在紅外探測(cè)器的制造技術(shù)中，臺(tái)面刻蝕是完成器件電學(xué)隔離的必要環(huán)節(jié)。而對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的焦平面陣列來(lái)說(shuō)，一個(gè)良好的刻蝕工藝不僅要求高的深寬比，還要達(dá)到高度各向異性和低損傷等目標(biāo)，這給器件制造帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)?？涛g副產(chǎn)物在臺(tái)面?zhèn)缺谝肼╇娏鞯谋砻嫱ǖ?，使得InAs/GaSb超晶格紅外探測(cè)器的性能惡化，尤其是長(zhǎng)波和甚長(zhǎng)波的器件，由于具有更窄的帶隙，受表面漏電流的影響更大。因此，探究刻蝕機(jī)理和優(yōu)化刻蝕工藝就顯得至關(guān)重要。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所和中國(guó)科學(xué)院大學(xué)組成的科研團(tuán)隊(duì)在《航空兵器》期刊上發(fā)表了以“InAs/GaSb超晶格臺(tái)面刻蝕工藝研究綜述”為主題的文章。該文章第一作者為張翔宇，通訊作者為蔣洞微副研究員。

本文綜述了InAs/GaSb超晶格臺(tái)面刻蝕工藝研究。從濕法和干法刻蝕的物理化學(xué)機(jī)理以及參數(shù)調(diào)控等方面進(jìn)行分析，旨在闡明工藝條件對(duì)臺(tái)面形貌的影響，以抑制帶隙較窄的長(zhǎng)波和甚長(zhǎng)波超晶格表面漏電流。

濕法刻蝕

濕法刻蝕機(jī)理

InAs和GaSb具有不同的物理化學(xué)性質(zhì)，一般的腐蝕液在刻蝕過(guò)程中對(duì)這兩種材料產(chǎn)生一定的選擇性。例如，在檸檬酸溶液和鹽酸溶液中，InAs和GaSb的刻蝕選擇比分達(dá)到127?1和4800?1。當(dāng)一方的選擇比過(guò)大時(shí)，會(huì)在臺(tái)面?zhèn)缺诹粝麓植诘谋砻嫘蚊?，從而給器件帶來(lái)較大的表面漏電流。因此，腐蝕液的選擇和配比對(duì)刻蝕效果起到關(guān)鍵作用。

許多腐蝕劑被報(bào)道用于刻蝕InAs/GaSb超晶格，其中檸檬酸系腐蝕液不僅具有良好的非選擇性，而且相較于一些強(qiáng)酸（如鹽酸、氫氟酸、硝酸等）更加穩(wěn)定和不易揮發(fā)，從而表現(xiàn)出最好的刻蝕效果，成為當(dāng)前濕法刻蝕的最佳選擇。檸檬酸系腐蝕液是由檸檬酸（C?H?O?）、磷酸（H?PO?）、過(guò)氧化氫（H?O?）以及去離子水按照一定比例配置而成。H?O?作為氧化劑可以破壞InAs/GaSb超晶格材料當(dāng)中混合的共價(jià)-離子鍵，使其形成難溶于水的氧化物。相應(yīng)元素以氧化物存在的方式如圖1所示。InAs/GaSb超晶格的刻蝕過(guò)程主要包括氧化、溶解（或絡(luò)合）兩步。

圖1 Ga-Sb-O和In-As-O的三元相圖

工藝參數(shù)調(diào)控

腐蝕液配比

如前所述，濕法刻蝕主要包括氧化和溶解兩個(gè)過(guò)程，分別由H?O?和H?PO?/C?H?O?來(lái)控制，因此兩者的比例決定了InAs/GaSb超晶格材料的刻蝕速率。本課題組的Xu等研究了檸檬酸系腐蝕液的不同組分配對(duì)刻蝕速率和表面粗糙度的影響。如圖2所示，刻蝕速率隨H?O?和H?PO?/C?H?O?濃度增大而增大，這是因?yàn)槎邼舛鹊脑龃蠹涌炝搜趸腿芙膺^(guò)程；但是刻蝕速率會(huì)在某一組分的高濃度腐蝕液中趨向飽和，某一組分的過(guò)量導(dǎo)致另一過(guò)程來(lái)不及進(jìn)行而使刻蝕速率受限，說(shuō)明在濕法刻蝕中氧化和溶解過(guò)程必須協(xié)調(diào)進(jìn)行。同時(shí)，腐蝕液配比也影響材料的表面粗糙度。

