CN103065953A - 一种利用电镀工艺在GaN材料上制备细栅的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用电镀工艺在GaN材料上制备细栅的方法，包括如下步骤：首先利用等离子体化学沉积方法在干净的AlGaN/GaN材料上生长SiN薄的介质保护层，然后利用电子束光刻工艺定义栅脚图形。利用反应离子刻蚀(RIE)设备刻蚀栅脚区域SiN，然后利用电子束蒸发系统蒸发势垒金属和电镀种子层。利用电子束光刻工艺定义栅帽图形，然后利用电镀工艺制备栅帽，最后将电子束胶去除。本发明可以大幅降低栅的电阻，有效提高栅的稳定性。

Description

一种利用电镀工艺在GaN材料上制备细栅的方法
技术领域
本发明涉及一种利用电镀工艺在GaN材料上制备细栅的方法，具体是一种在GaN外延材料上将电子束工艺、电镀工艺以及干法刻蚀工艺相结合实现高稳定低栅阻细栅制备的方法，属于半导体器件制备的技术领域。
背景技术
GaN HEMT(High Electron Mobility Transistor，高电子迁移率晶体管)器件具有输出功率密度大、耐压高以及工作频率高的特点，在微波大功率应用中具有广阔的应用前景。目前，GaN HEMT器件及MMIC(Monolithic MicrowaveIntegrated Circuit，单片微波集成电路)在X波段以下已经有很多的产品，而在X波段以上的产品还在开发中。为了进一步提高器件的工作频率，首要的方法就是缩短栅的长度。随着栅长的缩小，器件的频率特性将显著增加。但当栅长缩小到一定尺寸，如200nm以下，由于栅截面以及表面面积的缩小，栅阻会越来越大，从而使器件的频率特性受到严重限制。为了解决这个问题，通常可以采用T型栅结构。T型栅结构，通过在栅上增加一个大的帽层来提高栅的截面以及表面面积，从而降低栅阻对器件性能的影响。然而，T型栅帽层虽然可以有效降低栅阻，但帽层两侧和源漏间会形成大的寄生电容，依然会抑制器件的频率特性。通过在栅帽下引入一层低介质层可以有效降低T型栅的寄生电容。目前，在微波器件制备中，T型栅通常采用光刻或电子束方法形成T型的栅形状，然后通过金属蒸发剥离的方法来实现。由于受到剥离工艺的限制，当栅长尺寸很小的情况下器件栅帽的尺寸以及成品率都受到很大的影响。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种利用电镀工艺在GaN材料上制备细栅的方法，可以大幅降低栅的电阻，有效提高栅的稳定性。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种利用电镀工艺在GaN材料上制备细栅的方法，包括如下步骤：
(1)在AlGaN/GaN异质结材料上利用等离子体化学沉积(PECVD，PlasmaEnhanced Chemical Vapor Deposition)方法生长介质保护层；
(2)利用电子束刻写工艺，依次通过甩电子束胶、电子束写图形和显影获得栅脚图形；
(3)利用反应离子刻蚀(RIE，Reactive Ion Etching)设备通过氟基气体将步骤(2)获得样品上的栅脚区域的介质保护层刻蚀干净；
(4)利用电子束蒸发装置在步骤(3)获得的样品上依次蒸发肖特基接触金属以及电镀种子层金属；
(5)利用电子束刻写工艺，依次通过甩电子束胶、电子束写图形和显影在步骤(4)获得的样品上制作栅帽图形；
(6)利用电镀工艺在露出的电镀种子层金属上进行金属电镀；
(7)利用深紫外(DUV)泛曝光方法对制作栅帽图形的电子束胶进行泛曝光，然后利用显影液将制作栅帽图形的电子束胶去除；
(8)利用反应离子刻蚀设备通过氯基气体依次将露出的电镀种子层金属和位于所述露出的电镀种子层金属下方的肖特基接触金属刻蚀干净；
