CN109887872A - 用于制备凹槽栅增强型器件的精准刻蚀装置及其刻蚀方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于制备凹槽栅增强型器件的精准刻蚀装置及其刻蚀方法。本发明提供的装置包括电感耦合等离子体刻蚀腔、电流检测装置、电感线圈、射频源、机械泵及分子泵；电流检测装置与电感耦合等离子体刻蚀腔连接；电感线圈与电感耦合等离子体刻蚀腔连接；射频源与电感线圈连接；机械泵和分子泵与电感耦合等离子体刻蚀腔连接。该装置在制备HEMT器件的过程中，当显示电流为零时，二维电子气沟道被关断，达到刻蚀终点，避免过度刻蚀造成栅极漏电及损伤二维电子气沟道，实现精准刻蚀。本发明仅额外接一个电流检测装置，无需增添额外的操作步骤，即可实现精确刻蚀，操作简便，有利于提高增强型HEMT器件产品良率，具有很高的实用价值。

Description

用于制备凹槽栅增强型器件的精准刻蚀装置及其刻蚀方法
技术领域
本发明涉及干法刻蚀领域，具体涉及一种用于制备凹槽栅增强型器件的精准刻蚀装置及其刻蚀方法。
背景技术
GaN HEMT器件由于具有击穿电压大、电子迁移率高、饱和速率大等优点，被认为是下一代功率器件最理想的材料之一，近年来备受研究者青睐。由于较强的自发极化和压电极化效应，常规的HEMT器件大多为耗尽型器件。为了能够在节约设计成本的同时提高电路的安全性与工作效率，实现增强型HEMT器件具有重大意义。
为了实现增强型HEMT器件，常用的方法有Cascode级联技术、F离子注入技术、p型栅结构、凹槽栅结构。
Cascode级联技术是商用增强型HEMT最早采用的一种技术，将增强型硅基MOSFET与耗尽型的AlGaN/GaN HEMT器件串联，HEMT器件栅极连接MOSFET的源极使HEMT沟道保持常开状态，通过增强型MOSFET的栅极来控制整体沟道的通断，实现高耐压增强型HEMT器件。但这类增强型器件的开关速度主要由硅器件决定，大幅降低信号输出频率，限制GaN材料优势的发挥，且封装难度大。F离子注入技术通过离子注入的方式在栅下AlGaN势垒层中引入氟离子，提升栅下AlGaN层导带高度，当使其上升到了费米能级以上时即可耗尽了栅下沟道的二维电子气，实现增强型器件。但Ｆ离子注入会给器件带来损伤，且由于F稳定性差，会带来器件可靠性较差、阈值电压不稳定等问题。p型栅结构是在未人为掺杂的AlGaN势垒层和栅极金属之间引入一层p型掺杂的GaN或AlGaN外延，抬升整个异质结的导带从而耗尽栅极下方沟道中的2DEG，使器件由耗尽型转变到增强型。但p型GaN选择性生长和激活工艺难度都很大，此类芯片价格极为昂贵。因此，采用Cascode级联技术、F离子注入技术及p型栅结构制备的增强型器件均难以实现增强型HEMT器件产业化。
目前实现增强型HEMT器件较有前景的工艺技术是凹槽栅结构。凹槽栅结构是在刻蚀栅极下方区域一定厚度的AlGaN势垒层，使器件的阈值电压正向移动，同时减小栅极与二维电子气沟道层的间距,提高栅极的控制能力，有效降低器件的短沟道效应，提高器件跨导，具有优异的高频特性，因此凹槽栅结构也是目前增强型AlGaN/GaN HEMT器件结构的研究热点。
