CN102157361A - 利用光子束超衍射技术制备半导体t型栅电极的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用光子束超衍射技术制备半导体T型栅电极的方法，包括如下步骤：步骤1：在待制备T型栅的样品上面淀积介质钝化层；步骤2：在介质钝化层上涂覆抗蚀剂；步骤3：利用光子束超衍射纳米加工技术，在抗蚀剂上曝光，显影，定影，形成栅足图形；步骤4：用RIE刻蚀技术，将栅足图形下面的介质钝化层刻蚀，形成沟槽；步骤5：将残余的抗蚀剂洗去，在介质钝化层上涂覆光刻胶；步骤6：利用光子束超衍射纳米加工技术，在光刻胶上曝光，显影，定影，形成栅头图形；步骤7：在光刻胶上蒸发栅极金属；步骤8：去除光刻胶，在介质钝化层的沟槽和栅头图形上形成三维T型的金属电极。

Description

利用光子束超衍射技术制备半导体T型栅电极的方法

技术领域

本发明涉及半导体材料与器件制造领域，具体涉及利用光子束超衍射技术制备半导体T型栅电极的方法。

背景技术

所谓光子束超衍射纳米加工技术是一种新兴的利用双光子效应和激光与物质作用的阈值效应的飞秒脉冲激光双光子微纳加工技术。

激光加工技术作为重要的先进制造技术之一已广泛应用于众多的工业制造领域.利用激光直写技术进行材料加工时，其所能达到的加工分辨率一直受到经典光学理论衍射极限的限制，难于进行纳米尺度的加工。飞秒脉冲激光的出现不仅为研究光与物质相互作用的超快过程提供了手段，也为发展先进的微纳米加工技术提供了不可多得的光源.近年来，作为最新的激光加工技术之一的飞秒脉冲激光双光子微纳加工技术已成为国际上研究的热点。

激光双光子微纳加工与单光子激光加工有很大区别。单光子激光加工过程中所使用的光子能量较高，当入射光经透镜聚焦到材料表面或内部时，光子所到之处均可以进行单光子吸收过程，其光与物质发生相互作用的最小区域受到光学衍射极限的限制。而双光子过程中所使用光子的能量大大低于材料的吸收带隙，而材料的双光子吸收效率正比于入射光强的平方，属于光学非线性效应，其发生双光子过程的作用区域不仅取决于材料的非线性光学特性大小，还取决于光与物质发生双光子过程的能量密度的高低，即引发双光子聚合反应的激光阈值。在进行双光子聚合的过程中，其光聚合反应并不在光束通过的所有区域发生，而仅仅在达到一定阈值，可以使引发剂产生双光子吸收引发聚合反应的区域进行。根据材料的非线性光学特性大小，通过控制所使用的激光强度，可以使达到双光子聚合阈值的范围大大小于通过透镜聚焦而得到的光斑直径，所获得的双光子聚合区域可以远远小于光的衍射极限，在原理上甚至可以达到单分子尺度。因此，利用双光子过程以及诱导此过程发生时光与物质相互作用的阈值效应，突破经典光学衍射极限的限制实现飞秒激光直写技术的纳米尺度加工是完全可行的。

在2001年日本科学家利用飞秒脉冲激光双光子聚合技术首次突破衍射极限获得120nm的加工分辨率后，最近我国科学家实现了15nm线宽的纳米尺度加工分辨率。该技术利用双光子效应和激光与物质作用的阈值效应，成功地实现了纳米尺度的激光直写加工分辨率，可望在功能性微纳器件制备等纳米技术领域发挥重要作用，具有广阔的应用前景。

三维T型栅电极是目前制作高电子迁移率晶体管的标准器件结构。因为对T型栅的栅足尺寸要求极为严格(要求在100nm以下)，传统光刻技术制作困难，所以目前T型栅的制作基本都是由电子束曝光和纳米压印来完成的。但是电子束曝光的制作成本太高，而且不能大面积生产，效率低下。纳米压印技术需要制作压印模板，模板制作成本高，而且模板制作完成之后无法修改，所以灵活性差。所以T型栅的制作一直困扰着工艺人员。

