CN103715077B - 一种深亚微米u型栅槽的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深亚微米U型栅槽的制作方法，该方法包括：在半导体外延材料表面生长栅介质；在栅介质上匀胶；对电子束光刻胶进行曝光及显影；对电子束光刻胶进行回流烘胶，固化胶截面形成刻蚀窗口；采用ICP刻蚀工艺对栅介质进行刻蚀；以及去胶形成U型栅槽。利用本发明，能够得到栅角圆滑的U型栅槽，有效降低了器件源漏间，尤其是栅漏间的峰值电场，提高了器件的击穿电压，减少了器件漏电，提高了器件效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种深亚微米U型栅槽的制作方法，尤其是针对高频场效应晶体管(FET)，能有效降低器件源漏间，尤其是栅漏间的峰值电场，提高器件的击穿电压，减少器件漏电，提高器件效率。
背景技术
毫米波段功率放大器在军用、商用和消费领域具有巨大的应用前景。高频宽带无线通信技术、精确制导武器、远程雷达及空间通讯技术，工作频段从C、X波段逐渐向Ku、Ka等更高频段发展。
随着场效应晶体管(FET)工作频率的增加，对器件截止频率的要求也随之增加。截止频率是衡量晶体管高速性能的重要因子，公式为：
其中vs为载流子的饱和漂移速率，Lg为栅长。可以看出，栅长是决定器件截止频率最关键的因素。通常，工作在X波段以上的场效应晶体管的栅长都在深亚微米量级。
在化合物半导体器件中，为了抑制材料外延表面态导致的电流崩塌效应，通常采用钝化工艺，在钝化工艺后，采用凹栅槽工艺形成栅结构的栅脚部分。
但是，随着器件工作频率的提高，源漏间距以及栅脚线条尺寸都相应变小，器件栅漏之间的场强变高，从而导致器件击穿电压变低，同时，强变高将会导致够沟道电子在强电场下极易进入缓冲(buffer)层，这将导致漏电增加，器件效率降低。
因此，如何在缩短器件特征尺寸的同时调制源漏间电场分布，抑制沟道的强电场，提高器件的击穿电压成为了器件设计和工艺开发的一个重点。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种深亚微米U型栅槽的制作方法，以有效降低器件源漏间，尤其是栅漏间的峰值电场，提高器件的击穿电压，减少器件漏电，提高器件效率。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种深亚微米U型栅槽的制作方法，该方法包括：在半导体外延材料表面生长栅介质；在栅介质上匀胶；对电子束光刻胶进行曝光及显影；对电子束光刻胶进行回流烘胶，固化胶截面形成刻蚀窗口；采用ICP刻蚀工艺对栅介质进行刻蚀；以及去胶形成U型栅槽。
上述方案中，所述在半导体外延材料表面生长栅介质的步骤中，所述半导体外延材料是GaN衬底，所述栅介质是Si3N4，采用PECVD生长。
上述方案中，所述在栅介质上匀胶的步骤中，是在栅介质上涂敷ZEP520电子束光刻胶，厚度为并采用180℃热板真空加热3分钟。
上述方案中，所述对电子束光刻胶进行曝光及显影的步骤中，采用电子束曝光，剂量为300μC／cm2，电流为200pA，能量为100kV；显影液ZED-N50显影90秒，定影液ZMD-D定影15秒，并用氮气吹干。
上述方案中，所述对电子束光刻胶进行回流烘胶的步骤中，是对ZEP520电子束光刻胶进行150℃热板真空回流烘胶10分钟。
上述方案中，所述采用ICP刻蚀工艺对栅介质进行刻蚀的步骤之前，还包括：使用氧等离子体对表面进行处理，去除表面残胶。
上述方案中，所述采用ICP刻蚀工艺对栅介质进行刻蚀的步骤中，刻蚀气体采用SF6和CHF3的混合气体，比例为SF6∶CHF3＝3∶40，刻蚀压力为3.5Pa，射频功率(RF)为20W，直流功率(LF)为250W，刻蚀时间为180秒。
上述方案中，所述去胶形成U型栅槽的步骤中，是采用去胶液ZDMAC去胶30分钟，IPA冲洗，去离子水冲洗，氮气吹干，形成U型栅槽。所述去胶形成U型栅槽的步骤中，栅槽尺寸为100nm～200nm。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、利用本发明，由于优化了ICP等离子刻蚀工艺的气体选择和刻蚀压力，所以能够得到栅角圆滑的U型栅槽，有效降低了器件源漏间，尤其是栅漏间的峰值电场，提高了器件的击穿电压，减少了器件漏电，提高了器件效率。
