CN117878145A - 射频器件、纳米栅极的制备方法及射频器件的制造方法 - Google Patents
射频器件、纳米栅极的制备方法及射频器件的制造方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种射频器件、纳米栅极的制备方法及射频器件的制造方法。射频器件包括外延结构以及与所述外延结构匹配的源极、漏极、支撑层和栅极，所述栅极沿第二方向设置在所述源极、所述漏极之间，所述支撑层沿第一方向层叠设置在所述外延结构上，所述栅极包括栅帽和栅根，所述栅帽沿所述第一方向层叠设置在所述支撑层上，所述栅根设置在所述外延结构上且沿第二方向设置在所述支撑层的一侧，所述栅根还与所述栅帽连接并形成Γ型结构，所述第一方向和所述第二方向垂直。本发明降低了栅结构制备对设备的要求，通过沉积‑刻蚀制备极短栅极，完全不需要电子束光刻技术，国产设备即可满足生产需求。
Description
技术领域
本发明特别涉及一种射频器件、纳米栅极的制备方法及射频器件的制造方法，属于微纳制造技术领域。
背景技术
在GaN HEMT射频器件的制造过程中，纳米栅极的制备普遍依赖电子束光刻机进行纳米线条光刻。为提升器件性能，大多数器件采用T型栅极，栅帽约300nm～800nm，而栅根普遍150nm以下甚至100nm以下。长栅帽用于降低栅电阻，短栅根用于提高跨导。因此对光刻的要求及其严格。T型栅的工艺流程为首先在GaN/AlGaN异质结上涂布两层或三层光刻胶，之后通过电子束光刻定义图形，最后沉积金属然后剥离制备T型栅极，相近的制备GaN HEMT射频器件极短栅极的方案还有自对准栅末技术、光刻胶热回流工艺等。
现有技术中的一种电子束光刻工艺流程如图1所示，其具体包括如下步骤：(a)准备好GaN/AlGaN异质结HEMT晶圆；(b)在异质结表面涂布两层光刻胶；(c)电子束光刻定义T型栅图形；(d)显影；(e)沉积栅根材料；(f)剥离形成T型栅。然而，电子束光刻技术十分依赖于国外进口的电子束光刻设备及性能优异的电子束光刻胶，并且电子束光刻技术制备的T型栅极工艺难度大、效率低、工艺兼容性差。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种半导体器件纳米栅极的制备方法及射频器件的制造方法，从而克服现有技术中的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明一方面提供了一种射频器件，包括外延结构以及与所述外延结构匹配的源极、漏极和栅极，所述栅极沿第二方向设置在所述源极、所述漏极之间，以及，该射频器件还包括：支撑层，所述支撑层沿第一方向层叠设置在所述外延结构上，所述栅极包括栅帽和栅根，所述栅帽沿所述第一方向层叠设置在所述支撑层上，所述栅根设置在所述外延结构上且沿第二方向设置在所述支撑层的一侧，所述栅根还与所述栅帽连接并形成Γ型结构，所述第一方向和所述第二方向垂直。
本发明另一方面提供了一种半导体器件纳米栅极的制备方法，包括：
在晶圆的表面形成支撑层，并在所述支撑层上形成栅帽；
在所述栅帽、所述支撑层的表面形成图形化的第二掩膜，至少使所述栅帽的第一侧壁、所述支撑层的第二侧壁露出，所述第一侧壁和所述第二侧壁位于同一侧；
在所述第二掩膜的表面以及所述栅帽的第一侧壁、所述支撑层的第二侧壁形成栅根材料，
除去除位于所述栅帽的第一侧壁、所述支撑层的第二侧壁之外的栅根材料，余留的栅根材料形成栅根，所述栅根与所述栅帽电连接，并形成栅极。
本发明另一方面还提供了一种射频器件的制造方法，包括制造射频器件的外延结构的步骤以及制造与所述外延结构匹配的电极的步骤，其中，制造电极的步骤包括：采用所述半导体器件纳米栅极的制备方法获得栅极。
与现有技术相比，本发明的优点包括：本发明降低了栅结构制备对设备的要求，通过沉积-刻蚀制备极短栅极，完全不需要电子束光刻技术，国产设备即可满足生产需求。
