一种低损伤GaN/AlGaN HEMT栅槽刻蚀方法

摘要

本发明涉及半导体制造技术领域，公开了一种低损伤GaN/AlGaN HEMT栅槽刻蚀方法，包括如下内容：在GaN/AlGaN HEMT外延结构上形成刻蚀阻挡层；对所述刻蚀阻挡层进行图形化，露出预设为栅部分的GaN/AlGaN外延结构的表面；将所述露出预设为栅部分的GaN/AlGaN HEMT外延结构的表面置于浸没有HBr与He的刻蚀气体的刻蚀机内，并加以偏置电压，以刻蚀所述预设为栅部分的GaN/AlGaN外延结构的表面到指定深度，形成栅槽结构，进而降低了刻蚀粒子对GaN/AlGaN HEMT的栅槽的影响，降低了栅槽的刻蚀损伤，提高了器件电性和良率。

权利要求

1.一种低损伤GaN/AlGaN HEMT栅槽刻蚀方法，其特征在于，包括如下内容：在GaN/AlGaN HEMT外延结构上形成刻蚀阻挡层；

对所述刻蚀阻挡层进行图形化，露出预设为栅部分的GaN/AlGaN外延结构的表面；

将所述露出预设为栅部分的GaN/AlGaN HEMT外延结构的表面置于浸没有HBr与He的刻蚀气体的刻蚀机内，并加以偏置电压，以刻蚀所述预设为栅部分的GaN/AlGaN外延结构的表面到指定深度，形成栅槽结构；

外延结构的尺寸具体是2-8寸。

2.根据权利要求1所述的低损伤GaN/AlGaN HEMT栅槽刻蚀方法，其特征在于，所述GaN/AlGaN HEMT外延结构，具体包括：在衬底上依次生长的未掺杂的GaN缓冲层、GaN沟道层、AlGaN隔离层或AlN插入层、AlGaN势垒层、GaN帽层。

3.根据权利要求2所述的低损伤GaN/AlGaN HEMT栅槽刻蚀方法，其特征在于，所述衬底具体为Si，SiC或蓝宝石。

4.根据权利要求2所述的低损伤GaN/AlGaN HEMT栅槽刻蚀方法，其特征在于，所述GaN/AlGaN HEMT外延结构具体采用MOCVD 或MBE形成。

5.根据权利要求2所述的低损伤GaN/AlGaN HEMT栅槽刻蚀方法，其特征在于，所述指定深度具体为到达所述AlGaN势垒层内的指定深度。

6.根据权利要求1所述的低损伤GaN/AlGaN HEMT栅槽刻蚀方法，其特征在于，所述刻蚀阻挡层的材料为光刻胶、金属硬掩膜或介电质硬掩膜。

7.根据权利要求1所述的低损伤GaN/AlGaN HEMT栅槽刻蚀方法，其特征在于，所述刻蚀机内浸没的HBr与He的刻蚀气体被激发成等离子体并加以偏置电压，在所述刻蚀机的反应室内，控制压力为1 100mT，离子体源功率为300 700W,偏置电压为100 400V。

~ ~ ~

8.根据权利要求1所述的低损伤GaN/AlGaN HEMT栅槽刻蚀方法，其特征在于，控制HBr流量为50～250sccm，He流量为50～500sccm。

说明书

一种低损伤GaN/AlGaN HEMT栅槽刻蚀方法

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种低损伤GaN/AlGaN HEMT栅槽刻蚀方法。

背景技术

[0002] GaN材料具有禁带宽度宽、电子迁移率高、击穿电场高、输出功率大且耐高温的特点，基于GaN材料的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)可以工作在高频和高压下，输出功率大和导通电阻小，在最近十几年成为了微波功率器件及电力电子领域的研究热点。

[0003] 常规工艺制作的AlGaN/GaN HEMT均为耗尽型(阈值电压Vth＜0V)。因为要使用负的开启电压，耗尽型HEMT比增强型(Vth＞0V)HEMT电路设计要复杂得多，这增加了HEMT电路的尺寸和成本。目前的主要解决AlGaN/GaN HEMT的阈值电压小于零的方法之一是采用刻蚀凹栅槽，刻蚀凹栅槽能降低栅极到沟道的距离从而提高栅极对于沟道的耗尽，能够有效提高器件的阈值电压成正值。同时，凹栅槽刻蚀能够提高器件跨导，提高AlGaN/GaN HEMT的高频性能。

