《炬丰科技-半导体工艺》InP湿法化学蚀刻-去除氧化物

书籍：《炬丰科技-半导体工艺》

文章：InP湿法化学蚀刻-去除氧化物

编号：JFKJ-21-483

作者：炬丰科技

摘要

已有系统性地在 HCl 和 H2SO4 溶液中研究了 InP 及其天然氧化物的湿化学蚀刻工艺,旨在期获得无氧化物表面。实验发现,InP 表面无法在 2 mol/L HCl 和 6 mol/L H2SO4 中进行有效的腐蚀处理,因为其渗出速率（Vetch）远低于 0.1 nm/min,从而能够充分清除经 OFOD 处理后的天然氧化物,而不造成显著的表面侵蚀这一特性已被接触角测量、椭圆光度法和 X 射线光电子能谱法所证实。通过 STM 和 AFM 分析表明,在完成 OFOD 处理并去除了氧化物后,InP 表面可呈现高度光滑的表面特性。进一步研究表明,在更高浓度下（如 6 mol/L H2SO4）,这些台阶的高度可显著提升至微米级别。此外,实验还发现:在氧气存在条件下,n 型 InP 在湿法处理过程中既能发生光刻又能发生氧化过程这一特性得到了验证。

介绍

对于过去和技术现状中的技术节点，在硅衬底上制造集成电路中的晶体管，并在特定情况下采用 SiGe 合金材料。为了满足未来缩放路线图的要求，在下一代晶体管（包括 7 nm 以上节点）中将采用高迁移率 III-V 半导体材料作为基础。为了实现成本效益的 III-V 材料集成，在硅衬底上将实现 III-V 族材料的集成工艺；本文第二部分展示了这一技术路线的可能性；其中通过 InP 缓冲层和 InGaAs 沟道层的量子阱型 III-V 晶体管实现了性能提升；晶体管制造过程涉及多个关键加工步骤，并且包含多次化学溶液处理环节；这些湿法工艺的目标是为了形成精确定义的无污染界面（即理想状态下的无杂质与完美匹配），这对于保证器件界面特性和工作性能具有重要意义

实验性

半导体可以通过纯化学过程解离（dissolve），其特点在于表面载流子浓度不影响蚀刻速率。对于双功能卤素或 H₂O₂ 分子而言，则表现出类似的解离行为；它们能够在一定程度上与半导体表面同时形成两个新的键（new bonds）。关于GaAs在溴水中的溶解情况，则提出了一个协调的反应序列：即 Ga-As 和 Br-Br 键断裂的同时伴随 Ga-Br 和 As-Br 键的同时形成（simultaneous formation）。Notten 提出了一种与InP在HCl中溶解相似的解离机制：该机制基于键交换的过程（键断裂与重新形成）。首先发生的是键交换步骤（first-step），随后是第二步反应（second-step）。第一步涉及 In-Cl 和 P-H 键取代原始状态下的 H-Cl 和 In-P 键的过程；随后，在第二步反应中则会经历剩余键断裂的过程（k1 and k2分别代表这两个步骤）。整个过程中体现了较为复杂的分子动态行为

结果和讨论

InP 在酸性介质中的化学蚀刻过程进行了深入研究。该研究表明了HCl浓度对SI(100) InP化学蚀刻速率的影响程度。采用对数标度表示了腐蚀速率，并作为视觉参考线使用了一条直线来辅助分析。此外，在利用AFM技术测定的RMS粗糙度值被用作HCl浓度函数曲线的关键指标。实验发现，在2摩尔HCl浓度下，腐蚀速率已经接近于零（仅为约0.1纳米/分钟），在此浓度范围内并未观察到明显的表面粗糙化现象（未经处理的In衬底表面均方根高度维持在约0.22纳米）。然而，在浓度过高时（如3摩尔和4摩尔HCl），腐蚀速率显著提升至每分钟7纳米以上，并且随着酸浓度进一步增加而出现明显方向性的表面积分增大趋势（见最后一节）。这种各向异性侵蚀现象导致腐蚀深度与表面不平顺性呈现出密切的相关性关系，在高浓度下（超过5摩尔HCl）PH3晶体形核过程变得尤为明显，并伴随可见气泡生成现象的发生

结论

平衡地完成了InP及其天然氧化物的湿化学蚀刻研究。(100) InP表面积并非在这种浓度下发生腐蚀反应（Vetch速率< 0.1 nm/min）。使用HCl与硫酸溶液混合后可获得更好的去膜效果（如通过接触角测量、椭圆光度法及X射线光电子能谱分析已得到证实）。对于经过干燥处理后的天然氧化物（因密度较高导致溶解速率降低），通过STM与AFM分析结果表明，在OFOD处理后再进行去膜操作可获得较为光滑的表面（因为形成了一条阶地区域）。