基于金剛石鈍化散熱的柵區微納尺度刻蝕研究

李義壯 ，郭懷新 ，郁鑫鑫 ，孔月嬋，陳堂勝

(1.微波毫米波單片集成和模塊電路重點實驗室，江蘇 南京 210016;2.南京電子器件研究所，江蘇 南京 210016)

GaN 半導體由于禁帶寬度大，常被用在耐高壓耐高溫的工作場合，是一種性能優異的第三代半導體材料。同時，GaN HEMT 器件具有高二維電子氣濃度、高擊穿場強、高電子飽和速度，其輸出功率密度遠高于傳統的Si 器件與GaAs 器件，可以適應新一代電子產品對更高頻率、更大功率性能指標的要求。但隨著器件小型集成化的發展，現階段在GaN 基功率器件的研制和應用進程中，高功率狀態下的可靠性面臨嚴峻挑戰，導致其大功率性能優勢遠未充分發揮。其主要原因之一是GaN 微波功率芯片在高功率狀態下會產生大量的熱，這些熱量無法快捷有效地散發出去，即自熱效應(Self-Heating)[1]。目前，高熱導率的材料和GaN 器件集成的被動散熱技術是芯片級熱管理研究的熱點和主流理念。主要的集成類型有三種[1]:一、以金剛石材料作襯底集成;二、GaN 器件有源區下端嵌入式集成高熱導率材料;三、高導熱鈍化層集成。第一種以金剛石作襯底的實現方法主要是利用鍵合的方式或外延生長的方法將金剛石轉移到GaN 下方作襯底散熱，不管是外延生長還是鍵合，目前的成品率都很低，且工藝復雜;第二種集成類型的實現和現有的GaN 芯片制備技術并不兼容，且受芯片尺寸和設計的影響[2];第三種集成類型的實現和現有的GaN 芯片制備技術兼容，僅在現有的技術上增加高導熱薄膜鈍化工藝即可。

金剛石具有高熱導率，是作為GaN 器件鈍化散熱的理想材料。將高熱導率金剛石材料集成到GaN 器件源漏之間有源區是目前的一個技術難點，由于源漏之間有源區只有幾微米，以目前的金剛石生長技術，無法在源漏之間有源區直接選擇性生長金剛石。只有通過全范圍生長金剛石，然后將電極上方區域金剛石刻蝕掉，才可能實現柵源、柵漏之間的有源區金剛石鈍化集成。柵金屬的制備需要對金剛石進行刻蝕，金剛石高精度微納尺度刻蝕質量不僅影響后續柵金屬的制備，同時刻蝕過程中的損傷應力會影響器件的本征輸出特性。由于金剛石材料物理特性非常穩定，濕法刻蝕難以進行，幾乎只能進行干法刻蝕[3-6]。目前已有的關于金剛石刻蝕的研究大多都是關注刻蝕的速率，且刻蝕尺度都是在微米以上[7-13]。對于微納尺度的刻蝕和刻蝕后的形貌，尤其是刻蝕后表面潔凈度的相關研究較少，刻蝕表面的潔凈度對于后續柵金屬的制作至關重要，直接影響有源區的載流子濃度與柵電極對器件的調控作用。

本文旨在系統性研究金剛石薄膜用于GaN 器件鈍化散熱時的柵區微納尺度刻蝕工藝，通過改變ICP 源功率、氣體流量、氣體組分等工藝參數，觀察不同條件下的刻蝕速率與刻蝕形貌，實現微納尺度下刻蝕面平整潔凈、刻蝕側壁垂直的高精度控制。

1 實驗過程

1.1 ICP 刻蝕原理

ICP 刻蝕設備用兩套獨立的射頻電源控制等離子體密度和離子轟擊能量，為優化刻蝕工藝參數創造了條件。一套射頻源通過感應耦合的模式可以獲得高密度的活性離子，為得到高刻蝕速率奠定了基礎，另外一套射頻源對基片產生向下的轟擊作用。兩套可以獨立自動控制，等離子密度和轟擊能量方向可以單獨控制，可以在低氣壓狀態下維持穩定的輝光放電，這可以控制刻蝕過程中的化學刻蝕與物理刻蝕兩者的比重[14]。本實驗所使用的刻蝕設備為ULVAC 公司NE-550 EX 型號的ICP 刻蝕機，ICP 設備結構簡圖如圖1所示。

