电感耦合等离子体刻蚀GaN材料的工艺研究*

任 远，刘晓燕，刘久澄，刘宁炀，陈志涛

广东省半导体产业技术研究院，广东 广州 510650



电感耦合等离子体刻蚀GaN材料的工艺研究*

任 远，刘晓燕，刘久澄，刘宁炀，陈志涛

广东省半导体产业技术研究院，广东 广州 510650

为进一步调节GaN材料刻蚀的关键特征尺寸、改善GaN材料刻蚀损伤，采用电感耦合等离子体(ICP)方法刻蚀GaN材料．通过分别改变ICP过程中的气体比例、腔室气压、ICP功率及RF功率参数，对ICP刻蚀GaN材料的速率、GaN与光刻胶选择比及直流偏压的变化做了系统地研究，得到了台面刻蚀的最优参数．使用光刻胶作为掩模刻蚀了1.837 μm深度的GaN材料样品，表面的光刻胶平整光滑；刻蚀台阶整齐连续，刻蚀倾角控制在75°以内．

电感耦合等离子体刻蚀；GaN；刻蚀速率；选择比；直流偏压

自上个世纪90年代以来，以GaN和SiC等为代表的第三代半导体材料得到迅速发展[1]．GaN材料有禁带宽度宽、直接带隙、热导率高、击穿电压高、电子迁移饱和速率高及化学稳定性好等特点，使得其在紫外、蓝、绿光激光器(Laser Diode)、发光二极管(Light Emitting Diode)、紫外探测器(Avalanche Photo Diode)及大功率电子器件(Electrical Devices)等应用方面显示了广泛的应用潜力和良好的市场前景[2-3]．

GaN基LED器件的电极在同侧，因而需要刻蚀出台面，将n-GaN面暴露出来．由于GaN材料质地坚硬，性质十分稳定，在常温下不溶于水、酸和碱溶液[4]，因此最常用的刻蚀手段为等离子体干法刻蚀[5]．首先将半导体材料表面曝露于低压环境的等离子体中，利用等离子体与半导体材料发生物理或化学反应，从而去掉曝露的表面材料．与湿法腐蚀相比，干法刻蚀有各向异性好、选择比高、重复性好及特征尺寸可达纳米级的优点[6]．但是使用干法刻蚀也存在一些问题，如较差的掩模材料选择比、等离子体带来的器件损伤及工作参数和影响因素繁多等[7]．近年来，新型的GaN光电器件如微纳LED阵列[8]、单光子发光器件[9]、高电子迁移率晶体管[10]等研究获得了越来越多的关注，器件特征向小型化、密集化方向发展，因此对GaN材料刻蚀的关键特征尺寸、刻蚀损伤等问题有了更高要求，优化GaN材料的干法刻蚀工艺有了更重要的研究意义．

本文针对GaN外延材料的刻蚀工艺，详细研究了电感耦合等离子体刻蚀(ICP)的气体比例、腔室气压、ICP功率和RF功率等主要工作参数对GaN材料刻蚀的影响．通过ICP设备监测了直流偏压的数值，使用台阶仪测试并计算了GaN材料刻蚀速率以及GaN与光刻胶选择比，同时分析了上述参数变化的趋势并对刻蚀的机理做了解释．研究结论对改善刻蚀质量，提高GaN器件性能，缩小器件特征尺寸意义重大．

1 电感耦合等离子体刻蚀的原理

常见的干法刻蚀手段包括反应离子刻蚀(RIE)、电子回旋共振(ECR)刻蚀和电感耦合等离子体(ICP)刻蚀等．ICP刻蚀是一种高密度低压刻蚀，通过用石英管或绝缘板与等离子体隔开的螺旋线圈产生等离子体，由于半导体晶圆是放置在远离线圈的地方，因而它不会受到电磁场的影响，通过在样品下方施加偏置电场来获得化学和物理刻蚀．电感耦合等离子体刻蚀的腐蚀速率高且损伤较低，能够在高宽深比窗口中获得各向异性的侧壁结构．

