GaAs_InGaP异质界面的湿法腐蚀

1、第14卷第3期2008年6月功能材料与器件学报JOURNALOFFUNCTIONALMATERIALSANDDEVICESVol114,No13Jun.,2008文章编号:1007-4252(2008)03-0634-05GaAs/InGaP异质界面的湿法腐蚀林玲1,2,王伟1,2,徐安怀,孙晓玮,齐鸣111(1中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室,上海200050;2中国科学院研究生院,北京100039)摘要:对柠檬酸系、盐酸系溶液腐蚀GaAs/InGaP异质结构材料体系时出现的腐蚀不均匀现象进行了实验研究,采用原子力显微镜(AFM)、电子显微镜、台阶仪等分析了不同

2、腐蚀条件下GaAs/InGaP异质界面的腐蚀形貌,找到了简单有效的办法,可获得很好的表面平整度,同时侧向腐蚀也较小。关键词:湿法腐蚀;GaAs;InGaP;柠檬酸中图分类号:TN385;TN304文献标识码: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异质结构是制备许多高速器件和光电器件如异质结双极晶体管(HBT)、场效应管(FET)、量子阱激光器(quantum-welllaser)和光电探测器(photodetector)的重要材料体系。腐蚀是直接影响着后续工艺和最终的器件特性的关键工艺之一。湿法腐蚀由于不产生表面损伤层、设备简便、操作起来省时省力,所以被广泛应用于器件制备之中。GaAs/InGaP的选择

5、性腐蚀溶液早期以H3PO4收稿日期:2007-03-21;修订日期:2007-05-081,2系腐蚀液为多用,但H3PO4系腐蚀液的侧向腐蚀比较严重,当器件尺寸减小时,容易造成器件失效。柠檬酸系腐蚀液则不仅侧向腐蚀较小,而且选择性更3高。根据文献,柠檬酸:H2O2=10:1腐蚀液对GaAs/InGaP的选择比是70:1,而H3PO4:H2O2:H2O=10:1:70腐蚀液对GaAs/InGaP的选择比则只有35:1。因此,柠檬酸系腐蚀液目前得到了更多的应4用。但在采用柠檬酸系腐蚀液时,有时会存在下述的腐蚀表面的质量问题。基金项目:国家重点基础研究规划(973)项目(No.2002C311902

6、);国家自然科学基金项目(No.60676062).作者简介:林玲(1980-),女,博士研究生,目前主要研究方向是GaAs基微波器件和电路(E-mail:linling).3期林玲,等:GaAs/InGaP异质界面的湿法腐蚀6351表面腐蚀问题和分析在InGaP/GaAsHBT器件制备过程中,采用柠檬酸系腐蚀液去掉InGaAs-GaAs盖帽层之后,使用HCl和H3PO4的混合溶液腐蚀InGaP层时,往往表面腐蚀不均匀,表面的Ti/Au对准标记周围会有云状突出区域出现,如图1的显微照片所示。台阶仪测量也显示腐蚀表面不平整,如图2所示。然而,采用H3PO4系腐蚀液则不会出现这种现象。文献也报道了

7、这种现象,并认为这些腐蚀后形成的“岛”的存在将增加HBT基区的串联电阻,甚至造成器件EB结的短路,致使器件损坏。5速率主要由H2O2的氧化速率决定,属于反应制约型的腐蚀反应。而柠檬酸属于有机酸,生成的柠檬酸镓的水溶性较小,腐蚀速率主要由Ga2O3和As2O3的溶解速率决定,属于扩散制约型的腐蚀反应。由于表面金属的屏蔽作用,使电极附近区域的GaAs腐蚀速率相对较慢。残存的GaAs在腐蚀In2GaP时将起到腐蚀掩膜的作用,从而导致InGaP的腐蚀出现不均匀。为了找到能够获得较好的界面平整度、同时侧向腐蚀也较小的合适的腐蚀条件和方法,本文对用柠檬酸系和盐酸系腐蚀液在不同条件下腐蚀GaAs/InGaP

8、异质界面的腐蚀形貌和均匀性进行了实验研究。2实验及结果讨论采用气态源分子束外延(GSMBE)生长的GaAs/InGaP,外延材1表IEpi-GaAs/InGaPmaterial组份In0.6Ga0.4AsInxGa1-xAs-GaAs(x=0.6-0)GaAsIn0.5Ga0.5P厚度(nm)505012050GaAs我们知道,湿法腐蚀的原理实际上是氧化溶解的过程,H2O2氧化GaAs生成Ga2O3和As2O3,H解的快慢和H+的浓度有关6+再将Ga-O和As-O键断裂,即使氧化物溶解,溶。对于H3PO4系腐蚀液,H3PO4是中强酸,反应将同一样品解理为六片,编号为1-6,分别按表2所示的腐蚀

9、条件对各样品进行腐蚀。其中腐蚀液的配制如下:柠檬酸水溶液由一水柠檬酸晶体(C6H8O7H2O)与去离子水按质量比1:1混合,置于40水浴搅拌充分溶解,放置一天以上。然后与30%双氧水溶液按5:1的体积比配制,15min后可7以使用。HCl:H3PO4溶液按3:2配比配制。之所以选择这个配比,是因为以往的实验表明,采用浓HCl腐蚀InGaP,以光刻胶做掩膜的情况下,钻蚀现象会比较严重。腐蚀试验均在30水浴进行,用AZ6809光刻胶作为腐蚀掩膜。腐蚀到预定时间后取出样品,并迅速用去离子水冲洗以使腐蚀停止。样品腐蚀后的表面形貌用原子力显微镜(AFM)在tapping模式下观测,测试结果示于图3-8。

