CN111599872A - 一种GaN基平面肖特基变容管的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体器件的制作领域，具体是一种GaN基平面肖特基变容管的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：1)对准标记的制作；2)欧姆电极的制作；3)一次平坦化制作肖特基“金属檐”结构；4)肖特基金属蒸发；5)刻蚀绝缘台；6)二次平坦化；7)电镀形成空气桥、电极pad及互连金属，即得到GaN基平面肖特基变容管。本发明有效改善“金属檐”结构的刻蚀条件，提高侧墙的表面质量并降低侧墙表面陷阱电荷，从而提高器件的反偏特性；改善“空气桥”结构由工艺引入的误差，有效降低器件的寄生电容。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件的制作领域，具体是一种基于平坦化技术GaN基平面肖特基变容管的制备方法。
背景技术
太赫兹波是介于微波毫米波和与红外光之间的电磁波，其频率范围通常在100GHz～10THz之间，对应波长为0.03～3mm。20世纪90年代以来，随着激光技术、化合物半导体技术的发展，人们对太赫兹科学的研究取得了很大的进展。太赫兹频域处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，鉴于其特殊的频谱位置，太赫兹波表现出许多优良的特性，包括：能够穿透大部分非金属材料，且不会引起材料中分子电离，特别适合于对生物组织的活体检测以及下一代安全的安检成像应用；具有量子特性，不仅可以被指定的准光学器件反射、聚焦而在指定的波导中传输，同时还可以穿透很多不透明的物体，比如陶瓷、塑料、木质、有机材料等，适合于对密封物品的检测以及安全检查；可以利用太赫兹波的这一特性来探测大气中的特定成分，比如水汽、冰云、臭氧以及大气环境质量的监测。凭借着如此优良的特性，太赫兹技术被广泛应用于空间科学领域、物质探测、通信领域、生物科学领域中。
目前，固态倍频振荡电路的核心器件是砷化镓(GaAs)基肖特基二极管，由于国内化合物半导体工艺技术及GaAs材料固有低击穿电场的限制，基于GaAs材料的倍频电路并不能满足高功率需求。GaN作为第三代宽禁带半导体材料，拥有高于GaAs材料8倍的击穿场强以及高热导率、高电子饱和速度、高频优值等特点，符合高频率、大功率器件的需求。同时基于GaN肖特基二极管的180GHz倍频电路已有报道，且输出功率能够达到最先进的GaAs倍频器水平，说明GaN材料在太赫兹高功率倍频电路领域有很大的应用前景。
根据公开报道的GaN基肖特基变容管，其反偏特性，包括反向漏电流及击穿电压仍有较大的提升空间，改善GaN变容管的反偏特性能够有效提高倍频电路的转换效率及输出功率。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种基于平坦化工艺GaN基平面肖特基变容管的制作方法。本发明有效改善“金属檐”结构的刻蚀条件，提高侧墙的表面质量并降低侧墙表面陷阱电荷，从而提高器件的反偏特性；改善“空气桥”结构由工艺引入的误差，有效降低器件的寄生电容。
为达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种GaN基平面肖特基变容管的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
1)对准标记的制作：
选用碳化硅衬底的GaN外延片，采用电子束蒸发Ti/Au在外延片完成对准标记图形的转移；
2)欧姆电极的制作：
匀胶光刻后在指定位置采用ICP等离子刻蚀去除轻掺杂GaN层，露出重掺杂的GaN区域，然后在所露出的重掺杂的GaN区域采用电子束蒸发Ti/Al/Ni/Au作为器件的阴极金属，随后热退火处理形成非整流的欧姆接触；所述指定位置是用于制备欧姆接触的区域；
3)一次平坦化制作肖特基“金属檐”结构：
将n型轻掺杂层上需要形成阳极的区域采用正胶保护，使用ICP等离子刻蚀法将除阳极以外的n型轻掺杂层去除形成近垂直的阳极GaN台柱，随后在该台柱以外的区域旋涂一层高分子聚合物，并热板固化，接着在该区域旋涂第二层光刻胶并光刻出相应的区域，完成表面的平坦化；
4)肖特基金属蒸发：
匀胶光刻后在阳极GaN台柱表面采用电子束蒸发Ni/Au作为器件的阳极，并使用lift-off工艺完成金属的剥离，并去除高分子聚合物，形成肖特基“金属檐”终端结构；
5)刻蚀绝缘台：
使用ICP等离子刻蚀法刻蚀重掺杂的GaN层至SiC衬底，得到绝缘台；
6)二次平坦化：
