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光电化学蚀刻可用于制造氮化镓中高纵横比深沟槽

导读: 日本SCIOCS有限公司和法政大学曾报导了在氮化镓(GaN)中利用光电化学(PEC)蚀刻深层高纵横比沟槽的进展。

日本SCIOCS有限公司和法政大学曾报导了在氮化镓(GaN)中利用光电化学(PEC)蚀刻深层高纵横比沟槽的进展[Fumimasa Horikiri et  al, Appl. Phys. Express, vol11, p091001, 2018]。 该团队希望该技术能够在高场中能够利用GaN的高击穿场和高电子迁移速度为电力电子技术开辟新的器件结构。

具有p型和n型材料列的“超结”结构是需要通过深度蚀刻技术来实现的。当这种结构结合到横向场效应晶体管中时,击穿电压能够达到10kV以上。这种超结漂移区和其他深蚀刻结构也会对垂直器件有益。对于激光二极管,晶片切割应用和微机电系统(MEMS)的脊形制造,同样需要高质量的快速蚀刻速率工艺。目前, PEC已经应用于台面,栅极凹陷和垂直腔面发射激光器(VCSEL)制造工艺上。

一般情况下,我们通过干等离子体蚀刻(如电感耦合等离子体反应离子蚀刻(ICP-RIE))来实现材料表面的深度蚀刻。 但这将进一步引起在GaN和掩模材料之间低干蚀刻选择性的问题。 高质量的蚀刻技术往往很慢,从而缩小了深层结构的范围。

研究人员通过空隙辅助分离蓝宝石中的n型氢化物气相外延(HVPE)材料制备了2英寸自支撑GaN衬底(Mike Cooke, Semiconductor Today, p80, June/July  2018] - a technique developed by SCIOCS)。此时晶片的位错密度在2×10 6cm-2至5×10 6cm-2的范围内。

通过金属 - 有机气相外延法使二极管层生长 ,形成5.8μmn-GaN肖特基势垒二极管、2μmn+型GaN、10μmn-型GaN,500nm p-型GaN和20nm p + 型GaN p-n二极管。 将p-n二极管材料在850℃,氮气氛围中退火30分钟以活化p型层中的镁受体。 退火的效果是驱除钝化受体的氢原子。

光电化学蚀刻可用于制造氮化镓中高纵横比深沟槽

图1:PEC蚀刻流程

用于PEC蚀刻的掩模材料(图1)是钛。 PEC蚀刻通过“光辅助阳极氧化”实现蚀刻GaN。 该工艺过程中,GaN释放Ga3 +,其正电荷来自GaN /电解质阳极界面处的紫外(UV)光产生的空穴。 通过在GaN晶片的背面上的欧姆接触和作为阴极的铂反电极之间建立的PEC的电路去除电子。 蚀刻电位为1V; 紫外线辐射由汞 - 氙灯提供,垂直入射9.0mW / cm2。 辐射和蚀刻电位以脉冲模式操作,电位为0.6占空比。

电解质中的氢氧根离子,其与Ga3 +反应,形成Ga2O3。其中电解质溶液中的0.01M氢氧化钠和1%Triton X-100作为润湿剂,以降低表面张力并有助于除泡。

这种PEC刻蚀工艺实现了24.9nm /分钟的平滑表面速率,与无损伤干法蚀刻技术效果基本相同。如果将PEC速率提高到175.5nm /分钟,则会导致表面粗糙,这类高速PEC可用于晶圆切割。

如果我们选择用由90μm直径圆点组成的50nm厚的钛掩模,通过PEC蚀刻至20μm的深度,那么选择性将大于400(20μm/ 50nm), 侧蚀小于1μm。

在沟槽蚀刻的实验中,达到的深度是由电流密度控制的,而不是沿GaN晶格的m轴或a轴的掩模取向。 短宽度孔径掩模的沟槽蚀刻速率在约30μm深度处减慢。 研究人员认为,这是由于紫外线辐射难以到达沟槽底部的蚀刻前沿。 他们补充说,相干的紫外光源可能有助于深沟槽蚀刻。

光电化学蚀刻可用于制造氮化镓中高纵横比深沟槽

图2:PEC刻蚀深度与沟槽纵横比之间的关系。

实线,虚线和虚线对应于基于PEC与沟槽宽度的纵横比的估计,其包括在两个壁中的0.7μm量级的侧蚀。 填充符号显示实验结果。

由图2可以看出实现的最大沟槽纵横比为7.3(3.3μm宽度和24.3μm深度)。 该团队说:“这种纵横比和蚀刻深度与ICP-RIE制造的SiC沟槽的最佳结果相当,表明PEC刻蚀的优势不仅在于光学和电子器件的制造,而且在于制造GaN-MEMS,如晶圆,隔膜,微流体通道和光栅的通孔。”

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