直播回顾 - 针对GaN HEMTs的原子层级ALE/ALD蚀刻与沉积方案

【主题】半导体装备主题报告（四）针对GaNHEMTs的原子层级ALE/ALD蚀刻与沉积方案

【时间】5月19日（周四）15：00-16：00

【嘉宾】黄承扬牛津仪器公司亚太区研发实验中心技术经理

▌以下为整理的分享内容（略有删减）。

各位业界先进及专家们，大家好。今天很高兴能受邀参加第三代半导体芯片的制作及量产的解决方案。我是黄承扬，目前任职于牛津仪器等离子体部门，专注于制程工艺的开发，已经有10年以上的工作经验在III-V半导体组件上。今天主要跟大家分享的题目是GaN在HEMTs上面原子级的ALE/ALD刻蚀与沉积的解决方案。

牛津仪器等离子体部门的核心技术，主要专注于PECVD的薄膜沉积技术，及ICP/RIE的刻蚀技术，在先进原子级刻蚀与沉积技术更是牛津仪器专注的高阶应用，也是等一下要与大家分享的主轴。

我们将先进的原子级技术主要应用在如您右边所看到的，分离器件及光电组件上面是我们专注的业务。另外在产品和客户上面的分端，RD科学研究室以及量产客户各占50%，为不同层级的客户提供适切的解决方案，不管是实验室等级或量产工厂都是我们服务的领域。

从这张简报上细分来看，在分离器件及光电半导体技术上的发展图谱，我们主要琢磨的五大项，分别就是在于镓氮器件，碳化硅的高功率器件，以及现在火热的VCSEL的器件，还有就是用于5G市场DATACOM的InP跟GaAS光通讯器件，另外在显示器VR/AR虚拟影像、扩增实境和MicroLED都是我们相当重要的研发的主轴。

产品技术众多，没办法在短时间内跟各位听众与专家们逐一分享。今天主要想讨论的是在于第一项的镓氮的一个应用，特别是ALE原子层级的刻蚀跟ALD原子层级的薄膜成长技术，跟大家分享我们最新研发成果。

牛津仪器不只能够提供良好的研究设备给予科学院校，同时在英国总公司也成立一流的测试及研发实验室，提供给客户安心的产品质量。

面对镓氮在未来大量的生产需求，牛津仪器对于所出产的设备同样提供了最优化的成本控制及制程良率的方案。

如您所看到在左手边的单枪式批量生产，到右手边大型的全自动的量产导入，均是我们针对客户的产能需要所提供的客制化解决方案。

回到高功率器件的主题,GaN高功率器件与RF射频器件为什么在近年是各国所专注的第三代半导体的战略重要之一，主要原因镓氮的高功率、高频率以及耐高温特性是目前的硅基的功率器件望尘莫及的。

在近年已看到GaN逐渐的渗透到各个高阶应用市场。比方在电动车的充电系统上面，LIDAR的系统，5G的系统都可以看到镓氮已经逐步取代硅基的功率器件。

而在功率电源器件设计上最重要的要求，就是失效安全的控制，这样的要求在硅基的联级系统上面是有它的操作极限，但是在GaNHEMT上面，你可以非常的简单藉由normally-off或normally-on的一个方式来达到控制，要形成normally-off或normally-on的E-mode或是D-mode的设计，就碰器件组件上敏感的浅刻蚀，及高质量绝缘薄膜成长技术,此两种关键制程的要求。

等一下会跟大家分享牛津仪器原子层级刻蚀ALE跟原子层级成膜ALD的技术特性和应用器件的成果，及设备具备的量产能力。

用简单的镓氮的E-mode的芯片生产过程，来跟大家解释一下，芯片生产当中的一些关键性步骤，从下图可以看到，示意出芯片生产的流程，从最早的外延芯片，到ICP结构体蚀刻及PECVD的钝化层薄膜成长，金属的Ohmiccontact，到最后面的bondpads需求，当中关键的工艺在于敏感的AlGaNgatrecess刻蚀和Al2O3绝缘薄膜的批覆，即是图中间绿色AlGaN浅槽刻蚀与灰色的Al2O3薄膜填补部分。

对于Gaterecess刻蚀,为各位推荐原子级ALE刻蚀技术,而Al2O3高崩压绝缘层，可以使用原子级ALD薄膜沉积技术。

ALE刻蚀技术是针对铝镓氮(AlGaN)跟镓氮(GaN)界面的刻蚀，对于蚀刻深度只有50~80nm,如何可以很精准的停在镓氮的表面，这是为什么会选用ALE的原因。

另外10~20nm的厚度就要拥有高压绝缘层的特性,如图上灰色的区块,如何沉积出高质量氧化铝的薄膜，此只有ALD薄膜沉积设备可以做到。

我相信各位专家也会问我相同的一个问题，目前在刻蚀跟薄膜的技术琳琅满目，为什么非得要选择使用ALD和ALE应用在高功率器件里面呢？

这主要的原因是在于铝镓氮跟镓氮的界面是极为敏感的一个界面。而一般的ICP/RIE等离子体的刻蚀功率与力道均过于的用力，会对表面的电性造成非常大的伤害。

ALE是使用远程极低功率的离子刻蚀技巧，很慢很稳定的逐层剥离材料的方式达到刻蚀功效，同时不造成等离子体或二次电子对表面界面的电荷损伤。

而薄膜沉积设备ALD，主要机制是以自我饱和自我组建的方式，一层一层的堆积原子形成薄膜态势，可以沉积非常致密与接近零缺陷的薄膜最密堆积，如此的成膜特性，让沟槽上填缝与披覆可以没有缺陷，大大提升绝缘特性，这也是ALD崩压完全能够符合高功率器件的大电压操作的效果。

