CN114551234A - 一种n极性iii-v族半导体材料的干法刻蚀工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种N极性III‑V族半导体材料的干法刻蚀工艺，涉及半导体材料技术领域。本发明所述干法刻蚀工艺为：对N极性III‑V族半导体材料进行ICP刻蚀，工作气体包含三氯化硼、氯气、氩气和含氟离子的刻蚀气体。本发明通过对工作气体的种类进行选择，使得刻蚀后的半导体材料的表面更为光滑、杂质较少。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料技术领域，尤其涉及一种N极性III-V族半导体材料的干法刻蚀工艺。
背景技术
III-V族材料因具有高的载流子迁移率和大的禁带宽度而在发光器件、高速器件、高温器件、高频器件、大功率器件等方面得到了更为广泛的应用。其中N极性HEMT因与传统的金属极性HEMT极性相反，具有更低的欧姆接触电阻、更好的二维电子气(2dimensionalelectron gas，2DEG)限阈性以及更强的短沟道效应抑制能力等，呈现出了更优异的器件性能。但研究表明，N极性III-V族半导体材料的活泼性更强，更容易吸附杂质，从而造成刻蚀表面的粗糙度大幅升高，对后续的工艺和器件制备都会产生很大的影响。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种N极性III-V族半导体材料的干法刻蚀工艺，以所述工艺刻蚀后的半导体材料的表面杂质较少，更为光滑。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：一种干法刻蚀工艺，所述干法刻蚀工艺为：对III-V族半导体材料进行ICP刻蚀，工作气体包含三氯化硼(BCl3)、氯气(Cl2)、氩气(Ar)和含氟离子的刻蚀气体。
传统的ICP刻蚀工艺主要为Cl基刻蚀体系，刻蚀过程以Cl-基团的化学反应为主，刻蚀效率较高；三氯化硼能够轰击反应腔室中的水分和氧气，帮助减少表面氧化物的产生；Ar气在高能等离子体系中形成Ar+，对刻蚀副产物产生物理轰击作用，可以改善刻蚀均匀性。但发明人实验发现，N极性的III-V族半导体材料容易吸附杂质，采用刻蚀金属极性III-V族半导体材料的方法来刻蚀N极性III-V族半导体材料，难以使刻蚀面达到光滑的效果。发明人通过大量的实验发现，在工作气体中增加含氟离子的刻蚀气体后，材料表面对杂质的吸附现象有所缓解，表面粗糙度更低。
优选地，所述III-V族半导体材料为Al(Ga)N。
优选地，当所述III-V族半导体材料为AlxGa1-xN，且x≥0.4时，采用一步法刻蚀，工作气体中三氯化硼的体积流量为5～10sccm，氯气的体积流量为20～30sccm，氩气的体积流量为5～15sccm，含氟离子的刻蚀气体的体积流量与三氯化硼和氯气总体积流量的比值为1:(10～32)。
不同的工作气体之间存在协同及抗衡的关系，氯气的占比过高，产生的杂质较多，占比过低，刻蚀效率较低；通入含氟离子的刻蚀气体后，杂质可以被去除掉，但占比过高时，刻蚀速率会明显降低，并且会使材料表面产生新的刻蚀产物。当四种气体的体积流量比符合上述限定时，刻蚀过程的可控性更强，材料表面吸附的杂质更少，粗糙度更低。
优选地，当所述III-V族半导体材料为AlxGa1-xN，且x＜0.4时，采用两步法刻蚀，第一步使用三氯化硼、氯气和氩气进行刻蚀，第二步使用含氟离子的刻蚀气体或含氟离子的刻蚀气体和氩气的混合气进行干法清洗；第一步中，三氯化硼的体积流量为5～10sccm，氯气的体积流量为20～30sccm，氩气的体积流量为5～15sccm；第二步中，当工作气体为含氟离子的刻蚀气体时，其体积流量为10～15sccm，当工作气体为含氟离子的刻蚀气体和氩气的混合气时，含氟离子的刻蚀气体的体积流量为1～7sccm，氩气的体积流量为8～14sccm。
