CN105977147B - 一种用于纳米栅制备的无损伤自终止刻蚀方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于纳米栅制备的无损伤自终止刻蚀方法，涉及半导体器件制造技术领域；步骤为：对衬底材料进行清洗，利用热氧设备生长氧化物介质层；在氧化物介质层上设置顶部介质层；悬涂第一光刻胶，烘烤、曝光、显影；采用等离子体进行干法过刻蚀；清洗去除第一光刻胶；悬涂第二光刻胶，进行烘烤；悬涂第三光刻胶，进行烘烤；对已经得到的样品进行曝光、显影；蒸发栅金属；剥离第一光刻胶和第二光刻胶；简单方便，能实现刻蚀自动终止，阻挡刻蚀过程中对GaN的刻蚀损伤。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件制造技术领域。
背景技术
GaN（氮化镓）材料作为第三代半导体的代表，是继Si、GaAs材料之后的一种重要半导体材料，由于具有大禁带宽度、高临界场强以及耐高温抗辐照等优良特性，受到人们的广泛关注。GaN基高电子迁移率场效应晶体管（HEMT）在微波及毫米波领域所展示优异性能，得到广泛而深入的研究。
在GaN基 HEMT(高电子迁移率晶体管)器件的制造工艺过程中，纳米栅工艺是关键技术之一，直接影响着器件的频率和功率性能。随着栅长减小，栅电阻增大，栅电阻带来的微波损耗严重影响了器件的增益。因此，当栅长缩减至0.5μm以下时需在栅金属顶部构造一个大的金属界面，也就是T型栅。纳米T栅中栅长的大小决定了HEMT器件的频率、噪声等特性，栅长越小，器件的电流截止频率（f T）和功率增益截止频率（f max）越高，器件噪声系数也越小。
目前国内外广泛报道和使用的纳米T型栅主要是通过PMMA/PMGI/PMMA或者ZEP520A/PMGI/ZEP520A等三层电子束光刻胶，通过电子束曝光实现的。该工艺需在完成欧姆接触合金之后进行，随着器件频率特性的提升，器件源漏间距逐渐缩小。源漏间距减小一方面增大了电子束光刻胶的厚度，由于电子束曝光过程中的前散射和背散射效应，影响了曝光和显影，增大了制备纳米T栅的难度，另一方面，源漏金属会对电子束曝光产生干扰，影响了纳米T栅的制备。因此，该方法很难实现小尺寸的纳米T栅。
介质栅工艺可以在源漏合金前进行栅跟的直写刻蚀，能够有效抑制前散射和背散射效应，实现小尺寸的纳米T栅，但该方法依然存在不足之处。栅跟一般采用反应离子刻蚀设备(RIE)设备，利用氟（F）基等离子体刻蚀得到，由于该过程无法精确控制刻蚀至GaN表面，大多采用过刻蚀的办法，进而会引入刻蚀损伤。尽管刻蚀损伤可通过高温退火工艺进行修复，但高温退火会增大器件的欧姆接触电阻，影响器件性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种用于纳米栅制备的无损伤自终止刻蚀方法，简单方便，能实现刻蚀自动终止，阻挡刻蚀过程中对衬底材料的刻蚀损伤。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：该方法包括：
（1）对做完源漏欧姆接触的衬底材料进行清洗，利用热氧设备生长氧化物介质层；
（2）在氧化物介质层上设置顶部介质层；
（3）悬涂第一层光刻胶，并进行烘烤、曝光、显影，实现纳米尺度栅跟；
（4）基于刻蚀设备，采用等离子体进行干法过刻蚀；
（5）清洗去除第一层光刻胶；
（6）悬涂第二层光刻胶，并进行烘烤、曝光、显影；
（7）沉积得到栅金属；
（8）剥离第二层光刻胶。
作为优选，热养设备为原子层沉积设备。
作为优选，氧化物介质层为Al2O3，厚度为1-100 nm。
作为优选，顶部介质层为SiN介质，厚度为1-500 nm。
作为优选，烘烤温度为180℃，在180℃恒温条件下烘烤2分钟。