圖1 ICP 刻蝕機結構簡圖Fig.1 Structure diagram of ICP etcher

金剛石為碳基材料，可以選用O2作為刻蝕氣體[3-13]，O2分子在電感耦合作用下，電離形成電子與帶電氧離子，帶電的氧離子與電子形成等離子體，氧活性基團在下極板偏壓的作用下轟向基板，金剛石中的C—C 共價鍵在高能等離子體的轟擊下發生斷裂，并與吸附在上面的氧活性基團發生反應生成CO2，CO2在氣流的作用下揮發并被帶出腔體，從而使金剛石被刻蝕。

1.2 實驗過程

實驗過程中刻蝕的材料為納米級金剛石，為了降低金剛石生長過程中氫等離子體對GaN 器件的刻蝕破壞，納米金剛石是在生長溫度低于750 ℃的條件下外延生長得到的。金剛石薄膜表面形貌如圖2。

圖2 金剛石薄膜生長后表面形貌Fig.2 Surface morphology of diamond films after growth

常用的金剛石刻蝕掩膜為鋁[13]，但為了GaN 器件工藝的兼容性，本研究用氮化硅作刻蝕掩膜，氮化硅同樣具有高選擇刻蝕比[15]。圖3 為實驗過程工藝流程圖。具體實驗過程如下:(a)金剛石薄膜生長，厚度在500～800 nm，所刻蝕的金剛石是利用化學氣相沉積方法在SiC 襯底的AlGaN/GaN 器件材料上外延生長得到;(b)Si3N4掩膜生長，在250 ℃下，利用化學氣相沉積方法生長200 nm 的Si3N4掩膜;(c)涂膠，旋涂光刻膠，準備對氮化硅刻蝕;(d)光刻顯影，利用電子束光刻技術在樣品上光刻出柵長400 nm 的柵條并顯影，將需要刻蝕的圖形轉移到掩膜上;(e)對Si3N4進行刻蝕;(f)去膠;(g)以Si3N4為掩膜對金剛石進行刻蝕。

圖3 實驗過程工藝流程圖Fig.3 Experimental process flow chart

2 實驗結果與分析

2.1 ICP 源功率對刻蝕的影響

實驗中，設置RF 偏壓功率保持不變，O2氣體流量為80 mL/min，腔體壓強為1 Pa，改變ICP 源功率大小來研究源功率對刻蝕速率和選擇比的影響。實驗中設定ICP 源功率分別為150，300，450，600，750和900 W。實驗結果如圖4 所示，隨著ICP 源功率的增加，金剛石的刻蝕速率不斷增大，刻蝕速率分別對應71.7，147.6，206.9，247.8，278.4 和299.8 nm/min;同時，在純氧環境下，Si3N4的刻蝕速率很小，并且隨ICP 源功率的增大變化不大，ICP 源功率為150，300，450，600，750 和900 W 分別對應的刻蝕速 率 為 2.71，2.83，2.89，2.93，3.07 和 3.14nm/min。

圖4 刻蝕速率隨ICP 源功率變化曲線Fig.4 Variation curve of etching rate with ICP power

ICP 源功率對腔體中氧氣分子離化形成等離子體的密度有很大的影響，隨著源功率的增大，線圈產生的電磁場強度變大，導致氧氣分子離化程度加劇，離化率增加，使腔體中活化性基團及高能離子密度增大，這些氧基活性基團及高能離子在電場的作用下轟擊到樣品表面。對于金剛石來說，金剛石中的C—C 共價鍵在高能離子的轟擊下斷開，并與氧基活性基團反應，生成可以揮發的二氧化碳，故ICP 源功率越高，金剛石刻蝕速率越快;對于掩膜氮化硅來說，高能離子轟擊到氮化硅上使Si—N 共價鍵斷開，但氧基活性基團不能與氮化硅生成可揮發的副產物，對氮化硅的化學刻蝕不能穩定進行下去，對氮化硅掩膜只有微弱的物理濺射刻蝕。金剛石/氮化硅刻蝕選擇比在上述不同ICP 源功率下分別為26.5，52.2，71.6，84.6，90.7，95.5。可以看出，刻蝕選擇比隨ICP 功率增加而顯著增加，其原因是金剛石的刻蝕作用顯著增強而掩膜Si3N4刻蝕速率幾乎不變。ICP 源功率大于300 W 時，刻蝕選擇比大于50。可以看出，氮化硅作金剛石刻蝕掩膜擁有非常高的刻蝕選擇比。

