引言

GaN及相關(guān)合金可用于制造藍(lán)色/綠色/紫外線發(fā)射器以及高溫、高功率電子器件。由于 III 族氮化物的濕法化學(xué)蝕刻結(jié)果有限，因此人們投入了大量精力來(lái)開(kāi)發(fā)干法蝕刻工藝。干法蝕刻開(kāi)發(fā)一開(kāi)始集中于臺(tái)面結(jié)構(gòu)，其中需要高蝕刻速率、各向異性輪廓、光滑側(cè)壁和不同材料的同等蝕刻。

然而，隨著對(duì)高功率、高溫電子器件的興趣增加，蝕刻要求擴(kuò)大到包括光滑的表面形態(tài)、低等離子體引起的損傷以及發(fā)生一層或另一層的選擇性蝕刻。與其他化合物半導(dǎo)體相比，III 族氮化物的惰性化學(xué)性質(zhì)和強(qiáng)鍵能使干法蝕刻開(kāi)發(fā)變得更加復(fù)雜。

反應(yīng)離子蝕刻

RIE利用蝕刻機(jī)制的化學(xué)和物理成分來(lái)實(shí)現(xiàn)各向異性輪廓、快速蝕刻速率和尺寸控制。RIE等離子體通常通過(guò)在反應(yīng)氣體中的兩個(gè)平行電極之間施加13.56 MHz的射頻(rf)功率來(lái)產(chǎn)生（圖1）。將基板放置在通電電極上，在電極上感應(yīng)出電勢(shì)，離子能量（定義為穿過(guò)等離子體鞘層）通常為幾百eV。RIE在低壓下運(yùn)行，范圍從幾mTorr到200mTorr，由于平均自由程增加和鞘層加速期間離子的碰撞散射減少，因此促進(jìn)了各向異性蝕刻。

圖1：蝕刻平臺(tái)的示意圖

蝕刻速率隨著直流偏壓的增加而增加，在-400V時(shí)蝕刻速率>500 ?/min。在150℃的BCl3中蝕刻速率為1050?/min。III族氮化物的較佳RIE結(jié)果是在高離子能量條件下的氯基等離子體中獲得的，其中 III-N 鍵斷裂和蝕刻產(chǎn)物從表面的濺射解吸是有效的。在這些條件下，可能會(huì)發(fā)生等離子體損傷并降低電氣和光學(xué)器件的性能。降低離子能量或增加等離子體中的化學(xué)活性以較大程度地減少損壞通常會(huì)導(dǎo)致蝕刻速率變慢或各向異性輪廓變小，從而顯著限制關(guān)鍵尺寸。因此，有必要尋求將高質(zhì)量蝕刻特性與低損傷結(jié)合起來(lái)的替代蝕刻平臺(tái)。

高密度等離子體

與 RIE 相比，使用包括電子回旋共振 (ECR)、電感耦合等離子體 (ICP) 和磁控管 RIE (MRIE) 在內(nèi)的高密度等離子體蝕刻系統(tǒng)，改善了 III 族氮化物的蝕刻特性。這一觀察結(jié)果歸因于等離子體密度比 RIE 高 2 至 4 個(gè)數(shù)量級(jí)，從而提高了 III-N 鍵斷裂效率和表面上形成的蝕刻產(chǎn)物的濺射解吸。此外，由于與 RIE 相比，離子能量和離子密度可以更有效地解耦，因此更容易控制等離子體引起的損傷。隨著射頻偏置的增加，表面損壞的可能性也會(huì)增加。圖2顯示了典型高密度等離子體反應(yīng)器中等離子體參數(shù)和樣品位置的示意圖。

圖2：高密度等離子刻蝕工藝示意圖

化學(xué)輔助離子束蝕刻

化學(xué)輔助離子束蝕刻(CAIBE)和反應(yīng)離子束蝕刻（RIBE）也已用于蝕刻III族氮化物薄膜，在這些過(guò)程中，離子在高密度等離子體源中產(chǎn)生，并通過(guò)一個(gè)或多個(gè)柵極加速到基板。在CAIBE中，反應(yīng)氣體被添加到加速柵極下游的等離子體中，從而增強(qiáng)蝕刻機(jī)制的化學(xué)成分，而在RIBE中，反應(yīng)氣體被引入離子源中。兩種蝕刻平臺(tái)都依賴相對(duì)高能的離子（200-2000eV）和低腔室壓力（<5mTorr）來(lái)實(shí)現(xiàn)各向異性蝕刻輪廓。

反應(yīng)離子束蝕刻

GaN、AlN和InN的RIBE去除率如圖3所示，是在400eV和100mA電流下Cl2/Ar束中Cl2百分比的函數(shù)。去除率的趨勢(shì)基本上遵循這些材料的鍵能。在固定的Cl2/Ar比率下，速率隨束流能量的增加而增加。在非常高的電壓下，由于在反應(yīng)形成氯化物蝕刻產(chǎn)物之前活性氯從氮化物樣品表面的離子輔助解吸，速率會(huì)飽和甚至降低。蝕刻輪廓是各向異性的，在特征的底部有輕微的溝槽。這通常歸因于側(cè)壁的離子偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致蝕刻特征底部的離子通量增加。

圖3：RIBE 氮化物去除率與Cl2 /Ar束中Cl2百分比的函數(shù)關(guān)系

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審核編輯 黃宇