电感耦合等离子体设备(ICP)是通过射频电源(ICP Power)激发的电感耦合模式产生等离子体的．当ICP电源打开后，高频电场给电子提供能量，使之撞击反应室内的气体原子和分子．当电子能量大于分子键能时，被撞分子变成自由基形态；若电子能量超过分子的电离能，则被撞分子离化同时发射二次电子和光子，产生更多的自由基和离子，形成雪崩效应，最终获得等离子体．

针对GaN的刻蚀过程所使用的反应气体通常为Cl2/BCl3/N2，ICP刻蚀的化学反应主要包括两部分[11]，一是工作气体在磁感线圈的耦合作用下被激发而分解为游离的离子，第二个过程是活性离子与GaN材料的反应．其中化学刻蚀主要是Cl中性基团参与的，而N离子则在电场作用下直接轰击材料表面进行物理刻蚀．物理刻蚀能起到增强化学刻蚀的作用，一方面可打断化学键引起晶格损伤，另一方面促进附着物质、反应生成物脱离材料表面．

2 实验部分

2.1 试 样

实验所用的试样为在c面蓝宝石衬底上MOCVD生长的GaN基LED外延片，其基本结构包括如下各层：低温GaN层，厚度25 nm；u-GaN层，厚度1 μm；n-GaN层，厚度2.3 μm；InGaN层，20 nm；5组量子阱(MQW)层，阱和垒的厚度分别为InGaN/GaN=3/10 nm； p-GaN层，掺杂浓度为5×1017cm-3，厚度330 nm．将GaN外延片进行有机和无机清洗，然后切割成大小约1 mm×1 mm的样品，通过光刻及显影制作光刻胶掩模，光刻胶厚度约3.3 μm，随后使用烘箱进行30 min的坚膜以使光刻胶中的溶剂蒸发并固化光刻胶．

2.2 方法及设备

改变ICP系统的参数进行实验，在刻蚀过程中记录直流偏压(DC-bias)读数．使用台阶仪测量刻蚀后的样品表面台阶，使用有机溶剂去除残留的光刻胶后再次测量表面台阶，计算GaN材料的刻蚀速率及GaN与光刻胶的选择比．

使用的半导体材料刻蚀设备为聚昌科技股份有限公司制造的Cirie-200型双腔体电感耦合等离子体刻蚀系统，参照刻蚀程序设定为：ICP Power=700 W；RF Power=100 W；Pressure=5 mTorr；Cl2/BCl3/N2Flow =40/5/10 sccm；刻蚀时间恒定为400 s．通过改变刻蚀过程中的单一参数，研究ICP刻蚀的参数对刻蚀速率、选择比及直流偏压(DC-Bias)的影响．其中DC-Bias电压是指在等离子体区域与衬底之间形成的直流自偏置电压，它反映了反应离子获得的加速能量[12]．

3 实验与讨论

3.1 氯气比例对ICP刻蚀的影响

保持ICP Power=700 W，RF Power=100 W，Pressure=5 mTorr及刻蚀时间400 s不变，改变气体比例进行实验，研究刻蚀气体比例对刻蚀速率和刻蚀选择比的影响．实验设定总流量不变，Cl2与BCl3气体比例变化列于表1．通过实验及计算得到的刻蚀速率、GaN与光刻胶选择比和直流偏压DC-Bias随Cl2比例的变化的曲线见图1．

表1 Cl2流量变化值

从图1可见，随着氯气比例的增加，刻蚀速率逐渐上升，而选择比总趋势是下降的，直流偏压则变化幅度很小．这是由于当Cl2比例增大时，化学刻蚀的主要反应物质Cl原子密度增大，推动反应向正向进行，刻蚀速率从Cl2比例为32.7%时的4.3 nm/s升高到Cl2比例为76.4%时的6.5 nm/s．当Cl2比例增加时，物理刻蚀的比例减弱，化学刻蚀占主导，化学刻蚀对有机性质的光刻胶腐蚀影响更大，GaN与光刻胶的选择比逐渐减小，从Cl2比例为32.7%时的13.4降到Cl2比例为76.4%时的3.1．直流偏压的变化幅度很小，这是因为直流偏压与等离子体的密度和能量相关，而在保持气体总量不变的条件下，仅仅改变气体比例不会影响等离子体密度与所获得的能量，所以直流偏压的变化很小．