采用凹槽栅结构制备增强型器件，需要刻蚀一定深度的势垒层,由于AlGaN的化学性质稳定，因此难以通过湿法刻蚀实现，通常都采用干法刻蚀。但在干法刻蚀中，难以把控刻蚀深度，不同的刻蚀深度对器件特性具有较大影响，因此需要精准掌控刻蚀深度。同时，刻蚀过程中产生的等离子体具有较高的刻蚀速率，如果工艺控制不合理或反应腔室内气体流量、温度、气体回流等状态出现细微变化，都会造成过度刻蚀，损伤下一层材料，影响器件稳定性，甚至造成器件失效。因此，设计一种能够实现精准刻蚀的装置和刻蚀方法，对实现凹槽栅增强型HEMT器件产业化具有积极意义。
为准确控制刻蚀深度，业界内普遍使用的是光学光谱发射法和激光干涉法。光学光谱发射法是利用等离子体反应物或生成物所发射波长光的强度变化来判断，在刻蚀终点时反应物光强变强，生成物光强减弱。但该方法在刻蚀速率很慢或刻蚀面积很小时，所接收到的光强信号很弱，无法准确检测。激光干涉法是通过激光光源检测薄膜厚度的变化以实现监控刻蚀深度，但该方法要求被刻蚀样品的透光性好，激光必须聚焦在被刻蚀区域，且被激光聚焦的区域温度会升高，影响刻蚀速率。
以上的刻蚀方法均有其局限性，仍未能简便有效地实现精准刻蚀，还需配备专门的光学终点检测仪或激光装置，增加控制难度，提高成本。
发明内容
为了克服现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种用于制备凹槽栅增强型器件的精准刻蚀装置及其刻蚀方法。
目前现有的干法刻蚀工艺存在刻蚀深度难以控制、容易对器件造成损伤的不足，本发明提供的一种用于制备凹槽栅增强型器件的精准刻蚀装置和及其应用于刻蚀的方法，能够克服现有技术存在的不足。
为了实现上述目的，本发明提供的技术方案是在等离子体刻蚀腔内引穿板电极与外部电流检测装置导通，电极连接GaN HEMT器件的源漏极构成电流回路，通过观察电流变化，实时监控刻蚀深度。在刻蚀凹槽栅过程中，势垒层不断减薄，二维电子气浓度降低，电流减小，当电流为零时，即实现增强型，刻蚀终止，有效避免过度刻蚀造成栅极漏电及损伤二维电子气沟道，实现精准刻蚀。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
本发明提供的一种用于制备凹槽栅增强型器件的精准刻蚀装置，包括电感耦合等离子体刻蚀腔、电流检测装置、电感线圈、射频源、机械泵及分子泵；所述电流检测装置通过导线与电感耦合等离子体刻蚀腔连接；所述电感线圈与电感耦合等离子体刻蚀腔连接；所述射频源与电感线圈连接；所述机械泵和分子泵与电感耦合等离子体的侧面连接。
进一步地，所述电感耦合等离子体刻蚀腔包括腔体、基座、射频偏置功率源、穿板电极、探针、陶瓷套筒以及气体阀门。
进一步地，所述电感耦合等离子体刻蚀腔的腔体侧壁上设置了两个穿板电极，在腔体内电极接探针与HEMT器件源漏极相连，在腔体外电极与电流检测装置相连，构成电流回路。
进一步地，所述电感耦合等离子体刻蚀腔的腔体底部（内部）设置基座，所述基座下部与射频偏置功率源连接，射频偏置功率源能够增加等离子体轰击的能量。
进一步地，所述电感耦合等离子体刻蚀腔的腔体内部设有承载待刻蚀基片的基座，基座下方连接射频偏置功率源，以便增加等离子体轰击能量。
进一步地，所述电感耦合等离子体刻蚀腔的腔体侧壁设置穿板电极（两个）；所述穿板电极一端与探针连接，穿板电极的另一端与电流检测装置连接。
