電感耦合等離子體刻蝕GaN材料的工藝研究*

任 遠(yuǎn)，劉曉燕，劉久澄，劉寧煬，陳志濤

廣東省半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，廣東 廣州 510650

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電感耦合等離子體刻蝕GaN材料的工藝研究*

任 遠(yuǎn)，劉曉燕，劉久澄，劉寧煬，陳志濤

廣東省半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，廣東 廣州 510650

為進(jìn)一步調(diào)節(jié)GaN材料刻蝕的關(guān)鍵特征尺寸、改善GaN材料刻蝕損傷，采用電感耦合等離子體(ICP)方法刻蝕GaN材料．通過分別改變ICP過程中的氣體比例、腔室氣壓、ICP功率及RF功率參數(shù)，對ICP刻蝕GaN材料的速率、GaN與光刻膠選擇比及直流偏壓的變化做了系統(tǒng)地研究，得到了臺面刻蝕的最優(yōu)參數(shù)．使用光刻膠作為掩?？涛g了1.837 μm深度的GaN材料樣品，表面的光刻膠平整光滑；刻蝕臺階整齊連續(xù)，刻蝕傾角控制在75°以內(nèi)．

電感耦合等離子體刻蝕；GaN；刻蝕速率；選擇比；直流偏壓

自上個世紀(jì)90年代以來，以GaN和SiC等為代表的第三代半導(dǎo)體材料得到迅速發(fā)展[1]．GaN材料有禁帶寬度寬、直接帶隙、熱導(dǎo)率高、擊穿電壓高、電子遷移飽和速率高及化學(xué)穩(wěn)定性好等特點，使得其在紫外、藍(lán)、綠光激光器(Laser Diode)、發(fā)光二極管(Light Emitting Diode)、紫外探測器(Avalanche Photo Diode)及大功率電子器件(Electrical Devices)等應(yīng)用方面顯示了廣泛的應(yīng)用潛力和良好的市場前景[2-3]．

GaN基LED器件的電極在同側(cè)，因而需要刻蝕出臺面，將n-GaN面暴露出來．由于GaN材料質(zhì)地堅硬，性質(zhì)十分穩(wěn)定，在常溫下不溶于水、酸和堿溶液[4]，因此最常用的刻蝕手段為等離子體干法刻蝕[5]．首先將半導(dǎo)體材料表面曝露于低壓環(huán)境的等離子體中，利用等離子體與半導(dǎo)體材料發(fā)生物理或化學(xué)反應(yīng)，從而去掉曝露的表面材料．與濕法腐蝕相比，干法刻蝕有各向異性好、選擇比高、重復(fù)性好及特征尺寸可達(dá)納米級的優(yōu)點[6]．但是使用干法刻蝕也存在一些問題，如較差的掩模材料選擇比、等離子體帶來的器件損傷及工作參數(shù)和影響因素繁多等[7]．近年來，新型的GaN光電器件如微納LED陣列[8]、單光子發(fā)光器件[9]、高電子遷移率晶體管[10]等研究獲得了越來越多的關(guān)注，器件特征向小型化、密集化方向發(fā)展，因此對GaN材料刻蝕的關(guān)鍵特征尺寸、刻蝕損傷等問題有了更高要求，優(yōu)化GaN材料的干法刻蝕工藝有了更重要的研究意義．

本文針對GaN外延材料的刻蝕工藝，詳細(xì)研究了電感耦合等離子體刻蝕(ICP)的氣體比例、腔室氣壓、ICP功率和RF功率等主要工作參數(shù)對GaN材料刻蝕的影響．通過ICP設(shè)備監(jiān)測了直流偏壓的數(shù)值，使用臺階儀測試并計算了GaN材料刻蝕速率以及GaN與光刻膠選擇比，同時分析了上述參數(shù)變化的趨勢并對刻蝕的機(jī)理做了解釋．研究結(jié)論對改善刻蝕質(zhì)量，提高GaN器件性能，縮小器件特征尺寸意義重大．

