和速度，基于 GaN 的材料也適用于微波應用的高功率、高頻晶體管。在這一領(lǐng)域，使用調(diào)制摻雜場效應晶體管的商業(yè)潛力即將實現(xiàn)。已成功用于發(fā)光器件的光譜范圍也被用于紫外和可見光譜中的檢測器。

? 盡管一些設備應用已經(jīng)或即將實現(xiàn)商業(yè)化，但要充分發(fā)揮這種材料系統(tǒng)的潛力，仍然存在許多障礙。

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實驗性

? 在實驗過程中使用了幾種不同的實驗方案。在攪拌的 KOH/K2S2O8 溶液中照射具有 Pt 掩模圖案（Pt 厚度為 15、50 或 150nm）的晶片。KOH 摩爾濃度的調(diào)節(jié)用于改變?nèi)芤旱?pH 值。各種光源被單獨或組合使用。使用 HeCd 激光器，在 325nm 處具有 1W/cm2 或 10mW/cm2 的強度。后者是通過使用由凹凸透鏡組合（伽利略原理）組成的擴束器實現(xiàn)的。還使用了 253.7nm 低壓汞蒸氣放電燈（帶有拋物面反射器以產(chǎn)生平行輸出），在實驗中使用的距離處具有 1.1mW/cm2 的強度。

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結(jié)果和討論

???研究中實現(xiàn)的第一次蝕刻是使用全強度 1W/cm2 的 HeCd 激光束。溶液 pH 值為 12.2，含有 0.02M K2S2O8。將樣品蝕刻 10 分鐘，發(fā)現(xiàn)蝕刻到基板上，表明蝕刻速率至少為 200 納米/分鐘。這種快速蝕刻導致蝕刻表面極其粗糙，在 100mm2 面積上測量時，RMS 粗糙度超過 300nm。圖 1 顯示了蝕刻邊界的 30mm x 30mm 圖像。大的蝕刻高度和粗糙度意味著無法獲得清晰的圖像。15nm 厚的 Pt 掩膜沒有被移除，可以看到掩膜在邊緣附近似乎正在分層。許多晶圓都發(fā)生了這種情況，原因仍在調(diào)查中。

圖 1：使用 1W/cm2 的 325nm 激光照射蝕刻的 GaN:Si 的 AFM 圖像。圖像左側(cè)是未蝕刻區(qū)域，包括 15nm Pt 掩模?；叶葹?2.5mm。

溶液pH值

? 峰值蝕刻速率出現(xiàn)在 12.7 處。然而，沒有給出關(guān)于蝕刻質(zhì)量變化的信息。因此，我們的研究包括在不同 pH 值的溶液中進行一系列蝕刻，測量蝕刻速率和蝕刻表面粗糙度。圖 3 繪制了這些測量的結(jié)果。對于該系列，使用了擴展的 325nm 激光束和 0.05M 的 K2S2O8 摩爾濃度，以及 150nm 的 Pt 掩模厚度。蝕刻時間為20分鐘。不幸的是，照明是通過燒杯的側(cè)面，導致蝕刻圖案如圖 2 所示。因此，必須通過測量暗（蝕刻）和亮（非蝕刻）區(qū)域之間的臺階高度來估計蝕刻速率。

蝕刻液pH值

? 圖 3：使用 10mW/cm2 的 325nm 激光照射蝕刻的 GaN:Si 的蝕刻速率和粗糙度，作為溶液 pH（KOH 濃度）的函數(shù)。光通過盛有溶液的燒杯側(cè)面入射。

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鉑掩模

? 關(guān)于 Pt 掩模有幾個尚未解決的問題。從圖 1 中可以明顯看出，掩模的邊緣經(jīng)常出現(xiàn)分層。圖 4a 中的 FE-SEM 圖像是 15 納米厚的掩模開裂和剝落的極端例子。在另一個實驗中，使用擴展的 325nm 激光束在相同條件下蝕刻具有不同 Pt 掩模厚度的兩塊。在那種情況下，15nm 掩模似乎沒有受到影響，但是在第二塊上發(fā)生了剝離，掩模厚度為 150nm。圖 4b 給出了這種顯微鏡圖像。受影響的區(qū)域僅限于蝕刻過程中光罩被照亮的地方。值得注意的是，兩種掩模厚度的蝕刻速率或蝕刻表面粗糙度沒有差異。

圖 4：a) 蝕刻 30 分鐘后 15nm Pt 掩模的 FESEM 圖像。b) 蝕刻 20 分鐘后 150nm Pt 掩模的顯微鏡圖像。在這兩種情況下，都使用了 10mW/cm2 的 325nm 激光照明。

歐姆接觸

盡管蝕刻技術(shù)尚未完善，但已對蝕刻表面的歐姆接觸的性質(zhì)進行了初步研究。使用了來自第 2.2 小節(jié)中描述的 pH 系列的 pH=12.13 晶片。通過熱蒸發(fā)在蝕刻和未蝕刻區(qū)域上沉積鋁觸點。觸點未退火。在每個區(qū)域的相鄰觸點之間進行 IV 測量。每個區(qū)域的典型曲線如圖 6 所示。從線性可以看出，蝕刻區(qū)域的接觸電阻更大。顯然，蝕刻表面的粗糙度對接觸的性質(zhì)是有益的而不是有害的。

圖 6：沉積在 GaN:Si 蝕刻和未蝕刻區(qū)域上的相鄰 Al 觸點之間的 IV 特性。

概括

這種蝕刻是一個兩步過程。帶隙以上的紫外光在 GaN 中產(chǎn)生電子-空穴對，這導致光生空穴氧化表面原子。然后將氧化物溶解在 KOH 溶液中。發(fā)現(xiàn)通過從氧化物形成限制狀態(tài)向氧化物溶解限制狀態(tài)移動來實現(xiàn)更平滑的蝕刻。這需要整個 K2S2O8 溶液的照明（而不是晶片上的局部照明）以產(chǎn)生足夠的自由基來消耗光生電子。通過降低溶液的 pH 值也可以獲得更平滑的蝕刻。在氧化物形成受限的情況下，照明方法至關(guān)重要。蝕刻速率對光強度極其敏感，因此對晶片表面照明的均勻性極其敏感。最后，發(fā)現(xiàn)沉積在以這種方式蝕刻的 n 型 GaN 上的觸點的歐姆性質(zhì)與未蝕刻表面上的觸點相比有所改善。