Низкоповреждающий и самоограничивающийся процесс травления (Al)GaN методом атомно-слоевого травления с использованием плазмы O₂ и BCl₃

В данной работе сообщается об использовании низкоповреждающего атомно-слоевого травления (ALE), выполняемого с использованием плазмы O₂ и BCl₃ для травления (Al)GaN. Предложенный процесс ALE обеспечил превосходные самоограничивающиеся характеристики травления с низким постоянным смещением (DC self-bias), что привело к высокой линейности между глубиной травления и количеством циклов. Повреждение при травлении оценивалось несколькими методами, включая атомно-силовую микроскопию, фотолюминесценцию (ФЛ) и рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию, а вольт-амперные характеристики углубленных диодов Шоттки сравнивались с характеристиками диодов, изготовленных методом цифрового травления с использованием плазмы O₂ и раствора HCl. Электрические характеристики углубленного диода Шоттки, изготовленного с использованием предложенного процесса ALE, превосходили характеристики диодов, изготовленных с использованием традиционного процесса цифрового травления. Более того, процесс ALE обеспечил более высокую интенсивность ФЛ и соотношение N/(Al+Ga) на травленой поверхности AlGaN, а также более гладкую протравленную поверхность.

Транзисторы с высокой подвижностью электронов на основе GaN были разработаны для использования в высокочастотных усилителях и высоковольтных силовых переключающих приложениях благодаря их высокому пробивному напряжению, большой ширине запрещенной зоны и высокой скорости электронов. С точки зрения изготовления приборов, материалы на основе GaN, включая AlGaN, физически и химически стабильны, и поэтому плазменное травление является типичным методом для реализации травления (Al)GaN. Процесс травления в значительной степени влияет на характеристики прибора, особенно в случаях, когда необходимо точно контролировать глубину травления и/или минимизировать повреждения, вызванные плазмой. Например, уровень тока и характеристики динамического коллапса тока для структур с углубленным затвором в полевых транзисторах или диодах в значительной степени зависят от глубины углубления и состояний ловушек на травленой поверхности. Хотя традиционные методы плазменного травления, такие как реактивное ионное травление (RIE) и RIE с индуктивно связанной плазмой (ICP-RIE), по-прежнему широко используются, процесс цифрового травления, включающий окисление (Al)GaN в плазме O₂ в сочетании с удалением оксида в растворе HCl:H₂O, привлек значительное внимание благодаря связанному с ним низкому повреждению при травлении и легкому контролю глубины углубления. Однако этот процесс трудоемок из-за комбинации процессов плазменного окисления и жидкостного травления и имеет низкую скорость травления. В этом контексте желательной является реализация процесса атомно-слоевого травления (ALE), который представляет собой процесс цифрового травления in situ и имеет относительно высокие скорости травления с низким повреждением при травлении. Чтобы использовать преимущества процесса ALE, условия процесса должны быть оптимизированы для минимизации повреждений, вызванных плазмой, и для достижения самоограничивающихся характеристик для точного контроля глубины травления.

С этой целью в данном исследовании мы сообщаем о процессе ALE, выполняемом с использованием плазмы O₂ и BCl₃, который демонстрирует низкое постоянное смещение и самоограничивающиеся характеристики. Повреждение при травлении оценивалось с использованием методов атомно-силовой микроскопии (АСМ), фотолюминесценции (ФЛ) и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС), а вольт-амперные характеристики диодов Шоттки сравнивались с характеристиками диодов, изготовленных с использованием традиционного процесса цифрового травления, выполняемого с использованием плазмы O₂ и раствора HCl.

2.1. Процесс ALE

Процесс ALE выполнялся в системе ICP-травления BMR HiEtch, в которой температура столика устанавливалась на 5 °C с использованием системы охлаждения обратной стороны подложки гелием, а камера откачивалась турбомолекулярным насосом. Подробная схема системы показана на рисунке 1.

Слой AlGaN окислялся с использованием плазмы O₂, а окисленный слой удалялся с использованием плазмы BCl₃. Скорости потока газов для O₂ и BCl₃ составляли 50 и 10 sccm соответственно. После стадий плазмы O₂ и BCl₃ проводилась стадия откачки в течение 30 с во избежание загрязнения образца остаточными газами O₂ или BCl₃. Давления во время процессов плазмы O₂ и BCl₃ составляли 50 мТорр и 10 мТорр соответственно, и исследовалось влияние мощностей RIE и смещения на постоянное смещение, как показано на рисунке 2. Было обнаружено, что постоянное смещение увеличивается и уменьшается с увеличением мощности смещения и мощности RIE соответственно. Хотя измеренные в системе значения постоянного смещения казались слишком низкими с учетом плавающего потенциала, который не мог быть устранен, было ясно, что более низкое постоянное смещение может быть достигнуто при более низкой мощности смещения и более высокой мощности RIE. Точная оценка плавающего потенциала не могла быть измерена в системе. Чтобы уменьшить энергию ионной бомбардировки поверхности, были выбраны условия с более низким постоянным смещением; мощности смещения 3 и 2 Вт были выбраны для стадий O₂ и BCl₃ соответственно, во время которых мощность RIE устанавливалась на 400 Вт.