1 電感耦合等離子體刻蝕的原理

常見的干法刻蝕手段包括反應(yīng)離子刻蝕(RIE)、電子回旋共振(ECR)刻蝕和電感耦合等離子體(ICP)刻蝕等．ICP刻蝕是一種高密度低壓刻蝕，通過用石英管或絕緣板與等離子體隔開的螺旋線圈產(chǎn)生等離子體，由于半導(dǎo)體晶圓是放置在遠(yuǎn)離線圈的地方，因而它不會受到電磁場的影響，通過在樣品下方施加偏置電場來獲得化學(xué)和物理刻蝕．電感耦合等離子體刻蝕的腐蝕速率高且損傷較低，能夠在高寬深比窗口中獲得各向異性的側(cè)壁結(jié)構(gòu)．

電感耦合等離子體設(shè)備(ICP)是通過射頻電源(ICP Power)激發(fā)的電感耦合模式產(chǎn)生等離子體的．當(dāng)ICP電源打開后，高頻電場給電子提供能量，使之撞擊反應(yīng)室內(nèi)的氣體原子和分子．當(dāng)電子能量大于分子鍵能時，被撞分子變成自由基形態(tài)；若電子能量超過分子的電離能，則被撞分子離化同時發(fā)射二次電子和光子，產(chǎn)生更多的自由基和離子，形成雪崩效應(yīng)，最終獲得等離子體．

針對GaN的刻蝕過程所使用的反應(yīng)氣體通常為Cl2/BCl3/N2，ICP刻蝕的化學(xué)反應(yīng)主要包括兩部分[11]，一是工作氣體在磁感線圈的耦合作用下被激發(fā)而分解為游離的離子，第二個過程是活性離子與GaN材料的反應(yīng)．其中化學(xué)刻蝕主要是Cl中性基團(tuán)參與的，而N離子則在電場作用下直接轟擊材料表面進(jìn)行物理刻蝕．物理刻蝕能起到增強(qiáng)化學(xué)刻蝕的作用，一方面可打斷化學(xué)鍵引起晶格損傷，另一方面促進(jìn)附著物質(zhì)、反應(yīng)生成物脫離材料表面．

2 實驗部分

2.1 試 樣

實驗所用的試樣為在c面藍(lán)寶石襯底上MOCVD生長的GaN基LED外延片，其基本結(jié)構(gòu)包括如下各層：低溫GaN層，厚度25 nm；u-GaN層，厚度1 μm；n-GaN層，厚度2.3 μm；InGaN層，20 nm；5組量子阱(MQW)層，阱和壘的厚度分別為InGaN/GaN=3/10 nm； p-GaN層，摻雜濃度為5×1017cm-3，厚度330 nm．將GaN外延片進(jìn)行有機(jī)和無機(jī)清洗，然后切割成大小約1 mm×1 mm的樣品，通過光刻及顯影制作光刻膠掩模，光刻膠厚度約3.3 μm，隨后使用烘箱進(jìn)行30 min的堅膜以使光刻膠中的溶劑蒸發(fā)并固化光刻膠．

2.2 方法及設(shè)備

改變ICP系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行實驗，在刻蝕過程中記錄直流偏壓(DC-bias)讀數(shù)．使用臺階儀測量刻蝕后的樣品表面臺階，使用有機(jī)溶劑去除殘留的光刻膠后再次測量表面臺階，計算GaN材料的刻蝕速率及GaN與光刻膠的選擇比．

使用的半導(dǎo)體材料刻蝕設(shè)備為聚昌科技股份有限公司制造的Cirie-200型雙腔體電感耦合等離子體刻蝕系統(tǒng)，參照刻蝕程序設(shè)定為：ICP Power=700 W；RF Power=100 W；Pressure=5 mTorr；Cl2/BCl3/N2Flow =40/5/10 sccm；刻蝕時間恒定為400 s．通過改變刻蝕過程中的單一參數(shù)，研究ICP刻蝕的參數(shù)對刻蝕速率、選擇比及直流偏壓(DC-Bias)的影響．其中DC-Bias電壓是指在等離子體區(qū)域與襯底之間形成的直流自偏置電壓，它反映了反應(yīng)離子獲得的加速能量[12]．

