一种氮化镓基场效应晶体管的t型栅的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种氮化镓基场效应晶体管的T型栅的制作方法，包括：在衬底表面涂敷电子束光刻胶；对电子束光刻胶进行曝光及显影，形成刻蚀窗口；从形成的刻蚀窗口对衬底进行刻蚀，形成T型栅的细栅图形；蒸发金属薄层，然后二次涂敷电子束光刻胶；对二次涂敷的电子束光刻胶进行电子束曝光和显影，去除金属薄层，形成T型栅图形；以及在二次涂敷的电子束光刻胶及T型栅图形上蒸发淀积栅金属，剥离二次涂敷的电子束光刻胶及其上的栅金属，形成T型栅。利用本发明，有效地抑制了电流崩塌、减少了栅源、栅漏寄生电容，降低了器件栅电阻，提高了器件截止频率(ft)和最高振荡频率(fmax)，使得器件能工作于毫米波频段。
【专利说明】一种氮化镓基场效应晶体管的T型栅的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及高电子迁移率场效应晶体管(HEMT)的结构设计【技术领域】，尤其涉及一种适用于毫米波的氮化镓基场效应晶体管的T型栅的制作方法。
【背景技术】
[0002]毫米波段功率放大器在军用、商用和消费领域具有巨大的应用前景。高频宽带无线通信技术、精确制导武器、远程雷达及空间通讯技术，工作频段从C、X波段逐渐向Ku、Ka等更高频段发展。 [0003]做为第三代半导体材料，GaN材料禁带宽度宽、击穿电场高、输出功率大，由于能在高压下工作，导通电阻小，GaN器件也表现出更高的增益。同时，GaN器件具有很高的电子迁移率和电子饱和速度，确保了该器件在Ka、Q甚至W波段的高增益。因此，GaN HEMT技术已成为当前毫米波大功率器件领域研究的热点。
[0004]当前，GaN微波功率管芯通常采用栅结构，为了抑制其电流崩塌效应，通常采用钝化工艺，在源漏之间外延层上生长SiN介质。同时，为了提高器件的栅控能力以及功率线性度，采用了 栅结构:对SiN介质、GaN帽层以及部分AlGaN外延层进行刻蚀，做为栅器件的栅脚部分，同时光刻宽栅帽共同形成栅结构。宽栅帽的作用在于:降低栅电阻，同时起到栅场板的作用，调制栅漏电场，增加器件的击穿电压，以提高器件的工作电压。
[0005]采用该结构的GaN微波功率管芯在Ku波段以及Ku波段以下取得了很好的功率输出特性，但是，由于栅与介质之间产生的寄生电容导致了栅源电容(Cgs)和栅漏电容(Cgd)的增大，影响了器件的频率性能，导致器件很难在Ka波段及其以上频段工作。
[0006]在Ka波段及其以上频段，为了减少栅源、栅漏寄生电容，栅结构采用T型栅结构，在减小栅长的同时，栅帽不和外延层或者介质层接触，由于空气介电常数低，能大大提高器件的频率特性，但是，传统的T型栅结构由于表面没有钝化或者不能完全钝化，会导致高场下电流崩塌的产生，影响器件的高频功率特性。
[0007]因此，有效结合栅结构和T型栅结构是GaN场效应晶体管结构设计和工艺开发的重点。
【发明内容】
[0008](一 )要解决的技术问题
[0009]有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种适用于毫米波的氮化镓基场效应晶体管的T型栅的制作方法，以减少栅电阻和栅源、栅漏寄生电容，提高器件频率特性，并且使器件表面完全钝化，提高器件的功率特性，使得器件能工作于毫米波频段。
[0010](二)技术方案
