基于Cl2/BCl3電感偶聯(lián)等離子體的氮化鎵干蝕特性

引言

氮化鎵(GaN)具有六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，直接帶隙約為3.4eV，目前已成為實(shí)現(xiàn)藍(lán)光發(fā)光二極管(led)的主導(dǎo)材料。由于GaN的高化學(xué)穩(wěn)定性，在室溫下用濕法化學(xué)蝕刻來蝕刻或圖案化GaN是非常困難的。與濕法蝕刻技術(shù)相比，干法蝕刻技術(shù)可以提供各向異性的輪廓、快速的蝕刻速率，并且已經(jīng)被用于限定具有受控輪廓和蝕刻深度的器件特征。

實(shí)驗(yàn)與討論

我們用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法在(000±1)藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)了5.2μm厚的GaN外延層，通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)在GaN上沉積一層800nm厚的二氧化硅硬掩模。然后將正性光致抗蝕劑AZ4620旋涂到樣品上。曝光后，在光致抗蝕劑層中定義圖案。然后通過基于氟的化學(xué)反應(yīng)離子蝕刻(RIE)打開SiO2硬掩模，之后使用ICP蝕刻將圖案從SiO2轉(zhuǎn)移到GaN層中。

為了確定對(duì)二氧化硅的蝕刻速率和蝕刻選擇性，使用輪廓測(cè)量法測(cè)量二氧化硅掩模的蝕刻深度。在用緩沖HF溶液剝離二氧化硅掩模之后，從輪廓術(shù)獲得GaN的蝕刻深度。蝕刻速率由蝕刻深度和蝕刻時(shí)間決定。

在保持1000W ICP/150W RF功率、70sccm總氣體流量、30%Cl2/70%BCl3的同時(shí)，英思特研究了操作壓力對(duì)GaN蝕刻速率的影響。由于在較低壓力下反應(yīng)物受限，我們發(fā)現(xiàn)GaN蝕刻速率隨著壓力的增加而增加。這是由于較高的DC偏壓在反應(yīng)或再沉積在蝕刻表面上之前，引發(fā)反應(yīng)性等離子體物種的濺射解吸。

圖1顯示出了在300W ICP/100W RF功率、70sccm總流速、90%Cl2/10%BCl3、7毫托操作條件下光刻膠掩蔽的GaN的SEM橫截面顯微照片。為了提高GaN對(duì)光刻膠的刻蝕選擇性，ICP功率和RF功率從300W/100W增加到450W/150W。

在450W ICP/150W RF功率下，GaN蝕刻速率為320nm/min，對(duì)光致抗蝕劑的蝕刻選擇性為0.76。當(dāng)ICP/RF功率從300W/100W增加到450W/150W時(shí)，GaN對(duì)光刻膠的蝕刻選擇性從0.43提高到0.76。因此，GaN對(duì)光刻膠的蝕刻選擇性強(qiáng)烈地依賴于ICP和RF功率。

圖1

對(duì)于深溝槽的形成，需要更高的離子通量來實(shí)現(xiàn)GaN的高蝕刻速率。由于對(duì)光致抗蝕劑的低選擇性和光致抗蝕劑掩膜的腐蝕，高RF功率經(jīng)常導(dǎo)致側(cè)壁和表面粗糙。我們通常使用諸如SiO2的硬掩模來代替光致抗蝕劑，因?yàn)樵诨贑l2的等離子體化學(xué)中，GaN相對(duì)于SiO2的蝕刻選擇性是有利的。

為了提高GaN相對(duì)于SiO2的蝕刻選擇性，我們將蝕刻條件固定在1000W ICP/300W RF功率、70sccm的總流速、90%Cl2/10%BCl3、14毫托操作，如圖2所示GaN對(duì)SiO2的蝕刻選擇性為7.92，并且觀察到更垂直的蝕刻輪廓。與之前的工藝參數(shù)相比，隨著Cl2/BCl3中Cl2濃度的增加和射頻功率的增加，GaN和SiO2的刻蝕速率也隨之增加。

圖2：二氧化硅掩蔽氮化鎵樣品的掃描電鏡橫斷面顯微圖

結(jié)論

在本工作中，英思特使用Cl2/BCl3電感耦合等離子體研究了輸入工藝參數(shù)對(duì)GaN薄膜刻蝕特性的影響。盡管較高的ICP/RF功率可以獲得較高的GaN/光致抗蝕劑蝕刻選擇性，但是由于光致抗蝕劑掩模腐蝕，它會(huì)導(dǎo)致側(cè)壁的刻面和奇怪的側(cè)壁輪廓。

在特定的ICP/RF功率和固定的混合物成分下，GaN和SiO2的蝕刻速率會(huì)隨著操作壓力的增加而降低，并且由于SiO2蝕刻速率的降低比GaN蝕刻速率的降低更快，GaN對(duì)SiO2的蝕刻選擇性會(huì)隨著操作壓力的增加而增加。

審核編輯 黃宇