专利名称：一种适合于亚微米栅长半导体器件制造的栅介质刻蚀方法
技术领域：
本发明涉及的是一种适合于亚微米栅长半导体器件制造的栅介质刻蚀方法。属于半导体器件技术领域。
背景技术：
铝镓氮化合物(AlGaN) /氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)第三代宽禁带化合物半导体器件具有输出功率大、工作频率高等特点，适合毫米波及以下各个频段的大功率应用，这使得其成为近年来半导体微波功率器件研究的热点。栅介质刻蚀是AlGaN/GaN HEMT器件研制中的关键工艺，通过该工艺制备形成的栅决定了器件的频率特性。判断栅介质刻蚀的效果好坏主要从刻蚀后的栅脚线宽、栅脚形貌以及对器件表面的损伤等几个方面进行。良好的栅介质刻蚀效果首先要保证具有符合要求的栅脚线宽。栅脚线宽是决定高性能AlGaN/GaN HEMT频率特性的必要条件，这是因为栅脚线宽决定了 AlGaN/GaN HEMT器件中的有效沟道长度，其值大小直接影响到微波器件工作时的特征频率、截止频率、效率、增益等性能。栅脚线宽越小，微波器件的频率特性会更好，但同时也会使得器件的寄生效应更加明显，影响到效率、增益等性能。其次良好的栅介质刻蚀效果还要具备较好的栅脚形貌，特别是进入到毫米波范围，随着AlGaN/GaN HEMT器件的特征线宽的缩小，寄生效应会对器件的性能产生很大影响。为了减少器件的寄生效应，需要栅脚形貌尽可能陡直，且侧壁需光滑。
最后良好的栅介质刻蚀效果还必须具有较低的损伤。在刻蚀末期，等离子体会在电场的作用下与AlGaN/GaN HEMT器件的表面作用。AlGaN/GaN HEMT的表面特性会影响到器件后续的肖特基接触势垒高度、开启电压、漏电和击穿等性能，为此需要尽可能减少刻蚀末期等离子体对AlGaN/GaN HEMT器件表面的影响，以保证器件性能良好。目前AlGaN/GaN HEMT栅介质刻蚀工艺普遍采用基于F系的气体配比一定量的O2对SiN进行刻蚀，如SF6、CF4、CHF3等，刻蚀设备主要采用ICP刻蚀台。刻蚀原理一般认为是刻蚀台的上电极在射频源的作用下，将通入机台的反应气体激发至等离子状态。等离子体是由带电的电子和离子组成，反应腔体中的气体在电子的撞击下，除了转变成离子外，还能吸收能量并形成大量的活性基团。产生的活性基团和正、负离子，通过下电极加偏压的作用在扩散或者电场作用下到达SiN表面，与SiN产生化学和物理相结合的反应，加入少量的O2可以用来对侧壁进行钝化；反应后的生成物为31匕和队均为气态，挥发脱离SiN表面，通过分子泵抽出。SF6、CF4作为反应气体的优点是可以保证反应的充分进行且反应生成物完全挥发，刻蚀后线宽准确、边缘光滑，但由于反应比较剧烈，对于保持陡直的刻蚀形貌有一定的困难；CHF3作为反应气体的优点是其与SiN反应生成的聚合物附着在侧壁，可以用来提高刻蚀选择比从而保证刻蚀形貌的陡直，缺点是对器件表面有一定的损伤。机台方面，尽管ICP具有可独立控制等离子体密度及衬底直流偏压的特点，可以获得较低的刻蚀损伤(王家桦，李长健等.半导体器件物理[M].北京:科学出版社，1983:166.)。然而，由于ICP刻蚀也是化学反应与物理轰击作用相结合的刻蚀方法，它仍将不可避免地引入刻蚀损伤，如高能电子或离子的轰击作用会引起晶体缺陷和化学键的断裂，从而引起晶格损伤；材料表面某种成分的优先去除，导致非化学剂量比的表面；刻蚀产物或其他污染物沉积在刻蚀表面产生表面污染(D.Defives, 0.Durand, F.Wyczisk, et.al.Electrical behavior and microstructural analysis of metal Schottky contacts on4H-SiC[J].Microelectronic Engineering, 2001, 55:369.),这些损伤都将严重影响到器件的最终性能。传统的栅介质刻蚀工艺普遍采用一次刻蚀，需要刻蚀的栅脚图形由电子束光刻工艺来定义，确保得到亚微米的线宽，然而刻蚀过程中对光刻胶的刻蚀会使得栅脚线宽外扩，得不到理想的刻蚀效果。同时随着栅脚线宽要求越来越小，其寄生效应则愈发明显；为了提高器件的性能，需要栅脚形貌接近90°，从而降低寄生效应。为了制备亚微米栅长的器件，结合反应气体的特性，栅脚制备采用两步刻蚀的方法，步骤一为采用ICP刻蚀，反应气体为CHF3，步骤二采用具有低损伤的干法刻蚀方法；刻蚀之后得到的栅脚线宽损失小、低损伤，在同样光刻线宽情况下获得更小的栅长，有助于获得更好的器件频率特性。AlGaN/GaN HEMT，其结构包括衬底ll、GaN缓冲层12、AlGaN势垒层13以及AlGaN势垒层13上的源电极14、漏电极15和栅电极22 ;如附图1，
