CN102290345A - 深亚微米栅长AlGaN/GaN HEMT制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深亚微米栅长AlGaN/GaN HEMT制作方法，其制作过程为：1)在蓝宝石或SiC衬底上外延生长本征GaN、Al_0.3Ga_0.7N层和GaN帽层；2)在GaN帽层上进行有源区台面隔离和欧姆接触制作；3)在GaN帽层上进行100～200nm的第一层SiN介质淀积，并在第一层SiN上进行0.5～0.7μm的亚微米级栅光刻和槽栅的干法刻蚀，形成槽栅结构；4)进行厚度为250～300nm的第二层SiN淀积介质层；5)在第二层SiN介质层上进行250～300nm厚度的SiN介质层干法刻蚀，形成深亚微米的槽栅结构，并在该槽栅结构上制作栅电极和金属互联。本发明具有工作频率高、制作工艺过程简单、栅光刻工艺设备要求低，光刻效率高的优点。可用于制作工作于X波段至ku波段的AlGaN/GaN异质结高频大功率高电子迁移率晶体管。

Description

深亚微米栅长AlGaN/GaN HEMT制作方法

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及半导体材料、器件制作，具体的说是一种半导体器件制作方法，可用于制作深亚微米栅长AlGaN/GaN HEMT。

背景技术

近年来以SiC和GaN为代表的第三带宽禁带半导体以其大禁带宽度、高击穿电场、高热导率、高饱和电子速度和异质结界面二维电子气浓度高等特性，使其受到广泛关注。在理论上，利用这些材料制作的HEMT、发光二极管LED、激光二极管LD等器件比现有器件具有明显的优越特性，因此近些年来国内外研究者对其进行了广泛而深入的研究，并取得了令人瞩目的研究成果。

AlGaN/GaN HEMT在高温器件及大功率微波器件方面已显示出了得天独厚的优势，追求器件高频率、高压、高功率吸引了众多的研究。近年来，AlGaN/GaN HEMT在雷达应用的高频功率放大器方面的需求越来越迫切，怎样从材料结构和器件结构设计上进行优化和提高是现在面临的主要研究问题。要能使得器件工作于更高的频率，器件栅长的设计尤为重要，可以说器件栅长的尺寸直接决定了器件的工作频段。这就要求器件设计和工艺中在保证一定工作电压的情况下尽可能减小器件栅长。目前AlGaN/GaN HEMT所采用的栅长多数为小于1μm。亚微米栅长典型尺寸为0.5～0.7μm，对于器件典型最大截止频率Ft为15～20GHz，所以亚微米栅长AlGaN/GaNHEMT工作频段为C波段，参见Chini A，Buttari D，Coffie R，et al，12W/mm powerdensity AlGaN/GaN HEMTs on sapphire substrate，Electronics Letters，2004，40(1)：8thJanuary。为了能使得器件工作在X波段以上的频段，就要求器件典型最大截止频率Ft大于30GHz，这就必须要求器件栅长采用深亚微米栅长，参见Kumar V，Chen G，GuoS，et al，Field-plated 0.25μm gate-length AlGaN/GaN HEMTs on 6H-SiC with powerdensity of 9.1W/mm at 18GHz，Electronics Letters，2005，41(19)：15th September。制作深亚微米栅的光刻手段主要有光学光刻、电子束光刻和X射线光刻技术三种：

1.一般光学光刻曝光0.5μm以上的栅线条，技术比较成熟，曝光效果较好。随着光学光刻光源波长的不断缩小，光刻胶性能的提高，光学移相掩模技术的使用等诸多因素保证了光学光刻技术能实现较小的栅线条。另外，也可以采用斜蒸、各向同性刻蚀光刻胶等手段来压缩栅线条宽度。但要采用光学光刻技术制作0.5μm以下栅长尺寸的AlGaN/GaN HEMT，需要采用移相光学掩模技术和一些特殊的技巧，工艺控制比较复杂，一致性不是太好。而且移相光学掩模，移相层的制作过程中往往会引入缺陷，而且缺陷产生率比较高，缺陷修补的要求也比常规掩模要高。