简单的说明ALE原子层级的刻蚀基本工作原理，为什么可以如前一张简报所说的，达到低损伤甚至零损伤的刻蚀条件。

如现在所看到的右图所示，ALE是四步骤快速循环的刻蚀技术，首先会将预刻蚀的AlGaN表面，喷附氯基的气体做一层自我饱和披覆，称为Dose，然后藉由抽气的方式跟通入气体的方式，把多余的气体purge带走。在下一步，是使用Ar气体，只跟表面的氯基键结体Cl-AlGaN反应蚀刻，达成剥离一层原子层的动作，称为etch，最后一步把刚才剥离层借由抽气pump的效果带走。如此4步的循环，才剥离掉一层的原子。而等离子体进入etch的动作，只对于表面的一层氯基键结体形成反应，而不是跟下面的铝镓氮反应。这样子的机制是操作在极低的bias功率，让等离子体只对一层的原子进行反应刻蚀，达到了原子层级的刻蚀跟零损伤的效果。

使用ALE的刻蚀实际GaN高功率器件的沟槽结果，以HEMT器件电性案例来讨论，对铝镓氮刻蚀深度控制10~20纳米。

如果用传统式的ICP的刻蚀，可能不到几秒钟的时间就会刻穿AlGaN，甚至损伤到下面的GaN。同时也有很多人问:在这么敏感的刻蚀表面可不可以使用监控的方式来监控蚀刻深度？在十几纳米的厚度内要用laser或光谱方式达到厚度终点判断，以目前现有的技术确实非常困难。

所以我们提出的方案是原子层等级的慢速蚀刻技术，如果能一层一层ALE逐层剥离，即使使用时间监控的方式，仍能稳定精准的控制刻蚀的深度，所以在右图当中可以看到HEMTId/Vg的电性比较结果，在所谓的MostAlGANetched上面跟NoAlGANetched上面，normallyoff与normallyon的表现有明显的差异，证明出ALE刻蚀能够让E-mode的normallyoff达到很好的表现。

延续前一页的说明，右边是扫描原子粒显微镜的一个结果，在刻蚀前跟刻蚀之后，ALE让原本表面的粗糙度再下降一个数量级。从左边这张图可以看到，刻蚀前的铝镓氮表面粗糙度~650pm，经过ALE刻蚀后可以得到更平滑的结果~300pm，且随着ALE循环次数变多到200cycle，表面仍维持光滑特性更好，这就是ALE所带来的功效。目前ALE的刻蚀速率大概控制在18A/min。

以上是简单的介绍ALE的刻蚀技术，在AlGaNHEMTs沟槽低损伤浅刻蚀的应用。下一阶段讨论沟槽刻蚀完成后，需要填补高泵压高质量的Al2O3薄膜，就进入到下一个阶段要跟大家探讨的ALD薄膜的沉积技术。

为大家介绍的量产的方案，就是Atomfab超高速成长Al2O3的设备，具有特殊的专利设计，使成膜速度比目前市面最快的ALD还快上6倍。等于说每一个cycle只要一秒钟就能够成长一层Al2O3薄膜。简单的计算量产20nm的氧化铝薄膜，使用Atomfab设备的话，可以达到每个月5000片以上的量产能力。

所以在ALD薄膜之前，需要做pre-treatment的处理，此表面预处理的动作，把表面的氧化层，藉由氩气跟氨气的处理或成长NILAlN原子界面层，来达到界面优化，再成长AL2O3，可以让功率器件达到最佳的电性效果。

总体而言针对量产客户，ALD薄膜成长的三大要求，第一个就是产能速度快，第二就是表面预处理能力，沉积薄膜前得到一个干净漂亮的界面。最后是Al2O3薄膜质量，此张简报说明我们ALDAl2O3基本的规格，在8寸的wafer上面，具有1%以下的均匀性。

在高速的成长薄膜同时，仍兼顾薄膜质量，这一页可以明显的看到Al2O3的崩压8.9MV/cm的能力，等离子体的AL2O3，搭配上预处理的流程，让薄膜质量可以达到高耐崩压的能力。

除了要证明单层薄膜的高密致质量跟高崩压能力之外，同时也为用户进行了器件电性的佐证。所以在这张简报上面明确的看到GaNHEMT器件电性结果。目前所开发出来的氧化铝在于GaNHEMTs上面的应用，可以达到崩压大于8MV/cm，而漏电可以小于nA。

同时，比较磁滞现象，从左图没有任何前处理动作，磁滞现象大概控制在425mV。藉由前处理之后，再成长高质量的AL2O3，磁滞现象可以达到有效的控制。而后处理的退火动作，又把磁滞现象压缩到100mV。这些表现都再次证明我们的AL2O3薄膜沉积实力是可以应用在GaNHEMTs器件上面的。

藉由最后这张投影片，为各位专家做简单的总结，牛津仪器在GaNHEMTs上面推出了ALE的原子层级刻蚀技术，低损伤甚至零损伤的刻蚀技，解决HEMTs的沟槽刻蚀。同时ALDAl2O3薄膜沉积上，牛津仪器推出Atomfab的量产设备，1sec的快速cycle的成膜方式，沉积密致的氧化铝，在D-mode与E-mode的HEMT上达到耐高崩压的需求。以上是由我黄承扬为各位所做的解说跟说明，感谢各位专家聆听，会后如果有任何的问题，我们可以一起来讨论。谢谢各位。