(9)去除制作栅脚图形的电子束胶。
优选的，所述步骤(4)中：利用电子束蒸发装置在步骤(3)获得的样品上依次蒸发肖特基接触金属、电镀种子层金属和保护层金属；所述步骤(6)中：先采用反应离子刻蚀设备刻蚀露出的保护层金属，然后利用电镀工艺在露出的电镀种子层金属上进行金属电镀；所述步骤(8)中，利用反应离子刻蚀设备通过氯基气体依次将剩余的保护层金属、位于所述剩余的保护层金属下方的电镀种子层金属和肖特基接触金属刻蚀干净。电镀种子层上的保护层金属可以防止电镀种子层受到电子束刻写工艺的影响，从而保障电镀工艺的均匀性和重复性。更优选的，所述保护层金属为Ti；在Au电镀液中进行Au电镀，所述Au的厚度不大于制作栅帽图形的电子束胶厚度的1.5倍；所述肖特基接触金属可以是Ni、Pt、Au等；所述电镀种子层金属可以为Au。
优选的，所述介质保护层为SiN层，该SiN层的厚度在50nm到100nm之间；AlGaN/GaN异质结材料为GaN常用外延材料。
优选的，所述步骤(2)中，制作栅脚图形的电子束胶为ZEP520，该电子束胶厚和栅脚图形宽的比不超过3；所述步骤(5)中，制作栅帽图形的电子束胶采用深紫外光刻胶。
所述肖特基接触金属和电镀种子层金属的总厚度不大于200nm。
优选的，所述步骤(7)中，采用波长220nm的深紫外泛曝光机对制作栅帽图形的电子束胶进行泛曝光，泛曝光时间大于1min；在步骤(7)和步骤(9)去除电子束胶过程中禁止使用超声。
有益效果：本发明采用电子束刻写技术，电镀以及干法刻蚀的方法实现高稳定低栅阻的细栅，最大特点在于采用电镀和干法刻蚀技术替代传统蒸发剥离工艺，有效提高栅帽的截面积以及表面积，可以有效降低栅阻，提高栅的稳定性。
本发明具有的优点：①和GaN微波场效应管制备工艺兼容特性，可实现50nm以上细栅的制备，满足GaN高频微波器件及集成电路制造要求；②将电镀工艺和电子束工艺结合，可以有效提高栅帽金属的厚度以及截面积，有利于降低栅阻；④用干法刻蚀的方法去除多余栅金属，有效避免湿法刻蚀以及传统正胶剥离方法导致细栅成品率低的问题，同时厚栅帽金属可以有效提高栅固定压块的厚度，提高栅的稳定性。
附图说明
图1为电镀工艺实现细栅的剖面结构示意图；
图2(a)至图2(i)为利用电镀工艺在GaN材料上制备MS结构的细栅的工艺流程图；
图3为利用电镀工艺在GaN材料上实现MIS结构细栅的剖面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本发明是一种利用电镀工艺在GaN材料上制备细栅的方法。
为提高T型栅的成品率以及降低栅的电阻，本发明通过将电子束刻写，电镀以及干法刻蚀工艺结合，开发了一种高稳定低栅阻细栅制备技术。采用本发明实现细栅的剖面图如图1所示。其中1为AlGaN/GaN异质结材料，作为栅制作的衬底。2为SiN薄层保护层(介质保护层)，用于保护GaN异质结材料表面，方法栅制作工艺过程中刻蚀工艺对表面的影响。4为肖特基接触金属，用于形成栅接触。5为电镀种子层金属，用于为后续电镀提供准备。6为保护层金属，用于提高电镀重复性和均匀性。。8为通过电镀工艺形成的厚电镀金属。本发明采用电镀方法代替蒸发剥离方法来制作细栅。通过电镀工艺有效提高栅帽的宽度和高度，可以大幅降低栅的电阻。在提高栅帽的厚度后可以有效提高栅侧固定压块的厚度，可以有效提高栅的稳定性。
具体方法如下：
①在洁净的AlGaN/GaN异质结材料1上利用利用等离子体化学沉积(PECVD)方法生长厚度为50~100nm的SiN薄的介质保护层2(图2(a)、(b))；
②利用电子束刻写工艺，通过甩电子束胶(简称“甩胶”)、电子束写图形、显影获得栅脚图形，其中所使用的电子束胶为ZEP520光刻胶3，电子束胶厚和栅脚线宽的比不超过3(图2(c))；