2.电子束直写可以用来制作深亚微米栅AlGaN/GaN HEMT。采用电子束直写制作深亚微米栅一般都要采用多层胶工艺。其优点是栅底部的线宽可以做到很细，可以达到纳米水平，而且一致性可以做得非常好。但是电子束直写制作深亚微米栅的缺点也是非常明显的，那就是效率非常低，成本也比较高，一般来说只能适用于实验室研究。从0.25μm线宽到0.18μm线宽，其生产效率下降50％；从0.18μm线宽到0.13μm线宽，生产效率下降66％；到0.13μm线宽以下，效率成倍下降。而且电子束直写设备非常昂贵，设备维护成本较高。

3.采用X射线光刻制作深亚微米栅AlGaN/GaN HEMT相比于其他光刻手段有许多优点，比如它可以满足0.05～0.25μm尺寸的加工技术；一台点光源X射线光刻机效率超过7台电子束直写机。采用X射线光刻制作深亚微米栅的最大问题是X射线光源问题，以及技术成熟度有待提高。另外，X射线光刻设备昂贵，研发成本巨大。

发明内容

本发明的目的在于克服以上制作深亚微米栅AlGaN/GaN HEMT光刻工艺的不足，提供一种基于各向异性SiN淀积和各向同性SiN干法刻蚀的双层介质刻蚀法来制作深亚微米栅AlGaN/GaN HEMT，解决目前AlGaN/GaN HEMT栅光刻工艺复杂，效率低，设备昂贵的问题，以满足深亚微米栅AlGaN/GaN HEMT低成本高效率的栅电极制作工艺要求。

本发明的技术思路是：在栅电极制作工艺中，先采用光学曝光在第一层SiN介质上制作出亚微米级栅槽，然后各向同性的淀积第二层SiN介质，各向同性SiN淀积相当于在亚微米级栅槽的平面和侧面两个方向都进行了SiN介质淀积，这样就将先前制作出亚微米级栅槽缩小为深亚微米级，最后进行各向异性的干法刻蚀，将形成的深亚微米栅槽中的第二层SiN介质刻蚀去除，实现深亚微米栅槽。具体制作过程包括如下：

第一步，在蓝宝石或SiC基片上，利用MOCVD工艺，依次生长GaN缓冲层、本征GaN层、Al_0.3Ga_0.7N层和GaN帽层；

第二步，在GaN帽层上进行有源区台面隔离和欧姆接触制作形成源极和漏极；

第三步，在GaN帽层上进行100～200nm的第一层SiN介质层淀积，并在源漏极之间区域依次进行0.5～0.7μm的亚微米级栅光学光刻和各向异性的槽栅干法刻蚀，形成槽栅结构；

第四步，在第一层SiN上进行各向同性的第二层SiN介质层淀积，淀积厚度为250～300nm；

第五步，采用各向异性的干法刻蚀去除第二层淀积的250～300nm厚的SiN，形成0.15～0.25μm的深亚微米槽栅结构。

第六步，在形成的深亚微米槽栅结构上完成栅电极的制作，并对源、漏和栅电极进行压焊点引出。

所述第三步和第四步中的SiN介质层淀积，工艺条件是：混合气体为2％-4％的SiH₄和N₂，其流量200-250sccm；NH₃流量为2-4sccm；He流量为200-250sccm；反应室压强为500-600m T；温度为250-300℃，电极功率为20-30W。

所述第三步和第五步中的干法刻蚀条件为：Cl₂流量10-20sccm，反应室压强10-20mT，电极功率150-200W。

本发明具有如下优点：

首先，本发明由于采用了基于各向异性SiN淀积和各向同性SiN干法刻蚀的双层介质刻蚀的制作工艺，所以可以使用较为简单的光学曝光设备实现深亚微米栅AlGaN/GaN HEMT，而且经过实验验证，器件栅长已经达到深亚微米级别，器件频率特性明显提高，最大截止频率能达30GHz以上，能达到深亚微米栅AlGaN/GaN HEMT工作频率对应的X波段；

