CN106548939B - 通过光辅助刻蚀自停止实现凹栅增强型hemt器件的系统及方法 - Google Patents

通过光辅助刻蚀自停止实现凹栅增强型hemt器件的系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光辅助刻蚀自停止实现凹栅增强型HEMT器件的方法，包括：提供刻蚀样品；在刻蚀样品表面设置图形化掩膜，从而暴露出刻蚀表面；将所述刻蚀样品的刻蚀表面直接暴露在刻蚀溶液中，并以刻蚀光线至少照射所述刻蚀表面，从而使所述刻蚀溶液于刻蚀表面处刻蚀所述刻蚀样品，同时形成能够在所述刻蚀溶液中稳定存在的刻蚀产物，而且当在所述刻蚀样品上刻蚀出对应于所需凹栅结构的凹槽结构时，所生成的刻蚀产物足以将所述刻蚀表面钝化而导致刻蚀自停止。本发明可有效地实现增强型HEMT，并且具有工艺简便，刻蚀自停止，重复性高，刻蚀损伤小，设备简单，成本低廉，易于进行大规模生产等特点。

Description

通过光辅助刻蚀自停止实现凹栅增强型HEMT器件的系统及 方法
技术领域
本发明涉及一种增强型HEMT器件，尤其是涉及一种光辅助刻蚀自停止实现凹栅增强型HEMT器件的方法。
背景技术
HEMT器件是充分利用半导体的异质结结构形成的二维电子气而制成的，与Ⅲ-Ⅵ族(如AlGaAs/GaAs HEMT器件)相比，Ⅲ族氮化物半导体由于压电极化和自发极化效应，在异质结构(Heterostructure，例如AlGaN/GaN)上能够形成高浓度的二维电子气。所以在使用Ⅲ族氮化物制成的HEMT器件中，势垒层一般不需要进行掺杂。Ⅲ族氮化物具有大的禁带宽度、较高的饱和电子漂移速度、高的临界击穿电场和极强的抗辐射能力等特点，能够满下一代电力电子系统对功率器件更大功率、更高频率、更小体积和更高温度的工作的要求。
现有的Ⅲ族氮化物半导体HEMT器件作为高频器件或者高压大功率开关器件使用时，特别是作为功率开关器件时，增强型HEMT器件有助于提高系统的安全性、降低器件的损耗和简化设计电路。目前实现增强型HEMT器件主要的方法有薄的势垒层、凹栅结构、P型盖帽层和F处理等技术，但是这些技术都存在自身的不足。例如，世界上首支增强型HEMT器件是采用较薄的势垒层来实现的，这种方法不使用刻蚀工艺，所以带来的损伤小，但是由于较薄的势垒层，器件的饱和电流较小；P型盖帽层不需要刻蚀工艺，但是产生较为严重的界面态，影响器件的稳定性；F等离子处理也能实现增强型HEMT器件，并且不需要刻蚀，但是F的等离子体在注入的过程中也会刻蚀势垒层，造成器件性能的降低。而现有凹栅结构的形成过程中，栅下势垒层主要是通过等离子体(主要的是氯基等离子体)刻蚀的方法实现的，并且一般的HEMT器件势垒层只有20-30nm，所以凹栅的刻蚀还面临着刻蚀厚度的控制和刻蚀损伤的修复等问题，采用刻蚀工艺形成凹栅结构的工艺难于控制，重复性较差。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种光辅助刻蚀自停止实现凹栅增强型HEMT器件的方法，以克服现有技术中的缺陷。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
在一些实施例中提供了一种光辅助刻蚀自停止实现半导体器件的方法，其包括：
在刻蚀样品表面设置图形化掩膜，从而暴露出刻蚀表面；
将所述刻蚀样品的刻蚀表面直接暴露在刻蚀溶液中，并以具有设定波长的刻蚀光线至少照射所述刻蚀表面，从而使所述刻蚀溶液于刻蚀表面处刻蚀所述刻蚀样品，同时形成能够在所述刻蚀溶液中稳定存在的刻蚀产物，而且当在所述刻蚀样品上刻蚀出对应于所需凹栅结构的凹槽结构时，所生成的刻蚀产物足以将所述刻蚀表面钝化而导致刻蚀自停止。
