CN101552197A - 制造GaN基光电器件的低损伤ICP刻蚀方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及GaN基光电器件的制造方法，提供一种制造GaN基光电器件的低损伤ICP刻蚀方法，采用ICP刻蚀技术将p型GaN层刻蚀至n型GaN层，包括步骤：第一步主刻蚀，采用Cl2和Ar的混合气体作刻蚀气体，从p型GaN层刻蚀至n型GaN层上表面；第二步辅刻蚀，采用BCl3气体作刻蚀气体，从所述n型GaN层上表面刻蚀掉部分n型GaN。本发明可降低ICP刻蚀对p型GaN表面和n型GaN表面所带来的缺陷损伤和热损伤，使得后续清洗表面光刻胶的工艺简化，提高了生产效率和产品质量。
Description
技术领域
本发明涉及GaN基光电器件的制造方法，尤其是制造GaN基光电器件的低损伤ICP刻蚀工艺。
背景技术
随着集成电路最小尺寸不断减小、集成度不断提高以及硅单晶衬底尺寸的扩大，对刻蚀技术的要求也越来越高。除了具有高质量的刻蚀性能外，还要求在大规模量产中能保证极高的稳定性和极低的缺陷率，其工艺水平将直接影响到最终产品质量及生产技术的先进性。
等离子体刻蚀(也称干法刻蚀)是集成电路制造中的关键工艺之一，电感耦合等离子刻蚀(Inductive Coupled Plasma-ICP)作为一种现行的等离子体刻蚀技术，它通过电感耦合增加电子的运动路径，可达到增强等离子密度和能量的效果。ICP技术的优点是刻蚀形貌、刻蚀离子能量、密度可控。对于一些较难的刻蚀，例如对具有较大宽深比的MEMS器件的刻蚀，利用ICP也能行到满意的工艺结果。ICP刻蚀过程中存在十分复杂的化学过程和物理过程。其中化学过程主要包括两部分：其一是刻蚀气体通过电感耦合的方式辉光放电，产生活性游离基、亚稳态粒子、原子等以及它们之间的化学相互作用；其二是这些活性粒子与基片固体表面的相互作用。主要的物理过程是离子对基片表面的轰击。这里的物理轰击作用不等同于溅射刻蚀中的纯物理过程，它对化学反应具有明显的辅助作用，它可以起到打断化学键、引起晶格损伤、增加附着性、加速反应物的脱附、促进基片表面的化学反应及去除基片表面的非挥发性残留物等重要作用。对于刻蚀过程中的三个阶段：(1)刻蚀物质的吸附；(2)挥发性产物的形成；(3)产物的脱附，离子的轰击对任何一个过程都有重要影响。在不同情况下(不同的刻蚀气体及流量、工作压强、离子能量等)离子轰击对刻蚀的化学过程的加速机理可能有所不同。因此可根据不同的刻蚀要求，通过选择不同的时间、气体流量、压力、电极电压和气体的不同混合比来满足不同的工艺要求。与早期采用的刻蚀方法相比，ICP刻蚀能够对等离子的能量和密度分别进行控制，以得到合理的刻蚀速率和低的刻蚀损伤。由于GaN材料化学性质非常稳定，目前的GaN基器件制作主要依赖于等离子干法刻蚀。
目前，在GaN基LED制备中，由于蓝宝石衬底绝缘必须将LED结构从表面去除部分材料至重掺杂的n型GaN材料，并如图1所示，分别在台面结构p型和n型GaN材料上制备p型和n型电极，在该制备步骤中通常采用ICP刻蚀技术。图中1为蓝宝石衬底，2为牺牲层，3为n型GaN，4为多量子阱有源区，5为p型GaN，6为透明电流扩展层，7为p型电极，8为n型电极。其中，等离子体刻蚀GaN材料气体源通常用Cl2、BCl3、SiCl4、I2、Br2、CH4、SF6等作为气体源，与Ar、H2、N2等气体混合作为刻蚀气体。各种刻蚀气体的成分和组分的组合能获得不同的刻蚀速率和不同的刻蚀形貌。选择合适的刻蚀反应气体对刻蚀效果很重要。
然而，ICP刻蚀作为一种干法刻蚀会引入元素缺失等问题，极易形成非化学计量数的表面，并且会在半导体的表面形成一些陷阱中心，造成刻蚀表面的缺陷损伤，从而影响发光二极管等光电器件的稳定性和可靠性；另外，在其刻蚀过程中，高能离子会将光刻胶表面碳化，这种刻蚀表面的热损伤会使后续工艺，如对表面光刻胶的清洗等，带来困难。
