《炬丰科技-半导体工艺》ICP刻蚀氮化镓基LED结构的研究
书籍：《炬丰科技-半导体工艺》
文章：ICP刻蚀氮化镓基LED结构的研究
编号：JFKJ-21-826
作者：炬丰科技
摘要
氮化镓作为一种宽带隙半导体，已被用于制造发光二极管和激光二极管等光电器件。最近已经开发了几种用于氮化镓基材料的不同干蚀刻技术。电感耦合等离子体刻蚀因其优越的等离子体均匀性和强可控性而备受关注。以往的大部分报道都强调单个氮化镓薄膜的电感耦合等离子体刻蚀特性。本研究采用电感耦合等离子体刻蚀法对氮化镓基发光二极管结构进行干法刻蚀，刻蚀气体为氯气，添加气体为三氯化硼。研究了刻蚀气体流量、电感耦合等离子体功率、射频功率和室压等关键工艺参数对氮化镓基发光二极管结构刻蚀性能的影响，包括刻蚀速率、选择性、刻蚀表面形貌和侧壁。使用深度轮廓仪测量蚀刻深度，并用于计算蚀刻速率。用扫描电子显微镜观察蚀刻剖面。
介绍
氮化镓作为一种宽带隙半导体，已被用于制造发光二极管和激光二极管等光电器件 。在光电子器件的制造过程中，蚀刻是图案化所需的技术。由于氮化镓的化学惰性和高热稳定性，没有辅助的湿法刻蚀方法是不合适的。最近已经开发了几种不同的GaN基材料干法刻蚀技术，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 。在这些干法蚀刻方法中，ICP蚀刻因其优越的等离子体均匀性和强可控性而具有吸引力。
在这项工作中，我们重点研究了氮化镓基发光二极管结构的刻蚀特性，包括刻蚀速率、选择性、刻蚀表面形貌和侧壁，这些与刻蚀气体流速、电感耦合等离子体功率、射频功率和腔室压力等关键工艺参数有关，其中Cl2为基础气体，BCl3为附加气体。
实验
在这项工作中，氮化镓基多量子阱发光二极管晶片生长金属有机化学气相沉积(MOCVD)。发光二极管结构包括1.5μm厚的未掺杂氮化镓层、3μm厚的n-氮化镓层、0.15μm厚的InGaN-GaN多量子阱有源层、30 μm厚的pAlGaN层和0.3μm厚的p-氮化镓层。采用等离子体增强化学气相沉积法在氮化镓表面沉积了一层480纳米厚的二氧化硅作为刻蚀掩膜。执行标准光刻工艺和湿法蚀刻以在二氧化硅膜上形成图案作为掩模。干蚀刻工艺在等离子体系统(牛津等离子体系统100)中进行。Cl2用作基础气体，而三氯化硼用作添加气体。总气体流速保持在50标准立方厘米每分钟(sccm)。电感耦合等离子体功率在0到1200瓦之间变化，射频功率在100到500瓦之间，工作压力在5到15托之间。在蚀刻过程中，背面冷却的样品卡盘的温度保持在23 ℃。在缓冲氧化物蚀刻剂中去除二氧化硅层后，使用深度轮廓仪测量蚀刻深度，并用于计算蚀刻速率，用扫描电子显微镜观察蚀刻剖面。
结果和讨论
图1显示了在1000瓦的电感耦合等离子体功率、100瓦的射频功率和7托的室压下，样品的蚀刻速率和对二氧化硅的蚀刻选择性。从图1可以看出，蚀刻速率随着三氯化硼的增加而降低，蚀刻选择性也随着气体混合物中三氯化硼百分比的增加而降低。在纯Cl2气体中获得的最高蚀刻速率约为262纳米/分钟。当在纯Cl2气体中加入三氯化硼时，蚀刻选择性迅速降低，在100% Cl2中，选择性高达约66左右。
ICP功率对蚀刻速率和选择性的影响如图2所示。在蚀刻过程中，气体比、射频功率和腔室压力分别保持在20%BCl3/80%Cl2和7mtorr。蚀刻速率随着ICP功率从300W增加到500W而增加。当ICP功率进一步增加时，蚀刻速率降低。可以导致蚀刻速率的初始增加随着离子密度随ICP功率的增加而增加。蚀刻速率的降低可能是由于离子能量的降低所致。蚀刻选择性随着ICP功率的增加而降低。
图4显示了在ICP功率1000W、20%BCl3/80%Cl2和射频功率100W时，腔室压力对蚀刻速率和选择性的影响。蚀刻速率随着压力的增加而增大，达到最大值，然后随着腔室压力的进一步增加而减小。在10mtorr的腔室压力下获得的最高蚀刻速率约为253nm/min。蚀刻选择性随腔室压力的增加而单调增加。
一些蚀刻剖面图如图5所示。可以看出，不同的蚀刻参数影响了侧壁的形态。气体混合物中三氯化硼%的增加降低了蚀刻的各向异性。ICP功率对蚀刻各向异性的影响并不明显。更高的射频功率可以导致更垂直的侧壁。