3 實驗與討論

3.1 氯氣比例對ICP刻蝕的影響

保持ICP Power=700 W，RF Power=100 W，Pressure=5 mTorr及刻蝕時間400 s不變，改變氣體比例進(jìn)行實驗，研究刻蝕氣體比例對刻蝕速率和刻蝕選擇比的影響．實驗設(shè)定總流量不變，Cl2與BCl3氣體比例變化列于表1．通過實驗及計算得到的刻蝕速率、GaN與光刻膠選擇比和直流偏壓DC-Bias隨Cl2比例的變化的曲線見圖1．

表1 Cl2流量變化值

從圖1可見，隨著氯氣比例的增加，刻蝕速率逐漸上升，而選擇比總趨勢是下降的，直流偏壓則變化幅度很?。@是由于當(dāng)Cl2比例增大時，化學(xué)刻蝕的主要反應(yīng)物質(zhì)Cl原子密度增大，推動反應(yīng)向正向進(jìn)行，刻蝕速率從Cl2比例為32.7%時的4.3 nm/s升高到Cl2比例為76.4%時的6.5 nm/s．當(dāng)Cl2比例增加時，物理刻蝕的比例減弱，化學(xué)刻蝕占主導(dǎo)，化學(xué)刻蝕對有機(jī)性質(zhì)的光刻膠腐蝕影響更大，GaN與光刻膠的選擇比逐漸減小，從Cl2比例為32.7%時的13.4降到Cl2比例為76.4%時的3.1．直流偏壓的變化幅度很小，這是因為直流偏壓與等離子體的密度和能量相關(guān)，而在保持氣體總量不變的條件下，僅僅改變氣體比例不會影響等離子體密度與所獲得的能量，所以直流偏壓的變化很小．

圖1 GaN刻蝕速率、刻蝕選擇比及直流偏壓隨Cl2比例的變化Fig.1 Etch rates of GaN, etch selectivity over photoresist and DC bias as a function of %Cl2 in Cl2/BCl3/N2 gas chemistry

3.2 腔體壓力對ICP刻蝕的影響

保持ICP Power=700 W，RF Power=100 W，Cl2/BCl3/N2Flow =40/5/10 sccm，刻蝕時間400 s不變，改變腔室壓力進(jìn)行實驗，研究腔室壓力對刻蝕速率和刻蝕選擇比的影響．實驗設(shè)定腔室壓力分別為4，5，8，11，14，17，20和30 mTorr．

圖2為刻蝕速率、GaN與光刻膠材料選擇比和直流偏壓DC-Bias隨氣壓的變化曲線．從圖2可見：隨著氣壓的增加，刻蝕速率在11 mTorr時達(dá)到最大值7.37 nm/s，然后逐漸下降，在腔體氣壓為30 mTorr時變?yōu)?.28 nm/s；GaN與光刻膠的選擇比從4 mTorr時的2.37降低為30 mTorr時的1.18，總體呈下降趨勢；DC-bias直流偏壓持續(xù)增大，從4 mTorr時的132.5 V增大到30mTorr時的350.5 V．

圖2 GaN刻蝕速率、刻蝕選擇比及直流偏壓隨腔室氣壓的變化Fig.2 Etch rates of GaN, etch selectivity over photoresist and DC bias as a function of operating pressure

在等離子體刻蝕過程中，當(dāng)氣壓升高時刻蝕速率首先增大隨后會減?。@是因為隨著壓強(qiáng)增大，腔體中注入的氣體分子數(shù)量增大，電離形成的等離子的體密度也隨之增大，更多的粒子參與到與材料反應(yīng)中，使刻蝕速率增加．但是隨著壓強(qiáng)繼續(xù)增大，等離子體的產(chǎn)生過程趨于飽和，參與刻蝕過程的粒子比例減少，同時粒子密度增大也會使碰撞復(fù)合過程增強(qiáng)，單個等離子體的能量減少，這兩個原因使得刻蝕速率降低．選擇比整體變化是呈下降趨勢，這是因為等離子體密度增大，對光刻膠的轟擊更劇烈，光刻膠的刻蝕速率迅速增加．當(dāng)ICP刻蝕的腔體壓力增大時，由于RF Power固定為100 W，單個等離子體獲得的能量減少，同時高密度的粒子發(fā)生散射也會使得直流偏壓不斷增大．

