CN108493301A - AlGaN斜角台面APD器件刻蚀方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种AlGaN斜角台面APD器件刻蚀方法，其步骤包括：1)预处理，清洁待刻蚀的AlGaN APD器件样品；2)光刻：在AlGaN APD器件样品表面制作厚的光刻胶；3)光刻胶回流：对光刻胶进行高温烘烤，使光刻胶回流，形成极小的倾斜角度；4)图形转移：对AlGaN APD器件样品进行干法刻蚀，将光刻胶倾角转移到AlGaN APD器件样品上；5)去胶：去除残留光刻胶。本发明提供的方法具有工艺简单、可控性强、可重复性高的优点。主要体现在以下两个方面：一方面，通过对光刻胶后烘温度和时间的控制，可实现对掩蔽层图形倾斜角度控制的精确控制；另一方面，通过调节掩蔽层的刻蚀工艺参数，也可在AlGaN基材料中获得具有不同倾斜角度的侧壁。
Description
技术领域
本发明涉及一种AlGaN斜角台面APD器件刻蚀方法，属于半导体光电子材料技术领域。
背景技术
以铝镓氮(AlGaN)为代表的III族氮化物半导体，具有直接带隙，物理、化学性质稳定，是近年来国内外重点研究和发展的新型第三代半导体材料。GaN和AlN半导体材料的禁带宽度分别为3.4eV和6.2eV，通过形成AlxGa1-xN多元化合物，其禁带宽度可从3.4～6.2eV连续变化，波长范围覆盖200～365nm，是制备紫外探测器的优选材料。与传统的硅基紫外探测器和紫外光电倍增管相比，AlGaN基半导体材的光电探测器具有更高的灵敏度，可直接实现可见光盲甚至日盲操作，可在高温、强辐射等恶劣环境下工作等明显的优势。
AlGaN基紫外雪崩光电探测器(APD)具有高的响应速度、105以上的增益，甚至可在单光子探测模式下(Geiger模式)工作，可实现对微弱紫外信号的快速测量。雪崩光电二极管一般采用PIN结构，其特征是在P和N半导体材料之间加入一层低掺杂的本征(Intrinsic)半导体层。二极管在反向偏压时，电压几乎全部降落在深耗尽的I层上。当二极管被加上足够高的反向偏压时，耗尽层内运动的载流子就可能因碰撞电离效应而获得雪崩倍增；当载流子的雪崩增益非常高时，二极管就进入到雪崩击穿状态。根据应用需求，雪崩光电二极管既可以工作在略低于雪崩击穿电压的状态(线性模式)，也可以工作在略高于雪崩击穿状态(盖革模式)。
由于AlGaN基APD需要工作在高电场模式下，因此，可靠的终端结构(termination)的设计与实现是器件能够稳定工作的关键。理论计算和实验都表明，AlGaN APD采用“小角度倾斜台面”(small angle beveled mesa)可以抑制台面周围的峰值电场，防止器件在高偏压下发生提前击穿，形成有效的终端结构。一个典型的器件结构如图1所示：外延层从上到下分别为P+接触层、P过渡层、i雪崩层和n接触层。其大致的作用原理是：随着倾斜台面向边缘延伸，P+接触层和P过渡层的厚度越来越薄，相应的面电阻随之增大；由于串联电阻效应，在台面边缘的pn结两端的实际偏压就要比台面中部区域的pn结两端偏压要低；这样，尽管台面边缘的电场聚集效应仍然存在，但由于台面边缘有效偏压的降低，台面边缘的电场尖峰会被有效削弱。另外，倾斜台面的倾角越小，在台面边缘的P+接触层和P过渡层的厚度变化区域越长，降压越缓慢越不容易出现电场尖峰。
