InGaP層去除GaAs外延蓋層的選擇性濕法蝕刻工藝

引言

半導(dǎo)體器件的制造工程已使光電儀器、激光二極管和無(wú)線通信設(shè)備以及許多其他現(xiàn)代設(shè)備成為可能。從巴丁、布里泰因和肖克利1947年在貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明晶體管，到大約十年后基爾比和諾伊斯推出集成電路，半導(dǎo)體器件極大地推動(dòng)了計(jì)算和電子工業(yè)的發(fā)展。

半導(dǎo)體材料，如硅、鍺、砷化鎵和磷化銦，既不是良好的絕緣體，也不是良好的導(dǎo)體，但它們具有固有的電學(xué)性質(zhì)，因此通過(guò)控制雜質(zhì)的加入，可以改變它們的導(dǎo)電性。由于需要制造微米級(jí)和納米級(jí)的器件，半導(dǎo)體工業(yè)遵循了“摩爾定律”，即集成電路上的晶體管數(shù)量大約每?jī)赡瓿手笖?shù)級(jí)增長(zhǎng)。制造這些集成電路的微小特征是通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體材料進(jìn)行等離子體蝕刻來(lái)實(shí)現(xiàn)的材料。等離子體蝕刻過(guò)程在室內(nèi)進(jìn)行，在室內(nèi)氣體混合物被部分電離以產(chǎn)生等離子體或輝光放電。等離子體中的高能離子轟擊半導(dǎo)體材料，氣體混合物中的化學(xué)反應(yīng)成分與半導(dǎo)體形成蝕刻產(chǎn)物。這種工藝能產(chǎn)生精確的蝕刻特征，也是縮小設(shè)備尺寸的主要原因之一，這使得手機(jī)和筆記本電腦等技術(shù)成為可能。

介紹

諸如InGaP和InGaAsSb的半導(dǎo)體對(duì)于發(fā)光器件以及通信器件和電子器件來(lái)說(shuō)是重要的。這些器件的制造是通過(guò)等離子體蝕刻實(shí)現(xiàn)的，在等離子體蝕刻中，離子化的氣體混合物通過(guò)化學(xué)反應(yīng)和物理轟擊來(lái)蝕刻襯底。在用于這些目的的等離子體蝕刻中，銦產(chǎn)物不易揮發(fā)，并且通常比其他半導(dǎo)體材料更難去除。對(duì)于這個(gè)實(shí)驗(yàn)，只有現(xiàn)有的晶片在下面的InGaP層上生長(zhǎng)的外延GaAs蓋層是可用的。為了發(fā)展用于InGaP層的電感耦合等離子體(ICP)蝕刻工藝，頂部GaAs層必須首先被蝕刻掉以暴露下面的InGaP層。用于做到這一點(diǎn)的常用技術(shù)包括選擇性濕法化學(xué)蝕刻，該蝕刻將在不蝕刻或損壞InGaP層的情況下移除GaAs層。確定用于移除GaAs層的選擇性和蝕刻速率是化學(xué)濕法蝕刻發(fā)展的主要目標(biāo)。一旦完成，就可以創(chuàng)建去除外延GaAs層的“配方”。

選擇性化學(xué)濕法蝕刻

通過(guò)液體溶液中的一系列化學(xué)反應(yīng)去除晶片的蓋層。對(duì)于該蝕刻工藝，h2so 4∶H2O 2∶去離子水(去除GaAs的常用溶液)以1∶8∶640的比例使用。當(dāng)半導(dǎo)體浸沒(méi)在電解質(zhì)系統(tǒng)中以產(chǎn)生Ga2O3和As2O3時(shí)，該反應(yīng)發(fā)生在包括氫氧離子氧化反應(yīng)的一系列步驟中。這些氧化物溶解在蝕刻溶液的酸中，形成可溶性鹽。

使用在頂部具有750 GaAs蓋層、InGaP中間層和GaAs厚基層的晶片樣品。這些晶片的層結(jié)構(gòu)如下所示。后面的蝕刻將使用InGaAsSb晶片。然而，因?yàn)殂熓亲铍y蝕刻的層，InGaP是一個(gè)好的起點(diǎn)。

結(jié)果和討論

在第一輪蝕刻過(guò)程之后，結(jié)果是不確定的。似乎濕法蝕刻溶液沒(méi)有選擇性地蝕刻晶片。據(jù)推測(cè)，晶片可能是上下顛倒的，這意味著蝕刻的是較厚的GaAs底層，而不是750的頂層。在第二輪蝕刻過(guò)程中，小心地用劃線器標(biāo)記每個(gè)樣品的底側(cè)。在第二輪中還使用了控制晶片，其被有目的地翻轉(zhuǎn)底側(cè)準(zhǔn)備蝕刻。在第二輪中，還使用了來(lái)自每種晶片類型的樣品。

因?yàn)槲g刻溶液會(huì)侵蝕光致抗蝕劑，這可以從圖3中的負(fù)蝕刻速率和圖4中大于750的蝕刻深度中看出，所以必須剝離晶片上的光刻膠，以測(cè)量精確的蝕刻深度。這是通過(guò)在丙酮中攪拌晶片2分鐘，用甲醇沖洗2分鐘，并吹干來(lái)完成的用氮?dú)馇逑淳?。重?fù)該過(guò)程，直到去除所有的光刻膠。然后用pro- filometer再次測(cè)量晶片，以確定實(shí)際的蝕刻速率和深度。獲得了可再現(xiàn)的蝕刻速率，如圖2所示。

3.剝離樣品的蝕刻速率

PR平均值為8.37，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.92，接近預(yù)期的蝕刻速率10。

第二輪蝕刻過(guò)程表明，在回歸分析找到數(shù)據(jù)的最佳擬合后，750 GaAs層在H2SO4: H2O2:去離子水溶液中被選擇性蝕刻，平均蝕刻速率為8.6/s。結(jié)果還得出結(jié)論，濕法蝕刻停止在InGaP層，因?yàn)槲g刻時(shí)間大于去除GaAs層所需的時(shí)間仍然導(dǎo)致相同的蝕刻深度。在圖4中，在沒(méi)有光致抗蝕劑的測(cè)量中示出了蝕刻選擇性，其中曲線變平。此時(shí)，所有的GaAs層被蝕刻掉，留下下面的InGaP層暴露出來(lái)。

結(jié)論

用H2SO4: H2O2:去離子水的溶液，以約8.6/s的速率，開發(fā)了從下面的InGaP層去除GaAs外延蓋層的選擇性濕法蝕刻工藝。在未來(lái)的工作中，這種蝕刻將用于制備晶片難以等離子體蝕刻的InGaP層，其可以通過(guò)感應(yīng)耦合等離子體(ICP)中的反應(yīng)離子蝕刻(RIE)來(lái)蝕刻。最后，對(duì)InGaP等離子體蝕刻速率的研究將引導(dǎo)對(duì)InGaAsSb蝕刻速率的研究，InGaAsSb是一種用于中紅外激光二極管等應(yīng)用的重要半導(dǎo)體。