10、各样品的表面粗糙度用均方根粗糙度(rms)表征,rms值由软件读出,结果也归纳于表2。636功能材料与器件学报14卷表2各样品的腐蚀条件及表面粗糙度测量结果Table2Etchconditionsandsurfaceroughnessofeachsample样品编号12腐蚀条件仅在柠檬酸系腐蚀液中腐蚀20s(柠檬酸系腐蚀液腐蚀InGaAs-GaAs)在柠檬酸系腐蚀液中腐蚀20s,然后在HCl:H3PO4=3:2溶液中腐蚀20s(柠檬酸系腐蚀液腐蚀In2GaAs-GaAs后直接腐蚀InGaP)在柠檬酸系腐蚀液中腐蚀20s,再在H3PO4:H2O2:H2O=3:1:50腐蚀液中漂5s,最后在HCl

11、:H3PO4=3:2溶液中腐蚀20s(柠檬酸系腐蚀液腐蚀InGaAs-GaAs后,再用H3PO4系腐蚀液腐蚀残存的InGaAs-GaAs,然后腐蚀InGaP)仅在H3PO4:H2O2:H2O=3:1:50腐蚀液中腐蚀20s(H3PO4系腐蚀液腐蚀InGaAs-GaAs)在H3PO4:H2O2:H2O=3:1:50腐蚀液中腐蚀20s,再在HCl:H3PO4=3:2溶液中腐蚀20s(H3PO4系腐蚀液腐蚀InGaAs-GaAs后直接腐蚀InGaP)在柠檬酸系腐蚀液中腐蚀10s,在H3PO4系腐蚀液中漂5s,在柠檬酸系腐蚀液中腐蚀10s,在H3PO4系腐蚀液中漂5s,最后在HCl:H3PO4=3:2

12、腐蚀液中腐蚀20s(柠檬酸系和H3PO4腐蚀液交替腐蚀InGaAs-GaAs,然后腐蚀InGaP)表面粗糙度rms(nm)1.2871.8553450.6531.2060.88361.6433期林玲,等:GaAs/InGaP异质界面的湿法腐蚀637子显微镜照片显示消除了腐蚀岛的问题。对于采用柠檬酸系腐蚀液和H3POH2O2:H2O=3:1:50溶Is/HCl:H3PO4溶液腐3,其表面粗糙度反。因此,一次腐蚀后样品表面必须清洗干净并用氮气吹干,待水分挥发干后再进行第二次腐蚀。否则会由于第一次腐蚀后的孔内留有水泡,降低此区域的腐蚀速率,从而影响后续的腐蚀质量。Fig.9Comparisonoft

13、hemeasuredAFMrmsroughnessfordif2ferentetchingconditions图9不同腐蚀条件下AFM测得的rms粗糙度的比较从实验结果可以看出,单纯用柠檬酸系腐蚀液或HCl:H3PO4=3:2溶液腐蚀的样品1和样品4腐蚀后的表面粗糙度几乎相当。样品2(在柠檬酸系腐蚀液中腐蚀20s,然后再在HCl:H3PO4=3:2溶液中腐蚀20s)的表面粗糙度则比样品1(仅在柠檬酸系腐蚀液中腐蚀20s)的大,即后续的在HCl:H3PO4溶液中的腐蚀会造成表面粗糙度变差;而样品5(在H3PO4:H2O2:H2O=3:1:50腐蚀液中腐蚀20s,再在HCl:H3PO4=3:2溶液

14、中腐蚀20s)的表面粗糙度小于样品4(仅在H3PO4:H2O2:H2O=3:1:50腐蚀液中腐蚀20s),说明确实如上述分析所言,是柠檬酸系腐蚀液腐蚀残留的GaAs造成了后来用HCl:H3PO4溶液腐蚀InGaP时表面粗糙的问题。样品3采用柠檬酸系腐蚀液腐蚀InGaAs/GaAs,然后用酸性较强的H3PO4:H2O2:H2O=3:1:50溶液腐蚀残留的GaAs,获得了最小的表面粗糙度。图10的电Fig.10Electronmicroscopeimageobtainedfromsample3etchedInGaAs-GaAscaplayerincitricacidsolutionthenH3PO

15、4:H2O2:H2O,finallytreatedinHCl:H3PO4toremoveInGaP图10样品3用柠檬酸系腐蚀液腐蚀InGaAs-GaAs后,再用H3PO4:H2O2:H2O腐蚀液腐蚀残存的InGaAs-GaAs,然后腐蚀InGaP柠檬酸系腐蚀液去掉InGaAs-GaAs盖帽层之后,最后用HCl和H3PO4混合溶液腐蚀InGaP层后的电子显微镜照片异质结构界面处可能存在的晶格位错和组份互638功能材料与器件学报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/溶会导致InGaP腐蚀的困难,由于材料生长中磷元素向上层外延层的拖尾形成的非均一厚度和组份的界面层也会造成InGaP难以刻蚀,从而导致腐蚀表面质量的降低,但这已不是本文所研究的问题。3结论GaAs/InGaP异质结构腐蚀的好坏对相关器件性能的影响至关重要。本文分析了造成腐蚀不均匀的原因,采用AFM和台阶仪研究了柠檬酸系和磷酸系腐蚀液在不同腐蚀条件下对GaAs/InGaP异质界面的腐蚀形貌,发现采用柠檬酸系腐蚀液腐蚀In2GaAs/GaAs,然后再用酸性较强的H3PO4:H2O2:H2O=3:1:50溶液腐蚀残留的GaAs,获得了最小的表面粗糙度,同时还具有小的侧向腐蚀,取得了较好效果。致谢:感谢中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室艾立鹍和孙浩同学在外延材料生长方面提供的帮助,同志在AFM参考文献:1DinizaJA,SwartaJW,JungbKB,etal.Inductivelycou2pledplasmaetchingofin-basedcompoundsemiconduc