2、利用本发明，一次电子束曝光采用ZEP520A，通过电子束曝光和ICP刻蚀，能将栅脚控制在深亚微米量级，尺寸在100nm～250nm之间；
3、利用本发明，由于采用高温回流烘胶，条件为150℃热板真空回流烘胶10分钟，固化了胶的形状，提高了ICP刻蚀的一致性和重复性；
4、利用本发明，由于优化了ICP等离子刻蚀工艺的气体选择和刻蚀压力，所以能够有效降低器件源漏间，尤其是栅漏间的峰值电场，提高了器件的击穿电压。
附图说明
图1为本发明提供的制作深亚微米U型栅槽的方法流程图；
图2a至图2f为依照本发明实施例的制作深亚微米U型栅槽的工艺流程图；
图3a为显影后ZEP520电子束光刻胶的截面；
图3b为回流烘胶后ZEP520电子束光刻胶的截面；
图4a为回流烘胶和ICP刻蚀后截面，刻蚀压力为0.5Pa；
图4b为回流烘胶和ICP刻蚀后截面，，刻蚀压力为3.5Pa；
图5a为栅脚尺寸约为100nm的U型栅槽截面；
图5b为栅脚尺寸约为150nm的U型栅槽截面；
图5c为栅脚尺寸约为200nm的U型栅槽截面；
图5d为栅脚尺寸约为250nm的U型栅槽截面；
图6a为器件正向击穿电压测试结果；
图6b为器件肖特基结的反向击穿电压测试结果。
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。
本发明提供了一种深亚微米U型栅槽的制作方法，该方法将传统栅槽的直角优化成有弧度的U型，避免电场尖峰的出现，平滑场强分布；采用Si3N4做为栅介质，结合电子束曝光工艺、回流工艺以及ICP刻蚀工艺得到深亚微米U型栅槽。
如图1所示，图1为本发明提供的制作深亚微米U型栅槽的方法流程图，该方法包括以下步骤：
步骤1：在半导体外延材料表面生长栅介质；
步骤2：在栅介质上匀胶；
步骤3：对电子束光刻胶进行曝光及显影；
步骤4：对电子束光刻胶进行回流烘胶，固化胶截面形成刻蚀窗口；
步骤5：采用ICP刻蚀工艺对栅介质进行刻蚀；
步骤6：去胶形成U型栅槽。
其中，步骤1中所述半导体外延材料是GaN衬底，所述栅介质是Si3N4，采用PECVD生长。步骤2中在栅介质上匀胶，是在栅介质上涂敷ZEP520电子束光刻胶，厚度为并采用180℃热板真空加热3分钟。步骤3中所述对电子束光刻胶进行曝光及显影，是采用电子束曝光，剂量为300μC／cm2，电流为200pA，能量为100kV；显影液ZED-N50显影90秒，定影液ZMD-D定影15秒，并用氮气吹干。步骤4中所述对电子束光刻胶进行回流烘胶，是对ZEP520电子束光刻胶进行150℃热板真空回流烘胶10分钟。步骤4中所述采用ICP刻蚀工艺对栅介质进行刻蚀之前，还包括：使用氧等离子体对表面进行处理，去除表面残胶。步骤5中所述采用ICP刻蚀工艺对栅介质进行刻蚀，刻蚀气体采用SF6和CHF3的混合气体，比例为SF6∶CHF3＝3∶40，刻蚀压力为3.5Pa，射频功率(RF)为20W，直流功率(LF)为250W，刻蚀时间为180秒。步骤6中所述去胶形成U型栅槽，是采用去胶液ZDMAC去胶30分钟，IPA冲洗，去离子水冲洗，氮气吹干，形成U型栅槽中，栅槽尺寸为100nm～200nm。
基于图1所示的制作深亚微米U型栅槽的方法流程图，图2a至图2f示出了依照本发明实施例的制作深亚微米U型栅槽的工艺流程图，具体包括：
如图2a所示，在GaN衬底上生长栅介质，在本实施例中是采用PECVD方法在GaN衬底上生长Si3N4做为栅介质；
如图2b所示，匀胶，即在Si3N4栅介质上涂敷ZEP520电子束光刻胶，厚度约为并采用180℃热板真空加热3分钟；
如图2c所示，对电子束光刻胶进行曝光及显影，采用电子束曝光，剂量为300μC／cm2，电流为200pA，能量为100kV；显影液ZED-N50显影90秒，定影液ZMD-D定影15秒，并用氮气吹干；
如图2d所示，对电子束光刻胶进行回流烘胶，固化胶截面形成刻蚀窗口；即对ZEP520电子束光刻胶进行150℃热板真空回流烘胶10分钟，固化胶截面形成刻蚀窗口；