进一步的，在一些实施例中提供了一种光辅助刻蚀自停止实现凹栅增强型HEMT器件的方法，其包括以下步骤：
S1、提供刻蚀样品；
S2、在刻蚀样品表面设置图形化掩膜，从而暴露出刻蚀表面；
S3、将所述刻蚀样品的刻蚀表面直接暴露在刻蚀溶液中，并以具有设定波长的刻蚀光线至少照射所述刻蚀表面，从而使所述刻蚀溶液于刻蚀表面处刻蚀所述刻蚀样品，同时形成能够在所述刻蚀溶液中稳定存在的刻蚀产物，而且当在所述刻蚀样品上刻蚀出对应于所需凹栅结构的凹槽结构时，所生成的刻蚀产物足以将所述刻蚀表面钝化而导致刻蚀自停止。
进一步的，所述刻蚀样品包括外延层结构，所述外延层结构中形成有二维电子气
进一步的，所述凹槽结构分布于所述外延层结构的势垒层内，并且所述凹槽结构的深度足以使所述二维电子气耗尽。
在一些实施例之中，所述势垒层的材质至少可选自AlxGa(1-x)N，其中0<x≤1，但不限于此。
进一步的，所述刻蚀光线能够提供足以使所述刻蚀溶液于刻蚀表面处刻蚀所述刻蚀样品的能量。
在一些实施例之中，所述刻蚀光线采用紫外光。
在一些实施例之中，所述刻蚀液至少可选自硫酸、氢氧化钾和草酸，但不限于此。
在一些实施例之中，所述刻蚀光线垂直照射在所述刻蚀表面上。
在一些实施例之中，用以形成所述图形化掩膜的图形化方法至少可选自激光直写、电子束光刻或紫外光刻方法中的任意一种以上，但不限于此。
在一些实施例之中，所述方法还可包括：除去形成于所述刻蚀样品表面的刻蚀产物，之后在所述刻蚀样品表面制作源电极、漏电极和栅电极，形成HEMT器件。
在一些实施例之中，所述方法还可包括：在所述刻蚀样品表面制作源电极、漏电极，之后在所述刻蚀样品表面生长介质层，并在所述介质层上对应于凹栅结构的区域制作形成栅电极，而后除去源、漏电极上的介质层，形成HEMT器件。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
(1)通过采用光辅助化学刻蚀的方法将栅电极下端的势垒层(例如AlxGa(1-x)N)全部或部分刻蚀，可以有效减弱势垒层的极化效应，从而将二维电子气耗尽，实现HEMT器件在零栅偏压的时候处于关断状态，达到由常开型HEMT器件向常关型HEMT器件的转变，有效实现了增强型HEMT；
(2)采用的光辅助化学刻蚀方法属于湿法刻蚀，较之现有凹栅刻蚀过程中使用的干法刻蚀、等离子体刻蚀，可以有效的控制损伤，避免或者减弱器件的迁移率由刻蚀损伤导致的降低，同时通过刻蚀形成的反应物使刻蚀表面钝化，形成所述凹栅结构的同时实现刻蚀的自停止；
(3)通过采用刻蚀自停止的方法有效提高了器件制作的重复性，同时还具有器件刻蚀工艺简单，重复性好，刻蚀控制窗口大，成本低廉，刻蚀损伤小，不需要引入干法刻蚀过程中的有毒气体(如氯气等)，易于进行大规模生产等特点。
下文将对本发明的技术方案作更为详尽的解释说明。但是，应当理解，在本发明范围内，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。
附图说明
图1是普通HEMT器件的局部结构示意图；
图2是本发明一些实施例中光辅助刻蚀自停止实现凹栅增强型HEMT器件的工艺原理图；
图3是本发明一些实施例中采用光辅助化学刻蚀方法刻蚀势垒层AlxGa(1-x)N实现的增强型MIS-HEMT的剖面结构示意图；
