GaN_SiO_2刻蚀选择比的研究

G a N/SiO2刻蚀选择比的研究

肖国华，付铁利，郑珏琛，唐兰香

(河北半导体研究所，石家庄　050051)

摘要：在干法刻蚀GaN时使用SiO2作为掩蔽物，为了在较快的GaN刻蚀速率下获得良好的GaN/SiO2刻蚀选择比，使用电感耦合等离子刻蚀机(ICP)，运用Cl2和Ar作为刻蚀气体，改变ICP功率、直流自偏压、气体总流量、气体组分等工艺条件，并讨论了这些因素对GaN/SiO2刻蚀选择比以及对GaN刻蚀速率的影响。实验结果获得了GaN在刻蚀速率为165nm/min时的GaN/SiO2选择比为8∶1。设备验收时GaN刻蚀速率为70nm/min,GaN/SiO2选择比为3.5∶1，可以应用于实际生产。

关键词：选择比；电感耦合等离子体；干法刻蚀；氮化镓；偏置功率

中图分类号:TN304.23;TN305.7　文献标识码:A　文章编号:1671-4776(2009)04-0250-04

R eserch on the Etching Selectivity of G a N/SiO2

Xiao Guohua,Fu Tieli,Zheng J uechen,Tang Lanxiang

(Heibei Semiconductor Research I nstitute,S hi j iaz huang050051,China)

Abstract:A Cl2/Ar inductively2coupled plasma(ICP)was used to etch GaN,using SiO2as t he barrier layer.The etching selectivity of GaN/SiO2was improved f rom3.5to8by changing t he ICP power,DC bias,total flow rate,and t he ratio of Cl2.The effect of t he factors above on t he etching selectivity of GaN/SiO2and t he etching rate of GaN was discussed.Experimental result s indicate t hat t he selectivity of GaN/SiO2can reach to8while t he etching rate of GaN is 165nm/min.The etching rate of GaN is70nm/min and t he selectivity is3.5during t he recep2 tion test.It fit s to t he p ractical production.

K ey w ords:selectivity;inductively2coupled plasma(ICP);dry etch;GaN;bias power EEACC:8160B

0　引　言

GaN因其良好的稳定性以及宽带隙(E g=3.4 eV)而广泛应用于短波长发光器件、大功率微波器件和高温电子器件[1]。在以GaN为外延材料的发光二极管(L ED)的制作过程中，为了将数个独立的L ED串联起来以提高总的发光亮度，需要对GaN进行3μm左右深度的隔离刻蚀,GaN在常温下化学性质非常稳定，难以用湿法对其进行刻蚀，所以对GaN材料大多采用干法刻蚀[2-3]。采用SiO2作为干法刻蚀时的掩模层，因此需要较好的GaN/SiO2刻蚀选择比才能达到3μm左右深度的刻蚀，另外也要有较快的GaN刻蚀速率，否则刻蚀时间会很长，影响效率。

已有较多关于GaN刻蚀速率的报道，但关于GaN/SiO2刻蚀选择比(选择比定义为同样工艺条件下对GaN刻蚀速率与对SiO2刻蚀速率的比值)目前少有专门报道。本文重点对这方面进行了实验

收稿日期:2008-12-02

和分析。

1　实验过程

1.1　掩膜制作

有一种较普遍的做法是用金属Ni做掩膜，其选择比可达到40∶1，但用SiO2做掩膜工艺成本低，而且有利于L ED芯片电极的稳定。在以2英寸(5cm)蓝宝石衬底的GaN外延层上用PECVD 法生长700nm的SiO2，然后光刻出图形，进行选择性湿法腐蚀去掉露出的SiO2，然后除去光刻胶，完成掩膜的制作。

1.2　感应耦合等离子体刻蚀

感应耦合等离子刻蚀手段(ICP)与其他刻蚀方法如反应离子刻蚀(RIE)、磁控反应离子刻蚀(M IE)、电子回旋共振刻蚀(ECR)等相比具有反应离子密度高、均一性好、多参数可调等优点而得到广泛应用[4-6]。使用日本UL VAC的N E-550型ICP刻蚀机，反应室腔体体积为35L，射频ICP 功率源和射频偏置功

率源均为13.56Hz，最大功率分别为1000、600W；极限真空为2×10-5Pa；刻蚀时的压力为0.3～0.5Pa(随气体总流量变化)。采用Cl2/Ar作为刻蚀气体在不同ICP功率P(100～500W)、偏置功率(20～100W)、总流量(30～60mL/min)和气体组分(Cl2:20%～80%)等条件下进行了刻蚀[2,6]。

1.3　数据检测

采用GA ER TN ER-L SE型椭偏仪来测量刻蚀前后SiO2的厚度及折射率，利用AMBIOS2XP1型台阶仪来测量刻蚀前后的台阶深度(也可大致观测刻蚀后的表面粗糙度)。

2　实验数据及分析

感应耦合等离子体刻蚀受制于各种工艺条件的影响，因此GaN/SiO2刻蚀选择比情况对于工艺条件的变化也十分敏感，本文进行了各工艺条件下的得到的GaN/SiO2刻蚀选择比R以及GaN刻蚀速率v的实验。