图1 GaN刻蚀速率、刻蚀选择比及直流偏压随Cl2比例的变化Fig.1 Etch rates of GaN, etch selectivity over photoresist and DC bias as a function of %Cl2 in Cl2/BCl3/N2 gas chemistry

3.2 腔体压力对ICP刻蚀的影响

保持ICP Power=700 W，RF Power=100 W，Cl2/BCl3/N2Flow =40/5/10 sccm，刻蚀时间400 s不变，改变腔室压力进行实验，研究腔室压力对刻蚀速率和刻蚀选择比的影响．实验设定腔室压力分别为4，5，8，11，14，17，20和30 mTorr．

图2为刻蚀速率、GaN与光刻胶材料选择比和直流偏压DC-Bias随气压的变化曲线．从图2可见：随着气压的增加，刻蚀速率在11 mTorr时达到最大值7.37 nm/s，然后逐渐下降，在腔体气压为30 mTorr时变为4.28 nm/s；GaN与光刻胶的选择比从4 mTorr时的2.37降低为30 mTorr时的1.18，总体呈下降趋势；DC-bias直流偏压持续增大，从4 mTorr时的132.5 V增大到30mTorr时的350.5 V．

图2 GaN刻蚀速率、刻蚀选择比及直流偏压随腔室气压的变化Fig.2 Etch rates of GaN, etch selectivity over photoresist and DC bias as a function of operating pressure

在等离子体刻蚀过程中，当气压升高时刻蚀速率首先增大随后会减小．这是因为随着压强增大，腔体中注入的气体分子数量增大，电离形成的等离子的体密度也随之增大，更多的粒子参与到与材料反应中，使刻蚀速率增加．但是随着压强继续增大，等离子体的产生过程趋于饱和，参与刻蚀过程的粒子比例减少，同时粒子密度增大也会使碰撞复合过程增强，单个等离子体的能量减少，这两个原因使得刻蚀速率降低．选择比整体变化是呈下降趋势，这是因为等离子体密度增大，对光刻胶的轰击更剧烈，光刻胶的刻蚀速率迅速增加．当ICP刻蚀的腔体压力增大时，由于RF Power固定为100 W，单个等离子体获得的能量减少，同时高密度的粒子发生散射也会使得直流偏压不断增大．

3.3 ICP功率对ICP刻蚀的影响

保持RF Power=100 W，Pressure=5 mTorr，Cl2/BCl3/N2Flow =40/5/10 sccm，刻蚀时间400 s不变，改变ICP功率进行实验，研究ICP功率对刻蚀速率和刻蚀选择比的影响．实验设定ICP功率分别为100，200，300，400，500，600和700 W进行实验．

图3为刻蚀速率、GaN与光刻胶选择比和直流偏压DC-Bias随ICP 功率的变化曲线．从图3可见：随着上电极功率的增加，刻蚀速率从100 W时的1.32 nm/s升高到600 W时的6.54 nm/s，随后有所下降，在800 W时减少为6.03 nm/s；GaN与光刻胶的选择比变化规律不是很明显，开始呈上升趋势，而在500 W之后的条件下有起伏； DC-bias直流偏压是持续减小的，从100 W时的394 V减小到800 W时的125.5 V．

ICP功率对等离子体的密度有很大影响，气体的电离程度会随之增大而加强，从而使得参与化学刻蚀的粒子数目增多，刻蚀速率增大；而当ICP功率增大到一定程度时，Cl2/BCl3电离饱和，等离子体的热运动开始起主导作用，粒子之间的碰撞复合使得到达材料表面的有效反应离子能量降低，方向性变差，刻蚀速率也随之下降．

