基于金剛石鈍化散熱的柵區(qū)微納尺度刻蝕研究

李義壯 ，郭懷新 ，郁鑫鑫 ，孔月嬋，陳堂勝

(1.微波毫米波單片集成和模塊電路重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210016;2.南京電子器件研究所，江蘇 南京 210016)

GaN 半導(dǎo)體由于禁帶寬度大，常被用在耐高壓耐高溫的工作場合，是一種性能優(yōu)異的第三代半導(dǎo)體材料。同時(shí)，GaN HEMT 器件具有高二維電子氣濃度、高擊穿場強(qiáng)、高電子飽和速度，其輸出功率密度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的Si 器件與GaAs 器件，可以適應(yīng)新一代電子產(chǎn)品對更高頻率、更大功率性能指標(biāo)的要求。但隨著器件小型集成化的發(fā)展，現(xiàn)階段在GaN 基功率器件的研制和應(yīng)用進(jìn)程中，高功率狀態(tài)下的可靠性面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，導(dǎo)致其大功率性能優(yōu)勢遠(yuǎn)未充分發(fā)揮。其主要原因之一是GaN 微波功率芯片在高功率狀態(tài)下會產(chǎn)生大量的熱，這些熱量無法快捷有效地散發(fā)出去，即自熱效應(yīng)(Self-Heating)[1]。目前，高熱導(dǎo)率的材料和GaN 器件集成的被動散熱技術(shù)是芯片級熱管理研究的熱點(diǎn)和主流理念。主要的集成類型有三種[1]:一、以金剛石材料作襯底集成;二、GaN 器件有源區(qū)下端嵌入式集成高熱導(dǎo)率材料;三、高導(dǎo)熱鈍化層集成。第一種以金剛石作襯底的實(shí)現(xiàn)方法主要是利用鍵合的方式或外延生長的方法將金剛石轉(zhuǎn)移到GaN 下方作襯底散熱，不管是外延生長還是鍵合，目前的成品率都很低，且工藝復(fù)雜;第二種集成類型的實(shí)現(xiàn)和現(xiàn)有的GaN 芯片制備技術(shù)并不兼容，且受芯片尺寸和設(shè)計(jì)的影響[2];第三種集成類型的實(shí)現(xiàn)和現(xiàn)有的GaN 芯片制備技術(shù)兼容，僅在現(xiàn)有的技術(shù)上增加高導(dǎo)熱薄膜鈍化工藝即可。

金剛石具有高熱導(dǎo)率，是作為GaN 器件鈍化散熱的理想材料。將高熱導(dǎo)率金剛石材料集成到GaN 器件源漏之間有源區(qū)是目前的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，由于源漏之間有源區(qū)只有幾微米，以目前的金剛石生長技術(shù)，無法在源漏之間有源區(qū)直接選擇性生長金剛石。只有通過全范圍生長金剛石，然后將電極上方區(qū)域金剛石刻蝕掉，才可能實(shí)現(xiàn)柵源、柵漏之間的有源區(qū)金剛石鈍化集成。柵金屬的制備需要對金剛石進(jìn)行刻蝕，金剛石高精度微納尺度刻蝕質(zhì)量不僅影響后續(xù)柵金屬的制備，同時(shí)刻蝕過程中的損傷應(yīng)力會影響器件的本征輸出特性。由于金剛石材料物理特性非常穩(wěn)定，濕法刻蝕難以進(jìn)行，幾乎只能進(jìn)行干法刻蝕[3-6]。目前已有的關(guān)于金剛石刻蝕的研究大多都是關(guān)注刻蝕的速率，且刻蝕尺度都是在微米以上[7-13]。對于微納尺度的刻蝕和刻蝕后的形貌，尤其是刻蝕后表面潔凈度的相關(guān)研究較少，刻蝕表面的潔凈度對于后續(xù)柵金屬的制作至關(guān)重要，直接影響有源區(qū)的載流子濃度與柵電極對器件的調(diào)控作用。

本文旨在系統(tǒng)性研究金剛石薄膜用于GaN 器件鈍化散熱時(shí)的柵區(qū)微納尺度刻蝕工藝，通過改變ICP 源功率、氣體流量、氣體組分等工藝參數(shù)，觀察不同條件下的刻蝕速率與刻蝕形貌，實(shí)現(xiàn)微納尺度下刻蝕面平整潔凈、刻蝕側(cè)壁垂直的高精度控制。