进一步地，所述探针与HEMT器件源漏极连接；所述陶瓷套筒设置在电感耦合等离子体刻蚀腔的腔体上部，所述陶瓷套筒与电感耦合等离子体刻蚀腔的腔体连通，陶瓷套筒与电感线圈连接；在电感耦合等离子体刻蚀腔的腔体上部设置与电感耦合等离子体刻蚀腔相通的陶瓷套筒，套筒外侧有电感耦合线圈缠绕，电感耦合线圈连接射频源；在所述电感耦合线圈中通入射频电流，能够产生交变磁场，将工艺气体激发为高密度等离子体。
进一步地，所述陶瓷套筒的顶部设置气体阀门，通过气体阀门与工艺气体管道连通。
进一步地，所述电感耦合等离子体刻蚀腔的腔体底部设有分别与机械泵和分子泵连接的两个阀门，以便机械泵和分子泵对电感耦合等离子体刻蚀腔抽真空，以及在刻蚀过程中及时抽走反应气体。
进一步地，所述电感耦合等离子体刻蚀腔的腔体侧壁设置两个穿板电极，在电感耦合等离子体刻蚀腔的腔体内，两个穿板电极均通过连接探针与待刻蚀基片上（HEMT器件）源漏极相连；在电感耦合等离子体刻蚀腔的腔体外，两个穿板电极均与电流检测装置连接，构成电流闭合回路。
进一步地，所述电感线圈为电感耦合线圈，缠绕在陶瓷套筒上，电感线圈通入射频电流，能够产生交变磁场，将工艺气体激发为高密度等离子体。
进一步地，所述电感耦合等离子体刻蚀腔的腔体材质为耐高压合金钢。
进一步地，所述探针为铍铜镀金探针。
本发明提供的一种采用上述的精准刻蚀装置制备凹槽栅增强型HEMT器件的刻蚀方法，包括以下步骤：
（1）将待刻蚀基片送入电感耦合等离子体刻蚀腔的腔体内，放置在基座上；
（2）分别将探针、电流检测装置与穿板电极连接；
（3）分别将探针与器件同一单元的源漏极相接，构成闭合电流回路；
（4）打开机械泵和分子泵连接的阀门，使用机械泵和分子泵对电感耦合等离子体刻蚀腔的腔室抽真空，通入刻蚀气体；
（5）开启射频源及射频偏置功率源，对基片进行刻蚀；
（6）刻蚀过程中，HEMT器件的势垒层不断减薄，二维电子气浓度降低，输出电流也会随之变化，通过观察电流实时监控刻蚀深度，电流显示为零时即达到了实现增强型的刻蚀深度，结束刻蚀；
（7）关闭射频源及偏置功率源，将刻蚀后的基片送出，得到所述凹槽栅增强型HEMT器件。
进一步地，步骤（6）利用输出电流与刻蚀深度的关系，在刻蚀腔内引电极与外部电流检测装置导通构成电流闭合回路。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
（1）本发明巧妙地运用了GaN HMET器件中势垒层厚度与二维电子气浓度间的关系特性，巧妙地转化为刻蚀深度与电流大小的关系，直接通过观察电流变化监控刻蚀深度，电流为零时即可结束刻蚀，直观，精度高，可操作性强；
（2）现有用于干法刻蚀中控制刻蚀深度的工艺大多是刻蚀终点检测和自停止刻蚀工艺，步骤复杂，精度有限；而本发明的刻蚀装置只需外接一个简易的电流检测装置，结构简单，结果直观，易控制，不增添额外的工艺步骤，有利于产业化；
（3）在刻蚀过程中，刻蚀工艺控制不合理或反应腔室内气体流量、温度、气体回流等状态出现细微变化，都会造成刻蚀异常，这些异常可通过电流变化异常反映出来，本发明提供的装置有利于及时发现处理，避免造成产品报废。
附图说明
图1为本发明提供的用于制备凹槽栅增强型器件的精准刻蚀装置中，穿板电极与电感耦合等离子体刻蚀腔的连接主视图；
图2为本发明提供的用于制备凹槽栅增强型器件的精准刻蚀装置的结构示意图；