本发明的效率更高，本发明是通过I线光刻定义栅帽图形、沉积-刻蚀定义栅根，因此效率更高，更适合批量生产。
附图说明
图1是现有技术中电子束光刻工艺制备T型栅的工艺流程示意图；
图2a、图2b是本发明提供的一种GaN HEMT射频器件的结构示意图；
图3是本发明提供的一种GaN HEMT射频器件SEM照片；
图4是本发明提供的一种GaN HEMT射频器件的制造流程示意图；
图5是本发明一典型实施案例中获得的GaN HEMT射频器件的栅结构处的电镜照片；
图6是本发明一典型实施案例中获得的GaN HEMT射频器件的俯视电镜照片。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
本发明一方面提供了一种射频器件，包括外延结构以及与所述外延结构匹配的源极、漏极和栅极，所述栅极沿第二方向设置在所述源极、所述漏极之间，以及，该射频器件还包括：支撑层，所述支撑层沿第一方向层叠设置在所述外延结构上，所述栅极包括栅帽和栅根，所述栅帽沿所述第一方向层叠设置在所述支撑层上，所述栅根设置在所述外延结构上且沿第二方向设置在所述支撑层的一侧，所述栅根还与所述栅帽连接并形成Γ型结构，所述第一方向和所述第二方向垂直。
进一步的，所述栅根与所述支撑层的第二侧壁紧密贴合。
进一步的，所述栅根与所述栅帽的第一侧壁、所述支撑层的第二侧壁紧密贴合，所述栅帽的第一侧壁与所述支撑层的第二侧壁位于同一侧。
进一步的，所述栅根的顶部端面与所述栅帽背对所述支撑层的表面齐平。
进一步的，所述支撑层沿所述第一方向的厚度为100nm-600nm。
进一步的，所述栅帽沿所述第一方向的厚度为200nm-500nm。
进一步的，在所述第二方向上，所述栅帽与所述支撑层的宽度相同。
进一步的，所述栅帽与所述支撑层沿所述第二方向的宽度300nm-800nm。
进一步的，所述栅根沿所述第二方向上的宽度在200nm以内。
进一步的，所述栅帽的材质包括导电的无机非金属材料、金属材料、有机材料中的至少一者。
进一步的，所述栅根的材质包括W、WN、Mo、TiN、TaN中的至少一者。
进一步的，所述支撑层是由绝缘、低介电常数的无机非金属材料、有机材料中的至少一者形成的单层结构层或多层结构层。
进一步的，所述支撑层包括SiO2层、Al2O3层、Si3N4层中的至少一者。
本发明另一方面提供了一种半导体器件纳米栅极的制备方法，包括：
在晶圆的表面形成支撑层，并在所述支撑层上形成栅帽；
在所述栅帽、所述支撑层的表面形成图形化的第二掩膜，至少使所述栅帽的第一侧壁、所述支撑层的第二侧壁露出，所述第一侧壁和所述第二侧壁位于同一侧；
在所述第二掩膜的表面以及所述栅帽的第一侧壁、所述支撑层的第二侧壁形成栅根材料，
除去除位于所述栅帽的第一侧壁、所述支撑层的第二侧壁之外的栅根材料，余留的栅根材料形成栅根，所述栅根与所述栅帽电连接，并形成栅极。
进一步的，所述半导体器件纳米栅极的制备方法具体包括：在所述晶圆的表面形成第二掩膜，且使所述支撑层、所述栅帽整体被所述第二掩膜覆盖；
除去所述第二掩膜的一部分，形成图形化的所述第二掩膜，至少暴露所述栅帽的第一侧壁、所述支撑层的第二侧壁。
进一步的，所述半导体器件纳米栅极的制备方法具体包括：除去所述第二掩膜的一部分，以暴露所述栅帽的顶部表面靠近所述第一侧壁的一部分、所述栅帽的第一侧壁、所述支撑层的第二侧壁。
进一步的，所述半导体器件纳米栅极的制备方法具体包括：
在所述晶圆的表面涂覆光刻胶，所述光刻胶将所述支撑层、所述栅帽完全覆盖；
对所述光刻胶进行光刻、显影，使所述栅帽的顶部表面靠近所述第一侧壁的一部分、所述栅帽的第一侧壁、所述支撑层的第二侧壁暴露，其余部分被光刻胶覆盖。
进一步的，所述半导体器件纳米栅极的制备方法具体包括：采用各项异性刻蚀的方式除去除位于所述栅帽的第一侧壁、所述支撑层的第二侧壁之外的栅根材料。
进一步的，所述半导体器件纳米栅极的制备方法还包括：在形成所述栅根之后，除去所述第二掩膜。
进一步的，所述半导体器件纳米栅极的制备方法具体包括：