③利用反应离子刻蚀(RIE)设备通过氟基气体将步骤②获得样品上的栅脚区域的SiN介质刻蚀干净(图2(d))；
④利用电子束蒸发系统在步骤③获得的样品上蒸发肖特基接触金属4、电镀种子层金属5和保护层金属6，其中肖特基接触金属可以是Ni、Pt、Au，电镀种子层金属为Au，保护层金属为Ti，肖特基接触金属、电镀种子层金属和保护层金属的总厚度不大于200nm(图2(e))；
⑤利用电子束刻写工艺，通过甩胶、电子束写图形、显影在步骤④获得的样品上制作栅帽图形，其中所使用的电子束胶为DUV光刻胶7(图2(f))；
⑥采用RIE设备刻蚀露出的保护层金属6，然后利用电镀工艺进行电镀金属8，其中露出的保护层金属6是采用氟基RIE刻蚀方法将保护层Ti去除，电镀工艺是在Au电镀液中进行Au电镀，Au电镀液为标准Au电镀液，电镀Au厚度不大于制作栅帽图形的电子束胶厚的1.5倍(图2(g))；
⑦利用深紫外泛曝光方法对样品表面的DUV光刻胶进行泛曝光，然后利用显影液将最上层DUV光刻胶7去除，其中深紫外泛曝光是采用220nm深紫外泛曝光机对样品表面进行长时间曝光，曝光时间大于1min(图2(h))；
⑧利用反应离子刻蚀(RIE)设备通过氯基气体依次刻蚀干净剩余的保护层金属6、位于所述剩余的保护层金属6下方的电镀种子层金属5和肖特基接触金属4(图2(i))；
⑨利用电子束胶专用去除剂和丙酮以及乙醇去除底层ZEP520电子束胶3，得到栅结构的示意图如图1所示。
实施例一
金属-半导体(MS)结构GaN HEMT器件细栅的制备：
1.在洁净的蓝宝石衬底AlGaN/GaN异质结样品上通过等离子体化学沉积(PECVD)方法生长厚度为70nm的SiN薄的介质保护层；
2.通过匀胶台将ZEP520光刻胶旋涂在样品上，厚度约为380nm，通过电子束写栅脚图形，通过显影液显影获得栅脚图形，其中图形最小线宽140nm；
3.通过反应离子刻蚀(RIE)设备将样品栅脚区域的SiN介质刻蚀干净，刻蚀气体为SF6；
4.利用电子束蒸发系统在样品上蒸发Ni/Au/Ti金属，其中Ni金属为肖特基接触金属，厚度20nm，Au金属为电镀种子层金属，厚度100nm，Ti金属为保护层金属，厚度为30nm；
5.通过匀胶台将DUV光刻胶旋涂在样品上，厚度约为700nm，通过电子束写栅帽图形，通过显影液显影获得栅帽图形；
6.采用RIE设备刻蚀露出的保护层Ti(30nm)，在Au电镀液中进行Au电镀，电镀Au厚度为1um；
7.利用波长220nm的深紫外泛曝光机对样品表面进行曝光，曝光时间为3min，通过显影液将DUV光刻胶去除；
8.利用反应离子刻蚀(RIE)设备依次刻蚀干净剩余的保护层金属Ti(30nm)、位于剩余的保护层金属Ti下方的电镀种子层金属Au(100nm)和肖特基接触金属Ni(20nm)，刻蚀气体为BCl3；
9.利用NMP(N-甲基吡咯烷酮)和丙酮以及乙醇去除底层电子束胶ZEP520。
实施例二
金属-绝缘体-半导体(MIS)结构GaN HEMT器件细栅的制备：
1.在洁净的蓝宝石衬底AlGaN/GaN异质结样品上通过等离子体化学沉积(PECVD)方法生长厚度为70nm的SiN薄的介质保护层；
2.通过匀胶台将ZEP520光刻胶旋涂在样品上，厚度约为380nm，通过电子束写栅脚图形，通过显影液显影获得栅脚图形，其中图形最小线宽140nm；
3.通过反应离子刻蚀(RIE)设备将样品栅脚区域的SiN介质刻蚀干净，刻蚀气体为SF6；
4.利用磁控溅射设备在样品上溅射10nm厚的Al2O3介质9；
5.利用电子束蒸发系统在样品上蒸发Ni/Au/Ti金属，其中Ni金属为肖特基接触金属，厚度20nm，Au金属为电镀种子层金属，厚度100nm，Ti金属为保护层金属，厚度为30nm；
