書籍：《炬豐科技-半導(dǎo)體工藝》

文章：ICP刻蝕氮化鎵基LED結(jié)構(gòu)的研究

編號：JFKJ-21-826

作者：炬豐科技

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摘要

氮化鎵作為一種寬帶隙半導(dǎo)體，已被用于制造發(fā)光二極管和激光二極管等光電器件。最近已經(jīng)開發(fā)了幾種用于氮化鎵基材料的不同干蝕刻技術(shù)。電感耦合等離子體刻蝕因其優(yōu)越的等離子體均勻性和強可控性而備受關(guān)注。以往的大部分報道都強調(diào)單個氮化鎵薄膜的電感耦合等離子體刻蝕特性。本研究采用電感耦合等離子體刻蝕法對氮化鎵基發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)進(jìn)行干法刻蝕，刻蝕氣體為氯氣，添加氣體為三氯化硼。研究了刻蝕氣體流量、電感耦合等離子體功率、射頻功率和室壓等關(guān)鍵工藝參數(shù)對氮化鎵基發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)刻蝕性能的影響，包括刻蝕速率、選擇性、刻蝕表面形貌和側(cè)壁。使用深度輪廓儀測量蝕刻深度，并用于計算蝕刻速率。用掃描電子顯微鏡觀察蝕刻剖面。

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介紹

????氮化鎵作為一種寬帶隙半導(dǎo)體，已被用于制造發(fā)光二極管和激光二極管等光電器件?。在光電子器件的制造過程中，蝕刻是圖案化所需的技術(shù)。由于氮化鎵的化學(xué)惰性和高熱穩(wěn)定性，沒有輔助的濕法刻蝕方法是不合適的。最近已經(jīng)開發(fā)了幾種不同的GaN基材料干法刻蝕技術(shù)，包括反應(yīng)離子刻蝕(RIE)、電子回旋共振(ECR)刻蝕和電感耦合等離子體(ICP)刻蝕?。在這些干法蝕刻方法中，ICP蝕刻因其優(yōu)越的等離子體均勻性和強可控性而具有吸引力。

在這項工作中，我們重點研究了氮化鎵基發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的刻蝕特性，包括刻蝕速率、選擇性、刻蝕表面形貌和側(cè)壁，這些與刻蝕氣體流速、電感耦合等離子體功率、射頻功率和腔室壓力等關(guān)鍵工藝參數(shù)有關(guān)，其中Cl2為基礎(chǔ)氣體，BCl3為附加氣體。

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實驗

在這項工作中，氮化鎵基多量子阱發(fā)光二極管晶片生長金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)。發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)包括1.5μm厚的未摻雜氮化鎵層、3μm厚的n-氮化鎵層、0.15μm厚的InGaN-GaN多量子阱有源層、30 μm厚的pAlGaN層和0.3μm厚的p-氮化鎵層。采用等離子體增強化學(xué)氣相沉積法在氮化鎵表面沉積了一層480納米厚的二氧化硅作為刻蝕掩膜。執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝和濕法蝕刻以在二氧化硅膜上形成圖案作為掩模。干蝕刻工藝在等離子體系統(tǒng)(牛津等離子體系統(tǒng)100)中進(jìn)行。Cl2用作基礎(chǔ)氣體，而三氯化硼用作添加氣體?？倸怏w流速保持在50標(biāo)準(zhǔn)立方厘米每分鐘(sccm)。電感耦合等離子體功率在0到1200瓦之間變化，射頻功率在100到500瓦之間，工作壓力在5到15托之間。在蝕刻過程中，背面冷卻的樣品卡盤的溫度保持在23 ℃。在緩沖氧化物蝕刻劑中去除二氧化硅層后，使用深度輪廓儀測量蝕刻深度，并用于計算蝕刻速率，用掃描電子顯微鏡觀察蝕刻剖面。

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結(jié)果和討論

????圖1顯示了在1000瓦的電感耦合等離子體功率、100瓦的射頻功率和7托的室壓下，樣品的蝕刻速率和對二氧化硅的蝕刻選擇性。從圖1可以看出，蝕刻速率隨著三氯化硼的增加而降低，蝕刻選擇性也隨著氣體混合物中三氯化硼百分比的增加而降低。在純Cl2氣體中獲得的最高蝕刻速率約為262納米/分鐘。當(dāng)在純Cl2氣體中加入三氯化硼時，蝕刻選擇性迅速降低，在100% Cl2中，選擇性高達(dá)約66左右。

ICP功率對蝕刻速率和選擇性的影響如圖2所示。在蝕刻過程中，氣體比、射頻功率和腔室壓力分別保持在20%BCl3/80%Cl2和7mtorr。蝕刻速率隨著ICP功率從300W增加到500W而增加。當(dāng)ICP功率進(jìn)一步增加時，蝕刻速率降低?？梢詫?dǎo)致蝕刻速率的初始增加隨著離子密度隨ICP功率的增加而增加。蝕刻速率的降低可能是由于離子能量的降低所致。蝕刻選擇性隨著ICP功率的增加而降低。

圖4顯示了在ICP功率1000W、20%BCl3/80%Cl2和射頻功率100W時，腔室壓力對蝕刻速率和選擇性的影響。蝕刻速率隨著壓力的增加而增大，達(dá)到最大值，然后隨著腔室壓力的進(jìn)一步增加而減小。在10mtorr的腔室壓力下獲得的最高蝕刻速率約為253nm/min。蝕刻選擇性隨腔室壓力的增加而單調(diào)增加。

一些蝕刻剖面圖如圖5所示?？梢钥闯?，不同的蝕刻參數(shù)影響了側(cè)壁的形態(tài)。氣體混合物中三氯化硼%的增加降低了蝕刻的各向異性。ICP功率對蝕刻各向異性的影響并不明顯。更高的射頻功率可以導(dǎo)致更垂直的側(cè)壁。

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