Optymalizacja procesu reaktywnego trawienia jonowego

Politechnika Wrocławska
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki
Autoreferat rozprawy doktorskiej
Optymalizacja procesu reaktywnego trawienia jonowego heterostruktur
AlGaN/GaN do zastosowań w przyrządach elektronicznych
Autor:
Jacek Gryglewicz
Promotor:
Prof. dr hab. inż. Regina Paszkiewicz
Wrocław, 2014
Spis treści
Wstęp .......................................................................................................................................... 3
Motywacja i cel pracy ................................................................................................................ 5
Wyniki badań i dyskusja ............................................................................................................ 9
Wnioski końcowe i podsumowanie.......................................................................................... 17
Literatura .................................................................................................................................. 19
Wstęp
Od kilkudziesięciu lat prowadzone są intensywne badania nad zastosowaniem
heterostruktur
półprzewodnikowych
do
wytwarzania
elementów
elektronicznych
i optoelektronicznych. Rozwój tych badań był zależny od postępów w technikach
epitaksjalnych, stosowanych do ich osadzania. Dzięki opracowaniu i rozwojowi metod
wytwarzania cienkich warstw półprzewodników technikami epitaksji z fazy ciekłej LPE
(ang. Liquid Phase Epitaxy), epitaksji z fazy gazowej VPE (ang. Vapor Phase Epitaxy),
epitaksji z wiązek molekularnych MBE (ang. Molecular Beam Epitaxy), epitaksji warstw
atomowych ALE (ang. Atomic Layer Epitaxy) oraz epitaksji z fazy gazowej z użyciem
związków metaloorganicznych MOVPE (ang. Metalorganic Vapor Phase Epitaxy), możliwe
stało się kontrolowanie składu i grubości warstw w wytwarzanych strukturach z atomową
rozdzielczością. Dzięki powstałym technikom, rozpoczęto opracowywanie nowych,
zaawansowanych struktur przyrządowych: tranzystorów, laserów i fotodetektorów, co
sprzyjało rozwojowi elektroniki półprzewodnikowej.
Specyficznym materiałem są struktury przyrządowe oparte na azotku galu. Warstwy
GaN znalazły zastosowanie w elektronice wysokich mocy i dużych częstotliwości, stopniowo
zastępując technologię krzemową. Właściwości azotku galu takie, jak szeroka przerwa
wzbroniona, wysokie napięcie przebicia, większe krytyczne natężenie pola elektrycznego,
wyższa przewodność cieplna pozwoliły na skonstruowanie przyrządów działających przy
wyższym napięciu, dużej częstotliwości przełączania, pracujących przy dużej mocy sygnału.
Unikalne właściwości warstw GaN pozwoliły na wytworzenie diod Schottky`ego,
tranzystorów polowych FET (ang. Field Effect Transistor), tranzystorów z wysoką
ruchliwością nośników HEMT (ang. High Electron Mobility Transistor) i innych
zaawansowanych elementów elektronicznych, których parametry okazały się lepsze od
parametrów elementów wytwarzanych w technologii krzemowej.
Zalety technologiczne tranzystorów HEMT wynikają z dużej przerwy energetycznej
GaN i obecności dwuwymiarowego gazu elektronowego tworzącego się w pobliżu międzypowierzchni AlGaN/GaN. Dodatkowo tranzystory HEMT mogą pracować w niekorzystnych
warunkach środowiskowych, w wysokich temperaturach.
Wytwarzanie heterostruktur wymaga stosowania heteroepitaksjalnych podłoży,
wykonanych z szafiru (Al2O3), węglika krzemu (SiC), AlN, Si lub podłoży tlenkowych,
np. LiGaO2, ZnO. W standardowych heterostrukturach AlGaN/GaN/podłoże możliwe jest
modyfikowanie składu i sekwencji warstw oraz zawartości glinu w warstwach Al xGa1-xN
w zakresie od 0% do 40% lub zmiana składu dokonywana w sposób ciągły (tzw. warstwy
gradientowe). Zmiany wprowadzane w typowych heterostrukturach polegają również na
wprowadzaniu dodatkowych warstw przejściowych (AlN lub/i GaN) lub warstw
przykrywkowych (AlN lub/i GaN). Cechą charakterystyczną wszystkich heterostruktur
AlGaN/GaN typu HEMT są grubości warstw AlGaN, GaN, warstw przejściowych i
przykrywkowych. Wynoszą one odpowiednio od 5 nm do 30 nm (AlGaN), od 1,5 μm do
2,5 μm (warstwy buforowe GaN), od 0 nm do 5 nm (przejściowe i przykrywkowe warstwy
AlN/GaN).
Wytwarzanie elementów elektronicznych w heterostrukturach AlGaN/GaN typu
HEMT zawsze rozpoczyna się od zdefiniowania obszaru aktywnego urządzenia. Realizuje się
to przy pomocy procesu suchego trawienia, np. procesu reaktywnego trawienia jonowego.
