ＧａＮ材料干法刻蚀工艺在器件工艺中有着广泛的应用

摘要：对比了ＲＩＥ，ＥＣＲ，ＩＣＰ等几种ＧａＮ７干法刻蚀方法的特点。回顾了ＧａＮ１法刻蚀领域的研究进展。以ＩＣＰ刻蚀ＧａＮ和ＡＩＧａＮ材料为例，通过工艺参数的优化，得到了高刻蚀速率和理想的选择比及形貌。在优化后的刻蚀工艺条件下ＧａＮ材料刻蚀速率达到３４０ｎｍ／ｍｉｎ，侧墙倾斜度大于８Ｏ。且刻蚀表均方根粗糙度小于３ｎｍ。对引起干法刻蚀损伤的因索进行了讨论，并介绍了几种减小刻蚀损伤的方法。

氮化镓（ＧａＮ）材料具有良好的电学特性⋯，如宽的禁带宽度（３．４ｅＶ）、高击穿电场（３×１０６Ｖ／Ｃｍ）、较高的热导率（１．５ｗ／Ｃｍ・Ｋ）、耐腐蚀、抗辐射等，是制作高频、高温、高压、大功率电子器件和短波长光电子器件的理想材料。刻蚀是ＧａＮ电子器件制造工艺中非常重要的一步，但是ＧａＮ材料是极稳定的化合物，其键能达到８．９２ｅＶ，在室温下ＧａＮ不溶于水、酸和碱，在热的碱溶液中以非常缓慢的速度溶解，所以用湿法刻蚀很难获得满意的刻蚀速率，可控性较差『２１。与传统的湿法刻蚀比较，干法刻蚀技术具有各向异性、对不同材料选择比差别较大、均匀性与重复性好、易于实现自动连续生产等优点，所以反应离子刻蚀（ＲＩＥ）、电子回旋共振等离子体（ＥＣＲ）、感应耦合等离子体（ＩＣＰ）等多种干法刻蚀方法被应用于ＧａＮ材料的刻蚀中。ＩＣＰ以其廉价的等离子体和高的刻蚀速率等特点受到了更多的关注，ＩＣＰ工艺参数对ＧａＮ￣Ｕ蚀速率的影响及其刻蚀后材料的形貌成为研究重点。随着ＧａＮ材料干法刻蚀工艺在器件工艺中的广泛应用，刻蚀损伤对器件特性的影响逐渐受到重视，减小刻蚀损伤同时保证刻蚀速率和良好形貌，成为ＧａＮ电子器件刻蚀工艺的优化目标。

２几种常见ＧａＮ干法刻蚀方法

ＲＩＥ。Ａｄｅｓｉｄａ等人首先报道了用ＲＩＥ刻蚀ＧａＮ材料，获得了大于５０ｎｍ／ｍｉｎ的速率【３ｌ。ＲＩＥ是通过射频二极管放电产生的高频等离子体对位于射频电极之上的基片进行刻蚀。磁增强反应离子刻蚀（ＭＥＲＩＥ）方法则能够在不影响刻蚀速率的前提下减小离子能量，从而减小离子损伤，同时提高等离子体浓度。Ｍｏｕｆｆａｋ等人［４］报道了采用光辅助的ＲＩＥ刻蚀技术（ＰＡ．ＲＩＥ），该刻蚀技术的刻蚀损伤比ＲＩＥ明显减小。ＥＣＲ。Ｐｅａｒｔｏｎ等人首先报道了用ＥＣＲ￣Ｉ蚀ＧａＮ材料，在ｌ５ＯＶ偏置电压下用Ｃｌ，／Ｈ，混合气体获得了７０ｎｍ／ｍｉｎ的速率＿５Ｊ。ＥＣＲ等离子体刻蚀在刻蚀速率、选择性、方向性、损伤等方面具有较高的综合指标。

ＩＣＰ。Ｓｈｕｌ等人首先报道了采用感应耦合等离子体（ＩＣＰ）用Ｃ１／Ｈ／Ａｒ气体刻蚀ＧａＮ材料获得了６８７ｎｍ／ｍｉｎ的速率。ＩＣＰ系统具有两个独立的ｌ３．５６ＭＨｚ射频功率源，其中一个在反应室项部产生等离子体，另一个连接到反应室外的电感线圈上，提供了一个偏置电压给等离子体提供一定的能量，达到垂直作用于基片的目的。三种刻蚀方法的对比见表ｌ。

