VGF 半绝缘GaAs 单晶片的碱腐蚀特性研究

2024-02-29李纪伟康洪亮

电子工业专用设备 2024年1期

于妍，吕菲，李纪伟，康洪亮

( 中国电子科技集团公司第四十六研究所，天津 300220)

砷化镓（GaAs）作为第二代半导体材料，在光电子和微电子领域都有广泛的应用。其作为Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料的典型代表[1]，在移动通信、宽带网络、光源与智慧照明等领域都占据着重要的地位[2]。半绝缘砷化镓衬底片已经成为微波大功率器件、低噪声器件的主流材料。在砷化镓衬底的制作过程中多次涉及到化学腐蚀。化学腐蚀即可以用于改善晶片的几何参数、去除晶片表面损伤，也可以用于晶片的抛光、清洗等，各工序腐蚀的目的不同，对腐蚀液的要求也不同，腐蚀液的选择要求速率可控、重复性良好、且尽量减少对环境的污染[3]。因此研究砷化镓晶片的碱性腐蚀特性，适应不同的工艺要求就尤为必要。

1 实验设计

1.1 实验样品

100 mm（4 英寸）半绝缘GaAs 晶片，晶向﹤100﹥，样片经双面研磨机研磨后备用。配置腐蚀液，将样片放在花篮中浸入腐蚀液，用千分表测量腐蚀前后的厚度变化，用LINT-208GA 型几何参数测试仪测试腐蚀后晶片的几何参数。用TR200型粗糙度测试仪测试腐蚀片的粗糙度。用金相显微镜观察腐蚀晶片的表面。

1.2 腐蚀液温度的实验

腐蚀液采用EL 级的NH4OH、H2O2、H2O 混合液，配比为NH4OH∶H2O2∶H2O =1∶1∶5，腐蚀时间为60 s，改变实验温度，测试砷化镓晶片的TTV（总厚度变化）、Warp（翘曲度）、Ra（表面粗糙度）值，计算腐蚀去除速率。显微镜下观察腐蚀晶片的表面形貌如图1 所示，晶片参数随碱性腐蚀液温度的变化如图2 所示。

图1 金相显微镜照片

图2 晶片参数随碱性腐蚀液温度的变化

1.3 腐蚀液组份的实验

保持腐蚀液温度25 ℃时，改变碱性腐蚀液的组分，测试砷化镓晶片的TTV、Warp、Ra 值，计算腐蚀去除速率。腐蚀液的体积比分别为：

2 结果与讨论

2.1 砷化镓的碱性腐蚀原理

砷化镓在碱性腐蚀液中发生两次反应，首先是砷化镓先被氧化剂H2O2氧化，在表面生成砷的氧化物As2O3和镓的氧化物Ga2O3，Ga2O3和As2O3都是弱酸性的两性氧化物，其次是Ga2O3和As2O3与NH4OH 中的OH-发生反应生成可溶性的GaO33-和AsO33-，GaO33-和AsO33-从晶片表面扩散到溶液中，新的晶面裸露出来继续反应，循环往复。

2.2 碱性腐蚀液对翘曲度的影

由图1 可见，保持碱性腐蚀液的组分一定，只改变腐蚀液的温度时，半绝缘GaAs 晶片的翘曲度随温度的升高而下降，由图2 可见，高温腐蚀的晶片表面形貌更加平坦。晶片翘曲产生的来源一般是两个途径，首先是热应力，即单晶生长过程中温度变化产生的应力，由热应力引起的晶片形变，这种形变需要改善单晶的生长工艺或采用退火工艺加以控制。另一种是机械应力，即在晶片加工过程中由机械损伤产生的应力。腐蚀液温度的提高对于晶体内部热应力的释放有利，另一个更重要的原因是，温度升高腐蚀速率加快，在相同时间内腐蚀去除量增加，晶片的表面损伤层减小，由机械应力导致的晶片形变得到改善。由图3 可见，腐蚀液组分对GaAs 翘曲度的影响不大，改变腐蚀液的组分不能很好地改善GaAs 晶片的翘曲度。如果单纯考虑改善翘曲度，升高温度是有效手段。

图3 晶片参数随碱性腐蚀液组份的变化

2.3 碱性腐蚀液对腐蚀速率的影响

由腐蚀机理可知，砷化镓的腐蚀过程分为两个过程，先是氧化反应后是氧化物的溶解。腐蚀速率受氧化反应速率和氧化物溶解速率同时制约，二者中较慢的一个决定了腐蚀速率。当腐蚀液的温度升高时，为氧化反应提供了更多的能量，有利于化学键的断裂打开，因此氧化反应加剧。温度的升高也有利于反应产物的扩散，加速溶解反应的进行。二者同时作用将显著提高腐蚀速率。

当腐蚀液中的氧化剂H2O2浓度增加时，腐蚀速率也会增加，此时速率增加是因为氧化物生成速率增加所致，同样当NH4OH 浓度增加时，腐蚀速率也会增加，这是由于溶解速率增加所致。与氧化反应相比，由于氧化物溶解所需能量更低，溶解反应更容易完成，因此增加NH4OH 的浓度对腐蚀速率的提高不明显。而增加氧化剂H2O2的浓度能有效提高腐蚀速率。