如上所述，不同刻蚀对象的刻蚀副产物不同，去吸附难易程度也不同，对于Ga含量高的刻蚀面，其刻蚀副产物的去吸附难度更大(GaCl3>AlCl3)，采用一步法刻蚀还是会在刻蚀面上残留较多颗粒物。本发明选用两步法对Ga含量高的刻蚀面进行刻蚀，可以使刻蚀面更为光滑。
优选地，所述含氟离子的刻蚀气体包含SF6、CHF3、CF4中的至少一种。进一步优选地，所述含氟离子的刻蚀气体为SF6。相比于其他含氟离子的刻蚀气体，SF6的轰击作用更强，以相同工艺处理后，刻蚀面的表面粗糙度更低。
优选地，所述干法刻蚀工艺的条件为：ICP功率400～600W，RF偏压功率100～200W，腔体内气压5～10mtorr。
ICP功率源的主要作用是产生高密度等离子体，控制离子通量。功率增加时，离子和活性基密度增加，刻蚀速率也增加；但过高时，均匀性会下降，也会带给衬底更多的热负荷，需要更好的控温系统。RF偏压功率源的主要作用是控制离子轰击能量，对刻蚀速率和台阶角度影响很大，偏压功率增加，刻蚀速率明显增加，但也会导致选择比下降，偏压功率过高有时会在台阶底部形成“trenching”沟槽。气压对离子的平均自由程具有较大的影响，气压较低时，离子的平均自由程很长，方向性很好，离子轰击作用也较强，并且也有利于挥发性刻蚀产物的解吸附，气压较高时，因为活性基团和离子的密度增加，刻蚀速率和选择比会有较大增加。对于本发明选择的四种刻蚀气体，当刻蚀条件符合上述限定时，可以使刻蚀速率、刻蚀效果得到平衡。
优选地，在对刻蚀对象进行ICP刻蚀前，先分别以丙酮、异丙醇和去离子水对刻蚀对象进行超声清洗，以氮气吹干，然后将刻蚀对象放入刻蚀腔中进行刻蚀；或对氮气吹干的样品进行热烘，然后使用光刻胶对烘干后的样品进行旋涂、前烘、曝光、显影、后烘，然后再放入刻蚀腔中进行刻蚀。
优选地，所述热烘的条件为：温度100～120℃，时间5～15min。在旋涂之前进行热烘可以增加胶的粘附性。
相比于现有技术，本发明的有益效果为：本发明通过对刻蚀气体的种类、刻蚀条件进行选择，可以在高效刻蚀的同时使材料的表面粗糙度(RMS)降低至0.5～1nm(5×5μm2)。
附图说明
图1为采用实施例1、对比例1和对比例2所述方法刻蚀4min的刻蚀产物的OM图；
图2为采用实施例1、对比例1和对比例2所述方法对N极性Al(Ga)N进行刻蚀的刻蚀速率图；
图3为采用实施例1、对比例1和对比例2所述方法对N极性Al(Ga)N进行刻蚀的刻蚀时间与杂质颗粒密度分布图；
图4为N极性Al(Ga)N刻蚀前、以实施例1、对比例1、对比例2刻蚀4min后的AFM图；
图5为采用实施例2所述方法刻蚀4min的刻蚀产物的OM图(1)和以对比例1所述方法对实施例2步骤(2)的光刻产物刻蚀4min后的OM图(2)；
图6为采用实施例2所述方法刻蚀4min的刻蚀产物的AFM图(1)和以对比例1所述方法对实施例2步骤(2)的光刻产物刻蚀4min后的AFM图(2)。
具体实施方式
为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明实施例及对比例选用的刻蚀设备为Oxford PlasmaLab System 133。
实施例1
本发明所述干法刻蚀工艺的一种实施例，本实施例所述干法刻蚀工艺包括如下步骤：
(1)刻蚀对象为N极性Al(Ga)N薄膜材料，由上至下分为四层，依次为AlN、Al0.4Ga0.6N、Al0.2Ga0.8N、GaN，每层的厚度为300nm；分别以丙酮、异丙醇和去离子水超声清洗刻蚀对象，使用氮气吹干；
(2)将刻蚀对象放入ICP刻蚀机反应腔中，通入8sccm的BCl3、24sccm的Cl2、5sccm的Ar、3sccm的SF6，腔体内气压为8mtorr，样品温度为20℃，ICP功率为500W，RF偏压功率为150W。
实施例2
本发明所述干法刻蚀工艺的一种实施例，本实施例所述干法刻蚀工艺包括如下步骤：
(1)样品为N极性Al(Ga)N薄膜材料，由上至下分为四层，依次为AlN、Al0.4Ga0.6N、Al0.2Ga0.8N、GaN，每层的厚度为300nm；分别以丙酮、异丙醇和去离子水超声清洗刻蚀对象，使用氮气吹干，然后在热板上110℃烘10min；