1 實(shí)驗(yàn)過程

1.1 ICP 刻蝕原理

ICP 刻蝕設(shè)備用兩套獨(dú)立的射頻電源控制等離子體密度和離子轟擊能量，為優(yōu)化刻蝕工藝參數(shù)創(chuàng)造了條件。一套射頻源通過感應(yīng)耦合的模式可以獲得高密度的活性離子，為得到高刻蝕速率奠定了基礎(chǔ)，另外一套射頻源對基片產(chǎn)生向下的轟擊作用。兩套可以獨(dú)立自動控制，等離子密度和轟擊能量方向可以單獨(dú)控制，可以在低氣壓狀態(tài)下維持穩(wěn)定的輝光放電，這可以控制刻蝕過程中的化學(xué)刻蝕與物理刻蝕兩者的比重[14]。本實(shí)驗(yàn)所使用的刻蝕設(shè)備為ULVAC 公司NE-550 EX 型號的ICP 刻蝕機(jī)，ICP 設(shè)備結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 ICP 刻蝕機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure diagram of ICP etcher

金剛石為碳基材料，可以選用O2作為刻蝕氣體[3-13]，O2分子在電感耦合作用下，電離形成電子與帶電氧離子，帶電的氧離子與電子形成等離子體，氧活性基團(tuán)在下極板偏壓的作用下轟向基板，金剛石中的C—C 共價(jià)鍵在高能等離子體的轟擊下發(fā)生斷裂，并與吸附在上面的氧活性基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)生成CO2，CO2在氣流的作用下?lián)]發(fā)并被帶出腔體，從而使金剛石被刻蝕。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)過程中刻蝕的材料為納米級金剛石，為了降低金剛石生長過程中氫等離子體對GaN 器件的刻蝕破壞，納米金剛石是在生長溫度低于750 ℃的條件下外延生長得到的。金剛石薄膜表面形貌如圖2。

圖2 金剛石薄膜生長后表面形貌Fig.2 Surface morphology of diamond films after growth

常用的金剛石刻蝕掩膜為鋁[13]，但為了GaN 器件工藝的兼容性，本研究用氮化硅作刻蝕掩膜，氮化硅同樣具有高選擇刻蝕比[15]。圖3 為實(shí)驗(yàn)過程工藝流程圖。具體實(shí)驗(yàn)過程如下:(a)金剛石薄膜生長，厚度在500～800 nm，所刻蝕的金剛石是利用化學(xué)氣相沉積方法在SiC 襯底的AlGaN/GaN 器件材料上外延生長得到;(b)Si3N4掩膜生長，在250 ℃下，利用化學(xué)氣相沉積方法生長200 nm 的Si3N4掩膜;(c)涂膠，旋涂光刻膠，準(zhǔn)備對氮化硅刻蝕;(d)光刻顯影，利用電子束光刻技術(shù)在樣品上光刻出柵長400 nm 的柵條并顯影，將需要刻蝕的圖形轉(zhuǎn)移到掩膜上;(e)對Si3N4進(jìn)行刻蝕;(f)去膠;(g)以Si3N4為掩膜對金剛石進(jìn)行刻蝕。

圖3 實(shí)驗(yàn)過程工藝流程圖Fig.3 Experimental process flow chart

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 ICP 源功率對刻蝕的影響

實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置RF 偏壓功率保持不變，O2氣體流量為80 mL/min，腔體壓強(qiáng)為1 Pa，改變ICP 源功率大小來研究源功率對刻蝕速率和選擇比的影響。實(shí)驗(yàn)中設(shè)定ICP 源功率分別為150，300，450，600，750和900 W。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示，隨著ICP 源功率的增加，金剛石的刻蝕速率不斷增大，刻蝕速率分別對應(yīng)71.7，147.6，206.9，247.8，278.4 和299.8 nm/min;同時(shí)，在純氧環(huán)境下，Si3N4的刻蝕速率很小，并且隨ICP 源功率的增大變化不大，ICP 源功率為150，300，450，600，750 和900 W 分別對應(yīng)的刻蝕速 率 為 2.71，2.83，2.89，2.93，3.07 和 3.14nm/min。

