CN117672846A - 一种功率器件的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种功率器件的制作方法，包括外延步骤：提供一衬底，于衬底上形成外延叠层，外延叠层的顶层为P型GaN材料层；刻蚀步骤：采用干法刻蚀图形化P型GaN材料层以形成P型GaN帽，干法刻蚀采用的刻蚀气体包括Cl基气体；钝化步骤：于刻蚀腔体中引入H离子，以钝化刻蚀界面残留的Cl离子；清洗步骤：采用有机清洗液对钝化后的结构进行清洗。本发明通过于GaN刻蚀工艺后的刻蚀腔体中引入H离子，对刻蚀界面残留的Cl离子进行钝化，有效降低Cl离子在晶圆清洗工艺前的扩散风险，提高工艺可控性和稳定性，且利于扩展工艺窗口。另外，可通过于刻蚀腔体中引入O离子去除钝化残留物，能够进一步避免Cl离子扩散风险。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，涉及一种功率器件的制作方法。
背景技术
GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)作为宽禁带功率半导体器件的代表，器件在高频功率应用方面有巨大的潜力，AlGaN/GaN异质结是GaN基HEMT器件的基本结构，由于GaN材料独特的自发极化和压电极化效应，GaN基HEMT器件沟道处天然存在高浓度的二维电子气(2DEG)，目前有P型栅、极化抵消、负电离子注入、凹槽栅和Cascode结构等方法耗尽AlGaN/GaN异质结处的2DEG，实现增强型(常关型)器件。其中，P型栅技术是实现增强型GaN基HEMT器件的主要方法，具有工艺可控性强、能够大规模重复生产等优点，是商用产品采用的主流技术。
如图1所述，显示为P型栅技术实现增强型GaN基HEMT器件的结构示意图，通过于缓冲层30上形成势垒层40，于势垒层40上形成P型GaN帽500，于P型GaN帽500上形成栅电极。栅极结构是通过外延技术生长P型GaN材料层，再通过干法刻蚀工艺制作，P型GaN的蚀刻通常采用氯基气体进行蚀刻，后置有机弱碱化学品进行蚀刻后的表面处理。刻蚀后的环境及时间控制要求高，可操作性差，从刻蚀机取出到有机弱碱化学品表面处理的过程中，易导致Cl离子在GaN材料内的扩散，Cl离子对结构的影响不可忽视，虽通常认为把控好制程等待时间即可，但刻蚀后到湿法清洗之间的时间要求过短，并且工艺线上机台时有情况发生，若机台宕机或排货不当，会导致期间残留的Cl离子会将器件结构的破坏放大，从而造成电性失效导致器件失效。
因此，如何提供一种功率器件的制作方法，以即时高效的处理蚀刻后的界面，降低GaN刻蚀后Cl离子易在GaN材料内扩散，提升器件性能，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种功率器件的制作方法，用于解决现有技术中GaN刻蚀后Cl离子易在GaN材料内扩散、降低器件性能等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种功率器件的制作方法，包括以下步骤：
外延步骤：提供一衬底，于所述衬底上形成外延叠层，所述外延叠层的顶层为P型GaN材料层；
刻蚀步骤：采用干法刻蚀图形化所述P型GaN材料层以形成P型GaN帽，所述干法刻蚀采用的刻蚀气体包括Cl基气体；
钝化步骤：于刻蚀腔体中引入H离子，以钝化刻蚀界面残留的Cl离子；
清洗步骤：采用有机清洗液对钝化后的结构进行清洗。
可选地，所述钝化步骤中所述引入H离子采用的气源包括H2O或/和H2。
可选地，于所述钝化步骤之后及所述清洗步骤之前，还包括去除钝化残留物的步骤：于所述刻蚀腔体中引入O离子与所述钝化残留物反应生成H2O和Cl2。
可选地，所述去除钝化残留物的步骤中所述引入O离子采用的气源包括O2。
