一种新型高频半导体栅极的制作方法与流程

本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种新型高频半导体栅极的制作方法。

背景技术：

随着微波无线技术的发展，微波器件在军事和人们生活中的应用越来越广泛，因而提高微波器件的性能就显得越来越重要，其中高频性能更是微波器件性能的重要表现之一。

高频器件的两个重要指标是饱和电流截止频率ft和最大增益截止频率fmax，提高ft和fmax的栅极结构主要有t型栅和y型栅等，传统t形栅的制作方法采用涂覆两层光刻胶或三层光刻胶，通过两次曝光两次显影得到t形栅结构，此外由于光刻胶具有流动性，所以不可避免的会使两层光刻胶之间形成互溶层，一般t形栅的电子束光刻制作方法中，下层光刻胶为低灵敏度，而需要高剂量的电子束流；上层光刻胶为高灵敏度，采用低剂量的电子束流，而互溶层会导致稿灵敏度和低灵敏度的光刻胶混合在一块，使曝光过程中上层与下层不能明确的区分开，即栅脚与栅头之间不能形成明确界线。

一般t形栅的制作方法中，通过两次曝光两次显影得到t形栅结构，且栅脚与栅头之间不能形成明确界线，从而无法得到形貌规整的t形栅，这将会增加栅极寄生电容，不能有效的提高饱和电流截止频率ft。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种新型高频半导体栅极的制作方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明提供了一种新型高频半导体栅极的制作方法，包括：

选取势垒层；

在所述势垒层上形成夹层结构，其中，所述夹层结构自下而上依次包括：第一光刻胶层、第一金属层、第二光刻胶层和第二金属层；

光刻所述夹层结构后形成第一结构；

对所述第一结构进行显影后形成具有t形凹槽的t形凹槽结构；

在所述t形凹槽结构的表面淀积栅金属层后形成第二结构；

对所述第二结构进行剥离后形成浮空t形栅。

在本发明的一个实施例中，所述第一光刻胶层的敏感度低于所述第二光刻胶层的敏感度。

在本发明的一个实施例中，在所述势垒层上形成夹层结构，包括：

在所述势垒层表面涂覆第一光刻胶层；

在所述第一光刻胶层表面淀积第一金属层；

在所述第一金属层表面涂覆第二光刻胶层；

在所述第二光刻胶层表面淀积第二金属层。

在本发明的一个实施例中，在所述第一光刻胶层表面淀积第一金属层，包括：

利用磁控溅射或蒸镀的方法在所述第一光刻胶层表面淀积第一金属层。

在本发明的一个实施例中，在所述第二光刻胶层表面淀积第二金属层，包括：

利用磁控溅射或蒸镀的方法在所述第二光刻胶层表面淀积第二金属层。

在本发明的一个实施例中，光刻所述夹层结构后形成第一结构，包括：

利用电子束光刻方法光刻所述夹层结构，设置所述浮空t形栅的中间栅脚光刻剂量为第一剂量，利用所述第一剂量光刻所述夹层结构至所述势垒层的表面，设置所述浮空t形栅的中间栅脚的两侧栅头光刻剂量为第二剂量，利用所述第二剂量光刻所述夹层结构至所述第一金属层的表面，形成所述第一结构，其中，所述第一剂量的浓度大于所述第二剂量的浓度。

在本发明的一个实施例中，对所述第一结构进行显影后形成具有t形凹槽的t形凹槽结构，包括：

利用显影液对所述第一结构进行显影后形成具有t形凹槽的t形凹槽结构。

在本发明的一个实施例中，在所述t形凹槽结构的表面淀积栅金属层后形成第二结构，包括：

利用电子束蒸镀的方法在所述t形凹槽结构的表面淀积栅金属层后形成第二结构，其中，所述栅金属层包括第一栅金属层部分、第二栅金属层部分和第三栅金属层部分，所述第一栅金属层部分、所述第二栅金属层部分分别位于所述第二金属层的表面，所述第三栅金属层部分位于所述t形凹槽结构的t形凹槽内。

