CN102479732B - 监控栅槽刻蚀的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种监控栅槽刻蚀的方法，包括：在制备实际凹栅槽器件的同时，制备至少两个源/漏区结构参数相同的参考凹栅槽器件，至少有两个参考凹栅槽器件的栅长尺寸位于实际凹栅槽器件栅长尺寸的两侧；测试获得至少两个参考凹栅槽器件的转移特性；通过至少两个参考凹栅槽器件的转移特性，判断实际凹栅槽器件的栅槽刻蚀情况。通过本发明提供的方法，能可靠地获得实际凹栅槽器件的是否进行了有效刻蚀，并且本次刻蚀的结果可以作为下次刻蚀的依据。

Description

监控栅槽刻蚀的方法

技术领域

本发明涉及微电子行业微波功率器件技术领域，尤其涉及一种监控栅槽刻蚀的方法。

背景技术

GaN作为第三代半导体的器件的代表，其研究已经取得了巨大的突破，目前已向X、Ka波段发展。对于X波段、Ka波段的GaN HEMT(HighElectrical Mobility Transistor，高电子迁移率晶体管)器件来说，凹栅槽技术是关键核心技术，凹栅槽技术可以有效提高栅对二维电子气的调控能力，提高器件的直流和高频性能。栅槽的实现要依靠干法刻蚀技术。GaNHEMT凹栅槽技术的流程如下：

一、欧姆接触技术

清洗干净的外延片、采用光刻工艺(AZ5214光刻胶，Karl Suss，MA6型光刻机，曝光4秒，120℃热板烘烤，显影90S)形成源漏图形，并且在源极(或漏极)与AlGaN层之间采用蒸发Ti/Al/Ni/Au的方法形成欧姆接触，并采用离子注入，实现隔离。图1为现有技术GaN HEMT凹栅槽刻蚀过程中采用欧姆接触技术后的示意图。

二、钝化技术

在GaN帽层沉积SiN，实现器件的表面钝化，钝化主要是消除GaN帽层的表面态，保护GaN表面。图2为现有技术GaN HEMT凹栅槽刻蚀过程中采用钝化技术后的示意图。

三、电子束光刻，形成光刻图形

首先在器件表面旋涂一层光刻胶，而后通过曝光、显影，去除栅槽位置的光刻胶。图3为现有技术GaN HEMT凹栅槽刻蚀过程中采用电子束光刻技术后的示意图。采用电子束光刻之后，形成细栅一般尺寸小于200nm。

四、等离子体刻蚀

以光刻胶为掩模，采用等离子刻蚀进行栅槽刻蚀，通过等离子刻蚀，去除SiN钝化层GaN帽层，及AlGaN层的一部分(约5～6nm)依次刻蚀SiN。图4为现有技术GaN HEMT凹栅槽刻蚀过程中采用等离子体刻蚀后的示意图。

五、去胶，退火，二次电子束光刻，并在栅槽内形成电子束栅

图5为现有技术GaN HEMT凹栅槽刻蚀过程中形成电子束栅后的示意图。

GaN HEMT凹栅槽制备的过程中，能否有效的进行栅槽的刻蚀是获得高性能器件的关键，一般刻蚀通过刻蚀时间来控制。如果刻蚀时间太短可能没有进行有效的刻蚀，即没有刻蚀到AlGaN；或者时间过长，导致AlGaN层太薄，电流下降过多，造成器件性能的恶化，而且栅槽刻蚀过程中刻蚀损伤、势垒层减薄都会导致电流减小。

在等离子刻蚀过程中，刻蚀时间难以精确掌握，通常依靠源漏之间电流的变化进行监控。由于刻蚀过程中势垒层减薄，压电效应降低会影响器件的电流变化。此外刻蚀导致的表面损伤往往对二维电子气产生调制作用，也会影响电流变化的原因，这样致使依靠电流变化的判据变得很不可靠，如何判定栅槽刻蚀的有效刻蚀是一个非常关键的问题。

在实现本专利的过程中，发明人意识到现有技术存在如下缺陷：无法可靠地判断凹栅槽的刻蚀情况。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于解决现有技术无法可靠地判断凹栅槽刻蚀情况的缺陷，从而提供一种监控栅槽刻蚀的方法。

