《炬丰科技-半导体工艺》InGaP 和 GaAs 在 HCl 中的湿蚀刻

关键字：        InGaP，湿法蚀刻，蚀刻速率

在H3P04和H202不同含量的HC1:H3P04:H202溶液中，我们测量了晶格匹配的InGaP和GaAs的腐蚀速率。相比之下，H202含量的影响较小。HC1:H3P04:H202(1:10:1)腐蚀剂的老化对InGaP的腐蚀速率没有影响，而对GaAs的腐蚀速率明显降低。对于这种溶液，我们测量了温度对腐蚀速率的依赖关系。当温度从20°C升高到44°C时，腐蚀速率增加了大约三倍。在溶液中不存在h202的情况下，可以在GaAs上实现InGaP的高选择性刻蚀。在HC1:H3P04和HC1:H20溶液中，InGaP的腐蚀速率随HCl的摩尔分数的变化而迅速变化。

1. 介绍

InGaP 是一种宽带隙化合物半导体，目前备受关注。偶尔会出现对其更广泛应用的怀疑，然而，许多作者认为这种材料在电子和光电器件的多种应用中非常有前途，例如发光二极管、异质双极晶体管 和激光。

InGaP/GaAs 异质结构的吸引力源于其能带排列，价带偏移明显大于导带偏移 (Mc) (AEv = 0.24 - 0.40 eV)= 0.03 -0.22 eV）。这被认为比AlGaAs/GaAs 异质系统的能带结构。特别是，人们对在异质结双极晶体管中使用 InGaP 发射极感兴趣，这可以避免AlGaAs 的氧化和深能级问题。

用于器件制造的关键技术操作之一是湿化学蚀刻。在我们之前的论文中，我们介绍了一组在 HC1:C H3COOH:H2O2（所谓的 KKI）溶液中湿法蚀刻 InGaP 和 GaAs 的结果。以前，发现这些蚀刻剂产生令人满意的效果。 然而，这些解决方案的一个严重缺点是它们会侵蚀金，金随后可能会重新沉积在 MESA 结构的斜面和蚀刻表面本身上。因此，非常需要寻找可能更适合器件制造的其他蚀刻剂。

在我们的研究中，我们使用通过低压金属有机化学气相沉积在半绝缘、Cr 掺杂、取向的 GaAs 衬底上生长的 InGaP 层。AsH3、PH3、TMGa（三甲基镓）和TMin（三甲基铟）分别用作As、P、Ga 和In 的来源。氢气用作载气，反应器中的总压力为5kPa。外延层在 560°C 下制备，生长速率为 0.6 µm/hr。层的厚度范围从 0.36 到 0.70 µm。各层的标称组成为 In0.485Gao.mP。

蚀刻前，样品在沸腾的丙酮、三氯乙烯和甲醇中清洗，并用氮气吹干。最初，使用正性光刻胶 AZ 5214 (Hoechst) 掩盖样品的一部分。然后将样品垂直浸入蚀刻剂中。在蚀刻过程中不施加搅拌。蚀刻时间根据可用蚀刻层的厚度，从 1 到 15 分钟不等。去除的材料量决不允许超过总层厚的 95%。通过在流动的蒸馏水中冲洗样品约 1 分钟来终止蚀刻，然后将掩模溶解在沸腾的丙酮中，最后用氮气吹干样品。

蚀刻速率是通过使用 Talystep (Rank Taylor Hobson) 测量蚀刻表面和掩蔽表面之间产生的台阶的厚度来评估的。测量厚度的不确定度估计小于 10 nm。厚度测量重复了几次，我们评估了蚀刻速率的误差约为10%。使用光学显微镜检查蚀刻表面的质量。

图 1 显示了 InGaP 的蚀刻速率与 H3PO4 体积含量的函数关系 ，蚀刻表面保持光滑。相比之下，在 H2O2 含量较高的溶液中蚀刻会导致表面明显粗糙。GaAs 的蚀刻速率与 InGaP 的蚀刻速率大致相同。因此，该溶液适用于非选择性 MESA 蚀刻。

这 HC1:H3PO4:H2O2 (1:10:1)蚀刻剂的老化对InGaP的蚀刻速率没有影响，幅度相对较低，而GaAs的蚀刻速率随着老化时间显着下降（见图2） . 为了进行比较，该图还显示了基于乙酸的溶液中 InGaP 和 GaAs 的蚀刻速率。

图 3 描绘了 InGaP 与 HCl:H3PO4:H2O2 (1:10:1) 的蚀刻速率与温度的关系。温度从 20°C 增加到 44°C 导致蚀刻速率增加约三倍。假设刻蚀的热激活速率成正比exp (- E.IRT)，其中 E. 是活化能，R 是通用气体常数，ti 是蚀刻溶液的绝对温度，测量数据的最小二乘拟合得到 E. = 9.2 kcal/mole (38.5 kJ/摩尔)。这是一个相对较高的值，这是蚀刻工艺的典型值，其速率受化学反应本身的限制，而不是受反应产物的溶解或反应物质向蚀刻表面扩散的限制。类似地，使用光学显微镜观察到的蚀刻表面的光滑度表明蚀刻过程具有反应受限的性质。

HClH3PO4:H2O2 蚀刻剂是 HCl 和 H2O2 在 H3PO4 中的非水溶液

溶剂。作为氧化剂的H2O2起着非常重要的作用。单独的盐酸，不含 H2O2，不会侵蚀 GaAs。然而，它会从 GaAs 表面去除天然氧化物。另一方面，HCl 长期以来一直被用作 InP 的蚀刻剂。因此，所研究的蚀刻剂是用于蚀刻 GaAs 和 InP 的成分的组合。结果，通过从溶液中去除氧化剂，我们获得了高度选择性的蚀刻剂，有效蚀刻 InGaP 而不会侵蚀 GaAs。

为了获得更高的蚀刻选择性，我们在随后的实验中消除了 H2O2。用水稀释蚀刻剂以降低蚀刻速率。图 4 显示了 InGaP 的蚀刻速率与 HCl 在 HCl:H3PO4 和 HCl:H2O 溶液中的体积分数在 20°C 下的关系。图 5 显示了测得的 InGaP 蚀刻速率的变化，它是 20°C 下 HCl:H3PO4:H2O 溶液中 HCl（空心三角形）和 H2O（实心正方形）的体积部分 x 的函数。两个图中绘制的速率之间的差异在需要选择性和明确定义的蚀刻的情况下可能很有用。

我们已成功找到一种基于 HCl 的蚀刻溶液，可用作常用 KKI 蚀刻剂的替代品。通过改变溶液中 HCl 的含量，可以实现对 MESA 形成有用的非选择性蚀刻和 InGaP 对 GaAs 的强选择性蚀刻。这种解决方案的一个重要优点是它不会攻击黄金。