圖4 刻蝕速率隨ICP 源功率變化曲線Fig.4 Variation curve of etching rate with ICP power

ICP 源功率對腔體中氧氣分子離化形成等離子體的密度有很大的影響，隨著源功率的增大，線圈產(chǎn)生的電磁場強(qiáng)度變大，導(dǎo)致氧氣分子離化程度加劇，離化率增加，使腔體中活化性基團(tuán)及高能離子密度增大，這些氧基活性基團(tuán)及高能離子在電場的作用下轟擊到樣品表面。對于金剛石來說，金剛石中的C—C 共價(jià)鍵在高能離子的轟擊下斷開，并與氧基活性基團(tuán)反應(yīng)，生成可以揮發(fā)的二氧化碳，故ICP 源功率越高，金剛石刻蝕速率越快;對于掩膜氮化硅來說，高能離子轟擊到氮化硅上使Si—N 共價(jià)鍵斷開，但氧基活性基團(tuán)不能與氮化硅生成可揮發(fā)的副產(chǎn)物，對氮化硅的化學(xué)刻蝕不能穩(wěn)定進(jìn)行下去，對氮化硅掩膜只有微弱的物理濺射刻蝕。金剛石/氮化硅刻蝕選擇比在上述不同ICP 源功率下分別為26.5，52.2，71.6，84.6，90.7，95.5?？梢钥闯?，刻蝕選擇比隨ICP 功率增加而顯著增加，其原因是金剛石的刻蝕作用顯著增強(qiáng)而掩膜Si3N4刻蝕速率幾乎不變。ICP 源功率大于300 W 時(shí)，刻蝕選擇比大于50?？梢钥闯?，氮化硅作金剛石刻蝕掩膜擁有非常高的刻蝕選擇比。

此外，在100 W ICP 源功率條件下，刻蝕表面會產(chǎn)生尖錐狀毛刺，并且隨著刻蝕時(shí)間的增加，尖錐狀毛刺會越來越大，越來越長。如圖5 所示，圖5(a)為ICP 功率150 W，刻蝕120 s 時(shí)的刻蝕表面，此時(shí)刻蝕面并未產(chǎn)生毛刺;繼續(xù)刻蝕120 s，此時(shí)有比較小的毛刺，數(shù)量也比較少，如圖5(b)所示;再加刻120 s 后，毛刺大量出現(xiàn)，此時(shí)毛刺依然比較小(圖中白色尖狀物)，如圖5(c)所示;刻蝕總時(shí)間達(dá)到480 s 時(shí)，毛刺大量出現(xiàn)，且毛刺變大，如圖5(d)所示。其原因是，在低ICP 功率下，活性基團(tuán)濃度偏低，化學(xué)刻蝕作用相對降低，使得刻蝕過程中的物理濺射作用占比增強(qiáng)，高能離子濺射到刻蝕表面后，由于活性基團(tuán)濃度偏低，導(dǎo)致轟擊后周圍存在未被氧基活性基團(tuán)刻蝕完的毛刺留下，隨著刻蝕的繼續(xù)進(jìn)行，有些毛刺會越來越大，影響刻蝕表面形貌。因此，在刻蝕過程中，ICP 源功率不能過低，需要大于300 W。

圖5 ICP 源功率為150 W 不同刻蝕時(shí)間時(shí)的刻蝕表面。(a)刻蝕120 s 后;(b)刻蝕240 s 后;(c)刻蝕360 s 后;(d)刻蝕480 s 后Fig.5 The etched surface at different etching time when the ICP power is 150 W.(a) 120 s after etching;(b) 240 s after etching;(c) 360 s after etching;(d) 480 s after etching