3.3 ICP功率對ICP刻蝕的影響

保持RF Power=100 W，Pressure=5 mTorr，Cl2/BCl3/N2Flow =40/5/10 sccm，刻蝕時間400 s不變，改變ICP功率進(jìn)行實驗，研究ICP功率對刻蝕速率和刻蝕選擇比的影響．實驗設(shè)定ICP功率分別為100，200，300，400，500，600和700 W進(jìn)行實驗．

圖3為刻蝕速率、GaN與光刻膠選擇比和直流偏壓DC-Bias隨ICP 功率的變化曲線．從圖3可見：隨著上電極功率的增加，刻蝕速率從100 W時的1.32 nm/s升高到600 W時的6.54 nm/s，隨后有所下降，在800 W時減少為6.03 nm/s；GaN與光刻膠的選擇比變化規(guī)律不是很明顯，開始呈上升趨勢，而在500 W之后的條件下有起伏； DC-bias直流偏壓是持續(xù)減小的，從100 W時的394 V減小到800 W時的125.5 V．

ICP功率對等離子體的密度有很大影響，氣體的電離程度會隨之增大而加強(qiáng)，從而使得參與化學(xué)刻蝕的粒子數(shù)目增多，刻蝕速率增大；而當(dāng)ICP功率增大到一定程度時，Cl2/BCl3電離飽和，等離子體的熱運動開始起主導(dǎo)作用，粒子之間的碰撞復(fù)合使得到達(dá)材料表面的有效反應(yīng)離子能量降低，方向性變差，刻蝕速率也隨之下降．

關(guān)于直流偏壓DC-bias的變化，文獻(xiàn)[13]報道指出，隨著ICP功率的增大，等離子體產(chǎn)生的方式會由E模式(電容耦合模式)轉(zhuǎn)變?yōu)镠模式(電感耦合模式)，相對應(yīng)的偏壓會先升高而后降低．在本實驗測量的數(shù)據(jù)中，直流偏壓一直呈下降狀態(tài)，認(rèn)為由于腔體工作氣壓恒定為一個較小的數(shù)值5 mTorr，電容耦合模式提早結(jié)束，離子束的密度是隨ICP功率提高而正向增大的，因此直流偏壓也在整體上表現(xiàn)為下降趨勢．

圖3 GaN刻蝕速率、刻蝕選擇比及直流偏壓隨ICP功率的變化Fig.3 Etch rates of GaN, etch selectivity over photoresist and DC bias as a function of ICP Power

3.4 RF功率對ICP刻蝕的影響

保持ICP Power=700 W，Pressure=5 mTorr，Cl2/BCl3/N2Flow =40/5/10 sccm，刻蝕時間400 s不變，改變RF功率進(jìn)行實驗，研究RF功率對刻蝕速率和刻蝕選擇比的影響．實驗設(shè)定RF功率分別為20，50 ，80，100，110，140和170 W．

圖4為刻蝕速率、GaN與光刻膠選擇比和直流偏壓DC-Bias隨RF Power的變化曲線．從圖4可見：隨著RF功率的增加，刻蝕速率從20 W時的0.74 nm/s升高到200 W時的10.14 nm/s；GaN與光刻膠的選擇比變化規(guī)律是開始呈上升趨勢，由20 W時的0.70上升到110 W時的6.32，隨后逐漸下降，在200 W時降為2.31； DC-bias直流偏壓是持續(xù)增大的，從20 W時的23 V升高到200 W時的262 V．

圖4 GaN刻蝕速率，刻蝕選擇比和直流偏壓隨RF功率的變化Fig.4 Etch rates of GaN, etch selectivity over photoresist and DC bias as a function of RF Power