中国专利公告号CN1949463，公告日是2007年4月18日，名称为“减少ICP刻蚀SiC表面损伤的方法”公开了一种减少ICP刻蚀SiC表面损伤的方法，其步骤包括：将保留金属图形的SiC材料置于感应耦合等离子体刻蚀系统中进行第一次ICP刻蚀，实现SiC材料的图形化；再取出SiC材料，氮气吹洗，将SiC材料置于ICP刻蚀系统中，进行第二次ICP刻蚀。然所述方法工序复杂，耗时长，且仅适用于SiC材料。
相比其他材料，在刻蚀GaN中所使用的刻蚀条件要求有更高的功率、偏压和等离子体密度，这样刻蚀损伤也就更容易发生。为了保证GaN基发光二极管等光电器件的稳定性和可靠性，提高发光二极管的发光效率，在制造发GaN基发光二极管等光电器件的工艺中，利用ICP刻蚀技术时，如何降低ICP刻蚀对p型GaN表面和n型GaN表面所带来的缺陷损伤和热损伤，已成为本领域技术人员亟待解决的技术课题。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种制造GaN基光电器件的低损伤ICP刻蚀方法，该方法可降低ICP刻蚀对p型GaN表面和n型GaN表面所带来的缺陷损伤和热损伤。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
提供一种制造GaN基光电器件的低损伤ICP刻蚀方法，所述制造GaN基光电器件的方法包括制备n电极时从p型GaN层去除部分材料至n型GaN层，所述制造GaN基光电器件的低损伤ICP刻蚀方法，采用ICP刻蚀技术将p型GaN层刻蚀至n型GaN层，其特征在于，包括以下步骤：
第一步主刻蚀，采用Cl2和Ar的混合气体作刻蚀气体，其两种气体的体积比为Cl2∶Ar＝3～8∶1，工作气压为0.3-2Pa，ICP功率为120-180W，从p型GaN层刻蚀至n型GaN层上表面；
第二步辅刻蚀，采用BCl3气体作刻蚀气体，工作气压为0.3-2Pa，ICP功率为120-180W，从所述n型GaN层上表面刻蚀掉部分n型GaN。
其中，第一步主刻蚀的偏压(Bias)功率为15-40W，刻蚀速率为0.1um/min-0.15um/min；第二步辅刻蚀的偏压(Bias)功率为10-30W，刻蚀速率为0.03um/min-0.05um/min。
其中，所述刻蚀掉的部分n型GaN的厚度为0.03um-0.1um。
相较于现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明方法中的第一步主刻蚀中刻蚀气体、ICP功率等工艺条件可以保证在整个工艺过程中刻蚀速率维持在一个较高的水平，第二步辅刻蚀中采用BCl3气体作刻蚀气体可有效降低ICP刻蚀对n型GaN表面的刻蚀损伤。本发明的刻蚀工艺既保证生产效率，又降低了ICP刻蚀对p型GaN表面和n型GaN表面所带来的缺陷损伤和热效应损伤，提高了GaN基光电器件的稳定性和可靠性，使用该方法的发光二极管1000小时内的光强衰减降低约10％。
采用本发明的方法能使被刻蚀区域表面更光滑平整，为制备N、P电极带来简便。
另外，ICP刻蚀完后能更加快速有效的将表面光刻胶清洗干净，省去了ICP刻蚀完后由于高能等离子将光刻胶表面过度碳化而需用氧气等离子灰化表面的工序，直接用湿法清洗就能将光刻胶清洗干净，节约了生产成本，提高了生产效率和产品质量。
附图说明
图1是常见GaN基发光二极管截面示意图；
图2是本发明实施例中GaN基发光二极管截面示意图；
图3a-3c是本发明制造GaN基光电器件的低损伤ICP刻蚀方法的刻蚀流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体实施步骤，为了示出的方便附图并未按照比例绘制。