附图标记说明：1-衬底，2-氮化镓，3-二维电子气，4-空间层，5-势垒层，6-盖帽层，7-凹栅刻蚀掩膜，8-刻蚀溶液，9-容器，10-刻蚀灯，11-刻蚀光源，12-源电极，13-栅电极，14-漏电极，15-栅介质。
具体实施方式
如前所述，鉴于现有技术的诸多不足，本案发明人经过长期而深入的研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，详见下文。
本发明的一个方面提供了一种光辅助刻蚀自停止实现半导体器件，例如凹栅增强型HEMT器件的系统，其包括：
刻蚀溶液，
刻蚀光源，用以提供具有设定波长的刻蚀光线照射直接暴露于所述刻蚀溶液中的刻蚀样品的刻蚀表面，使得刻蚀溶液在所述刻蚀表面处与刻蚀样品产生化学反应，使刻蚀样品被刻蚀，并且利用刻蚀过程中产生的刻蚀产物使刻蚀表面钝化，直至实现刻蚀的自停止。
本发明的另一个方面提供了一种光辅助刻蚀自停止实现凹栅增强型HEMT器件的方法，其包括：
S1、提供刻蚀样品；
S2、对刻蚀样品表面进行图形化处理，从而暴露出刻蚀表面；
S3、将所述刻蚀样品的刻蚀表面直接暴露在刻蚀溶液中，并以具有设定波长的刻蚀光线至少照射所述刻蚀表面，从而使所述刻蚀溶液于刻蚀表面处刻蚀所述刻蚀样品，同时形成能够在所述刻蚀溶液中稳定存在的刻蚀产物，而且当在所述刻蚀样品上刻蚀出对应于所需凹栅结构的凹槽结构时，所生成的刻蚀产物足以将所述刻蚀表面钝化而导致刻蚀自停止。
在一些实施例之中，所述刻蚀样品可以包括外延层结构，所述外延层结构中形成有二维电子气。
进一步的，所述凹槽结构分布于所述外延层结构的势垒层内，并且所述凹槽结构的深度足以使所述二维电子气耗尽。
进一步的，所述外延结构可以包括主要由第一半导体和第二半导体形成的异质结构，所述异质结构中形成有二维电子气。
进一步的，所述刻蚀样品表面可分布有刻蚀掩膜，所述刻蚀表面从刻蚀掩膜中露出，以使其能直接暴露于刻蚀溶液和刻蚀光线中。
进一步的，所述刻蚀表面可以是所述刻蚀样品的势垒层的局部表面。
在一些实施例之中，所述势垒层的材质可以是AlxGa(1-x)N，0<x≤1。
在一些实施例之中，凹栅结构的刻蚀深度取决于势垒层中铝的组分和势垒层的总厚度，刻蚀应该停止在耗尽二维电子气为止，实现器件在零栅偏压的工作状态时，源漏电极的断开。例如，势垒层刻蚀深度可以为10nm-30nm。
进一步的，可以通过在所述刻蚀样品表面先形成掩膜层，再进行图形化处理而形成刻蚀掩膜，其中图形化的方式可以选择但不限于使用激光直写、电子束光刻或紫外光刻等。
进一步的，所述刻蚀光线可以提供足够的能量实现刻蚀溶液对刻蚀样品，特别是其势垒层(例如AlxGa(1-x)N)的刻蚀。在一些实施例之中，所述刻蚀光线可以选择但不限于使用紫外光源。
为获得所述刻蚀光线，所采用的刻蚀光源可以是宽光谱光源，并配合滤光装置等将除刻蚀光线之外的光线滤除。
进一步的，所述刻蚀溶液采用能够在所述刻蚀光线光照辅助的条件下有效刻蚀刻蚀样品，特别是其势垒层(例如AlxGa(1-x)N)的刻蚀液。在一些实施例之中，所述刻蚀液至少可选自硫酸、氢氧化钾和草酸，但不限于此。
在一些实施例中，为提高器件刻蚀的均匀性，可以选择但不限于使用垂直照射的刻蚀光源。
显然的，在形成凹栅结构之后，还可以通过业界所知的常用方法去除所述掩膜。
在一些实施例之中，还可在形成凹槽结构之后，除去形成于所述刻蚀样品表面的刻蚀产物，之后在所述刻蚀样品表面制作源电极、漏电极和栅电极，形成HEMT器件。
其中，除去刻蚀产物的操作可以利用业界所知的多种方法实施，例如，利用能够腐蚀刻蚀产物形成可溶性物质而对刻蚀样品的其余部分无损失的化学溶剂溶除所述刻蚀产物。