2.1　图1及结果分析

图1为p APC=0.3Pa、Cl2与Ar流量分别为32、8mL/min、P bias=60W时,R与v、P ICP

的关

图1　GaN/SiO2刻蚀选择比(R)和GaN刻蚀速率(v)

与ICP功率(P ICP)的关系

Fig.1　Relationships of t he selectivity,etching rate and

ICP power

系曲线。由图1所示结果可以看出,GaN/SiO2刻蚀选择比随着ICP功率加大呈缓慢下降趋势，在功率较大时下降较快。而GaN刻蚀速率在开始时随着ICP功率的逐渐加大而增大，但当ICP功率增大到一定值时刻蚀速率反而变小。由于刻蚀腔里的反应气体的流量是固定的，而当ICP功率加大时，刻蚀腔体里的气体是逐渐电离为等离子体，随着等离子体浓度增大，其与GaN和SiO2接触的也越充分,GaN和SiO2刻蚀速率也增大，但后者更明显，因此选择比缓慢下降。但当达到某个功率(如300W)时，刻蚀气体完全电离，此时等离子体已经达到动态饱和，由于ICP功率所产生的等离子体的非方向性使得在继续加大功率(大于300 W)时反而使到达晶片表面的有效等离子体减少而导致对GaN和SiO2刻蚀速率都变慢，且对GaN 影响更大，从而使选择比也降低[7]。而且太高的的功率会导致更大的刻蚀损伤[8]。

2.2　图2及结果分析

图2为p ICP=300W、p APC=0.5Pa、Cl2与Ar流量分别为48、12mL/min时，不同偏置功率下选择比和刻蚀整流率关系曲线。由图2所示结果可以看出，使用合适的偏置功率会得到较好的选择比，而且GaN刻蚀速率随着偏置功率加大而单调增大。偏置功率能使等离子体边缘的粒子受到一个很大的力加速冲向晶片进行刻蚀，因此当偏置功率增大时，刻蚀中物理刻蚀占的比重增加，晶片表面受到的物理

轰击随之增大[9]，使GaN刻蚀速率变大，此时GaN表面受到轰击产生的损伤也加大[8]。由于在不同偏置功率时等离子体对GaN和SiO2的

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2009年4月　微纳电子技术第46卷第4期

　M icronanoelect ronic Technology Vol.46No.4

A p ril 2009

轰击程度并不成比例而导致选择比变化，在一个合适的值(如图偏置功率为60W )可以得到选择比为8

。

图2　不同偏置功率(P bias )下的选择比和刻蚀速率

Fig.2　Selectivity and etching rate at different bias powers

2.3　图3及结果分析

图3为在P ICP =300W 、P bias =60W 、Cl 2和Ar 的流量比为4∶1、p APC =0.3～0.5Pa 时,GaN/SiO 2刻蚀选择比与速率、气体总流量的关

系。由图3所示结果可以看出,Cl 2和Ar 比例保持4∶1不变，当气体总流量由30mL ·min -1

增大到60mL ·min -1时,GaN/SiO 2选择比由4增大到8，而且GaN 刻蚀速率也加快。这是因为当气体总流量增加时，提供了更多的能参与刻蚀的等离子体，这样化学刻蚀和物理刻蚀都得到加强，且对GaN 的刻蚀速度的提高大于对于SiO 2的刻蚀速度

的提高，从而选择比变大

。

图3　GaN/SiO 2刻蚀选择比(R )和GaN 刻蚀速率、

气体总流量(q )的关系

Fig.3　Relationship of t he selectivity ,etching rate

and total flow

2.4　图4及结果分析

图4为在P ICP =300W 、P bias =60W 、q =60mL/min 、p APC =0.5Pa 时，不同Cl 2含量与G aN/SiO 2刻蚀选择比和刻蚀速率的关系。由图4所示可

以看出在总流量不变且Cl 2由20%提高至80%时,

选择比由2增大到8，在这个过程中G aN 刻蚀速率由30nm/min 增加到160nm/min 。因为当Cl 2含量增加时，化学刻蚀急剧增强并占据刻蚀的主导地位，对G aN 的刻蚀加快，且远大于SiO 2的刻蚀速度的变化，从而选择比变大[8,10]。但当Cl 2含量过高时产生的化学刻蚀会导致刻蚀剖面不垂直，这不利于大功率微波器件中细栅条的制作[7]

。

图4　不同Cl 2含量(c )与GaN/SiO 2刻蚀选择比(R )

投票箱制作>luciano rivarola和GaN 刻蚀速率(v )的关系

Fig.4　Selectivity and etching rate of GaN wit h

different Cl 2content s

3　结　论

为在保证一定的GaN 刻蚀速率的情况下尽量提高GaN/SiO 2的刻蚀选择比，进行了改变ICP 功率、直流自偏压、气体总流量和气体组分的实验，结果显示，各种工艺条件的改变都直接影响了GaN/SiO 2的刻蚀选择比，并且呈现出一定的规

律，其中在提高反应气体总流量时GaN/SiO 2选择比会有较大的提高，同时GaN 刻蚀速率也会有较好的提升，另外还要兼顾刻蚀损伤的影响。优化出的工艺条件为:P ICP 为300W ;P bias 为60W ;Cl 2、Ar 流量分别为48、12mL/min ;p APC =0.5Pa ,

此条件下选择比可达到8,GaN 的刻蚀速率为165nm/min ，可用于实际生产。

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