关于氮化镓的干蚀刻综述

引言

GaN及相关合金可用于制造蓝色/绿色/紫外线发射器以及高温、高功率电子器件。由于 III 族氮化物的湿法化学蚀刻结果有限，因此人们投入了大量精力来开发干法蚀刻工艺。干法蚀刻开发一开始集中于台面结构，其中需要高蚀刻速率、各向异性轮廓、光滑侧壁和不同材料的同等蚀刻。

然而，随着对高功率、高温电子器件的兴趣增加，蚀刻要求扩大到包括光滑的表面形态、低等离子体引起的损伤以及发生一层或另一层的选择性蚀刻。与其他化合物半导体相比，III 族氮化物的惰性化学性质和强键能使干法蚀刻开发变得更加复杂。

反应离子蚀刻

RIE利用蚀刻机制的化学和物理成分来实现各向异性轮廓、快速蚀刻速率和尺寸控制。RIE等离子体通常通过在反应气体中的两个平行电极之间施加13.56 MHz的射频(rf)功率来产生（图1）。将基板放置在通电电极上，在电极上感应出电势，离子能量（定义为穿过等离子体鞘层）通常为几百eV。RIE在低压下运行，范围从几mTorr到200mTorr，由于平均自由程增加和鞘层加速期间离子的碰撞散射减少，因此促进了各向异性蚀刻。

图1：蚀刻平台的示意图 

蚀刻速率随着直流偏压的增加而增加，在-400V时蚀刻速率>500 Å/min。在150℃的BCl3中蚀刻速率为1050Å/min。III族氮化物的较佳RIE结果是在高离子能量条件下的氯基等离子体中获得的，其中 III-N 键断裂和蚀刻产物从表面的溅射解吸是有效的。

在这些条件下，可能会发生等离子体损伤并降低电气和光学器件的性能。降低离子能量或增加等离子体中的化学活性以较大程度地减少损坏通常会导致蚀刻速率变慢或各向异性轮廓变小，从而显着限制关键尺寸。因此，有必要寻求将高质量蚀刻特性与低损伤结合起来的替代蚀刻平台。

高密度等离子体

与 RIE 相比，使用包括电子回旋共振 (ECR)、电感耦合等离子体 (ICP) 和磁控管 RIE (MRIE) 在内的高密度等离子体蚀刻系统，改善了 III 族氮化物的蚀刻特性。这一观察结果归因于等离子体密度比 RIE 高 2 至 4 个数量级，从而提高了 III-N 键断裂效率和表面上形成的蚀刻产物的溅射解吸。

此外，由于与 RIE 相比，离子能量和离子密度可以更有效地解耦，因此更容易控制等离子体引起的损伤。随着射频偏置的增加，表面损坏的可能性也会增加。图2显示了典型高密度等离子体反应器中等离子体参数和样品位置的示意图。

图2：高密度等离子刻蚀工艺示意图

化学辅助离子束蚀刻

化学辅助离子束蚀刻(CAIBE)和反应离子束蚀刻（RIBE）也已用于蚀刻III族氮化物薄膜，在这些过程中，离子在高密度等离子体源中产生，并通过一个或多个栅极加速到基板。在CAIBE中，反应气体被添加到加速栅极下游的等离子体中，从而增强蚀刻机制的化学成分，而在RIBE中，反应气体被引入离子源中。两种蚀刻平台都依赖相对高能的离子（200-2000eV）和低腔室压力（<5mTorr）来实现各向异性蚀刻轮廓。

反应离子束蚀刻

GaN、AlN和InN的RIBE去除率如图3所示，是在400eV和100mA电流下Cl2/Ar束中Cl2百分比的函数。去除率的趋势基本上遵循这些材料的键能。在固定的Cl2/Ar比率下，速率随束流能量的增加而增加。在非常高的电压下，由于在反应形成氯化物蚀刻产物之前活性氯从氮化物样品表面的离子辅助解吸，速率会饱和甚至降低。蚀刻轮廓是各向异性的，在特征的底部有轻微的沟槽。这通常归因于侧壁的离子偏转导致蚀刻特征底部的离子通量增加。

图3：RIBE 氮化物去除率与Cl2 /Ar束中Cl2百分比的函数关系