目前，已发展以下几种方法在AlGaN基材料体系重形成倾斜侧壁。1)采用倾斜切割的方法，切割出倾斜的侧壁[United States Patent,No.5087949,(1992)].M.R.Krames等人采用该方法制作了截顶倒金字塔形AlGalnP/GaP LED[Appl.Phys.Lett.,Vol.75,No.16,2365-2367,(1999)]。2)采用ICP刻蚀GaN基材料时，通过控制ICP的刻蚀条件，如反应腔压力、气体流量等参数，形成倾斜侧壁[王玮，蔡勇，张宝顺，黄伟，李海鸥，固体电子学研究与进展，Vol.32，No.3,219-224，(2012)]。(3)利用厚膜光刻胶在干法刻蚀过程中可以逐渐膨胀的特性，使具有流动性的掩蔽区域外扩，然后对GaN基样片进行干法刻蚀，形成倾斜侧壁。徐洲等人采用此方法制备出具有倾斜侧壁[中国发明专利，201210492636.3]。湿法腐蚀GaN基材料，根据不同晶面方向腐蚀速率的不同，可以腐蚀出具有特定倾角的侧壁。然而，由于GaN基材料的物理、化学性质稳定，抗腐蚀能力强，该方法仅有少量实验报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种AlGaN斜角台面APD器件刻蚀方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种AlGaN斜角台面APD器件刻蚀方法，其步骤包括：
1)预处理，清洁待刻蚀的AlGaN APD器件样品；
2)光刻：采用可以形成厚膜的光刻胶，在AlGaN APD器件样品表面制作厚度范围在6-10μm的光刻胶；
3)光刻胶回流：对光刻胶进行高温烘烤，使光刻胶回流，形成12°-18°的倾斜角度；
4)图形转移：对AlGaN APD器件样品进行干法刻蚀，将光刻胶倾角转移到AlGaNAPD器件样品上形成倾斜侧壁，其横断面为梯形；
5)去胶：将刻蚀后的AlGaN APD器件样品放入强氧化剂中去除残留光刻胶。
优选的，步骤2)中光刻胶为AZ P4620。
优选的，根据权利要求1所述的AlGaN斜角台面APD器件刻蚀方法，其特征在于：步骤2)中涂胶参数为：匀胶转速为2500-5000r/min，时间为60s；软烘温度为100℃，时间为4-7min；光刻机光强为10mW/cm2，曝光时间为60s，；显影溶液为AZ 400K:H2O＝1:4的稀释液，显影时间为80s，后烘温度为110℃，时间为1min。
优选的，步骤3)中烘烤温度为180℃，烘烤时间为10-20min。
优选的，步骤4)中干法刻蚀为感应耦合等离子体刻蚀。
优选的，步骤1)中将AlGaN APD器件样品依次采用丙酮、无水乙醇、去离子水进行超声清洗，然后烘干，去除表面水汽。
优选的，步骤5)中将AlGaN APD器件样品放入强氧化剂中去除残留掩蔽层后，再依次采用丙酮、无水乙醇进行超声清洗，最后用大量去离子水漂洗，氮气吹干。
优选的，步骤5)中所述强氧化剂为98％的浓硫酸和30％的过氧化氢，按照体积比3:1混合。
优选的，AlGaN APD器件样品上倾斜侧壁中侧壁与水平面的夹角为8.4°～14°，侧壁垂直高度为0.38～1.04μm。其中侧壁垂直高度指器件倾斜部分对应的垂直高度。
本发明也可应用到GaN APD器件样品上，所有处理步骤和参数均与AlGaN APD器件样品一致。
本发明的特点是：形成倾斜侧壁的关键是在AlGaN APD器件或GaN APD器件样品表面采用可以形成厚膜的光刻胶即厚胶作为掩蔽层，该掩蔽层在高温后烘的过程中产生回流，形成小的倾斜角度。在干法刻蚀过程中，光刻胶的倾角转移到器件上形成倾斜侧壁，其横断面为梯形。
本发明提供的方法具有工艺简单、可控性强、可重复性高的优点。主要体现在以下两个方面：一方面，通过对光刻胶后烘温度和时间的控制，可实现对掩蔽层图形倾斜角度控制的精确控制，光刻胶的后烘温度较高、时间较长，则光刻胶侧壁倾斜角度较小，可以在后续干法刻蚀中形成较小倾角的侧壁，即侧壁平缓，后烘温度较低、时间较短，则光刻胶侧壁倾斜角度较大，则在后续干法刻蚀中形成较大倾角的侧壁，即侧壁较陡；另一方面，通过调节掩蔽层的刻蚀工艺参数，也可在AlGaN APD器件或GaN APD器件中获得具有不同倾斜角度的侧壁。
附图说明
图1为AlGaN斜角台面APD器件结构示意图。
图2-6为AlGaN斜角台面APD器件刻蚀流程图。
图7为实施例1中步骤3)后光刻胶的台阶仪扫描图。