[0004] 现有凹栅槽型AlGaN/GaN HEMT器件的刻蚀工艺广泛存在等离子体对界面的损伤，等离子体损伤可分为三种类型：(1)在刻蚀过程中由于高能粒子轰击而造成的物理损伤与等离子体的高化学活性造成表层元素组分改变；(2)在刻蚀表面由于反应化合物引起的化学污染；(3)与射频电场相关的电子损伤及充电效应、等离子体非均匀性、偏压非均匀性以及电子阴影效应。

[0005] 在等离子刻蚀工艺中，采用Cl2/Ar或CF4/Ar气体刻蚀的技术比较成熟，主要应用在台面刻蚀，其刻蚀损伤和残留物限制了其在凹栅槽刻蚀时的应用。

[0006] 黄俊等人提出采用Cl2/Ar/C2H4混合气体刻蚀，通过引入小流量具有钝化缓冲作用的C2H4降低离子物理轰击作用，从而达到减小凹栅刻蚀表面粗糙度并降低刻蚀损伤的作用；B.Rong等人提出采用BCl3/Cl2/Ar或在Cl2/Ar刻蚀后采用N2等离子体处理的方式修复由等离子体刻蚀带来的元素失配，减少对其氯气或碳的氟化物通常作为主刻蚀气体；A.T.Ping等人较早尝试化学活性较低的HBr：Ar及HBr:H2的组合气体；然而Kataoka等人通过俄歇电子能谱及X射线吸收谱等发现在纯Ar等离子体刻蚀条件下即会产生GaN的N元素被选择性刻蚀，从而使Ga面形成悬挂键，当暴露在空气环境中时表面也极易氧化形成Ga-O键。Ⅲ-Ⅴ族化合物的刻蚀损伤主要源自于等离子体对于材料表面的物理轰击。目前针对GaN/AlGaN HEMT的栅槽刻蚀尚不能较好地解决刻蚀损伤的问题。

发明内容

[0007] 本发明为了解决现有技术中在对GaN/AlGaN HEMT的栅槽的刻蚀存在有刻蚀损伤的技术问题，进而提供了一种低损伤GaN/AlGaN HEMT栅槽刻蚀方法。

[0008] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

[0009] 一种低损伤GaN/AlGaN HEMT栅槽刻蚀方法，包括如下内容：

[0010] 在GaN/AlGaN HEMT外延结构上形成刻蚀阻挡层；

[0011] 对所述刻蚀阻挡结构进行图形化，露出预设为栅部分的GaN/AlGaN外延结构的表面；

[0012] 将所述露出预设为栅部分的GaN/AlGaN HEMT外延结构的表面置于浸没有HBr与He的刻蚀气体的刻蚀机内，并加以偏置电压，以刻蚀所述预设为栅部分的GaN/AlGaN外延结构的表面到指定深度，形成栅槽结构。

[0013] 进一步地，所述GaN/AlGaN HEMT外延结构，具体包括：在衬底上依次生长的未掺杂的GaN缓冲层、GaN沟道层、AlGaN隔离层或AlN插入层、AlGaN势垒层、GaN帽层。

[0014] 进一步地，所述衬底具体为Si，SiC或蓝宝石。

[0015] 进一步地，所述GaN/AlGaN HEMT外延结构具体采用MOCVD或MBE形成。

[0016] 进一步地，所述指定深度具体为到达所述AlGaN势垒层内的指定深度。

[0017] 进一步地，所述刻蚀阻挡层的材料为光刻胶、金属硬掩膜或介电质硬掩膜。

[0018] 进一步地，控制HBr流量为50～250sccm，He流量为50～500sccm。

[0019] 进一步地，所述刻蚀机内浸没的HBr与He的刻蚀气体被激发成等离子体并加以偏置电压，在所述刻蚀机的反应室内，控制压力为1～100mT，离子体源功率为300～700W,偏置电压为100～400V。

[0020] 本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况：

[0021] 本发明采用的方法中，首先在GaN/AlGaN HEMT外延结构上形成刻蚀阻挡层，并对该刻蚀阻挡层进行图形化，从而露出预设为栅部分的GaN/AlGaN外延结构的表面，然后，将该露出预设为栅部分的GaN/AlGaN HEMT外延结构的表面置于浸没有HBr与He的刻蚀气体的刻蚀机内，并加以偏置电压，以刻蚀预设为栅部分的GaN/AlGaN外延结构的表面到指定深度，形成栅槽结构，从而解决了现有技术中在对GaN/AlGaN HEMT的栅槽刻蚀尚不能较好地解决刻蚀损伤的技术问题，进而降低了刻蚀粒子对GaN/AlGaN HEMT的栅槽的影响，降低了栅槽的刻蚀损伤，提高了器件电性和良率。