如图2e所示，采用ICP刻蚀工艺对Si3N4栅介质进行刻蚀，刻蚀气体为SF6和CHF3的混合气体，比例为SF6∶CHF3＝3∶40，刻蚀压力为3.5Pa，射频功率(RF)为20W，直流功率(LF)为250W，刻蚀时间为180秒。采用ICP刻蚀工艺对栅介质进行刻蚀之前，还包括：使用氧等离子体对表面进行处理，去除表面残胶。
如图2f所示，去胶形成U型栅槽；去胶液ZDMAC去胶30分钟，IPA冲洗，去离子水冲洗，氮气吹干，得到U型栅槽，栅槽尺寸为100nm～200nm。
图3为图2c和图2d后ZEP520电子束光刻胶的电镜照片，其中：图3a所示为显影后ZEP520电子束光刻胶的截面，图3b所示为回流烘胶后ZEP520电子束光刻胶的截面，可以看出，回流烘胶后，胶的形状从矩形变成了倒梯形。
图4为图2e后的电镜照片，同时对比了不同刻蚀条件的电镜照片，其中：图4a所示为回流烘胶和ICP刻蚀后截面，刻蚀压力为0.5Pa；图4b所示为回流烘胶和ICP刻蚀后截面，刻蚀压力为3.5Pa。可以看出，刻蚀压力从0.5Pa提高到3.5Pa后，栅槽形状从矩形栅槽变成了U型栅槽，符合实验设计要求。
图5为图2f后U型栅槽截面的电镜照片，对比了不同尺寸的电镜照片，其中：图5a所示为栅脚尺寸约为100nm的U型栅槽截面；图5b所示为栅脚尺寸约为150nm的U型栅槽截面；图5c所示为栅脚尺寸约为200nm的U型栅槽截面；图5d所示为栅脚尺寸约为250nm的U型栅槽截面。可以看出，利用本发明可以实现100nm～250nm的U型栅槽，符合实验设计要求。
图6是采用本发明的U型栅槽制作的GaN HEMT器件的击穿电压测试结果。其中，图6a所示为器件正向击穿电压测试结果，图6b所示为器件肖特基结的反向击穿电压测试结果。可以看出，器件正向和反响击穿电压均大于100V，符合器件性能要求。
以上所述的具体实施例，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，以上所述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 (6)
1.一种深亚微米U型栅槽的制作方法，该方法包括：
在半导体外延材料表面生长栅介质；
在栅介质上匀胶；
对电子束光刻胶进行曝光及显影；
对电子束光刻胶进行回流烘胶，固化胶截面形成刻蚀窗口；
采用ICP刻蚀工艺对栅介质进行刻蚀；以及
去胶形成U型栅槽；
其中，所述对电子束光刻胶进行回流烘胶的步骤中，是对ZEP520电子束光刻胶进行150℃热板真空回流烘胶10分钟；
所述采用ICP刻蚀工艺对栅介质进行刻蚀的步骤中，刻蚀气体采用SF6和CHF3的混合气体，比例为SF6:CHF3＝3:40，刻蚀压力为3.5Pa，射频功率为20W，直流功率为250W，刻蚀时间为180秒。
2.根据权利要求1所述的深亚微米U型栅槽的制作方法，其特征在于，所述在半导体外延材料表面生长栅介质的步骤中，所述半导体外延材料是GaN衬底，所述栅介质是Si3N4，采用PECVD生长。
3.根据权利要求1所述的深亚微米U型栅槽的制作方法，其特征在于，所述在栅介质上匀胶的步骤中，是在栅介质上涂敷ZEP520电子束光刻胶，厚度为并采用180℃热板真空加热3分钟。
4.根据权利要求1所述的深亚微米U型栅槽的制作方法，其特征在于，所述对电子束光刻胶进行曝光及显影的步骤中，采用电子束曝光，剂量为300μC/cm2，电流为200pA，能量为100kV；显影液ZED-N50显影90秒，定影液ZMD-D定影15秒，并用氮气吹干。
5.根据权利要求1所述的深亚微米U型栅槽的制作方法，其特征在于，所述采用ICP刻蚀工艺对栅介质进行刻蚀的步骤之前，还包括：使用氧等离子体对表面进行处理，去除表面残胶。
6.根据权利要求1所述的深亚微米U型栅槽的制作方法，其特征在于，所述去胶形成U型栅槽的步骤中，是采用去胶液ZDMAC去胶30分钟，IPA冲洗，去离子水冲洗，氮气吹干，形成U型栅槽。
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