在一些实施例之中，可以先在所述刻蚀样品表面制作源电极、漏电极，之后在所述刻蚀样品表面生长介质层，并在所述介质层上对应于凹栅结构的区域制作形成栅电极，而后除去源、漏电极上的介质层，形成HEMT器件。
其中，用以加工形成所述源电极、漏电极、栅电极和介质层的方法均可以是业界熟知的。
其中，所述介质层(栅介质)应该具有较高的绝缘性和耐击穿特性，并且能够与异质结，例如其中的GaN或AlGaN半导体形成一个低界面态。
进一步的，所述介质层的材质可以选择但不限于使用氮化硅、氧化硅、氧化铝等。
本发明的一个方面还提供了一种凹栅增强型HEMT器件，其包括源、漏、栅电极、栅介质、栅下凹槽以及异质结构，源、漏电极通过形成于异质结构中的二维电子气电连接，异质结构主要由第一半导体和第二半导体组成，其中第一半导体可设置于源、漏电极之间，第二半导体可形成于第一半导体表面，并具有宽于第一半导体的带隙，而所述栅极可设于第二半导体上。
在一些实施例之中，所述异质结构可主要由GaN和AlxGa(1-x)N(0<x<＝1)半导体组成，源、漏电极位于GaN表面并且通过欧姆接触与二维电子气相连接，栅电极设于源、漏电极之间，在栅电极金属和氮化镓盖帽层表面之间存在栅介质，形成MISHEMT结构。
其中，栅电极下方的AlxGa(1-x)N势垒层被通过光辅助化学刻蚀的方法部分或全部刻蚀而形成栅下凹槽，耗尽栅下的二维电子气。
进一步的，所述源电极和漏电极分别与电源的低电位和高电位连接。
本发明通过将刻蚀样品内位于栅电极下端的势垒层(例如AlxGa(1-x)N)通过光辅助化学刻蚀的方法全部刻蚀或部分刻蚀，减弱势垒层的极化效应从而将二维电子气耗尽，实现HEMT器件在零栅偏压的时候处于关断状态，达到由常开型HEMT器件向常关型HEMT器件的转变，并且通过使用刻蚀过程中产生的反应物使刻蚀表面钝化，实现刻蚀的自停止。且与电化学刻蚀相比，本发明采用光化学辅助刻蚀，可以省略外加电极，并且系统结构简单，不需要电源供电。
本发明的HEMT器件中，通过减弱势垒层的极化效应从而将二维电子气耗尽，实现HEMT器件在零栅偏压的时候处于关断状态，达到由常开型HEMT器件向常关型HEMT器件的转变。进一步的，当栅极是零偏压时，所述HEMT器件栅下的AlxGa(1-x)N(0<x≤1)势垒层被全部或部分刻蚀，二维电子气被耗尽，器件处于断开状态，而当在栅极加正向电压时，所述HEMT器件在栅电极下端积累电子，器件处于开启状态。
总之，藉由本发明的方法及系统，可以有效地实现增强型HEMT，且具有工艺简单，刻蚀自停止，重复性高，成本低廉，刻蚀损伤小，易于进行大规模生产等特点。
下面将结合附图及一些典型实施案例对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。
如图1所示，对于普通HEMT器件(以AlGaN/GaN器件为例)，一般而言，当在栅电极13施加零偏压或者没有加偏压时，源电极12和漏电极14都与二维电子气3相连接，所以HEMT器件的源电极12和漏电极14是导通的，HEMT器件处于开启状态，一般称这种HEMT器件为耗尽型HEMT器件，也可以称作常开型HEMT器件。为了使HEMT器件处于断开状态，必须使源电极12和漏电极14之间的二维电子气3耗尽或者某个区域的二维电子气耗尽。可以通过在栅电极13施加一定的电压实现，当栅电极13加负偏压达到栅极电压Vg<Vth时，Vth为器件的阈值电压，对于普通HEMT器件一般Vth为负值，可以耗尽栅下区域的二维电子气，从而使HEMT器件处于关断状态。这种HEMT器件在实际电路应用过程中由于只有在栅极13施加负偏压时，HEMT器件才能关断，与增强型HEMT器件相比，增加了普通HEMT器件的功耗，并且系统的安全性较差。