作为优选，第一层光刻胶为ZEP520(中文名)。
作为优选，第二层光刻胶为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。
作为优选，等离子体为氟（F）基等离子体。
作为优选，衬底材料为GaN（氮化镓）材料。
作为优选，在步骤（6）和步骤（7）之间增加步骤A：悬涂第三层光刻胶，并进行烘烤、曝光、显影。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明方法简单，操作方便，在栅跟介质层和GaN中间插入一薄氧化物介质层，氧化物介质层不被氟（F）基等离子体刻蚀，能实现刻蚀自动终止，阻挡刻蚀过程中对GaN的刻蚀损伤，从而省略高温退火修复工艺。
附图说明
图1是本发明实施例1中步骤1的结构示意图；
图2是本发明实施例1中步骤2的结构示意图；
图3是本发明实施例1中步骤3的结构示意图；
图4是本发明实施例1中步骤4的结构示意图；
图5是本发明实施例1中步骤5-A的结构示意图；
图6是本发明实施例1中步骤6的结构示意图；
图7是本发明实施例1中步骤7的结构示意图；
图8是本发明实施例1中步骤8的结构示意图。
图中：1、衬底材料；2、氧化物介质层；3、顶部介质层；4、第一光刻胶；5、第二光刻胶；6、第三光刻胶；7、栅金属。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-8所示，为本发明一种用于纳米栅制备的无损伤自终止刻蚀方法的一个实施例，该方法包括：
（1）对做完源漏欧姆接触的衬底材料1进行清洗，利用热氧设备生长氧化物介质层2；
（2）在氧化物介质层2上设置顶部介质层3；
（3）悬涂第一层光刻胶4，并进行烘烤、曝光、显影，实现纳米尺度栅跟；
（4）基于刻蚀设备，采用等离子体进行干法过刻蚀；
（5）清洗去除第一层光刻胶4；
（6）悬涂第二层光刻胶5，并进行烘烤、曝光、显影；
A：悬涂第三层光刻胶6，并进行烘烤、曝光、显影。
可以只涂第二层光刻胶5，然后得到T形栅，也可以悬涂第二层光刻胶5和第三层光刻胶6，两层光刻胶共同得到T形栅。
（8）采用电子束蒸发设备沉积得到栅金属7；
（9）剥离第二层光刻胶和第三层光刻胶；
本发明基于介质栅工艺，在外延栅跟介质层前预先生长氧化物介质层，由于氧化物介质层不被等离子体刻蚀，可实现刻蚀终止。氧化物介质层可以阻挡刻蚀过程中等离子体对GaN的刻蚀损伤，从而省略高温退火修复工艺；此外，氧化物介质层如Al2O3和Y2O3对GaNHEMT器件的电流崩塌有很好地抑制作用。
作为优选，热养设备为原子层沉积设备（ALD），热氧设备不定，可以根据需要选择，氧化物介质层2的生成也可以用溅射的方法实现。
作为优选，氧化物介质层2为Al2O3，厚度为1-100 nm，氧化物介质层2材料不定，可以根据需要选择，可是Y2O3、TiO2、SiO2、ZrO2或HfO2等其他氧化物。
作为优选，顶部介质层3为SiN介质，厚度为1-500 nm，顶部介质层3材料不定，可以为AlN等介质。
作为优选，烘烤温度为180℃，在180℃恒温条件下烘烤2分钟。
作为优选，第一层光刻胶4为ZEP520，ZEP520是目前使用广泛的电子抗蚀剂之一，第一层光刻胶4也可以根据需要选择，不限于ZEP系列光刻胶，也可以是其他电子束光刻胶。
作为优选，第二层光刻胶5为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），第三层光刻胶6为聚二甲基戊二酰亚胺（PMGI），顶层的第二层光刻胶5和第三光刻胶6不限于PMMA/PMGI组合，亦可是其他利于剥离的光刻胶组合，或者三层及以上光刻胶组合实现TT栅，第二层光刻胶5可以与第一层光刻胶4所用胶体相同，但是第二层光刻胶5与第三层光刻胶6之间为不同性质的胶体。