(2)使用AZ 4620光刻胶对上述样品进行旋涂、前烘、曝光、显影、后烘，得到刻蚀准备片；旋涂速率8000rps，时间30s；前烘温度105℃，时间90s；曝光时间8s；显影时间3min；后烘温度105℃，时间3min；
(3)将刻蚀对象放入ICP刻蚀机反应腔中，通入8sccm的BCl3、24sccm的Cl2、5sccm的Ar、3sccm的SF6，腔体内气压为8mtorr，样品温度为20℃，ICP功率为500W，RF偏压功率为150W；
(4)刻蚀完成后使用丙酮、异丙醇和去离子水超声清洗去胶。
实施例3
本发明所述干法刻蚀工艺的一种实施例，本实施例所述干法刻蚀工艺包括如下步骤：
(1)刻蚀对象为N极性Al(Ga)N薄膜材料，由上至下分为四层，依次为AlN、Al0.4Ga0.6N、Al0.2Ga0.8N、GaN，每层的厚度为300nm；分别以丙酮、异丙醇和去离子水超声清洗刻蚀对象，使用氮气吹干；
(2)将刻蚀对象放入ICP刻蚀机反应腔中，通入5sccm的BCl3、30sccm的Cl2、10sccm的Ar、2sccm的SF6，腔体内气压为8mtorr，样品温度为20℃，ICP功率为500W，RF偏压功率为150W。
实施例4
本发明所述干法刻蚀工艺的一种实施例，本实施例所述干法刻蚀工艺包括如下步骤：
(1)刻蚀对象为N极性Al(Ga)N薄膜材料，由上至下分为四层，依次为AlN、Al0.4Ga0.6N、Al0.2Ga0.8N、GaN，每层的厚度为300nm；分别以丙酮、异丙醇和去离子水超声清洗刻蚀对象，使用氮气吹干；
(2)将刻蚀对象放入ICP刻蚀机反应腔中，通入8sccm的BCl3、24sccm的Cl2、15sccm的Ar、1sccm的SF6，腔体内气压为8mtorr，样品温度为20℃，ICP功率为500W，RF偏压功率为150W。
实施例5
本发明所述干法刻蚀工艺的一种实施例，本实施例所述干法刻蚀工艺包括如下步骤：
(1)刻蚀对象为N极性Al(Ga)N薄膜材料，由上至下分为四层，依次为AlN、Al0.4Ga0.6N、Al0.2Ga0.8N、GaN，每层的厚度为300nm；分别以丙酮、异丙醇和去离子水超声清洗刻蚀对象，使用氮气吹干；
(2)将刻蚀对象放入ICP刻蚀机反应腔中，通入8sccm的BCl3、24sccm的Cl2、5sccm的Ar、5sccm的SF6，腔体内气压为8mtorr，样品温度为20℃，ICP功率为500W，RF偏压功率为150W。
实施例6
本发明所述干法刻蚀工艺的一种实施例，本实施例所述干法刻蚀工艺与实施例1的区别在于，步骤(2)中，各气体的体积流量不同，BCl3的体积流量为10sccm、Cl2的体积流量为20sccm、Ar的体积流量为15sccm、SF6的体积流量为1sccm。
实施例7
本发明所述干法刻蚀工艺的一种实施例，本实施例所述干法刻蚀工艺包括如下步骤：
(1)刻蚀对象为N极性Al(Ga)N薄膜材料，由上至下分为四层，依次为AlN、Al0.4Ga0.6N、Al0.2Ga0.8N、GaN，每层的厚度为300nm；分别以丙酮、异丙醇和去离子水超声清洗刻蚀对象，使用氮气吹干；
(2)将刻蚀对象放入ICP刻蚀机反应腔中，通入8sccm的BCl3、24sccm的Cl2、5sccm的Ar，腔体内气压为8mtorr，样品温度为20℃，ICP功率为500W，RF偏压功率为150W，刻蚀时间为7min；
(3)步骤(2)完成后，停止通入BCl3、Cl2和Ar，通入SF6，SF6的体积流量为15sccm，腔体内气压为8mtorr，样品温度为20℃，ICP功率为500W，RF偏压功率为150W，刻蚀时间为3min。
实施例8
本发明所述干法刻蚀工艺的一种实施例，本实施例所述干法刻蚀工艺与实施例7的区别仅在于，步骤(3)中同时使用SF6和Ar进行刻蚀，SF6的体积流量为5sccm，Ar的体积流量为10sccm。
对比例1
一种干法刻蚀工艺，所述干法刻蚀工艺包括如下步骤：