2.2 氧氣流量對刻蝕的影響

實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置ICP 源功率及RF 偏壓功率保持不變，ICP 源功率為400 W，RF 偏壓功率為50 W，腔體壓強(qiáng)為1 Pa，改變O2流量來研究O2對刻蝕速率和刻蝕選擇比的影響。實(shí)驗(yàn)中設(shè)定O2流量為0，15，30，45，60，75 和90 mL/min。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示，隨著O2流量的增大，金剛石的刻蝕速率不斷增大，刻蝕速率分別為0，60.9，113.6，149.7，173.4，188.2 和196.2 nm/min。由該刻蝕速率曲線可以看出，在低流量情況下(＜30 mL/min)，隨O2流量的增加，刻蝕速率增長較快，當(dāng)流量高過一定值(＞60 mL/min)時(shí)，刻蝕速率隨O2流量增長緩慢。其原因可作如下解釋:在低流量情況下，刻蝕速率受活性反應(yīng)粒子供應(yīng)不足的限制，增大氣體流量，可以提供更多的反應(yīng)氣體的活性粒子，同時(shí)更快地將反應(yīng)產(chǎn)物帶走，從而使刻蝕加速;當(dāng)流量達(dá)到一定值后，活性離子供應(yīng)充足，而由于腔內(nèi)壓強(qiáng)不變，腔內(nèi)活性粒子接近飽和，當(dāng)再增加氧氣流量，刻蝕速率增長緩慢。

圖6 金剛石刻蝕速率隨氧氣流量變化曲線Fig.6 Variation curve of etching rate with oxygen flow

2.3 氣體組分對刻蝕的影響

2.3.1 O2中加入不同濃度Ar

設(shè)置ICP 源功率、RF 偏壓功率、腔體壓強(qiáng)及氣體總流量不變，改變O2與Ar 的流量比，研究O2與Ar共同作用下，不同的氣體比例對刻蝕質(zhì)量與刻蝕速率的影響。實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置ICP 源功率400 W，RF 偏壓功率50 W，腔體壓強(qiáng)1 Pa，氣體總流量80 mL/min，設(shè)定O2/Ar 流量比分別為8 ∶1，4 ∶1，2 ∶1 的三組實(shí)驗(yàn)?？涛g速率如圖7 所示，純氧情況下，金剛石刻蝕速率為191.8 nm/min，而在加入少量Ar 后，刻蝕速率迅速跌落，O2/Ar 流量比為8 ∶1，4 ∶1，2 ∶1，1 ∶1時(shí)的刻蝕速率分別為111.5，100.7，96.2 和80.6 nm/min。

圖7 金剛石刻蝕速率隨氬氣流量變化曲線Fig.7 Variation curve of etching rate with argon flow

可以看出，加入少量Ar 有抑制刻蝕速率的作用，其原因可能是Ar 的加入使得氧基活性基團(tuán)濃度減少。但是少量Ar 的加入不會對刻蝕表面的形貌有所影響，少量Ar 會對刻蝕速率起到調(diào)節(jié)作用，防止過量刻蝕，從而影響GaN 器件柵區(qū)載流子濃度，而Ar 占比過大時(shí)會產(chǎn)生毛刺。如圖8 所示，圖8(a)為純氧條件下刻蝕5 min 后的柵區(qū)形貌，可以看出金剛石刻蝕完全，且柵區(qū)非常干凈，同時(shí)刻蝕側(cè)壁垂直陡峭;圖8(b)為O2/Ar 流量比8 ∶1 時(shí)刻蝕5 min 后的柵區(qū)，同樣干凈整潔;圖8(c)為O2/Ar 流量比4 ∶1 時(shí)刻蝕5 min 后的柵區(qū)形貌，金剛石還沒完全刻掉(金剛石沒刻完全只是因?yàn)樵摌悠废鄬τ谄渌麡悠方饎偸∧じ?，并不能說明刻蝕速率慢)，此時(shí)出現(xiàn)少量較小毛刺(圖中柵區(qū)尖狀泛白的物質(zhì));圖8(d)為O2/Ar 流量比2 ∶1 時(shí)刻蝕5 min 后的柵區(qū)形貌，此時(shí)金剛石已刻完，可以看出存在較多毛刺，但毛刺大小相對較小。

圖8 (a) 純氧條件下刻蝕刻蝕結(jié)果;(b) O2/Ar 流量比8 ∶1 刻蝕結(jié)果;(c) O2/Ar 流量比4 ∶1 刻蝕結(jié)果;(d) O2/Ar 流量比2 ∶1 刻蝕結(jié)果Fig.8 (a) Etching result in pure oxygen;(b) Etching result when O2/Ar flow ratio is 8 ∶1;(c) Etching result when O2/Ar flow ratio is 4 ∶1;(d) Etching result when O2/Ar flow ratio is 2 ∶1