(二)技术方案

本发明监控栅槽刻蚀的方法，包括：在制备实际凹栅槽器件的同时，制备至少两个源/漏区结构参数相同的参考凹栅槽器件，至少两个参考凹栅槽器件的栅长位于实际凹栅槽器件栅长尺寸的两侧；测试获得至少两个参考凹栅槽器件的转移特性；通过至少两个参考凹栅槽器件的转移特性，判断实际凹栅槽器件的栅槽刻蚀情况。

优选地，本技术方案中，通过至少两个参考凹栅槽器件的转移特性，判断实际凹栅槽器件的栅槽刻蚀情况包括：如果实际凹栅槽器件栅长尺寸两侧的两个参考凹栅槽器件沟道开启时的阈值电压相同，判断实际凹栅槽器件未形成有效地栅槽；或如果实际凹栅槽器件栅长尺寸两侧的两个参考凹栅槽器件沟道开启时的阈值电压不相同，判断实际凹栅槽器件已形成有效的栅槽。

优选地，本技术方案中，参考凹栅槽器件为三个，测试至少两个参考凹栅槽器件的转移特性之后还包括：根据三个参考凹栅槽器件沟道开启时的阈值电压与对应栅长的关系，进行二次函数拟合，获取阈值电压与栅长关系的第一函数；在下一次凹栅槽器件制备中，根据欲获得的阈值电压和第一函数，确定实际凹栅槽器件所需的栅长。

优选地，本技术方案还可以包括：制备同一栅长尺寸，不同等离子刻蚀时间的三个参考凹栅槽器件；获取三个参考凹栅槽器件沟道开启时的阈值电压；根据三个参考凹栅槽器件的阈值电压与对应刻蚀时间的关系，进行二次函数拟合，获取阈值电压与刻蚀时间关系的第二函数；在下一次凹栅槽器件制备中，根据欲获得的阈值电压和第二函数，确定实际凹栅槽器件所需的刻蚀时间。

(三)有益效果

通过本发明提供的方法，能可靠地获得实际凹栅槽器件的是否进行了有效刻蚀，并且本次刻蚀的结果可以作为下次刻蚀的依据。

附图说明

图1为现有技术GaN HEMT凹栅槽刻蚀过程中采用欧姆接触技术后的示意图；

图2为现有技术GaN HEMT凹栅槽刻蚀过程中采用钝化技术后的示意图；

图3为现有技术GaN HEMT凹栅槽刻蚀过程中采用电子束光刻技术后的示意图；

图4为现有技术GaN HEMT凹栅槽刻蚀过程中采用等离子体刻蚀后的示意图；

图5为现有技术GaN HEMT凹栅槽刻蚀过程中形成电子束栅后的示意图；

图6为根据本发明实施例一监控栅槽刻蚀方法的流程图；

图7为根据本发明实施例四监控栅槽刻蚀方法中参考凹栅槽器件源(漏)区的示意图；

图8为根据本发明实施例四监控栅槽刻蚀方法中参考凹栅槽器件的示意图；

图9为根据本发明实施例四监控栅槽刻蚀方法中三个不同栅长参考凹栅槽器件的转移特性曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

实施例一

图6为根据本发明实施例一监控栅槽刻蚀方法的流程图。如图6所示，本实施例包括：

步骤S602，在制备实际凹栅槽器件的同时，制备至少两个源/漏区结构参数相同的参考凹栅槽器件，至少两个参考凹栅槽器件的栅长尺寸位于实际凹栅槽器件栅长尺寸的两侧；

步骤S604，测试至少两个参考凹栅槽器件的转移特性；

步骤S606，通过至少两个参考凹栅槽器件的转移特性，判断实际凹栅槽器件的栅槽刻蚀情况。

在步骤S602中，实际凹栅槽器件栅长尺寸两侧均有参考凹栅槽器件的意思在于：应当至少有一个参考凹栅槽器件的栅长大于实际凹栅槽器件的栅长，至少有一个参考凹栅槽器件的栅长小于实际凹栅槽器件的栅长。

