原创 利用Cl2/N2等离子体对III-N层的耦合等离子体蚀刻

引言

GaN在化学上是非常稳定的，并且在室温下不溶于大多数常见的的蚀刻剂。GaN的湿法化学蚀刻显示出各向同性的蚀刻轮廓和比干法蚀刻技术更慢的蚀刻速率。为了制造GaN基发光二极管(led)和激光二极管(LD)，我们需要开发具有高蚀刻速率、对掩模材料的高选择性、高各向异性蚀刻轮廓和光滑侧壁的GaN干法蚀刻技术。

一般来说，氯基气体是III-V族化合物半导体(包括GaN)的主要蚀刻化学物质，因为与其他卤素基或烃基气体相比，III族氯化物的挥发性更高。在本研究中，英思特将螺线管型电感耦合Cl2/N2等离子体设备用于刻蚀n-GaN、p- GaN、AlGaN、InGaN和led结构，并研究了工艺参数如ICP功率、偏置功率、气体组合和气压对刻蚀特性的影响。

实验与讨论

我们用金属有机化学气相沉积法在(0001)蓝宝石衬底上生长了GaN外延层。这些层的厚度为2.5-3.5μm，并且对于n-GaN掺杂为n3 1018，对于p-GaN掺杂为p3 1017。在2μm厚的n-GaN上生长Al0.1Ga0.9N和In0.12Ga0.88N层，并且LED结构由2μm厚的n-GaN:Si层、150nm厚n-Al0.1Ga0.9N:Si层、50nm厚的In0.12Ga0.88N:Si、Zn层、120nm厚的p-Al0.1Ga0.9N:Mg层和电感耦合等离子体(ICP)用13.56兆赫的射频功率产生。单独的13.56 MHz RF功率也被施加到底部电极以产生dc自偏置电压。为了均匀分布，通过室顶部的多级环形区域引入蚀刻气体，总气体流速为每分钟7标准立方厘米(sccm)。

图1：射频功率对正态氮化镓蚀刻速率的影响

在5至20毫托的操作压力下，图1显示了ICP功率和偏置功率对n-GaN层蚀刻速率的影响。虽然偏压功率为0W，但是蚀刻速率随着ICP功率缓慢增加。在50w偏置功率和5毫托操作压力下，蚀刻速率随着ICP功率急剧增加，但在300W时开始饱和。这是由于等离子体密度的增加导致直流偏压降低，从而降低离子能量。由于GaN基材料大的键强度，需要离子溅射来初始破坏键和反应物质的离子辅助解吸。因此，活性Cl自由基需要足够的轰击能量来有效地断裂Ga-N键。还可能的是，由于在增加的ICP功率下增加的离子密度，反应物可能在反应之前被溅射解吸。即使偏压功率为0 W，在400 W的ICP功率下，蚀刻速率为350埃/分钟，这意味着等离子体以相对低的离子能量从产生区域扩散并漂移到衬底。

随着偏压功率的增加，n-GaN层的蚀刻速率线性增加。此外，偏置功率在控制蚀刻条件方面比ICP功率更有效。这表明溅射离子具有足够的能量来非常有效地破坏GaN表面的键。偏压功率不仅增加了离子密度，而且增加了离子轰击能量，导致蚀刻速率增加。

图2：n-GaN的扫描电镜图像

蚀刻的n-GaN的表面图像也随着蚀刻条件而不同（如图2）。由于Cl2/N2离子或中性溅射的不均匀物理蚀刻效应，用15.5%N2等离子体蚀刻的表面显示出蚀刻坑和粗糙的侧壁。对于在20毫托下的100%蚀刻条件，在表面上有许多颗粒状残余物，其来自蚀刻产物(GaCl2)的吸附，并且由于各向同性蚀刻特性和在较高压力下蚀刻产物在侧壁上的再吸附，侧壁比在10毫托下更粗糙和不太陡。

结论

在本研究中，英思特使用电感耦合等离子体设备研究了ICP功率、偏置功率、操作压力和Cl2/N2浓度对GaN刻蚀特性的影响。研究发现通过增加ICP功率和偏置功率，以及增加了n-GaN蚀刻速率，其在高ICP功率下开始饱和。偏压功率比ICP功率更有效地实现高蚀刻速率。随着操作压力的增加，n-GaN的蚀刻速率降低，但是在这些实验条件下，表面的RMS粗糙度几乎相同。设备反应器的设计是晶片级均匀性的重要因素。在LED结构的情况下，15.5%的蚀刻N2浓度显示出较高的蚀刻速率，但是表面形态和侧壁比它们在100%Cl2时更差。为了较小化表面优先氮原子的损失，后期我们将进行进一步的实验来分析氮化物材料的近表面化学计量。