可选地，所述去除钝化残留物的步骤中所述引入O离子采用的气源还包括CF4与N2。
可选地，所述外延叠层包括自下而上依次形成的缓冲层、沟道层、势垒层与所述P型GaN材料层。
可选地，所述缓冲层包括GaN缓冲层，所述沟道层包括GaN沟道层，所述势垒层包括AlGaN势垒层。
可选地，所述Cl基气体包括Cl2或/和BCl3。
可选地，所述清洗步骤中采用的所述有机清洗液呈碱性。
如上所述，本发明的功率器件的制作方法中，通过于GaN刻蚀工艺后的刻蚀腔体中引入H离子，对刻蚀界面残留的Cl离子进行钝化，即时高效的处理刻蚀后的界面，有效抑制Cl离子沿刻蚀界面向材料内部扩散，达到延长刻蚀到清洗的时间间隔，降低Cl离子在晶圆清洗工艺前的扩散风险，提高工艺可控性和稳定性，提升器件的性能，且利于扩展工艺窗口；另外，可通过于钝化工艺后的刻蚀腔体中引入O离子，对刻蚀界面的钝化残留物进行去除，能够进一步避免Cl离子在晶圆清洗工艺前的扩散风险。
附图说明
图1显示为P型栅增强型高电子迁移率晶体管器件的结构示意图。
图2显示为本发明的功率器件的制作方法的工艺流程图。
图3显示为本发明的功率器件的制作方法中于衬底上形成外延叠层的结构示意图。
图4显示为本发明的功率器件的制作方法中干法刻蚀P型GaN材料层的结构示意图。
图5显示为本发明的功率器件的制作方法中刻蚀界面残留Cl离子的结构示意图。
图6显示为本发明的功率器件的制作方法中钝化Cl离子的结构示意图。
图7显示为本发明的功率器件的制作方法中去除钝化残留物的结构示意图。
图8显示为本发明的功率器件的制作方法中有机清洗液清洗后的结构示意图。
元件标号说明
10 衬底
20 缓冲层
30 沟道层
40 势垒层
50 P型GaN材料层
500 P型GaN帽
S1～S4 步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
请参阅图1至图8。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
须知，本实施例仅列举以P型栅增强型GaN基HEMT器件中的P型GaN材料层通过Cl基气体刻蚀，并对刻蚀界面残留的Cl离子进行钝化处理，并不限于此结构，在一些其他半导体器件制程中，涉及到Cl基气体刻蚀GaN材料层的工艺中存在Cl离子在刻蚀界面的扩散等问题，均可采用本发明提供的处理方法钝化Cl离子。
实施例一
请参阅图2，本实施例提供一种功率器件的制作方法，包括以下步骤：
外延步骤S1：提供一衬底，于所述衬底上形成外延叠层，所述外延叠层的顶层为P型GaN材料层；
刻蚀步骤S2：采用干法刻蚀图形化所述P型GaN材料层以形成P型GaN帽，所述干法刻蚀采用的刻蚀气体包括Cl基气体；
钝化步骤S3：于刻蚀腔体中引入H离子，以钝化刻蚀界面残留的Cl离子；
清洗步骤S4：采用有机清洗液对钝化后的结构进行清洗。
首先，请参阅图3，执行外延步骤S1：提供一衬底10，于所述衬底10上形成外延叠层，所述外延叠层的顶层为P型GaN材料层50。
作为示例，所述衬底10可以是硅衬底、锗衬底、锗化硅衬底、绝缘体上硅或绝缘体上锗等，还可以为包括其他元素半导体或化合物半导体的衬底，例如碳化硅、砷化镓、锑化铟、磷化镓、锑化镓、砷铟化铝、铟砷化镓、磷化锑镓或磷化铟等，本实施例采用硅衬底。
作为示例，所述外延叠层包括自下而上依次形成的缓冲层20、沟道层30、势垒层40与所述P型GaN材料层50，本实施例中，所述功率器件为P型栅增强型GaN基HEMT器件，即所述缓冲层20为GaN缓冲层，所述沟道层30为GaN沟道层，所述势垒层40为AlGaN势垒层。
作为示例，所述P型GaN材料层50中的杂质离子包括Mg离子或其他合适的P型杂质离子。
接着，请参阅图4，执行刻蚀步骤S2：采用干法刻蚀图形化所述P型GaN材料层50以形成P型GaN帽500，所述干法刻蚀采用的刻蚀气体包括Cl基气体。