Wytwarzanie struktur mesa wymaga uzyskania dużych szybkości trawienia, przy zapewnieniu
zadanych profili trawienia. Zdefiniowanie obszaru aktywnego przyrządu wymaga
przetrawienia warstwy AlGaN, wszystkich warstw przejściowych/przykrywkowych oraz
przetrawienia wysoko-rezystywnej warstwy buforowej GaN na głębokość od 40 nm do
100 nm tak, aby w kolejnym procesie fotolitografii możliwe było poprawne zgranie struktur
metalizacji omowej. Wytworzenie tranzystorów AlGaN/GaN typu HEMT wymaga
przeprowadzenia ponad pięćdziesięciu operacji, a trawienie wysp jest jednym z etapów
początkowych i od tego kroku w znacznej mierze zależy poprawne działanie wytwarzanych
przyrządów. Głębokość trawienia, kąty nachylenia ścian bocznych wysp i morfologia
trawionej powierzchni musi być dostosowana do konkretnej aplikacji. W kolejnych etapach
technologicznych proces suchego trawienia wykorzystywany jest także do pocieniania
grubości warstwy AlGaN, które ma na celu poprawę właściwości kontaktów omowych lub
Schottky`ego.
Poprawne działanie przyrządów i poprawa ich właściwości zależą od właściwego
doboru
warunków
procesu
trawienia/podtrawiania
warstw
wchodzących
w
skład
heterostruktur (Al,Ga)N. Dedykowane procesy powinny mieć dużą powtarzalność i być
dobrze zdefiniowane. W tym celu należało zbadać wpływ parametrów procesu trawienia na
szybkość trawienia, zmiany morfologii powierzchni, kąty nachylenia ścian bocznych wysp.
Procesy z założenia nie mogły być ustandaryzowane, ponieważ nie ma do chwili obecnej
komercyjnie dostępnych, jednolitych heterostruktur AlGaN/GaN. Ponadto poprawa
właściwości elektrycznych typowych heterostruktur wymaga nieustannych modyfikacji
sekwencji warstw struktury, zmiany ich składu, wprowadzania dodatkowych warstw
przejściowych i przykrywkowych.
Motywacja i cel pracy
Azotek galu oraz heterostruktury AlGaN/GaN typu HEMT (High Electron
Mobility Transistors) stanowią podstawę konstrukcji szeregu zaawansowanych przyrządów
elektronicznych takich, jak tranzystory mikrofalowe, w tym na zakres THz, czujniki gazów
i przetworniki czujników biologicznych i chemicznych. Jest to związane z unikalnymi
właściwościami tych materiałów oraz ich dużą odpornością na działanie czynników
chemicznych i wysokiej temperatury. Niezależnie od ogromnego postępu, który dokonał się
w okresie ostatnich paru lat, szereg istotnych problemów technologicznych musi zostać
rozwiązanych, aby w pełni wykorzystać potencjalne możliwości tych materiałów do
konstrukcji przyrządów elektronicznych. Jednym z takich problemów jest opanowanie
procesu selektywnego trawienia warstw i heterostruktur na bazie azotków.
Duża odporność azotków AIIIN na czynniki chemiczne powoduje uzyskiwanie bardzo
małej szybkości trawienia (~ 5Å/min) przy mokrym trawieniu, np. w wodnych roztworach
KOH. Trawienie suche, w tym reaktywne trawienie jonowe, jest obecnie jedynym sposobem
strukturyzacji tych materiałów. Duży problem stanowi niewystarczająca ilość informacji
dotyczących problematyki trawienia warstw trójskładnikowych AlGaN, w szczególności
z gradientową zmianą koncentracji glinu. Analiza danych literaturowych dotyczących
trawienia plazmowego azotków nie dostarczyła dostatecznej ilości jednoznacznych informacji
na
temat
strukturyzacji
wielowarstw
stosowanych
do
wytwarzania
przyrządów
elektronicznych. W Wydziałowym Zakładzie Mikroelektroniki i Nanotechnologii, WEMIF
PWr, ze środków projektów badawczych, zakupione zostało dedykowane stanowisko do
prowadzenia procesów reaktywnego trawienia jonowego (RIE) warstw azotkowych firmy
Oxford Instruments. Firma dostarczająca stanowisko, nie dysponowała procedurami trawienia
heterostruktur (Al,Ga)N. Również dostępne dane literaturowe okazały się niepełne i
niespójne. Dlatego konieczne okazało się opracowanie procesu technologicznego trawienia
heterostruktur AlGaN/GaN, o konstrukcji i składzie, wynikającej ze specyfiki prac
badawczych prowadzonych w WEMIF PWr, WZMIN, które były ukierunkowane na
opracowanie technologii i konstrukcji elementów takich, jak przetworniki czujników biochemicznych i tranzystory polowe.
