CN104282548A - 一种iii-v族化合物半导体材料的刻蚀方法 - Google Patents
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Abstract
一种III-V族化合物半导体材料的刻蚀方法，属于半导体工艺技术领域。本发明采用低温氧气等离子体氧化的干法氧化工艺结合湿法腐蚀氧化层的工艺对III-V族化合物半导体材料进行刻蚀，可以精确控制刻蚀深度(刻蚀精度可达量级)。本发明刻具有低表面损伤，表面形貌良好，刻蚀栅槽可以提高线条精度，减小加工线宽。晶圆表面在低温下进行氧气等离子体处理，可有效避免高温氧化可能带来的异质结弛豫而引起的电流降低。本发明可以广泛应用于III-V族化合物半导体浅槽或细线条刻蚀，如氮化镓基器件欧姆接触凹槽或增强型器件凹槽栅的刻蚀。
Description
技术领域
本发明属于半导体工艺技术领域，涉及III-V族化合物半导体材料的刻蚀方法。
技术背景
III-V族化合物半导体氮化镓(GaN)砷化镓(GaAs)作为化合物半导体的典型代表，具有许多优良的特性。氮化镓与砷化镓材料具有高电子迁移率、高的二维电子气(2DEG)浓度，在最近十几年得到迅速发展。氮化镓(GaN)材料化学性质稳定、耐高温、抗腐蚀，在高频、大功率、抗辐射应用领域具有先天优势。砷化镓(GaAs)材料是一种优良的沟道材料，在未来的CMOS应用中具有广阔的前景。
高性能增强型GaN基器件的凹槽栅刻蚀，降低欧姆接触电阻的欧姆区刻蚀，超小尺寸GaAs器件结构比如薄体平面、纳米线、或TriGate MOSFET都需要高精度、低损伤的刻蚀技术。
目前III-V族化合物半导体凹槽刻蚀技术一般是通过反应离子刻蚀(RIE)或电感耦合等离子体刻蚀(ICP)等干法刻蚀，由于半导体晶圆表面受到离子的轰击，会对半导体表面造成严重的晶格损伤，刻蚀表面形貌较差，且刻蚀速率或刻蚀深度较难掌控。中国专利：申请号201210277907.3“一种氮化镓基器件的湿法腐蚀方法”的高温氧化与湿法腐蚀的方法可以在一定程度上改善凹槽形貌，但长时间的高温氧化处理会降低材料特性，对于异质结半导体会产生应力弛豫，降低电流性能，且表面形貌并不够理想，这会降低器件的性能并可能带来可靠性问题。
发明内容
本发明提供一种III-V族化合物半导体材料的刻蚀方法，该方法能够克服普通干法刻蚀造成的表面形貌较差、晶格损伤、刻蚀精度差和高温氧化带来的材料特性降低等缺点，具有刻蚀深度精确可控、对III-V族化合物半导体材料几乎没有损伤的特点。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种III-V族化合物半导体材料的刻蚀方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：在需要刻蚀的III-V族化合物半导体材料表面淀积掩膜层；
步骤2：在步骤1所得掩膜层上涂敷光刻胶，并光刻出待刻蚀区图形；
步骤3：刻蚀掉步骤2所得待刻蚀区的掩膜层，露出III-V族化合物半导体材料需要刻蚀的区域，并去除其余光刻胶；
步骤4：对步骤3所得III-V族化合物半导体材料需要刻蚀的区域进行低温氧气等离子体氧化处理，使得III-V族化合物半导体材料需要刻蚀的区域表面生成一层氧化层；
步骤5：采用酸性腐蚀液腐蚀掉步骤4所得氧化层；
步骤6：重复执行步骤4和步骤5，直至III-V族化合物半导体材料需要刻蚀的区域达到预定刻蚀深度；
步骤7：腐蚀掩膜层。
进一步地，所述III-V族化合物半导体材料为GaN、GaAs、AlN、AlGaN、AlInN、InGaN、InAlAs、InGaAs或InAlGaN。
