[19]
中华人民共和国国家知识产权局
分集接收
[12]发明专利申请公开说明书
[11]公开号CN 1490850A
[43]公开日2004年4月21日
[21]申请号03157390.8[21]申请号03157390.8
[22]申请日2003.09.19[71]申请人清华大学
地址100084北京市100084－82信箱
[72]发明人罗毅 韩彦军 薛松 胡卉 郭文平 邵嘉
平 孙长征 郝智彪 [51]Int.CI 7H01L 21/3065C23F 1/12空气中取水
权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 2 页
[54]发明名称
[57]摘要
本发明公开了属于氮化镓材料刻蚀技术领域的
定鼎建筑
有，氮气，氧气Cl 2/N 2/O 2这三种气体混合而 体也可为Cl 2/He/O 2或Cl 2/Ne/O 2或Cl 2/N 2O/O 2。由
于本发明在干法刻蚀氮化镓材料系中利用了三种气
体组合做为反应气体，既可获得高的刻蚀选择比，
又可获得高的GaN的刻蚀速率。同时可获得无残渣，
无刻痕光滑的刻蚀表面。通过调节氧气在这三种混
合气体中的相对含量，即可调节选择性刻蚀比和刻
蚀速率，实验结果表明，对GaN和Al 0.28Ga 0.72N的
选择性刻蚀比为60∶1，对GaN的刻蚀速率达到320n
m/min。
03157390.8权 利 要 求 书第1/1页
1、一种氮化镓材料的干法刻蚀方法，其特征在于：所述方法通过含有，氮气，氧气Cl2/N2/O2这
三种气体混合而形成的反应气体生成的等离子体而进行刻蚀，获得高的刻蚀选择比和高的GaN的刻蚀速率。
2、根据权利要求1所述的干法刻蚀方法，其特征在于：所述方法通过含有，氦气，氧气C l2/H e/O2这三种气体混合而形成的反应气体生成的等离子体而进行刻蚀。
3、根据权利要求1所述的干法刻蚀方法，其特征在于：所述方法通过含有，氖气，氧气C l2/N e/O2这三种气体混合而形成的反应气体生成的等离子体而进行刻蚀。
4、根据权利要求1所述的干法刻蚀方法，其特征在于：所述方法通过含有，一氧化氮，氧气Cl2/N2O/O2这三种气体混合而形成的反应气体生成的等离子体而进行刻蚀。
03157390.8说 明 书第1/5页水麻叶
一种氮化镓材料的干法刻蚀方法
技术领域
本发明涉及一种在发光二极管(L E D)、激光二极管(L D)、高电子迁移率晶体管(H E M T)、异质结双极晶体管(H B T)，光探测器等装置中使用的氮化镓类化合物半导体的干法刻蚀方法，属于氮化镓材料刻蚀技术领域。
背景技术
在制作以氮化镓类材料为基础的发光二极管、激光二极管、高电子迁移率晶体管、异质结双极晶体管，光探测器等器件的过程中，需要对氮化镓类材料(包含G a N，I n N，A l N，A l G a N，I n G a N，A l I n G a N等)进行刻蚀。若用湿法刻蚀I I I-V族化合物半导体，一般使用盐酸，硫酸，或它们的混合物，由于氮化镓材料具有高的结合键能，稳定的化学性质，氮化镓材料在它们的溶液中很难溶解，所以，氮化镓的刻蚀，一般用干法刻蚀而不是用湿法刻蚀技术。其中，基于等离子体的干法刻蚀，由于其具有刻蚀速率高，能在大面积上获得均匀的刻蚀速率，可控性好，成本低等优点，所以对等离子体干法刻蚀技术的研究与开发非常盛行。
电极箔所谓等离子体干法刻蚀，是指利用干法刻蚀设备，将通入其中的反应气体变为等离子体，等离子体中含有的具有高化学活性的原子和高能离子与被刻蚀的样品表面反应，形成挥发性气体而被系统抽走，从而造成样品的刻蚀。由此可知，反应气体种类的选择对刻蚀的效果非常重要。
