GaAs_InGaP異質(zhì)界面的濕法腐蝕

1、第14卷第3期2008年6月功能材料與器件學(xué)報(bào)JOURNALOFFUNCTIONALMATERIALSANDDEVICESVol114,No13Jun.,2008文章編號(hào):1007-4252(2008)03-0634-05GaAs/InGaP異質(zhì)界面的濕法腐蝕林玲1,2,王偉1,2,徐安懷,孫曉瑋,齊鳴111(1中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所信息功能材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200050;2中國科學(xué)院研究生院,北京100039)摘要:對(duì)檸檬酸系、鹽酸系溶液腐蝕GaAs/InGaP異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料體系時(shí)出現(xiàn)的腐蝕不均勻現(xiàn)象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,采用原子力顯微鏡(AFM)、電子顯微鏡、臺(tái)階儀等分析了不同

2、腐蝕條件下GaAs/InGaP異質(zhì)界面的腐蝕形貌,找到了簡單有效的辦法,可獲得很好的表面平整度,同時(shí)側(cè)向腐蝕也較小。關(guān)鍵詞:濕法腐蝕;GaAs;InGaP;檸檬酸中圖分類號(hào):TN385;TN304文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AWetetchingofGaAs/ILINLing,WANGW,2Wei,QIMing(1.StateKeyInformatics,ShanghaiInstituteofMicrosysteChineseAcademyofSciences,Shanghai200050,China;2.ChineseAcademyofSciences,Beijing100039,China)Abstrac

3、t:TheuniformityofGaAs/InGaPheterointerfaceafterwetetchingbycitricacidandHClbasedetch2antwasstudiedexperimentallyinthiswork.ThesurfacemorphologyandroughnessofGaAs/InGaPheteroint2erfaceunderdifferentetchingconditionswereinvestigatedwithatomicforcemicroscopy(AFM),etchstepmeasurementandelectronmicroscop

4、e.Asimpleandeffectivemethodisfoundtogetgoodetchingquality.Keywords:wetetching;GaAs;InGaP;citricacid1,21,20引言GaAs/InGaP異質(zhì)結(jié)構(gòu)是制備許多高速器件和光電器件如異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)、場(chǎng)效應(yīng)管(FET)、量子阱激光器(quantum-welllaser)和光電探測(cè)器(photodetector)的重要材料體系。腐蝕是直接影響著后續(xù)工藝和最終的器件特性的關(guān)鍵工藝之一。濕法腐蝕由于不產(chǎn)生表面損傷層、設(shè)備簡便、操作起來省時(shí)省力,所以被廣泛應(yīng)用于器件制備之中。GaAs/InGaP的選擇

5、性腐蝕溶液早期以H3PO4收稿日期:2007-03-21;修訂日期:2007-05-081,2系腐蝕液為多用,但H3PO4系腐蝕液的側(cè)向腐蝕比較嚴(yán)重,當(dāng)器件尺寸減小時(shí),容易造成器件失效。檸檬酸系腐蝕液則不僅側(cè)向腐蝕較小,而且選擇性更3高。根據(jù)文獻(xiàn),檸檬酸:H2O2=10:1腐蝕液對(duì)GaAs/InGaP的選擇比是70:1,而H3PO4:H2O2:H2O=10:1:70腐蝕液對(duì)GaAs/InGaP的選擇比則只有35:1。因此,檸檬酸系腐蝕液目前得到了更多的應(yīng)4用。但在采用檸檬酸系腐蝕液時(shí),有時(shí)會(huì)存在下述的腐蝕表面的質(zhì)量問題?；痦?xiàng)目:國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究規(guī)劃(973)項(xiàng)目(No.2002C311902

6、);國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.60676062).作者簡介:林玲(1980-),女,博士研究生,目前主要研究方向是GaAs基微波器件和電路(E-mail:linling).3期林玲,等:GaAs/InGaP異質(zhì)界面的濕法腐蝕6351表面腐蝕問題和分析在InGaP/GaAsHBT器件制備過程中,采用檸檬酸系腐蝕液去掉InGaAs-GaAs蓋帽層之后,使用HCl和H3PO4的混合溶液腐蝕InGaP層時(shí),往往表面腐蝕不均勻,表面的Ti/Au對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記周圍會(huì)有云狀突出區(qū)域出現(xiàn),如圖1的顯微照片所示。臺(tái)階儀測(cè)量也顯示腐蝕表面不平整,如圖2所示。然而,采用H3PO4系腐蝕液則不會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。文獻(xiàn)也報(bào)道了

7、這種現(xiàn)象,并認(rèn)為這些腐蝕后形成的“島”的存在將增加HBT基區(qū)的串聯(lián)電阻,甚至造成器件EB結(jié)的短路,致使器件損壞。5速率主要由H2O2的氧化速率決定,屬于反應(yīng)制約型的腐蝕反應(yīng)。而檸檬酸屬于有機(jī)酸,生成的檸檬酸鎵的水溶性較小,腐蝕速率主要由Ga2O3和As2O3的溶解速率決定,屬于擴(kuò)散制約型的腐蝕反應(yīng)。由于表面金屬的屏蔽作用,使電極附近區(qū)域的GaAs腐蝕速率相對(duì)較慢。殘存的GaAs在腐蝕In2GaP時(shí)將起到腐蝕掩膜的作用,從而導(dǎo)致InGaP的腐蝕出現(xiàn)不均勻。為了找到能夠獲得較好的界面平整度、同時(shí)側(cè)向腐蝕也較小的合適的腐蝕條件和方法,本文對(duì)用檸檬酸系和鹽酸系腐蝕液在不同條件下腐蝕GaAs/InGaP