其次，由于本发明所采用的光刻工艺仅采用光学光刻，不仅器件光刻工艺效率高，光刻成品率高，而且避免了其他昂贵的光刻设备的高额成本和复杂的维护工作。

由于本发明所制作器件的工作频率高，所采用的光刻工艺简单高效，光刻成品率高、光刻设备廉价等优点，在制作深亚微栅AlGaN/GaN HEMT方面有很好的应用前景。

附图说明

图1是本发明的工艺流程框图；

图2是本发明的工艺流程示意图；

图3是本发明中器件的栅槽缩小前后的对比SEM图

图4是本发明中器件的深亚微米栅槽AFM图

图5是本发明中器件的小信号频率特性曲线

具体实施方式

参照图1和图2，本发明制作深亚微米栅AlGaN/GaN HEMT器件的方法给出以下三种实施例。

实施例1，制作深亚微米栅AlGaN/GaN HEMT，包括如下步骤：

步骤一.外延材料生长。

在SiC衬底基片上，利用MOCVD工艺，生长本征GaN层；在本征GaN层上，生长20nm厚的Al_0.3Ga_0.7N层，使本征GaN层与Al_0.3Ga_0.7N层间形成2DEG；在Al_0.3Ga_0.7N层上，生长2nm厚的GaN帽层，如图2(a)所示。

步骤二.源漏电极制作。

2.1)材料表面甩正胶，转速为5000转/min，得到光刻胶掩模厚度0.8μm，在温度为80℃的高温烘箱中烘10min，然后在该样片上采用NSR1755I7A光刻机光刻源漏电极图形；

2.2)采用DQ-500等离子体去胶机去除栅电极图形区未显影干净的光刻胶薄层，以提高剥离的成品率；

2.3)采用Ohmiker-50电子束蒸发台进行源漏电极制作，源漏金属选用Ti厚度20nm，Al厚度120nm，Ni厚度45nm，Au厚度55nm，蒸发速率为0.1nm/s；源漏欧姆接触金属蒸发完成后进行金属剥离，得到完整的源漏电极；

2.4)用RTP500快速热退火炉，在N₂气氛中870℃下进行30s的快速热退火，对欧姆接触金属进行合金，完成源漏电极的制作，如图2(b)所示。

步骤三.栅电极制作。

3.1)形成亚微米级槽栅结构

首先，采用PECVD790淀积设备在GaN帽层上进行第一层SiN淀积，淀积SiN厚度100nm，通入混合气体为2％的SiH₄和N₂，其流量200sccm；NH₃流量为2sccm；He流量为200sccm；反应室压强为500m T；温度为250℃，电极功率为20W，如图2(c)所示；

其次，材料表面甩正胶，转速为5000转/min，得到光刻胶掩模厚度0.8μm，在温度为80℃的高温烘箱中烘10min，然后在该样片上采用NSR1755I7A光刻机光刻，光刻获得0.5μm栅长的栅电极图形；

再次，采用ICP98c型感应耦合等离子体刻蚀机刻蚀去除栅区域的第一层100nm厚的SiN层，形成0.5μm的槽栅结构，刻蚀速率采用1nm/s，Cl₂流量为10sccm，反应室压强为10mT，电极功率为150W，如图2(d)所示；

3.2)采用PECVD790淀积设备在材料表面进行各向同性的250nm的第二层SiN淀积，通入混合气体为2％的SiH₄和N₂，其流量200sccm；NH₃流量为2sccm；He流量为200sccm；反应室压强为500m T；温度为250℃，电极功率为20W，如图2(e)所示；

3.3)采用ICP98c型感应耦合等离子体刻蚀机干法刻蚀去除第二层淀积的250nm厚SiN，形成0.15μm的深亚微米槽栅结构。刻蚀去除250nm的SiN层，刻蚀速率先采用3nm/s刻蚀去除200nm厚SiN层，然后采用1nm/s刻蚀去除剩余50nm厚的SiN层，Cl₂流量为10sccm，反应室压强为10mT，电极功率为150W；