在器件刻蚀过程中，同时获得较高的刻蚀选择比和较高的刻蚀速率是非常重要的，也是人们迫切希望解决的问题。所谓刻蚀选择比，是指刻蚀某一种材料(比如G a N)的刻蚀速率与刻蚀另外一种材料(比如A l G a N)的刻蚀速率之比。特别是，在高电子迁移率晶体管、异质结双极晶体管、光探测器等器件中，获得较高的刻蚀选择比以及较高的刻蚀速率尤其重要：比如在高电子迁移率场效应管中，有一层
几十纳米厚的G a N层覆盖在A l G a N层的上面，A l G a N层的厚度也为几十纳米，在器件制作过程中，需要将G a N层刻蚀掉，露出A l G a N 层，因此，选用的干法刻蚀应该对G a N的刻蚀速率大，而对A l G a N的刻蚀速率小，即选用的干法刻蚀应该有较高的刻蚀选择比，这样才能使在刻蚀掉G a N的同时，尽量不使A l G a N 层被刻蚀掉。
在等离子干法刻蚀当中，反应气体的组成成分在决定刻蚀的速率和刻蚀选择比等方面非常重要。选用不同的反应气体，得到的刻蚀速率与刻蚀选择比也不一样。已经公开的具有刻蚀选择性的反应气体的组成主要有：
(1)C l2/A r组合，对G a N和A l N的刻蚀选择比为7～8.5∶1，参见文献R.J.S h u l，G.A. Vawter，C.G.Willison，M.M.Bridges，J.W.Lee，S.J.Pearton and C.R.Abernathy，Solid-State Electronics 42(1998)2259.和R.J.Shul，C.G.Willison，M.M.Bridges，J.Han，J.W.Lee，S.J. Pearton，C.R.Abernathy，J.D.Mackenzie and S.M.Donovan，Solid-State Electronics 42(1998) 2269。对GaN和Al0.28Ga0.72N的刻蚀选择比为10∶1，参见文献S.A.Smith，C.A.Wolden，M.D. Bremser，A.D.Hanser，R.F.Davis，and W.V.Lampert，Appl.Phys.Lett.71(1997)3631。这种方法的刻蚀选择比不够高。
(2)B r3，对G a N和A l N的刻蚀选择比为13∶1，对G a N的刻蚀速率为180n m/m i n，参见文献H.Cho，
J.Hong，T.Maeda，S.M.Donovan，C.R.Abernathy，S.J.Pearton and R.J.Shul，Materials Science and Engineering B 59(1999)340。这种方法的刻蚀选择比不够高，且刻蚀速率较低。
(3)C l2/A r/O2，对G a N和A l N的刻蚀选择比为48∶1，参见文献S.A.S m i t h，W.V. Lampert，P.Rajagopal，A.D.Banks，D.Thomson，and R.F.Davis，J.Vac.Sci.&Technol.A 18，(2000)879。对G a N和A l0.1G a0.9N的刻蚀选择比为24∶1，对G a N的刻蚀速率为60n m/m i n，参见文献J.M.Lee，K.M.Chang，I.H.Lee，and S.J.Park，J.Vac.Sci.&Technol.B 18(2000) 1409。这种方法对G a N和A l G a N的刻蚀选择比不够高，且对G a N的刻蚀速率非常低。
(4)C l2/C x H y C l z(x，y，z为整数)，参见文献中国专利，申请号：0310423.37，这种气体组分对GaN和AlGaN的刻蚀选择比比较低。
A l N与A l G a N的物理与化学性质是有较大差别的，A l N是二元化合物半导体，由A l与N 原子构成；而A l G a N是三元化合物半导体，由A l，G a，N这三种原子构成，A l G a N也可看作是G a N中一部分G a原子被A l原子取代所形成的，比如A l0.28G a0.72N，可看作是在G a N中，G a原子总数的28％被A l原子所替代而形成的。一般说来，在相同的刻蚀条件下，A l G a N中的A l 的含量越低，G a N和A l G a N的刻蚀选择比就越低。也就是说，当A l G a N中的A l含量越低，获得高的GaN与AlGaN的刻蚀选择比就越困难。