8、異質(zhì)界面的腐蝕形貌和均勻性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。2實(shí)驗(yàn)及結(jié)果討論采用氣態(tài)源分子束外延(GSMBE)生長的GaAs/InGaP,外延材1表IEpi-GaAs/InGaPmaterial組份In0.6Ga0.4AsInxGa1-xAs-GaAs(x=0.6-0)GaAsIn0.5Ga0.5P厚度(nm)505012050GaAs我們知道,濕法腐蝕的原理實(shí)際上是氧化溶解的過程,H2O2氧化GaAs生成Ga2O3和As2O3,H解的快慢和H+的濃度有關(guān)6+再將Ga-O和As-O鍵斷裂,即使氧化物溶解,溶。對(duì)于H3PO4系腐蝕液,H3PO4是中強(qiáng)酸,反應(yīng)將同一樣品解理為六片,編號(hào)為1-6,分別按表2所示的腐蝕

9、條件對(duì)各樣品進(jìn)行腐蝕。其中腐蝕液的配制如下:檸檬酸水溶液由一水檸檬酸晶體(C6H8O7H2O)與去離子水按質(zhì)量比1:1混合,置于40水浴攪拌充分溶解,放置一天以上。然后與30%雙氧水溶液按5:1的體積比配制,15min后可7以使用。HCl:H3PO4溶液按3:2配比配制。之所以選擇這個(gè)配比,是因?yàn)橐酝膶?shí)驗(yàn)表明,采用濃HCl腐蝕InGaP,以光刻膠做掩膜的情況下,鉆蝕現(xiàn)象會(huì)比較嚴(yán)重。腐蝕試驗(yàn)均在30水浴進(jìn)行,用AZ6809光刻膠作為腐蝕掩膜。腐蝕到預(yù)定時(shí)間后取出樣品,并迅速用去離子水沖洗以使腐蝕停止。樣品腐蝕后的表面形貌用原子力顯微鏡(AFM)在tapping模式下觀測(cè),測(cè)試結(jié)果示于圖3-8。

10、各樣品的表面粗糙度用均方根粗糙度(rms)表征,rms值由軟件讀出,結(jié)果也歸納于表2。636功能材料與器件學(xué)報(bào)14卷表2各樣品的腐蝕條件及表面粗糙度測(cè)量結(jié)果Table2Etchconditionsandsurfaceroughnessofeachsample樣品編號(hào)12腐蝕條件僅在檸檬酸系腐蝕液中腐蝕20s(檸檬酸系腐蝕液腐蝕InGaAs-GaAs)在檸檬酸系腐蝕液中腐蝕20s,然后在HCl:H3PO4=3:2溶液中腐蝕20s(檸檬酸系腐蝕液腐蝕In2GaAs-GaAs后直接腐蝕InGaP)在檸檬酸系腐蝕液中腐蝕20s,再在H3PO4:H2O2:H2O=3:1:50腐蝕液中漂5s,最后在HCl

11、:H3PO4=3:2溶液中腐蝕20s(檸檬酸系腐蝕液腐蝕InGaAs-GaAs后,再用H3PO4系腐蝕液腐蝕殘存的InGaAs-GaAs,然后腐蝕InGaP)僅在H3PO4:H2O2:H2O=3:1:50腐蝕液中腐蝕20s(H3PO4系腐蝕液腐蝕InGaAs-GaAs)在H3PO4:H2O2:H2O=3:1:50腐蝕液中腐蝕20s,再在HCl:H3PO4=3:2溶液中腐蝕20s(H3PO4系腐蝕液腐蝕InGaAs-GaAs后直接腐蝕InGaP)在檸檬酸系腐蝕液中腐蝕10s,在H3PO4系腐蝕液中漂5s,在檸檬酸系腐蝕液中腐蝕10s,在H3PO4系腐蝕液中漂5s,最后在HCl:H3PO4=3:2

12、腐蝕液中腐蝕20s(檸檬酸系和H3PO4腐蝕液交替腐蝕InGaAs-GaAs,然后腐蝕InGaP)表面粗糙度rms(nm)1.2871.8553450.6531.2060.88361.6433期林玲,等:GaAs/InGaP異質(zhì)界面的濕法腐蝕637子顯微鏡照片顯示消除了腐蝕島的問題。對(duì)于采用檸檬酸系腐蝕液和H3POH2O2:H2O=3:1:50溶Is/HCl:H3PO4溶液腐3,其表面粗糙度反。因此,一次腐蝕后樣品表面必須清洗干凈并用氮?dú)獯蹈?待水分揮發(fā)干后再進(jìn)行第二次腐蝕。否則會(huì)由于第一次腐蝕后的孔內(nèi)留有水泡,降低此區(qū)域的腐蝕速率,從而影響后續(xù)的腐蝕質(zhì)量。Fig.9Comparisonoft