在晶圆的表面形成支撑层，在所述支撑层上形成图形化的第一掩膜，在所述第一掩膜的表面以及未被所述第一掩膜覆盖的所述支撑层的表面沉积栅帽材料；
除去所述第一掩膜，位于所述第一掩膜上的栅帽材料被一并除去，余留在所述支撑层上的栅帽材料形成栅帽；
以所述栅帽作为掩膜，刻蚀除去所述支撑层未被所述栅帽覆盖的部分，余留的所述支撑层的第二侧壁为连续且平整的平面。
进一步的，所述栅帽材料包括导电的无机非金属材料、金属材料、有机材料中的至少一者。
进一步的，所述半导体器件纳米栅极的制备方法具体包括：在所述支撑层的表面正面形成光刻胶，依次经光刻、显影后形成图形化的第一掩膜。
进一步的，所述支撑层是由绝缘的无机非金属材料、有机材料中的至少一者形成的单层结构层或多层结构层。
进一步的，所述支撑层包括SiO2层、Al2O3层、Si3N4层中的至少一者。
进一步的，所述栅根材料包括W、WN、Mo、TiN、TaN中的至少一者。
本发明另一方面还提供了一种射频器件的制造方法，包括制造射频器件的外延结构的步骤以及制造与所述外延结构匹配的电极的步骤，其中，制造电极的步骤包括：采用所述半导体器件纳米栅极的制备方法获得栅极。
如下将结合附图以及具体实施案例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明，除非特别说明的之外，本发明所采用的金属沉积、光刻、腐蚀等工艺及其设备等均是本领域技术人员已知的，在此不做具体的限定和说明。
请参阅图2a、图2b，一种GaN HEMT射频器件，包括AlGaN/GaN异质结、支撑层以及源极、漏极和栅极，源极、漏极和支撑层设置在AlGaN/GaN异质结上，支撑层沿第二方向设置在源极、漏极之间，栅极包括栅根和栅帽，栅帽层叠设置在支撑层上，栅根设置在AlGaN/GaN异质结上且紧贴支撑层和栅帽的侧壁，所述栅根的顶部端面与所述栅帽背对所述支撑层的表面齐平，栅根与栅帽电连接形成Γ型栅结构，第一方向为器件的纵向，第二方向为器件的横向。
具体的，请一并参阅图3，所述栅根与所述栅帽的第一侧壁、所述支撑层的第二侧壁紧密贴合，所述栅帽的第一侧壁与所述支撑层的第二侧壁位于同一侧且位于同一平面内。
具体的，所述支撑层沿所述第一方向的厚度为100nm-600nm，所述栅帽沿所述第一方向的厚度为200nm-500nm；在所述第二方向上，所述栅帽与所述支撑层的宽度相同，所述栅帽与所述支撑层沿所述第二方向的宽度300nm-800nm，所述栅根沿所述第二方向上的宽度在200nm以内。
具体的，支撑层包括沿第一方向依次层叠设置在AlGaN/GaN异质结的栅极区域的Al2O3层、SiO2层。所述栅帽的材质包括导电的无机非金属材料、金属材料、有机材料中的至少一者，例如Ti/Au/Ni叠层金属，Ti作为Au与SiO2层的黏附层，Au用于降低电阻，Ni作为抗刻蚀层，所述栅根的材质包括W、WN、Mo、TiN、TaN中的至少一者。
请参阅图4，一种GaN HEMT射频器件的制造方法，包括如下过程：
(a)提供GaN/AlGaN异质结HEMT晶圆；
(b)在GaN/AlGaN异质结HEMT晶圆表面依次沉积形成Al2O3层、SiO2层；
(c)在SiO2层的表面涂覆光刻胶形成第一光刻胶层；
(d)采用I线(365nm)在第一光刻胶层上光刻定义栅帽图形，栅帽图形与GaN/AlGaN异质结HEMT晶圆的栅极区域相对应；
(e)对第一光刻胶层进行显影，形成图形化的第一掩膜；
(f)在SiO2层和第一掩膜的表面沉积栅帽材料，栅帽材料可以是导电的无机非金属材料、金属材料、有机材料中等，需要说明的，栅帽材料需可以作为后续刻蚀支撑层的刻蚀掩膜，并且与腐蚀除Al2O3层等工艺兼容，示例性的，栅帽材料可以是Ti/Au/Ni叠层金属；
(g)剥离除去第一掩膜，位于第一掩膜上的栅帽材料连同第一掩膜被除去，余留在SiO2层上的栅帽材料作为栅帽，这样形成的栅帽的侧壁为连续的平面；
