關于鋁鎵氮（AlGaN）上p-GaN的高選擇性、低損傷蝕刻

引言

GaN基高電子遷移率晶體管（HEMT）由于其高頻和低導通電阻的特性，近來在功率開關應用中引起了廣泛關注。二維電子氣（2DEG）是由AlGaN/GaN異質結中強烈的自發(fā)和壓電極化效應引起的，這導致傳統(tǒng)器件通常處于導通狀態(tài)，即耗盡模式。

我們通過精確控制p-GaN層的蝕刻深度，同時對底層AlGaN勢壘造成較小蝕刻損傷，對于恢復接入?yún)^(qū)域中的高密度電子是必要的，這是p-GaN柵極HEMT制造中較關鍵的工藝。通常，我們?yōu)榱送耆谋M溝道中的2DEG以進行常關操作，會在外延技術中采用厚的p-GaN層和薄的AlGaN層。

由于過度蝕刻，AlGaN勢壘進一步變薄，即使是幾納米，也可能導致接入?yún)^(qū)電導率的急劇下降，這意味著器件輸出性能的下降。另一方面，未蝕刻的Mg摻雜p-GaN層可以形成導致斷態(tài)泄漏的導電溝道。因此，對于具有更高驅動電流、更低關斷泄漏和改進動態(tài)導通電阻的高性能E模式HEMT器件，需要精確控制p-GaN蝕刻深度，同時對AlGaN表面造成較小損害。

實驗與討論

在這項工作中，英思特使用了兩種在6英寸Si襯底上外延生長的p-GaN/AlGaN/GaN和AlGaN/GaN異質結構。一種是p-GaN (80nm)/Al0.25Ga0.75N(15nm)/無意摻雜的GaN(300nm)/緩沖層(4.2μm)/Si(1mm)，另一種是Al0.25Ga0.75N(15nm)/無意摻雜的GaN (300nm)/緩沖層(4.2μm)/Si(1mm)。在本文的其余部分中，它們被稱為p-GaN樣品和AlGaN樣品。

圖1：(a)的蝕刻速率、p-GaN和AlGaN之間的(b)選擇性對六氟化硫濃度的依賴性

SF6濃度選擇性蝕刻工藝對環(huán)境中的SF6濃度有著很強的依賴性（如圖1）。當SF6濃度從0增加到15％時，觀察到p-GaN刻蝕速率顯著增強。由于活性氯的催化生成，進一步增加SF6氣體流量。綜上所述，添加SF6對p-GaN的刻蝕有兩個方面的影響，并且可以優(yōu)化濃度以獲得較佳效果。p-GaN 蝕刻。對于AlGaN樣品，由于非揮發(fā)性AlFx的形成充當強大的蝕刻停止層，蝕刻速率隨著SF6濃度的增加而單調降低。

為了全面研究所開發(fā)工藝對p-GaN/AlGaN晶圓的實際效果，英思特用AFM測量了不同刻蝕時間的刻蝕深度。蝕刻過程非常線性，直到到達AlGaN表面。圖2中的X-SEM清楚地顯示出在優(yōu)化工藝下經(jīng)過2.5分鐘的蝕刻后，AlGaN表面非常光滑且?guī)缀鯖]有凹陷，從而證明了對 AlGaN層的高選擇性蝕刻。

圖2

為了進一步評估所開發(fā)的選擇性蝕刻工藝對AlGaN表面的影響，我們以非接觸模式對上述樣品A和樣品B優(yōu)化工藝下的刻蝕拍攝了表面形貌的AFM圖像。正如圖3所見，對于樣品 A，暴露的AlGaN表面非常光滑，均方根(RMS)表面粗糙度為0.428nm，這與生長的AlGaN表面（0.446nm）相似。這歸因于所開發(fā)的高選擇性蝕刻的優(yōu)點及其低功率造成的表面損傷非常小。

然而，對于樣品B的非選擇性p-GaN蝕刻，暴露的AlGaN表面粗糙度高達0.987nm。這相當于生長的p-GaN表面，由于Cp2Mg的摻雜，其具有1.053nm RMS粗糙度。顯然，樣品B AlGaN 表面要粗糙得多，因為由于非選擇性蝕刻的性質，其形貌基本上繼承自生長的p-GaN 層。

圖3：表面形態(tài)

結論

在這項工作中，英思特通過使用BCl3/SF6混合物在AlGaN上成功開發(fā)了p-GaN的高選擇性ICP刻蝕工藝，實現(xiàn)了41:1的高選擇性。在這樣的AlGaN表面上，制備的Ni/Al2O3/AlGaN MIS 電容器表現(xiàn)出與外延AlGaN表面相當?shù)腃-V特性。這一現(xiàn)象表明，蝕刻p-GaN層后AlGaN表面幾乎沒有損傷，使得該工藝將有希望應用于高性能p-GaN柵極HEMT的制造。

審核編輯 黃宇