《炬丰科技-半导体工艺》在HF溶液中蚀刻期间GaAs上的砷形成

出版物《炬丰科技 - 半导体工艺》在其HF溶液中的蚀刻过程中，在GaAs表面生成了砷元素。出版物编号为JFKJ-21-887,由炬丰科技出版

引言

迄今为止，GaAs晶片实现直接再利用受限于其表面存在的杂质，并且这些杂质无法通过常规清洗手段去除。为此，
我们采用了显微镜、轮廓法以及X射线电子能谱等手段来研究氢氟酸对GaAs晶片的作用。
经过腐蚀后，在表面立即形成了一层棕色氧化膜，
该层膜的高度致密性和均匀度主要取决于腐蚀过程中所使用的光照强度以及HCl浓度。
在存储过程中将其表面覆盖物替换为二氧化硼颗粒，
结果表明，在空气中暴露的情况下才会形成致密的氧化物

实验

所有实验均设置在1×1 cm⁻¹型 GaAs 样品上进行操作，并且这些样品均为新型（100）GaAs 晶片经过制备工艺制成。为了防止样本位置因操作而发生形变，在每个样品的一个角落均匀涂抹了一层光刻胶层作为保护层。当去除光致抗蚀剂后，在室温下预期的蚀刻速率有所下降，并通过测量样品表面掩蔽角与已腐蚀区域边缘之间的台阶高度来评估实际腐蚀深度。整个实验过程采用了 GaAs 半导体材料，并通过将样品正面朝上放置于特定溶液中依次完成水溶性氟化氢处理：首先加入6毫升储备溶液中的氟化氢溶液，在温度控制于约21℃条件下完成化学腐蚀处理。为了维持一致性和准确性，在不同存储条件下进行了多次重复试验：包括置于光照与空气暴露环境下以及置于室温下但排除氧气或低氧环境下的情况区分存储条件对最终结果的影响

冲洗干净后立即开始取样测定：首先用棉签在三个特定位置重新移动棕色层以观察沉积物的变化情况

结果和讨论

本实验中采用两种不同的处理手段对样本进行处理：一种是通过暗处腐蚀完成其形貌发展过程；另一种是将其置于环境光下作用一段时间以获得所需形态特征。经观察发现，在腐蚀表层呈现棕色沉积物时存在明显差异。当样本置于环境光下腐蚀时会生成一层薄而均匀致密薄膜；而在暗处处理后所形成的棕褐色覆盖层厚度较大且分布不均并且表面出现一些非连续区域（见图2）。通过扫描电镜对其形态特征进行深入研究后发现该类覆盖膜表面呈现出明显的微观结构特征即由许多独立的小丘状单元构成。

考虑到ELO过程中的光照条件（环境光），所有后续样品在蚀刻过程中都暴露在光线下。样品在不同HF浓度的溶液中蚀刻不同的时间，以研究蚀刻速率和沉积层厚度。改变储存条件（光照和暴露在空气中）以确定这些因素对颗粒形成的影响。在图3和4中，GaAs蚀刻深度和沉积物厚度在蚀刻之后，对于三种HF浓度，蚀刻速率是蚀刻时间的函数。这些数据点是针对不同的GaAs样品，即从蚀刻剂中取出的样品没有被再次浸入以进行进一步蚀刻。可以看出，GaAs蚀刻深度增加在时间上是线性的，表示大约16nm/小时的恒定蚀刻速率。 仅观察到蚀刻速率和蚀刻剂中的HF浓度之间的微弱关系。棕色沉积物的厚度随时间增加，但在大约7小时的蚀刻后趋于20-30纳米范围内的恒定值。

图6所示的GaAs样品SEM图像a)处于立即状态下；b)经过存储阶段完成3小时后；c)四周周期内观察到的变化特征。我们开发了一种湿法清洗工艺用于GaAs晶圆片表面处理。该方法旨在便于后续使用。目前实验数据显示有两种可行方案：一种是通过剥离氧化物层可在立即状态下完成清洗；或者可以选择等待储存条件满足后再处理。第一种方案的优势在于无需额外存储步骤即可实现晶圆片清洁；而第二种方案则允许形成氧化亚砷微粒并随后采用水解法或利用刷子装置去除这些微粒。

结论
为了开发一种用于晶片的湿法蚀刻清洗程序以替代ELO工艺，并研究该过程中的污染现象。实验表明，在氢氟酸溶液中进行暗处处理会形成一层以砷元素为主的棕色膜。这种棕色膜的形成有两种主要机制：一是暗处处理时发生的是化学反应，并导致其中生成并分解为单质砷；二是当GaAs置于光照条件下时会产生电子空穴对，并利用这些孔作为阳极进行蚀刻反应，在表面均匀地沉积了一层致密的砷层。经过存储后将此腐蚀样品放置一段时间后发现沉积的砷层逐渐被氧化并形成了微小而均匀分布的As203晶体颗粒