(1)刻蚀对象为N极性Al(Ga)N薄膜材料和Al极性Al(Ga)N薄膜材料，N极性Al(Ga)N薄膜材料由上至下分为四层，依次为AlN、Al0.4Ga0.6N、Al0.2Ga0.8N、GaN，每层的厚度为300nm；分别以丙酮、异丙醇和去离子水超声清洗刻蚀对象，使用氮气吹干；
(2)将刻蚀对象放入ICP刻蚀机反应腔中，通入8sccm的BCl3、24sccm的Cl2和5sccm的Ar，腔体内气压为8mtorr，样品温度为20℃，ICP功率为500W，RF偏压功率为150W。
对比例2
一种干法刻蚀工艺，所述干法刻蚀工艺包括如下步骤：
(1)刻蚀对象为N极性Al(Ga)N薄膜材料，由上至下分为四层，依次为AlN、Al0.4Ga0.6N、Al0.2Ga0.8N、GaN；分别以丙酮、异丙醇和去离子水超声清洗刻蚀对象，使用氮气吹干；
(2)将刻蚀对象放入ICP刻蚀机反应腔中，通入8sccm的BCl3、24sccm的Cl2、5sccm的Ar、3sccm的O2，腔体内气压为8mtorr，样品温度为20℃，ICP功率为500W，RF偏压功率为150W。
性能测试
对实施例1～8和对比例1～2的刻蚀速率及表面粗糙度(RMS)进行测试。实施例1～6的刻蚀速率为刻蚀4min的平均刻蚀速率，实施例7～8的刻蚀速率为第一步刻蚀7min，第二步干法清洗3min的平均刻蚀速率；表面粗糙度采用Buraker原子力显微镜AFM(DimensionEdge)进行测试；测试结果如表1所示。
表1
由上述测试结果可知，对于光面样品来说，采用本发明所述方法刻蚀后的样品，其表面粗糙度RMS均低于1nm，刻蚀效果明显高于对比例。此外，对比实施例1～8的测试结果可知，实施例5的刻蚀速率远低于其他实施例，而对于工业生产来说，刻蚀速率若低于80nm/min，生产效率会大幅衰减，经济效益较低。因此，控制含氟离子的刻蚀气体的体积流量与三氯化硼和氯气的总体积流量之比为1：(10～32)可以保证既具有较高的刻蚀速率，又具有良好的刻蚀效果。
图1为采用实施例1、对比例1和对比例2所述方法刻蚀4min后刻蚀产物的OM图，从图中可以看到，实施例1、对比例1(Al极性)、对比例2刻蚀产物的表面光滑、无颗粒，表明BCl3、Cl2、Ar、SF6体系和BCl3、Cl2、Ar、O2体系可以抑制杂质在材料表面的吸附；以对比例1所述方法对Al极性Al(Ga)N刻蚀后，材料表面也未出现杂质，但以对比例1所述方法对N极性Al(Ga)N刻蚀后，材料表面出现了大量的Al(Ga)Clx刻蚀副产物(插图为SEM图和EDS图)，该结果表明，即使刻蚀条件相同，当刻蚀对象不同时，产生的结果也是完全不同的。
图2为采用实施例1(通入SF6)、对比例1(无O2或SF6)、对比例2(通入O2)所述方法对N极性Al(Ga)N进行刻蚀的刻蚀速率图。从图2中可知，三种方法刻蚀均具有较高的刻蚀速率，其中实施例1的刻蚀速率约为100nm/min，可控性更强。图3为采用实施例1、对比例1、对比例2所述方法对N极性Al(Ga)N进行刻蚀的刻蚀时间与杂质颗粒密度分布图。从图中可知，相比于对比例1，对比例2和实施例1刻蚀产物表面在刻蚀5min后几乎没有颗粒物。随着刻蚀深度的增加，当刻蚀到Al0.2Ga0.8N层时(刻蚀5～6min)，样品表面出现了少量的杂质颗粒，但颗粒密度仍然很低，远小于对比例1。
图4为N极性Al(Ga)N刻蚀前，使用实施例1、对比例1、对比例2所述方法刻蚀4min后的样品的AFM图。从图中可以看到，采用对比例1所述方法刻蚀后，在5×5μm2范围内其表面粗糙度约为1.1nm。通入O2后，虽然刻蚀副产物Al(Ga)Clx杂质的产生被抑制，但由于O2对刻蚀后的表面有氧化作用，形成了岛状结构，其表面粗糙度(RMS)为7.6nm(5×5μm2)，比刻蚀前更高。通入SF6后，刻蚀副产物Al(Ga)Clx杂质的产生也被抑制，同时材料的表面粗糙度(RMS)可达到0.56nm(5×5μm2)，比ICP刻蚀前的0.67nm(5×5μm2)还低。此外，从AFM图中也可以看出，通入SF6的N极性Al(Ga)N的刻蚀表面均匀性最好。