Głównym celem zrealizowanej pracy doktorskiej było opracowanie powtarzalnej
technologii reaktywnego trawienia jonowego wielowarstw AlGaN/AlN/GaN/podłoże
przeznaczonych do wytwarzania przyrządów elektronicznych na bazie struktur typu
HEMT.
Do zadań szczegółowych należało:
- zbadanie fizyko-chemicznych mechanizmów procesu trawienia RIE wielowarstw
AlGaN/AlN/GaN/podłoże,
- zdefiniowanie zestawu parametrów plazmy i parametrów procesu trawienia
oraz uwzględnienie ich wpływu na przebieg procesu trawienia,
- opracowanie masek dedykowanych do procesu trawienia RIE azotków w plamie
-
chlorowej,
zbadanie procesu trawienia heterostruktur AlGaN o zawartości glinu
od 0% do 45%,
opracowanie procedur technologicznych przygotowania powierzchni heterostruktur
do procesu RIE,
opracowanie procedur technologicznych trawienia wysokorezystywnych warstw
buforowych GaN oraz procedur „post-processingu” powierzchni GaN,
zdefiniowanie zestawu metod charakteryzacji trawionych struktur testowych
i struktur przyrządowych.
Zagadnienia teoretyczne stanowiące wstęp do części eksperymentalnej, ważne
z punktu
widzenia
praktycznego
wykorzystania
procesu
suchego
trawienia
RIE
do strukturyzacji przyrządów, zostały przedstawione w rozdziale drugim i trzecim.
Zasadniczą część rozprawy stanowią wyniki badań eksperymentalnych związanych
z trawieniem heterostruktur AlGaN/GaN typu HEMT.
W przyrządach elektronicznych na bazie heterostruktur typu AlGaN/GaN HEMT
proces suchego trawienia wykorzystywany jest do wytwarzania struktur typu „mesa” w celu
zdefiniowania obszaru aktywnego przyrządu oraz do pocieniania obszaru, pod bramką
tranzystora (ang. gate recess). Stawia to przed procesami, często odmienne wymagania.
W procesie wytwarzania struktury typu „mesa” szybkość trawienia powinna być stosunkowo
duża, aby odpowiednia głębokość trawienia mesy jednoznacznie definiowała obszar
przyrządu. Profil struktury mesa nie może być silnie anizotropowy, ponieważ w późniejszym
etapie wytwarzania kontaktów metalicznych metalizacja przechodzi po zboczu wytworzonej
mesy. Ponadto chropowatość zbocza będzie miała wpływ na zrywanie ścieżek metalizacji.
W procesie „pocieniania” grubości warstw AlGaN szybkość trawienia powinna być jak
najmniejsza, a równomierność procesu trawienia jak największa. Stan trawionej powierzchni
można kontrolować wprowadzając tzw. „post-processing” polegający na dodatkowym
trawieniu „suchym” lub „mokrym”.
Istotnym wymaganiem było zapewnienie powtarzalności, dużej dokładności oraz
równomierności procesu trawienia heterostruktur składających się z warstw o nanometrowych
grubościach, z różną zawartością glinu, ilością domieszki. Morfologia powierzchni
heterostruktur (Al,Ga)N zależy od przebiegu procesu ich wytwarzania. Stan powierzchni
wpływa na występowanie niepożądanych efektów trawienia takich, jak mikro-maskowanie,
lokalne podtrawianie, opóźnianie początku procesu, itp. Procesy RIE muszą charakteryzować
się dużą powtarzalnością, bez względu na początkowy stan powierzchni heterostruktury.
Rodzaj i typ maski stosowanej do trawienia heterostruktur (Al,Ga)N ma wpływ na
występowanie efektu podtrawiania, na granicy maskowanego obszaru, oraz na nachylenie
powierzchni bocznych mesy. Eliminacja niepożądanych efektów występujących w procesie
trawienia i kontrola procesu jest możliwa, jeśli prawidłowo dobierze się obszar zmian
parametrów procesu RIE.
Dobór odpowiedniego zestawu metod charakteryzacji trawionych heterostruktur
(Al,Ga)N, opartych w szczególności o mikroskopię sił atomowych oraz elektronową
mikroskopię skaningową pozwala na szybką ewaluację rezultatów trawienia. Daje to
możliwość oceny stanu powierzchni, w wyniku oddziaływania jonów, z trawionym
materiałem. Pozwala również na określenie podstawowych parametrów procesu takich, jak:
szybkość trawienia, kąt profilu mesy w heterostrukturze oraz zmiany morfologii powierzchni
w procesie trawienia.
W celu wytworzenia przyrządów mikro- i nano-elektronicznych, o zadanych
parametrach użytkowych, konieczne było wytworzenie dedykowanych heterostruktur
o skomplikowanym układzie warstw, a następnie takie dobranie zestawu parametrów procesu
RIE oraz zdefiniowanie obszaru ich zmienności, aby proces trawienia dla różnych
heterostruktur AlGaN/GaN typu HEMT mógł zachodzić w sposób w pełni kontrolowany
i powtarzalny.
