《Materials Science in Semiconductor Processing》：SiCl
4-based reactive ion etching for controlled low-damage mesa and gate recess formation in β-Ga
2O
3 MOSFETs
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摘要β-Ga2O3 是一种用于下一代功率电子器件的极具前景的超宽禁带半导体。然而，其化学惰性使得在器件制造过程中受控刻蚀成为一项关键挑战。本研究系统性地研究了β-Ga2O3 的干法刻蚀工艺，重点关注 normally-off 金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）制造中
摘要
β-Ga2O3 是一种用于下一代功率电子器件的极具前景的超宽禁带半导体。然而，其化学惰性使得在器件制造过程中受控刻蚀成为一项关键挑战。本研究系统性地研究了β-Ga2O3 的干法刻蚀工艺，重点关注 normally-off 金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）制造中的台体隔离和栅极凹槽加工。使用反应离子刻蚀（RIE）和感应耦合等离子体（ICP）条件，对多种等离子体化学体系进行了评估，包括基于 Ar、Cl2、SF6 和 SiCl4 的体系。尽管基于氯和氟的化学体系实现了更高的刻蚀速率，但它们也带来了更大的表面粗糙度、残留物形成、非预期的沟槽刻蚀以及由于离子诱导损伤和低挥发性反应副产物导致的刻蚀剖面退化。相比之下，基于 SiCl4 的工艺提供了 11.6 ± 0.08 nm/min 的适中且高度可控的刻蚀速率，同时显著改善了表面形貌，降低了 RMS 粗糙度。该优化工艺已成功应用于台体隔离和栅极凹槽加工，提供了光滑的表面、清晰的侧壁以及精确的凹槽深度控制。采用该优化工艺制造的 β-Ga2O3 MOSFET 表现出 normally-off 工作特性，最大电流约为 2.8 mA/mm，阈值电压约为 ～8.3 ± 1.2 V，ON/OFF 电流比（开/关电流比）为（2.3 ± 1.7）×106，亚阈值摆幅为 0.74 ± 0.16 V/dec，最大跨导为 4.1 ± 0.8 mS/mm。这些结果表明，SiCl4-RIE 能够实现 β-Ga2O3 的受控刻蚀，并减少等离子体诱导损伤，对 MOSFET 的制造极具应用前景。
引言
单斜晶系氧化镓（β-Ga2O3）是 Ga2O3 唯一热力学稳定的晶型，已成为下一代高功率电子和深紫外光电应用的领先超宽禁带半导体。其吸引力源于其宽禁带（～4.8–4.9 eV）、高临界电场以及大面积块体衬底的可获得性 [1]。在材料合成方面取得了重大进展，包括 Czochralski、Float Zone、Vertical Bridgman 和 edge-defined film-fed growth（EFG）等块体晶体生长技术，以及分子束外延（MBE）、金属有机化学气相沉积（MOCVD）、氢化物气相外延（HVPE）、雾化化学气相沉积（mist-CVD）、脉冲激光沉积（PLD）和低压化学气相沉积（LPCVD）等外延生长方法，这些进展使得高质量 β-Ga2O3 薄膜的制备成为可能，适用于器件制造 [[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8]]。
尽管取得了上述进展，β-Ga2O3 器件（如肖特基势垒二极管、MOSFET、鳍型场效应晶体管）的制造仍然具有挑战性，尤其是对于需要精确且受控材料去除的工艺，如台体隔离、侧壁定义、鳍结构加工和栅极凹槽工程。β-Ga2O3 固有的化学惰性限制了传统湿法刻蚀技术的有效性。虽然使用水溶液 HF 或加热 H3PO4 进行湿法刻蚀可以实现材料去除，但这些方法通常存在各向异性差、尺寸控制有限以及可能的表面污染或残留物形成等问题，使其不适合先进器件的制造 [9]。诸如光电化学（PEC）刻蚀和金属辅助化学刻蚀等替代技术已展现出减少等离子体损伤的能力，并可制备高深宽比结构 [[9], [10], [11], [12], [13], [14], [15]]。然而，它们对晶体学取向、掺杂浓度和缺陷密度的强烈依赖性限制了工艺重复性和与传统半导体制造的兼容性。
因此，干法刻蚀技术，特别是反应离子刻蚀（RIE）和感应耦合等离子体反应离子刻蚀（ICP-RIE），已成为 β-Ga2O3 器件制造的优选方法，因为它们能够提供各向异性的刻蚀剖面、高图案保真度以及与光刻工艺的优秀兼容性。通常，在传统 RIE 中，使用单一射频（RF）电源产生等离子体并建立偏压。所产生的电场将离子加速至半导体表面，物理离子轰击与化学反应相结合以去除材料。提高刻蚀速率通常需要更高的 RF 功率，从而导致更大的偏压。这会增加离子轰击能量并导致表面损伤加剧，使得同时实现高刻蚀速率、低损伤和精确的刻蚀形貌控制变得困难。另一方面，在 ICP 工艺中，向感应线圈施加单独的 RF 源，通过交变电磁场产生和维持高密度等离子体。由于等离子体产生和离子加速可以相对独立地控制，较低的偏压就足以将离子引向衬底。这能够在高刻蚀速率下实现高密度等离子体刻蚀，同时减少离子诱导损伤，为获得低损伤刻蚀和改善刻蚀剖面控制提供了更大的灵活性 [16]。