作为示例，所述Cl基气体包括Cl2和/或BCl3，例如，可以是Cl2和BCl3的混合气体、Cl2和辅助气体如N2、He、Ar等混合气体或者是BCl3和辅助气体如N2、He、Ar等混合气体。辅助气体(N2、He或Ar等)用以调整刻蚀均匀性、刻蚀速率以及刻蚀界面粗糙度等刻蚀性能，刻蚀气体的种类或比例等可以根据需求进行调整，具体的，刻蚀气体的流量须与射频功率、反应压力等工艺参数相匹配。
作为示例，在采用Cl气体进行干法刻蚀之前，还包括于所述P型GaN材料层50的上表面形成光刻胶层，然后对该光刻胶层进行显影、曝光等以图形化所述光刻胶层的步骤(未图示)，然后以图形化的光刻胶层为掩膜层对所述P型GaN材料层50进行干法刻蚀，刻蚀掉多余的P型GaN材料层50，仅保留用以形成P型GaN帽500的区域。
在一些其他实施例中，在采用Cl气体进行干法刻蚀之前，还可以于所述P型GaN材料层50的上表面形成如SiN等无机介质层，然后刻蚀该无机介质层以图形化，用以作为刻蚀所述P型GaN材料层50以形成P型GaN帽500的掩膜层。具体的，采用有机掩膜层或无机掩膜层可以根据实际需求选择，不以本实施例为限制。
作为示例，如图5所示，显示为Cl基气体干法刻蚀所述P型GaN材料层50后在刻蚀界面残留Cl离子的示意图。如背景技术所描述，若刻蚀后直接从刻蚀机台中取出刻蚀后的结构到采用有机弱碱化学品对刻蚀界面进行处理的过程中，容易导致Cl离子在GaN材料层和AlGaN材料层内的扩散，从而导致器件失效，本申请对刻蚀界面处残留的Cl离子进行钝化处理，以减小Cl离子在GaN材料层和AlGaN材料层内的扩散，降低刻蚀后的环境及时间控制要求，提高可操作性。
接着，请参阅图6，执行钝化步骤S3：于刻蚀腔体中引入H离子，以钝化刻蚀界面残留的Cl离子。
作为示例，所述引入H离子的气源包括H2O或/和H2，H2O或/和H2在等离子射频激励电压作用下产生等离子体，在等离子环境中对所述Cl离子进行钝化，H离子与Cl离子在刻蚀界面结合形成钝化残留物HCl，因HCl在AlGaN及CaN材料层中的扩散远低于Cl离子在AlGaN及CaN材料层中的扩散，即对Cl离子进行钝化，降低Cl离子在AlGaN及CaN中扩散的风险。
作为示例，在H离子钝化过程中，可施加脉冲式偏置射频电压，在一个周期内的部分时间段加偏置射频电压，提供偏置射频功率，该偏置射频功率与激励射频功率共同提供钝化气体的动能；在该周期的其余时间段仅有激励射频功率提供钝化气体的动能，抑制等离子体持续入射对刻蚀界面的损伤。具体的，激励电压与偏置电压的设置方式不以本实施例为限制。
作为示例，引入H离子的气源不以本实施例为限制，其流量可以根据实际需求进行调整，例如，根据在Cl基气体干法刻蚀步骤中刻蚀气体的流量、比例等调整引入H离子的气体及流量。
需要说明的是，现有技术中采用Cl基气体干法刻蚀进行大工艺窗口刻蚀过程中，刻蚀持续时间长，初始刻蚀中的Cl离子在刻蚀界面残留时间长，容易导致Cl离子向内部扩散，不利于扩展工艺窗口，而本实施例中，所述P型GaN材料层50的刻蚀与Cl离子的钝化在同一设备中进行，在进行大工艺窗口的刻蚀中，为了避免刻蚀持续时间长导致初始刻蚀中Cl离子在刻蚀界面残留时间长易导致Cl离子向内部扩散等问题，可以进行多次小工艺窗口刻蚀，小工艺窗口刻蚀后钝化，重复刻蚀与钝化过程，由多次小工艺窗口刻蚀形成所需大工艺窗口，所述刻蚀过程与钝化过程在同一腔体中交替进行，相对于现有技术，能够缩短工艺周期，且能减小转运过程中Cl离子在在AlGaN及CaN材料层中的扩散风险，利于扩展工艺窗口。
接着，请参阅图8，执行清洗步骤S4：采用有机清洗液对钝化后的结构进行清洗。