其中，1. 电感耦合等离子体刻蚀腔；2. 基座；3. 射频偏置功率源；4. 穿板电极；5.探针；6. 电流检测装置；7. 陶瓷套筒；8. 电感线圈；9. 气体阀门；10. 射频源；11. 机械泵；12. 分子泵。
具体实施方式
以下结合附图和实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。
实施例1
本发明的精准刻蚀装置结构示意图如图2所示，包括电感耦合等离子体刻蚀腔1、电流检测装置6、电感线圈8、射频源10、机械泵11以及分子泵12。
在电感耦合等离子体刻蚀腔1的腔体底部中心位置设有一个基座2，用于放置待刻蚀基片，所述基座2与射频偏置功率源3相连，所述射频偏置功率源3提供离子轰击的能量；
在电感耦合等离子体刻蚀腔1的腔体侧壁中部设有两个穿板电极4，穿板电极的内部结构以及与电感耦合等离子体刻蚀腔连接如图1所示，穿板电极包括粗引线管、细引线管以及引线，其中粗引线管与电感耦合等离子体刻蚀腔的腔体侧壁连接，所述粗引线管与细引线管间以螺纹连接，细引线孔中包含连续的引线；在电感耦合等离子体刻蚀腔1的腔体内，两个穿板电极4分别连接两根探针5，两根探针5分别与待刻蚀基片上同一单元的源漏极相连；在电感耦合等离子体刻蚀腔1的腔体外部，两个穿板电极4均与电流检测装置6相连，构成一个闭合回路；
在电感耦合等离子体刻蚀腔1的腔体上部设有一个陶瓷套筒7，陶瓷套筒7外侧缠绕有电感线圈8，顶部设有气体阀9；电感线圈8与射频源10相连，能够产生电感交变磁场，将从气体阀9排入的工艺气体激发为等离子体；
在电感耦合等离子体刻蚀腔1的腔体底部分别设有与机械泵11、分子泵12相连的阀门，以便机械泵11和分子泵12对电感耦合等离子体刻蚀腔的腔体1抽真空，及在刻蚀过程中及时抽走反应气体。
实施例2
以实施例2为例说明本发明的刻蚀方法，采用所述精准刻蚀装置制备凹槽栅增强型HEMT器件的刻蚀方法，包括如下的步骤：
（1）将待刻蚀的基片送入电感耦合等离子体刻蚀腔1的腔体内中，所述待刻蚀的基片放置于基座2上；
（2）将电流检测装置6与两个穿板电极4连接；
（3）将两个探针5分别与两个穿板电极4连接，调整探针5，使探针5分别与待刻蚀的基片器件中同一单元内的源漏极连接，构成闭合回路；
（4）开启机械泵11，对电感耦合等离子体刻蚀腔1的腔体抽真空；
（5）当真空度抽到150mTorr时，开启分子泵12，进一步抽真空至腔体内部压强为5mT；
（6）通过气体阀门9通入Cl2和BCl3混合气体；
（7）开启射频源10，功率参数设置为250W，与射频源连接的电感线圈8通入射频电流，使得电感线圈缠绕的陶瓷套筒内7产生交变磁场，将Cl2和BCl3混合气体激发为等离子体；
（8）开启射频偏置功率源3，功率参数设置为30W，增大离子轰击能量；
（9）刻蚀过程中，通过电流检测装置6观察电流变化，当电流显示为零时，达到刻蚀终点，关闭射频源10和射频偏置功率源3；
（10）刻蚀结束，将刻蚀后的基片送出，得到所述凹槽栅增强型HEMT器件。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员，在不脱离本申请原理的前提下，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于制备凹槽栅增强型器件的精准刻蚀装置，其特征在于，包括电感耦合等离子体刻蚀腔、电流检测装置、电感线圈、射频源、机械泵及分子泵；所述电流检测装置通过导线与电感耦合等离子体刻蚀腔连接；所述电感线圈与电感耦合等离子体刻蚀腔连接；所述射频源与电感线圈连接；所述机械泵和分子泵与电感耦合等离子体刻蚀腔连接。
