氮化鎵干法刻蝕研究進(jìn)展

摘要：對比了ＲＩＥ，ＥＣＲ，ＩＣＰ等幾種ＧａＮ７干法刻蝕方法的特點?；仡櫫耍牵幔危狈涛g領(lǐng)域的研究進(jìn)

展。以ＩＣＰ刻蝕ＧａＮ和ＡＩＧａＮ材料為例，通過工藝參數(shù)的優(yōu)化，得到了高刻蝕速率和理想的選擇比及形

貌。在優(yōu)化后的刻蝕工藝條件下ＧａＮ材料刻蝕速率達(dá)到３４０ｎｍ／ｍｉｎ，側(cè)墻傾斜度大于８Ｏ。且刻蝕表均方

根粗糙度小于３ｎｍ。對引起干法刻蝕損傷的因索進(jìn)行了討論，并介紹了幾種減小刻蝕損傷的方法。

關(guān)鍵詞：氮化鎵；下法刻蝕；等離子體；刻蝕損傷

１引言

氮化鎵（ＧａＮ）材料具有良好的電學(xué)特性?，如寬的禁帶寬度（３．４ｅＶ）、高擊穿電場（３×１０６Ｖ／Ｃｍ）、較高的熱導(dǎo)率（１．５ｗ／Ｃｍ?Ｋ）、耐腐蝕、抗輻射等，是制作高頻、高溫、高壓、大功率電子器件和短波長光電子器件的理想材料。刻蝕是ＧａＮ電子器件制造工藝中非常重要的一步，但是ＧａＮ材料是極穩(wěn)定的化合物，其鍵能達(dá)到８．９２ｅＶ，在室溫下ＧａＮ不溶于水、酸和堿，在熱的堿溶液中以非常緩慢的速度溶解，所以用濕法刻蝕很難獲得滿意的刻蝕速率，可控性較差『２１。與傳統(tǒng)的濕法刻蝕比較，干法刻蝕技術(shù)具有各向異性、對不同材料選擇比差別較大、均勻性與重復(fù)性好、易于實現(xiàn)自動連續(xù)生產(chǎn)等優(yōu)點，所以反應(yīng)離子刻蝕（ＲＩＥ）、電子回旋共振等離子體（ＥＣＲ）、感應(yīng)耦合等離子體（ＩＣＰ）等多種干法刻蝕方法被應(yīng)用于ＧａＮ材料的刻蝕中。ＩＣＰ以其廉價的等離子體和高的刻蝕速率等特點受到了更多的關(guān)注，ＩＣＰ工藝參數(shù)對ＧａＮ￣Ｕ蝕速率的影響及其刻蝕后材料的形貌成為研究重點。隨著ＧａＮ材料干法刻蝕工藝在器件工藝中的廣泛應(yīng)用，刻蝕損傷對器件特性的影響逐漸受到重視，減小刻蝕損傷同時保證刻蝕速率和良好形貌，成為ＧａＮ電子器件刻蝕工藝的優(yōu)化目標(biāo)。

２幾種常見ＧａＮ干法刻蝕方法

ＲＩＥ。Ａｄｅｓｉｄａ等人首先報道了用ＲＩＥ刻蝕ＧａＮ材料，獲得了大于５０ｎｍ／ｍｉｎ的速率【３ｌ。ＲＩＥ是通過射頻二極管放電產(chǎn)生的高頻等離子體對位于射頻電極之上的基片進(jìn)行刻蝕。磁增強(qiáng)反應(yīng)離子刻蝕（ＭＥＲＩＥ）方法則能夠在不影響刻蝕速率的前提下減小離子能量，從而減小離子損傷，同時提高等離子體濃度。Ｍｏｕｆｆａｋ等人［４］報道了采用光輔助的ＲＩＥ刻蝕技術(shù)（ＰＡ．ＲＩＥ），該刻蝕技術(shù)的刻蝕損傷比ＲＩＥ明顯減小。ＥＣＲ。Ｐｅａｒｔｏｎ等人首先報道了用ＥＣＲ￣Ｉ蝕ＧａＮ材料，在ｌ５ＯＶ偏置電壓下用Ｃｌ，／Ｈ，混合氣體獲得了７０ｎｍ／ｍｉｎ的速率＿５Ｊ。ＥＣＲ等離子體刻蝕在刻蝕速率、選擇性、方向性、損傷等方面具有較高的綜合指標(biāo)。

ＩＣＰ。Ｓｈｕｌ等人首先報道了采用感應(yīng)耦合等離子體（ＩＣＰ）用Ｃ１／Ｈ／Ａｒ氣體刻蝕ＧａＮ材料獲得了６８７ｎｍ／ｍｉｎ的速率。ＩＣＰ系統(tǒng)具有兩個獨(dú)立的ｌ３．５６ＭＨｚ射頻功率源，其中一個在反應(yīng)室項部產(chǎn)生等離子體，另一個連接到反應(yīng)室外的電感線圈上，提供了一個偏置電壓給等離子體提供一定的能量，達(dá)到垂直作用于基片的目的。三種刻蝕方法的對比見表ｌ。