此外，在100 W ICP 源功率條件下，刻蝕表面會產生尖錐狀毛刺，并且隨著刻蝕時間的增加，尖錐狀毛刺會越來越大，越來越長。如圖5 所示，圖5(a)為ICP 功率150 W，刻蝕120 s 時的刻蝕表面，此時刻蝕面并未產生毛刺;繼續刻蝕120 s，此時有比較小的毛刺，數量也比較少，如圖5(b)所示;再加刻120 s 后，毛刺大量出現，此時毛刺依然比較小(圖中白色尖狀物)，如圖5(c)所示;刻蝕總時間達到480 s 時，毛刺大量出現，且毛刺變大，如圖5(d)所示。其原因是，在低ICP 功率下，活性基團濃度偏低，化學刻蝕作用相對降低，使得刻蝕過程中的物理濺射作用占比增強，高能離子濺射到刻蝕表面后，由于活性基團濃度偏低，導致轟擊后周圍存在未被氧基活性基團刻蝕完的毛刺留下，隨著刻蝕的繼續進行，有些毛刺會越來越大，影響刻蝕表面形貌。因此，在刻蝕過程中，ICP 源功率不能過低，需要大于300 W。

圖5 ICP 源功率為150 W 不同刻蝕時間時的刻蝕表面。(a)刻蝕120 s 后;(b)刻蝕240 s 后;(c)刻蝕360 s 后;(d)刻蝕480 s 后Fig.5 The etched surface at different etching time when the ICP power is 150 W.(a) 120 s after etching;(b) 240 s after etching;(c) 360 s after etching;(d) 480 s after etching

2.2 氧氣流量對刻蝕的影響

實驗中，設置ICP 源功率及RF 偏壓功率保持不變，ICP 源功率為400 W，RF 偏壓功率為50 W，腔體壓強為1 Pa，改變O2流量來研究O2對刻蝕速率和刻蝕選擇比的影響。實驗中設定O2流量為0，15，30，45，60，75 和90 mL/min。實驗結果如圖6 所示，隨著O2流量的增大，金剛石的刻蝕速率不斷增大，刻蝕速率分別為0，60.9，113.6，149.7，173.4，188.2 和196.2 nm/min。由該刻蝕速率曲線可以看出，在低流量情況下(＜30 mL/min)，隨O2流量的增加，刻蝕速率增長較快，當流量高過一定值(＞60 mL/min)時，刻蝕速率隨O2流量增長緩慢。其原因可作如下解釋:在低流量情況下，刻蝕速率受活性反應粒子供應不足的限制，增大氣體流量，可以提供更多的反應氣體的活性粒子，同時更快地將反應產物帶走，從而使刻蝕加速;當流量達到一定值后，活性離子供應充足，而由于腔內壓強不變，腔內活性粒子接近飽和，當再增加氧氣流量，刻蝕速率增長緩慢。

圖6 金剛石刻蝕速率隨氧氣流量變化曲線Fig.6 Variation curve of etching rate with oxygen flow

2.3 氣體組分對刻蝕的影響

2.3.1 O2中加入不同濃度Ar

設置ICP 源功率、RF 偏壓功率、腔體壓強及氣體總流量不變，改變O2與Ar 的流量比，研究O2與Ar共同作用下，不同的氣體比例對刻蝕質量與刻蝕速率的影響。實驗中，設置ICP 源功率400 W，RF 偏壓功率50 W，腔體壓強1 Pa，氣體總流量80 mL/min，設定O2/Ar 流量比分別為8 ∶1，4 ∶1，2 ∶1 的三組實驗。刻蝕速率如圖7 所示，純氧情況下，金剛石刻蝕速率為191.8 nm/min，而在加入少量Ar 后，刻蝕速率迅速跌落，O2/Ar 流量比為8 ∶1，4 ∶1，2 ∶1，1 ∶1時的刻蝕速率分別為111.5，100.7，96.2 和80.6 nm/min。

圖7 金剛石刻蝕速率隨氬氣流量變化曲線Fig.7 Variation curve of etching rate with argon flow

可以看出，加入少量Ar 有抑制刻蝕速率的作用，其原因可能是Ar 的加入使得氧基活性基團濃度減少。但是少量Ar 的加入不會對刻蝕表面的形貌有所影響，少量Ar 會對刻蝕速率起到調節作用，防止過量刻蝕，從而影響GaN 器件柵區載流子濃度，而Ar 占比過大時會產生毛刺。如圖8 所示，圖8(a)為純氧條件下刻蝕5 min 后的柵區形貌，可以看出金剛石刻蝕完全，且柵區非常干凈，同時刻蝕側壁垂直陡峭;圖8(b)為O2/Ar 流量比8 ∶1 時刻蝕5 min 后的柵區，同樣干凈整潔;圖8(c)為O2/Ar 流量比4 ∶1 時刻蝕5 min 后的柵區形貌，金剛石還沒完全刻掉(金剛石沒刻完全只是因為該樣品相對于其他樣品金剛石薄膜更厚，并不能說明刻蝕速率慢)，此時出現少量較小毛刺(圖中柵區尖狀泛白的物質);圖8(d)為O2/Ar 流量比2 ∶1 時刻蝕5 min 后的柵區形貌，此時金剛石已刻完，可以看出存在較多毛刺，但毛刺大小相對較小。