进一步地，步骤1中所述掩膜层淀积方式为等离子体增强化学气相淀积(PECVD:Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)或感应耦合等离子体增强化学气相淀积(ICPCVD：Inductively Coupled Plasma Chemical Vapor Deposition)或光学薄膜淀积，所述掩膜层材料为二氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)等。
进一步地，步骤2中所述光刻胶可以采用AZ5214，所述光刻方式可以采用接触式光刻。
进一步地，步骤3中所述掩膜层的刻蚀方法可以采用反应离子刻蚀(RIE：Reactive Ion Etching)或感应耦合等离子体刻蚀(ICP：Inductively Coupled Plasma)；光刻胶的去除方式为丙酮、异丙醇、去离子水分别超声清洗的方式去除。
进一步地，步骤4中所述低温氧气等离子体氧化处理的具体方法为：采用等离子体去胶机，功率为100～400w，温度20℃到150℃，氧气流量为200～800sccm，处理时间为1～10分钟。
进一步地，步骤7中所述腐蚀液为BOE或氢氟酸。
本发明具有如下有益效果：
本发明采用低温氧气等离子体氧化的干法氧化工艺结合湿法腐蚀氧化层的工艺对III-V族化合物半导体材料进行刻蚀，可以精确控制刻蚀深度。通过优化参数，刻蚀精度可达量级。本发明刻具有低表面损伤，表面形貌良好，刻蚀栅槽可以提高线条精度，减小加工线宽。晶圆表面在低温下进行氧气等离子体处理，可有效避免高温氧化可能带来的异质结弛豫而引起的电流降低。本发明可以广泛应用于III-V族化合物半导体浅槽或细线条刻蚀，如氮化镓基器件欧姆接触凹槽或增强型器件凹槽栅的刻蚀。
附图说明
图1为本发明工艺流程示意图。
图2为主要工艺步骤示意图。(a)在晶圆(晶圆材料包括衬底基片1，由GaN层2和AlGaN层3构成的异质结)表面淀积掩膜层4；(b)在掩膜层表面涂敷光刻胶5并光刻出待刻蚀区域窗口；(c)刻蚀掉待刻蚀区掩膜层4；(d)去掉剩余光刻胶5；(e)氧化刻蚀凹槽栅；(f)腐蚀掉掩膜层4。
图3为凹槽栅刻蚀原子力显微镜(AFM)图。(a)氧化刻蚀前凹槽深度测试图；(b)氧化刻蚀后深度测试图；(c)凹槽底部形貌监测测试图。
具体实施方式
下面通过具体实例并配附图对本发明III-V族化合物半导体材料的刻蚀方法做详细说明。
以AlGaN/GaN异质结材料为例，本发明对氮化镓基晶圆进行氧化和湿法腐蚀的原理是：在低温条件下对AlGaN势垒层表面进行氧气等离子体处理，凹槽栅下未被Si3N4保护的表面会在AlGaN被氧气等离子氧化形成AlXOY和GaXOY和氮氧化物，酸性溶液会溶解该氧化层而对AlGaN无影响，形成腐蚀槽。
下面以AlGaN/GaN HEMT凹槽栅刻蚀工艺为例，对该方法进行具体说明，该氮化镓基材料凹槽刻蚀步骤包括：
在GaN晶圆表面采用ICPCVD方法制备厚度为160nm的Si3N4掩膜层。
该步骤制备Si3N4掩膜层的目的是保护非凹槽区域，使其他区域不被氧气等离子体处理和酸的腐蚀，如图2(a)。
在所述Si3N4层上涂敷光刻胶，并光刻出凹槽栅图形。
该步骤采用的是凹槽栅版图，采用的光刻胶是AZ5214光刻胶；采用真空接触式光刻，如图2(b)。
刻蚀掉凹槽栅区域的氮化硅(Si3N4)掩膜层。
该步骤的目的是刻蚀掉凹槽栅区域的Si3N4掩膜层，使待刻蚀凹槽的部分暴露，便于氧气等离子体和酸处理，如图2(c)所示。该步骤刻蚀采用反应离子刻(RIE)方式刻蚀。
去除剩余光刻胶。如图2(d)所示。采用丙酮、异丙醇和去离子水分别超声清洗方式去除光刻胶。
将步骤3所得GaN晶圆表面在等离子体去胶机中进行氧气等离子体处理，将等离子体处理过的GaN晶圆在强酸溶液中浸泡腐蚀。该步骤氧气等离子体处理时间为5分钟，功率400w，温度为50℃，酸为盐酸和水的比例为1比5，腐蚀时间为1分钟。