[0011]为达到上述目的，本发明提供了一种氮化镓基场效应晶体管的T型栅的制作方法，其特征在于，包括:在衬底表面涂敷电子束光刻胶；对电子束光刻胶进行曝光及显影，形成刻蚀窗口 ；从形成的刻蚀窗口对衬底进行刻蚀，形成T型栅的细栅图形；蒸发金属薄层，然后二次涂敷电子束光刻胶；对二次涂敷的电子束光刻胶进行电子束曝光和显影，去除金属薄层，形成T型栅图形；以及在二次涂敷的电子束光刻胶及T型栅图形上蒸发淀积栅金属，剥离二次涂敷的电子束光刻胶及其上的栅金属，形成T型栅。
[0012]上述方案中，所述在衬底表面涂敷电子束光刻胶的步骤中，是在衬底表面匀ZEP520电子束光刻胶，厚度为2000埃，并采用180°C热板真空加热3分钟。所述衬底由下至上依次包括AlGaN层、GaN层和SiN介质层。
[0013]上述方案中，所述对电子束光刻胶进行曝光及显影形成刻蚀窗口的步骤中，是采用电子束曝光工艺实现的，剂量为300μ C/cm2，电流为200pA，能量为IOOkV ;其中该刻蚀窗口用以形成T型栅的细栅图形，细栅线条的宽度为0.1 μ m，显影液ZED-N50显影90秒，定影液ZMD-D定影15秒，并用氮气吹干。
[0014]上述方案中，所述ICP刻蚀工艺采用的刻蚀气体为SF6和CHF3的混合气体，比例为SF6: CHF3 = 3: 40，刻蚀时间为90秒，射频功率(RF)为20W，直流功率(LF)为250W，刻蚀压力(WP)0.5Pa。
[0015]7、根据权利要求1所述的氮化镓基场效应晶体管的T型栅的制作方法，其特征在于，所述蒸发金属薄层然后二次涂敷电子束光刻胶的步骤中，是蒸发金属Al薄层，厚度为100埃，用以做为隔离层；然后二次涂敷电子束光刻胶，该电子束光刻胶为UVIII电子束光刻胶，厚度为I μ m,并采用130°C热板真空加热I分钟。
[0016]上述方案中，所述对二次涂敷的电子束光刻胶进行电子束曝光和显影，去除金属薄层，形成T型栅图形的步骤中，是对二次涂敷的电子束光刻胶进行电子束曝光和显影，曝光采用剂量为100 μ C/cm2,电流为200pA，能量为IOOkV ;曝光后用120°C热板真空回流烘胶4分钟，然后用显影液⑶26显影60秒，去除金属Al薄层，并用去离子水冲洗，氮气吹干，形成T型栅图形，其中，T型栅的栅帽宽度为0.5 μ m，T型栅的细栅宽度为0.1 μ m。
[0017]上述方案中，所述在二次涂敷的电子束光刻胶及T型栅图形上蒸发淀积栅金属，剥离二次涂敷的电子束光刻胶及其上的栅金属，形成T型栅的步骤中，栅金属组分为Ni/Au,厚度分别为Ni = 400埃，Au = 5000埃。
[0018](三)有益效果
[0019]从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果:
[0020]1、利用本发明的T型栅制作方法，由于栅脚将栅槽全部填充，而且T型栅栅帽不直接接触介质钝化层，所以不仅能够有效减少栅电阻和栅源、栅漏寄生电容，提高器件频率特性，还能使器件表面完全钝化，提高器件的功率特性，最终实现了高性能适用于毫米波的氮化镓基场效应晶体管。
[0021]2、利用本发明，一次电子束曝光采用ZEP520A，通过电子束曝光和ICP刻蚀，能将栅脚控制在IOOnm以内。
[0022]3、利用本发明，由于采用凹栅槽与T型栅相结合的器件结构，提高了器件的栅控能力，增加了器件的跨导。
[0023]4、利用本发明，由于栅帽不直接和SiN介质接触，明显降低了栅源电容Cgs、栅漏电容Cgd。
[0024]5、利用本发明，由于采用T型栅结构，降低了器件的栅电阻，明显提高了器件的频率特性。[0025]6、利用本发明，由于器件表面被完全钝化，抑制了电流崩塌效应，明显提高了器件的功率特性，器件可应用于毫米波频段。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1是本发明提供的制作氮化镓基场效应晶体管的T型栅的方法流程图；
