VGF 半絕緣GaAs 單晶片的堿腐蝕特性研究

于 妍，呂 菲，李紀(jì)偉，康洪亮

( 中國電子科技集團公司第四十六研究所， 天津 300220)

砷化鎵（GaAs）作為第二代半導(dǎo)體材料，在光電子和微電子領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。其作為Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料的典型代表[1]，在移動通信、寬帶網(wǎng)絡(luò)、光源與智慧照明等領(lǐng)域都占據(jù)著重要的地位[2]。半絕緣砷化鎵襯底片已經(jīng)成為微波大功率器件、低噪聲器件的主流材料。在砷化鎵襯底的制作過程中多次涉及到化學(xué)腐蝕。化學(xué)腐蝕即可以用于改善晶片的幾何參數(shù)、去除晶片表面損傷，也可以用于晶片的拋光、清洗等，各工序腐蝕的目的不同，對腐蝕液的要求也不同，腐蝕液的選擇要求速率可控、重復(fù)性良好、且盡量減少對環(huán)境的污染[3]。因此研究砷化鎵晶片的堿性腐蝕特性，適應(yīng)不同的工藝要求就尤為必要。

1 實驗設(shè)計

1.1 實驗樣品

100 mm（4 英寸）半絕緣GaAs 晶片，晶向﹤100﹥，樣片經(jīng)雙面研磨機研磨后備用。配置腐蝕液，將樣片放在花籃中浸入腐蝕液，用千分表測量腐蝕前后的厚度變化，用LINT-208GA 型幾何參數(shù)測試儀測試腐蝕后晶片的幾何參數(shù)。用TR200型粗糙度測試儀測試腐蝕片的粗糙度。用金相顯微鏡觀察腐蝕晶片的表面。

1.2 腐蝕液溫度的實驗

腐蝕液采用EL 級的NH4OH、H2O2、H2O 混合液，配比為NH4OH∶H2O2∶H2O =1∶1∶5，腐蝕時間為60 s，改變實驗溫度，測試砷化鎵晶片的TTV（總厚度變化）、Warp（翹曲度）、Ra（表面粗糙度）值，計算腐蝕去除速率。顯微鏡下觀察腐蝕晶片的表面形貌如圖1 所示，晶片參數(shù)隨堿性腐蝕液溫度的變化如圖2 所示。

圖1 金相顯微鏡照片

圖2 晶片參數(shù)隨堿性腐蝕液溫度的變化

1.3 腐蝕液組份的實驗

保持腐蝕液溫度25 ℃時，改變堿性腐蝕液的組分，測試砷化鎵晶片的TTV、Warp、Ra 值，計算腐蝕去除速率。腐蝕液的體積比分別為：

2 結(jié)果與討論

2.1 砷化鎵的堿性腐蝕原理

砷化鎵在堿性腐蝕液中發(fā)生兩次反應(yīng)，首先是砷化鎵先被氧化劑H2O2氧化，在表面生成砷的氧化物As2O3和鎵的氧化物Ga2O3，Ga2O3和As2O3都是弱酸性的兩性氧化物，其次是Ga2O3和As2O3與NH4OH 中的OH-發(fā)生反應(yīng)生成可溶性的GaO33-和AsO33-，GaO33-和AsO33-從晶片表面擴散到溶液中，新的晶面裸露出來繼續(xù)反應(yīng)，循環(huán)往復(fù)。

2.2 堿性腐蝕液對翹曲度的影

由圖1 可見，保持堿性腐蝕液的組分一定，只改變腐蝕液的溫度時，半絕緣GaAs 晶片的翹曲度隨溫度的升高而下降，由圖2 可見，高溫腐蝕的晶片表面形貌更加平坦。晶片翹曲產(chǎn)生的來源一般是兩個途徑，首先是熱應(yīng)力，即單晶生長過程中溫度變化產(chǎn)生的應(yīng)力，由熱應(yīng)力引起的晶片形變，這種形變需要改善單晶的生長工藝或采用退火工藝加以控制。另一種是機械應(yīng)力，即在晶片加工過程中由機械損傷產(chǎn)生的應(yīng)力。腐蝕液溫度的提高對于晶體內(nèi)部熱應(yīng)力的釋放有利，另一個更重要的原因是，溫度升高腐蝕速率加快，在相同時間內(nèi)腐蝕去除量增加，晶片的表面損傷層減小，由機械應(yīng)力導(dǎo)致的晶片形變得到改善。由圖3 可見，腐蝕液組分對GaAs 翹曲度的影響不大，改變腐蝕液的組分不能很好地改善GaAs 晶片的翹曲度。如果單純考慮改善翹曲度，升高溫度是有效手段。

圖3 晶片參數(shù)隨堿性腐蝕液組份的變化

2.3 堿性腐蝕液對腐蝕速率的影響

由腐蝕機理可知，砷化鎵的腐蝕過程分為兩個過程，先是氧化反應(yīng)后是氧化物的溶解。腐蝕速率受氧化反應(yīng)速率和氧化物溶解速率同時制約，二者中較慢的一個決定了腐蝕速率。當(dāng)腐蝕液的溫度升高時，為氧化反應(yīng)提供了更多的能量，有利于化學(xué)鍵的斷裂打開，因此氧化反應(yīng)加劇。溫度的升高也有利于反應(yīng)產(chǎn)物的擴散，加速溶解反應(yīng)的進行。二者同時作用將顯著提高腐蝕速率。

當(dāng)腐蝕液中的氧化劑H2O2濃度增加時，腐蝕速率也會增加，此時速率增加是因為氧化物生成速率增加所致，同樣當(dāng)NH4OH 濃度增加時，腐蝕速率也會增加，這是由于溶解速率增加所致。與氧化反應(yīng)相比，由于氧化物溶解所需能量更低，溶解反應(yīng)更容易完成，因此增加NH4OH 的濃度對腐蝕速率的提高不明顯。而增加氧化劑H2O2的濃度能有效提高腐蝕速率。

2.4 堿性腐蝕液對粗糙度的影響

由圖2 和圖3 可見，腐蝕液溫度的提高、腐蝕液濃度的增加都能降低GaAs 晶片的粗糙度，這是因為隨腐蝕液溫度升高、濃度的增加，在相同時間內(nèi)晶片腐蝕去除量增加，晶片表面由損傷層、亞損傷層逐漸進入致密層，晶片的表面微觀起伏逐漸減弱，粗糙度逐漸減小。

2.5 堿性腐蝕液對TTV 的影響

實驗結(jié)果表明，堿性腐蝕液溫度、配比對GaAs晶片的TTV 影響不大，晶片TTV 隨腐蝕液溫度的增加稍有增加，當(dāng)改變腐蝕液中NH4OH 和H2O2的配比時，晶片的TTV 基本維持在同一水平。

3 結(jié) 論

（1）堿性腐蝕液的溫度對GaAs 晶片的翹曲度有顯著的影響，提高溫度能有效降低晶片的翹曲度，晶片表面更加平坦。而腐蝕液的組分對GaAs 晶片的翹曲度影響較弱；

（2）GaAs 晶片的腐蝕速率隨腐蝕液溫度的升高而加快，隨腐蝕液中NH4OH 和H2O2濃度的增加而加快；

（3）GaAs 晶片的粗糙度隨腐蝕液溫度的升高、濃度的增加而下降；

（4）堿性腐蝕液的溫度和濃度對GaAs 晶片的TTV 影響都不大。