图8为实施例1中步骤5)后AlGaN斜角台面APD器件的台阶仪扫描图。
图9为垂直台面结构的AlGaN斜角台面APD器件的电场分布图。
图10为实施例1制得的斜角台面结构的AlGaN斜角台面APD器件的电场分布图。
图11为实施例2制得的GaN斜角台面APD器件结构示意图。
具体实施方式
实施例1：AlGaN APD器件的斜角台面刻蚀
1)预处理：对待刻蚀的：AlGaN APD器件进行丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗，120℃/2min烘干，去除表面水汽，如图2所示。
2)光刻：采用安智电子材料有限公司生产的厚胶AZ P4620作为干法刻蚀所需掩蔽层，依次经历匀胶、软烘、曝光、显影、后烘等工艺步骤，如图3所示。详细实验参数如下：匀胶转速为4000r/min，时间为60s；软烘温度为100℃，时间为5min；光刻机光强为10mW/cm2，曝光时间为60s，；显影溶液为AZ400K:H2O＝1:4的稀释液，显影时间为80s，后烘温度为110℃，时间为1min。经台阶仪测量，此时光刻胶的膜厚约7μm。
3)光刻胶回流：对光刻胶进行高温坚膜，极小的倾斜角度，如图4所示。高温坚膜温度为180℃，时间为10min。经台阶仪测量，此时光刻胶高度最高为～8.2μm，倾斜角度为～14°，如图7所示。
4)图形转移：采用感应耦合等离子体(ICP)干法刻蚀方法，在刻蚀样片的过程中，也将光刻胶的倾斜角度转移到了样片中，形成了AlGaN斜角台面，如图5所示。
5)去胶：刻蚀完成后，将样片放入强氧化剂中去除残留掩蔽层，再依次采用丙酮、无水乙醇进行超声清洗，最后用大量去离子水漂洗，氮气吹干，如图6所示。经台阶仪测量，此时AlGaN斜角台面的深度为0.51μm，倾斜角度为～10°，如图8所示。
垂直台面结构的AlGaN APD器件的电场分布如图9所示，斜角台面结构的AlGaNAPD器件的电场分布如图10所示。相比于AlGaN垂直台面结构，斜角台面结构有效抑制了器件的边缘电场，使边缘电场峰值向体内移动，有效防止了提前击穿。
实施例2：GaN APD器件的斜角台面刻蚀
1)预处理：对待刻蚀的GaN APD器件进行丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗，120℃/2min烘干，去除表面水汽。
2)光刻：采用安智电子材料有限公司生产的厚胶AZ P4620作为干法刻蚀所需掩蔽层，依次经历匀胶、软烘、曝光、显影、后烘等工艺步骤。详细实验参数如下：匀胶转速为5000r/min，时间为60s；软烘温度为100℃，时间为4min；光刻机光强为10mW/cm2，曝光时间为60s，；显影溶液为AZ 400K:H2O＝1:4的稀释液，显影时间为80s，后烘温度为110℃，时间为1min。经台阶仪测量，此时光刻胶的膜厚约6μm。
3)光刻胶回流：对光刻胶进行高温坚膜，极小的倾斜角度。高温坚膜温度为180℃，时间为20min。经台阶仪测量，此时光刻胶高度最高为～8.2μm，倾斜角度为～12°。
4)图形转移：采用感应耦合等离子体(ICP)干法刻蚀方法，在刻蚀样片的过程中，也将光刻胶的倾斜角度转移到了样片中，形成了GaN斜角台面。
5)去胶：刻蚀完成后，将样片放入强氧化剂中去除残留掩蔽层，再依次采用丙酮、无水乙醇进行超声清洗，最后用大量去离子水漂洗，氮气吹干。经台阶仪测量，此时GaN斜角台面的深度为0.38μm，倾斜角度为～8.4°。最终的GaN斜角台面APD器件示意图如图11所示。
实施例3：AlGaN APD器件的斜角台面刻蚀
1)预处理：对待刻蚀的：AlGaN APD器件进行丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗，120℃/2min烘干，去除表面水汽。
