專利名稱：一種氮化鎵材料的干法刻蝕方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)、高電子遷移率晶體管(HEMT)、異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)，光探測(cè)器等裝置中使用的氮化鎵類化合物半導(dǎo)體的干法刻蝕方法，屬于氮化鎵材料刻蝕技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在制作以氮化鎵類材料為基礎(chǔ)的發(fā)光二極管、激光二極管、高電子遷移率晶體管、異質(zhì)結(jié)雙極晶體管，光探測(cè)器等器件的過程中，需要對(duì)氮化鎵類材料(包含GaN，InN，AlN，AlGaN，InGaN，AlInGaN等)進(jìn)行刻蝕。若用濕法刻蝕III-V族化合物半導(dǎo)體，一般使用鹽酸，硫酸，氫氟酸或它們的混合物，由于氮化鎵材料具有高的結(jié)合鍵能，穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，氮化鎵材料在它們的溶液中很難溶解，所以，氮化鎵的刻蝕，一般用干法刻蝕而不是用濕法刻蝕技術(shù)。其中，基于等離子體的干法刻蝕，由于其具有刻蝕速率高，能在大面積上獲得均勻的刻蝕速率，可控性好，成本低等優(yōu)點(diǎn)，所以對(duì)等離子體干法刻蝕技術(shù)的研究與開發(fā)非常盛行。
所謂等離子體干法刻蝕，是指利用干法刻蝕設(shè)備，將通入其中的反應(yīng)氣體變?yōu)榈入x子體，等離子體中含有的具有高化學(xué)活性的原子和高能離子與被刻蝕的樣品表面反應(yīng)，形成揮發(fā)性氣體而被系統(tǒng)抽走，從而造成樣品的刻蝕。由此可知，反應(yīng)氣體種類的選擇對(duì)刻蝕的效果非常重要。
在器件刻蝕過程中，同時(shí)獲得較高的刻蝕選擇比和較高的刻蝕速率是非常重要的，也是人們迫切希望解決的問題。所謂刻蝕選擇比，是指刻蝕某一種材料(比如GaN)的刻蝕速率與刻蝕另外一種材料(比如AlGaN)的刻蝕速率之比。特別是，在高電子遷移率晶體管、異質(zhì)結(jié)雙極晶體管、光探測(cè)器等器件中，獲得較高的刻蝕選擇比以及較高的刻蝕速率尤其重要比如在高電子遷移率場(chǎng)效應(yīng)管中，有一層幾十納米厚的GaN層覆蓋在AlGaN層的上面，AlGaN層的厚度也為幾十納米，在器件制作過程中，需要將GaN層刻蝕掉，露出AlGaN層，因此，選用的干法刻蝕應(yīng)該對(duì)GaN的刻蝕速率大，而對(duì)AlGaN的刻蝕速率小，即選用的干法刻蝕應(yīng)該有較高的刻蝕選擇比，這樣才能使在刻蝕掉GaN的同時(shí)，盡量不使AlGaN層被刻蝕掉。
在等離子干法刻蝕當(dāng)中，反應(yīng)氣體的組成成分在決定刻蝕的速率和刻蝕選擇比等方面非常重要。選用不同的反應(yīng)氣體，得到的刻蝕速率與刻蝕選擇比也不一樣。已經(jīng)公開的具有刻蝕選擇性的反應(yīng)氣體的組成主要有
(1)Cl2/Ar組合，對(duì)GaN和AlN的刻蝕選擇比為7～8.5∶1，參見文獻(xiàn)R.J.Shul，G.A.Vawter，C.G.Willison，M.M.Bridges，J.W.Lee，S.J.Pearton and C.R.Abernathy，Solid-StateElectronics 42(1998)2259.和R.J.Shul，C.G.Willison，M.M.Bridges，J.Han，J.W.Lee，S.J.Pearton，C.R.Abernathy，J.D.Mackenzie and S.M.Donovan，Solid-State Electronics 42(1998)2269。對(duì)GaN和Al0.28Ga0.72N的刻蝕選擇比為10∶1，參見文獻(xiàn)S.A.Smith，C.A.Wolden，M.D.Bremser，A.D.Hanser，R.F.Davis，and W.V.Lampert，Appl.Phys.Lett.71(1997)3631。這種方法的刻蝕選擇比不夠高。
(2)Br3，對(duì)GaN和AlN的刻蝕選擇比為13∶1，對(duì)GaN的刻蝕速率為180nm/min，參見文獻(xiàn)H.Cho，J.Hong，T.Maeda，S.M.Donovan，C.R.Abernathy，S.J.Pearton and R.J.Shul，Materials Science and Engineering B 59(1999)340。這種方法的刻蝕選擇比不夠高，且刻蝕速率較低。