Структура пластины, использованная для теста травления, состояла из слоя GaN-кэпа толщиной 3,8 нм, барьерного слоя AlGaN толщиной 22,6 нм, канального слоя i-GaN толщиной 511 нм и буферного слоя, выращенных на подложке Si. Сначала слой GaN-кэпа травили методом реактивного ионного травления с индуктивно связанной плазмой на основе Cl₂/BCl₃. Затем в качестве маскирующего слоя для травления осаждали пленку SiNx. После процесса ALE маскирующий слой SiNx удаляли разбавленной плавиковой кислотой (DHF), а глубины травления образцов измеряли методом АСМ. На рисунке 3 показана скорость травления за цикл ALE для различных времен плазмы O₂ при фиксированном времени плазмы BCl₃ за цикл и различных времен плазмы BCl₃ при фиксированном времени плазмы O₂. Скорость травления увеличивалась с увеличением времени плазмы O₂ до 60 с при постоянном времени плазмы BCl₃. Выше 60 с скорость травления оставалась довольно постоянной. Кроме того, скорость травления увеличивалась с увеличением времени плазмы BCl₃ до 45 с при фиксированном времени плазмы O₂ 60 с. Выше 45 с скорость травления насыщалась.

Как упоминалось ранее, самоограничивающееся поведение ALE должно быть реализовано для обеспечения высокой линейности между глубиной травления и количеством циклов. Поэтому скорости травления GaN и AlGaN при использовании плазмы BCl₃ исследовались при фиксированной мощности RIE 400 Вт и различных мощностях смещения, как показано на рисунке 4.

Слои GaN и AlGaN не травились при мощности смещения 2 Вт, и скорости травления, по-видимому, увеличивались с увеличением мощности смещения. Это указывает на то, что предложенная методика ALE является самоограничивающимся процессом травления при мощности смещения 2 Вт при использовании плазмы BCl₃. Следовательно, оптимизированные условия процесса ALE были определены, как указано в таблице 1.

Таблица 1. Оптимизированные условия процесса ALE.


Была отмечена высокая линейность между глубиной травления и количеством циклов в ALE, что указывает на возможность контроля глубины травления в методе цифрового травления, как показано на рисунке 5.

2.2. Процесс цифрового травления

Для реализации цифрового травления с использованием плазмы O₂ и раствора HCl использовался микроволновый плазменный озольник для проведения плазменного окисления, поскольку плазма, возбуждаемая микроволнами, характеризуется высокой плотностью и низким повреждением, вызванным плазмой. Впоследствии для удаления оксида использовался раствор HCl:H₂O (1:3) при 80 °C, поскольку HCl может эффективно удалять оксиды.

Чтобы исследовать влияние времени плазмы O₂, рассматривались различные времена плазмы O₂ при фиксированном времени погружения в HCl. Как показано на рисунке 6, скорость травления за цикл увеличивалась с увеличением времени плазмы O₂ до 3 минут. После 3 минут скорость травления оставалась постоянной. При фиксированном времени плазменного окисления 3 минуты и различных временах погружения в HCl скорость травления увеличивалась с увеличением времени погружения в HCl до 4 минут, а затем стабилизировалась.

2.3. Оценка повреждений при травлении

Повреждение при травлении оценивалось с использованием диодов Шоттки, изготовленных на травленых поверхностях n-GaN. Мы использовали пластины n-GaN-на-Si, которые состояли из слоя дрейфа n-GaN толщиной 300 нм с концентрацией легирования a-Si 2,5×10¹⁷ см⁻³, сильно легированного контактного слоя n-GaN толщиной 700 нм с концентрацией легирования a-Si (2–3)×10¹⁸ см⁻³, буферного слоя GaN толщиной 3900 нм и подложки Si. Изготовление прибора начиналось с очистки растворителем с использованием ацетона, метанола и изопропанола. Затем в качестве маскирующего слоя осаждался пассивирующий слой SiNx толщиной 200 нм. Омические контакты формировались посредством металлизации Ti/Al и быстрого термического отжига при 550 °C в атмосфере N₂ в течение 1 минуты. Слой SiNx вскрывался посредством RIE основе SF₆ при 20 Вт, и обнаженный слой GaN травился на глубину 5 нм с использованием двух различных методов, а именно ALE и цифрового травления. После процесса вскрытия SiNx металлические электроды Ni/Au (40/200 нм) осаждались методом электронно-лучевого испарения. Круглые электроды имели диаметр 50 мкм и были отделены от концентрического контакта зазором 15 мкм. Поперечное сечение прибора показано на рисунке 7.