作为优选，等离子体为氟（F）基等离子体，等离子体也不固定可以根据需要选择。
衬底材料（1）为GaN（氮化镓）材料。
本发明也可以在做源漏欧姆接触之前，通过沉积SiN/Al2O3介质，刻蚀实现栅跟，而后刻蚀源漏区域，通过电子束蒸发剥离和高温合金工艺实现源漏欧姆接触。这样可以大幅减小源漏欧姆接触金属对栅跟曝光的影响，可进一步缩小栅长。
实施例1：
(1)如图1所示，对做完源漏欧姆接触的GaN衬底材料进行清洗，利用原子层沉积设备（ALD）生长Al2O3氧化物介质层，其厚度为1-100 nm范围；
(2)如图2所示，在上述样品上采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）设备或低压化学气相沉积（LPCVD）设备生长SiN介质层，其厚度为1-500 nm范围；
（3）如图3所示，在上述样品上悬涂ZEP光刻胶，并在180℃恒温条件下烘烤2分钟，随后利用电子束曝光系统进行曝光，显影实现纳米尺度栅跟；
（4）如图4所示，基于电感耦合等离子体刻蚀（ICP）设备或反应离子刻蚀设备（RIE）设备，采用氟（F）基等离子体进行干法过刻蚀，实现介质栅跟，由于F基等离子体无法刻蚀Al2O3介质层，因此刻蚀会在Al2O3介质层表面终止；
（5）如图5所示，对上述样品进行清洗去除光刻胶，而后悬涂PMMA光刻胶，并在180℃恒温条件下烘烤2分钟；
A：随后悬涂PMGI光刻胶，并在180℃恒温条件下烘烤2分钟；
（6）如图6所示，对上述样品采用电子束曝光系统进行曝光并显影，实现纳米尺度T型栅；
（7）如图7所示，采用电子束蒸发设备蒸发沉积栅金属；
（8）如图8所示，剥离后得到纳米尺度T型金属栅。
采用上述技术方案后，方法简单，操作方便，在栅跟介质层和GaN中间插入一薄氧化物介质层，氧化物介质层不被氟（F）基等离子体刻蚀，能实现刻蚀自动终止，阻挡刻蚀过程中对GaN的刻蚀损伤，从而省略高温退火修复工艺。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种用于纳米栅制备的无损伤自终止刻蚀方法，其特征在于：该方法包括：
(1)对做完源漏欧姆接触的衬底材料(1)进行清洗，利用热氧设备生长氧化物介质层(2)，所述氧化物介质层(2)为Al2O3，厚度为1-100nm；
(2)在氧化物介质层(2)上设置顶部介质层(3)，所述顶部介质层(3)为SiN介质，厚度为1-500nm；
(3)悬涂第一层光刻胶(4)，并进行烘烤、曝光、显影，实现纳米尺度栅跟；
(4)基于刻蚀设备，采用等离子体进行干法过刻蚀；
(5)清洗去除第一层光刻胶(4)；
(6)悬涂第二层光刻胶(5)，并进行烘烤、曝光、显影；
A：悬涂第三层光刻胶(6)，并进行烘烤、曝光、显影；
(7)沉积得到栅金属(7)；
(8)剥离第二层光刻胶(5)和第三层光刻胶(6)；
其中，所述第一层光刻胶(4)为ZEP520，所述第二层光刻胶(5)为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，所述第三层光刻胶(6)为聚二甲基戊二酰亚胺(PMGI)；所述等离子体为氟(F)基等离子体；所述烘烤温度为180℃，在180℃恒温条件下烘烤2分钟。
2.根据权利要求1所述的一种用于纳米栅制备的无损伤自终止刻蚀方法，其特征在于所述热氧设备为原子层沉积设备(ALD)。
3.根据权利要求1所述的一种用于纳米栅制备的无损伤自终止刻蚀方法，其特征在于所述衬底材料(1)为GaN(氮化镓)材料。
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