CN116230521A - 一种氮化镓的刻蚀方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮化镓的刻蚀方法，包括如下步骤：准备硅基氮化镓样品，对硅基氮化镓样品通过紫外光刻制备图形化掩膜；将刻有图形化掩膜的硅基氮化镓样品放置在热板上进行加热；对硅基氮化镓样品进行氮气吹扫，通入清洗气体，使用等离子体清洗机对硅基氮化镓样品进行清洁；将硅基氮化镓样品至于真空室中，通入工艺气体，稳定20s后进行起辉；使用电感耦合等离子体刻蚀法对硅基氮化镓样品进行刻蚀，得到成品。本发明提供的氮化镓刻蚀方法在氮化镓表面光刻制备图形化掩膜后，增加了后烘的步骤，促使光化学反应进行的更加充分，有效提高所制备的掩膜的质量；同时采用ICP刻蚀法，使得刻蚀能够更高效得进行。
Description
技术领域
本发明涉及半导体集成光电子器件技术领域，特别涉及一种氮化镓的刻蚀方法.。
背景技术
氮化镓(GaN)是一种Ⅲ族氮化物，此类材料半导体具有优异的光电性能、较为宽广的可调控带隙、良好的化学稳定性和热导率，较高的抗辐照能力等优点，成为当前光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面的研究和应用热点。氮化镓基器件具有击穿场强大、电子迁移率高、饱和速度大等优点，被认为是下一代功率开关器件的有力竞争者，近年来备受研究者青睐。
由于GaN基材料具有很强的抗腐蚀特性，对于GaN基材料的刻蚀工艺很多采用干法刻蚀，电感耦合等离子刻蚀(ICP)技术是利用辉光放电，在高频电场下使稀薄气体电离产生等离子体，这些离子在电场中被加速而获得能量，可在较低温度下实现氮化镓的刻蚀。但此种传统干法刻蚀工艺氮化镓材料进行加工的同时，需要与光刻中制备掩膜工艺相结合，因此光刻工艺将直接影响刻蚀图形的最终形貌，对于图形化要求高的器件至关重要，并间接影响刻蚀过程中反应速率，以及微结构加工周期。
专利CN115637499A公开了一种氮化镓半导体材料及其化学刻蚀方法，将ICP-RIE刻蚀和四甲基氢氧化铵化学刻蚀结合，可以得到与氮化镓衬底的m面完成重合的侧壁。但湿法刻蚀的工艺流程复杂，刻蚀速率较低，无法达到刻蚀图形化要求高的器件的要求。
因此，研究一种能够制备高质量掩膜图形的同时还能具有理想的刻蚀速率的刻蚀方法，是目前需要解决的技术问题。
发明内容
本申请的方案基于上述思路，提供了一种氮化镓的刻蚀工艺，先制备高质量掩膜，再采用电感耦合等离子体刻蚀氮化镓，能够实现高速率刻蚀的情况下同时确保刻蚀的质量。
本申请提供一种氮化镓的刻蚀方法，包括如下步骤：
1)准备硅基氮化镓样品，对硅基氮化镓样品通过紫外光刻制备图形化掩膜；
2)将刻有图形化掩膜的硅基氮化镓样品放置在热板上进行加热；
3)对硅基氮化镓样品进行氮气吹扫，通入清洗气体，使用等离子体清洗机对硅基氮化镓样品进行清洁；
4)将硅基氮化镓样品至于真空室中，通入工艺气体，稳定20s后进行起辉；
5)使用电感耦合等离子体刻蚀法对硅基氮化镓样品进行刻蚀，得到成品。
进一步地，步骤2)中所述热板温度为105-115℃，加热时长为115s-125s。
进一步地，步骤3)中所述清洗气体为O2和Ar，其中，O2的流量为185-225sccm，Ar的流量为185-225sccm。
进一步地，步骤3)中所述等离子体清洗机的功率为190-220W，清洗时间为45-75s。
进一步地，步骤4)中所述真空室压强为0.5-1Pa，初始温度为10℃。
进一步地，步骤4)中所述工艺气体为纯度大于99.99％的Cl2、BCl3。
进一步地，所述Cl2的流量为100-130sccm，BCl3的流量为10-15sccm。
进一步地，步骤4)中所述起辉的射频功率为280-310W。
进一步地，步骤5)中所述刻蚀的上电极射频功率为280-310W，下电极射频功率130W-160W。