在步骤S606中，通过至少两个参考凹栅槽器件的转移特性，判断实际凹栅槽器件的栅槽刻蚀情况具体包括：如果实际凹栅槽器件栅长尺寸两侧的两个参考凹栅槽器件的沟道开启时的阈值电压相同，判断实际凹栅槽器件未形成有效地栅槽；或如果实际凹栅槽器件栅长尺寸两侧的两个参考凹栅槽器件的沟道开启时的阈值电压不相同，判断实际凹栅槽器件已形成有效的栅槽。

实际凹栅槽器件与参考凹栅槽器件可以在同一基底上，也可以在不同的基底上。优选地，实际凹栅槽器件与参考凹栅槽器件在同一基底上，采用与制备实际凹栅槽器件相同的工艺。在大部分情况下，实际凹栅槽器件为GaN HEMT器件。

本实施例中，通过设置等源漏间距的、栅长在实际器件栅长尺寸两侧的至少两个参考凹栅槽器件；根据参考凹栅槽器件的阈值电压是否发生变化，来判断实际器件是否形成了有效的栅槽，从而克服了依靠源漏之间电流的变化进行监控不可靠的缺陷，可以准确的判断实际器件是否形成了有效的栅槽。

实施例二

本实施例将在实施例一的基础上，对参考凹栅槽器件进一步说明。

本实施例中，参考凹栅槽器件为三个或四个，参考凹栅槽器件的栅长尺寸由小到大，以相同的间隔变化；实际凹栅槽器件栅长尺寸两侧的两个参考凹栅槽器件的沟道开启时的阈值电压不相同包括：三个或四个参考凹栅槽器件的沟道开启时的阈值电压呈现有规律的变化。

优选地，实际凹栅槽器件栅长尺寸大于等于150nm，小于等于200nm；参考凹栅槽器件为四个，其尺寸分别为50nm，100nm，150nm，200nm。

本实施例为对实施例中各步骤的进一步细化，具有实施例一的全部有益效果，此处不再重述。

实施例三

参考凹栅槽器件的转移特性数据不仅在本次凹栅槽器件的制备中用来判断凹栅槽的刻蚀情况，并且可以根据其来拟合相关的函数，来指导下一次凹栅槽器件的制备。以下将具体进行说明：

一、参考凹栅槽器件为三个，测试三个参考凹栅槽器件的转移特性之后还包括：根据三个参考凹栅槽器件的沟道开启时的阈值电压与对应栅长的关系，进行二次函数拟合，获取阈值电压与栅长关系的函数表达式；在下一次凹栅槽器件制备中，根据欲获得的阈值电压和阈值电压与栅长关系的函数表达式，确定实际凹栅槽器件的栅长。

二、方法还包括：制备同一栅长尺寸，不同等离子刻蚀时间的三个参考凹栅槽器件；获取上述三个参考凹栅槽器件的沟道开启时的阈值电压；根据三个参考凹栅槽器件的阈值电压与对应刻蚀时间的关系，进行二次函数拟合，获取阈值电压与刻蚀时间关系的函数表达式；在下一次凹栅槽器件制备中，根据欲获得的阈值电压和阈值与刻蚀时间关系的函数表达式，确定实际凹栅槽器件的刻蚀时间。

通过本实施例，本次参考凹栅槽器件的转移特性数据可以用来指导下一次凹栅槽器件的制备，进一步提高了凹栅槽器件制备的可靠性。

实施例四

本实施例将详细说明实际凹栅槽器件和参考凹栅槽器件的制备过程。本实施例包括的步骤如下：

1、设计等源漏间距的一系列参考凹栅槽器件，相当于将其设置为并联的器件，为便于描述，此处采用俯视图的形式进行描述，实际其剖面结构与图1类似。图7为根据本发明实施例四监控栅槽刻蚀方法中参考凹栅槽器件源(漏)区的示意图。