本发明公开一种利用光子束超衍射纳米加工技术制备高电子迁移率晶体管三维T型栅的方法，该方法采用图形直写，随意修改版图，同时精度高、面积大、可重复、低成本、效率高。可以代替电子束曝光技术和纳米压印技术来制备高电子迁移率晶体管的T型栅电极。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用光子束超衍射技术制备半导体T型栅电极的方法，其广泛适用于包括GaN基、GaAs基和InP基的高电子迁移率晶体管(HEMT)的三维T型栅的制备。主要特点是：飞秒脉冲激光双光子微纳加工工艺代替传统的图形曝光，电子束曝光，离子束刻蚀，纳米压印等工艺在晶片上直接描绘图案，灵活性高，同时精度高、面积大、可重复、低成本、效率高。

本发明提供一种利用光子束超衍射技术制备半导体T型栅电极的方法，包括如下步骤：

步骤1：在待制备T型栅的样品上面淀积介质钝化层；

步骤2：在介质钝化层上涂覆抗蚀剂；

步骤3：利用光子束超衍射纳米加工技术，在抗蚀剂上曝光，显影，定影，形成栅足图形；

步骤4：用RIE刻蚀技术，将栅足图形下面的介质钝化层刻蚀，形成沟槽；

步骤5：将残余的抗蚀剂洗去，在介质钝化层上涂覆光刻胶；

步骤6：利用光子束超衍射纳米加工技术，在光刻胶上曝光，显影，定影，形成栅头图形；

步骤7：在光刻胶上蒸发栅极金属；

步骤8：去除光刻胶，在介质钝化层的沟槽和栅头图形上形成三维T型的金属电极。

本发明的优点在于采用飞秒激光制作三维T型栅结构，操作简单，直接高效，无需制作掩模板，随意修改曝光版图，同时曝光精度高，图形特征尺寸小，曝光总面积大，设备运行成本低。

附图说明

为进一步说明本发明的内容及特点，以下结合附图及实施例对本发明作一详细的描述，其中：

图1-图8为本发明的流程图；

图9为单光子(a)与双光子(b)激发过程示意图；

图10为入射光经物镜聚焦后，焦点附近处单光子与双光子作用区域示意图。

具体实施方式

请参阅图1-图8所示，本发明提供一种利用光子束超衍射技术制备半导体T型栅电极的方法，包括如下步骤：

步骤1：如图1所示，在待制备T型栅的样品10上面淀积介质钝化层20，该介质钝化层20的厚度为50-100nm，介质钝化层20的材料为氮化硅、二氧化硅或氧化铝；所述样品10的材料可以为氮化镓、氮化砷或磷化铟等三五族半导体，也可以为硅；

步骤2：如图2所示，在介质钝化层20上涂覆抗蚀剂30，该抗蚀剂30为电子束胶或者普通紫外光刻胶；根据想要获得的栅足图形31的尺寸不同，可选用电子束胶(栅足图形，≤0.1μm)或者普通紫外光刻胶(栅足图形，≥0.1μm)；

步骤3：如图3所示，利用光子束超衍射纳米加工技术，在抗蚀剂30上曝光，显影，定影，形成栅足图形31；光子束超衍射纳米加工技术是利用激光与抗蚀剂30的光化学反应，通过在直写后对抗蚀剂30的显定影制作图形；操作时要根据要求的栅足图形31的尺寸和抗蚀剂30不同，选择不同波段的激光，和其对应的激光功率对抗蚀剂30进行曝光；显影液和定影液要根据不同的抗蚀剂30来选取。光子束超衍射纳米加工技术曝光不需要掩模版，可直接在半导体晶片上面描绘图形，版图可以直接在电脑中修改；

步骤4：如图4所示，用RIE刻蚀技术，将栅足图形31下面的介质钝化层20刻蚀，形成沟槽21；用RIE刻蚀介质钝化层20到样品10表面，要求刻蚀到底，不可残留介质钝化层20。

步骤5：如图5所示，将残余的抗蚀剂30洗去，在介质钝化层20上涂覆光刻胶40；光刻胶40选取普通紫外光刻胶，因为栅头图形41的尺寸较大(约为1μm)，同时为了后面的金属剥离工艺，要求光刻胶40的厚度要大于蒸发的栅极金属50的厚度。

步骤6：如图6所示，利用光子束超衍射纳米加工技术，在光刻胶40上曝光，显影，定影，形成栅头图形41；根据要求的栅头图形41的尺寸和光刻胶40不同，选择不同波段的激光，和其对应的激光功率对光刻胶40进行曝光；曝光之后将样品显定影，得到栅头图形41。显影液和定影液根据不同的光刻胶40来选取。