圖2 不同腐蝕液配比對(duì)刻蝕速率的影響

Kowalewski等也研究了不同H?PO? + C?H?O?+ H?O? + H?O摩爾比對(duì)刻蝕效果的影響，可以通過(guò)圖3的三維圖像直觀表現(xiàn)出來(lái)。

圖3 不同摩爾比腐蝕液刻蝕下InAs/GaSb超晶格的表面形貌

下切效應(yīng)

由于腐蝕液的選擇性，InAs/GaSb超晶格的臺(tái)面?zhèn)缺谠谀承┣闆r下往往受到嚴(yán)重的側(cè)向鉆蝕，即下切效應(yīng)。這種現(xiàn)象不僅增大臺(tái)面?zhèn)缺诘谋砻娣e，也影響圖形轉(zhuǎn)移精度。亢等研究了C?H?O?/H?PO?含量對(duì)腐蝕效果的影響。從圖4可以看出，在不同C?H?O?/H?PO?含量的腐蝕液的刻蝕下，臺(tái)面?zhèn)缺诙急容^平滑；相較而言，當(dāng)C?H?O?/H?PO?含量比為20%時(shí)，側(cè)壁更為陡直，但側(cè)向鉆蝕更嚴(yán)重，這是因?yàn)楦邼舛菴?H?O?/H?PO?的腐蝕液在提高刻蝕速率的同時(shí)也會(huì)影響材料的表面形貌。本課題組的Hao等研究了同一組分配比的檸檬酸系腐蝕液對(duì)InAs、GaSb以及二者組成的中波和長(zhǎng)波超晶格的刻蝕效果的影響，如圖5所示。中波超晶格因InAs含量較少而沒(méi)有明顯的鉆蝕現(xiàn)象。因此，不同波段的InAs/GaSb超晶格應(yīng)當(dāng)調(diào)整濕法腐蝕液的組分配比，以抑制臺(tái)面?zhèn)缺诘拇植诙群豌@蝕現(xiàn)象。

圖4 不同C?H?O?/H?PO?含量腐蝕液腐蝕后材料表面的SEM圖像

圖5 InAs、GaSb中波超晶格和長(zhǎng)波超晶格在（011）晶向的輪廓

干法刻蝕

干法刻蝕機(jī)理

干法刻蝕技術(shù)在硅、二氧化硅、金屬、金屬化合物以及Ⅲ-Ⅴ族化合物中都有廣泛應(yīng)用。其基本刻蝕機(jī)理可以分為化學(xué)刻蝕和物理刻蝕兩部分。化學(xué)刻蝕是將刻蝕性氣體源解離為離子、分子和具有反應(yīng)活性的原子團(tuán)，這些原子團(tuán)擴(kuò)散到材料表面與之發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成揮發(fā)性產(chǎn)物并被真空設(shè)備抽離完成刻蝕。物理刻蝕是利用輝光放電將氣體（如N?和Ar等）解離為帶正電的離子，之后在偏壓的作用下轟擊材料表面，既可以破壞材料表面的原子鍵，也可以清除表面附著的難揮發(fā)副產(chǎn)物。這種刻蝕方法將化學(xué)刻蝕的高選擇性和物理刻蝕的各向異性相結(jié)合，可以獲得接近垂直的刻蝕輪廓和較高的圖案轉(zhuǎn)移精度。