[0027]图2a至图2g是依照本发明实施例的制作氮化镓基场效应晶体管的T型栅的工艺流程图；
[0028]图3是依照本发明实施例的制作氮化镓基场效应晶体管的T型栅的剖面示意图。【具体实施方式】
[0029]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0030]本发明提供了一种氮化镓基场效应晶体管的T型栅的制作方法，使用ZEP520电子束光刻胶曝光显影，形成T型栅的细栅部分，ICP刻蚀栅槽后，不去胶，蒸发金属Al做为隔离层，匀电子束胶UVIII，进行二次电子束光刻，形成T型栅，最后蒸发、剥离得到T型栅图形。
[0031]如图1所示，图1是本发明提供的制作氮化镓基场效应晶体管的T型栅的方法流程图，该方法包括以下步骤:
[0032]步骤1:在衬底表面涂敷电子束光刻胶；
[0033]步骤2:对电子束光刻胶进行曝光及显影，形成刻蚀窗口 ；
[0034]步骤3:从形成的刻蚀窗口对衬底进行刻蚀，形成T型栅的细栅图形；
[0035]步骤4:蒸发金属薄层，然后二次涂敷电子束光刻胶；
[0036]步骤5:对二次涂敷的电子束光刻胶进行电子束曝光和显影，去除金属薄层，形成T型栅图形；
[0037]步骤6:在二次涂敷的电子束光刻胶及T型栅图形上蒸发淀积栅金属，剥离二次涂敷的电子束光刻胶及其上的栅金属，形成T型栅。
[0038]步骤I中所述在衬底表面涂敷电子束光刻胶，是在衬底表面匀ZEP520电子束光刻胶，厚度为2000埃，并采用180°C热板真空加热3分钟。所述衬底由下至上依次包括AlGaN层、GaN层和SiN介质层。
[0039]步骤2中所述对电子束光刻胶进行曝光及显影形成刻蚀窗口，是采用电子束曝光工艺实现的，剂量为300 μ C/cm2,电流为200pA，能量为IOOkV ;其中该刻蚀窗口用以形成T型栅的细栅图形，细栅线条的宽度为0.1 μ m，显影液ZED-N50显影90秒，定影液ZMD-D定影15秒，并用氮气吹干。
[0040]步骤3中所述从形成的刻蚀窗口对衬底进行刻蚀形成T型栅的细栅图形，是采用ICP刻蚀工艺从形成的刻蚀窗口对衬底进行刻蚀，该刻蚀穿透衬底的SiN介质层及GaN层直至刻蚀入AlGaN层，形成T型栅的细栅图形。所述ICP刻蚀工艺采用的刻蚀气体为SF6和CHF3的混合气体，比例为SF6: CHF3 = 3: 40，刻蚀时间为90秒，射频功率(RF)为20W，直流功率(LF)为250W，刻蚀压力(WP)0.5Pa。
[0041]步骤4中所述蒸发金属薄层然后二次涂敷电子束光刻胶的步骤中，是蒸发金属Al薄层，厚度为100埃，用以做为隔离层；然后二次涂敷电子束光刻胶，该电子束光刻胶为UVIII电子束光刻胶，厚度为I μ m，并采用130°C热板真空加热I分钟。
[0042]步骤5中所述对二次涂敷的电子束光刻胶进行电子束曝光和显影，去除金属薄层，形成T型栅图形，是对二次涂敷的电子束光刻胶进行电子束曝光和显影，曝光采用剂量为100 yC/cm2，电流为200pA，能量为IOOkV ;曝光后用120°C热板真空回流烘胶4分钟，然后用显影液⑶26显影60秒，去除金属Al薄层，并用去离子水冲洗，氮气吹干，形成T型栅图形，其中，T型栅的栅帽宽度为0.5 μ m，T型栅的细栅宽度为0.1 μ m。
[0043]步骤6中所述在二次涂敷的电子束光刻胶及T型栅图形上蒸发淀积栅金属，剥离二次涂敷的电子束光刻胶及其上的栅金属，形成T型栅的步骤中，栅金属组分为Ni/Au，厚度分别为Ni = 400埃，Au = 5000埃。