3.4)采用甩胶机在5000转/min的转速下，得到光刻胶掩模厚度0.8μm；

3.5)在温度为80℃的高温烘箱中烘10min，采用NSR1755I7A光刻机进行曝光，形成0.5μm栅区域掩模图形；

3.6)采用Ohmiker-50电子束蒸发台进行栅金属的蒸发，栅金属选用Ni厚度20nm，Au厚度200nm，蒸发速率为0.1nm/s；蒸发完成后进行金属剥离，得到完整的栅电极，如图2(f)所示。

步骤四.完成互联引线的制作。

4.1)采用甩胶机在5000转/min的转速下甩正胶；

4.2)采用NSR1755I7A光刻机进行曝光，形成电极引线掩模图形；

4.3)对光刻胶掩模在80℃进行3min后烘；

4.4)采用真空蒸发设备对制作好掩模的基片进行引线电极金属蒸发，金属选用Ti厚度20nm，Au厚度200nm，蒸发速率为0.3nm/s；

4.5)在引线电极金属蒸发完成后进行剥离，得到完整的引线电极，如图2(g)所示。

通过以上步骤完成深亚微栅AlGaN/GaN HEMT的制作。

实施例2，制作深亚微米栅AlGaN/GaN HEMT，包括如下步骤：

步骤1.外延材料生长。

在SiC衬底基片上，利用MOCVD工艺，先生长本征GaN层；再在本征GaN层上生长20nm厚的Al_0.3Ga_0.7N层，使本征GaN层与Al_0.3Ga_0.7N层间形成2DEG；最后在Al_0.3Ga_0.7N层上生长2nm厚的GaN帽层，如图2(a)所示。

步骤2.源漏电极制作。

2.1)材料表面甩正胶，转速为5000转/min，得到光刻胶掩模厚度0.8μm，在温度为80℃的高温烘箱中烘10min，然后在该样片上采用NSR1755I7A光刻机光刻源漏电极图形；

2.2)采用DQ-500等离子体去胶机去除栅电极图形区未显影干净的光刻胶薄层，以提高剥离的成品率；

2.3)采用Ohmiker-50电子束蒸发台进行源漏电极制作，源漏金属选用Ti厚度20nm，Al厚度120nm，Ni厚度45nm，Au厚度55nm，蒸发速率为0.1nm/s；源漏欧姆接触金属蒸发完成后进行金属剥离，得到完整的源漏电极；

2.4)用RTP500快速热退火炉，在N₂气氛中870℃下进行30s的快速热退火，对欧姆接触金属进行合金，完成源漏电极的制作，如图2(b)所示。

步骤3.栅电极制作。

3.1)形成亚微米级槽栅结构

首先，采用PECVD790淀积设备在GaN帽层上进行第一层SiN淀积，淀积SiN厚度150nm，通入混合气体为3％的SiH₄和N₂，其流量225sccm；NH₃流量为3sccm；He流量为225sccm；反应室压强为550m T；温度为275℃，电极功率为25W，如图2(c)所示；

其次，材料表面甩正胶，转速为5000转/min，得到光刻胶掩模厚度0.8μm，在温度为80℃的高温烘箱中烘10min，然后在该样片上采用NSR1755I7A光刻机光刻获得0.6μm栅长的栅电极图形；

最后，采用ICP98c型感应耦合等离子体刻蚀机刻蚀去除栅区域的第一层150nm厚的SiN层，形成0.6μm的槽栅结构，刻蚀速率采用1nm/s，Cl₂流量为15sccm，反应室压强为15mT，电极功率为175W，如图2(d)所示。

3.2)采用PECVD790淀积设备在材料表面进行各向同性的275nm的第二层SiN淀积，通入混合气体为3％的SiH₄和N₂，其流量225sccm；NH₃流量为3sccm；He流量为225sccm；反应室压强为550m T；温度为275℃，电极功率为25W，如图2(e)所示；

3.3)采用ICP98c型感应耦合等离子体刻蚀机干法刻蚀去除第二层淀积的275nm厚SiN，形成0.2μm的深亚微米槽栅结构。刻蚀去除275nm的SiN层，刻蚀速率先采用3nm/s刻蚀去除200nm厚SiN层，然后采用1nm/s刻蚀去除剩余75nm厚的SiN层，Cl₂流量为15sccm，反应室压强为15mT，电极功率为175W；