13、hemeasuredAFMrmsroughnessfordif2ferentetchingconditions圖9不同腐蝕條件下AFM測(cè)得的rms粗糙度的比較從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,單純用檸檬酸系腐蝕液或HCl:H3PO4=3:2溶液腐蝕的樣品1和樣品4腐蝕后的表面粗糙度幾乎相當(dāng)。樣品2(在檸檬酸系腐蝕液中腐蝕20s,然后再在HCl:H3PO4=3:2溶液中腐蝕20s)的表面粗糙度則比樣品1(僅在檸檬酸系腐蝕液中腐蝕20s)的大,即后續(xù)的在HCl:H3PO4溶液中的腐蝕會(huì)造成表面粗糙度變差;而樣品5(在H3PO4:H2O2:H2O=3:1:50腐蝕液中腐蝕20s,再在HCl:H3PO4=3:2溶液

14、中腐蝕20s)的表面粗糙度小于樣品4(僅在H3PO4:H2O2:H2O=3:1:50腐蝕液中腐蝕20s),說明確實(shí)如上述分析所言,是檸檬酸系腐蝕液腐蝕殘留的GaAs造成了后來用HCl:H3PO4溶液腐蝕InGaP時(shí)表面粗糙的問題。樣品3采用檸檬酸系腐蝕液腐蝕InGaAs/GaAs,然后用酸性較強(qiáng)的H3PO4:H2O2:H2O=3:1:50溶液腐蝕殘留的GaAs,獲得了最小的表面粗糙度。圖10的電Fig.10Electronmicroscopeimageobtainedfromsample3etchedInGaAs-GaAscaplayerincitricacidsolutionthenH3PO

15、4:H2O2:H2O,finallytreatedinHCl:H3PO4toremoveInGaP圖10樣品3用檸檬酸系腐蝕液腐蝕InGaAs-GaAs后,再用H3PO4:H2O2:H2O腐蝕液腐蝕殘存的InGaAs-GaAs,然后腐蝕InGaP檸檬酸系腐蝕液去掉InGaAs-GaAs蓋帽層之后,最后用HCl和H3PO4混合溶液腐蝕InGaP層后的電子顯微鏡照片異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面處可能存在的晶格位錯(cuò)和組份互638功能材料與器件學(xué)報(bào)14卷(11):1947-1951.2YoonSF,NgTK,ZhengHQ.Lowdamageandlowsur2faceroughnessGaInPetchinginC

16、l2/ArelectroncyclotronresonanceprocessJ.JVacuumScience&TechnologyB:MicroelectronicsandNanometerStructures,2001,19(5):1775-1781.3HansonAW,DanzilioD,Bacher,KA,etal.selectivegaterecessprocessutilizingMBE-grownIn0.5Ga0.5Petch-stoplayersforGaAs-basedFETtechnologiesA.GalliumArsenideIntegratedCircuit(G

17、aAsIC)SymposiumC.1998.195-197.4UchiyamaH,OhtaH,etal.Fabricationofsub-transistorviaholesforsmallandefficientpoweramplifiersusinghighlyselectiveGaAs/InGaPwetetchingJ.JVacuumScience&TechnologyB:MicroelectronicsandNanom2eterStructures,2006,24(2):664-668.5SHIRui-Ying,SUNHai-Fen,LIUXun-Chun,etal.KeyPr

18、ocessesforonofSelf-AlignedInGaP/溶會(huì)導(dǎo)致InGaP腐蝕的困難,由于材料生長中磷元素向上層外延層的拖尾形成的非均一厚度和組份的界面層也會(huì)造成InGaP難以刻蝕,從而導(dǎo)致腐蝕表面質(zhì)量的降低,但這已不是本文所研究的問題。3結(jié)論GaAs/InGaP異質(zhì)結(jié)構(gòu)腐蝕的好壞對(duì)相關(guān)器件性能的影響至關(guān)重要。本文分析了造成腐蝕不均勻的原因,采用AFM和臺(tái)階儀研究了檸檬酸系和磷酸系腐蝕液在不同腐蝕條件下對(duì)GaAs/InGaP異質(zhì)界面的腐蝕形貌,發(fā)現(xiàn)采用檸檬酸系腐蝕液腐蝕In2GaAs/GaAs,然后再用酸性較強(qiáng)的H3PO4:H2O2:H2O=3:1:50溶液腐蝕殘留的GaAs,獲得了最小的表面粗糙度,同時(shí)還具有小的側(cè)向腐蝕,取得了較好效果。致謝:感謝中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所信息功能材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室艾立鹍和孫浩同學(xué)在外延材料生長方面提供的幫助,同志在AFM參考文獻(xiàn):1DinizaJA,SwartaJW,JungbKB,etal.Inductivelycou2pledplasmaetchingofin-basedcompoundsemiconduc