图5为采用实施例2所述方法刻蚀4min的刻蚀产物的OM图(1)和以对比例1所述方法对实施例2步骤(2)的光刻产物刻蚀4min后的OM图(2)；；图6为采用实施例2所述方法刻蚀4min的刻蚀产物的AFM图(1)和以对比例1所述方法对实施例2步骤(2)的光刻产物刻蚀4min后的AFM图(2)。对比图5(1)和图5(2)的测试结果可以看到，以实施例2所述方法刻蚀后，刻蚀产物表面几乎没有杂质，而以对比例1所述方法刻蚀后，刻蚀产物表面含有较多杂质；对比图6(1)和图6(2)的测试结果也可以看到，以实施例2所述方法刻蚀后，表面粗糙度明显低于以对比例1所述方法对光刻产物进行刻蚀的刻蚀产物的表面粗糙度。上述结果表明，本发明所述方法也适用于对光刻产物进行刻蚀。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，但并不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (8)
1.一种N极性III-V族半导体材料的干法刻蚀工艺，其特征在于，所述干法刻蚀工艺为：对III-V族半导体材料进行ICP刻蚀，工作气体包含三氯化硼、氯气、氩气和含氟离子的刻蚀气体。
2.如权利要求1所述的N极性III-V族半导体材料的干法刻蚀工艺，其特征在于，所述III-V族半导体材料为Al(Ga)N。
3.如权利要求2所述的干法刻蚀工艺，其特征在于，当所述III-V族半导体材料为AlxGa1-xN，当x≥0.4时，采用一步法刻蚀，工作气体中三氯化硼的体积流量为5～10sccm，氯气的体积流量为20～30sccm，氩气的体积流量为5～15sccm，含氟离子的刻蚀气体的体积流量与三氯化硼和氯气总体积流量的比值为1:(10～32)。
4.如权利要求2所述的干法刻蚀工艺，其特征在于，当所述III-V族半导体材料为AlxGa1-xN，当x＜0.4时，采用两步法刻蚀，第一步使用三氯化硼、氯气和氩气进行刻蚀，第二步使用含氟离子的刻蚀气体或含氟离子的刻蚀气体和氩气的混合气进行干法清洗；第一步中，三氯化硼的体积流量为5～10sccm，氯气的体积流量为20～30sccm，氩气的体积流量为5～15sccm；第二步中，当工作气体为含氟离子的刻蚀气体时，其体积流量为10～15sccm，当工作气体为含氟离子的刻蚀气体和氩气的混合气时，含氟离子的刻蚀气体的体积流量为1～7sccm，氩气的体积流量为8～14sccm。
5.如权利要求1所述的干法刻蚀工艺，其特征在于，所述含氟离子的刻蚀气体包含SF6、CHF3、CF4中的至少一种。
6.如权利要求1所述的干法刻蚀工艺，其特征在于，所述含氟离子的刻蚀气体为SF6。
7.如权利要求1所述的干法刻蚀工艺，其特征在于，所述干法刻蚀工艺的刻蚀条件为：ICP功率400～600W，RF偏压功率100～200W，腔体内气压5～10mtorr。
8.如权利要求1所述的干法刻蚀工艺，其特征在于，先分别以丙酮、异丙醇和去离子水对刻蚀对象进行超声清洗，以氮气吹干，然后将刻蚀对象放入刻蚀腔中进行刻蚀；或使用光刻胶对烘干后的样品进行旋涂、前烘、曝光、显影、后烘，然后再放入刻蚀腔中进行刻蚀。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115572960A (zh) * | 2022-10-12 | 2023-01-06 | 南京邮电大学 | 一种用等离子体刻蚀法制备二维层状MXene材料的方法 |
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2022
- 2022-01-25 CN CN202210098255.0A patent/CN114551234A/zh active Pending
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