进一步地，步骤5)中所述刻蚀角度为75°-80°。
本发明提供的氮化镓刻蚀方法在氮化镓表面光刻制备图形化掩膜后，增加了后烘的步骤，促使光化学反应进行的更加充分，有效提高所制备的掩膜的质量；随后采用ICP刻蚀法对氮化镓样品进行刻蚀，提高了等离子体中气体分子的离化率和各种粒子的能量，是普通反应离子刻蚀的十倍甚至百倍；能够在较低的压力下稳定地产生具有高密度的等离子体，使其轰击作用更强，强的轰击作用有利于去除氮化镓中结合力较弱的化学键，使得刻蚀更高效得进行，刻蚀速率可以达到300nm/min，成品侧壁倾角良好。
附图说明
下面对说明书附图所表达的内容做简要说明：
图1为本发明中实施例1所制备的氮化镓表面的SEM表征图像；
图2为本发明中实施例2所制备的氮化镓表面的SEM表征图像；
图3为本发明中实施例3所制备的氮化镓表面的SEM表征图像；
图4为本发明中实施例4所制备的氮化镓表面的SEM表征图像；
图5为本发明中实施例5所制备的氮化镓表面的SEM表征图像。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
为了解决现有技术中氮化镓材料干法刻蚀的工艺中由于避免使加工面产生损伤而导致刻蚀无法达到理想速率的问题，本发明提供一种优化的ICP刻蚀法，先制备高质量掩膜，再采用电感耦合等离子体刻蚀氮化镓，能够实现高速率刻蚀的情况下同时确保刻蚀的质量。具体方案如下：
步骤1：准备硅基氮化镓样品，在样品表面旋涂光刻胶，并进行紫外光刻，制备图形化掩膜，光刻胶型号为AZ5214。
步骤2：将样品放置在热板上，加热一段时间后取下。加热方式为热板温度为105-115℃，加热时长为115s-125s。
步骤3：对样品表面进行氮气吹扫后，放入等离子体清洗机清洁。对样品进行刻蚀前处理采用标准清洗工艺，具体清洗步骤是使用等离子清洗机：O2的流量为185-225sccm，Ar的流量为185-225sccm，等离子清洗机的功率为190-220W，清洗时间为45-75s。
步骤4：将ICP刻蚀机中的真空室抽真空至1Pa以下，温度保持在10℃，通入工艺气体，该工艺气体包含有纯度超过99.99％的Cl2和BCl3，其中，Cl2的流量为100-130sccm，BCl3的流量为10-15sccm，气压保持在0.5-1.0Pa，稳定20秒后采用280-310W的射频功率起辉。
步骤5：使用ICP刻蚀法对氮化镓样品进行刻蚀，上电极射频功率为280-310W，下电极射频功率为130W-160W，设置刻蚀时间120秒，氮化镓的刻蚀深度为700-800nm，刻蚀角度在20°-80°。
以下结合具体实施例，对上述制备方法的流程进行具体说明。
实施例1
步骤1：准备硅基氮化镓样品，在样品表面旋涂光刻胶，并进行紫外光刻，制备图形化掩膜，光刻胶型号为AZ5214。
步骤2：将样品放置在热板上，加热一段时间后取下。加热方式为热板温度为115℃，加热时长为120s。
步骤3：对样品表面进行氮气吹扫后，放入等离子体清洗机清洁。对样品进行刻蚀前处理采用标准清洗工艺，具体清洗步骤是使用等离子清洗机：O2的流量为200sccm，Ar的流量为200sccm，等离子清洗机的功率为200W，清洗时间为60s。
步骤4：将ICP刻蚀机中的真空室抽真空至1Pa以下，温度保持在10℃，通入工艺气体，该工艺气体包含有纯度超过99.99％的Cl2和BCl3，其中，Cl2的流量为120sccm，BCl3的流量为12sccm，气压保持在0.7Pa，稳定20秒后采用300W的射频功率起辉。
步骤5：使用ICP刻蚀法对氮化镓样品进行刻蚀，上电极射频功率为300W，下电极射频功率为150W，设置刻蚀时间90秒，刻蚀角度61.8°。对经过ICP刻蚀的氮化镓样品进行电镜表征，结果如图1所示。
实施例2