附图说明

[0022] 图1是本发明实施例中低损伤GaN/AlGaN HEMT栅槽刻蚀方法的步骤流程示意图；

[0023] 图2-5为本发明实施例中低损伤GaN/AlGaN HEMT栅槽刻蚀方法依次形成的结构示意图。

具体实施方式

[0024] 本发明为了解决现有技术中在对GaN/AlGaN HEMT的栅槽刻蚀存在有刻蚀损伤的技术问题，进而提供了一种低损伤GaN/AlGaN HEMT栅槽刻蚀方法。

[0025] 为了解决上述技术问题，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

[0026] 本发明提供的一种低损伤GaN/AlGaN HEMT栅槽刻蚀方法，如图1所示，包括如下内容：S101，在GaN/AlGaN HEMT外延结构上形成刻蚀阻挡层；S102，对刻蚀阻挡层进行图形化，露出预设为栅部分的GaN/AlGaN外延结构的表面；S103，将露出预设为栅部分的GaN/AlGaN HEMT外延结构的表面置于浸没有HBr与He的刻蚀气体的刻蚀机内，并加以偏置电压，以刻蚀预设为栅部分的GaN/AlGaN外延结构的表面到指定深度，形成栅槽结构。

[0027] 在具体的实施方式中，该GaN/AlGaN HEMT外延结构，具体包括：在衬底110上依次生长的未掺杂的GaN缓冲层121、GaN沟道层122、AlGaN隔离层123或AlN插入层、AlGaN势垒层124、GaN帽层125。具体如图2所示。具体地，该衬底110具体为Si，SiC或蓝宝石。该外延结构具体可以是采用MOCVD或MBE形成。该外延结构的尺寸具体可以是2-8寸。

[0028] 接着，在S101中，该刻蚀阻挡层的材料为光刻胶、金属硬掩膜或介电质硬掩膜，优选的采用氮化硅作为刻蚀阻挡层。此时，在该GaN/AlGaN HEMT外延结构上形成刻蚀阻挡层130，具体如图3所示。

[0029] 在S102中，对该刻蚀阻挡层130进行图形化，露出预设为栅部分的GaN/AlGaN外延结构的表面210，具体如图4所示。

[0030] 在S103中，将该露出预设为栅部分的GaN/AlGaN HEMT外延结构的表面置于浸没有HBr与He的刻蚀气体的刻蚀机内，并加以偏置电压，以刻蚀该预设栅部分的GaN/AlGaN外延结构的表面到指定深度，形成栅槽结构，如图5所示。具体地，该刻蚀机具体可以是感应耦合等离子体刻蚀机(ICP RIE)，当然还可以是RIE。这里的指定深度具体是AlGaN势垒层内的指定深度。

[0031] 在该S103中，在该刻蚀机的反应室内,浸没的HBr与He的刻蚀气体被激发成等离子体并加以偏置电压，具体需要控制压力为1-100mT,控制离子体源功率为300～700W，偏置电压为100～400V。控制HBr流量为50～250sccm，He流量为50～500sccm。

[0032] 具体在选取HBr与He的体积比为1:2作为刻蚀组合气体时，使得以低化学活性HBr为主的腐蚀性气体参与GaN/AlGaN HEMT外延结构的刻蚀，与Cl2或碳的氟化物刻蚀相比更温和和更无残留物，而He的相对原子质量远小于Ar，因此其物理轰击损伤能够得到极大的降低，实验表明采用HBr：He作为主刻蚀气体的程式获得的刻蚀损伤最佳。

[0033] 具体采用HBr：He作为主刻蚀气体的好处：一方面在等离子体放电形成自由基时产生的Br化学活性远低于其他卤族元素形成的自由基(常用卤族元素电负性分别为：F(3.98)>Cl(3.16)>Br(2.96))，能够减少化学反应带来的可视损伤和侧刻，另一方面，中性粒子He由于其相对原子质量较少，能够有效地减小在垂直方向上对晶圆表面产生物理轰击作用，从而形成清洁、平整、无损伤和良好尺寸控制的GaN/AlGaN HEMT栅槽。因此，采用这样的方法具有高度产业利用价值。

[0034] 上述的低损伤栅槽刻蚀方法还适用于其他三五族HEMT栅槽刻蚀中。

[0035] 以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。