2、电子束光刻形成一系列尺寸的栅图形，首先在参考凹栅槽器件表面旋涂一层光刻胶，而后通过曝光、显影，去除栅槽位置的光刻胶。

3、干法刻蚀栅槽

刻蚀栅槽分两次，第一次利用六氟化硫气体刻蚀SiN，第二次采用氯化硼加氯气(即BCl₃+Cl₂)刻蚀GaN和部分AlGaN层。

4、光刻，形成T型凹栅槽器件

刻蚀完成后，由于第一次的光刻胶经过等离子氛围的处理，不能满足剥离工艺的要求，所以需要去除重新涂覆光刻胶，经过电子束光刻，通过显影形成栅图形。图8为根据本发明实施例四监控栅槽刻蚀方法中参考凹栅槽器件的示意图。

5、蒸发形成栅金属。

6、测试以每一个栅为单位，测试直流转移特性，用来判定刻蚀的效果。

这样的有三个栅，可以看成三个源漏尺寸完全相同的HEMT器件。由于其紧密连接，可以降低均匀性的影响。栅槽尺寸优选地按照规律变化的。举例来讲，如果栅长为150nm，则图形尺寸分别是100nm、200nm、300nm。因为利用不同尺寸栅在刻蚀过程中，存在刻蚀速率上的差别，所以相同刻蚀时间的情况下，刻蚀的深度不同，这也称为尺寸效应。利用这一效应可以通过相邻器件的特性比较，来判定刻蚀情况。由此测定结构可以看出，不同栅长的器件其转移特性存在差别，而该差别正是由不同的不同尺寸栅长相同刻蚀时间刻蚀深度不同造成的。阈值的变化随着栅长增加，向正向变化。如果该参考凹栅槽器件没有有效的栅槽，不同栅长的器件应该表现出相同的阈值和转移特性，器件的阈值应该没有变化。

7结果判定

本发明的参考凹栅槽器件与实际凹栅槽器件的加工过程同步进行的，由于有不同栅长器件的转移特性对比，所以可以通过对比阈值的变化情况来确定的器件的刻蚀情况。

图9为根据本发明实施例四监控栅槽刻蚀方法中三个不同栅长参考凹栅槽器件的转移特性曲线。根据该转移特征曲线，可以获得不同栅长参考凹栅槽器件的沟道开启时的阈值电压。其中，栅长为100nm的参考凹栅槽器件的沟道开启时的阈值电压为-3V；栅长为200nm的参考凹栅槽器件的沟道开启时的阈值电压为-2.5V；栅长为300nm的参考凹栅槽器件的沟道开启时的阈值电压为-1.5V。由上述结果可以看出，不同栅长尺寸的参考凹栅槽器件的沟道开启时的阈值电压呈现有规律的变化，从而可以判断实际凹栅槽器件已形成有效的栅槽。

8、指导下一次凹栅槽器件的制备

对于表一所给定的阈值，例如对于栅长为200nm的器件，如果需要阈值控制在-2.5V左右，我们就可以利用该刻蚀条件来加工新的批次流片。

对于上述结果，因为同时具备不同栅长的凹栅槽器件阈值的对比情况，可以通过比对确定二次函数数学拟合：Y_th＝Ax²+Bx+C。利用该函数式，可以将刻蚀的各种非线性因素包含进去。

利用二次函数Y_th＝Al²+Bl+C进行栅长与电压阈值的拟合，其中，l是栅长。至少有三个尺寸的栅长数据，因此可以得到关于系数A、B、C的方程组。解方程组，即可获得阈值电压与栅长关系的函数表达式。从而在下一次的凹栅槽器件的制备中，根据欲获得的阈值电压确定实际凹栅槽器件的栅长。

利用二次函数Y_th＝At²+Bt+C进行刻蚀时间与电压阈值的拟合，其中，t是刻蚀时间。即同样对于相同的结构，通过三次不同刻蚀时间的测试数据，可以获得阈值电压与刻蚀时间的函数表达式。在下一次凹栅槽器件制备中，根据欲获得的阈值电压，确定实际凹栅槽器件的刻蚀时间。

以栅长的结果为例：

y_th＝Al²+Bl+C(l栅长：单位nm，y_th：阈值)A、B、C为待定系数

由阈值与栅长中间的测试结果，可以得到以下方程组

$\left\{\begin{array}{c}-3=A{\left(100\right)}^2+B\×100+C\\ -2.5=A{\left(200\right)}^2+B\×200+C\\ -1.5=A{\left(300\right)}^2+B\×300+C\end{array}\right.$