步骤7：如图7所示，在光刻胶40上蒸发栅极金属50；栅极金属50的材料为镍/金合金。

步骤8：如图8所示，去除光刻胶40，在介质钝化层20的沟槽21和栅头图形41上便形成三维T型的金属电极51，该金属电极51的材料为镍/金合金。

下面我们结合图9和图10介绍一下光子束超衍射纳米加工技术的基本原理。首先，我们利用图9解释单光子吸收与双光子吸收过程的区别.图9(a)为单光子激发过程，当激发光的光子能量hv等于物质基态与激发态之间的能量差时，基态电子吸收一个光子跃迁至激发态，经过一定时间的生命周期后返回基态，释放出荧光，这个现象即为单光子激发荧光.当使用光波长为图9(a)中激发光波长两倍的光对相同物质进行激发时，由于所使用光波的光子能量仅为原来的一半，无法通过单光子过程使基态电子激发到激发态.只有在光子密度极高的情况下，基态的电子可以同时吸收两个光子，使处于基态的电子跃迁至激发态.这种现象如图9(b)所示，类似于在基态与激发态之间存在一个虚能态，通过两个光子的能量进行叠加而使处于基态的电子达到激发态，这种现象被称为双光子吸收过程.双光子吸收几率可用下式表示：

$P=\mathrm{\σ}\frac{I^2}{\mathrm{hv}}---\left(1\right)$

其中σ为材料的双光子吸收系数，I为入射光强，h为普朗克常数，v为激发光频率由(1)式可知，双光子吸收几率正比于光强的平方。

通过单光子过程引发光聚合进行微加工和通过双光子过程引发光聚合进行微加工，在激光与光敏材料的相互作用区域上存在着较大的区别。如图10所示，当入射光经透镜聚焦到材料表面或内部时，由于单光子吸收过程中所使用的光子能量较高，光子所到之处均可以进行单光子吸收过程，其光与物质发生相互作用的最小区域受到光学衍射极限的限制。双光子过程中所使用光子的能量大大低于材料的吸收带隙，而材料的双光子吸收效率正比于入射光强的平方，属于光学非线性效应，其发生双光子过程的作用区域不仅取决于材料的非线性光学特性大小，还取决于光与物质发生双光子过程的能量密度的高低，即引发双光子聚合反应的激光阈值。在进行双光子聚合的过程中，其光聚合反应并不在光束通过的所有区域发生，而仅仅在达到一定阈值，可以使引发剂产生双光子吸收引发聚合反应的区域进行。根据材料的非线性光学特性大小，通过控制所使用的激光强度，可以使达到双光子聚合阈值的范围大大小于通过透镜聚焦而得到的光斑直径，所获得的双光子聚合区域可以远远小于光的衍射极限，在原理上甚至可以达到单分子尺度。因此，利用双光子过程以及诱导此过程发生时光与物质相互作用的阈值效应，突破经典光学衍射极限的限制实现飞秒激光直写技术的纳米尺度加工是完全可行的。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种利用光子束超衍射技术制备半导体T型栅电极的方法，包括如下步骤：

步骤1：在待制备T型栅的样品上面淀积介质钝化层；

步骤2：在介质钝化层上涂覆抗蚀剂；

步骤3：利用光子束超衍射纳米加工技术，在抗蚀剂上曝光，显影，定影，形成栅足图形；

步骤4：用RIE刻蚀技术，将栅足图形下面的介质钝化层刻蚀，形成沟槽；

步骤5：将残余的抗蚀剂洗去，在介质钝化层上涂覆光刻胶；

步骤6：利用光子束超衍射纳米加工技术，在光刻胶上曝光，显影，定影，形成栅头图形；

步骤7：在光刻胶上蒸发栅极金属；

步骤8：去除光刻胶，在介质钝化层的沟槽和栅头图形上形成三维T型的金属电极。

2.如权利要求1所述的利用光子束超衍射技术制备半导体T型栅电极的方法，其中介质钝化层的厚度为50-100nm。

3.如权利要求1或2所述的利用光子束超衍射技术制备半导体T型栅电极的方法，其中介质钝化层的材料为氮化硅、二氧化硅或氧化铝。

4.如权利要求1所述的利用光子束超衍射技术制备半导体T型栅电极的方法，其中抗蚀剂为电子束胶或者普通紫外光刻胶。

5.如权利要求1所述的利用光子束超衍射技术制备半导体T型栅电极的方法，其中金属电极的材料为镍/金合金。

6.如权利要求1所述的利用光子束超衍射技术制备半导体T型栅电极的方法，其中样品的材料为氮化镓、氮化砷或磷化铟。

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