先前的研究已探讨了多种等离子体化学体系，包括 Ar、Cl2、BCl3、Cl2/Ar、BCl3/Ar 和 SF6/Ar [17,[18], [19], [20], [21]]。基于 BCl3 的等离子体通常通过有效去除 β-Ga2O3 晶格中的氧来实现最高的刻蚀速率；基于氯的等离子体促进挥发性 GaCl3 物种的形成以实现化学材料去除。然而，这些工艺通常依赖高密度 ICP 等离子体和高能离子轰击来获得高刻蚀速率，这往往导致表面粗糙度增加、等离子体诱导损伤、非预期的沟槽形成以及侧壁质量退化。这些效应在栅极凹槽工程中变得越来越关键，因为该工艺需要纳米级深度控制和光滑刻蚀表面，以实现可靠的 normally-off 金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）运行。
尽管已探索了多种方法，包括刻蚀后四甲基氢氧化铵（TMAH）处理和无需等离子体的刻蚀技术，以降低刻蚀诱导损伤 [17,[22], [23], [24], [25], [26], [27]]，在刻蚀速率、表面质量和精确刻蚀剖面控制之间取得平衡仍然是一个重大挑战。对于实际的 β-Ga2O3 功率器件，极高的刻蚀速率并非总是可取的，因为它降低了工艺可控性并增加了在栅极凹槽加工等关键制造步骤中过刻蚀的风险。相反，适中且受控的刻蚀速率，结合光滑的表面形貌和最小的等离子体损伤，更适用于可重复的纳米级器件制造 [18,27]。
据我们所知，此前尚无研究报道过基于 SiCl4 的等离子体刻蚀 β-Ga2O3 技术或其在台体隔离、栅极凹槽工程和 MOSFET 制造中的应用。在本工作中，我们开发并系统优化了一种用于 β-Ga2O3 器件加工的基于 SiCl4 的反应离子刻蚀技术。该优化工艺在维持稳定可控的刻蚀速率的同时，与传统等离子体化学体系相比，显著降低了表面粗糙度、非预期的沟槽形成和等离子体诱导损伤。随后，该工艺被应用于台体隔离、栅极凹槽加工以及传输线法（TLM）结构和 normally-off β-Ga2O3 MOSFET 的制造，证明了其作为未来 β-Ga2O3 功率电子和光电子器件的可重复刻蚀技术的适用性。
各节摘要
材料生长
干法刻蚀工艺优化采用了通过液相注入金属有机化学气相沉积（LI-MOCVD）直接生长在 c 面蓝宝石衬底上的 β-Ga2O3 外延层 [28]。自行研制的 LI-MOCVD 系统示意图如图 1(a) 所示；使用乙酰丙酮镓（0.02 mol/l）作为 Ga 源，使用正硅酸乙酯（TEOS，浓度为 0.1 mol %）作为 Si 源以实现 n 型掺杂。生长温度为 700 °C，Ar 和 O2
台体和栅极凹槽刻蚀条件优化
前驱体化学体系的选择决定了主导刻蚀机制和反应产物的挥发性，从而影响刻蚀速率、表面形貌以及侧壁剖面质量 [[33], [34], [35]]。射频（RF）功率维持等离子体，感应耦合等离子体（ICP）功率控制等离子体密度和活性物种浓度，而衬底偏压调节离子轰击能量。这些参数共同决定了刻蚀速率，
结论
在本工作中，系统研究了基于 Ar、Cl2/Ar、SF6/Ar 和 SiCl4 的干法刻蚀工艺，用于 β-Ga2O3 MOSFET 制造，重点关注台体隔离和栅极凹槽加工。虽然基于 Cl2/Ar 和 SF6/Ar 的工艺提供了更高的刻蚀速率，但导致了表面粗糙度增加、残留物形成、沟槽刻蚀以及刻蚀剖面退化。相比之下，优化的 SiCl4-RIE 工艺维持了 11.6 ± 0.08 nm/min 的稳定刻蚀速率，同时显著降低了 RMS
CRediT 作者贡献声明
Sai GuruKrishna Vadlamudi：撰写 – 初稿，验证，方法论，调查研究。Dagmar Gregu?ová：撰写 – 审阅与编辑，指导，方法论。Kristína Hu?eková：方法论。Shima Sousani：方法论。Alica Rosová：撰写 – 审阅与编辑，方法论。Tibor Izsák：撰写 – 审阅与编辑，指导，方法论。Hemendra Chouhan：方法论，调查研究。Zuzana Pospechová：方法论。Ondrej Pohorelec：撰写 – 审阅与编辑，指导，方法论，
资金支持
本工作得到了 欧盟 NextGenerationEU 通过斯洛伐克复苏与韧性计划 资助（项目编号：09I05-03-V02-00030），斯洛伐克研发署（SRDA） 资助（项目 APVV-24-0325、APVV-23-0361 和 SK-TW-RD-24-0006），以及 斯洛伐克科研基金会 VEGA 资助（项目编号：2/0156/25）。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
作者衷心感谢已故的 ?tefan Ha??ík 博士在 ICP-RIE 工艺开发方面的技术支持中提供的宝贵帮助，以及他对建立和优化本研究中使用的刻蚀工艺方案所做出的重大贡献。他的专业知识、指导精神和奉献精神对顺利完成本研究至关重要。
Sai GuruKrishna Vadlamudi|Dagmar Gregu?ová|Kristína Hu?eková|Shima Sousani|Alica Rosová|Tibor Izsák|Hemendra Chouhan|Zuzana Pospechová|Ondrej Pohorelec|Milan ?apajna|Filip Gucmann
