氮化镓的干法刻蚀工艺研究

李 攀， 卢 宏

（华中科技大学武汉光电国家研究中心，武汉430074）

0 引 言

人类社会的进步越来越离不开电力，电力的使用过程不可避免地要进行直流交流转换，在该过程中会产生损耗，而环保问题日益突出。直流交流转换需要功率器件，而第一代硅功率器件正逐渐被更加节能、环保的，以GaN为代表的第3代半导体材料所替代［1］。Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体以其特殊的材料特性广泛应用于HEMT［2］、激光器［3-6］、调制器［7］、探测器［8-9］、LED［10-11］等各种光电子器件中。感应耦合等离子（ICP）干法刻蚀具有比反应离子刻蚀更高的等离子密度、更低的损伤，还具有更好的侧壁形貌、更高的刻蚀速率和选择比［12］，可以进行各向异性刻蚀。

Shul等［14］采用ICP 通入Cl2、H2、Ar刻蚀GaN，得到了光滑的形貌和光滑陡直的侧壁。Han等［15］采用Cl2、BCl3、Ar等气体对GaN／AlGaN 进行刻蚀，提高了ICP刻蚀效果，得到了比刻蚀前更加光滑的刻蚀表面。

本文探索GaN等Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的刻蚀方法，分析刻蚀速率及刻蚀形貌。研究不同掩膜的刻蚀选择比，为这些半导体材料的干法刻蚀提供参考。

1 GaN系材料的干法刻蚀

ICP干法刻蚀原理如图1所示。本文采用英国Oxford公司的Plasmalab System 100（ICP 180）刻蚀机对GaN材料的刻蚀工艺进行探索，采用美国KLA公司KLA TENCOR P16＋台阶仪测试刻蚀深度，采用荷兰FEI公司的SIRION 200场发射扫描电镜观察刻蚀形貌。通常刻蚀采用的掩膜有光刻胶（Photo Resist，PR）、SiO2、金属等，本文对PR和SiO2等掩膜分别进行刻蚀，并观察形貌。

2 SiO2掩膜刻蚀GaN工艺

刻蚀参数见表1。表中：tPre指气流稳定吹扫时间；t是刻蚀时间；PICP是电感射频功率；PRF指下电极偏置射频功率；Temp为腔体温度；UDC，BIAS为自偏压；vER为刻蚀速率；选择比指材料刻蚀速率与掩膜刻蚀速率的比值。

图1 ICP体刻蚀原理图［13］

使用直径约5 cm小圆片放在石英盘上刻蚀，刻蚀SiO2掩膜厚度约480 nm，刻蚀后的GaN截面SEM形貌如图2所示。由图2可知，刻蚀效果较好，刻蚀侧壁较垂直。根据测量结果，刻蚀速率约1 μm／min，选择比为1∶7.8。

表1 ICP刻蚀SiO2掩膜GaN的主要参数

图2 SiO2掩膜刻蚀GaN的截面形貌

3 PR掩膜刻蚀GaN

PR掩膜的刻蚀做了两个试验（PR厚度3 μm左右），使用PR为AZ6130，匀胶两次，刻蚀参数见表2。

表2 ICP刻蚀PR掩膜GaN的主要参数

使用PR掩膜时，为了解决刻蚀时温度过高，PR易碳化的问题，需要尽可能地降低刻蚀的ICP功率，而增大RF功率，即增大物理刻蚀的效果。其刻蚀效果见图3。

图3 PR掩膜刻蚀GaN的截面形貌

由图3可见，使用PR掩膜时，刻蚀侧壁较垂直，但是随着刻蚀ICP功率的增大，两层光刻胶由于烘干时间不足，产生了分层，导致刻蚀有台阶。因此使用PR掩膜进行刻蚀时，需要将光刻胶彻底烘干，且最好一次匀胶，保证光刻胶的均匀性。

4 GaN侧边倾斜角较大的刻蚀

有时需要刻蚀的侧壁有一定的倾斜度，其刻蚀工艺见表3。为了得到刻蚀效果为侧壁较倾斜，需要增大BCl3的比例，减小直流BIAS偏压，使BCl3的侧壁保护效果得到加强，其效果见图4。

表3 ICP刻蚀倾斜侧壁GaN的主要参数

图4 倾斜侧壁GaN的刻蚀截面形貌

由图4可知，使用该程序可以达到要求，但是在刻蚀的时候会降低刻蚀的速率及刻蚀的选择比。

5 刻蚀的均匀性及重复性

5.1 刻蚀均匀性

均匀性采用在相对极差的一半前面加上“±”来表示。刻蚀的均匀性的测试，晶圆片的测试是选择两个小片，放在直径约10 cm晶圆托盘上刻蚀，然后测试两片之间的均匀性。对于小片之间的均匀性，主要采取在4个位置每个位置放置1个小片，然后进行刻蚀，再测试其均匀性。其试验工艺参数见表4。其中№8刻蚀目的是为了测试片内的均匀性，共放置片子为2个小片，刻蚀效果见图5，均匀性测试结果数据见表5。

表4 ICP刻蚀GaN的主要参数

图5 GaN的刻蚀截面形貌

表5 ICP刻蚀GaN的均匀性测试结果

№9刻蚀目的是为了测试4个小片之间的均匀性，共放置4个小片，均匀性测试数据见表6。刻蚀效果见图6。

表6 ICP刻蚀GaN的均匀性测试结果

图6 刻蚀均匀性测试截面形貌

5.2 刻蚀重复性测试

重复性采用在相对极差的一半前面加上“±”来表示［16］。重复性是短时间内由同一程序连续刻蚀后进行对比。由上面的试验№8和№9的数据可以计算出两次刻蚀的重复性为±2.51%。

6 结 语

研究了GaN刻蚀的刻蚀速率、选择比、形貌，分别对金属掩膜、SiO2掩膜和PR掩膜刻蚀形貌进行了对比。研究了工艺气体对刻蚀形貌、刻蚀速率、选择比的影响。实验结果表明，采用Cl基气体可以对GaN材料进行刻蚀，刻蚀侧壁及底部形貌光滑。增大BCl3的比例可以获得倾斜侧壁的GaN刻蚀形貌。