ＩＢＥ，ＬＥ。利用具有一定能量的离子束轰击基片表喵进行刻蚀称为离子束刻蚀（ＩＢＥ）。ＩＢＥ刻蚀的方向性好，各向异性强，缺点是因纯物理过程导致的刻蚀选择性差及较低的刻蚀速率。反应离子束刻蚀（ＲＩＢＥ）技术以不同的反应气体代替了惰性气体，从而提高了刻蚀速度和选择性。

低能量电子增强刻蚀（ＬＥ４）是利用较低能量（＜１５ｅＶ）电子与刻蚀材料表面发生作用，造成的刻蚀损伤较小。

３等离子体刻蚀

等离子体刻蚀包括两个部分：离子物理轰击溅蚀和化学反应腐蚀。离子轰击是指等离子体中被加速的高能离子对材料表面进行轰击从而溅蚀材料，它是与衬底偏压有关的物理过程，有利于刻蚀的各向异性，但是无弹性的离子轰击会对表面造成损伤，同时降低刻蚀选择比。等离子体与材料表面会发生化学反应，生成可挥发的刻蚀产物从而达到刻蚀目的，但在较低的离子能量下，化学反应不仅向下而且向两侧腐蚀，是各向同性的刻蚀，这对器件加工很不利。理想的刻蚀过程是两种刻蚀机制很好的结合，这样才能达到刻蚀速率和形貌的优化。

等离子体刻蚀ＧａＮ材料气体源通常用Ｃｌ，，ＢＣ１３，ＳｉＣ１４，Ｉ２，Ｂｒ２，ＣＨ４，ＳＦ６等作为气体源，与Ａｒ，Ｈ，，Ｎ，等气体混合作为刻蚀气体。各种刻蚀气体的成分和组分的组合能获得不同的刻蚀速率和不同的刻蚀形貌。刻蚀速率和刻蚀形貌与刻蚀产物的挥发性密切相关，表２是常见的ＧａＮ刻蚀反应物熔点表。刻蚀过程是一个很复杂的过程，淀积、聚合物的形成以及气象动力学都能影响刻蚀速率＿ｌ。选择合适的刻蚀反应气体以及配比对刻蚀效果很重要。

等离子体刻蚀在ＧａＮ电子器件工艺中广泛应用，比如ＨＥＭＴ和ＬＥＤ的有源区台面非选择性刻蚀、ＨＢＴ基区和ＨＥＭＴ槽栅的选择性刻蚀以及对刻蚀侧墙要求很高的激光器台面刻蚀等。这些刻蚀工艺中许多都对刻蚀重复性有很高要求，而ＧａＮ和Ａ１ＧａＮ材料表面氧化层的存在，严重影响了刻蚀重复性和精确度，这是器件刻蚀工艺中急待解决的问题。Ｂｕｔｔａｒｉ等人⋯］提出了先采用优化条件＿Ｆ的ＢＣ１，去除氧化层，而后进行正常条件刻蚀，该方法能明显提高刻蚀重复性。

４刻蚀速率和形貌

刻蚀材料用ＭＯｃＶＤ方法在（０００１）ｐ￣单面抛光蓝宅石衬底上生长的ＧａＮ和Ａ１叭７Ｇａ３Ｎ材料，实验选用Ａ１ＧａＮ材料，Ａｌ组分２７％。在Ａｌ组分较高

时，ＧａＮ／Ａ１ＧａＮ选择比略微增大，ＡＩＧａＮ刻蚀速率则略微减小。图１是ＧａＮ和ＡＩＧａＮ刻蚀速率、选择比随ＩＣＰ功率变化曲线；图２是ＧａＮ和ＡＩＧａＮ刻蚀速率、选择比随自偏压变化曲线。图１，２中刻蚀条件Ｃｌ为２０ｓｃｃｍ，Ａｒ为１０ｓｃｃｍ，压力为１．５Ｐａ。图１中自偏压为ｌ８０Ｖ，图２中ＩＣＰ功率为６００Ｗ。图３是ＧａＮ和Ａ１ＧａＮ刻蚀速率、选择比随反应室压力变化曲线，刻蚀条件为Ｃ１，２０ｓｃｃｍ，Ａｒ１０ｓｃｃｍ，自偏压为１８０Ｖ，ＩＣＰ功率为６００Ｗ。图４为在刻蚀气体中加入Ｏ后，刻蚀速率和选择比随氧流量的变化曲线，刻蚀条件为Ｃ１，２０ｓｃｃｍ，Ａｒ１０ｓｃｃｍ，Ｏ０～１６ｓｃｃｍ，压力１．５Ｐａ，自偏压为１８０Ｖ，ＩＣＰ功率为６００Ｗ。