采用高分子聚合物对步骤5)刻蚀形成的沟槽进行填充，沟槽最低点的高分子聚合物高于阳极GaN台柱表面，随后，在沟槽区域覆盖一层光刻胶，在氧等离子中刻蚀，去除顶层光刻胶并完成沟槽的平坦化；
7)电镀形成空气桥、电极pad及互连金属：
采用负胶作为图形的转移光刻胶，并依次溅射厚度为30-80nm的Ti和Au起镀层金属，将起镀层金属以电镀的方式加厚，去除沟槽中的高分子聚合物以及表面的光刻胶，即得到GaN基平面肖特基变容管。
优选地，GaN外延片结构从下至上依次为：SiC衬底、绝缘的GaN过渡层、n型重掺杂层、n型轻掺杂层。
优选地，步骤2)-3)以及5)中，ICP等离子刻蚀条件：ICP功率为360W，RF功率为40W，刻蚀气体为Cl2/BCl3的混合气体，比例为Cl2：BCl3＝10：1，腔体压强为1.5Pa。
优选地，所述高分子聚合物为PMMA。
本发明针对GaN平面肖特基变容管的“金属檐”终端结构提供一种基于平坦化工艺的制备方法。在该方法中包含两步平坦化工艺：1、利用ICP干法刻蚀技术刻蚀GaN外延层并采用平坦化工艺实现“金属檐”终端结构；2、采用平坦化工艺实现空气桥的制作。
本发明采用一定浓度的PMMA及光刻胶对干法刻蚀的敏感度实现底层PMMA的平整；两步平坦化工艺中底层PMMA及顶层光刻胶厚度有所差异，即需要平坦化的沟槽深度不同，所使用的厚度不同。本发明起镀层金属溅射选择负胶(反转胶)，简化了电镀的工艺流程并提高了电镀金属表面的光滑。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、有效控制GaN的刻蚀条件，提高“金属檐”结构侧墙的表面质量，有效降低侧墙表面陷阱电荷。
2、降低空气桥工艺中带来的误差，从而降低器件的寄生电容。
附图说明
图1-8为本发明GaN基平面肖特基变容管的制备方法中不同步骤所涉及的结构示意图；
图9为本发明GaN基平面肖特基变容管的三维结构图；
图10为图9中圆形框内的细节图。
具体实施方式
本说明书中公开得任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或者类似特征中的一个例子而已。所述仅仅是为了帮助理解本发明，不应该视为对本发明的具体限制。
下面以附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
一种GaN基平面肖特基变容管的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
1)选用直径2英寸的碳化硅(SiC)衬底的GaN外延片(可提高GaN外延层材料的结晶质量，降低位错密度)，如图1所示，该外延片结构从下至上依次为：360um厚的SiC衬底、绝缘的GaN过渡层、厚度为3um的n型重掺杂GaN层，掺杂浓度为1*1019/cm-3、厚度为300nm的n型轻掺杂GaN层，掺杂浓度为2*1017/cm-3；
2)定位标定-对准标记的制作：
光刻设备采用接触式或步进式曝光机，设计对准图形，并采用电子束蒸发Ti/Au在外延片完成图形所示对准标记的转移；电子束蒸发Ti/Au是指依次蒸发Ti和Au二层的金属层；
3)欧姆电极的制作：
采用匀胶机旋涂光刻胶，并光刻出所需图形，在图2中向下箭头所指的位置采用ICP等离子刻蚀去除轻掺杂GaN层，露出重掺杂GaN层，并在所露出重掺杂GaN层的区域采用电子束蒸发Ti/Al/Ni/Au作为器件的阴极金属，随后在N2环境下850℃进行30s快速热退火处理形成非整流的欧姆接触，如图3所示以及图9中的区域1所示；电子束蒸发Ti/Al/Ni/Au是指依次蒸发Ti、Al、Ni、Au四层的金属层；
ICP等离子刻蚀条件：ICP功率为360W，RF功率为40W，刻蚀气体为Cl2/BCl3的混合气体，比例为Cl2：BCl3＝10：1，腔体压强为1.5Pa。
4)采用第一次平坦化技术制作肖特基“金属檐”结构：
将n型轻掺杂层上需要形成阳极的区域采用正胶保护，采用ICP刻蚀法将除阳极以外的n型轻掺杂层去除形成近垂直的阳极GaN台柱，阳极柱如图10中的区域2所示，刻蚀槽深度约300nm，如图4a所示；随后在该阳极GaN台柱以外区域旋涂一层高分子聚合物(聚甲基丙烯酸甲酯，polymethyl methacrylate，简称PMMA)，厚度约800nm，并在180℃的热板固化3分钟，接着在需要平坦化的区域(阳极GaN圆柱形台面以外的区域)旋涂第二层光刻胶并光刻出相应的区域，如图4b所示。顶层光刻胶的刻蚀速率小于底层的PMMA，完成表面的平坦化，结果如图4c所示；
第一次平坦化的目的是：肖特基“金属檐”终端结构被证明能够有效提升肖特基变容管的反偏特性，然而现有的GaN刻蚀技术无法实现该结构的钻蚀效果。因此采用平坦化工艺实现该终端结构的制作，该平坦化工艺还可以改善由ICP刻蚀带来的侧墙表面损伤，从而降低侧墙表面的陷阱电荷。
