CN113555283A - 一种刻蚀GaN基高电子迁移率晶体管异质结的方法 - Google Patents
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Abstract
一种刻蚀GaN基高电子迁移率晶体管异质结的方法，属于半导体加工技术领域。所述GaN基高电子迁移率晶体管异质结包括从上到下依次排列的掩膜材料层、pGaN层、AlGaN层、GaN层和底层材料层，所述方法包括以下步骤：将已经打开掩膜材料层的待刻蚀样品经传送装置传送至反应离子刻蚀机的刻蚀腔，通入第一组刻蚀气体先快速刻蚀大部分pGaN层材料。待第一组刻蚀气体刻蚀结束后，向反应离子刻蚀机的刻蚀腔中通入第二组刻蚀气体慢速刻蚀余下部分pGaN层材料，刻蚀结束后取出样品。本发明所述方法能够选择性刻蚀pGaN并停止在AlGaN层，该刻蚀工艺对AlGaN层的刻蚀量小于2 nm。
Description
技术领域
本发明属于半导体加工技术领域，具体涉及一种刻蚀GaN基高电子迁移率晶体管异质结的方法。
背景技术
随着社会的进步和科技的发展，半导体技术对我们生活的影响越来越明显。生活中处处都会用到半导体器件，我们在生活方面对半导体技术的依赖程度也越来越高，这也促进了半导体技术的发展。
电子电力器件，即半导体功率器件，主要用于电力设备的电能转换和控制电路方面大功率的电子器件。Si、Ge材料被誉为第一代半导体材料，GaAs、InSb化合物被誉为第二代半导体材料，而GaN和SiC等材料被誉为第三代半导体材料。
GaN半导体材料具有禁带宽度大、高击穿电场、高电子饱和漂移速率、导热率好、较小的介电常数等优点。同时，第三代半导体材料比前两代材料具有更加更定的化学性质和耐腐蚀性能，能够在更加恶劣的环境中工作。
氮化镓高电子迁移率晶体管即HEMT器件是一种异质结场效应晶体管，这种器件依靠半导体异质结中具有量子效应的二维电子气（2DEG）形成的沟道，评判器件的性能由二维电子气的密度、迁移率的大小和饱和速度等因素共同决定的。HEMT器件具有电子迁移率高、电流大、电子饱和速度快、热导率高等特点，广泛应用于高温高辐射领域半导体器件的制作，并能降低能耗。同时氮化镓材料具有很强的自发和压电极效应，该特性能够提高HEMT结构中二维电子气的密度和迁移率，因此基于GaN材料的HEMT成为目前高频功率器件和功率开关器件等领域的研究热点。
目前，GaN HEMT 结构以AlGaN/GaN 异质结为主，由于该异质结构导带的偏移比较大，在异质结附近能产生很强的自发和压电极化效应，因此不需要特意掺杂就能在界面处堆积高浓度的2DEG，这样就可以使掺杂原子和载流子在空间上得到分离，减小了二者之间的库仑作用及杂质散射的影响，所以HEMT 具有其他结构难以达到的高电子迁移率。
在HEMT器件制备过程中存在一定的难点，如图1，需要刻蚀pGaN后停在AlGaN表面或AlGaN损伤尽量小于2 nm。该步刻蚀工艺对HEMT器件的性能有着至关重要的作用。而使用传统的GaN刻蚀菜单（如Cl2/BCl3或Cl2/BCl3/Ar体系）对pGaN和AlGaN的刻蚀速率基本一致无选择性刻蚀，刻蚀深度误差无法准确控制在2 nm以内。而AlGaN损伤量越大，该器件的性能就会大大降低。另外刻蚀后，若台阶底部出现“sub-trench”形貌，也会造成器件性能的变差。为了提高该HEMT器件性能，一种有效刻蚀pGaN并对AlGaN低损伤的方法至关重要。
发明内容
解决的技术问题：针对上述技术问题，本发明提供一种刻蚀GaN基高电子迁移率晶体管异质结的方法，所述方法能够选择性刻蚀pGaN并停止在AlGaN层，该刻蚀工艺对AlGaN层的刻蚀量小于2 nm。
技术方案：一种刻蚀GaN基高电子迁移率晶体管异质结的方法，所述GaN基高电子迁移率晶体管异质结包括从上到下依次排列的掩膜材料层、pGaN层、AlGaN层、GaN层和底层材料层，所述方法包括以下步骤：