Pierwszym zadaniem był dobór odpowiedniego typu masek dedykowanych do procesu
reaktywnego trawienia jonowego heterostruktur (Al,Ga)N w plazmie chlorowej. W rozprawie
analizę właściwości masek oraz zbadanie możliwości ich praktycznego zastosowania
przeprowadzono przy użyciu foto-czułych masek polimerowych oraz masek dielektrycznych.
Kolejnym zadaniem było zdefiniowanie parametrów plazmy oraz wskazanie zestawu
parametrów procesu trawienia, które mogą mieć istotny wpływ na przebieg procesu oraz
rezultaty trawienia. W tym celu posłużono się techniką optymalizacji procesu G. Taguchi`ego
wykorzystującą macierze ortogonalne (L934). Technika ta pozwoliła na wskazanie
parametrów procesu trawienia, które mają duży wpływ na szybkość trawienia, morfologię
powierzchni, uzyskiwane nachylenie ścian mesy w heterostrukturach (Al,Ga)N. Uzyskane
wyniki prac eksperymentalnych umożliwiły sformułowanie tezy rozprawy, że:
możliwe jest zdefiniowanie obszaru parametrów procesu reaktywnego trawienia
jonowego w plazmie chlorowej, przy użyciu, których heterostruktury AlGaN/GaN
o różnym układzie warstw, można trawić z wymaganą, do zastosowań w przyrządach
elektronicznych dokładnością.
Rozprawa składa się z pięciu rozdziałów. W rozdziale pierwszym przedstawiono cel
i motywację podjęcia badań nad reaktywnym trawieniem jonowym heterostruktur (Al,Ga)N
do zastosowań w przyrządach elektronicznych. W rozdziale drugim przedstawiono
problematykę trawienia heterostruktur (Al,Ga)N. Zwrócono w nim uwagę na różne techniki
trawienia stosowane do strukturyzacji przyrządów oraz na skład mieszaniny gazowej,
odpowiedniej do trawienia materiałów wchodzących w skład heterostruktur azotkowych.
W trzecim rozdziale przedstawiono mechanizmy i odziaływania zachodzące podczas procesu
reaktywnego trawienia jonowego. Przedstawiono w nim charakterystyczne parametry plazmy
oraz parametry procesu RIE specyficzne, ze względu na układ systemu, stosowanego do
prowadzenia procesów. Wyniki prac eksperymentalnych trawienia wysokorezystywnych
warstw GaN i heterostruktur (Al,Ga)N w plazmie Cl2:BCl3:Ar przedstawiono w rozdziale
czwartym. Przedstawiono w nim problemy badawcze i stosowaną metodykę charakteryzacji
trawionych warstw, a także opisano metodykę doboru odpowiedniego materiału maski do
procesu trawienia RIE heterostruktur (Al,Ga)N. W rozdziale czwartym przedstawiono wpływ
oddziaływania wielu parametrów procesu RIE na ewolucję morfologii wysokorezystywnych
warstw GaN i warstw AlGaN o ilości glinu w zakresie od 0% do 40%. Określono także rolę
parametrów procesu na szybkość trawienia warstw, co było istotne do uzyskania dużych
szybkości trawienia w procesie trawienia struktur mesa, a także bardzo małych szybkości
trawienia w procesie pocieniania kanału AlGaN w strukturach HEMT. Stosowanie
mieszaniny Cl2:BCl3:Ar o różnym składzie pozwoliło na uzyskanie bardzo łagodnych kątów
nachylenia (9º), a także uzyskanie anizotropowych profili trawienia (70º). W czwartym
rozdziale przedstawiono także wpływ ułamka molowego warstwa AlGaN na szybkość
trawienia,
co
pozwoliło
cap/AlGaN/AlN/GaN/podłoże
na
o
opracowanie
różnym
procesów
składzie
i
trawienia
ułożeniu.
W
wielowarstw
podsumowaniu
przedstawiono najważniejsze wyniki i wnioski wyciągnięte po trawieniu warstw
wchodzących w skład heterostruktur azotkowych.