在本发明的一个实施例中，对所述第二结构进行剥离后形成浮空t形栅，包括：

利用剥离工艺去掉所述第一光刻胶层、所述第一金属层、所述第二光刻胶层、所述第二金属层、所述第一栅金属层部分及所述第二栅金属层部分，形成所述浮空t形栅。

在本发明的一个实施例中，所述栅金属层的厚度大于所述第一光刻胶层的厚度和所述第一金属层的厚度总和，且小于所述第二光刻胶层的厚度。

本发明的有益效果：

本发明通过所述夹层结构中的第一金属层来避免两种光刻胶之间互溶层的形成，从而可以明确的将栅脚层与栅头层分离开来，另外，所述夹层结构中的第二金属层作为阻挡层，形成undercut结构，此结构易于栅金属层的剥离，并且所述第一金属层、所述第二金属层可以释放电子束光刻中剩余的电荷，对曝光的图形不影响，由此得到形貌规整的t形栅，可以更好的减小寄生电容从而提高饱和电流截止频率ft。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种新型高频半导体栅极的制作方法流程示意图；

图2a～2h是本发明实施例提供的一种新型高频半导体栅极的制作方法的工艺流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种新型高频半导体栅极的制作方法流程示意图，该制备方法包括如下步骤：

步骤1、选取势垒层1；

具体地，所述势垒层1为algan、inaln等。

步骤2、在所述势垒层1上形成夹层结构；

具体地，所述夹层结构自下而上依次包括第一光刻胶层2、第一金属层3、第二光刻胶层4和第二金属层5。

进一步地，在所述势垒层1上形成夹层结构包括：

步骤2.1、在所述势垒层1表面涂覆第一光刻胶层2；

请参见图2a，图2a～2h是本发明实施例提供的一种浮空t形栅的制备工艺流程示意图。

具体地，在所述势垒层1表面涂覆所述第一光刻胶层2，并对此结构进行烘烤，其烘烤温度为180-210℃，烘烤时间为10min。

其中，所述第一光刻胶层2的厚度等于所述浮空t形栅的栅脚高度，所述第一光刻胶层2的厚度可以根据需要的浮空t形栅的栅脚高度来确定，例如：需要制备的浮空t形栅的栅脚高度为100nm，则所述第一光刻胶层2的厚度为100nm。

优选地，所述第一光刻胶层2采用pmma(poly(methylmethacrylate)，聚甲基丙烯酸甲酯)。

其中，所述pmma敏感度低，需要高剂量曝光，具体的剂量设置与采用的电子束光刻机型号和设置有关，例如：采用nb5电子束光刻机时，pmma的最佳剂量为7.5c/m²。

步骤2.2、在所述第一光刻胶层2表面淀积第一金属层3；

具体地，请参见图2b，在所述第一光刻胶层2表面淀积第一金属层3。

进一步地，利用磁控溅射(magnetronsputtering)或蒸镀的方法在所述第一光刻胶层2表面淀积第一金属层3。

所述第一金属层3为al、ti、w、au、pt等，其厚度范围为1-6nm。

优选地，所述第一金属层3为al，其厚度为1.5nm。

步骤2.3、在所述第一金属层3表面涂覆第二光刻胶层4；

具体地，请参见图2c，在所述第一金属层3表面涂覆第二光刻胶层4。

进一步地，在所述第一金属层3表面涂覆所述第二光刻胶层4，并对此结构进行烘烤，其烘烤温度为180-210℃，烘烤时间为10min。

其中，所述第二光刻胶层4的厚度大于所述浮空t形栅的栅头高度。

优选地，所述第二光刻胶层4采用pmma-maa(甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸的共聚物)。

其中，所述pmma-maa敏感度高，需要低剂量曝光，具体的剂量设置与采用的电子束光刻机型号和设置有关，例如：采用nb5电子束光刻机时，pmma-maa的最佳剂量为2.3c/m²。

其中，所述第一光刻胶层2的敏感度低于所述第二光刻胶层4的敏感度，由于所述第一光刻胶层2的敏感度低，所述浮空t形栅的中间栅脚采用高剂量曝光，所述第二光刻胶层4的敏感度高，所述浮空t形栅的中间栅脚的两侧栅头采用低剂量曝光，因此，可以形成中间凹陷的凹槽结构。

进一步地，所述第一金属层3可以避免所述第一光刻胶层2和所述第二光刻胶层4形成互溶层，从而可以明确的将高剂量的栅脚层与低剂量的栅头层分离开来，用这种方法制作的t形栅形貌规整，可以更好的减小寄生电容从而提高饱和电流截止频率ft。