在InAs/GaSb超晶格的干法刻蝕工藝中，最常用的刻蝕氣體源是Cl?基氣體，包括Cl?、BCl?、SiCl?等，它們與材料反應(yīng)生成揮發(fā)性物質(zhì)InCl?、AsCl?、GaCl?以及SbCl?。但常溫下InCl?的揮發(fā)性相對(duì)較差，因此在一定程度上抑制化學(xué)刻蝕的進(jìn)行，對(duì)刻蝕效果產(chǎn)生不利的影響，這也成為Cl?基氣體刻蝕InAs/GaSb超晶格的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。CH?基氣體比Cl?基氣體在InAs/GaSb超晶格的刻蝕中更具優(yōu)勢(shì)，但遺憾的是，有研究表明CH?基氣體的刻蝕速率較低。

對(duì)于實(shí)際的刻蝕工藝來(lái)說(shuō)，在同樣的刻蝕深度下，較低的刻蝕速度意味著較長(zhǎng)的刻蝕時(shí)間。然而刻蝕過(guò)程中由于離子轟擊會(huì)產(chǎn)生大量的熱能并使襯底升溫，這有可能將膠掩膜碳化。雖然如此，CH?基氣體的刻蝕效果相對(duì)平滑，可以與Cl?基氣體搭配使用，目前已有相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行報(bào)道。

工藝參數(shù)調(diào)控

刻蝕選擇性

在干法刻蝕中由于化學(xué)刻蝕的存在，也同樣具有刻蝕選擇性。Tan等研究了同一刻蝕條件下InAs、GaSb以及InAs/GaSb超晶格的刻蝕形貌。如圖6所示，GaSb體材料的刻蝕形貌出現(xiàn)了明顯的側(cè)向鉆蝕，而InAs和InAs/GaSb超晶格則保持完好的臺(tái)面，說(shuō)明GaSb的刻蝕速率要遠(yuǎn)大于后者。這一點(diǎn)也由Zhang等的研究所證實(shí)，如圖7所示。

圖6 GaSb、InAs、InAs/GaSb超晶格刻蝕形貌的SEM圖片

圖7 不同Cl?/Ar含量比下GaSb和InAs/GaSb超晶格的刻蝕速率

Huang等探究了ICP功率和RF功率對(duì)InAs和GaSb兩種體材料的刻蝕速率的影響。如圖8所示，InAs和GaSb的相對(duì)刻蝕速率對(duì)ICP和RF功率具有明顯的依賴性，并且在某一特定功率下二者的相對(duì)刻蝕速率為1，達(dá)到刻蝕平衡點(diǎn)。

圖8 ICP功率和RF功率對(duì)InAs和GaSb的刻蝕速率以及直流偏壓的影響

在實(shí)際刻蝕中，In的刻蝕副產(chǎn)物InClx相較于其他三種氯化物在常溫下難以揮發(fā)，于是作為阻擋層附著在材料表面抑制刻蝕的進(jìn)行，而使得InAs/GaSb超晶格的刻蝕速率被InAs組分所限制。理論上，這一問(wèn)題可以通過(guò)提高襯底溫度來(lái)解決。Jung等通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)臺(tái)面?zhèn)缺趦A角隨著溫度升高而線性增長(zhǎng)。如圖9所示，當(dāng)襯底溫度為60℃和200℃時(shí)，側(cè)壁傾角分別為72°和85°。因此，有理由相信可以提高襯底溫度來(lái)促使副產(chǎn)物InClx脫附，從而達(dá)到接近垂直的側(cè)壁角度和更好的刻蝕形貌。然而，長(zhǎng)時(shí)間暴露在高溫下會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體層的擴(kuò)散，導(dǎo)致超晶格材料的性能下降。理想情況下，任何刻蝕步驟都應(yīng)在室溫下進(jìn)行。