Wyniki badań i dyskusja
Materiał maski
Proces RIE stanowi alternatywę dla procesów mokrego trawienia azotków, w którym
osiągane szybkości trawienia są niewielkie (rzędu kilku Å/min). Szybkości trawienia
w procesie RIE są znacznie większe, stąd wymagana jest dobra odporność stosowanego
materiału maski, na warunki reaktywnego trawienia jonowego. W zależności od rodzaju
stosowanej maski, zmianie ulega skład mieszaniny gazowej, podczas wyładowania
jarzeniowego. Możliwa jest lokalna zmiana składu gazu w obrębie maskowanych
heterostruktur (Al,Ga)N. Cząstki materiału maski trafiają do plazmy, skąd mogą dotrzeć
ponownie na podłoże w drodze re-depozycji. W wyborze materiału maski kierowano się
przede wszystkim jej odpornością na warunki trawienia heterostruktur (Al,Ga)N w plazmie
chlorowej (rys. 1)
Rys. 1 Selektywność trawienia warstw Al0.2Ga0.8N, GaN, uid-GaN, względem fotorezystów
[prace własne]
Największą wartość selektywności, wśród przebadanych rezystów emulsyjnych, miał rezyst
MaP-1275. Oznacza to, że cechuje go najwyższa odporność na warunki trawienia RIE
w plazmie
Cl2:BCl3:Ar,
ale
podczas
badania
odnotowano
szereg
problemów
technologicznych (tab. 4.3.1.2), których eliminacja okazała się trudna lub praktycznie
niemożliwa. Niezależnie od grubości warstwy rezystu występowało zgrubienie na granicy
maski i heterostruktury (Al,Ga)N, powstające w procesie wirowania lub wygrzewania rezystu
przed procesem trawienia. W wyniku występowania zgrubienia na granicy maski, istnieje
prawdopodobieństwo gromadzenia ładunku na granicy obszaru maskowanego, czego efektem
jest zmienia trajektorii jonów, które docierają do trawionego podłoża. Jest to prawdopodobnie
przyczyną powstania efektu podtrawiania heterostruktur (Al,Ga)N wzdłuż granicy maski.
Pojawiają się także artefakty na ścianie bocznej profilu objawiające się dużą chropowatością
zbocza (ang. line / edge roughness effect). Artefakty te w niekontrolowany sposób zmieniają
trajektorię jonów, powodując lokalne podtrawienia maski, co skutkuje powstawaniem
nierównomiernych profili trawienia. Efekty odwzorowania masek z fotorezystów na
powierzchni heterostruktur (Al,Ga)N, pokazano na obrazach SEM (rys. 2).
Rys. 2 Efekt podtrawienia heterostruktury (Al,Ga)N na krawędzi maski przy
stosowaniu rezystu Ma-P 1275 (a) oraz efekt występowania artefaktów na granicy maski
emulsyjnej przy wykorzystaniu Ma-P 1210 (b) [prace własne]
Stosowanie masek emulsyjnych, do trawienia heterostruktur (Al,Ga)N, powodowało
występowanie wielu niepożądanych efektów. Dlatego zbadano możliwość trawienia
heterostruktur
z
wykorzystaniem
alternatywnych
masek
wykonanych
techniką
wspomaganego plazmowo chemicznego osadzania z fazy gazowej (PECVD). Badano
materiały SiO2 oraz Si3N4 w roli masek do trawienia heterostruktur azotkowych. Oba profile
masek
były
łagodne,
o porównywalnym
kącie
między
zboczem,
a powierzchnią
heterostruktury. Nie zaobserwowano efektu zgrubienia maski na krawędzi, co powinno
zapobiec gromadzeniu się ładunku na granicy maski, jak miało to miejsce w przypadku
stosowania masek z fotorezystów. Z uzyskanych profili trawienia heterostruktur (Al,Ga)N
(rys. 3) wynika, że efekt podtrawienia w głąb warstwy uid-GaN, wzdłuż krawędzi maski
został wyeliminowany. Łagodny profil maski
pozwolił na uzyskanie łagodnego profilu
trawienia heterostruktury (Al,Ga)N.
Rys. 3 Zdjęcie SEM profilu maski SiO2 (a) oraz profil trawienia heterostruktury
Al0.2Ga0.8N/GaN wraz z obrazem AFM krawędzi mesy (b)
(wstawka: obraz AFM krawędzi mesy) [prace własne]
Selektywności trawienia azotku galu oraz azotku galowo-glinowego względem masek
wykonanych techniką PECVD były znacznie większe, w porównaniu do masek
z fotorezystów. Stosowanie maski SiO2 nie powodowało modyfikacji morfologii, w
przeciwieństwie do masek z Si3N4, powierzchni heterostruktury Al0.2Ga0.8N/GaN. Maskę SiO2
(d = 300 nm) oraz maskę z fotorezystu ma-P 1210 (d = 1,25 μm) przebadano pod względem
możliwości redepozycji materiału maski na powierzchnię. Mimo obecności tlenu i krzemu w
pobliżu maski z SiO2, nie zaobserwowano efektu mikro-maskowania, jak miało to miejsce w
wypadku stosowania maski polimerowej, gdzie stwierdzono obecność węgla w pobliżu
maski. W związku z tym, w dalszej części badań, stosowano maski wykonane z warstwy SiO2
wytwarzanej techniką PECVD.
Badanie procesu trawienia warstw GaN technika RIE
Zdefiniowanie obszaru aktywnego przyrządów wytwarzanych w heterostrukturach
(Al,Ga)N polega na wytworzeniu struktur wysp (tzw. struktur mesa) i realizowane jest na
początkowym etapie technologicznym. W kolejnych etapach wytwarzane są kontakty, które
zachodzą na obszar wyspy. Metalizacja musi być ciągła, przede wszystkim na ścianach
bocznych wyspy, dlatego wymagane są łagodne profile trawienia. Oprócz kontrolowania
morfologii i kąta nachylenia ścian wysp, istotna jest głębokość wytrawienia, która zależy od
szybkości trawienia, możliwej do uzyskania, w zadanych warunkach procesowych.