圖8 (a) 純氧條件下刻蝕刻蝕結果;(b) O2/Ar 流量比8 ∶1 刻蝕結果;(c) O2/Ar 流量比4 ∶1 刻蝕結果;(d) O2/Ar 流量比2 ∶1 刻蝕結果Fig.8 (a) Etching result in pure oxygen;(b) Etching result when O2/Ar flow ratio is 8 ∶1;(c) Etching result when O2/Ar flow ratio is 4 ∶1;(d) Etching result when O2/Ar flow ratio is 2 ∶1

2.3.2 O2、Ar 與CF4混合氣體

在ICP 源功率、RF 偏壓功率、腔體壓強、O2與Ar 的流量不變的情況下，改變CF4的氣體流量，研究O2與Ar 混合氣體中加入CF4對金剛石刻蝕的影響。實驗中，設置ICP 源功率400 W，RF 偏壓功率50 W，腔體壓強1 Pa，O2流量71.1 mL/min，Ar 流量8.9 mL/min，設定CF4流量為0，4，8 和12 mL/min 四組不同的實驗，它們對應的金剛石刻蝕速率分別為111.5，147.6，157.9 和161.3 nm/min。CF4的加入稍微增加了刻蝕速率，但對掩膜Si3N4的刻蝕速率提升很大，上述四種條件下Si3N4的刻蝕速率為3.8，15.7，39.6 和66.5 nm/min，金剛石/氮化硅選擇刻蝕比分別為29.3，9.4，4.0 和2.4。由此可見，CF4的加入極大地降低了金剛石/氮化硅選擇刻蝕比，因為CF4產生氟基活性基團，與氮化硅反應生成可揮發的SiF4，使Si3N4的化學刻蝕作用加劇[15]。圖9(a)為加入CF4流量為4 mL/min 時刻蝕5 min 后的表面形貌，此時掩膜刻蝕嚴重，但依然存在(刻蝕前掩膜厚度200 nm);圖9(b)為加入CF4流量為12 mL/min 時刻蝕5 min 后的表面形貌，此時掩膜完全被刻蝕干凈。

圖9 (a)加入CF4 流量為4 mL/min 時刻蝕表面;(b) 加入CF4 流量為12 mL/min 時刻蝕表面Fig.9 (a)Etched surface when the flow rate of CF4 is 4 mL/min;(b) Etched surface when the flow rate of CF4 is 12 mL/min

另一方面，加入CF4有助于消去刻蝕過程中形成的尖錐狀毛刺，如圖10(a)，低ICP 源功率純氧條件下，刻蝕過程出現了大量尖錐狀毛刺。加入少量Ar后，未見明顯改善，如圖10(b)。加入CF4后，毛刺大量減小或消失，如圖10(c)。所以當刻蝕表面出現毛刺時，在掩膜厚度可以接受的情況下，可以加入少量CF4來消去毛刺。

圖10 (a)純氧低功率下刻蝕300 s 后柵區形貌;(b)加入少量Ar 后繼續刻蝕60 s;(c)再加入CF4 后繼續刻蝕60 sFig.10 (a) Morphology of gate region after 300 s etching with pure oxygen at low power;(b) Continue etching for 60 s after adding a small amount of Ar;(c) Continue etching for 60 s after adding CF4

3 結論

本文針對金剛石薄膜柵區微納尺度刻蝕關鍵工藝進行研究，分析了不同工藝參數對多晶金剛石薄膜刻蝕速率及刻蝕表面質量的影響。結果表明，刻蝕速率隨ICP 功率與氧氣流量的增加而增加，最終會趨于飽和。低ICP 功率或低氧氣流量情況下，由于刻蝕速率過低，刻蝕表面會出現尖錐狀毛刺。將ICP 功率加到300 W 以上，且氧氣流量在30 mL/min 以上，可以使刻蝕表面變得平整光滑。O2中加入少量Ar 會對刻蝕速率起調節作用，防止刻蝕速率過快出現過刻現象，過量Ar 會產生少量毛刺。CF4的加入可以消除刻蝕過程中形成的毛刺，但同時會使金剛石/氮化硅刻蝕選擇比急劇降低，在掩膜厚度可以接受的情況下，可以加入少量CF4消去刻蝕過程中產生的毛刺。實驗結果表明，當ICP 源功率大于300 W，O2流量大于60 mL/min 時，可以得到表面平整干凈、側壁垂直光滑且速率合適的微納尺度柵區刻蝕槽。