[0044]基于图1是本发明提供的制作氮化镓基场效应晶体管的T型栅的方法流程图，图2a至图2g示出了依照本发明实施例的制作氮化镓基场效应晶体管的T型栅的工艺流程图，具体包括以下步骤:
[0045]如图2a所示，在衬底表面涂敷电子束光刻胶，即在衬底表面匀ZEP520电子束光刻胶，厚度约为2000埃，并采用180°C热板真空加热3分钟；该衬底由下至上依次包括AlGaN层、GaN层和SiN介质层，SiN介质厚度一般为1000埃；
[0046]如图2b所示，对电子束光刻胶进行曝光及显影，形成刻蚀窗口 ；即采用电子束曝光工艺对ZEP520电子束光刻胶进行曝光及显影，形成刻蚀窗口 ；其中，该刻蚀窗口用以形成T型栅的细栅图形，细栅线条的宽度为0.1 μ m，显影液ZED-N50显影90秒，定影液ZMD-D定影15秒，氮气吹干；
[0047]如图2c所示，采用ICP刻蚀工艺从形成的刻蚀窗口对衬底进行刻蚀，该刻蚀穿透SiN介质层及GaN层直至刻蚀入AlGaN衬底一定深度，形成T型栅的细栅图形；刻蚀气体为SFdP CHF3的混合气体，比例为SF6: CHF3 = 3: 40，刻蚀时间为90秒。
[0048]如图2d所示，蒸发金属Al薄层，厚度为100埃，用以做为隔离层，防止光刻胶互溶。
[0049]如图2e所示，二次涂敷电子束光刻胶，该电子束光刻胶为UVIII电子束光刻胶，厚度为I μ m，130°C热板真空加热I分钟；
[0050]如图2f所示，对二次涂敷的电子束光刻胶进行电子束曝光和显影，曝光后用120°C热板真空回流烘胶4分钟，然后用显影液⑶26显影60秒，去除金属Al薄层，并用去离子水冲洗，氮气吹干，形成T型栅图形，其中，T型栅的栅帽宽度为0.5 μ m，T型栅的细栅宽度为0.1 μ m ;
[0051]如图2g所示，栅金属蒸发和剥离，即在二次涂敷的电子束光刻胶及T型栅图形上蒸发淀积栅金属，金属组分为Ni/Au，厚度分别为Ni = 400埃，Au = 5000埃，然后剥离二次涂敷的电子束光刻胶及其上的栅金属，形成T型栅。所述T型栅结构的栅脚部分完全填充栅槽部分，T型栅结构的栅帽部分与SiN介质层不直接接触。
[0052]图3是依照本发明实施例的制作氮化镓基场效应晶体管的T型栅的剖面示意图，包括两侧的源极1、漏极2以及T型栅3。在形成了源漏电极、有源区隔离后的器件上制作T型栅，T型栅处于源极和漏极之间。
[0053]在本发明实施例中，图3所示的氮化镓基场效应晶体管的T型栅，其制作工艺可以从另一个角度概括为:先按常规AlGaN/GaN HEMT器件制作工艺形成器件的源极、漏极；对器件进行一次介质钝化；采用电子束光刻形成栅槽图形，然后对一次介质、GaN帽层和部分AlGaN外延层进行刻蚀，对刻蚀后的器件匀胶进行二次电子束光刻，形成T型栅图形，然后进行栅金属的蒸发、剥离，形成T型栅。其中一次介质钝化，采用介质种类为SiN，介质厚度为1000埃。栅槽宽度为0.1 μ m，由电子束光刻形成，刻蚀工艺为ICP刻蚀。一次电子束光刻采用的电子束光刻胶为ZEP520A，ICP刻蚀栅槽后，不去胶，直接匀二次电子束胶UVIII，中间采用金属Al做为隔离层。一次电子束光刻采用的电子束光刻胶ZEP520A的匀胶厚度为2000埃，ICP刻蚀SiN介质形成栅槽时同时刻蚀ZEP520A，将胶的厚度减薄为1000埃。栅金属组分、厚度为Ni/Au = 400/5000埃。