所述的AlGaN/GaN HEMT中衬底11所用的材料、GaN缓冲层12和AlGaN势垒层13形成可参考相关文献报道；另外图1是AlGaN/GaN HEMT的一般结构示意图，表明还存在其它形式的AlGaN/GaN HEMT结构，其它结构形式的可参考相关文献。栅电极22与势垒层13形成的是肖特基接触，源电极14、漏电极15与势垒层13形成的是欧姆接触，其选用的肖特基接触系统和欧姆接触系统乃是众所周知的，不再进一步描述。现有采用用介质辅助方法制造AlGaN/GaN HEMT的工艺实施步骤，包括
1)在AlGaN势垒层13上分别制作源电极14和漏电极15，如图2A所示；
2)整片生长栅介质层16，涂覆光刻胶`层17经曝光显影形成如图2C的A栅脚图形18；
3)对形成的A栅脚图形18进行栅介质刻蚀并去除光刻胶17之后形成如图2D的B栅脚图形19 ；
4)涂覆光刻胶层20，曝光显影形成A栅金属图形21如图2E;
5)淀积金属层22到AlGaN势垒层13、光刻胶层20上，如图2F所示；
6)经过剥离去除光刻胶20以及其上的淀积金属层22得到B栅金属，如图2G所示。
发明内容
本发明提出了一种适合于亚微米栅长半导体器件制造的栅介质刻蚀方法，其目的旨在提升器件频率特性至毫米波段。本发明的技术解决方案:一种适合于亚微米栅长半导体器件制造的栅介质刻蚀方法，其特征该方法包括:
O器件栅介质层上涂覆光刻胶层，器件栅介质层的厚度在150nm-250nm ；
2)通过曝光显影在光刻胶层上形成A栅脚图形，A栅脚图形的线宽在50nm-250nm；
3)采用ICP刻蚀的方法以光刻胶层为掩膜，对A栅脚图形中的介质层进行刻蚀，反应气体为CHF3，气体流量5sccm-20sccm，反应气压为0.1Pa-0.5Pa，上电极功率为0W，下电极功率30-100W，刻蚀去除介质层总厚度的60%-80%，为剩余介质层；
4)对剩余介质层采用低损伤干法刻蚀的方法刻蚀去除。本发明的优点:1、工艺简单，一次光刻一次刻蚀即达到效果；2、损伤小，刻蚀后器件性能无退化。
附图1是AlGaN/GaN HEMT的一般结构示意图。附图2A-图2G是AlGaN/GaN HEMT的一般工艺实施步骤。附图3A-图3C是本发明的工艺实施步骤。附图4是本发明一个实施例的实际剖面图。图中的11是衬底、12是GaN缓冲层、13是AlGaN势垒层、14是源电极、15是漏电极、16是介质层、17是涂覆光刻胶层、18是经曝光显影形成的A栅脚图形、19是去除光刻胶后形成的B栅脚图形、20是涂覆光刻胶层、21是曝光显影形成栅金属图形、22是栅电极金属、23是涂覆电子束光刻胶层、24是曝光并显影后形成的C栅脚图形、25是刻蚀去除介质层总厚度的80%形成D栅脚图形、26是E栅脚图形。
具体实施方式
对照图3A-图3C,—种子适合于亚微米栅长的AlGaN/GaN HEMT制造的栅介质刻蚀方法，包括，
1)在栅介质层16上涂覆电子束光刻胶层23，曝光并显影后形成24的栅脚图形，该图形线宽在50nm-250nm之间,栅介质层16厚度在150nm-250nm,如图3A所示；曝光并显影后形成的C栅脚图形、25是刻蚀去除介质层总厚度的80%形成D栅脚图形；
2)对曝光并显影后形成的C栅脚图形24进行刻蚀步骤一，采用ICP刻蚀的方法，反应气体为CHF3，气体流量5sccm-20sccm，反应气压为0.1Pa-0.5Pa，上电极功率为0W，下电极功率30-100W，刻蚀去除介质层16总厚度的80%为剩余介质层，形成D栅脚图形25，如图3B ；