2.根据权利要求1所述的用于制备凹槽栅增强型器件的精准刻蚀装置，其特征在于，所述电感耦合等离子体刻蚀腔包括腔体、基座、射频偏置功率源、穿板电极、探针、陶瓷套筒以及气体阀门。
3.根据权利要求2所述的用于制备凹槽栅增强型器件的精准刻蚀装置，其特征在于，所述电感耦合等离子体刻蚀腔的腔体底部设置基座，所述基座下部与射频偏置功率源连接，所述射频偏置功率源能够增加等离子体轰击能量；所述电感耦合等离子体刻蚀腔的腔体侧壁设置穿板电极；所述穿板电极一端与探针连接，穿板电极的另一端与电流检测装置连接。
4.根据权利要求2所述的用于制备凹槽栅增强型器件的精准刻蚀装置，其特征在于，所述探针与待刻蚀基片上源漏极连接；所述陶瓷套筒设置在电感耦合等离子体刻蚀腔的腔体上部，陶瓷套筒与电感线圈连接；所述陶瓷套筒的顶部设置气体阀门，通过气体阀门与工艺气体管道连通。
5.根据权利要求2所述的用于制备凹槽栅增强型器件的精准刻蚀装置，其特征在于，所述电感耦合等离子体刻蚀腔的腔体底部设有分别与机械泵和分子泵连接的两个阀门，机械泵和分子泵能够通过阀门对电感耦合等离子体刻蚀腔的腔体内部抽真空以及在刻蚀过程中抽走反应气体。
6.根据权利要求1所述的用于制备凹槽栅增强型器件的精准刻蚀装置，其特征在于，所述电感耦合等离子体刻蚀腔的腔体侧壁设置两个穿板电极，在电感耦合等离子体刻蚀腔的腔体内，两个穿板电极分别连接两个探针，所述两个探针与待刻蚀基片上同一单元的源漏极相连；在电感耦合等离子体刻蚀腔的腔体外，两个穿板电极均与电流检测装置连接，构成电流闭合回路。
7.根据权利要求1所述的用于制备凹槽栅增强型器件的精准刻蚀装置，其特征在于，所述电感线圈为电感耦合线圈，缠绕在陶瓷套筒上，电感线圈通入射频电流，能够产生交变磁场，将工艺气体激发为高密度等离子体。
8.根据权利要求1所述的用于制备凹槽栅增强型器件的精准刻蚀装置，其特征在于，所述电感耦合等离子体刻蚀腔的腔体材质为耐高压合金钢。
9.根据权利要求1所述的用于制备凹槽栅增强型器件的精准刻蚀装置，其特征在于，所述探针为铍铜镀金探针。
10.一种采用权利要求1-9任一项所述的精准刻蚀装置制备凹槽栅增强型HEMT器件的刻蚀方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将待刻蚀基片送入电感耦合等离子体刻蚀腔的腔体内，所述待刻蚀基片放置在基座上；
（2）分别将探针、电流检测装置与穿板电极连接；
（3）分别将探针与待刻蚀基片上同一单元的源漏极相接，构成闭合电流回路；
（4）打开机械泵和分子泵连接的阀门，使用机械泵和分子泵对电感耦合等离子体刻蚀腔的腔体内抽真空，通入刻蚀气体；
（5）开启射频源及射频偏置功率源，对基片进行刻蚀；
（6）刻蚀过程中，HEMT器件的势垒层不断减薄，二维电子气浓度降低，输出电流也会随之变化，通过观察电流实时监控刻蚀深度，电流显示为零时即达到了实现增强型的刻蚀深度，结束刻蚀；
（7）关闭射频源及偏置功率源，将刻蚀后的基片送出，得到所述凹槽栅增强型HEMT器件。
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