基于氧化的 AlGaN 或 GaN 异质结构湿法刻蚀方法

引言

氮化镓（GaN）及相关铝基合金(AlGaN)是下一代高频和高功率的优秀电子材料。然而，到目前为止，砷化镓基材料的湿蚀刻技术很少，因为它们在化学和物理上都是使用干蚀刻。干法蚀刻技术通常利用强的物理蚀刻成分，可能导致离子对半导体的损伤和较差的选择性。湿化学蚀刻可以避免这些问题，这是干蚀刻的重要补充。本方法是一种新型的利用干热氧化和湿碱蚀刻的AlGaN/GaN异质结构的湿法蚀刻技术。利用干热氧化和湿碱刻蚀来制备AlGaN/GaN异质结构。研究发现，在700℃以上高温氧化后的AlGaN/GaN异质结构可以在恒温(70 °C)氢氧化钾溶液中被刻蚀掉，而氢氧化钾溶液在氧化过程中对被二氧化硅层保护的AlGaN/GaN异质结构区域没有刻蚀作用。在70℃氢氧化钾溶液中，900℃热氧化30分钟后，在AlGaN/GaN异质结构上形成150 nm台阶深度的沟槽结构。随着氧化时间的增加蚀刻深度接近饱和，蚀刻表面的粗糙度变得更好。

实验

AlGaN/GaN异质结结构通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长在2英寸c面蓝宝石衬底上。本方法中使用的外延层由20nmAl0：3Ga0：7N屏障层和2_x0016_m氮化镓层组成。通过等离子体增强化学沉积(PECVD)沉积一个500nm的二氧化硅层作为掩模，并通过反应离子蚀刻(RIE)蚀刻，形成开放窗口。然后，在纯氧气氛下，在900℃下热氧化2h、4h、6h和8h。然后将氧化晶片分为两个样品：样品A和B。对于样品A，首先用BOE溶液处理去除二氧化硅掩膜层，然后将晶片浸入70ıC氢氧化钾溶液中；对于样品B，将晶片浸入70℃氢氧化钾溶液中，然后去除二氧化硅掩膜层。最后发现，样品A和B的沟槽结构基本相同。

图1中显示了AFM测定的湿蚀面积的槽结构步高和平均粗糙度Ra。当氧化时间分别为2h、4h、6h和8h时，步高分别为129nm、147nm、150nm和150nm。氧化时间为8h的沟槽结构的三维图像如图2所示。结果表明，步高随氧化时间呈非线性增加，并接近饱和值。随着氧化时间的延长，湿蚀刻区域的形貌也更好，平均粗糙度Ra分别为17.8nm、13.7nm、11.5nm和10.7nm。

图1 晶槽湿蚀刻面积的步高和平均粗糙度Ra与氧化时间的关系图

图2 氧化时间为8h的沟槽结构的三维图像

结果和讨论

在900℃条件下进行30min纯热退火后，AlGaN/GaN异质结结构的TEM高分辨率图像如图3所示，与图中氮化镓单晶结构不同的40nm多晶层，应该是一个氧化物层。

图3 在900℃下热氧化30min后，AlGaN/GaN异质结结构的TEM高分辨率图像

氧化AlGaN/GaN异质结中的氧元素分布如图4所示，通过EDS（能量衍射谱）测量。氧元件在距离氧化层表面约40nm的70nm处趋于消失，这可以认为是氧元件的有效分布深度。40nm的氧元件分布深度与透射电镜测量的多晶层厚度一致，这表明高温下AlGaN/GaN结构会发生氧化过程。

高温氧化后，将样品在室温下浸入盐酸、BOE和氢氧化钾溶液中，无论氧化时间和蚀刻时间如何，蚀刻步骤深度均接近饱和值，约为3nm。随着氧化时间的增加，湿蚀刻步高接近饱和。通常，由于沿缺陷扩散较快，缺陷更容易被氧化，导致缺陷区域的氧化深度更大。因此，在开始，蚀刻区域表面粗糙度不好，如图4所示，是在纯氧气氛中900℃后在70℃氢氧化钾溶液中热退火30min处理后，AlGaN/GaN异质结构的交叉谱。结果表明，在位错区域有较大的蚀刻深度。然而，随着氧化层随着氧化时间的延长，氧化层变厚，o2通过氧化层的扩散决定了氧化速率。因此，当生成的氧化物层变厚，有效阻碍o2向氧化物/半导体界面扩散时，氧化物深度达到饱和值，从而得到更好的表面粗糙度，如图1所示。

图4 在900℃下热氧化30min后，然后在氢氧化钾溶液中处理后，AlGaN/GaN异质结结构的交叉图谱

总结

综上所述，本方法证明了一种基于热氧化的AlGaN/GaN异质结构的湿式蚀刻技术，并讨论了其物理机理。结果表明，在高温氧化条件下形成了多晶氧化物层，然后用氢氧化钾溶液在70℃处湿蚀刻。在纯氧气氛中，在900℃热氧化8小时，然后在70℃氢氧化钾溶液中湿法腐蚀30分钟，可以获得台阶高度为150纳米的沟槽结构。结果发现，AlGaN/GaN异质结缺陷会加速氧化过程，但由于氧化层厚阻碍氧向氧化物/半导体界面扩散，最终使氧化时间足够后的表面粗糙度更好。