ＩＢＥ，ＬＥ。利用具有一定能量的離子束轟擊基片表喵進(jìn)行刻蝕稱為離子束刻蝕（ＩＢＥ）。ＩＢＥ刻蝕的方向性好，各向異性強(qiáng)，缺點是因純物理過程導(dǎo)致的刻蝕選擇性差及較低的刻蝕速率。反應(yīng)離子束刻蝕（ＲＩＢＥ）技術(shù)以不同的反應(yīng)氣體代替了惰性氣體，從而提高了刻蝕速度和選擇性。

低能量電子增強(qiáng)刻蝕（ＬＥ４）是利用較低能量（＜１５ｅＶ）電子與刻蝕材料表面發(fā)生作用，造成的刻蝕損傷較小。

３等離子體刻蝕

等離子體刻蝕包括兩個部分：離子物理轟擊濺蝕和化學(xué)反應(yīng)腐蝕。離子轟擊是指等離子體中被加速的高能離子對材料表面進(jìn)行轟擊從而濺蝕材料，它是與襯底偏壓有關(guān)的物理過程，有利于刻蝕的各向異性，但是無彈性的離子轟擊會對表面造成損傷，同時降低刻蝕選擇比。等離子體與材料表面會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成可揮發(fā)的刻蝕產(chǎn)物從而達(dá)到刻蝕目的，但在較低的離子能量下，化學(xué)反應(yīng)不僅向下而且向兩側(cè)腐蝕，是各向同性的刻蝕，這對器件加工很不利。理想的刻蝕過程是兩種刻蝕機(jī)制很好的結(jié)合，這樣才能達(dá)到刻蝕速率和形貌的優(yōu)化。

等離子體刻蝕ＧａＮ材料氣體源通常用Ｃｌ，，ＢＣ１３，ＳｉＣ１４，Ｉ２，Ｂｒ２，ＣＨ４，ＳＦ６等作為氣體源，與Ａｒ，Ｈ，，Ｎ，等氣體混合作為刻蝕氣體。各種刻蝕氣體的成分和組分的組合能獲得不同的刻蝕速率和不同的刻蝕形貌?？涛g速率和刻蝕形貌與刻蝕產(chǎn)物的揮發(fā)性密切相關(guān)，表２是常見的ＧａＮ刻蝕反應(yīng)物熔點表。刻蝕過程是一個很復(fù)雜的過程，淀積、聚合物的形成以及氣象動力學(xué)都能影響刻蝕速率＿ｌ。選擇合適的刻蝕反應(yīng)氣體以及配比對刻蝕效果很重要。

等離子體刻蝕在ＧａＮ電子器件工藝中廣泛應(yīng)用，比如ＨＥＭＴ和ＬＥＤ的有源區(qū)臺面非選擇性刻蝕、ＨＢＴ基區(qū)和ＨＥＭＴ槽柵的選擇性刻蝕以及對刻蝕側(cè)墻要求很高的激光器臺面刻蝕等。這些刻蝕工藝中許多都對刻蝕重復(fù)性有很高要求，而ＧａＮ和Ａ１ＧａＮ材料表面氧化層的存在，嚴(yán)重影響了刻蝕重復(fù)性和精確度，這是器件刻蝕工藝中急待解決的問題。Ｂｕｔｔａｒｉ等人?］提出了先采用優(yōu)化條件＿Ｆ的ＢＣ１，去除氧化層，而后進(jìn)行正常條件刻蝕，該方法能明顯提高刻蝕重復(fù)性。

４刻蝕速率和形貌

刻蝕材料用ＭＯｃＶＤ方法在（０００１）ｐ￣單面拋光藍(lán)宅石襯底上生長的ＧａＮ和Ａ１叭７Ｇａ３Ｎ材料，實驗選用Ａ１ＧａＮ材料，Ａｌ組分２７％。

在Ａｌ組分較高時，ＧａＮ／Ａ１ＧａＮ選擇比略微增大，ＡＩＧａＮ刻蝕速率則略微減小。圖１是ＧａＮ和ＡＩＧａＮ刻蝕速率、選擇比隨ＩＣＰ功率變化曲線；圖２是ＧａＮ和ＡＩＧａＮ刻蝕速率、選擇比隨自偏壓變化曲線。圖１，２中刻蝕條件Ｃｌ為２０ｓｃｃｍ，Ａｒ為１０ｓｃｃｍ，壓力為１．５Ｐａ。圖１中自偏壓為ｌ８０Ｖ，圖２中ＩＣＰ功率為６００Ｗ。圖３是ＧａＮ和Ａ１ＧａＮ刻蝕速率、選擇比隨反應(yīng)室壓力變化曲線，刻蝕條件為Ｃ１，２０ｓｃｃｍ，Ａｒ１０ｓｃｃｍ，自偏壓為１８０Ｖ，ＩＣＰ功率為６００Ｗ。圖４為在刻蝕氣體中加入Ｏ后，刻蝕速率和選擇比隨氧流量的變化曲線，刻蝕條件為Ｃ１，２０ｓｃｃｍ，Ａｒ１０ｓｃｃｍ，Ｏ０～１６ｓｃｃｍ，壓力１．５Ｐａ，自偏壓為１８０Ｖ，ＩＣＰ功率為６００Ｗ。