3.4)采用甩胶机在5000转/min的转速下，得到光刻胶掩模厚度0.8μm；

3.5)在温度为80℃的高温烘箱中烘10min，采用NSR1755I7A光刻机进行曝光，形成0.6μm栅区域掩模图形；

3.6)采用Ohmiker-50电子束蒸发台进行栅金属的蒸发，栅金属选用Ni厚度20nm，Au厚度200nm，蒸发速率为0.1nm/s；蒸发完成后进行金属剥离，得到完整的栅电极，如图2(f)所示。

步骤4.完成互联引线的制作。

4.1)采用甩胶机在5000转/min的转速下甩正胶；

4.2)采用NSR1755I7A光刻机进行曝光，形成电极引线掩模图形；

4.3)对光刻胶掩模在80℃进行3min后烘；

4.4)采用真空蒸发设备对制作好掩模的基片进行引线电极金属蒸发，金属选用Ti厚度20nm，Au厚度200nm，蒸发速率为0.3nm/s；

4.5)在引线电极金属蒸发完成后进行剥离，得到完整的引线电极，如图2(g)所示。

通过以上步骤完成深亚微栅AlGaN/GaN HEMT的制作。

实施例3，制作深亚微米栅AlGaN/GaN HEMT，包括如下步骤：

步骤A.外延材料生长。

在SiC衬底基片上，利用MOCVD工艺，生长本征GaN层；再在本征GaN层上生长20nm厚的Al_0.3Ga_0.7N层，使本征GaN层与Al_0.3Ga_0.7N层间形成2DEG；最后在Al_0.3Ga_0.7N层上生长2nm厚的GaN帽层，如图2(a)所示。

步骤B.源漏电极制作。

B1)材料表面甩正胶，转速为5000转/min，得到光刻胶掩模厚度0.8μm，在温度为80℃的高温烘箱中烘10min，然后在该样片上采用NSR1755I7A光刻机光刻源漏电极图形；

B2)采用DQ-500等离子体去胶机去除栅电极图形区未显影干净的光刻胶薄层，以提高剥离的成品率；

B3)采用Ohmiker-50电子束蒸发台进行源漏电极制作，源漏金属选用Ti厚度20nm，Al厚度120nm，Ni厚度45nm，Au厚度55nm，蒸发速率为0.1nm/s；源漏欧姆接触金属蒸发完成后进行金属剥离，得到完整的源漏电极；

B4)用RTP500快速热退火炉，在N₂气氛中870℃下进行30s的快速热退火，对欧姆接触金属进行合金，完成源漏电极的制作，如图2(b)所示。

步骤C.栅电极制作。

C1)形成亚微米级槽栅结构

C1a.采用PECVD790淀积设备在GaN帽层上进行第一层SiN淀积，淀积SiN厚度200nm，通入混合气体为4％的SiH₄和N₂，其流量250sccm；NH₃流量为4sccm；He流量为250sccm；反应室压强为600m T；温度为300℃，电极功率为30W，如图2(c)所示；

C1b.材料表面甩正胶，转速为5000转/min，得到光刻胶掩模厚度0.8μm，在温度为80℃的高温烘箱中烘10min，然后在该样片上采用NSR1755I7A光刻机光刻获得0.7μm栅长的栅电极图形；

C1c.采用ICP98c型感应耦合等离子体刻蚀机刻蚀去除栅区域的第一层200nm的SiN层，形成0.7μm的槽栅结构，刻蚀速率采用1nm/s，Cl₂流量为20sccm，反应室压强为20mT，电极功率为200W，如图2(d)所示；

C2)采用PECVD790淀积设备在材料表面进行各向同性的300nm的第二层SiN淀积，通入混合气体为4％的SiH₄和N₂，其流量250sccm；NH₃流量为4sccm；He流量为250sccm；反应室压强为600m T；温度为300℃，电极功率为30W，如图2(e)所示；