鉴于上述普通HEMT器件存在的缺陷，本案发明人提出了本发明的技术方案。
在一典型实施例之中，提供了一种光辅助刻蚀自停止实现凹栅增强型HEMT器件的系统及方法，通过化学腐蚀方法将栅电极的下端的AlxGa(1-x)N(0<x≤1)势垒层6部分刻蚀或全部刻蚀，减弱势垒层的极化效应从而将二维电子气耗尽，实现HEMT器件在零栅偏压的时候处于关闭状态，达到由常开型HEMT器件向常关型HEMT器件的转变。
如图2所示，在一实施例之中，一种光辅助刻蚀自停止实现凹栅增强型HEMT器件的系统包括刻蚀光源11、刻蚀溶液8和刻蚀掩膜7，通过光辅助实现刻蚀溶液8对刻蚀样品势垒层5的刻蚀。
其中，刻蚀样品包括衬底1和衬底上的外延层结构，外延层结构包括衬底1上的空间层4、势垒层5和盖帽层6。实际外延层结构还可包括其他外延结构，如成核层、高阻层和过渡层等结构，图中暂未示出，但其材质等均可以是业界习知的。进一步的，外延层结构中形成有二维电子气3。
而相应的，一种光辅助刻蚀自停止实现凹栅增强型HEMT器件的方法可以包括：
首先，在刻蚀样品(如下亦简称器件或样品)表面进行图形化处理，处理的方法可以选择但不限于光刻、激光直写和电子束曝光等，将需要刻蚀的栅电极13下端的势垒层5局部区域暴露在刻蚀溶液8中，其余部分使用掩膜7作为保护，刻蚀掩膜7可以选择但不限于光刻胶、二氧化硅和氮化硅等。
然后，将刻蚀样品浸入在刻蚀溶液中，使所述刻蚀表面直接暴露在刻蚀溶液8中，并将刻蚀光源11照射在需要刻蚀的势垒层表面，为提高器件刻蚀的均匀性，可以选择但不限于使用垂直照射的刻蚀光源，且在刻蚀过程中，通过刻蚀形成的反应物(如氧化镓)使刻蚀表面钝化，进而在形成所述凹栅结构的同时实现刻蚀的自停止。
刻蚀结束后将样品清洗干净，并且通过溶液处理，将刻蚀反应物去除，实现栅介质与GaN或AlGaN一个较低的界面态。在样品的表面制作源电极12和漏电极14，首先在样品表面旋涂光刻胶，然后通过设计的掩膜版和光刻技术在样品表面形成源、漏电极的图形化，然后再沉积金属，一般选择沉积钛、铝、镍、金(Ti、Al、Ni、Au，例如厚度分别为约20nm、130nm、50nm、150nm)等多层金属，金属沉积后将源、漏电极外的金属剥离干净，然后进行快速退火，条件为890℃退火30秒，退火后源电极12和漏电极14与二维电子气3相连接。
然后在样品表面生长一层介质层15，生长方式可以但不限于等离子增强化学气相沉积(PECVD)、原子层沉积(ALD)、低压化学气相沉积(LPCVD)和感应耦合等离子体化学气相沉积等常用的半导体沉积技术。沉积的介质可选但不限于氧化铝、氮化铝、氧化硅和氮化硅等半导体中常用的介质薄膜。
沉积完成后再通过光刻的方法形成栅金属的图形，在样品的势垒层刻蚀区域的上方沉积栅金属和剥离工艺，形成栅电极13，最后将源、漏电极上的介质层刻蚀干净。栅金属一般选择Ni、Au，厚度分别分别约为50nm、150nm。
因此，参照图3所示，最后制作实现的增强型HEMT器件包括源、漏、栅电极、栅介质15、栅下凹槽以及异质结构，源、漏电极通过形成于异质结构中的二维电子气电连接，异质结构由GaN和AlxGa(1-x)N半导体组成，源、漏电极位于氮化镓6表面并且通过欧姆接触与二维电子气3相连接，栅电极13设于源、漏电极之间，在栅电极金属和AlxGa(1-x)N(0<x≤1)表面之间存在栅介质15，形成增强型MISHEMT结构，并与半导体表面形成肖基特接触，栅电极15的下端的势垒层AlxGa(1-x)N通过光辅助化学刻蚀的方法部分刻蚀或全部刻蚀。
