基于ICP刻蚀GaN选择比的研究

摘 要：在干法刻蚀GaN时使用AZ-4620作为掩膜层，为了在较快的GaN刻蚀速率下获得良好的GaN/AZ-4620刻蚀选择比，使用电感耦合等离子刻蚀机（ICP），运用Cl2和BCl3作为刻蚀气体，改变气体总流量、直流自偏压、ICP功率、气体组分等工艺条件，并讨论了这些因素对GaN/AZ-4620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225nm/min时的GaN/AZ-4620选择比为0.92，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；偏置功率

中图分类号：TN305文献标识码：B

Research on the Etching Selectivity of GaN

GUO Xiong-wei, DONG Chao-jun

(Information Engineering School, Wuyi University, Jiangmen Guangdong 529020, China)

Abstract: A Cl2/BCl3 inductively-coupled plasma (ICP) was used to etch GaN, using AZ-4620 as the barrier layer, The etching selectivity of GaN/AZ-4620 was improved by changing the total flow rate, DC bias, ICP power, and the ratio of Cl2 was discussed. Experimental results indicate that the selectivity of GaN/AZ-4620 can reach to 0.92 while the etching rate of GaN is 225 nm/min. It fits to the practical production.

Keywords: selectivity; inductively-coupled plasma(ICP); dry etch; bias power

引 言

GaN因其宽带隙（Eg=3.4eV）以及良好的稳定性而广泛应用于大功率微波器件、短波长发光器件和高温电子器件[1]。在制作以GaN为外延片材料的发光二极管（LED）时，将数个独立的LED串联起来用以提高总的发光亮度，即制作高电压LED做路灯照明使用，需要将GaN进行6.5μm左右深度的隔离刻蚀，由于事先要对GaN刻蚀到N-GaN层以引出电极层，刻蚀深度约1.5μm，故还需刻蚀5μm才能实现隔离刻蚀。而对于一般光阻厚度不到4μm，且与GaN选择比小于1，从而选择一款厚胶AZ-4620作为掩蔽物，其厚度可达8～10μm。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AZ-4620作为干法刻蚀时的掩模层，因此需要较好的GaN/AZ-4620刻蚀选择比才能达到5μm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，影响生产效率。

目前有很多关于GaN刻蚀速率的文章，但关于GaN/AZ-4620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AZ-4620刻蚀速率比值）目前少有专门报道。本文主要对这方面进行了实验和分析。

1实验过程

1.1制作掩膜

通常一种做法是用SiO2做掩膜，其选择比可达到8:1。然而使用化学气相沉积SiO2设备昂贵，但用AZ-4620做掩膜工艺成本低，而且有利于LED芯片电极的稳定。在以2英寸蓝宝石衬底的GaN外延层上用涂布机涂上AZ-4620，然后将其曝光、显影出图形，完成掩膜的制作。

1.2感应耦合等离子体（ICP）刻蚀

本实验采用的ICP刻蚀设备是日系RIE系列，使用感应耦合方式（Inductively Coupled Plasma）的化合物半导体工艺用的多片刻蚀设备。该设备是在ICP刻蚀机上获得丰富经验的基础上研发的LED制造工艺专用氮化镓刻蚀机，采用大面积基座，大幅度提高产量的专刻氮化镓（GaN）的高密度等离子（ICP）刻蚀机。反应室腔体体积为35L，刻蚀时的压力为0.3～0.5Pa（随气体总流量变化），极限真空为2×10-5Pa，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1,000W、600W。采用Cl2/BCl3作为刻蚀气体，在不同气体总流量（20～60mL/min）和偏置功率（20～100W）、气体组分（Cl2：10%～80%）、ICP功率P（100～500W）等条件下进行刻蚀[2,6]。

1.3检测数据

使用台阶仪来测量ICP刻蚀前后AZ-4620的厚度及刻蚀前后外延片的台阶深度，从而计算出高度差，得出GaN/AZ-4620刻蚀选择比。

ICP刻蚀会受到各种工艺条件的影响，因此工艺条件的变化对于GaN/AZ-4620刻蚀选择比影响也十分敏感。本文通过在不同工艺条件下，实验得到GaN刻蚀速率V以及GaN/AZ-4620刻蚀选择比R，如下所示为实验数据及分析。