关于直流偏压DC-bias的变化，文献[13]报道指出，随着ICP功率的增大，等离子体产生的方式会由E模式(电容耦合模式)转变为H模式(电感耦合模式)，相对应的偏压会先升高而后降低．在本实验测量的数据中，直流偏压一直呈下降状态，认为由于腔体工作气压恒定为一个较小的数值5 mTorr，电容耦合模式提早结束，离子束的密度是随ICP功率提高而正向增大的，因此直流偏压也在整体上表现为下降趋势．

图3 GaN刻蚀速率、刻蚀选择比及直流偏压随ICP功率的变化Fig.3 Etch rates of GaN, etch selectivity over photoresist and DC bias as a function of ICP Power

3.4 RF功率对ICP刻蚀的影响

保持ICP Power=700 W，Pressure=5 mTorr，Cl2/BCl3/N2Flow =40/5/10 sccm，刻蚀时间400 s不变，改变RF功率进行实验，研究RF功率对刻蚀速率和刻蚀选择比的影响．实验设定RF功率分别为20，50 ，80，100，110，140和170 W．

图4为刻蚀速率、GaN与光刻胶选择比和直流偏压DC-Bias随RF Power的变化曲线．从图4可见：随着RF功率的增加，刻蚀速率从20 W时的0.74 nm/s升高到200 W时的10.14 nm/s；GaN与光刻胶的选择比变化规律是开始呈上升趋势，由20 W时的0.70上升到110 W时的6.32，随后逐渐下降，在200 W时降为2.31； DC-bias直流偏压是持续增大的，从20 W时的23 V升高到200 W时的262 V．

图4 GaN刻蚀速率，刻蚀选择比和直流偏压随RF功率的变化Fig.4 Etch rates of GaN, etch selectivity over photoresist and DC bias as a function of RF Power

等离子体获得的能量与RF功率密切相关，离子在电场的加速下，获得的速率越快，同时方向性也越好，对材料表面的轰击也得到增强．离子轰击不仅会打断共价键，腐蚀GaN材料，同时也带走了材料表面的刻蚀生成物和聚合物等．RF功率对物理刻蚀的影响很大，因而也会增加对材料的损伤，高能量的等离子体撞击材料进而破坏晶格排列，会使器件的反向漏电特性劣化，刻蚀后进行高温退火能够部分修复离子轰击引入的损伤[14]，因此选择合适的RF功率至关重要．直流偏压逐渐增大是离子获得更多能量的一个表征，它随RF功率增大而同向增大．

光刻胶与GaN材料的选择比在本实验中的数值并不准确，因为经过400 s长时间刻蚀后，大部分掩膜已经被破坏，仅提供参考意义．

通过对ICP刻蚀工作参数的研究，选取了合适的刻蚀速率、较高的选择比及较低的直流偏压，即ICP Power=700 W，RF Power=80 W，Pressure=11 mTorr，Cl2/BCl3/N2Flow =40/5/10 sccm．使用光刻胶作为掩模刻蚀了1.837 μm深度的GaN材料，使用FEI Quanta 650扫描电镜观测了样品截面形貌(图5)．从图5可见：样品表面的光刻胶平整光滑，表明其对掩膜下方的GaN材料仍具有良好的保护性能；刻蚀台阶整齐连续，刻蚀倾角控制在75°以内，这对后续LED器件的电学性能及出光效率都有改善作用．

图5 刻蚀后的GaN样品的SEM截面图Fig.5 SEM cross-sectional micrograph of etched GaN sample

4 结 论

本文采用Cl2,BCl3,N2作为反应气体，利用电感耦合等离子体刻蚀(ICP)技术对GaN刻蚀工艺中的刻蚀速率、GaN与光刻胶选择比以及直流偏压做了研究．结果表明：GaN材料的刻蚀速率主要受ICP功率与RF功率的影响，其中随着ICP功率增大刻蚀速率会逐渐饱和；氯气比例的增加对GaN与光刻胶的选择比影响最大；直流偏压会随着ICP功率提高而降低，随着腔室气压或RF功率增大而升高．研究结果对调节GaN材料刻蚀速率和刻蚀、提高GaN器件性能，以及缩小器件尺寸有重要意义．

[1] SCHUBERT E F.Light-Emitting Diodes[M]. Cambridge：Cambridge university press，2006.