Warunkiem powtarzalności procesu trawienia heterostruktur (Al,Ga)N jest niezmienna
w czasie szybkość trawienia warstw uid-GaN. Stałe nachylenie linii obrazującej głębokość
trawienia w funkcji czasu trawienia świadczy o jednorodności procesu trawienia warstw uidGaN (rys. 4).
Rys. 4 Głębokości trawienia w funkcji czasu heterostruktur o małej (a) i dużej zawartości
glinu (b) [1]
Istotnym czynnikiem w strukturyzacji heterostruktur (Al,Ga)N jest stan powierzchni
warstwy GaN po procesie trawienia. Wstępnej analizy wpływu parametrów procesu trawienia
na stan trawionej powierzchni dokonano wykorzystując metodę G. Taguchiego. Z wykresów
funkcji średnich wartości współczynników chropowatości, jakie uzyskano w metodzie
Taguchiego, wnioskowano, że duży wpływ na stan powierzchni po procesie trawienia miał
skład wykorzystywanej mieszaniny gazowej. Stwierdzono, że zmieniając stosunek gazów
Cl2:BCl3:Ar, przy zachowaniu stałego przepływu, można kontrolować stopień rozbudowy
powierzchni GaN (rys. 5).
Rys. 5 Morfologia powierzchni warstwy uid-GaN trawionej przy różnych składach
mieszaniny gazowej (a), zależność głębokości (b) i parametrów chropowatości (c) względem
proporcji mieszaniny Cl2:BCl3:Ar [2]
Zmiana proporcji mieszaniny gazowej pozwoliła na modyfikację zarówno morfologii
powierzchni trawionych warstw uid-GaN. Wpływ parametrów procesu, tj. ciśnienia
mieszaniny, mocy wyładowania w.cz. oraz temperatury na morfologię i szybkość trawienia
uid-GaN okazał się nieporównywalnie mniejszy do wpływu zmian składu mieszaniny
Cl2:BCl3:Ar. Kąty nachylenia wysp trawionych w warstwach uid-GaN przy zróżnicowanych
proporcjach mieszanin Cl2:BCl3:Ar były łagodne (9˚ ÷ 27˚), co pozwoliło na zachowanie
ciągłości metalizacji na ścianach bocznych wysp w procesie wytwarzania kontaktów
metalicznych.
Badanie procesu RIE heterostruktur (Al,Ga)N
Azotek galu ma niższą, w porównaniu do azotku glinowego energię, wiązań
atomowych. Energia ta wynosi 8,9 eV/atom dla azotku galu, w porównaniu z 11,52 eV/atom
dla azotku glinowego [3]. Wyższa energia wiązań atomowych wpływa na zmniejszenie
szybkości trawienia warstw AlxGa1-xN względem GaN. Metodyka postępowania opierająca
się na przeprowadzeniu wstępnych testów z wykorzystaniem macierzy ortogonalnych L934
oraz sekwencyjnych testów uzupełniających pozwoliła na dobranie odpowiednich zakresów
zmian parametrów procesu do trawienia heterostruktur (Al,Ga)N z różną konfiguracją
i składem wielowarstw. Istotne w uzyskaniu dużej powtarzalności było odpowiednie
przygotowanie powierzchni heterostruktur (Al,Ga)N. Przygotowanie powierzchni pozwoliło
na zmniejszenie wpływu efektu opóźnienia startu procesu, wywołanego obecnością tlenku
samoistnego oraz na zmniejszenie wpływu efektu mikro-maskowania. Zmiany wybranych
parametrów procesu pozwoliły na zbadanie wpływu ich oddziaływania na szybkość trawienia
warstw uid-GaN oraz Al0.2Ga0.8N (rys. 6). Z przedstawionych wykresów funkcji uśrednionych
szybkości trawienia uid-GaN oraz Al0.2Ga0.8N względem parametrów procesu trawienia
można wnioskować o oddziaływaniu parametrów procesu trawienia na szybkość trawienia
warstw wchodzących w skład heterostruktur azotkowych. Duże zakresy zmiany szybkości
trawienia, w rezultacie zmiany proporcji mieszaniny Cl2:BCl3:Ar, wykorzystać można w
dwóch podstawowych procesach trawienia heterostruktur (Al,Ga)N. Jednym sposobem
strukturyzacji jest głębokie trawienia, tj. wytwarzanie struktur mesa (wysp), gdzie szybkość
trawienia uid-GaN powinna być duża. Drugim procesem przyrządowym jest proces
pocieniania heterostruktur, gdzie szybkość trawienia warstw AlGaN powinna być bardzo
mała. Zmieniając skład mieszaniny Cl2:BCl3:Ar i dobierając zakres zmian przepływów gazów
można wpływać na zmianę szybkości trawienia uid-GaN oraz AlGaN. Zbadano wpływ
obecności poszczególnych gazów na proces trawienia warstw uid-GaN oraz AlGaN.
