TMAH溶液進(jìn)行化學(xué)蝕刻后晶體平面的表征研究

本文提出了一種將垂直氮化鎵鰭式場效應(yīng)晶體管中的鰭式溝道設(shè)計(jì)成直而光滑的溝道側(cè)壁的新技術(shù)。因此，詳細(xì)描述了在TMAH溶液中的氮化鎵濕法蝕刻；我們發(fā)現(xiàn)m-GaN平面比包括a-GaN平面在內(nèi)的其他取向的晶面具有更低的表面粗糙度。還研究了溝道底部的溝槽和斜面(長方體)，攪動長方體的去除或晶面刻蝕速率的提高。最后，研究了有無紫外光照射下，紫外光對三甲基氯化銨中m和a-GaN晶面刻蝕速率的影響。因此，發(fā)現(xiàn)用紫外光將m-GaN平面蝕刻速率從0.69納米/分鐘提高到1.09納米/分鐘；在a-GaN平面蝕刻的情況下，紫外光將蝕刻速率從2.94納米/分鐘提高到4.69納米/分鐘。

圖1

濕蝕刻法被用來揭示通道側(cè)壁上的晶體平面，制造過程如圖1所示，本實(shí)驗(yàn)采用金屬有機(jī)化學(xué)蒸汽沉積法(MOCVD)在藍(lán)寶石基質(zhì)上生長的7微米厚的氮化鎵外層晶片，這個(gè)正方形樣品的大小是1厘米×1厘米。為此制作了180個(gè)15×2μm2尺寸的手指（圖2）。

圖2

制造過程首先是在晶片上沉積一個(gè)1μm厚的二氧化硅(PECVD)層，作為一個(gè)掩模,然后用PMMA9%抗蝕劑進(jìn)行電子束光刻技術(shù),二氧化硅使用CF4/He混合氣體的干蝕刻進(jìn)行蝕刻，將圖案從抗蝕劑轉(zhuǎn)移到二氧化硅掩模,最后，使用TMAH溶液進(jìn)行氮化鎵濕式蝕刻。

通過電子束蒸發(fā)沉積的厚度分別為20納米/350納米/30納米的鈦/金/鎳金屬疊層，所研究的圖案具有星形形狀，由24個(gè)相同的鰭狀指組成，寬度為250納米，厚度為2.3微米，除了在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)中是金屬的掩模之外，圖1所示的相同制造工藝已經(jīng)用于制造鰭狀指狀物，星形圖案的垂直指狀物在m-GaN平面上對齊，用三甲基氯化銨對m-氮化鎵和a-氮化鎵晶面進(jìn)行了研究。 實(shí)際上，為了確定適合器件制造工藝的金屬疊層，已經(jīng)進(jìn)行了幾項(xiàng)測試。最后，鉻/金/鉻金屬疊層被認(rèn)為是制造真實(shí)器件最可行的，這種金屬疊層將用于制造氮化鎵垂直器件。

首先，利用掃描電鏡對濕法刻蝕后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，原子力顯微鏡和掃描電子顯微鏡被用來研究凹槽的蝕刻輪廓，最后，利用所提出的方向確定方法制作了垂直氮化鎵溝道指狀物，并對其進(jìn)行了表征和討論。在藍(lán)寶石晶片上的鎵氮的情況下，平坦區(qū)與氮化鎵平面預(yù)對準(zhǔn)；因此m-GaN平面近似垂直于平面，在制造的結(jié)構(gòu)中，研究的角度范圍在0°和180°之間，步長為1°。因此，我們以1度的精度研究了所有的m-GaN和a-GaN平面，以估計(jì)精確的GaN晶體取向。在TMAH溶液中化學(xué)蝕刻30分鐘后，使用掃描電鏡表征了在m-氮化鎵和a-氮化鎵平面上取向的溝道指狀物。

另外在濕蝕中，a-GaN平面?zhèn)缺谕耆怪?，之后不再發(fā)生進(jìn)一步平滑，a-GaN平面的蝕刻率相對較高，是由于其較低的蝕刻電阻率；另一方面，氮化鎵的蝕刻速率不僅僅由TMAH溶液參數(shù)決定；相反它是由多種因素決定的，如掩模選擇、摻雜水平和氮化鎵外延生長條件產(chǎn)生的結(jié)晶質(zhì)量。

最后a和m-GaN平面晶體濕蝕刻的取向測定方法，這種對氮化鎵晶片非常有幫助，因?yàn)榇_切的平面內(nèi)晶體取向不能很好地識別為切片，利用所提出的程序，精確地識別了m平面和a-GaN平面，一種優(yōu)化的TMAH25%、85?C和uv輔助配方已被用于設(shè)計(jì)面向a-和m-GaN的鰭通道，m-GaN晶體面的蝕刻顯示出比a-GaN取向的Fins更光滑、更穩(wěn)定的通道側(cè)壁。通過進(jìn)行一些測試，仍然需要更多的研究來深入了解在TMAH蝕刻過程中產(chǎn)生的這些立方體的起源。而且紫外光利用對TMAH溶液中m和a-GaN平面蝕刻速率的影響，使m-GaN的蝕刻速率從0.69納米提高到1.09納米/分鐘，在a-GaN平面上，紫外光將蝕刻速率從2.94納米提高到4.69納米/分鐘。

審核編輯：符乾江