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改进氮化镓衬底减薄技术

2024/4/3 9:34:07      材料来源:ACT化合物半导体

改用氢基等离子体可确保GaN衬底的高速蚀刻

日本大阪大学(Osaka University)的工程师们宣称,他们利用氢基等离子体对氮化镓(GaN)衬底进行减薄的技术取得了新突破。

该团队的技术蚀刻速率高达4μm/分钟,为减薄垂直功率器件的衬底提供了一种可行的方法。这对于降低垂直器件的导通电阻,使其能够在电动汽车的竞争中胜出是非常必要的。

大阪大学团队率先采用了一种引人注目的替代现有机械加工工艺的方法,如研磨和抛光,这两种加工工艺如今都用于薄化基板。这些机械方法在为硅功率器件减薄时效果很好,但在为碳化硅和氮化镓等材料减薄时,由于开裂、崩边和翘曲等问题,效果却不理想。

为了减薄GaN衬底,大阪大学的工程师们采用了一种称为等离子体化学气化加工(PCVM)的方法,他们已经使用和改进这种方法超过25年。

团队发言人Yasuhisa Sano表示:“最初,我们处理的是用于同步辐射的硅晶片、SOI晶片和硅X射线反射镜”。他们大约15年前开始加工SiC衬底,近年来开始加工GaN和Ga2O3衬底。

PCVM的一个显著特点是使用十分之几大气压的等离子体压力,这确保了气体分子的短平均路径和离子的低能量。因此,反应物不是离子,而是中性自由基,不会破坏加工表面的原子排列,也不会使基板变形。

早在2021年,Sano和同事就报道了使用SF6气体,通过PCVM以15μm/分钟的速度减薄2英寸SiC衬底的情况。遗憾的是,这种方法无法直接应用于GaN,因为SF6气体无法确保蚀刻效果。而氯基气体作为明显的竞争者也不适合,因为它们具有腐蚀性,有可能损坏氮化镓器件的表面。

这些问题促使研究小组考虑使用氢气。在氮化镓的HVPE生长过程中使用氢气,以及Ga2H6气体的存在,都是可能取得成功的积极因素。

涉及氢气的研究从自制的13.56 MHz射频等离子体发生器开始,该发生器包含一个外径2 mm、孔径0.3 mm的管状电极和一个0.4 mm厚的2英寸的GaN衬底。

最初,该团队使用9:1的氦氢比、100 sccm的流速以及130 W、150 W、180 W和200 W的射频功率,研究了5分钟后去除率的变化。该实验还考虑了衬底温度,确定较高的功率是提高去除率的主要驱动因素——它增加了氢自由基的数量。

Sano及其同事继续考虑气体流速的影响,功率固定在180 W。他们比较了100 sccm、500 sccm和800 sccm流量下的蚀刻率,这次的氦氢比为19:1,根据初步研究,这一比例可加快蚀刻过程。在最高流量下,蚀刻速度达到4μm/分钟,但会影响表面质量,形成所谓的梨皮表面(见图)。

扫描电子显微镜显示流速为100 sccm时表面有镓沉积物。

研究小组将这种形态归因于镓的球形沉积物,只要将表面加热到40°C,然后擦拭,就可以去除这些沉积物。但还有一个更优雅的解决方案:在加工过程中加入氧气。原子力显微镜显示,氧气的引入确保了粗糙度仅为0.9 nm的光滑表面。

Sano表示,研究小组目前正在尝试建立获得良好表面粗糙度的工艺条件。“同时,我们正在努力加工更大的面积,以使我们的技术更接近实际应用。”

参考文献

Y. Sano et al. Appl Phys. Express 16 045504 (2023)

 

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