步骤2.4、在所述第二光刻胶层4表面淀积第二金属层5。

具体地，请参见图2d，在所述第二光刻胶层4表面淀积第二金属层5。

进一步地，利用磁控溅射或蒸镀的方法在所述第二光刻胶层4表面淀积第二金属层5。

进一步地，所述第二金属层5为al、ti、w、au、pt等，其中，所述第二金属层5的厚度大于所述第一金属层3的厚度，且小于6nm。

优选地，所述第二金属层5为al，其厚度为3nm。

步骤3、光刻所述夹层结构后形成第一结构；

请参见图2e，具体地，光刻所述夹层结构后形成第一结构。

进一步地，利用电子束光刻方法光刻所述夹层结构，设置所述浮空t形栅的中间栅脚光刻剂量为第一剂量，利用所述第一剂量光刻所述夹层结构至所述势垒层1的表面，设置所述浮空t形栅的中间栅脚的两侧栅头光刻剂量为第二剂量，利用所述第二剂量光刻所述夹层结构至所述第一金属层3的表面，形成所述第一结构，其中，所述第一剂量的浓度大于所述第二剂量的浓度。

进一步地，所述第一剂量为适合于所述第一光刻胶层2的低敏感度的剂量，所述第二剂量为适合于所述第二光刻胶层4的高敏感度的剂量。

优选地，所述第一剂量为7.5c/m²，所述第二剂量为2.3c/m²。

进一步地，利用电子束光刻方法，设置所述浮空t形栅的中间栅脚的两侧栅头光刻剂量为低剂量，所述浮空t形栅的中间栅脚光刻剂量为高剂量，光刻后形成第一结构。

其中，所述第一结构同图2d，实质区别在于，图2e中的中间第一光刻胶层23、中间第二光刻胶层43的光刻胶性质发生变化，中间第一金属层33和中间第二金属层53的金属薄膜发生变化。

具体地，电子束光刻时，电子枪发射的电子束流使所述中间第一光刻胶层23、所述中间第二光刻胶层43曝光后，所述中间第一光刻胶层23、中间第二光刻胶层43的光刻胶的性质发生变化，所述电子束流还使所述中间第一金属层33和所述中间第二金属层53的金属薄膜打成不连续的碎片。

具体地，所述势垒层1与所述夹层结构组成的基片放入电子束光刻机中进行光刻，所述电子束光刻采用不同的剂量一次曝光完成，曝光时所述浮空t形栅的中间栅脚的两侧栅头图形的光刻剂量设置为适合所述第二光刻胶层4的低剂量，光刻至所述第一金属层3停止，所述浮空t形栅的中间栅脚图形的光刻剂量设置为适合所述第一光刻胶层2的高剂量，光刻至所述势垒层1停止。

具体地，由于所述栅头与所述栅脚的光刻剂量不同，在电子束光刻过程中设计光刻版图时，将栅脚与栅头的图形分开设计。

进一步地，将所述夹层结构根据设计的光刻版图进行电子束光刻后形成第一结构，其中，所述电子束光刻使所述中间第一光刻胶层23、所述中间第二光刻胶层43的光刻胶性质发生变化后可溶于显影液，所述中间第一金属层33和所述中间第二金属层53被电子束流打成不连续的碎片后也可溶于显影液。

进一步地，在电子束光刻过程中光刻版图部分分别将所述第一光刻胶层2、所述第一金属层3、所述第二光刻胶层4、所述第二金属层5分成三部分，其中，所述第一光刻胶层2包括：左边第一光刻胶层21、中间第一光刻胶层23、右边第一光刻胶层22，所述第二光刻胶层4包括：左边第二光刻胶层41、中间第二光刻胶层43、右边第二光刻胶层42，所述第一金属层3包括：左边第一金属层31、中间第一金属层33、右边第一金属层32，所述第二金属层5包括：左边第二金属层51、中间第二金属层53、右边第二金属层52。

具体地，由于所述左边第二光刻胶层41、所述右边第二光刻胶层42在电子束光刻的散射电子和背散射电子的作用下向四周形成微小的扩散，所述左边第一金属层31和所述右边第一金属层32分别作为所述左边第一光刻胶层21和所述右边第一光刻胶层22的抗刻蚀层使所述左边第一光刻胶层21和所述右边第一光刻胶层22不受电子束影响，所述中间第一光刻胶层23和所述中间第二光刻胶层43的光刻胶性质发生变化，所述电子束流还将所述中间第一金属层33和所述中间第二金属层53的金属薄膜打成不连续的碎片，因此，形成如图2e的结构。