2.3.2 O2、Ar 與CF4混合氣體

在ICP 源功率、RF 偏壓功率、腔體壓強(qiáng)、O2與Ar 的流量不變的情況下，改變CF4的氣體流量，研究O2與Ar 混合氣體中加入CF4對金剛石刻蝕的影響。實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置ICP 源功率400 W，RF 偏壓功率50 W，腔體壓強(qiáng)1 Pa，O2流量71.1 mL/min，Ar 流量8.9 mL/min，設(shè)定CF4流量為0，4，8 和12 mL/min 四組不同的實(shí)驗(yàn)，它們對應(yīng)的金剛石刻蝕速率分別為111.5，147.6，157.9 和161.3 nm/min。CF4的加入稍微增加了刻蝕速率，但對掩膜Si3N4的刻蝕速率提升很大，上述四種條件下Si3N4的刻蝕速率為3.8，15.7，39.6 和66.5 nm/min，金剛石/氮化硅選擇刻蝕比分別為29.3，9.4，4.0 和2.4。由此可見，CF4的加入極大地降低了金剛石/氮化硅選擇刻蝕比，因?yàn)镃F4產(chǎn)生氟基活性基團(tuán)，與氮化硅反應(yīng)生成可揮發(fā)的SiF4，使Si3N4的化學(xué)刻蝕作用加劇[15]。圖9(a)為加入CF4流量為4 mL/min 時(shí)刻蝕5 min 后的表面形貌，此時(shí)掩膜刻蝕嚴(yán)重，但依然存在(刻蝕前掩膜厚度200 nm);圖9(b)為加入CF4流量為12 mL/min 時(shí)刻蝕5 min 后的表面形貌，此時(shí)掩膜完全被刻蝕干凈。

圖9 (a)加入CF4 流量為4 mL/min 時(shí)刻蝕表面;(b) 加入CF4 流量為12 mL/min 時(shí)刻蝕表面Fig.9 (a)Etched surface when the flow rate of CF4 is 4 mL/min;(b) Etched surface when the flow rate of CF4 is 12 mL/min

另一方面，加入CF4有助于消去刻蝕過程中形成的尖錐狀毛刺，如圖10(a)，低ICP 源功率純氧條件下，刻蝕過程出現(xiàn)了大量尖錐狀毛刺。加入少量Ar后，未見明顯改善，如圖10(b)。加入CF4后，毛刺大量減小或消失，如圖10(c)。所以當(dāng)刻蝕表面出現(xiàn)毛刺時(shí)，在掩膜厚度可以接受的情況下，可以加入少量CF4來消去毛刺。

圖10 (a)純氧低功率下刻蝕300 s 后柵區(qū)形貌;(b)加入少量Ar 后繼續(xù)刻蝕60 s;(c)再加入CF4 后繼續(xù)刻蝕60 sFig.10 (a) Morphology of gate region after 300 s etching with pure oxygen at low power;(b) Continue etching for 60 s after adding a small amount of Ar;(c) Continue etching for 60 s after adding CF4

3 結(jié)論

本文針對金剛石薄膜柵區(qū)微納尺度刻蝕關(guān)鍵工藝進(jìn)行研究，分析了不同工藝參數(shù)對多晶金剛石薄膜刻蝕速率及刻蝕表面質(zhì)量的影響。結(jié)果表明，刻蝕速率隨ICP 功率與氧氣流量的增加而增加，最終會趨于飽和。低ICP 功率或低氧氣流量情況下，由于刻蝕速率過低，刻蝕表面會出現(xiàn)尖錐狀毛刺。將ICP 功率加到300 W 以上，且氧氣流量在30 mL/min 以上，可以使刻蝕表面變得平整光滑。O2中加入少量Ar 會對刻蝕速率起調(diào)節(jié)作用，防止刻蝕速率過快出現(xiàn)過刻現(xiàn)象，過量Ar 會產(chǎn)生少量毛刺。CF4的加入可以消除刻蝕過程中形成的毛刺，但同時(shí)會使金剛石/氮化硅刻蝕選擇比急劇降低，在掩膜厚度可以接受的情況下，可以加入少量CF4消去刻蝕過程中產(chǎn)生的毛刺。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)ICP 源功率大于300 W，O2流量大于60 mL/min 時(shí)，可以得到表面平整干凈、側(cè)壁垂直光滑且速率合適的微納尺度柵區(qū)刻蝕槽。