Шероховатость поверхности AlGaN после процессов травления оценивалась методом АСМ в бесконтактном режиме. Кроме того, для исследования стехиометрии травленых поверхностей проводился анализ РФЭС. Анализ шероховатости поверхности и РФЭС проводились на контрольных пластинах, использованных для теста скорости травления. Интенсивность ФЛ измерялась при комнатной температуре для оценки повреждения при травлении каждого процесса цифрового травления с использованием лазера 266 нм с плотностью мощности 2 Вт/см². Структура пластины, использованная для измерения ФЛ, состояла из слоя i-GaN толщиной 1000 нм и буферного слоя толщиной 300 нм, выращенных на подложке Si.

На рисунке 8 представлены вольт-амперные характеристики изготовленных диодов и факторы идеальности, определенные из электрических измерений. Фактор идеальности в области низкого прямого смещения является индикатором рекомбинации, опосредованной ловушками. Как показано на рисунке 8b, наклон области прямого смещения не был однородным для случая цифрового травления, что привело к неоднородному поведению фактора идеальности на рисунке 8d. С другой стороны, в случае ALE наблюдалось более однородное и более низкое поведение фактора идеальности в области низкого смещения. Следовательно, предполагается, что повреждение, вызванное плазмой, в процессе ALE меньше, чем в процессе цифрового травления. Увеличение фактора идеальности в области высокого прямого смещения на рисунке 8d связано с тем, что ток диода не увеличивается экспоненциально с приложенным напряжением. Фактор идеальности, определенный при приложенных напряжениях от 0,1 до 0,3 В, составлял ~1,1 и 1,8–2,5 для диодов, изготовленных с использованием ALE и цифрового травления, соответственно. Высоты барьера при нулевом смещении составляли 0,81 и 0,72 эВ для диодов, изготовленных с использованием ALE и цифрового травления, соответственно, а более низкий обратный ток 4,8 нА при -2 В наблюдался у диодов, изготовленных методом ALE. Эти результаты показали, что ALE вызывает меньшее повреждение при травлении, чем цифровое травление, что приводит к лучшим электрическим характеристикам.

Для дальнейшего исследования повреждения при травлении измерялась интенсивность ФЛ на глубине травления ~5 нм. Как показано на рисунке 9, более низкая интенсивность ФЛ вблизи края полосы поглощения наблюдалась в образцах, травленых методом цифрового травления, по сравнению с образцами, травлеными методом ALE. Это указывает на то, что в образце, травленом методом ALE, присутствовало меньше центров безызлучательной рекомбинации, таких как вакансии азота.

Химический состав поверхностей AlGaN исследовался с помощью анализа РФЭС. Результаты подгонки пиков Al 2p, Ga 3d и N 1s для образцов AlGaN, травленых либо методом ALE, либо цифровым травлением, показаны на рисунке 10. Для поверхности AlGaN, травленой цифровым травлением, наблюдались более высокие интенсивности пиков Al-O и Ga-O, что указывает на то, что процесс ALE более эффективен для удаления оксидов по сравнению с процессом цифрового травления. Кроме того, соотношение N/(Al+Ga) составляло 0,9 для образца ALE и 0,82 для образца цифрового травления, что свидетельствует о том, что в процессе ALE генерировалось меньше вакансий азота.

Морфология поверхности травленых образцов измерялась методом АСМ. На рисунке 11 показаны изображения области 3×3 мкм² для образцов до и после травления. Среднеквадратичные значения шероховатости поверхности для образца ALE и образца цифрового травления составляли 0,2 и 0,25 нм соответственно, в то время как поверхность до травления составляла 0,19 нм. Эти результаты указывают на то, что генерация вакансий азота может быть уменьшена с использованием ALE.

Было разработано ALE с использованием плазмы O₂ и BCl₃ в системе ICP-RIE для реализации самоограничивающегося процесса травления с низким повреждением при травлении. Условия процесса ALE для стадии плазмы O₂ были следующими: мощность RIE 400 Вт, мощность смещения 3 Вт, давление в камере 50 мТорр, постоянное смещение 4 В и время плазмы 60 с. Условия процесса ALE для стадии плазмы BCl₃ включали мощность RIE 400 Вт, мощность смещения 2 Вт, давление в камере 10 мТорр, постоянное смещение 3,8 В и время плазмы 45 с, что дало скорость травления 0,7 нм/цикл. Повреждение при травлении исследовалось с использованием различных методов оценки, включая АСМ, ФЛ и РФЭС, а вольт-амперные характеристики углубленных диодов Шоттки сравнивались с характеристиками, полученными с использованием традиционного процесса цифрового травления с окислением в плазме O₂ и удалением оксида на основе раствора HCl. ALE с использованием плазмы O₂ и BCl₃ привело к лучшим электрическим характеристикам диодов Шоттки, а также к более высокой интенсивности ФЛ, увеличенному соотношению N/(Al+Ga) и более гладкой травленой поверхности по сравнению с таковыми для традиционного процесса цифрового травления с использованием плазмы O₂ и раствора HCl. Кроме того, методика ALE продемонстрировала превосходные самоограничивающиеся характеристики и обеспечила высокую линейность между глубиной травления и количеством циклов. Было отмечено, что предложенный процесс ALE является перспективным для применения при травлении (Al)GaN, где необходим точный контроль глубины травления и низкое повреждение при травлении.