将步骤4和步骤5重复40次，刻蚀AlGaN势垒层厚度21nm，耗尽栅下的二维电子气(2DEG)，如图2(e)所示。
腐蚀掉GaN晶圆上的氮化硅(Si3N4)掩膜层，如图2(f)所示。
该步骤采用1:5的BOE进行腐蚀，腐蚀时间为2分钟。
上述实施例中，III-V族化合物半导体材料为不限于AlGaN，同样适用于GaN、GaAs、AlN、AlInN、InGaN、InAlAs、InGaAs或InAlGaN
上述实施例中，所述掩膜层除采用Si3N4外，还可采用SiO2。
上述实施例中，淀积掩膜层淀积方法除采用ICPCVD外，还可采用PECVD或光学薄膜淀积方法。
上述实施例中，刻蚀凹槽栅掩膜层除采用RIE刻蚀外，还可采用ICP刻蚀。
上述实施例中，等离子体去胶机中进行氧气等离子体处理时，温度可在20℃～150℃范围内调整，功率为100～400W，氧气流量为100～1200sccm。在不同等离子体设备中相同参数氧化刻蚀速度会略有不同。
上述实施例中，等离子体处理过的GaN晶圆腐蚀液除盐酸外，还可以采用稀硫酸或稀硝酸。
上述实施例中，腐蚀氮化硅掩膜层除采用BOE外，还可采用氢氟酸。
图3为上述实施例凹槽刻蚀前后原子力显微镜(AFM)对深度和刻蚀凹槽底部形貌的测试。刻蚀前3(a)图和刻蚀后3(b)图图中中间深色部分为刻蚀区域，变浅色为未刻蚀区域，右下角为测试所得深度，对比可得出刻蚀深度为21nm。图3(c)为凹槽底部形貌监测区域的测试，测试在5*5μm区域，表面均方根粗糙度Rq为0.840nm，可看到清晰地原子台阶，表 明本发明方法所实现凹槽底面形貌良好。
Claims (7)
1.一种III-V族化合物半导体材料的刻蚀方法，包括以下步骤：
步骤1：在需要刻蚀的III-V族化合物半导体材料表面淀积掩膜层；
步骤2：在步骤1所得掩膜层上涂敷光刻胶，并光刻出待刻蚀区图形；
步骤3：刻蚀掉步骤2所得待刻蚀区的掩膜层，露出III-V族化合物半导体材料需要刻蚀的区域，并去除其余光刻胶；
步骤4：对步骤3所得III-V族化合物半导体材料需要刻蚀的区域进行低温氧气等离子体氧化处理，使得III-V族化合物半导体材料需要刻蚀的区域表面生成一层氧化层；
步骤5：采用酸性腐蚀液腐蚀掉步骤4所得氧化层；
步骤6：重复执行步骤4和步骤5，直至III-V族化合物半导体材料需要刻蚀的区域达到预定刻蚀深度；
步骤7：腐蚀掩膜层。
2.根据权利要求1所述的III-V族化合物半导体材料的刻蚀方法，其特征在于，所述III-V族化合物半导体材料为GaN、GaAs、AlN、AlGaN、AlInN、InGaN、InAlAs、InGaAs或InAlGaN。
3.根据权利要求1所述的III-V族化合物半导体材料的刻蚀方法，其特征在于，步骤1中所述掩膜层淀积方式为等离子体增强化学气相淀积、感应耦合等离子体增强化学气相淀积或光学薄膜淀积；所述掩膜层材料为二氧化硅或氮化硅。
4.根据权利要求1所述的III-V族化合物半导体材料的刻蚀方法，其特征在于，步骤2中所述光刻胶为AZ5214，所述光刻方式为接触式光刻。
5.根据权利要求1所述的III-V族化合物半导体材料的刻蚀方法，其特征在于，步骤3中所述掩膜层的刻蚀方法采用反应离子刻蚀或感应耦合等离子体刻蚀；光刻胶的去除方式为丙酮、异丙醇、去离子水分别超声清洗的方式去除。
6.根据权利要求1所述的III-V族化合物半导体材料的刻蚀方法，其特征在于，步骤4中所述低温氧气等离子体氧化处理的具体方法为：采用等离子体去胶机，功率为100～400w，温度20℃到150℃，氧气流量为200～800sccm，处理时间为1～10分钟。
7.根据权利要求1所述的III-V族化合物半导体材料的刻蚀方法，其特征在于，步骤7中所述腐蚀液为BOE或氢氟酸。
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