(h)以栅帽为掩膜，对所述SiO2层进行刻蚀，且使刻蚀进行至Al2O3层时停止，以刻蚀除去未被栅帽覆盖的SiO2层，余留的SiO2层可以作为支撑层，通过这样的方式形成的SiO2层的侧壁为连续的平面，且SiO2层的侧壁与栅帽的同一侧的侧壁位于同一平面内；
(i)以层叠的SiO2层和栅帽为掩膜，腐蚀除去未被栅帽、SiO2层覆盖的腐蚀Al2O3层；
(j)在步骤(i)获得的晶圆结构的表面整片涂覆光刻胶形成第二光刻胶层；
(k)对第二光刻胶层进行光刻，至少使栅帽及Al2O3层、SiO2层的选定侧壁暴露，其余部分由被第二光刻胶层覆盖；
(l)对光刻后的第二光刻胶层进行显影；
(m)在步骤(i)获得的晶圆结构的表面整片沉积栅根材料，至少部分栅根材料形成在栅帽及Al2O3层、SiO2层的选定侧壁，栅根材料可以是W、WN、Mo、TiN、TaN等中的至少一者，优选金属W；
(n)采用各项异性刻蚀的方式除去除位于栅帽及Al2O3层、SiO2层的选定侧壁上的栅根材料，余留的栅根材料作为栅根，栅根与栅帽形成Γ型栅结构；
(o)除去余留的第二光刻胶层；
(p)在GaN/AlGaN异质结HEMT晶圆表面的欧姆区域制备欧姆电极。
本发明获得的GaN HEMT射频器件的栅结构处的电镜照片如图5所示，由图5可以看出，本发明获得支撑层的侧壁为连续的平面，栅根连续设置在支撑层的侧壁，且与支撑层保持良好的结合，本发明获得的GaN HEMT射频器件的俯视电镜照片如图6所示。
需要说明的是，在制作欧姆电极时，各种欧姆接触工艺均可与本发明工艺兼容，包括欧姆区再生长、离子注入、退火合金等，欧姆接触工艺的顺序也可调整。栅根与栅帽的相对位置(栅根在栅帽的左侧壁或右侧壁)不固定，具体可以根据器件版图设计进行调整。
另外，本发明不限于AlGaN/GaN异质结晶圆，也同样使用GaAs等其它半导体材晶圆，栅帽的材料可以是无机非金属材料、金属材料、有机材料等。
本发明降低了栅结构制备对设备的要求，通过沉积-刻蚀制备极短栅极，完全不需要电子束光刻技术，国产设备即可满足生产需求。
本发明的效率更高，本发明是通过I线光刻定义栅帽图形、沉积-刻蚀定义栅根，因此效率更高，更适合批量生产。
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种射频器件，包括外延结构以及与所述外延结构匹配的源极、漏极和栅极，所述栅极沿第二方向设置在所述源极、所述漏极之间，其特征在于，还包括：支撑层，所述支撑层沿第一方向层叠设置在所述外延结构上，所述栅极包括栅帽和栅根，所述栅帽沿所述第一方向层叠设置在所述支撑层上，所述栅根设置在所述外延结构上且沿第二方向设置在所述支撑层的一侧，所述栅根还与所述栅帽连接并形成Γ型结构，所述第一方向和所述第二方向垂直。
2.根据权利要求1所述射频器件，其特征在于：所述栅根与所述支撑层的第二侧壁紧密贴合；
和/或，所述栅根与所述栅帽的第一侧壁、所述支撑层的第二侧壁紧密贴合，所述栅帽的第一侧壁与所述支撑层的第二侧壁位于同一侧；
和/或，所述栅根的顶部端面与所述栅帽背对所述支撑层的表面齐平。
3.根据权利要求1或2所述射频器件，其特征在于：所述支撑层沿所述第一方向的厚度为100nm-600nm；和/或，所述栅帽沿所述第一方向的厚度为200nm-500nm；
和/或，在所述第二方向上，所述栅帽与所述支撑层的宽度相同；
优选的，所述栅帽与所述支撑层沿所述第二方向的宽度300nm-800nm；
和/或，所述栅根沿所述第二方向上的宽度在200nm以内。
4.根据权利要求1或2所述射频器件，其特征在于：所述栅帽的材质包括导电的无机非金属材料、金属材料、有机材料中的至少一者；
和/或，所述栅根的材质包括W、WN、Mo、TiN、TaN中的至少一者；
和/或，所述支撑层是由绝缘的无机非金属材料、有机材料中的至少一者形成的单层结构层或多层结构层；
优选的，所述支撑层包括SiO2层、Al2O3层、Si3N4层中的至少一者。
5.一种半导体器件纳米栅极的制备方法，其特征在于，包括：