2)光刻：采用安智电子材料有限公司生产的厚胶AZ P4620作为干法刻蚀所需掩蔽层，依次经历匀胶、软烘、曝光、显影、后烘等工艺步骤。详细实验参数如下：匀胶转速为2500r/min，时间为60s；软烘温度为100℃，时间为7min；光刻机光强为10mW/cm2，曝光时间为60s，；显影溶液为AZ 400K:H2O＝1:4的稀释液，显影时间为80s，后烘温度为110℃，时间为1min。经台阶仪测量，此时光刻胶的膜厚约10μm。
3)光刻胶回流：对光刻胶进行高温坚膜，极小的倾斜角度。高温坚膜温度为180℃，时间为15min。经台阶仪测量，此时光刻胶高度最高为～8.2μm，倾斜角度为～18°，如图7所示。
4)图形转移：采用感应耦合等离子体(ICP)干法刻蚀方法，在刻蚀样片的过程中，也将光刻胶的倾斜角度转移到了样片中，形成了AlGaN斜角台面。
5)去胶：刻蚀完成后，将样片放入强氧化剂中去除残留掩蔽层，再依次采用丙酮、无水乙醇进行超声清洗，最后用大量去离子水漂洗，氮气吹干。经台阶仪测量，此时AlGaN斜角台面的深度为1.04μm，倾斜角度为～14°。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种AlGaN斜角台面APD器件刻蚀方法，其步骤包括：
1)预处理，清洁待刻蚀的AlGaN APD器件样品；
2)光刻：采用可以形成厚膜的光刻胶，在AlGaN APD器件样品表面制作厚度范围在6-10μm的光刻胶；
3)光刻胶回流：对光刻胶进行高温烘烤，使光刻胶回流，形成12°-18°的倾斜角度；
4)图形转移：对AlGaN APD器件样品进行干法刻蚀，将光刻胶倾角转移到AlGaN APD器件样品上形成倾斜侧壁，其横断面为梯形；
5)去胶：将刻蚀后的AlGaN APD器件样品放入强氧化剂中去除残留光刻胶。
2.根据权利要求1所述的AlGaN斜角台面APD器件刻蚀方法，其特征在于：步骤2)中光刻胶为AZ P4620。
3.根据权利要求1所述的AlGaN斜角台面APD器件刻蚀方法，其特征在于：步骤2)中涂胶参数为：匀胶转速为2500-5000r/min，时间为60s；软烘温度为100℃，时间为4-7min；光刻机光强为10mW/cm2，曝光时间为60s，；显影溶液为AZ 400K:H2O＝1:4的稀释液，显影时间为80s，后烘温度为110℃，时间为1min。
4.根据权利要求1所述的AlGaN斜角台面APD器件刻蚀方法，其特征在于：步骤3)中烘烤温度为180℃，烘烤时间为10-20min。
5.根据权利要求1所述的AlGaN斜角台面APD器件刻蚀方法，其特征在于：步骤4)中干法刻蚀为感应耦合等离子体刻蚀。
6.根据权利要求1所述的AlGaN斜角台面APD器件刻蚀方法，其特征在于：步骤1)中将AlGaN APD器件样品依次采用丙酮、无水乙醇、去离子水进行超声清洗，然后烘干，去除表面水汽。
7.根据权利要求1所述的AlGaN斜角台面APD器件刻蚀方法，其特征在于：步骤5)中将AlGaN APD器件样品放入强氧化剂中去除残留掩蔽层后，再依次采用丙酮、无水乙醇进行超声清洗，最后用大量去离子水漂洗，氮气吹干。
8.根据权利要求1所述的AlGaN斜角台面APD器件刻蚀方法，其特征在于：步骤5)中所述强氧化剂为98％的浓硫酸和30％的过氧化氢，按照体积比3:1混合。
9.根据权利要求1所述的AlGaN斜角台面APD器件刻蚀方法，其特征在于：AlGaN APD器件样品上倾斜侧壁中侧壁与水平面的夹角为8.4°～14°，侧壁垂直高度为0.38～1.04μm。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的AlGaN斜角台面APD器件刻蚀方法，其特征在于：所述AlGaN APD器件样品的材料由AlGaN替换为GaN。
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