Stwierdzono, że dobierając odpowiednie proporcje można było wpływać na zmianę
koncentracji jonów BClx i dzięki temu kontrolować szybkość trawienia heterostruktur
(Al,Ga)N (rys. 7).
Rys. 6 Średnie wartości funkcji szybkości trawienia warstwy Al0.2Ga0.8N w heterostrukturze
Al0.2Ga0.8N/GaN/szafir oraz warstwy uid-GaN w strukturze uid-GaN/szafir w funkcji
temperatury stolika (a), składu mieszaniny gazowej Cl2:BCl3:Ar (b), potencjału autopolaryzacji dc (c), mocy w.cz. (d), ciśnienia gazu (e) [4]
Rys. 7 Głębokość trawienia warstwy Al0.2Ga0.8N (#137) w funkcji ilości BCl3 w mieszaninie
Cl2:BCl3:Ar (a), warstwy uid-GaN (#140) (b) [4]
Badaniu poddano heterostruktury (Al,Ga)N z różną zawartością glinu w grubych
warstwach AlGaN (~100 nm). Wykazały one, że szybkość trawienia malała wraz ze
wzrostem ułamka molowego warstwy AlGaN. Mimo różnych zawartości glinu, warstwy
trawiły się w sposób jednorodny, dlatego powierzchnia AlGaN po trawieniu RIE miała
podobne wartości parametrów chropowatości. Podobną zależność uzyskano także dla
heterostruktur z cieńszą (20 nm) warstwą AlGaN (rys. 8).
Rys. 8 Szybkość trawienia AlxGa1-xN w funkcji ilości Al dla cienkich i grubych
(zrelaksowanych) warstw AlGaN trawionych w mieszaninie Cl2:BCl3:Ar (10:10:5)
Dokonano aproksymacji wyników szybkości trawienia warstw AlxGa1-xN z ilością
Al w warstwach w zakresie od 0% do 40% krzywą o równaniu:
−𝑥
𝑦 = 𝐴1 × exp ( 𝑡 ) + 𝑦0 ,
(1)
1
gdzie:
A1- stała,
t1- stała zaniku,
y0 - przesunięcie na osi OY,
x - ułamek molowy Al w warstwie AlxGa1-xN.
Wyliczone argumenty funkcji przedstawiono we wstawce na rysunku 8.
Podsumowanie
W
pracy zbadano
proces
reaktywnego
trawienia
jonowego
warstw
GaN
i heterostruktur (Al,Ga)N typu HEMT. Określono wpływ oddziaływania plazmy chlorowej
(Cl2:BCl3:Ar)
na
poszczególne
warstwy
tworzące
heterostrukturę
(Al,Ga)N
oraz
przeanalizowano parametry procesu RIE na właściwości trawionych warstw i heterostruktur.
Szczególną uwagę zwrócono na zmiany szybkości trawienia, ewolucję morfologii
powierzchni oraz izotropię procesu trawienia warstw GaN, AlN i AlGaN o zawartości glinu
w warstwie, od 0% do 45%.
W rozprawie omówiono problematykę trawienia heterostruktur (Al,Ga)N oraz
przeanalizowano mieszaniny gazowe stosowane w technikach suchego trawienia,
dedykowane do trawienia azotków III grupy układu okresowego. Przedstawiono rolę
i oddziaływanie poszczególnych gazów z warstwami tworzącymi heterostrukturę (Al,Ga)N.
Przedstawiono podstawowe mechanizmy i przebieg procesu reaktywnego trawienia
jonowego. Omówiono wpływ poszczególnych parametrów procesu na właściwości plazmy
inicjowanej wyładowaniem w.cz.
Zbadanie oddziaływania plazmy Cl2:BCl3:Ar z warstwami heterostruktur (Al,Ga)N
oraz określenie jej wpływu na parametry trawionych warstw wymagało opracowania
dedykowanej metodyki badań i właściwego wykorzystanie możliwości technik pomiarowych
będących w dyspozycji autora rozprawy. W pracy umieszczono opis zastosowanej metodyki
badań, w której zastosowano technikę planowania eksperymentu wykorzystującą macierze
ortogonalne (Taguchi).
Duża odporność chemiczna i mechaniczna azotków wymagała opracowania
technologii odpowiednich masek do procesu RIE. W rozprawie przedstawiono metodykę
dobru materiału maski do procesu trawienia heterostruktrur (Al,Ga)N. Przeprowadzono
badania wpływu rodzaju masek emulsyjnych oraz masek wykonanych techniką PECVD na
selektywność trawienia złożonych heterostruktur i kształt ścian bocznych trawionych wysp.