采用掃描電子顯微鏡（ＳＥＭ）研究了刻蝕工藝參數(shù)對刻蝕臺面形貌的影響。參數(shù)優(yōu)化后確定的刻蝕條件為：反應(yīng)室壓力１．ＳＰａ，自偏壓１８０Ｖ，ＩＣＰ功率６００Ｗ，Ｃ１，２０ｓｃｃｍ，Ａｒｌ０ｓｃｃｍ，刻蝕速率達(dá)到３４０ｎｍ／ｍｉｎ，側(cè)墻傾斜度大于８０。。采用原子力顯微鏡（ＡＦＭ）測試了刻蝕區(qū)域粗糙度，均方根粗糙度（ＲＭＳ）小于３ｒｉｍ。圖５為采用優(yōu)化的

刻蝕條件刻蝕出的臺面?zhèn)葔π蚊?；圖６為采用優(yōu)化刻蝕條件刻蝕出的臺面整體形貌。

５干法刻蝕損傷

等離子體引起的刻蝕損傷對化合物半導(dǎo)體器件的電特性和光特性有顯著的影響。由于ＧａＮ材料穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，相比其他材料在刻蝕ＧａＮ中所使用的刻蝕條件要求有更高的功率、偏壓和等離了體密度，這樣刻蝕損傷也就更容易發(fā)生。刻蝕損傷一般由三個方面組成；０－３等離子體中的元素進(jìn)入到被刻蝕的材料中，造成非有意摻雜；②離子轟擊造成被刻蝕材料化學(xué)鍵的斷裂，同時形成了粗糙的表面、懸掛鍵、缺陷等；③反應(yīng)產(chǎn)物或掩膜刻蝕產(chǎn)物沾污材料表面和側(cè)面。

采用ＡＦＭ研究了自偏壓和反應(yīng)室壓力對被刻蝕材料粗糙度的影響。從圖７和圖８可以看出反應(yīng)室壓力和自偏壓對刻蝕粗糙度的影響。Ｈａｎｕ２１等人通過在Ｃ１／Ａｒ中加入ＢＣ１，對ＧａＮ／Ａ１ＧａＮ進(jìn)行非選擇性刻蝕，刻蝕粗糙度比未刻蝕的材料更小，儀為０．４９５ｎｍ。對ｎ＋ＧａＮ材料增大等離子體密度，離子能量刻蝕后用ＰＬ譜測量發(fā)現(xiàn)ＰＬ譜強(qiáng)度顯著下降。用Ａｒ，Ｈ的等離子體轟擊Ｐ型ＧａＮ材料后，材料中產(chǎn)生了淺施主能級，降低了受主的濃度［１。材料被刻蝕后會造成材料組成元素的比例適配，Ｎ的含量顯著減小，形成大量Ｎ空位?］。元素比失的主要是由于刻蝕過程中高能離子轟擊后，Ｎ元素更容易形成可揮發(fā)的物質(zhì)而流失，轟擊能量越高，Ｇａ和Ｎ的比例失配越大。Ｓｈｕｌ等人報道了ＧａＮ場效應(yīng)晶體管在ＥＣＲ刻蝕后的損傷情況＿Ｉ５］。被刻蝕材料在高能離子的轟擊Ｆ產(chǎn)生深的受主態(tài)，從而對材料起到了補(bǔ)償?shù)淖饔?。刻蝕中還產(chǎn)生了大量Ｎ空位，使得柵肖特基特性變壞，泄漏電流增大，擊穿電壓

減小。對等離子體刻蝕損傷的材料進(jìn)行濕法刻蝕，能降低刻蝕造成的損傷【１，采用在干法刻蝕后結(jié)合短時間濕法刻蝕的方法既可以保證刻蝕速率，又能降低由于干法刻蝕造成的表面粗糙。高溫退火能使材料因刻蝕造成的晶格缺陷得到一定程度的恢復(fù)。氨氣等離子體處理（ＮＰＴ）【＂］能改善Ｇａ和Ｎ的比例失配，若結(jié)合合適的退火溫度和時間，就能使ＧａＮ刻蝕損傷有較大的恢復(fù)。

６結(jié)語

隨著ＧａＮ電子器件的應(yīng)用越來越廣泛，對器件的制造工藝要求也日漸提高，干法刻蝕ＧａＮ材料的各方面研究也顯得更加重要。在劃蝕過程中，工藝參數(shù)的調(diào)整對刻蝕速率、選擇比、各向片性等都有顯著影響，選擇不同的刻蝕氣體以及不同的輔助氣體時刻蝕各方面也很重要，可使刻蝕效果達(dá)到預(yù)期日的，同時保證刻蝕速率是優(yōu)化的目標(biāo)?，F(xiàn)階段的研究多集中在刻蝕速率以及刻蝕形貌等方向，對于刻蝕機(jī)理和損傷機(jī)理的研究還有待深入。（免責(zé)聲明：文章來源于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請聯(lián)系作者刪除。）