步骤1：准备硅基氮化镓样品，在样品表面旋涂光刻胶，并进行紫外光刻，制备图形化掩膜，光刻胶型号为AZ5214。
步骤2：将样品放置在热板上，加热一段时间后取下。加热方式为热板温度为115℃，加热时长为120s。
步骤3：对样品表面进行氮气吹扫后，放入等离子体清洗机清洁。对样品进行刻蚀前处理采用标准清洗工艺，具体清洗步骤是使用等离子清洗机：O2的流量为200sccm，Ar的流量为200sccm，等离子清洗机的功率为200W，清洗时间为60s。
步骤4：将ICP刻蚀机中的真空室抽真空至1Pa以下，温度保持在10℃，通入工艺气体，该工艺气体包含有纯度超过99.99％的Cl2和BCl3，其中，Cl2的流量为120sccm，BCl3的流量为12sccm，气压保持在0.7Pa，稳定20秒后采用300W的射频功率起辉。
步骤5：使用ICP刻蚀法对氮化镓样品进行刻蚀，上电极射频功率为300W，下电极射频功率为150W，设置刻蚀时间120秒，刻蚀角度79.1°。对经过ICP刻蚀的氮化镓样品进行电镜表征，结果如图2所示。
实施例3
步骤1：准备硅基氮化镓样品，在样品表面旋涂光刻胶，并进行紫外光刻，制备图形化掩膜，光刻胶型号为AZ5214。
步骤2：将样品放置在热板上，加热一段时间后取下。加热方式为热板温度为115℃，加热时长为120s。
步骤3：对样品表面进行氮气吹扫后，放入等离子体清洗机清洁。对样品进行刻蚀前处理采用标准清洗工艺，具体清洗步骤是使用等离子清洗机：O2的流量为200sccm，Ar的流量为200sccm，等离子清洗机的功率为200W，清洗时间为60s。
步骤4：将ICP刻蚀机中的真空室抽真空至1Pa以下，温度保持在10℃，通入工艺气体，该工艺气体包含有纯度超过99.99％的Cl2和BCl3，其中，Cl2的流量为120sccm，BCl3的流量为12sccm，气压保持在0.7Pa，稳定20秒后采用300W的射频功率起辉。
步骤5：使用ICP刻蚀法对氮化镓样品进行刻蚀，上电极射频功率为300W，下电极射频功率为150W，设置刻蚀时间90秒，刻蚀角度20.8°。对经过ICP刻蚀的氮化镓样品进行电镜表征，结果如图3所示。
实施例4
步骤1：准备硅基氮化镓样品，在样品表面旋涂光刻胶，并进行紫外光刻，制备图形化掩膜，光刻胶型号为AZ5214。
步骤2：将样品放置在热板上，加热一段时间后取下。加热方式为热板温度为115℃，加热时长为120s。
步骤3：对样品表面进行氮气吹扫后，放入等离子体清洗机清洁。对样品进行刻蚀前处理采用标准清洗工艺，具体清洗步骤是使用等离子清洗机：O2的流量为200sccm，Ar的流量为200sccm，等离子清洗机的功率为200W，清洗时间为60s。
步骤4：将ICP刻蚀机中的真空室抽真空至1Pa以下，温度保持在10℃，通入工艺气体，该工艺气体包含有纯度超过99.99％的Cl2和BCl3，其中，Cl2的流量为120sccm，BCl3的流量为12sccm，气压保持在0.7Pa，稳定20秒后采用300W的射频功率起辉。
步骤5：使用ICP刻蚀法对氮化镓样品进行刻蚀，上电极射频功率为300W，下电极射频功率为150W，设置刻蚀时间120秒，刻蚀角度77.2°。对经过ICP刻蚀的氮化镓样品进行电镜表征，结果如图4所示。
实施例5
步骤1：准备硅基氮化镓样品，在样品表面旋涂光刻胶，并进行紫外光刻，制备图形化掩膜，光刻胶型号为AZ5214。
步骤2：将样品放置在热板上，加热一段时间后取下。加热方式为热板温度为115℃，加热时长为120s。
步骤3：对样品表面进行氮气吹扫后，放入等离子体清洗机清洁。对样品进行刻蚀前处理采用标准清洗工艺，具体清洗步骤是使用等离子清洗机：O2的流量为200sccm，Ar的流量为200sccm，等离子清洗机的功率为200W，清洗时间为60s。