5)肖特基金属蒸发：
匀胶光刻后在阳极GaN台柱表面采用电子束蒸发Ni/Au作为器件的阳极(肖特基接触)，并使用lift-off工艺完成金属的剥离。与此同时，将高分子聚合物PMMA采用有机溶剂溶解，从而形成所需要的肖特基“金属檐”终端结构，如图5所示；电子束蒸发Ni/Au是指依次蒸发Ni和Au二层的金属层；
6)刻蚀绝缘台(绝缘台如图9中的区域4所示)：
使用ICP刻蚀法刻蚀重掺杂的GaN层至SiC衬底，如图6所示，并保证刻蚀侧壁及刻蚀平面的光滑；
7)第二次平坦化：
步骤6)刻蚀的沟槽(该沟槽如图9中的区域3所示)的厚度较大，可采用4层不同浓度的高分子聚合物PMMA对沟槽填充，底层至顶层的PMMA浓度逐渐增加，以形成均匀的填充效果，直到沟槽最低点的高分子聚合物PMMA高于阳极柱的台面；随后，在沟槽区域的顶层高分子聚合物上覆盖一层光刻胶，所覆盖的光刻胶层厚度要大于一次平坦化中光刻胶的厚度，便于实现较深沟槽的平坦化，如图7a所示；在氧等离子中刻蚀，去除顶层光刻胶并完成沟槽的平坦化，如图7b所示；
8)电镀形成空气桥、电极pad及互连金属：
完成步骤7)所述沟槽的平坦化后，采用lift-off工艺完成起镀层金属的溅射；首先采用负胶作为图形的转移光刻胶，并依次溅射厚度为30-80nm的Ti和Au起镀层金属，为接下来的电镀提供稳定的电流；再以电镀的方式将起镀层金属加厚至2um，其他区域采用正胶保护，最后在丙酮溶液中浸泡去除沟槽中的高分子聚合物PMMA以及表面的光刻胶，即得到GaN基平面肖特基变容管，如图8-10所示，其中，互连金属搭接在左侧绝缘台的欧姆接触和右侧绝缘台的阳极柱上。
本实施例可有效控制GaN的刻蚀条件，提高“金属檐”结构侧墙的表面质量，有效降低侧墙表面陷阱电荷，降低空气桥工艺中带来的误差，从而降低器件的寄生电容。
本发明的工艺参数(如温度、时间等)区间上下限取值以及区间值都能实现本法，在此不一一列举实施例。
本发明未详细说明的内容均可采用本领域的常规技术知识。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种GaN基平面肖特基变容管的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
1)对准标记的制作：
选用碳化硅衬底的GaN外延片，采用电子束蒸发Ti/Au在外延片完成对准标记的转移；
2)欧姆电极的制作：
匀胶光刻后在指定位置采用ICP等离子刻蚀去除轻掺杂GaN层，露出重掺杂的GaN区域，然后在所露出的重掺杂的GaN区域采用电子束蒸发Ti/Al/Ni/Au作为器件的阴极金属，随后热退火处理形成非整流的欧姆接触；所述指定位置是用于制备欧姆接触的区域；
3)一次平坦化制作肖特基“金属檐”结构：
将n型轻掺杂层上需要形成阳极的区域采用正胶保护，使用ICP等离子刻蚀法将除阳极以外的n型轻掺杂层去除形成近垂直的阳极GaN台柱，随后在该台柱以外的区域旋涂一层高分子聚合物，并热板固化，接着在该区域旋涂第二层光刻胶并光刻出相应的区域，完成表面的平坦化；
4)肖特基金属蒸发：
匀胶光刻后在阳极GaN台柱表面采用电子束蒸发Ni/Au作为器件的阳极，并使用lift-off工艺完成金属的剥离，并去除高分子聚合物，形成肖特基“金属檐”终端结构；
5)刻蚀绝缘台：
使用ICP等离子刻蚀法刻蚀重掺杂的GaN层至SiC衬底，得到绝缘台；
6)二次平坦化：
采用高分子聚合物对步骤5)刻蚀形成的沟槽进行填充，沟槽最低点的高分子聚合物高于阳极GaN台柱表面，随后，在沟槽区域覆盖一层光刻胶，在氧等离子中刻蚀，去除顶层光刻胶并完成沟槽的平坦化；
7)电镀形成空气桥、电极pad及互连金属：
采用负胶作为图形的转移光刻胶，并依次溅射厚度为30-80nm的Ti和Au起镀层金属，将起镀层金属以电镀的方式加厚，去除沟槽中的高分子聚合物以及表面的光刻胶，即得到GaN基平面肖特基变容管。
2.根据权利要求1所述的GaN基平面肖特基变容管的制备方法，其特征在于，GaN外延片结构从下至上依次为：SiC衬底、绝缘的GaN过渡层、n型重掺杂层、n型轻掺杂层。
3.根据权利要求1所述的GaN基平面肖特基变容管的制备方法，其特征在于，步骤2)-3)以及5)中，ICP等离子刻蚀条件：ICP功率为360W，RF功率为40W，刻蚀气体为Cl2/BCl3的混合气体，比例为Cl2：BCl3＝10：1，腔体压强为1.5Pa。
4.根据权利要求1所述的GaN基平面肖特基变容管的制备方法，其特征在于，所述高分子聚合物为PMMA。
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