实施例一
请参照图2所示，其为本实施例中制备的GaN基发光二极管的截面示意图。制备该GaN基发光二极管时，可采用本领域常规生产设备及工艺方法，在蓝宝石衬底10上依次外延缓冲层20、n型GaN层30、有源层40和p型GaN层50，形成GaN基LED的材料结构；之后采用电子束蒸镀或溅射等方法，在p型GaN层50表面制备一层ITO(铟锡氧化物)层70；之后在其表面涂覆一层光刻胶80，采用光刻技术将一部分p型GaN层50上的ITO露出来，光刻胶厚度为1.5-3um，本实施例优选为2um；然后采用湿法腐蚀，将之前露出的ITO腐蚀掉，露出部分p型GaN，如图3a所示。
利用本发明所述的制造GaN基光电器件的低损伤ICP刻蚀方法，采用ICP刻蚀技术将露出部分的p型GaN层50刻蚀至n型GaN层30，包括以下步骤：
第一步主刻蚀，采用Cl2和Ar的混合气体作刻蚀气体，其两种气体的体积比为Cl2∶Ar＝3∶1，工作气压为0.3Pa，ICP功率为180W，从p型GaN层50刻蚀至n型GaN层30上表面，如图3b所示；
第二步辅刻蚀，采用BCl3气体作刻蚀气体，工作气压为0.3，ICP功率为180W，从所述n型GaN层30上表面刻蚀掉部分n型GaN，如图3c所示。
其中，第一步主刻蚀的偏压(Bias)功率为40W，刻蚀速率为0.15um/min；第二步辅刻蚀的偏压(Bias)功率为30W，刻蚀速率为0.05um/min。
其中，所述刻蚀掉的部分n型GaN的厚度为0.1um。
之后用湿法清洗将表面光刻胶清洗干净；然后在P区和N区制备电极，如图P电极90和N电极80。所得到的结构经研磨、抛光及切割等后续工艺，形成了高亮度的GaN基发光二极管，如图2。
实施例二
请参照图2所示，其为本实施例中制备的GaN基发光二极管的截面示意图。制备该GaN基发光二极管时，可采用本领域常规生产设备及工艺方法，在蓝宝石衬底10上依次外延缓冲层20、n型GaN层30、有源层40和p型GaN层50，形成GaN基LED的材料结构；之后采用电子束蒸镀或溅射等方法，在p型GaN层50表面制备一层ITO(铟锡氧化物)层70；之后在其表面涂覆一层光刻胶80，采用光刻技术将一部分p型GaN层50上的ITO露出来，光刻胶厚度为1.5-3um，本实施例优选为2um；然后采用湿法腐蚀，将之前露出的ITO腐蚀掉，露出部分p型GaN，如图3a所示。
利用本发明所述的制造GaN基光电器件的低损伤ICP刻蚀方法，采用ICP刻蚀技术将露出部分的p型GaN层50刻蚀至n型GaN层30，包括以下步骤：
第一步主刻蚀，采用Cl2和Ar的混合气体作刻蚀气体，其两种气体的体积比为Cl2∶Ar＝5∶1，工作气压为1Pa，ICP功率为150W，从p型GaN层50刻蚀至n型GaN层30上表面，如图3b所示；
第二步辅刻蚀，采用BCl3气体作刻蚀气体，工作气压为1Pa，ICP功率为150W，从所述n型GaN层30上表面刻蚀掉部分n型GaN，如图3c所示。
其中，第一步主刻蚀的偏压(Bias)功率为30W，刻蚀速率为0.12um/min；第二步辅刻蚀的偏压(Bias)功率为20W，刻蚀速率为0.04um/min。
其中，所述刻蚀掉的部分n型GaN的厚度为0.08um。
之后用湿法清洗将表面光刻胶清洗干净；然后在P区和N区制备电极，如图P电极90和N电极80。所得到的结构经研磨、抛光及切割等后续工艺，形成了高亮度的GaN基发光二极管，如图2。
实施例三