采用扫描电子显微镜（ＳＥＭ）研究了刻蚀工艺参数对刻蚀台面形貌的影响。参数优化后确定的刻蚀条件为：反应室压力１．ＳＰａ，自偏压１８０Ｖ，ＩＣＰ功率６００Ｗ，Ｃ１，２０ｓｃｃｍ，Ａｒｌ０ｓｃｃｍ，刻蚀速率达到３４０ｎｍ／ｍｉｎ，侧墙倾斜度大于８０。。采用原子力显微镜（ＡＦＭ）测试了刻蚀区域粗糙度，均方根粗糙度（ＲＭＳ）小于３ｒｉｍ。图５为采用优化的

刻蚀条件刻蚀出的台面侧墙形貌；图６为采用优化刻蚀条件刻蚀出的台面整体形貌。

５干法刻蚀损伤

等离子体引起的刻蚀损伤对化合物半导体器件的电特性和光特性有显著的影响。由于ＧａＮ材料稳定的化学性质，相比其他材料在刻蚀ＧａＮ中所使用的刻蚀条件要求有更高的功率、偏压和等离了体密度，这样刻蚀损伤也就更容易发生。刻蚀损伤一般由三个方面组成；０－３等离子体中的元素进入到被刻蚀的材料中，造成非有意掺杂；②离子轰击造成被刻蚀材料化学键的断裂，同时形成了粗糙的表面、悬挂键、缺陷等；③反应产物或掩膜刻蚀产物沾污材料表面和侧面。

采用ＡＦＭ研究了自偏压和反应室压力对被刻蚀材料粗糙度的影响。从图７和图８可以看出反应室压力和自偏压对刻蚀粗糙度的影响。Ｈａｎｕ２１等人通过在Ｃ１／Ａｒ中加入ＢＣ１，对ＧａＮ／Ａ１ＧａＮ进行非选择性刻蚀，刻蚀粗糙度比未刻蚀的材料更小，仪为０．４９５ｎｍ。对ｎ＋ＧａＮ材料增大等离子体密度，离子能量刻蚀后用ＰＬ谱测量发现ＰＬ谱强度显著下降。用Ａｒ，Ｈ的等离子体轰击Ｐ型ＧａＮ材料后，材料中产生了浅施主能级，降低了受主的浓度［１。材料被刻蚀后会造成材料组成元素的比例适配，Ｎ的含量显著减小，形成大量Ｎ空位⋯］。元素比失的主要是由于刻蚀过程中高能离子轰击后，Ｎ元素更容易形成可挥发的物质而流失，轰击能量越高，Ｇａ和Ｎ的比例失配越大。Ｓｈｕｌ等人报道了ＧａＮ场效应晶体管在ＥＣＲ刻蚀后的损伤情况＿Ｉ５］。被刻蚀材料在高能离子的轰击Ｆ产生深的受主态，从而对材料起到了补偿的作用。刻蚀中还产生了大量Ｎ空位，使得栅肖特基特性变坏，泄漏电流增大，击穿电压

减小。对等离子体刻蚀损伤的材料进行湿法刻蚀，能降低刻蚀造成的损伤【１，采用在干法刻蚀后结合短时间湿法刻蚀的方法既可以保证刻蚀速率，又能降低由于干法刻蚀造成的表面粗糙。高温退火能使材料因刻蚀造成的晶格缺陷得到一定程度的恢复。氨气等离子体处理（ＮＰＴ）【＂］能改善Ｇａ和Ｎ的比例失配，若结合合适的退火温度和时间，就能使ＧａＮ刻蚀损伤有较大的恢复。

６结语

随着ＧａＮ电子器件的应用越来越广泛，对器件的制造工艺要求也日渐提高，干法刻蚀ＧａＮ材料的各方面研究也显得更加重要。在划蚀过程中，工艺参数的调整对刻蚀速率、选择比、各向片性等都有显著影响，选择不同的刻蚀气体以及不同的辅助气体时刻蚀各方面也很重要，可使刻蚀效果达到预期日的，同时保证刻蚀速率是优化的目标。现阶段的研究多集中在刻蚀速率以及刻蚀形貌等方向，对于刻蚀机理和损伤机理的研究还有待深入。

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