步骤4、对所述第一结构进行显影后形成具有t形凹槽的t形凹槽结构；

具体地，请参见图2f，利用显影液对所述第一结构进行显影后形成具有t形凹槽的t形凹槽结构。

具体地，将所述第一结构放入显影液中进行显影后形成具有t形凹槽的t形凹槽结构。

优选地，所述显影液采用mibk(甲基异丁基(甲)酮，甲基异丁酮，4-甲基-2-戊酮)与异丙醇比例为1:3的溶液，其中，显影速率一般为3nm/s。

具体地，显影时间可根据所述光刻胶的厚度和显影速率计算得到，例如：光刻胶的厚度为30nm，显影速率为3nm/s，则显影时间为10s。

进一步地，由于电子束光刻机的电子束流可以将致密的金属薄膜打成不连续的碎片，即所述中间第一金属层33、所述中间第二金属层53的金属薄膜会被电子束光刻机的电子束流打成不连续的碎片，所述碎片在显影时会随着光刻胶混合在显影液中，所以整个制作工艺采用一次曝光一次显影的方法，可以极大地减小工艺复杂度。

进一步地，所述第一金属层3、所述第二金属层5在电子束光刻中可以将电子枪发射的电子束流在对光刻胶作用后剩余的电荷释放掉，从而不对曝光的图形产生影响。

步骤5、在所述t形凹槽结构的表面淀积栅金属层6后形成第二结构；

具体地，请参见图2g，利用电子束蒸镀的方法在所述t形凹槽结构的表面淀积栅金属层6后形成第二结构，其中，所述栅金属层6包括第一栅金属层部分61、第二栅金属层部分62和第三栅金属层部分63，所述第一栅金属层部分61、所述第二栅金属层部分62分别位于所述第二金属层5的表面，所述第三栅金属层部分63位于所述t形凹槽结构的t形凹槽内。

进一步地，在淀积所述栅金属层6时，所述第一栅金属层部分61、所述第二栅金属层部分62分别淀积于所述左边第二金属层51、所述右边第二金属层52的表面，由于所述t形凹槽结构的t形凹槽部分有凹陷，所述第三栅金属层部分63会因为所述t形凹槽结构的t形凹槽下沉淀积于所述t形凹槽结构的t形凹槽内，形成所述第二结构。

进一步地，在淀积所述栅金属层6时，所述左边第二金属层51、所述右边第二金属层52分别对所述左边第二光刻胶层41、所述右边第二光刻胶层42形成阻挡层，此结构即为undercut结构，所述undercut结构有利于所述栅金属层6的剥离，从而得到形貌规整的t形栅。

其中，所述栅金属层6的厚度大于所述第一光刻胶层2的厚度和所述第一金属层3的厚度总和，且小于所述第二光刻胶层4的厚度。

进一步地，如果所述栅金属层6的厚度小于所述第一光刻胶层2的厚度和所述第一金属层3的厚度总和，就无法形成浮空t形栅。

另外，所述栅金属层6的厚度小于所述第二光刻胶层4的厚度，有利于所述栅金属层6的成功剥离。

步骤6、对所述第二结构进行剥离后形成浮空t形栅；

具体地，请参见图2h，对所述第二结构进行剥离后形成浮空t形栅。

进一步地，利用剥离工艺去掉所述第一光刻胶层2、所述第一金属层3、所述第二光刻胶层4、所述第二金属层5、所述第一栅金属层部分61及所述第二栅金属层部分62，形成所述浮空t形栅。

进一步地，所述第三栅金属层部分63即所述浮空t形栅。

具体地，所述剥离工艺：将所述第二结构浸泡在丙酮溶液中，时间为24小时，不使用超声；完成浸泡后捞出并放入温度为60℃的光刻剥离液水浴加热10min后捞出再在异丙醇溶液中浸泡30min，不使用超声；最后用超纯水冲洗其结构2min，再用氮气吹干。

进一步地，上述步骤中不使用超声，可以避免所述栅金属层6脱落，并且可以提高成品率。

本发明的有益效果：

本发明通过所述夹层结构中的第一金属层来避免两种光刻胶之间互溶层的形成，从而可以明确的将栅脚层与栅头层分离开来，另外，所述夹层结构中的第二金属层作为阻挡层，形成undercut结构，此结构易于栅金属层的剥离，并且所述第一金属层、所述第二金属层可以释放电子束光刻中剩余的电荷，对曝光的图形不影响，由此得到形貌规整的t形栅，可以更好的减小寄生电容从而提高饱和电流截止频率ft。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。