H01L21/311(2006.01)I H01L21/335(2006.01)I
1.本发明适用于氮化镓器件制作中ICP和RIE等离子体刻蚀钝化层的情况。
2.钝化层不仅仅局限于氮化硅,也包括其他氮化物/表面/覆盖材料。
3.等离子体刻蚀采用分步刻蚀的方法,第一步完成70-80%的刻蚀深度。
4.第一步采用含氟比例高的氟,氯/溴混合气体,如SF6,NF3,CF4,SiCl4,BCl3,HBr,or CBrF3。混 合气体中含氟气体比例在>70%。混合气体中可以配少量氧气。
5.第一步刻蚀采用较高的功率,以提高产能,控制刻蚀坡度。
6.第二步刻蚀采用低氟高氯/溴的混合气体,如SF6,NF3,CF4,SiCl4,BCl3,HBr,or CBrF3。混合气 体中含氟气体比例在<30%。混合气体中可以配少量氧气。
7.第二步刻蚀采用较低的功率,使等离子体对氮化镓的刻蚀损伤最小化。
8.在第二步刻蚀完成后,对器件进行退火处理,能恢复和稳定器件电气性能。
氮化镓表面低损伤蚀刻
技术领域:
这项发明涉及宽禁带氮化镓HEMT器件表面钝化处理以极提高器件击穿电压的工艺制作。
背景技术:
1.宽禁带半导体象氮化镓(GaN)具有高饱和电子迁移率,高偏置电压,和良好的导热特性,使得氮化镓 器件能在高频率高温下提供高功率密度和工作效率。这些特性吸引了众多的有关氮化镓的科研和商业 开发。
2.绝大部份氮化镓器件采用异质结场效应晶体管(HFET)的某种变形。最常用的变形是AlGaN/GaN高电子 迁移率场效应管(HEMT)。器件结构:在衬底材料上外延生长成核层,在成核层上生长氮化镓,然后在 氮化镓层上生长一层硅搀杂的AlGaN,在AlGaN/GaN界面形成二维电子气和异质结沟道,最后用一薄层 的钝化层保护表面。
3.在器件制作过程中,通常要刻蚀钝化层,将欧姆电极,栅极等置于刻蚀窗口。钝化层刻蚀一般采用等 离子体刻蚀。然而由于器件的二维电子气通常离器件表面仅15-35nm,器件的性能如饱和漏极电流 (IDSS)和靠性性能易受蚀刻等离子体的损伤。选择适当的刻始气体和刻蚀参数对保持和稳定器件性能 至关重要。等离子体蚀刻对氮化镓材料电气性能的损伤的原因有:
1)氮化镓表面受等离子体中能量高的离子轰击,造成晶格缺陷和位错。高能量离子注入氮化镓也影 响其电气性能和可靠性;
2)干法蚀刻对氮化镓蚀刻具有选择性,蚀刻后氮化镓表面的镓氮比化学计量发生变化;
3)刻蚀过程中,等离子体于光刻胶等反应形成高分子沉积于刻蚀面;
4)等离子体产生的氢原子/离子能中和二维电子气层中的自由电子。
发明内容:
本发明通过选择适宜刻蚀气体,优化设备和工艺参数,和退火处理,有效解决了干法刻蚀对氮化镓器件的 电气性能的损伤。
一:材料准备:在碳化硅衬底上外延生长AlGaN/GaN,形成异质结沟道。AlGaN上还生长一薄层氮化镓盖 帽层(这个结构以下称基片)。
二:制作测量电极(图1):在GaN盖帽层上采用光刻,将传输线模型(TLM)通过金属热蒸镀和举离工艺沉积 到基片上。蒸镀金属采用Ti/Al/Ni/Au。然后经快速退火处理,形成欧姆电极。刻蚀对GaN造成的损伤通 过TLM测得的薄层电阻(Rsh)进行量化比较。
三:然后在基片上沉积PECVD SiN 500-3000(图2)。沉积其它表面钝化材料或覆盖材料,如果需要对沉 积/覆盖材料干法蚀刻,下述低刻蚀损伤等离子体刻蚀概念也同样有效。
四:采用光刻,在基片左半部暴露欧姆电极上方及欧姆电极之间地氮化硅部份(图3),在基片右半部暴露 欧姆电极上方及欧姆电极之间的氮化硅部份(图4),然后等离子体干法蚀刻氮化硅。干法蚀刻条件将在面 叙述。
五:测量TLM,得出Rsh,通过比较左右两部份的Rsh,刻蚀造成的损伤就可以量化比较。
六:等离子体刻蚀条件一(一步刻蚀法):ICP(电感耦合等离子体)刻蚀。采用SF6/02,25sccm/2sccm, 10mTorr,RF1 100W,RF2(1W/cm2),温度25C。欧姆电极间受等离子体刻蚀的薄层电阻计为Rsh(1),未 受刻蚀的薄层电阻计为Rsh(0)。
七:等离子体刻蚀条件二(一步刻蚀法):ICP刻蚀。采用SF6/SiCl4/02,5sccm/15sccm/2sccm,10mTorr, RF1 100W,RF2(1W/cm2),温度25C。测量TLM得出Rsh(2)。
八:等离子体刻蚀条件三(两步刻蚀法):ICP刻蚀。第一步采用SF6/SiCl4/02,15sccm/5sccm/2sccm, 10mTorr,RF1 100W,RF2(1W/cm2),温度25C。第一步完75%的刻蚀深度。然后采用第二步刻蚀, SF6/SiCl4/02,5sccm/15sccm/2sccm,10mTorr,RF1 100W,RF2(0.1~0.3W/cm2),温度25C。测量TLM 得出Rsh(3)
九:将经等离子体刻蚀条件三刻蚀的材料进行退火处理(350-600C 30min),测量TLM得出Rsh(4)。 十:比较图五可以得出,采用一步ICP干法蚀刻,在相同的RF1/RF2功率,温度,压力条件下,采用SF6/02 对氮化镓电气性能伤害很大。Rsh(1)是Rsh(0)的量倍多。增加含体,改变刻蚀气体配比,Rsh(2)只是 Rsh(0)的~1.5倍。采用含体降低了刻蚀损伤。
十一:比较图6中Rsh(3)和图5中Rsh(2)可以得出,采用二步刻蚀,并在第二步采用底偏置 RF2(0.1~0.3W/cm2),极大地降低了等离子体干法蚀刻对氮化镓的电气损伤。
十二:比较图6中Rsh(4)和Rsh(3)可以得出,退火处理有效的恢复了刻蚀对氮化镓引起的电气损伤。
附图说明
图1:在基片上制作TLM-欧姆电极
图2:在基片上沉积PECVD SiN
图3:仅刻蚀欧姆电极上方SiN,不刻蚀欧姆电极间SiN
图4:刻蚀欧姆电极上方及欧姆电极间SiN,离子轰击暴露的氮化镓表面
图5:薄层电阻在不同等离子体干法蚀刻条件下的比较(一)
图6:薄层电阻在不同等离子体干法蚀刻条件下的比较(二)
本文发布于:2024-09-21 22:24:04,感谢您对本站的认可!
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