(3)Cl2/Ar/O2，對(duì)GaN和AlN的刻蝕選擇比為48∶1，參見文獻(xiàn)S.A.Smith，W.V.Lampert，P.Rajagopal，A.D.Banks，D.Thomson，and R.F.Davis，J.Vac.Sci.&Technol.A 18，(2000)879。對(duì)GaN和Al0.1Ga0.9N的刻蝕選擇比為24∶1，對(duì)GaN的刻蝕速率為60nm/min，參見文獻(xiàn)J.M.Lee，K.M.Chang，I.H.Lee，and S.J.Park，J.Vac.Sci.&Technol.B 18(2000)1409。這種方法對(duì)GaN和AlGaN的刻蝕選擇比不夠高，且對(duì)GaN的刻蝕速率非常低。
(4)Cl2/CxHyClz(x，y，z為整數(shù))，參見文獻(xiàn)中國(guó)專利，申請(qǐng)?zhí)?310423.37，這種氣體組分對(duì)GaN和AlGaN的刻蝕選擇比比較低。
AlN與AlGaN的物理與化學(xué)性質(zhì)是有較大差別的，AlN是二元化合物半導(dǎo)體，由Al與N原子構(gòu)成；而AlGaN是三元化合物半導(dǎo)體，由Al，Ga，N這三種原子構(gòu)成，AlGaN也可看作是GaN中一部分Ga原子被Al原子取代所形成的，比如Al0.28Ga0.72N，可看作是在GaN中，Ga原子總數(shù)的28％被Al原子所替代而形成的。一般說來，在相同的刻蝕條件下，AlGaN中的Al的含量越低，GaN和AlGaN的刻蝕選擇比就越低。也就是說，當(dāng)AlGaN中的Al含量越低，獲得高的GaN與AlGaN的刻蝕選擇比就越困難。
提高刻蝕速率與刻蝕選擇比就意味著，盡量提高對(duì)GaN的刻蝕速率，同時(shí)盡量降低對(duì)AlGaN的刻蝕速率。
影響AlGaN的刻蝕速率一個(gè)重要原因在于，當(dāng)刻蝕AlGaN時(shí)，反應(yīng)室中的氧(O)與Al反應(yīng)，生成Al的氧化物，Al的氧化物非常堅(jiān)硬，不容易被刻蝕，因此會(huì)使AlGaN的刻蝕速率變慢。因此，若在刻蝕過程中，采取某種措施使AlGaN的表面更容易形成Al的氧化物，則會(huì)有效降低對(duì)AlGaN的刻蝕速率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決干法刻蝕中刻蝕選擇比與刻蝕速率這兩個(gè)問題而提供一種干法刻蝕方法。
本發(fā)明提出的一種氮化鎵材料的干法刻蝕方法，其特征在于所述方法通過含有氯氣，氮?dú)猓鯕釩l2/N2/O2這三種氣體混合而形成的反應(yīng)氣體生成的等離子體而進(jìn)行刻蝕，可獲得高的刻蝕選擇比和高的GaN的刻蝕速率。
在上述干法刻蝕方法中，通過含有氯氣，氦氣，氧氣Cl2/He/O2這三種氣體混合而形成的反應(yīng)氣體生成的等離子體而進(jìn)行刻蝕。
在上述干法刻蝕方法中，通過含有氯氣，氖氣，氧氣Cl2/Ne/O2這三種氣體混合而形成的反應(yīng)氣體生成的等離子體而進(jìn)行刻蝕。
在上述干法刻蝕方法中，通過含有氯氣，一氧化氮，氧氣Cl2/N2O/O2這三種氣體混合而形成的反應(yīng)氣體生成的等離子體而進(jìn)行刻蝕。
由于本發(fā)明在干法刻蝕氮化鎵材料系中利用了三種氣體組合做為反應(yīng)氣體，既可獲得高的刻蝕選擇比，又可獲得高的GaN的刻蝕速率。同時(shí)可獲得無殘?jiān)?，無刻痕的，光滑的刻蝕表面。通過調(diào)節(jié)氧氣在這三種混合氣體中的相對(duì)含量，即可調(diào)節(jié)選擇性刻蝕比和刻蝕速率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)氧氣的流量為2sccm時(shí)，對(duì)GaN和Al0.28Ga0.72N的選擇性刻蝕比為60∶1，對(duì)GaN的刻蝕速率達(dá)到320nm/min。


圖1是表示當(dāng)使用感應(yīng)耦合等離子體裝置，襯底溫度為20℃，氯氣和氮?dú)獾牧髁糠謩e為40和10sccm，ICP功率為1750W，DC偏壓為-220V，反應(yīng)室壓力為20mTorr時(shí)，氧氣的流量與刻蝕速率、刻蝕選擇比的關(guān)系圖。
圖2為實(shí)施例1中HEMT的基本結(jié)構(gòu)圖。
圖3為實(shí)施例2中光二極管的基本結(jié)構(gòu)圖。