C3)采用ICP98c型感应耦合等离子体刻蚀机干法刻蚀去除第二层淀积的300nm厚SiN，形成0.25μm的深亚微米槽栅结构。刻蚀去除300nm的SiN层，刻蚀速率先采用3nm/s刻蚀去除200nm厚SiN层，然后采用1nm/s刻蚀去除剩余100nm厚的SiN层，Cl₂流量为20sccm，反应室压强为20mT，电极功率为200W；

C4)采用甩胶机在5000转/min的转速下，得到光刻胶掩模厚度0.8μm；

C5)在温度为80℃的高温烘箱中烘10min，采用NSR1755I7A光刻机进行曝光，形成0.7μm栅区域掩模图形；

C6)采用Ohmiker-50电子束蒸发台进行栅金属的蒸发，栅金属选用Ni厚度20nm，Au厚度200nm，蒸发速率为0.1nm/s；蒸发完成后进行金属剥离，得到完整的栅电极，如图2(f)所示。

步骤D.完成互联引线的制作。

D1)采用甩胶机在5000转/min的转速下甩正胶；

D2)采用NSR1755I7A光刻机进行曝光，形成电极引线掩模图形；

D3)对光刻胶掩模在80℃进行3min后烘；

D4)采用真空蒸发设备对制作好掩模的基片进行引线电极金属蒸发，金属选用Ti厚度20nm，Au厚度200nm，蒸发速率为0.3nm/s；

D5)在引线电极金属蒸发完成后进行剥离，得到完整的引线电极，如图2(g)所示。

通过以上步骤完成深亚微栅AlGaN/GaN HEMT的制作。

为验证本发明方法的优点，通过不同仪器对本发明方法所制作的晶体管进行了观察和测试，以直观的看到本发明方法制作的深亚微米栅的效果：

1)通过扫描电子显微镜SEM对晶体管进行观察，其结果如图3所示，从图3可以看出，该管的栅槽由第一次SiN刻蚀后的0.5μm左右缩小到了0.2μm以下，成功实现了深亚微米栅长。

2)对该晶体管进行原子力显微镜AFM观察，其结果如图4所示，从图4可以看出，该晶体管有效栅长小于0.2μm。

3)通过网络分析仪对该晶体管频率特性进行测试，其结果如图5所示，从图5可以看出其最大截止频率达到35GHz，最大震荡频率达到45GHz。

Claims (3)

1.一种深亚微米栅长AlGaN/GaN HEMT器件的制作方法，包括如下过程：

第一步，在蓝宝石或SiC基片上，利用MOCVD工艺，依次生长GaN缓冲层、本征GaN层、Al_0.3Ga_0.7N层和GaN帽层；

第二步，在GaN帽层上进行有源区台面隔离和欧姆接触制作形成源极和漏极；

第三步，在GaN帽层上进行100～200nm的第一层SiN介质层淀积，并在源漏极之间区域依次进行0.5～0.7μm的亚微米级栅光学光刻和各向异性的槽栅干法刻蚀，形成槽栅结构；

第四步，在第一层SiN上进行各向同性的第二层SiN介质层淀积，淀积厚度为250～300nm；

第五步，采用各向异性的干法刻蚀去除第二层淀积的250～300nm厚的SiN，形成0.15～0.25μm的深亚微米槽栅结构。

第六步，在形成的深亚微米槽栅结构上完成栅电极的制作，并对源、漏和栅电极进行压焊点引出。

2.根据权利要求书1中所述的深亚微米栅长AlGaN/GaN HEMT器件的制作方法，所述第三步和第四步中的SiN介质层淀积，是在如下工艺条件下进行：

混合气体为2％-4％的SiH₄和N₂，其流量200-250sccm，

NH₃流量为2-4sccm，

He流量为200-250sccm，

反应室压强为500-600m T，

温度为250-300℃，电极功率为20-30W。

3.根据权利要求书1中所述的深亚微米栅长AlGaN/GaN HEMT器件的制作方法，其中所述第三步和第五步中的干法刻蚀条件为：Cl₂流量为10-20sccm，反应室压强10-20mT，电极功率150-200W。

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