步骤一.将已经打开掩膜材料层的待刻蚀样品经传送装置传送至反应离子刻蚀机的刻蚀腔，通入第一组刻蚀气体先快速刻蚀大部分pGaN层材料，第一组刻蚀气体为氯基气体、Ar、O2和N2中的至少一种。
步骤二.待第一组刻蚀气体刻蚀结束后，向反应离子刻蚀机的刻蚀腔中通入第二组刻蚀气体慢速刻蚀步骤一中余下部分pGaN层材料，刻蚀结束后取出样品，第二组刻蚀气体为BCl3、SF6和N2，其中SF6和N2的体积比为1~1.2:1，BCl3占BCl3、SF6和N2混合物的50-60vt.%。
作为优选，所述步骤一中快速刻蚀的速率为32~48 nm/min，所述步骤二中慢速刻蚀的速率为7~13 nm/min。
作为优选，所述步骤二中刻蚀结束后取出样品，通过传送装置将样品传送至CVD腔室，在真空条件下对样品进行镀膜保护，最后将样品传出，完成刻蚀。
作为优选，所述镀膜保护中镀膜材料为氧化硅、氮化硅、氧化铝或氧化铪，镀膜厚度为1~500 nm。
作为优选，所述步骤一中氯基气体为Cl2，且Cl2占比小于30 vt.%。
有益效果：相比于传统的GaN刻蚀，本发明所述刻蚀方法有如下优点：
（1）刻蚀停止在AlGaN层，避免负载效应导致的刻蚀不均匀问题；
（2）避免了传统的氯基刻蚀深度不够精确的难题；
（3）刻蚀pGaN台阶，能够有效停止在AlGaN层；
（4）刻蚀pGaN台阶，无sub-trench形貌，对器件性能有很大的积极作用；
（5）在不破坏真空的前提下，对刻蚀后的样品进行原位保护，避免了暴露在空气中吸潮和氧化的不利影响；
（6）制造方法简单、快捷，每种腔室只进入一次，顺序完成工艺加工。比在单台设备之间穿梭的工艺方法节省了大量时间，从而提高了产率。
（7）本发明第二组刻蚀气体为BCl3、SF6和N2，其比例起到协同增效的作用，当BCl3占比太大时，刻蚀pGaN无法有效停在AlGaN上；SF6与N2相比，SF6太多时，上层的掩膜损伤巨大，影响刻蚀；SF6太少时，刻蚀pGaN无法有效停在AlGaN上；N2可以起到增加停止性能；N2太多，BCl3电离出的Cl离子占比增加，轰击作用不足，导致刻蚀不下去，本发明所述方法完全避免了这些问题，能够选择性刻蚀pGaN并停止在AlGaN层，该刻蚀工艺对AlGaN层的刻蚀量小于2 nm。
附图说明
图1 为GaN基HEMT器件经过本发明所述方法刻蚀pGaN层前后示意图。
具体实施方式
下面具体实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
本实施例中刻蚀装置为单腔室刻蚀，即仅采用反应离子刻蚀机。所述反应离子刻蚀机为鲁汶仪器感应耦合等离子体刻蚀机（ICP）。
本实施例中所述刻蚀GaN基高电子迁移率晶体管异质结的方法，所述GaN基高电子迁移率晶体管异质结包括从上到下依次排列的掩膜材料层、pGaN层、AlGaN层、GaN层和底层材料层，所述方法包括以下步骤：
步骤一.将已经打开掩膜材料层的待刻蚀样品经传送装置传送至反应离子刻蚀机的刻蚀腔，通入第一组刻蚀气体先快速刻蚀大部分pGaN层材料，第一组刻蚀气体为氯基气体、Ar、O2和N2中的至少一种，本实施例中刻蚀气体为Cl2和Ar，其中Cl2和Ar的体积比为10:50，Cl2的流量为10 sccm，Ar的流量为50 sccm，刻蚀腔中压力为20~80 mT，刻蚀速率为32~48nm/min；
步骤二.待第一组刻蚀气体刻蚀结束后，向反应离子刻蚀机的刻蚀腔中通入第二组刻蚀气体慢速刻蚀步骤一中剩余的pGaN层材料，刻蚀结束后取出样品，第二组刻蚀气体为BCl3、SF6和N2，其中SF6和N2的体积比为1~1.2:1，BCl3占BCl3、SF6和N2混合物的50-60 vt.%。GaN基HEMT器件经过本实施例所述方法刻蚀pGaN层前后示意图参见图1。