W pracy zbadano również wpływ różnych metod przygotowania powierzchni heterostruktur
przed procesem suchego trawienia. Przedmiotem analizy i badań w rozprawie był wpływ
oddziaływania plazmy powstającej w wyniku wyładowania jarzeniowego w gazie
Cl2:BCl3:Ar, przy modyfikacji parametrów procesu trawienia, na właściwości warstw GaN,
warstw AlGaN o różnym składzie, warstw przejściowych i przykrywkowych, obecnych w
heterostrukturach (Al,Ga)N. Jednoczesna analiza wpływu parametrów procesu trawienia, na
wszystkie warstwy obecne w heterostrukturze (Al,Ga)N, była bardzo skomplikowana. Było to
powodem rozdzielenia badań na dwa etapy. W etapie pierwszym przeprowadzono analizę
wpływu parametrów procesu RIE na właściwości wysoko-rezystywnych warstw buforowych
GaN, a następnie w etapie drugim dokonano analizy wpływu parametrów procesu RIE na
wielowarstwowe heterostruktury (Al,Ga)N typu HEMT, zawierające także warstwy
przejściowe (AlN) i przykrywkowe (AlN, GaN). Wykonano badania, z użyciem techniki
planowania eksperymentu, wpływu parametrów procesu takich, jak moc wyładowania w.cz.,
potencjał auto-polaryzacji dc, temperatura stolika, ciśnienie i skład mieszaniny gazowej na
właściwości trawionych warstw i heterostruktur.
W pracy zrealizowano następujące badania szczegółowe:
1) opracowano wstępną metodykę badań oraz zaprojektowano i wykonano
specjalizowany osprzęt do techniki SEM,
2) opracowano metodykę doboru materiału maski do procesu trawienia RIE
heterostruktur (Al,Ga)N,
3) w prowadzonych badaniach zastosowano technikę planowania eksperymentu
wykorzystującą macierze ortogonalne L934,
4) przeprowadzono procesy trawienia warstw i heterostruktur (Al,Ga)N typu HEMT oraz
przeanalizowano rezultaty, które wykazały, że możliwe było planowanie przebiegu
procesu trawienia z dużą dokładnością i powtarzalnością oraz wytwarzanie struktur
o zadanych właściwościach warstw GaN i AlGaN.
Do najważniejszych osiągnięć autora rozprawy należą:
1) zbadanie wpływu składu plazmy Cl2:BCl3:Ar na zmianę morfologii powierzchni
niedomieszkowanych warstw GaN i AlGaN,
2) ograniczenie defektów powierzchniowych występujących w wyniku bombardowania
jonowego,
3) opracowanie metody przygotowania powierzchni heterostruktury (Al,Ga)N do
trawienia RIE,
4) opracowanie technologii trawienia RIE warstw AlGaN z modyfikowaną zawartością
glinu z zakresu od 0% do 45%,
5) opracowanie technologii trawienia RIE wielowarstwowych heterostruktur (Al,Ga)N
typu HEMT z wykorzystaniem mieszaniny Cl2:BCl3:Ar.
Wyniki prac badawczych autora przedstawiono w 18 publikacjach i zaprezentowano
na 15 konferencjach o zasięgu krajowym i międzynarodowym. Zostały one zastosowane przy
realizacji 5 projektów badawczych. Autor uzyskał, w dwóch edycjach konkursu, stypendia
naukowe Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki oraz stypendium stażowe. Jest laureatem
konkursu na stypendium stażowe Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki. Został nagrodzony
nagrodą Rektora za uznane osiągnięcia naukowe w 2011 i 2012 roku. Został wyróżniony na
dwóch konferencjach naukowych.
Literatura
[1]
J. Gryglewicz, W. Oleszkiewicz, M. Wośko, B. Paszkiewicz, A. Stafiniak, J. Prażmowska,
R. Paszkiewicz, Reactive ion etching of AlGaN/GaN heterostructures in chlorine based
plasma, Proceedings of Microtherm 2011 microtechnology and thermal problems in
electronics, 28.06-1.07.2011, Łódź, Poland, (2011) 290-294
J. Gryglewicz, R. Paszkiewicz, W. Macherzyński, A. Stafiniak, M. Wośko, Precise etching
[2]
of AlGaN/GaN HEMT structures with Cl2/BCl3/Ar plasma, Proceedings of 10th Internaional
Conference on Advanced Semiconductor Devices and Microsystems, 20-22.10.2014,
Smolenice, (2014) 73-76
[3]
S.J. Pearton, C.R. Abernathy, F. Ren, Gallium Nitride Processing for Electronics, Sensors
and Spintronics, Springer, (2006)
[4]
J. Gryglewicz, A. Stafiniak, J. Prażmowska-Czajka, M. Wośko, B. Paszkiewicz,
R. Paszkiewicz, M. Tłaczała, Reactive ion etching of gallium nitride-based heterostructures,
Proceedings of Photonics and Microsystems 2013, 12-14.07.2013, St. Marienthal, Germany,
(2013) 21-23