摘要：本文采用用感應(yīng)耦合等離子體蝕刻設(shè)備，借助六氯化硫和氮?dú)鈱?duì)外延生長(zhǎng)在藍(lán)寶石襯底上的氧化鎵薄膜進(jìn)行了蝕刻。通過(guò)改變兩種二氧化碳輸入流量比，研究其氧化鎵蝕刻速度和蝕刻后氧化鎵薄膜的結(jié)晶、表面形貌和光學(xué)特點(diǎn)的影響。發(fā)覺(jué)在本實(shí)驗(yàn)所選條件下，當(dāng)六氯化硫和氫氣流量比為15:5時(shí)，氧化鎵薄膜的蝕刻速度最高，蝕刻后的氧化鎵薄膜具有更低的表面粗糙度和更高的紫外光透射率。上述研究結(jié)果，對(duì)于擴(kuò)充氧化鎵元件的應(yīng)用具有挺好的10推動(dòng)作用。
關(guān)鍵詞：氧化鎵；濕法蝕刻；感應(yīng)耦合等離子體涂覆；蝕刻速度
0序言
氧化鎵（Ga2O3）是一種III-VI族直接寬帶隙半導(dǎo)體材料，有α-Ga2O3、β-Ga2O3、γ-Ga2O3，δ-Ga2O3，ε-Ga2O3五種同分異構(gòu)體。以單斜晶系的β-Ga2O3最為穩(wěn)定，而其它四種結(jié)構(gòu)的Ga2O3材料在一定濕度下均可向β相Ga2O3轉(zhuǎn)變[1]。Ga2O3的禁帶長(zhǎng)度大（在4.2-4.9eV之間），擊穿場(chǎng)強(qiáng)高達(dá)8MV/cm離子刻蝕，優(yōu)值為3444，這種參數(shù)遠(yuǎn)超過(guò)4H-SiC和GaN，顯示了它在大功率元件方面的應(yīng)用潛力，早已有基于Ga2O3的肖特基晶閘管，等見(jiàn)諸報(bào)導(dǎo)[2][3]。Ga2O3的濁度率和二氧化碳在低溫下具有相關(guān)性，但是熱穩(wěn)定性和物理穩(wěn)定性強(qiáng)，可作為二氧化碳偵測(cè)器[4]。Ga2O3透明度高，折射率為1.97，比大多數(shù)Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體材料低，在紫外透明導(dǎo)電薄膜（TCO），抗反射鍍層方面均有應(yīng)用[5]。
Ga2O3作為電介質(zhì)層時(shí)，須要蝕刻漏出柵源區(qū)進(jìn)行參雜，作為傳感時(shí)須要涂覆以使其偵測(cè)面積減小，Ga2O3基半導(dǎo)體元件同面電極制做時(shí)也須要蝕刻。作為半導(dǎo)體元件制備中的核心工藝，蝕刻技術(shù)對(duì)Ga2O3的應(yīng)用的重要性不言而喻。但是據(jù)我們所知，目前對(duì)于Ga2O3材料蝕刻的研究主要集中于干法蝕刻，例如等人研究了H3PO4，H2SO4對(duì)Ga2O3的蝕刻[6]，等人研究了HF，NaOH對(duì)Ga2O3的蝕刻[7]。但是干法蝕刻半導(dǎo)體材料在半導(dǎo)體元件制備上有其固有的缺點(diǎn)，蝕刻均勻性差，大面積加工時(shí)浪費(fèi)材料；元件規(guī)格步入μm級(jí)時(shí)，干法蝕刻的毛細(xì)現(xiàn)象和各向同性無(wú)法保證蝕刻精度和臺(tái)面結(jié)構(gòu)的崎嶇[8]。而濕法涂覆以其大范圍均勻性，蝕刻選擇性高，蝕刻各向異性好，成本低，控制簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，早以成為半導(dǎo)體元件制備的主流工藝。
常見(jiàn)的濕法蝕刻設(shè)備包括反應(yīng)離子蝕刻（RIE），感應(yīng)耦合等離子體蝕刻（ICP），電子回旋共振等離子體涂覆（ECR）等。RIE蝕刻等離子體含量低，不能控制襯底直流展寬而在提升蝕刻速度和減少表面損傷之間存在矛盾。ECR存在設(shè)備復(fù)雜，穩(wěn)定性差等問(wèn)題。ICP設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，同時(shí)具有兩個(gè)射頻電源，等離子體密度高，蝕刻均勻性好，表面損傷低等優(yōu)點(diǎn)，因而本實(shí)驗(yàn)選擇ICP蝕刻來(lái)研究其對(duì)Ga2O3材料蝕刻后基本特點(diǎn)的影響[9]。
1實(shí)驗(yàn)