[0054]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种氮化镓基场效应晶体管的T型栅的制作方法，其特征在于，包括: 在衬底表面涂敷电子束光刻胶； 对电子束光刻胶进行曝光及显影，形成刻蚀窗口 ； 从形成的刻蚀窗口对衬底进行刻蚀，形成T型栅的细栅图形； 蒸发金属薄层，然后二次涂敷电子束光刻胶； 对二次涂敷的电子束光刻胶进行电子束曝光和显影，去除金属薄层，形成T型栅图形；以及 在二次涂敷的电子束光刻胶及T型栅图形上蒸发淀积栅金属，剥离二次涂敷的电子束光刻胶及其上的栅金属，形成T型栅。
2.根据权利要求1所述的氮化镓基场效应晶体管的T型栅的制作方法，其特征在于，所述在衬底表面涂敷电子束光刻胶的步骤中，是在衬底表面匀ZEP520电子束光刻胶，厚度为2000埃，并采用180°C热板真空加热3分钟。
3.根据权利要求2所述的氮化镓基场效应晶体管的T型栅的制作方法，其特征在于，所述衬底由下至上依次包括AlGaN层、GaN层和SiN介质层。
4.根据权利要求1所述的氮化镓基场效`应晶体管的T型栅的制作方法，其特征在于，所述对电子束光刻胶进行曝光及显影形成刻蚀窗口的步骤中，是采用电子束曝光工艺实现的，剂量为300μ C/cm2，电流为200pA，能量为IOOkV ;其中该刻蚀窗口用以形成T型栅的细栅图形，细栅线条的宽度为0.1 μ m，显影液ZED-N50显影90秒，定影液ZMD-D定影15秒，并用氮气吹干。
5.根据权利要求1所述的氮化镓基场效应晶体管的T型栅的制作方法，其特征在于，所述从形成的刻蚀窗口对衬底进行刻蚀形成T型栅的细栅图形的步骤中，是采用ICP刻蚀工艺从形成的刻蚀窗口对衬底进行刻蚀，该刻蚀穿透衬底的SiN介质层及GaN层直至刻蚀入AlGaN层，形成T型栅的细栅图形。
6.根据权利要求5所述的氮化镓基场效应晶体管的T型栅的制作方法，其特征在于，所述ICP刻蚀工艺采用的刻蚀气体为SF6和CHF3的混合气体，比例为SF6: CHF3 = 3: 40，刻蚀时间为90秒，射频功率(RF)为20W，直流功率(LF)为250W，刻蚀压力(WP)0.5Pa。
7.根据权利要求1所述的氮化镓基场效应晶体管的T型栅的制作方法，其特征在于，所述蒸发金属薄层然后二次涂敷电子束光刻胶的步骤中，是蒸发金属Al薄层，厚度为100埃，用以做为隔离层；然后二次涂敷电子束光刻胶，该电子束光刻胶为UVIII电子束光刻胶，厚度为I μ m，并采用130°C热板真空加热I分钟。
8.根据权利要求1所述的氮化镓基场效应晶体管的T型栅的制作方法，其特征在于，所述对二次涂敷的电子束光刻胶进行电子束曝光和显影，去除金属薄层，形成T型栅图形的步骤中，是对二次涂敷的电子束光刻胶进行电子束曝光和显影，曝光采用剂量为100μ C/cm2,电流为200pA，能量为IOOkV ;曝光后用120°C热板真空回流烘胶4分钟，然后用显影液⑶26显影60秒，去除金属Al薄层，并用去离子水冲洗，氮气吹干，形成T型栅图形，其中，T型栅的栅帽宽度为0.5 μ m，T型栅的细栅宽度为0.1 μ m。
9.根据权利要求1所述的氮化镓基场效应晶体管的T型栅的制作方法，其特征在于，所述在二次涂敷的电子束光刻胶及T型栅图形上蒸发淀积栅金属，剥离二次涂敷的电子束光刻胶及其上的栅金属，形成T型栅的步骤中，栅金属组分为Ni/Au，厚度分别为Ni = 400埃，Au=5000埃。
【文档编号】H01L21/28GK103700583SQ201410005454
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2014年1月6日 优先权日:2014年1月6日
【发明者】刘果果, 魏珂, 孔欣, 刘新宇 申请人:中国科学院微电子研究所