6.通过匀胶台将DUV光刻胶旋涂在样品上，厚度约为700nm，通过电子束写栅帽图形，通过显影液显影获得栅帽图形；
7.采用RIE设备刻蚀露出的保护层Ti(30nm)，在Au电镀液中进行Au电镀，电镀Au厚度为1um；
8.利用波长220nm的深紫外泛曝光机对样品表面进行曝光，曝光时间为3min，通过显影液将DUV光刻胶去除；
9.利用反应离子刻蚀(RIE)设备依次刻蚀干净剩余的保护层金属Ti(30nm)、位于剩余的保护层金属Ti下方的电镀种子层金属Au(100nm)和肖特基接触金属Ni(20nm)，刻蚀气体为BCl3；
10.利用RIE设备刻蚀露出的10nm厚的Al2O3，气体为Cl2；
11.利用NMP(N-甲基吡咯烷酮)和丙酮以及乙醇去除底层电子束胶ZEP520。
最后获得的栅结构示意图如图3所示。

Claims (7)

1.一种利用电镀工艺在GaN材料上制备细栅的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在A)GaN/GaN异质结材料上利用等离子体化学沉积方法生长介质保护层；
(2)利用电子束刻写工艺，依次通过甩电子束胶、电子束写图形和显影获得栅脚图形；
(3)利用反应离子刻蚀设备通过氟基气体将步骤(2)获得样品上的栅脚区域的介质保护层刻蚀干净；
(4)利用电子束蒸发装置在步骤(3)获得的样品上依次蒸发肖特基接触金属以及电镀种子层金属；
(5)利用电子束刻写工艺，依次通过甩电子束胶、电子束写图形和显影在步骤(4)获得的样品上制作栅帽图形；
(6)利用电镀工艺在露出的电镀种子层金属上进行金属电镀；
(7)利用深紫外泛曝光方法对制作栅帽图形的电子束胶进行泛曝光，然后利用显影液将制作栅帽图形的电子束胶去除；
(8)利用反应离子刻蚀设备通过氯基气体依次将露出的电镀种子层金属和位于所述露出的电镀种子层金属下方的肖特基接触金属刻蚀干净；
(9)去除制作栅脚图形的电子束胶。
2.根据权利要求1所述一种利用电镀工艺在GaN材料上制备细栅的方法，其特征在于：所述步骤(4)中：利用电子束蒸发装置在步骤(3)获得的样品上依次蒸发肖特基接触金属、电镀种子层金属和保护层金属；所述步骤(6)中：先采用反应离子刻蚀设备刻蚀露出的保护层金属，然后利用电镀工艺在露出的电镀种子层金属上进行金属电镀；所述步骤(8)中，利用反应离子刻蚀设备通过氯基气体依次将剩余的保护层金属、位于所述剩余的保护层金属下方的电镀种子层金属和肖特基接触金属刻蚀干净。
3.根据权利要求1所述一种利用电镀工艺在GaN材料上制备细栅的方法，其特征在于：所述介质保护层为SiN层，该SiN层的厚度在50nm到100nm之间。
4.根据权利要求1所述一种利用电镀工艺在GaN材料上制备细栅的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，制作栅脚图形的电子束胶为ZEP520，该电子束胶厚和栅脚图形宽的比不超过3；所述步骤(5)中，制作栅帽图形的电子束胶采用深紫外光刻胶。
5.根据权利要求1所述一种利用电镀工艺在GaN材料上制备细栅的方法，其特征在于：所述肖特基接触金属和电镀种子层金属的总厚度不大于200nm。
6.根据权利要求2所述一种利用电镀工艺在GaN材料上制备细栅的方法，其特征在于：所述保护层金属为Ti；在Au电镀液中进行Au电镀，所述Au的厚度不大于制作栅帽图形的电子束胶厚度的1.5倍。
7.根据权利要求1所述一种利用电镀工艺在GaN材料上制备细栅的方法，其特征在于：所述步骤(7)中，采用波长220nm的深紫外泛曝光机对制作栅帽图形的电子束胶进行泛曝光，泛曝光时间大于1min。
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