由以上方程组得到A＝0.000025；

B＝-0.25；

C＝-3：

所以：y_th＝0.000025l²-0.25l-3    (l：栅长)

此函数表达了阈值与栅长之间的函数关系，以后对于确定的阈值，可以反求栅长。

同理，对于刻蚀时间与阈值的关系，也可以依照本方法简单求出刻蚀时间与阈值之间的函数关系

本实施例的监控凹栅槽刻蚀的方法，在实际GaN HEMT器件制备的同时，采用完全相同的工艺步骤，制备等漏源间距、一系列栅长尺寸变化的多个参考凹栅槽器件，利用尺寸效应导致的相同刻蚀情况下不同栅长其凹栅槽刻蚀深度的会有规律性差别，利用该差别造成沟道开启时的电压阈值差异来判断栅槽的刻蚀情况，并可以为后续凹栅槽器件的制备积累数据。

以上的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种监控栅槽刻蚀的方法，其特征在于，包括：

在制备实际凹栅槽器件的同时，制备至少两个源/漏区结构参数相同的参考凹栅槽器件，所述至少两个参考凹栅槽器件的栅长尺寸位于所述实际凹栅槽器件栅长尺寸的两侧，即至少有一个参考凹栅槽器件的栅长大于实际凹栅槽器件的栅长，至少有一个参考凹栅槽器件的栅长小于实际凹栅槽器件的栅长；

测试获得所述至少两个参考凹栅槽器件的转移特性；

通过所述至少两个参考凹栅槽器件的转移特性，判断所述实际凹栅槽器件的栅槽刻蚀情况，包括：

如果所述实际凹栅槽器件栅长尺寸两侧的两个参考凹栅槽器件沟道开启时的阈值电压相同，判断所述实际凹栅槽器件未形成有效地栅槽；或

如果所述实际凹栅槽器件栅长尺寸两侧的两个参考凹栅槽器件沟道开启时的阈值电压不相同，判断所述实际凹栅槽器件已形成有效的栅槽。

2.根据权利要求1所述的监控栅槽刻蚀方法，其特征在于，所述参考凹栅槽器件为三个或四个，所述参考凹栅槽器件的栅长尺寸由小到大，以相同的间隔变化；

所述实际凹栅槽器件栅长尺寸两侧的两个参考凹栅槽器件沟道开启时的阈值电压不相同包括：所述三个或四个参考凹栅槽器件沟道开启时的阈值电压呈现有规律的变化。

3.根据权利要求2所述的监控栅槽刻蚀方法，其特征在于：所述实际凹栅槽器件栅长尺寸大于等于150nm，小于等于200nm；所述参考凹栅槽器件为三个，其尺寸分别为100nm，200nm，300nm。

4.根据权利要求1所述的监控栅槽刻蚀方法，其特征在于，所述参考凹栅槽器件为三个，所述测试至少两个参考凹栅槽器件的转移特性之后还包括：

根据所述三个参考凹栅槽器件沟道开启时的阈值电压与对应栅长的关系，进行二次函数拟合，获取所述阈值电压与栅长关系的第一函数；

在下一次凹栅槽器件制备中，根据欲获得的阈值电压和所述第一函数，确定实际凹栅槽器件所需的栅长。

5.根据权利要求1所述的监控栅槽刻蚀方法，其特征在于，还包括：

制备同一栅长尺寸，不同等离子刻蚀时间的三个参考凹栅槽器件；

获取所述三个参考凹栅槽器件沟道开启时的阈值电压；

根据所述三个参考凹栅槽器件的阈值电压与对应刻蚀时间的关系，进行二次函数拟合，获取阈值电压与刻蚀时间关系的第二函数；

在下一次凹栅槽器件制备中，根据欲获得的阈值电压和所述第二函数，确定实际凹栅槽器件所需的刻蚀时间。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的监控栅槽刻蚀方法，其特征在于：所述实际凹栅槽器件与所述参考凹栅槽器件在同一基底上。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的监控栅槽刻蚀方法，其特征在于：所述凹栅槽器件为GaN HEMT器件。

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