圖9 InAs/GaSb超晶格在不同襯底溫度下刻蝕的臺(tái)面截面SEM圖片

另外，不同探測(cè)波段的InAs/GaSb超晶格中InAs或GaSb組分含量不同，在刻蝕選擇性的影響下，同一刻蝕條件必然具有不同的刻蝕形貌。Smoczyński等研究了中波超晶格（10 ML InAs/10 ML GaSb，ML為原子層）和長(zhǎng)波超晶格（14 ML InAs/7 MLGaSb）刻蝕的差異性。如圖10所示，長(zhǎng)波超晶格的側(cè)壁表面粗糙度更大，這是因其InAs含量相比GaSb更多，所以在相同刻蝕條件下長(zhǎng)波超晶格的刻蝕效果較差。這也意味著對(duì)于不同組分的InAs/GaSb超晶格應(yīng)該選擇適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)，以保證良好的刻蝕效果。

圖10 中波超晶格和長(zhǎng)波超晶格的臺(tái)面?zhèn)缺诘腟EM圖片

綜上所述，InAs/GaSb超晶格的刻蝕選擇性主要源于InClx的低揮發(fā)性對(duì)刻蝕過(guò)程的限制，實(shí)現(xiàn)InClx的有效清除是獲得最佳側(cè)壁形貌的關(guān)鍵。這一問(wèn)題的解決需要探究工藝參數(shù)對(duì)刻蝕的影響。

刻蝕氣體

了解不同氣體的刻蝕特性以及它們之間的比例搭配對(duì)獲得良好的刻蝕形貌十分關(guān)鍵。許等研究了氣體流量比例對(duì)刻蝕結(jié)果的影響。如圖11所示，在N?占比較低時(shí)以化學(xué)刻蝕為主，副產(chǎn)物來(lái)不及清除而附著在材料表面形成不規(guī)則的鑿痕形貌；而隨著N?含量增加，化學(xué)刻蝕與物理刻蝕相互平衡，臺(tái)面?zhèn)缺诒恍揎椘交?/p>

圖11 不同N?/Cl?流量刻蝕后的InAs/GaSb超晶格臺(tái)面SEM圖片

除了調(diào)控N?/Cl?的比例外，也可以加入同樣起化學(xué)刻蝕作用的氣體。研究表明，BCl?和CH?的刻蝕速率較低，有利于得到平滑和垂直的側(cè)壁。本課題組在相同氣體流量比的刻蝕條件下研究了不同氣體組分對(duì)刻蝕InAs/GaSb長(zhǎng)波超晶格的影響。如圖12所示，當(dāng)刻蝕氣體組分中加入BCl?和CH?后，側(cè)壁形貌比之前報(bào)道僅用Cl?刻蝕的臺(tái)面已大大改善。此外，對(duì)于前者而言，使用CH?產(chǎn)生的刻蝕效果要優(yōu)于BCl?，其刻蝕速率從530 nm/min減小至240 nm/min，較慢的刻蝕過(guò)程易使物理刻蝕和化學(xué)刻蝕達(dá)到平衡，進(jìn)而減小刻蝕表面粗糙度。

圖12 不同氣體組分刻蝕 InAs/GaSb超晶格后的臺(tái)面SEM圖片

由圖12（b）可以發(fā)現(xiàn)有明顯的底部鉆蝕存在，對(duì)這一現(xiàn)象的解釋最早由Chen等在HgCdTe的刻蝕研究中所提出。射頻等離子體中的直流偏置是由電子附著在晶圓上引起的。同時(shí)，由于SiO?掩膜的絕緣性，電子也會(huì)附著其上，但可能不會(huì)均勻分布，在SiO?掩膜角落聚集較多。在刻蝕過(guò)程中，這些帶負(fù)電的電子吸引Ar+撞擊輪廓，導(dǎo)致底部鉆蝕產(chǎn)生，如圖13所示。