等離子體獲得的能量與RF功率密切相關(guān)，離子在電場的加速下，獲得的速率越快，同時方向性也越好，對材料表面的轟擊也得到增強(qiáng)．離子轟擊不僅會打斷共價鍵，腐蝕GaN材料，同時也帶走了材料表面的刻蝕生成物和聚合物等．RF功率對物理刻蝕的影響很大，因而也會增加對材料的損傷，高能量的等離子體撞擊材料進(jìn)而破壞晶格排列，會使器件的反向漏電特性劣化，刻蝕后進(jìn)行高溫退火能夠部分修復(fù)離子轟擊引入的損傷[14]，因此選擇合適的RF功率至關(guān)重要．直流偏壓逐漸增大是離子獲得更多能量的一個表征，它隨RF功率增大而同向增大．

光刻膠與GaN材料的選擇比在本實驗中的數(shù)值并不準(zhǔn)確，因為經(jīng)過400 s長時間刻蝕后，大部分掩膜已經(jīng)被破壞，僅提供參考意義．

通過對ICP刻蝕工作參數(shù)的研究，選取了合適的刻蝕速率、較高的選擇比及較低的直流偏壓，即ICP Power=700 W，RF Power=80 W，Pressure=11 mTorr，Cl2/BCl3/N2Flow =40/5/10 sccm．使用光刻膠作為掩?？涛g了1.837 μm深度的GaN材料，使用FEI Quanta 650掃描電鏡觀測了樣品截面形貌(圖5)．從圖5可見：樣品表面的光刻膠平整光滑，表明其對掩膜下方的GaN材料仍具有良好的保護(hù)性能；刻蝕臺階整齊連續(xù)，刻蝕傾角控制在75°以內(nèi)，這對后續(xù)LED器件的電學(xué)性能及出光效率都有改善作用．

圖5 刻蝕后的GaN樣品的SEM截面圖Fig.5 SEM cross-sectional micrograph of etched GaN sample

4 結(jié) 論

本文采用Cl2,BCl3,N2作為反應(yīng)氣體，利用電感耦合等離子體刻蝕(ICP)技術(shù)對GaN刻蝕工藝中的刻蝕速率、GaN與光刻膠選擇比以及直流偏壓做了研究．結(jié)果表明：GaN材料的刻蝕速率主要受ICP功率與RF功率的影響，其中隨著ICP功率增大刻蝕速率會逐漸飽和；氯氣比例的增加對GaN與光刻膠的選擇比影響最大；直流偏壓會隨著ICP功率提高而降低，隨著腔室氣壓或RF功率增大而升高．研究結(jié)果對調(diào)節(jié)GaN材料刻蝕速率和刻蝕、提高GaN器件性能，以及縮小器件尺寸有重要意義．

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REN Yuan，LIU Xiaoyan，LIU Jiucheng，LIU Ningyang，CHEN Zhitao

GuangdongResearchInstituteofsemiconductorIndustrialTechnology，Guangzhou510650，China

InordertofurtherregulatethekeyfeaturesizeofGaNmaterialetching,reducetheGaNmaterialetchingdamage,inductivelycoupledplasma(ICP)etchingofGaNissystemicallyinvestigatedbychangingCl2/BCl3/N2gasmixingratio,operatingpressureICPpowerandRFpower.Theetchingrate,etchselectivityofGaNoverPhotoresistandDC-biasisstudiedsystematicallyandthemechanismofchangesisanalyzed.Theoptimizedetchingprocess,usedformesaformationduringtheLEDfabrication,ispresented.Adepthof1.837micronsofGaNwasetchedusingphotoresistasthemask.Thesurfaceofthephotoresistissmooth.Etchingstepissharpwithananglelessthan75 °.

ICPetching；GaN；etchingrate；selectivity；DC-Bias

1673-9981(2016)03-0214-06

2016-08-12

廣東省創(chuàng)新團(tuán)隊(2013C067)；廣東省科技計劃項目(2016B070701023)；廣東省重大科技專項(2014B010119003，2015B010112002)；廣東省應(yīng)用型科技研發(fā)專項(2015B010129010，2015B010134001，2015B010132004)；廣東省科研基礎(chǔ)條件建設(shè)專題(2016GDASPT-0313，2016GDASPT-0219)

任遠(yuǎn)(1989-)，男，河北衡水人，工程師，碩士．

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