作为示例，当于刻蚀腔体中引入H离子完成刻蚀界面的Cl离子的钝化后，于所述刻蚀腔体中通入惰性气体等排除腔体内残留的H等离子体，然后将钝化后的结构从所述刻蚀腔体中取出，采用有机清洗液进行清洗，Cl离子已被钝化，HCl在AlGaN及CaN材料层中的扩散远低于Cl离子在AlGaN及CaN材料层中的扩散，因此，从刻蚀腔体到有机溶剂清洗的转运过程中大幅度降低Cl离子的扩散风险。因为钝化残留物HCl溶于溶液中呈酸性，因此采用的所述有机清洗液为碱性溶液，对所述钝化残留物HCl进行中和并去除，并且，在去除所述钝化残留物的同时，碱性有机溶液也能够去除刻蚀损伤层与有机聚合物(光刻胶掩膜层)，于同一工艺中去除所述钝化残留物、刻蚀损伤层及有机聚合物，能够缩减工艺流程，降低成本。
作为示例，采用的所述有机清洗液呈弱碱性，PH值范围为7.5-10，避免因所述有机清洗液碱性过强损坏所述AlGaN势垒层40与所述P型GaN帽500，具体的，所述有机清洗液的碱性根据实际进行调整，不以本实施例为限制。
作为示例，采用有机清洗液去除钝化残留物、刻蚀损伤层及有机聚合物的同时，能够改善Cl基气体干法刻蚀后AlGaN与GaN材料的表面形貌。Cl基气体干法刻蚀属于各向异性刻蚀，干法刻蚀后，AlGaN与GaN半导体材料表面存在大量带有斜坡的尖峰和毛刺，AlGaN与GaN半导体材料呈纤锌矿型结构，纤锌矿型结构具有六方对称性，为六方密堆积结构。六方密堆积结构沿着C轴原子密度最大，有机清洗去除的速率最低，而垂直C轴方向，原子密度最低，有机清洗去除的速度最快。AlGaN与GaN半导体材料表面为沿C轴方向，而尖峰和毛刺的外表面为垂直C轴方向，因此碱性有机清洗液清洗去除尖峰和毛刺的速率远远大于去除半导体材料表面的速率，另一方面，尖峰和毛刺与碱性有机清洗液的接触面积大，会被优先刻蚀，而AlGaN与GaN半导体平面(沿C轴方向)与碱性有机清洗液的接触面积很小，有机清洗去除速率很缓慢，因此，能够有效改善刻蚀后AlGaN与GaN材料的表面形貌。
综上所述，本实施例的功率器件的制作方法中，通过于GaN刻蚀工艺后的刻蚀腔体中引入H离子，对刻蚀界面残留的Cl离子进行钝化，即时高效的处理刻蚀后的界面，有效抑制Cl离子沿刻蚀界面向材料内部扩散，达到延长刻蚀到清洗的时间间隔，降低Cl离子在晶圆清洗工艺前的扩散风险，提高工艺可控性和稳定性，提升器件的性能，且利于扩展工艺窗口。
实施例二
本实施例提供一种功率器件的制作方法，与实施例一的区别点在于：实施例一中Cl离子钝化完成后从刻蚀腔体中取出钝化后的结构，采用有机清洗液去除所述钝化残留物，本实施例中Cl离子钝化完成后，于刻蚀腔体中引入O离子，O离子与钝化残留物HCl发生化学反应去除所述钝化残留物后，然后再于刻蚀腔体中取出去除钝化残留物后的结构，采用有机清洗液进行清洗。
作为示例，本实施例的功率器件的制作方法包括以下步骤：
步骤一：提供一衬底，于所述衬底上形成外延叠层，所述外延叠层的顶层为P型GaN材料层；
步骤二：采用干法刻蚀图形化所述P型GaN材料层以形成P型GaN帽，所述干法刻蚀采用的刻蚀气体包括Cl基气体；
步骤三：于刻蚀腔体中引入H离子，以钝化刻蚀界面残留的Cl离子；
步骤四：于所述刻蚀腔体中引入O离子与所述钝化残留物反应生成H2O和Cl2；
步骤五：采用有机清洗液对钝化后的结构进行清洗。
具体的，步骤一至步骤三与实施例一相同，不做详细赘述。
作为示例，请参阅图7，当引入H离子完成对Cl离子的钝化后，执行步骤四，于所述刻蚀腔体中引入O离子与所述钝化残留物反应生成H2O和Cl2。
作为示例，于刻蚀腔体中通入惰性气体排出残留的H离子，然后于所述腔体中引入O离子，在等离子体的环境中，O离子与钝化残留物HCl发生化学反应，生成H2O和Cl2，在高温环境中将所述H2O和Cl2从腔体中抽离，即去除所述钝化残留物。
作为示例，所述高温环境中温度高于100℃，以使所述H2O成为水蒸汽，利于从刻蚀腔体中抽离。
作为示例，引入O离子的过程中采用的气源包括O2，在等离子射频激励电压作用下产生氧等离子体。