圖13 底部鉆蝕原因示意圖

掩膜的影響

InAs/GaSb超晶格臺(tái)面的側(cè)壁形貌也往往與掩膜有關(guān)，包括掩膜類型、掩膜厚度、掩膜的側(cè)壁形貌以及掩膜與超晶格材料的刻蝕選擇比等。Chakrabarti等研究了InP的干法刻蝕，發(fā)現(xiàn)其側(cè)壁粗糙度的來(lái)源主要是掩膜材料中存在的粗糙度的復(fù)制，特別是幾乎在任何干法刻蝕中使用的光刻膠。因此，有必要研究掩膜對(duì)臺(tái)面?zhèn)缺谛蚊驳挠绊?。本課題組研究了InAs/GaSb超晶格在光刻膠的不同堅(jiān)膜時(shí)間下臺(tái)面刻蝕的影響。

對(duì)于焦平面陣列探測(cè)器，為了在干法刻蝕中獲得較大的深寬比，一個(gè)堅(jiān)固的掩膜應(yīng)該被要求可以承受長(zhǎng)時(shí)間等離子體的轟擊。SiNx由于具有高楊氏模量和較強(qiáng)的抗刻蝕性也被用作InAs/GaSb超晶格的硬掩膜材料。

總結(jié)與展望

臺(tái)面刻蝕是將InAs/GaSb超晶格制成紅外探測(cè)器的必要環(huán)節(jié)，也是限制其器件性能的因素之一。過(guò)去的幾十年，科研人員已經(jīng)探索和研究了刻蝕過(guò)程中不同工藝參數(shù)對(duì)臺(tái)面形貌的影響以及具體問(wèn)題的解決。本文將一些重要結(jié)論進(jìn)行歸納：

（1）無(wú)論是濕法刻蝕還是干法刻蝕，都存在刻蝕選擇性，這是由InAs和GaSb不同的物理化學(xué)特性導(dǎo)致的。二者的不均勻刻蝕必然使一方有殘留，從而出現(xiàn)粗糙的表面形貌。因此，通過(guò)協(xié)調(diào)工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)InAs和GaSb的均勻刻蝕是獲得良好形貌的關(guān)鍵。

（2）對(duì)于干法刻蝕來(lái)說(shuō)，其兼具化學(xué)性刻蝕和物理性刻蝕。這兩個(gè)過(guò)程在實(shí)際的刻蝕中也應(yīng)該達(dá)到平衡。前者過(guò)快會(huì)出現(xiàn)大量的低揮發(fā)性副產(chǎn)物無(wú)法清除干凈，抑制刻蝕的進(jìn)行；后者過(guò)快則導(dǎo)致較多的刻蝕損傷。

（3）不同組分的InAs/GaSb超晶格，如：短波、中波、長(zhǎng)波、甚長(zhǎng)波，由于它們之間InAs和GaSb的含量比例不同，所以在刻蝕時(shí)必須選擇不同的工藝參數(shù)來(lái)達(dá)到平滑刻蝕表面的目的。

（4）干法刻蝕相較于濕法刻蝕來(lái)說(shuō)，各向異性更強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)良好的側(cè)壁形貌和接近垂直的臺(tái)面傾角，圖像轉(zhuǎn)移精度更高。

在未來(lái)的刻蝕工藝中，應(yīng)當(dāng)利用干法刻蝕的長(zhǎng)處，尤其是焦平面陣列的制造需要較大的深寬比和圖案轉(zhuǎn)移精度。在此基礎(chǔ)上，可以繼續(xù)嘗試不同類型刻蝕氣體的搭配，如Cl?基和CH?基氣體的混合，也可以尋找新的更利于刻蝕的氣體，來(lái)完成InAs/GaSb超晶格材料化學(xué)性刻蝕和物理性刻蝕的協(xié)同進(jìn)行。另外，掩膜對(duì)超晶格材料的刻蝕形貌也具有很大影響，臺(tái)面?zhèn)缺诘拇植诙韧鶑难谀ぶ袕?fù)制而來(lái)，因此，探究和優(yōu)化掩膜的刻蝕工藝或選擇更佳的掩膜或許不失為改善超晶格臺(tái)面形貌的一種方法。

審核編輯：劉清