首先采用MOCVD方式在2英寸藍(lán)寶石上外延生長(zhǎng)長(zhǎng)度約為1μm的Ga2O3薄膜，將其切割成若干個(gè)規(guī)格為1×1cm2的樣品備用。蝕刻前我們借助F20-膜厚儀對(duì)每位樣品的長(zhǎng)度進(jìn)行了細(xì)致檢測(cè)，即在樣品上選定五個(gè)不同的檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試后求平均值；蝕刻后樣品的長(zhǎng)度也采用此方式進(jìn)行確定，并借助蝕刻前后的長(zhǎng)度差估算平均蝕刻速度。
其次借助創(chuàng)世威納公司制造的型感應(yīng)耦合等離子體設(shè)備對(duì)Ga2O3薄膜進(jìn)行濕法蝕刻。實(shí)驗(yàn)中我們選擇六氯化硫（SF6）和氫氣（Ar）為蝕刻二氧化碳，固定通入腔室外總蝕刻二氧化碳的流量為，在SF6與Ar流量比為0:20、5:15、10:10、15:5和20:0的條件下，蝕刻出多組樣品。射頻功率分別為600W和150W，腔室氣壓為1.5Pa，蝕刻時(shí)間為10min。最后借助X射線(xiàn)衍射儀（XRD）、UV-3600型紫外-可見(jiàn)-紅外雙光束分光光度計(jì)和原子力顯微鏡（AFM），對(duì)蝕刻前后的氧化鎵樣品的結(jié)晶特點(diǎn)、光學(xué)特點(diǎn)和表面形貌進(jìn)行了測(cè)試表征。
2結(jié)果與討論
2.1SF6與Ar流量比對(duì)氧化鎵蝕刻速度的影響
圖1氧化鎵蝕刻速度與蝕刻二氧化碳流量比的關(guān)系曲線(xiàn)，插圖為蝕刻原理示意圖
圖1所示為在不同SF6與Ar流量比條件下測(cè)得的氧化鎵薄膜蝕刻速度變化曲線(xiàn)。從圖中可以看出，單獨(dú)借助Ar二氧化碳對(duì)氧化鎵薄膜進(jìn)行滲氮時(shí)，其蝕刻速度非常平緩離子刻蝕，在所選蝕刻條件下幾乎不能對(duì)氧化鎵薄膜形成顯著的蝕刻作用。這主要是由于氧化鎵中Ga-O鍵能較高（363.6KJ/mol），Ar離子的轟擊能量還不足以使其破裂，造成蝕刻療效并不顯著。當(dāng)在蝕刻二氧化碳中加入SF6后，氧化鎵薄膜的蝕刻速度獲得急劇增強(qiáng)，所選三組流量比條件下測(cè)得的蝕刻速度均介于30nm/min至35nm/min范圍之內(nèi)。同時(shí)我們還可發(fā)覺(jué)，氧化鎵薄膜的蝕刻速度受SF6與Ar流量比變化的影響并不明顯。而對(duì)于單獨(dú)使用SF6二氧化碳的情況，氧化鎵薄膜的蝕刻速度略有升高。
插圖是借助SF6與Ar等離子體進(jìn)行氧化鎵薄膜ICP蝕刻的原理圖，蝕刻過(guò)程可分為以
下四個(gè)步驟。首先是FX離子吸附在氧化鎵薄膜表面，其次是吸附的FX離子與氧化鎵薄膜發(fā)生反應(yīng)生成GaFX和其它氣態(tài)產(chǎn)物，再度是S與Ar離子轟擊薄膜表面的GaFX產(chǎn)物，最后是鍵能較低的GaFX從薄膜表面脫附下來(lái)。由此可見(jiàn)，氧化鎵薄膜的蝕刻是化學(xué)-物理雙重作用的結(jié)果。這就挺好的解釋了單獨(dú)使用Ar二氧化碳無(wú)法蝕刻氧化鎵薄膜，而單獨(dú)使用SF6才能蝕刻氧化鎵薄膜雖能蝕刻但其蝕刻速度有所增長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
2.2SF6與Ar流量比對(duì)蝕刻后氧化鎵結(jié)晶特點(diǎn)和表面粗糙度的影響
固定二氧化碳總流量為，Ar與SF6流量比為10:10，下射頻功率為150W，腔室氣壓為1.5Pa，改變上射頻功率，得到β-Ga2O3的蝕刻速度如下：
圖2蝕刻前后氧化鎵薄膜的XRD測(cè)試結(jié)
圖2所示為在不同SF6與Ar流量比條件下蝕刻后氧化鎵薄膜的XRD測(cè)試曲線(xiàn)。從圖中可以見(jiàn)到，蝕刻前后的樣品均出現(xiàn)了四個(gè)顯著的衍射峰，但是衍射峰值位置基本相同。其中坐落41.7°的衍射峰對(duì)應(yīng)于藍(lán)寶石襯底的（0006）面衍射，而坐落坐落18.94°、38.42°和59.08°的衍射峰，對(duì)應(yīng)于β相Ga2O3的（2-01），（4-02）和（6-03）面的衍射[10]。從XRD測(cè)試結(jié)果中可以看出，蝕刻前后氧化鎵薄膜的晶體結(jié)構(gòu)并沒(méi)有發(fā)生顯著的變化。