所述增强型HEMT的工作原理包括：参考图3图示，在增强型HEMT器件中，阈值电压Vth为正值，当在栅电极13加零偏压或不加偏压时，栅电压Vg<Vth，由于栅下势垒层5被部分刻蚀或全部刻蚀，所以在刻蚀区域的下端的二维电子气被耗尽，这时由于栅下没有导电沟道，所以源电极12和漏电极14处于断开，所以器件处于断开状态。当在栅极加正向电压时，栅电压Vg>Vth，这时栅下区域会积累电子，积累的电子形成新的导通沟道，使源电极12和漏电极14导通，器件处于开启状态。HEMT器件从原有的耗尽型器件转变成增强型器件。本发明的技术内容及技术特征已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰，因此，本发明保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本专利申请权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种光辅助刻蚀自停止实现凹栅增强型HEMT器件的方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、提供刻蚀样品；
S2、在刻蚀样品表面设置图形化掩膜，从而暴露出刻蚀表面；
S3、将所述刻蚀样品的刻蚀表面直接暴露在刻蚀溶液中，并以具有设定波长的刻蚀光线至少照射所述刻蚀表面，从而使所述刻蚀溶液于刻蚀表面处刻蚀所述刻蚀样品，同时形成能够在所述刻蚀溶液中稳定存在的刻蚀产物，而且当在所述刻蚀样品上刻蚀出对应于所需凹栅结构的凹槽结构时，所生成的刻蚀产物足以将所述刻蚀表面钝化而导致刻蚀自停止；
其中，所述刻蚀光线能够提供足以使所述刻蚀溶液于刻蚀表面处刻蚀所述刻蚀样品的能量。
2.根据权利要求1所述的光辅助刻蚀自停止实现凹栅增强型HEMT器件的方法，其特征在于：所述凹槽结构分布于所述刻蚀样品的外延层结构的势垒层内，并且所述凹槽结构的深度足以使所述外延层结构内的二维电子气耗尽。
3.根据权利要求2所述的光辅助刻蚀自停止实现凹栅增强型HEMT器件的方法，其特征在于：所述势垒层的材质选自AlxGa(1-x)N，其中0<x≤1。
4.根据权利要求1所述的光辅助刻蚀自停止实现凹栅增强型HEMT器件的方法，其特征在于：所述刻蚀光线采用紫外光。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的光辅助刻蚀自停止实现凹栅增强型HEMT器件的方法，其特征在于：所述刻蚀光线垂直照射在所述刻蚀表面上。
6.根据权利要求1所述的光辅助刻蚀自停止实现凹栅增强型HEMT器件的方法，其特征在于：用以形成所述图形化掩膜的图形化方法选自激光直写、电子束光刻或紫外光刻方法中的任意一种以上。
7.根据权利要求1所述的光辅助刻蚀自停止实现凹栅增强型HEMT器件的方法，其特征在于还包括：除去形成于所述刻蚀样品表面的刻蚀产物，之后在所述刻蚀样品表面制作源电极、漏电极和栅电极，形成HEMT器件。
8.根据权利要求7所述的光辅助刻蚀自停止实现凹栅增强型HEMT器件的方法，其特征在于还包括：在所述刻蚀样品表面制作源电极、漏电极，之后在所述刻蚀样品表面生长介质层，并在所述介质层上对应于凹栅结构的区域制作形成栅电极，而后除去源、漏电极上的介质层，形成HEMT器件。
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