实施例2
本实施例中刻蚀装置为多腔室刻蚀，本实施例中多腔室装置为鲁汶仪器感应耦合等离子体刻蚀机（ICP）。所述多腔室刻蚀装置包括样品装载腔、第一真空过渡腔室、真空传输腔室、反应离子刻蚀机、镀膜腔室（CVD腔室），刻蚀装置允许晶圆在不中断真空的前提下在反应离子等离子体刻蚀腔室、镀膜腔室等腔室按照应用需要的腔室顺序依次在腔室内进行晶圆加工。
本实施例中刻蚀GaN基高电子迁移率晶体管异质结的方法，所述GaN基高电子迁移率晶体管异质结包括从上到下依次排列的掩膜材料层、pGaN层、AlGaN层、GaN层和底层材料层，所述方法包括以下步骤：
步骤一.将已经打开掩膜材料层的待刻蚀样品经传送装置传送至反应离子刻蚀机的刻蚀腔，通入第一组刻蚀气体先快速刻蚀大部分pGaN层材料，第一组刻蚀气体为氯基气体、Ar、O2和N2中的至少一种，本实施例中刻蚀气体为Cl2和Ar，其中Cl2和Ar的体积比为10:50，Cl2的流量为10 sccm，Ar的流量为50 sccm，刻蚀腔中压力为20~80 mT，刻蚀速率为32~48nm/min；
步骤二.待第一组刻蚀气体刻蚀结束后，向反应离子刻蚀机的刻蚀腔中通入第二组刻蚀气体慢速刻蚀步骤一中剩余的pGaN层材料，刻蚀结束后取出样品，通过传送装置将样品传送至CVD腔室，在真空条件下对样品进行原位镀膜5 nm（镀膜厚度1~500nm均可，根据实际需求选择），最后将样品取出，完成刻蚀，第二组刻蚀气体为BCl3、SF6和N2，其中SF6和N2的体积比为1~1.2:1，BCl3占BCl3、SF6和N2混合物的50-60 vt.%。
以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内做出的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。
此外，本发明所述方法也可用于刻蚀GaAs停在AlGaAs层。
Claims (5)
1.一种刻蚀GaN基高电子迁移率晶体管异质结的方法，其特征在于，所述GaN基高电子迁移率晶体管异质结包括从上到下依次排列的掩膜材料层、pGaN层、AlGaN层、GaN层和底层材料层，所述方法包括以下步骤：
步骤一.将已经打开掩膜材料层的待刻蚀样品经传送装置传送至反应离子刻蚀机的刻蚀腔，通入第一组刻蚀气体先快速刻蚀大部分pGaN层材料，第一组刻蚀气体为氯基气体、Ar、O2和N2中的至少一种；
步骤二.待第一组刻蚀气体刻蚀结束后，向反应离子刻蚀机的刻蚀腔中通入第二组刻蚀气体慢速刻蚀步骤一中余下部分pGaN层材料，刻蚀结束后取出样品，第二组刻蚀气体为BCl3、SF6和N2，其中SF6和N2的体积比为1~1.2:1，BCl3占BCl3、SF6和N2混合物的50-60 vt.%。
2.根据权利要求1所述的一种刻蚀GaN基高电子迁移率晶体管异质结的方法，其特征在于，所述步骤一中快速刻蚀的速率为32~48 nm/min，所述步骤二中慢速刻蚀的速率为7~13nm/min。
3.根据权利要求1所述的一种刻蚀GaN基高电子迁移率晶体管异质结的方法，其特征在于，所述步骤二中刻蚀结束后取出样品，通过传送装置将样品传送至CVD腔室，在真空条件下对样品进行镀膜保护，最后将样品传出，完成刻蚀。
4.根据权利要求3所述的一种刻蚀GaN基高电子迁移率晶体管异质结的方法，其特征在于，所述镀膜保护中镀膜材料为氧化硅、氮化硅、氧化铝或氧化铪，镀膜厚度为1~500 nm。
5.根据权利要求1所述的一种刻蚀GaN基高电子迁移率晶体管异质结的方法，其特征在于，所述步骤一中氯基气体为Cl2，且Cl2占比小于30 vt.%。
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