步骤4：将ICP刻蚀机中的真空室抽真空至1Pa以下，温度保持在10℃，通入工艺气体，该工艺气体包含有纯度超过99.99％的Cl2和BCl3，其中，Cl2的流量为120sccm，BCl3的流量为12sccm，气压保持在0.7Pa，稳定20秒后采用300W的射频功率起辉。
步骤5：使用ICP刻蚀法对氮化镓样品进行刻蚀，上电极射频功率为300W，下电极射频功率为150W，设置刻蚀时间120秒，刻蚀角度59.5°。对经过ICP刻蚀的氮化镓样品进行电镜表征，结果如图5所示。
实施例1-5的工艺参数和刻蚀速率如表1所示。
表1ICP刻蚀法刻蚀氮化镓的参数与刻蚀速率
| 实施例 | 坚膜温度/℃ | 坚膜时间/s | ER(GaN)/nm/min | ER(PR)/nm/min | 选择比 | 角度 |
| 1 | 110 | 90 | 569.5 | 678.0 | 0.84 | 61.8 |
| 2 | 110 | 120 | 370.7 | 440.5 | 0.84 | 79.1 |
| 3 | 115 | 90 | 262.0 | 334.3 | 0.78 | 20.8 |
| 4 | 115 | 120 | 385.8 | 461.8 | 0.84 | 77.2 |
| 5 | 120 | 120 | 334.5 | 557.5 | 0.60 | 59.5 |
通过表1可以看到，使用本申请提供的刻蚀工艺，可以达到较为理想的刻蚀速率，光刻胶层的刻蚀速率最高可以达到678nm/min，氮化镓层的刻蚀速率最高可以达到569nm/min。同时，通过图1-图5可以看到，经过增添后烘步骤，本申请提供的制备工艺能够能到质量较高的掩膜图形，在后续的刻蚀工艺中所制备得到的成品侧壁倾角良好。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种氮化镓的刻蚀方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)准备硅基氮化镓样品，对硅基氮化镓样品通过紫外光刻制备图形化掩膜；
2)将刻有图形化掩膜的硅基氮化镓样品放置在热板上进行加热；
3)对硅基氮化镓样品进行氮气吹扫，通入清洗气体，使用等离子体清洗机对硅基氮化镓样品进行清洁；
4)将硅基氮化镓样品至于真空室中，通入工艺气体，稳定20s后进行起辉；
5)使用电感耦合等离子体刻蚀法对硅基氮化镓样品进行刻蚀，得到成品。
2.根据权利要求1所述的一种氮化镓的刻蚀方法，其特征在于，步骤2)中所述热板温度为105-115℃，加热时长为115s-125s。
3.根据权利要求1所述的一种氮化镓的刻蚀方法，其特征在于，步骤3)中所述清洗气体为O2和Ar，其中，O2的流量为185-225sccm，Ar的流量为185-225sccm。
4.根据权利要求1所述的一种氮化镓的刻蚀方法，其特征在于，步骤3)中所述等离子体清洗机的功率为190-220W，清洗时间为45-75s。
5.根据权利要求1所述的一种氮化镓的刻蚀方法，其特征在于，步骤4)中所述真空室压强为0.5-1Pa，初始温度为10℃。
6.根据权利要求1所述的一种氮化镓的刻蚀方法，其特征在于，步骤4)中所述工艺气体为纯度大于99.99％的Cl2和BCl3。
7.根据权利要求6所述的一种氮化镓的刻蚀方法，其特征在于，所述Cl2的流量为100-130sccm，BCl3的流量为10-15sccm。
8.根据权利要求1所述的一种氮化镓的刻蚀方法，其特征在于，步骤4)中所述起辉的射频功率为280-310W。
9.根据权利要求1所述的一种氮化镓的刻蚀方法，其特征在于，步骤5)中所述刻蚀的上电极射频功率为280-310W，下电极射频功率130W-160W。
10.根据权利要求1所述的一种氮化镓的刻蚀方法，其特征在于，步骤5)中所述刻蚀角度为20°-80°。
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