圖4為實(shí)施例3中激光二極管的基本結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明是按照如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明的研究結(jié)果表明，(參見文獻(xiàn)Y.J.Han，S.Xue，W.P.Guo，C.Z.Sun，Z.B.Hao andY.Luo，to be published in Jpn.J.Appl.Phys)，Cl2/Ar和Cl2/N2等離子體刻蝕對(duì)材料特性的影響特別是在對(duì)材料表面的氧化上有本質(zhì)的差別，當(dāng)利用Cl2，N2這兩種氣體的組合對(duì)GaN進(jìn)行干法刻蝕時(shí)，樣品表面的O原子的含量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于利用Cl2，Ar這兩種氣體的組合進(jìn)行干法刻蝕的結(jié)果。這說明如果利用Cl2，N2這兩種氣體的組合對(duì)AlGaN進(jìn)行干法刻蝕時(shí)，樣品表面更容易形成Al的氧化物，從而降低對(duì)AlGaN的刻蝕速率，提高了GaN和AlGaN之間的刻蝕選擇比。因此，為降低對(duì)AlGaN的刻蝕速率，在這兩種氣體組合里加入的O的量具有本質(zhì)的差別。也就是說，在Cl2，N2組成的等離子體中加入的O2的量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于在Cl2，Ar等離子體中加入氧的量就可以降低AlGaN的刻蝕速率。同時(shí)，在Cl2/N2中O2含量的最小化可以保證GaN的刻蝕速率維持在一個(gè)較高的水平上，因此，若選用Cl2，N2，O2的組合做刻蝕的反應(yīng)氣體，其效果要比Cl2，Ar，O2(上述所列4種組合氣體中第3種)好許多。
進(jìn)一步的研究結(jié)果表明，當(dāng)利用Cl2/He，Cl2/Ne，Cl2/N2O這三種組合對(duì)GaN進(jìn)行干法刻蝕時(shí)，取得的效果與用Cl2，N2進(jìn)行刻蝕時(shí)的效果一致，都探測(cè)到樣品表面的O原子的含量要高于利用Cl2，Ar這兩種氣體的組合進(jìn)行干法刻蝕的結(jié)果，因此若選用(Cl2，He，O2)，(Cl2，Ne，O2)，(Cl2，N2O，O2)的這三種組合分別做刻蝕的反應(yīng)氣體，其效果都要比Cl2，Ar，O2(上述所列4種組合氣體中第3種)好許多。
本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在生成等離子體而進(jìn)行氮化鎵類化合物半導(dǎo)體的干法刻蝕時(shí)，通過使用混合氯氣，氮?dú)?，氧?Cl2/N2/O2)這三種氣體的反應(yīng)氣體，即可獲得高的GaN/AlGaN的選擇性刻蝕比，又可獲得高的刻蝕GaN的速率，同時(shí)可獲得無殘?jiān)?，無刻痕的，光滑的刻蝕表面。通過調(diào)節(jié)氧氣在這三種混合氣體中的相對(duì)含量，即可調(diào)節(jié)選擇性刻蝕比和刻蝕速率，圖1是當(dāng)使用感應(yīng)耦合等離子體裝置，襯底溫度為20℃，氯氣和氮?dú)獾牧髁糠謩e為40和10sccm，ICP功率為1750W，DC偏壓為-220V，反應(yīng)室壓力為20mTorr時(shí)，氧氣的流量與刻蝕速率、刻蝕選擇比的關(guān)系，可見，當(dāng)氧氣的流量為2sccm時(shí)，對(duì)GaN和Al0.28Ga0.72N的選擇性刻蝕比為60∶1，對(duì)GaN的刻蝕速率達(dá)到320nm/min。
本發(fā)明所公開的方法可用于所有類型的等離子體刻蝕裝置。在使用不同的等離子體刻蝕裝置時(shí)，應(yīng)該調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體中各組分之間的相對(duì)流量比例，使刻蝕達(dá)到最好的效果。
實(shí)施例1用本發(fā)明所公開的干法刻蝕方法對(duì)氮化鎵基的HEMT進(jìn)行刻蝕試驗(yàn)。HEMT的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示藍(lán)寶石基板1，上面依次覆蓋GaN層2(厚度為2000nm)，AlGaN層3(厚度20nm)，GaN層4(厚度20nm)。制作器件時(shí)，需要在上面覆蓋掩膜5，用來形成所需要的圖形，刻蝕的目的是將最上面的GaN層4去除一部分，露出AlGaN層3，用本發(fā)明所公開的氣體組合(Cl2/N2/O2)形成的等離子體6進(jìn)行干法刻蝕，刻蝕的條件如圖1中的條件，取氧氣的流量為2sccm，獲得的對(duì)GaN，AlGaN的刻蝕速率分別為320nm/min，5nm/min?？涛g4s后，取出HEMT，觀察到表面露出了AlGaN層，其表面無殘?jiān)?，無刻痕，極其平滑，且刻蝕的GaN層4側(cè)壁基本垂直，表明刻蝕是以高度各向異性進(jìn)行刻蝕。