1.3.1图1实验数据分析

图1所示为Pbias=50W、PICP=280W、PAPC=0.3～0.5Pa、Cl2与BCl3的流量比为3:1时，GaN/AZ-4620刻蚀选择比与速率、气体总流量的关系。由图1可以看出，当气体总流量由20mL/min增大到60mL/min时，GaN刻蚀速率加快，而且GaN/AZ-4620选择比由0.6增大到0.9。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AZ-4620的刻蚀速度的提高，从而选择比变大。

1.3.2图2实验数据分析

图2所示为PAPC=0.5Pa、PICP=280W、Cl2与BCl3流量分别为45mL/min、15mL/min时，不同偏置功率下GaN刻蚀速率和选择比关系曲线。由图2可以看出，随着偏置功率加大，GaN刻蚀速率增大，使用合适的偏置功率会得到较好的选择比。由于偏置功率能给予等离子体边缘的粒子一个很大的加速度冲向晶片进行刻蚀，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垂直轰击随之增大[7]，使得GaN刻蚀速率变大，此时GaN表面造成的损伤也加大[8]。可以得出在不同偏置功率时，等离子体对GaN和AZ-4620的轰击程度并不成线性关系，而导致选择比变化，于是可取一个合适的值（如图偏置功率为50W），可以得到选择比为0.92。

1.3.3图3实验数据分析

图3所示为Pbias=50W、PAPC=0.4Pa、Cl2与BCl3流量分别为30mL/min、10mL/min时，R与V、PICP的关系曲线。由图3可以看出，随着ICP功率加大，GaN/AZ04620刻蚀选择比呈缓慢下降趋势，在功率较大时下降较快。而在开始时，随着ICP功率的逐渐加大，GaN刻蚀速率增大，但当ICP功率增大到一定值时，刻蚀速率反而会变小。由于刻蚀腔里反应气体的流量是固定的，当ICP功率加大时，刻蚀腔体里的气体逐渐电离成等离子体，随着等离子体浓度增大，其与GaN和AZ-4620接触得也越充分，从而GaN和AZ-4620刻蚀速率也增大，但GaN更明显，因此选择比缓慢下降。由图可得，当达到某个功率（如280W）时，刻蚀气体完全电离，使得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同性刻蚀，使得在继续加大功率（大于280W）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AZ-4620刻蚀速率都变慢，且对GaN影响更大，从而使选择比降低[7]。

1.3.4图4实验数据分析

图4所示为PICP=280W、Pbias=50W、q=60mL/ min、PAPC=0.5Pa时，不同Cl2含量与GaN/AZ-4620刻蚀选择比和刻蚀速率的关系。由图4可以看出，在总流量不变且Cl2由 10%提高至75%时，选择比由0.58增大到0.92，在这个过程中，GaN刻蚀速率由30nm/min增加到230nm/min。因为当Cl2含量增加时，化学刻蚀急剧增强并占据刻蚀的主导地位，对GaN的刻蚀加快，且大于AZ-4620的刻蚀速度的变化，从而选择比变大[7,9]。Cl2的作用主要是化学刻蚀，如果含量过高会导致PAPC刻蚀剖面不垂直，并且也需要一定量的BCl3来做物理垂直刻蚀，这对于制作大功率LED隔离槽中细栅条是不利的[9]。

2结论

实验通过改变气体总流量、直流自偏压、ICP功率、气体组分等工艺条件，为在保证一定的GaN刻蚀速率的情况下尽量提高GaN/AZ-4620的刻蚀选择比，结果表明，GaN/AZ-4620的刻蚀选择比受到各种工艺条件的直接影响，并且呈现出一定的规律。其中在提升GaN刻蚀速率的同时，提高反应气体总流量对于GaN/AZ-4620选择比也会有较大的提高，另外还要兼顾刻蚀损伤的影响。最终得出优化工艺条件：PAPC=0.5Pa，PICP为28W，Pbias为50W，Cl2、BCl3流量分别为45mL/min、15mL/min，此条件下GaN的刻蚀速率为225nm/min，选择比可达到0.92，可用于实际生产。本文解决了在高压LED芯片前段制作过程需要隔离刻蚀的问题，为后续芯片电极制作扫清了障碍。

参考文献

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[9] CHO B C, IM Y H, HAHN Y B, et al. Inductivily coupled plasma etching of doped GaN films with Cl2/Ar discharges[J]. Electrochem Society, 2000, 147(10): 3914-3915.

作者简介：郭雄伟（1987-），男，湖北天门人，在读硕士研究生，研究方向为模式识别与智能系统，E-mail：。董超俊，博士，教授，硕士生导师，研究方向为智能交通控制、模式识别与智能系统。