圖3蝕刻前后氧化鎵薄膜的表面粗糙度隨蝕刻二氧化碳比列變化曲線(xiàn)
圖3為蝕刻前后氧化鎵薄膜表面粗糙度（RMS）的變化曲線(xiàn)。從圖中可以見(jiàn)到，相較于蝕刻前的樣品，五組蝕刻后樣品的RMS值均減少，并在SF6:Ar=15:5的比列下達(dá)到最低
值1.97nm。對(duì)于蝕刻后氧化鎵薄膜RMS的變化趨勢(shì)，可從上述蝕刻模型中獲得解釋。當(dāng)只用Ar二氧化碳時(shí)，即使不能對(duì)氧化鎵薄膜形成顯著的蝕刻療效，但可起到“清潔”作用，即可將附著在氧化鎵薄膜表面的結(jié)合能力較弱的物質(zhì)去除掉，進(jìn)而降低樣品的RMS值。對(duì)于SF6:Ar為5:15和10:10條件下蝕刻的樣品，因?yàn)镾F6二氧化碳含量還不夠大，導(dǎo)致氧化鎵表面單位面積上的Fx離子的吸附和物理反應(yīng)情況略有不同，致使蝕刻均勻性遭到影響，導(dǎo)致RMS值小幅下降。當(dāng)繼續(xù)減小SF6在蝕刻二氧化碳中的比列（達(dá)15:5時(shí)），氧化鎵薄膜表面Fx離子吸附與反應(yīng)的均勻性獲得提升，反應(yīng)產(chǎn)物在S與Ar離子的轟擊下可從樣品表面及時(shí)脫附出去，進(jìn)而促使蝕刻后氧化鎵薄膜的RMS值顯著降低。若僅用SF6作為蝕刻二氧化碳，因?yàn)槿狈α薃r離子的轟擊，樣品表面將積累無(wú)法通過(guò)化學(xué)轟擊過(guò)程而及時(shí)脫附出去的GaFX，造成了氧化鎵薄膜的RMS值顯著下降。
2.3SF6與Ar流量比對(duì)蝕刻后氧化鎵薄膜光學(xué)特點(diǎn)的影響
圖4不同二氧化碳流量比條件下蝕刻后氧化鎵薄膜的透射譜，插圖是對(duì)應(yīng)樣品的光學(xué)禁帶長(zhǎng)度
蝕刻后樣品的透射譜測(cè)試結(jié)果如圖4所示。從圖中可以見(jiàn)到，未經(jīng)蝕刻處理的氧化鎵薄
膜于可見(jiàn)光區(qū)的平均透射率在80%以上，當(dāng)單獨(dú)使用Ar二氧化碳進(jìn)行滲氮后，氧化鎵薄膜的透射特點(diǎn)變化較為顯著，具體表現(xiàn)為吸收邊不再險(xiǎn)峻，即在500nm左右開(kāi)始出現(xiàn)顯著的吸收現(xiàn)象。我們覺(jué)得這是因?yàn)锳r離子的轟擊，在氧化鎵表面產(chǎn)了生大量空位缺陷，缺陷吸收造成了樣品透射特點(diǎn)的變化。對(duì)于SF6:Ar為5:15和10:10條件下蝕刻的氧化鎵薄膜，透射率雖略有增加并且吸收邊仍舊險(xiǎn)峻，表明蝕刻對(duì)其透射特點(diǎn)影響并不顯著。而對(duì)于SF6:Ar為15:5和全部為SF6二氧化碳時(shí)，蝕刻后樣品在可見(jiàn)光區(qū)的平均透射率獲得了顯著提升（達(dá)到95%），并且依照目前早已獲得測(cè)試結(jié)果還不能確定其形成緣由，須要對(duì)樣品做進(jìn)一步的表征與剖析。另外，我們還估算了未蝕刻和蝕刻后各個(gè)樣品的光學(xué)禁帶長(zhǎng)度，結(jié)果如插圖所示。當(dāng)SF6與Ar的流量比為15:5時(shí)，蝕刻后氧化鎵薄膜的光學(xué)禁帶長(zhǎng)度最大。表明在此條件下蝕刻后的氧化鎵薄膜才能透過(guò)更長(zhǎng)波長(zhǎng)的光，其“透明性”獲得提升。
3推論
本文采用ICP設(shè)備，借助SF6和Ar二氧化碳對(duì)外延生長(zhǎng)在c面藍(lán)寶石襯底上的氧化鎵薄膜進(jìn)行了蝕刻。在實(shí)驗(yàn)所選條件下，我們發(fā)覺(jué)單純使用Ar作為蝕刻二氧化碳，無(wú)法對(duì)氧化鎵進(jìn)行有效蝕刻，盡管Ar離子的轟擊會(huì)促使氧化鎵薄膜表面粗造度有所增加，并且因轟擊而形成的缺陷，會(huì)明顯增加氧化鎵薄膜的光學(xué)質(zhì)量。當(dāng)在蝕刻氣體中加入SF6后，氧化鎵薄膜的蝕刻速度顯著增強(qiáng)。膜厚和XRD測(cè)試結(jié)果表明蝕刻前后氧化鎵薄膜的蝕刻速度和晶體質(zhì)量基本不受SF6與Ar流量比變化的影響，但其表面粗糙度和光學(xué)特點(diǎn)受流量比的影響較為明顯。