提高刻蚀速率与刻蚀选择比就意味着，尽量提高对G a N的刻蚀速率，同时尽量降低对AlGaN的刻蚀速率。
影响A l G a N的刻蚀速率一个重要原因在于，当刻蚀A l G a N时，反应室中的氧(O)与A l 反应，生成A l的氧化物，A l的氧化物非常坚硬，不容易被刻蚀，因此会使A l G a N的刻蚀速率变慢。因此，若在刻蚀过程中，采取某种措施使A l G a N的表面更容易形成A l的氧化物，则会有效降低对AlGaN的刻蚀速率。
发明内容
本发明是为了解决干法刻蚀中刻蚀选择比与刻蚀速率这两个问题而提供一种干法刻蚀方法。
本发明提出的一种氮化镓材料的干法刻蚀方法，其特征在于：所述方法通过含有，氮气，氧气C l2/N2/O2这三种气体混合而形成的反应气体生成的等离子体而进行刻蚀，可获得高的刻蚀选择比和高的GaN的刻蚀速率。
在上述干法刻蚀方法中，通过含有，氦气，氧气C l2/H e/O2这三种气体混合而形成的反应气体生成的等离子体而进行刻蚀。
在上述干法刻蚀方法中，通过含有，氖气，氧气C l2/N e/O2这三种气体混合而形成的反应气体生
成的等离子体而进行刻蚀。
在上述干法刻蚀方法中，通过含有，一氧化氮，氧气C l2/N2O/O2这三种气体混合而形成的反应气体生成的等离子体而进行刻蚀。
由于本发明在干法刻蚀氮化镓材料系中利用了三种气体组合做为反应气体，既可获得高的刻蚀选择比，又可获得高的G a N的刻蚀速率。同时可获得无残渣，无刻痕的，光滑的刻蚀表面。通过调节氧气在这三种混合气体中的相对含量，即可调节选择性刻蚀比和刻蚀速率，实验结果表明，当氧气的流量为2s c c m时，对G a N和A l0.28G a0.72N的选择性刻蚀比为60∶1，对GaN的刻蚀速率达到320nm/min。
附图说明
图1是表示当使用感应耦合等离子体装置，衬底温度为20℃，和氮气的流量分别为40和10s c c m，I C P功率为1750W，D C偏压为-220V，反应室压力为20m T o r r时，氧气的流量与刻蚀速率、刻蚀选择比的关系图。
图2为实施例1中HEMT的基本结构图。
图3为实施例2中光二极管的基本结构图。
图4为实施例3中激光二极管的基本结构图。
具体实施方式
立式干粉搅拌机本发明是按照如下技术方案实现的：
本发明的研究结果表明，(参见文献Y.J.Han，S.Xue，W.P.Guo，C.Z.Sun，Z.B.Hao and Y.Luo，to be published in Jpn.J.Appl.Phys)，Cl2/Ar和Cl2/N2等离子体刻蚀对材料特性的影响特别是在对材料表面的氧化上有本质的差别，当利用C l2，N2这两种气体的组合对G a N进行干法刻蚀时，样品表面的O原子的含量要远远高于利用C l2，A r这两种气体的组合进行干法刻蚀的结果。这说明如果利用C l2，N2这两种气体的组合对A l G a N进行干法刻蚀时，样品表面更容易形成A l的氧化物，从而降低对A l G a N的刻蚀速率，提高了G a N和A l G a N之间的刻蚀选择比。因此，为降低对A l G a N的刻蚀速率，在这两种气体组合里加入的O的量具有本质的差别。也就是说，在C l2，N2组成的等离子体中加入的O2的量远远小于在C l2，A r等离子体中加入氧的量就可以降低A l G a N的刻蚀速率。同时，在C l2/N2中O2含量的最小化可以保证G a N的刻蚀速率维持在一个较高的水平上，因此，若选用C l2，N2，O2的组合做刻蚀的反
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