Abstract
We report the etch characteristics of GaAs and AlGaAs in the diffusion pump-based capacitively coupled $BCl_3$ plasma. Process variables were chamber pressure ($50{\sim}180$ mTorr), CCP power ($50{\sim}200\;W$) and $BCl_3$ gas flow rate ($2.5{\sim}10$ sccm). Surface profilometry was used for etch rate and surface roughness measurement after etching. Scanning electron microscopy was used to analyze the etched sidewall and surface morphology. Optical emission spectroscopy was used in order to characterize the emission peaks of the $BCl_3$ plasma during etching. We have achieved $0.25{\mu}m$/min of GaAs etch rate with only 5 sccm $BCl_3$ flow rate when the chamber pressure was in the range of 50{\sim}130 mTorr. The etch rates of AlGaAs were a little lower than those of GaAs at the conditions. However, the etch rates of GaAs and AlGaAs decreased significantly when the chamber pressure increased to 180 mTorr. GaAs and AlGaAs were not etched with 50 W CCP power. With $100{\sim}200\;W$ CCP power, etch rates of the materials increased over $0.3{\mu}m$/min. It was found that the etch rates of GaAs and AlGaAs were not always proportional to the increase of CCP power. We also found the interesting result that AlGaAs did not etched at 2.5 sccm $BCl_3$ flow rate at 75 mTorr and 100 W CCP power even though it was etched fast like GaAs with more $BCl_3$ gas flow rates. By contrast, GaAs was etched at ${{\sim}}0.3{\mu}m$/min at the 2.5 sccm $BCl_3$ flow rate condition. A broad molecular peak was noticed in the range of $500{\sim}700\;mm$ wavelength during the $BCl_3$ plasma etching. SEM photos showed that 10 sccm $BCl_3$ plama produced more undercutting on GaAs sidewall than 5 sccm $BCl_3$ plasma.
본 논문은 확산펌프 기반의 축전 결합형 $BCl_3$ 플라즈마를 사용하여 GaAs와 AlGaAs를 건식 식각한 연구에 관한 것이다. 실험에서 사용한 압력 범위는 $50{\sim}180$ mTorr, CCP 파워는 $50{\sim}200\;W$, $BCl_3$ 가스 유량은 $2.5{\sim}10$ sccm 이었다. 식각 후에 GaAs와 AlGaAs의 식각 속도와 표면 거칠기분석은 표면 단차 측정기를 이용하여 하였다. GaAs의 식각 벽면과 표면 상태는 전자현미경으로 분석하였다. 식각 중 플라즈마의 광 특성 분석은 광학 발광 분석기를 이용하였다. 본 실험을 통하여 5 sccm의 소량의 $BCl_3$ 가스 유량으로 공정 압력이 130 mTorr이내인 경우에는, 100 W CCP 파워의 조건에서 GaAs는 약 $0.25{\mu}m$/min 이상의 우수한 식각 속도를 얻을 수 있었다. AlGaAs의 경우는 GaAs의 식각 속도보다 조금 낮았다. 그러나 같은 유량에서 공정압력이 180 mTorr로 높아지면 GaAs와 AlGaAs의 식각 속도가 급격히 감소하여 거의 식각되지 않는 것을 알 수 있었다. 또한 CCP 파워의 경우에는 50 W의 파워에서는 GaAs와 AlGaAs 모두 거의 식각되지 않았다. 그러나 $100{\sim}200\;W$의 조건에서는 $0.3{\mu}m$/min 이상의 높은 식각 속도를 주었다. 두 결과를 보았을 때 축전결합형 $BCl_3$ 플라즈마 식각에서 GaAs와 AlGaAs의 식각 속도는 CCP 파워가 $100{\sim}200\;W$ 범위에 있으면 그 값에 비례하지 않고 거의 일정한 값이 된다는 사실을 알았다. 75mTorr, 100 W의 CCP 파워 조건에서 $BCl_3$의 유량 변화에 따른 GaAs와 AlGaAs의 식각 속도의 경우, $BCl_3$의 유량이 2.5 sccm의 소량일 때는 GaAs는 식각 속도가 높았지만 AlGaAs는 거의 식각되지 않는 흥미로운 결과를 얻었다. 플라즈마 발광 특성을 보면 $BCl_3$ 축전 결합 플라즈마는 주로 $500{\sim}700\;mm$ 범위를 가지는 넓은 분자 피크만 만든다는 것을 알 수 있었다. 전자 현미경 사진 결과에서는 5 sccm과 10 sccm의 $BCl_3$ 플라즈마 모두 식각 중에 GaAs의 벽면을 언더컷팅 하였으며, 10 sccm의 $BCl_3$유량을 사용하였을 때 언더컷팅이 더 심했다.