在晶圆的表面形成支撑层，并在所述支撑层上形成栅帽；
在所述栅帽、所述支撑层的表面形成图形化的第二掩膜，至少使所述栅帽的第一侧壁、所述支撑层的第二侧壁露出，所述第一侧壁和所述第二侧壁位于同一侧；
在所述第二掩膜的表面以及所述栅帽的第一侧壁、所述支撑层的第二侧壁形成栅根材料，
除去除位于所述栅帽的第一侧壁、所述支撑层的第二侧壁之外的栅根材料，余留的栅根材料形成栅根，所述栅根与所述栅帽电连接，并形成栅极。
6.根据权利要求5所述半导体器件纳米栅极的制备方法，其特征在于，具体包括：在所述晶圆的表面形成第二掩膜，且使所述支撑层、所述栅帽整体被所述第二掩膜覆盖；
除去所述第二掩膜的一部分，形成图形化的所述第二掩膜，至少暴露所述栅帽的第一侧壁、所述支撑层的第二侧壁；
优选的，所述半导体器件纳米栅极的制备方法具体包括：除去所述第二掩膜的一部分，以暴露所述栅帽的顶部表面靠近所述第一侧壁的一部分、所述栅帽的第一侧壁、所述支撑层的第二侧壁；
优选的，所述半导体器件纳米栅极的制备方法具体包括：
在所述晶圆的表面涂覆光刻胶，所述光刻胶将所述支撑层、所述栅帽完全覆盖；
对所述光刻胶进行光刻、显影，使所述栅帽的顶部表面靠近所述第一侧壁的一部分、所述栅帽的第一侧壁、所述支撑层的第二侧壁暴露，其余部分被光刻胶覆盖。
7.根据权利要求5所述半导体器件纳米栅极的制备方法，其特征在于，具体包括：采用各项异性刻蚀的方式除去除位于所述栅帽的第一侧壁、所述支撑层的第二侧壁之外的栅根材料；
优选的，所述半导体器件纳米栅极的制备方法，其特征在于，还包括：在形成所述栅根之后，除去所述第二掩膜。
8.根据权利要求5所述半导体器件纳米栅极的制备方法，其特征在于，具体包括：
在晶圆的表面形成支撑层，在所述支撑层上形成图形化的第一掩膜，在所述第一掩膜的表面以及未被所述第一掩膜覆盖的所述支撑层的表面沉积栅帽材料；
除去所述第一掩膜，位于所述第一掩膜上的栅帽材料被一并除去，余留在所述支撑层上的栅帽材料形成栅帽；
以所述栅帽作为掩膜，刻蚀除去所述支撑层未被所述栅帽覆盖的部分，余留的所述支撑层的第二侧壁为连续且平整的平面；
优选的，所述栅帽材料包括导电的无机非金属材料、金属材料、有机材料中的至少一者；
优选的，所述半导体器件纳米栅极的制备方法，其特征在于，具体包括：在所述支撑层的表面正面形成光刻胶，依次经光刻、显影后形成图形化的第一掩膜。
9.根据权利要求5所述半导体器件纳米栅极的制备方法，其特征在于：所述支撑层是由绝缘的无机非金属材料、有机材料中的至少一者形成的单层结构层或多层结构层；
优选的，所述支撑层包括SiO2层、Al2O3层、Si3N4层中的至少一者；
和/或，所述栅根材料包括W、WN、Mo、TiN、TaN中的至少一者。
10.一种射频器件的制造方法，包括制造射频器件的外延结构的步骤以及制造与所述外延结构匹配的电极的步骤，其特征在于，制造电极的步骤包括：采用权利要求5-9中任一项所述半导体器件纳米栅极的制备方法获得栅极。
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| CN202410084715.3A Pending CN117878145A (zh) | 2024-01-19 | 2024-01-19 | 射频器件、纳米栅极的制备方法及射频器件的制造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117878145A (zh) |
-
2024
- 2024-01-19 CN CN202410084715.3A patent/CN117878145A/zh active Pending
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Legal Events
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