實(shí)施例2用本發(fā)明所公開的干法刻蝕方法對(duì)氮化鎵基的光二極管(photodiode)進(jìn)行刻蝕試驗(yàn)。光二極管的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示藍(lán)寶石基板1，上面依次覆蓋n型GaN層2(厚度為3600nm)，非故意摻雜GaN吸收層3(厚度800nm)，p型AlGaN層4(厚度250nm)，以及p型GaN接觸層5(厚度20nm)。制作器件時(shí)，需要在上面覆蓋掩膜6，用來形成所需要的圖形，刻蝕的目的是將最上面的GaN層5去除一部分，露出AlGaN層4，用本發(fā)明所公開的氣體組合(Cl2/He/O2)形成的等離子體7進(jìn)行干法刻蝕，氯氣，氦氣和氧氣的流量分別為40，20和2sccm，ICP功率為1750W，DC偏壓為-220V，反應(yīng)室壓力為20mTorr時(shí)，獲得的對(duì)GaN，AlGaN的刻蝕速率分別為300nm/min，5nm/min?？涛g4s后，取出光二極管，觀察到表面露出了AlGaN層，其表面無殘?jiān)?，無刻痕，極其平滑，且刻蝕的GaN層5側(cè)壁基本垂直，表明刻蝕是以高度各向異性進(jìn)行刻蝕。
實(shí)施例3用本發(fā)明所公開的干法刻蝕方法對(duì)氮化鎵基的激光二極管進(jìn)行刻蝕試驗(yàn)。激光二極管的基本結(jié)構(gòu)如圖4所示藍(lán)寶石基板1，上面依次覆蓋n型GaN層2(厚度為3000nm)，n型InGaN層3(厚度100nm)，n型AlGaN層4(厚度500nm)，n型GaN層5(厚度為100nm)，然后是InGaN/GaN量子阱活性層6，p型AlGaN層7(厚度20nm)，p型GaN層8(厚度100nm)，p型AlGaN層9(厚度500nm)，p型GaN層10(厚度200nm)。制作器件時(shí)，需要在上面覆蓋掩膜11，用來形成所需要的圖形，刻蝕的目的是將最上面的GaN層10去除一部分，露出AlGaN層9，用本發(fā)明所公開的氣體組合(Cl2/Ne/O2)形成的等離子體11進(jìn)行干法刻蝕，氯氣，氖氣和氧氣的流量分別為40，20和2sccm，ICP功率為175W，DC偏壓為-220V，反應(yīng)室壓力為20mTorr時(shí)，獲得的對(duì)GaN，AlGaN的刻蝕速率分別為310nm/min，5nm/min。刻蝕4s后，取出激光二極管，觀察到表面露出了AlGaN層，其表面無殘?jiān)?，無刻痕，極其平滑，且刻蝕的GaN層10側(cè)壁基本垂直，表明刻蝕是以高度各向異性進(jìn)行刻蝕。
權(quán)利要求
1.一種氮化鎵材料的干法刻蝕方法，其特征在于所述方法通過含有氯氣，氮?dú)猓鯕釩l2/N2/O2這三種氣體混合而形成的反應(yīng)氣體生成的等離子體而進(jìn)行刻蝕，獲得高的刻蝕選擇比和高的GaN的刻蝕速率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的干法刻蝕方法，其特征在于所述方法通過含有氯氣，氦氣，氧氣Cl2/He/O2這三種氣體混合而形成的反應(yīng)氣體生成的等離子體而進(jìn)行刻蝕。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的干法刻蝕方法，其特征在于所述方法通過含有氯氣，氖氣，氧氣Cl2/Ne/O2這三種氣體混合而形成的反應(yīng)氣體生成的等離子體而進(jìn)行刻蝕。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的干法刻蝕方法，其特征在于所述方法通過含有氯氣，一氧化氮，氧氣Cl2/N2O/O2這三種氣體混合而形成的反應(yīng)氣體生成的等離子體而進(jìn)行刻蝕。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于氮化鎵材料刻蝕技術(shù)領(lǐng)域的一種氮化鎵材料的干法刻蝕方法，其特征是通過含有氯氣，氮?dú)?，氧氣Cl
文檔編號(hào)C23F1/12GK1490850SQ03157390
公開日2004年4月21日 申請(qǐng)日期2003年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月19日
發(fā)明者羅毅, 韓彥軍, 薛松, 胡卉, 郭文平, 邵嘉平, 孫長(zhǎng)征, 郝智彪, 羅 毅 申請(qǐng)人:清華大學(xué)