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隨著生長技術(shù)的改進，異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件變得越來越突出，高選擇性蝕刻工藝通常是必需的。在這項研究中，我們將觀察壓力、源功率和陰極rf功率對蝕刻選擇性的影響。本研究中刻蝕的氮化鎵薄膜是用金屬有機化學(xué)氣相沉積法生長的，而氮化鋁和氮化銦樣品是用金屬有機分子束外延法生長的。
本研究中刻蝕的氮化鎵薄膜是用金屬有機化學(xué)氣相沉積法生長的，而氮化鋁和氮化銦樣品是用金屬有機分子束外延法生長的，電感耦合等離子體反應(yīng)堆是一個負(fù)載鎖定的等離子體-熱單反770，它使用一個2兆赫，3圈線圈電感耦合等離子體源，使用導(dǎo)熱膏將所有樣品安裝在陽極化的鋁載體上，鋁載體夾在陰極上，用氦氣冷卻，通過在樣品上疊加射頻偏壓(13.56兆赫茲)來定義離子能量或德拜，樣品用Shipley 4330光致抗蝕劑圖案化。
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圖1
在500瓦電感耦合等離子體源功率、2毫托室壓力和130瓦陰極射頻功率下，氮化鎵、氮化鋁和銦的蝕刻速率在圖1中顯示為%氬在Cl2/氬等離子體中的函數(shù),隨著%氬濃度的增加，氮化鎵和氮化鋁的蝕刻速率在大于20%氬時先增加后降低,蝕刻速率的最初增加歸因于氬離子對蝕刻產(chǎn)物更有效的濺射解吸,然而，在較高的氬含量下，由于等離子體中氯離子濃度較低，蝕刻速率降低,銦蝕刻速率通常隨著%氬的增加而增加，InN蝕刻機理的強物理依賴性可能是低揮發(fā)性InC的結(jié)果，InC是在25 ℃下形成的蝕刻產(chǎn)物，必須從表面濺射解吸以防止鈍化。在本研究的剩余時間里，氣體比例保持不變，為5:1氯:氬，總流量為30 sccm。
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圖2
在圖2中，當(dāng)壓力增加到5毫托時，氮化鎵蝕刻速率略微增加，表明反應(yīng)物受限，然而，隨著壓力的進一步增加，由于較高的離子能量、較低的等離子體密度、再沉積或襯底表面上的聚合物形成，氮化鎵蝕刻速率降低。一般來說，隨著壓力的增加，InN和AlN的蝕刻速率降低，在10毫托時，氮化鎵:氮化鋁的蝕刻選擇性達到最大值約為8.5:1，而在5毫托時，氮化鎵:氮化鋁的蝕刻選擇性為6.8:1。
作為增加等離子體密度或源功率的函數(shù)，蝕刻速率通常由于較高濃度的反應(yīng)性中性物而增加，這增加了蝕刻機理的化學(xué)成分和/或較高的離子通量，這增加了氮化物的鍵斷裂效率和蝕刻產(chǎn)物形成后的濺射解吸,對于高密度等離子體系統(tǒng)，離子能量和等離子體密度的影響更明顯，因為它們可以更大。
在0 ICP源功率下，蝕刻速率非常慢，在這些條件下，蝕刻系統(tǒng)基本上作為RIE操作，其中等離子體密度通常比ICP中形成的等離子體密度低2至4個數(shù)量級，一旦打開等離子體源電源，就會發(fā)生顯著的蝕刻。由于較高的中性和離子通量，所有3種膜的蝕刻速率最初隨著ICP源功率而增加，在所研究的功率范圍內(nèi)，InN蝕刻速率在> 250 W時降低，GaN在> 500 W時降低，AlN增加，在高源功率下觀察到的蝕刻速率的降低是由于樣品表面反應(yīng)性中性物的飽和或氯離子在它們有時間與表面反應(yīng)之前的濺射解吸。氮化鋁的蝕刻選擇性隨著氮化鎵蝕刻速率的變化而變化，在750瓦時，蝕刻速率先增加后減少，而氮化鎵:氮化鋁的蝕刻選擇性隨著電感耦合等離子體功率的增加而增加。
所有3種膜的蝕刻速率都隨著陰極射頻功率的增加而增加，這與離子能量密切相關(guān)，更快的速率歸因于氮化物鍵的高效斷裂和蝕刻產(chǎn)物在更高離子能量下的濺射解吸，提高InN蝕刻速率尤其重要，因為InC是這些條件下的主要蝕刻產(chǎn)品，InCl具有低揮發(fā)性，通常需要高蝕刻溫度來增加揮發(fā)性并產(chǎn)生合理的蝕刻速率，在高直流偏壓條件下，快速的InN蝕刻速率歸因于蝕刻表面鈍化之前InC蝕刻產(chǎn)物的有效濺射解吸，蝕刻選擇性同樣作為射頻功率的函數(shù)進行跟蹤，隨著蝕刻機理的物理成分變得更加突出而降低。
在這項研究中，我們報告氮化鎵、氮化鋁和銦的高密度等離子體蝕刻速率和選擇性，作為陰極功率、等離子體源功率和室壓的函數(shù)，在10毫托壓力、500瓦電感耦合等離子體源功率和130瓦陰極射頻功率下，觀察到氮化鎵:氮化鋁的選擇性> 8:1，而氮化鎵:氮化鋁的選擇性在5毫托壓力、500瓦電感耦合等離子體源功率和130瓦陰極射頻功率下優(yōu)化為6.5:1。
總之，室壓、源功率和陰極rf功率對蝕刻選擇性有顯著影響，由于它們的強鍵能，蝕刻第二族氮化物需要高離子能量或高于鍵斷裂閾值能量的高離子通量，在高離子能量條件下獲得了非常顯著的InN蝕刻，這意味著低揮發(fā)性InC蝕刻產(chǎn)物的有效濺射解吸，在10毫托下獲得，而對于GaN:InN的最高選擇性在5毫托下獲得，一般來說，選擇性隨著離子通量的增加而提高，但隨著離子能量的增加而降低，第三族氮化物的蝕刻選擇性高度依賴于離子/中性通量和離子能量。