[2] NAKAMURA S，MUKAI T，SENOH M，et al. Thermal annealing effects on p-type Mg-doped GaN films[J]. Jpn J Appl Phys，1992，31(2B)：L139-L142.

[3] AMANO H，KITO M，HIRAMATSU K，et al. P-type conduction in Mg-doped GaN treated with low-energy electron beam irradiation (LEEBI)[J].Jpn J Appl Phys，1989，28(12)：L2112-L2114.

[4] REN F，HAN J，HICKMAN R，et al. GaN/AlGaN HBT fabrication[J].Solid-State Electronics，2000，44(2)： 239-244.

[5] 韩郑生．半导体制造技术[M]. 北京：电子工业出版社，2004.

[6] 顾长志. 微纳加工及在纳米材料与器件研究中的应用[M]. 北京：科学出版社，2013.

[7] 夸克M，QUIRK M，SERDA J，等. 半导体制造技术[M]. 北京：电子工业出版社，2004.

[8] GONG Z，LIU N Y，TAO Y B，et al. Electrical, spectral and optical performance of yellow-green and amber micro-pixelated InGaN light-emitting diodes[J]. Semiconductor Science and Technology，2012，27(1)：15003-15009.

[9] CHEN W，HU G，JIANG J，et al. Electrically driven single pyramid InGaN/GaN micro light-emitting diode grown on silicon substrate[J]. Journal of Display Technology，2015，11(3)：285-291.

[10] LIU C，CAI Y，ZOU X，et al. Low-Leakage high-breakdown laterally integrated HEMT-LED via n-GaN Electrode[J]. IEEE Photonics Technology Letters，2016，28(10)：1130-1133.

[11] 宋颖娉，郭霞，艾伟伟，等. Cl2/BCl3ICP刻蚀GaN基LED的规律研究[J].微纳电子技术，2006，43(3)：125-129.

[12] ZHOU S，CAO B，LIU S. Optimized ICP etching process for fabrication of oblique GaN sidewall and its application in LED[J]. Applied Physics A，2011，105(2)：369-377.

[13] KEMPKES P，SINGH S V，PARGMANN C，et al. Temporal behaviour of the E to H mode transition in an inductively coupled argon discharge[J]. Plasma Sources Science and Technology，2006，15(3)：378.

[14] HAHN Y B，CHOI R J，HONG J H，et al. High-density plasma-induced etch damage of InGaN/GaN multiple quantum well light-emitting diodes[J]. Journal of Applied Physics，2002，92(3)：1189-1194.Study of inductively coupled plasma etching of GaN

REN Yuan，LIU Xiaoyan，LIU Jiucheng，LIU Ningyang，CHEN Zhitao

GuangdongResearchInstituteofsemiconductorIndustrialTechnology，Guangzhou510650，China

InordertofurtherregulatethekeyfeaturesizeofGaNmaterialetching,reducetheGaNmaterialetchingdamage,inductivelycoupledplasma(ICP)etchingofGaNissystemicallyinvestigatedbychangingCl2/BCl3/N2gasmixingratio,operatingpressureICPpowerandRFpower.Theetchingrate,etchselectivityofGaNoverPhotoresistandDC-biasisstudiedsystematicallyandthemechanismofchangesisanalyzed.Theoptimizedetchingprocess,usedformesaformationduringtheLEDfabrication,ispresented.Adepthof1.837micronsofGaNwasetchedusingphotoresistasthemask.Thesurfaceofthephotoresistissmooth.Etchingstepissharpwithananglelessthan75 °.

ICPetching；GaN；etchingrate；selectivity；DC-Bias

1673-9981(2016)03-0214-06

2016-08-12

广东省创新团队(2013C067)；广东省科技计划项目(2016B070701023)；广东省重大科技专项(2014B010119003，2015B010112002)；广东省应用型科技研发专项(2015B010129010，2015B010134001，2015B010132004)；广东省科研基础条件建设专题(2016GDASPT-0313，2016GDASPT-0219)

任远(1989-)，男，河北衡水人，工程师，硕士．

��

A