请参照图2所示，其为本实施例中制备的GaN基发光二极管的截面示意图。制备该GaN基发光二极管时，可采用本领域常规生产设备及工艺方法，在蓝宝石衬底10上依次外延缓冲层20、n型GaN层30、有源层40和p型GaN层50，形成GaN基LED的材料结构；之后采用电子束蒸镀或溅射等方法，在p型GaN层50表面制备一层ITO(铟锡氧化物)层70；之后在其表面涂覆一层光刻胶80，采用光刻技术将一部分p型GaN层50上的ITO露出来，光刻胶厚度为1.5-3um，本实施例优选为2um；然后采用湿法腐蚀，将之前露出的ITO腐蚀掉，露出部分p型GaN，如图3a所示。
利用本发明所述的制造GaN基光电器件的低损伤ICP刻蚀方法，采用ICP刻蚀技术将露出部分的p型GaN层50刻蚀至n型GaN层30，包括以下步骤：
第一步主刻蚀，采用Cl2和Ar的混合气体作刻蚀气体，其两种气体的体积比为Cl2∶Ar＝8∶1，工作气压为2Pa，ICP功率为120W，从p型GaN层50刻蚀至n型GaN层30上表面，如图3b所示；
第二步辅刻蚀，采用BCl3气体作刻蚀气体，工作气压为2Pa，ICP功率为120W，从所述n型GaN层30上表面刻蚀掉部分n型GaN，如图3c所示。
其中，第一步主刻蚀的偏压(Bias)功率为15W，刻蚀速率为0.1um/min；第二步辅刻蚀的偏压(Bias)功率为10W，刻蚀速率为0.03um/min。
其中，所述刻蚀掉的部分n型GaN的厚度为0.03um。
之后用湿法清洗将表面光刻胶清洗干净；然后在P区和N区制备电极，如图P电极90和N电极80。所得到的结构经研磨、抛光及切割等后续工艺，形成了高亮度的GaN基发光二极管，如图2。
采用本实施例中的低损伤ICP刻蚀方法降低了ICP刻蚀对p型GaN表面和n型GaN表面所带来的缺陷损伤和热效应损伤，提高了GaN基发光二极管的稳定性和可靠性，使用该方法的发光二极管1000小时内的光强衰减降低约10％。直接用湿法清洗就能将光刻胶清洗干净，节约了生产成本，提高了生产效率和产品质量。
本发明的方法还可用于制备与本实施例所述GaN基发光二极管结构类似的光电器件。本发明中涉及的其他工艺条件为常规工艺条件，属于本领域技术人员熟悉的范畴，在此不再赘述。
上述实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。任何不脱离本发明精神和范围的技术方案均应涵盖在本发明的专利申请范围当中。
Claims (7)
1.一种制造GaN基光电器件的低损伤ICP刻蚀方法，采用ICP刻蚀技术将p型GaN层刻蚀至n型GaN层，其特征在于，包括以下步骤：
第一步主刻蚀，采用Cl2和Ar的混合气体作刻蚀气体，工作气压为0.3-2Pa，ICP功率为120-180W，从p型GaN层刻蚀至n型GaN层上表面；
第二步辅刻蚀，采用BCl3气体作刻蚀气体，工作气压为0.3-2Pa，ICP功率为120-180W，从所述n型GaN层上表面刻蚀掉部分n型GaN。
2.根据权利要求1所述制造GaN基光电器件的低损伤ICP刻蚀方法，其特征在于：所述第一步主刻蚀的偏压功率为15-40W。
3.根据权利要求1所述制造GaN基光电器件的低损伤ICP刻蚀方法，其特征在于：所述第一步主刻蚀的刻蚀速率为0.1um/min-0.15um/min。
4.根据权利要求1所述制造GaN基光电器件的低损伤ICP刻蚀方法，其特征在于：所述第二步辅刻蚀的偏压功率为10-30W。
5.根据权利要求1所述制造GaN基光电器件的低损伤ICP刻蚀方法，其特征在于：所述第二步辅刻蚀的刻蚀速率为0.03um/min-0.05um/min。
6.根据权利要求1所述制造GaN基光电器件的低损伤ICP刻蚀方法，其特征在于：所述刻蚀掉的部分n型GaN的厚度为0.03um-0.1um。
7.根据权利要求1所述制造GaN基光电器件的低损伤ICP刻蚀方法，其特征在于：第一步主刻蚀中所述其两种气体的体积比为Cl2∶Ar＝3～8∶1。
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