作为示例，在引入O离子的过程中，除了通入O2，还包括CF4与N2，C与F可以形成(CF2)n的聚合物，对所述P型GaN帽的侧壁起到保护作用，N2可以降低等离子体中轰击电荷的温度，同时控制压力，给聚合物沉积提供充分时间。并且，GaN与AlGaN的化学性能稳定，键能大(Ga-N的键能为8.92eV/atom，Al-N的键能为11.52eV/atom)，这两种材料对CF4与O2两种气体耐受，不必担心在去除所述钝化残留物的过程中损坏AlGaN势垒层与P型GaN帽。具体的，在去除所述钝化残留物的过程中，O2、CF4与N2的比例与气体流量根据实际需求进行调整。
作为示例，接着执行步骤五：采用有机清洗液对钝化后的结构进行清洗。
作为示例，于刻蚀腔体中完成钝化残留物的去除后，通入惰性气体如氮气、氩气等，排出刻蚀腔体中残留的O、CFx等离子体，然后将去除钝化残留物后的结构从刻蚀腔体中取出，采用有机溶剂进行清洗以去除刻蚀损伤层与有机聚合物(光刻胶掩膜层)；
本实施例的功率器件的制作方法在进行有机清洗液清洗前已经去除了钝化残留物，能够进一步避免Cl离子在晶圆清洗工艺前的扩散风险。
综上所述，本发明的功率器件的制作方法中，通过于GaN刻蚀工艺后的刻蚀腔体中引入H离子，对刻蚀界面残留的Cl离子进行钝化，即时高效的处理刻蚀后的界面，有效抑制Cl离子沿刻蚀界面向材料内部扩散，达到延长刻蚀到清洗的时间间隔，降低Cl离子在晶圆清洗工艺前的扩散风险，提高工艺可控性和稳定性，提升器件的性能，且利于扩展工艺窗口；另外，可通过于钝化工艺后的刻蚀腔体中引入O离子，对刻蚀界面的钝化残留物进行去除，能够进一步避免Cl离子在晶圆清洗工艺前的扩散风险。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种功率器件的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
外延步骤：提供一衬底，于所述衬底上形成外延叠层，所述外延叠层的顶层为P型GaN材料层；
刻蚀步骤：采用干法刻蚀图形化所述P型GaN材料层以形成P型GaN帽，所述干法刻蚀采用的刻蚀气体包括Cl基气体；
钝化步骤：于刻蚀腔体中引入H离子，以钝化刻蚀界面残留的Cl离子；
清洗步骤：采用有机清洗液对钝化后的结构进行清洗。
2.根据权利要求1所述的功率器件的制作方法，其特征在于：所述钝化步骤中所述引入H离子采用的气源包括H2O或/和H2。
3.根据权利要求1所述的功率器件的制作方法，其特征在于，于所述钝化步骤之后及所述清洗步骤之前，还包括去除钝化残留物的步骤：于所述刻蚀腔体中引入O离子与所述钝化残留物反应生成H2O和Cl2。
4.根据权利要求3所述的功率器件的制作方法，其特征在于：还包括从所述刻蚀腔体中排出所述H2O和所述Cl2的步骤。
5.根据权利要求3所述的功率器件的制作方法，其特征在于：所述去除钝化残留物的步骤中所述引入O离子采用的气源包括O2。
6.根据权利要求5所述的功率器件的制作方法，其特征在于：所述去除钝化残留物的步骤中所述引入O离子采用的气源还包括CF4与N2。
7.根据权利要求1所述的功率器件的制作方法，其特征在于：所述外延叠层包括自下而上依次形成的缓冲层、沟道层、势垒层与所述P型GaN材料层。
8.根据权利要求7所述的功率器件的制作方法，其特征在于：所述缓冲层包括GaN缓冲层，所述沟道层包括GaN沟道层，所述势垒层包括AlGaN势垒层。
9.根据权利要求1所述的功率器件的制作方法，其特征在于：所述Cl基气体包括Cl2或/和BCl3。
10.根据权利要求1所述的功率器件的制作方法，其特征在于：所述清洗步骤中采用的所述有机清洗液呈碱性。
Priority Applications (1)
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