3)改用刻蚀步骤二，对剩余的刻蚀去除介质层16进行刻蚀，采用ICP刻蚀，反应气体为CF4和O2的质量比例为4:1,具体流量分别为CF4在8sccm-32sccm,02在2sccm-8sccm,反应气压为0.1-0.5Pa，上电极功率100W-200W，下电极功率1W-3W，形成的E栅脚图形26，如图3C所示；
所述的改用刻蚀步骤二还可以对剩余介质层的刻蚀采用ICP刻蚀，反应气体为SF6，气体流量在8sccm-32sccm，反应气压为0.1-0.5Pa，上电极功率100W-200W，下电极功率1W-3W ；
所述的改用刻蚀步骤二还可以对剩余介质层的刻蚀采用RIE刻蚀，反应气体为CF4和O2的质量比例为4:1,具体流量分别为CF4在8sccm-32sccm, O2在2sccm-8sccm,反应气压为 0.1-0.5Pa,电极功率 5W-20W ；
所述的改用刻蚀步骤二还可以对剩余介质层的刻蚀采用RIE刻蚀，反应气体为SF6，气体流量在8sccm-32sccm，反应气压为0.1-0.5Pa,电极功率5W-20W。对照附图4 (实施例)电子束光刻后栅脚线宽约80mn，经栅介质刻蚀后其栅脚线宽83.9nm,形貌角度约为85。 。
权利要求
1.一种适合于亚微米栅长半导体器件制造的栅介质刻蚀方法，其特征该方法包括: 1)器件栅介质层上涂覆光刻胶层，器件栅介质层的厚度在150nm-250nm； 2)通过曝光显影在光刻胶层上形成A栅脚图形，A栅脚图形的线宽在50nm-250nm； 3)采用ICP刻蚀的方法以光刻胶层为掩膜，对A栅脚图形中的介质层进行刻蚀，反应气体为CHF3，气体流量5sccm-20sccm，反应气压为0.1Pa-0.5Pa，上电极功率为0W，下电极功率30-100W，刻蚀去除介质层总厚度的60%-80%，为剩余介质层； 4)对剩余介质层采用低损伤干法刻蚀的方法刻蚀去除。
2.根据权利要求1所述的一种适合于亚微米栅长半导体器件制造的栅介质刻蚀方法，其特征在于剩余介质层采用低损伤ICP干法刻蚀的方法刻蚀去除，反应气体CF4和O2的质量比为4:1, CF4流量在8sccm_32sccm, O2流量在2sccm_8sccm,反应气压为0.1-0.5Pa,上电极功率100W-200W，下电极功率1W-3W。
3.根据权利要求1所述的一种适合于亚微米栅长半导体器件制造的栅介质刻蚀方法，其特征在于剩余介质层还可以采用低损伤ICP干法刻蚀的方法刻蚀去除，反应气体为SF6，气体流量在8sccm-32sccm，反应气压为0.1-0.5Pa，上电极功率100W-200W，下电极功率1W-3W。
4.根据权利要求1所述的一种适合于亚微米栅长半导体器件制造的栅介质刻蚀方法，其特征在于剩余介质层还可以采用低损伤RIE干法刻蚀的方法刻蚀去除，反应气体CF4和O2的质量比例为4:1,具体流量分别为CF4在8sccm-32sccm, O2在2sccm-8sccm,反应气压为 0.1-0.5Pa,电极功率 5W-20W。
5.根据权利要求1所述的一种适合于亚微米栅长半导体器件制造的栅介质刻蚀方法，其特征在于剩余介质 层还可以采用低损伤RIE干法刻蚀的方法刻蚀去除，反应气体为SF6，气体流量在8sccm-32sccm，反应气压为0.1-0.5Pa,电极功率5W-20W。
全文摘要
本发明是一种适合于亚微米栅长半导体器件制造的栅介质刻蚀方法，包括1)介质层上涂覆光刻胶层，介质层的厚度在150nm-250nm；2)通过曝光显影在光刻胶层上形成A栅脚图形，A栅脚图形的线宽在50nm-250nm；3)采用ICP刻蚀的方法以光刻胶层为掩膜，对A栅脚图形中的介质层进行刻蚀，反应气体CHF3，气体流量5sccm-20sccm，反应气压0.1Pa-0.5Pa，上电极功率为0W，下电极功率30-100W，刻蚀去除介质层总厚度的60%-80%，4)对剩余介质层采用低损伤干法刻蚀的方法刻蚀去除。优点线宽损失小、低损伤，在同样光刻线宽情况下获得更小的栅长，有助于获得更好的器件频率特性。
文档编号H01L21/311GK103247526SQ201310165348
公开日2013年8月14日 申请日期2013年5月8日 优先权日2013年5月8日
发明者刘海琪, 王泉慧, 任春江, 陈堂胜 申请人:中国电子科技集团公司第五十五研究所