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AlGaN/GaN HEMT制备中的光刻及隔离工艺

  1. AlGaN/GaN HEMT器件制备的典型工艺流程
  制备AlGaN/GaN HEMT器件的典型工艺流程如图1所示。
制备AlGaN/GaN HEMT器件的典型工艺流程图 
图1 制备AlGaN/GaN HEMT器件的典型工艺流程图
 
  2. 光刻工艺
  光刻工艺是AlGaN/GaN HEMT器件制备的关键基础工艺,无论是选择性淀积金属材料、介质材料还是选择性刻蚀金属材料、介质材料、半导体材料,都需要进行光刻。通过光刻在材料表面形成淀积材料或者刻蚀区域的图形,对不需要材料覆盖或者被刻蚀掉的区域进行保护。光刻是一种图形转移技术,首先通过光刻把光刻版上的图形转移到光刻胶上,再通过生长或刻蚀技术把光刻胶上的图形转移到半导体表面上。通过多次光刻和套刻、生长以及刻蚀,即可形成AlGaN/GaN HEMT器件所需要的纵向和横向结构,实现器件的功能。实现器件功能的关键是确保通过光刻实现所需要的图形尺寸和图形形貌,持别是实现器件的持征尺寸。对AlGaN/GaN HEMT器件而言,其要实现的最小尺寸是器件的栅长,栅长就是器件的特征尺寸。在给定光刻机的情况下,光刻工艺中最重要的参数就是曝光时间与显影时间,曝光不足会使金属剥离时出现脱落,导致剥离工艺失败;曝光过度会使光刻掩膜窗口过大,光刻图形轮廓参差不齐,影响金属线宽和图形质量。

  在AlGaN/GaN HEMT器件中,为了获得高质量的栅线条,需要对肖特基接触栅条的光刻工艺进行优化,光刻所用光刻机型号为H94-25C。我们分别研究了阴版光刻以及阳版光刻两种光刻工艺。对于阴版光刻板,我们使用负性L300光刻胶进行光刻,该负胶的主要工艺参数在于曝光时间、后烘时间及显影时间。曝光时间和后烘时间越长,显影时间也要相应加长,否则会找不到合适的显影时间。对于阳版光刻板,我们使用正性AZ6130光刻胶进行光刻,该正胶的主要工艺参数在于曝光时间以及显影时间,曝光时间偏长,显影就很容易过显,对主要工艺参数的改变十分敏感。总之,实验过程中需要对各主要工艺参数进行反复调试和优化,最终达到容易控制且稳定性好的光刻效果。

  优化的正胶和负胶光刻工艺下显影后的参考图形分别如图2(a)和2(b)所示,由该显微镜的观察结果可知,实验中最终的各工艺参数选取适中,光刻、显影效果良好。
优化的正负胶光刻工艺下显影后的参考图形 
图2(a) 优化的正胶光刻工艺下显影后的参考图形(用AZ6130光刻胶)
(b)优化的负胶光刻工艺下显影后的参考图形(用L300光刻胶)
 
  3. 器件隔离工艺
  制作高质量的器件需要减小器件之间的漏电,杜绝器件之间的相互影响,因此需要实现器件之间良好的电隔离。器件隔离的方法通常有台面隔离和离子注入隔离两种(此处不讨论p-n结隔离和绝缘介质隔离)。台面隔离的原理是通过台面刻蚀形成隔离槽的方法阻断器件的导电通道,刻蚀形成的隔离槽将形成的台面岛相互隔离,单个AlGaN/GaN HEMT器件制作在台面隔离岛上。离子注入隔离的原理是通过注入离子(如注入He离子)扰乱材料的晶格上原子的排列的方法形成高阻区域,AlGaN/GaN HEMT器件制作在未注入离子的隔离岛上,隔离岛之间彼此电隔离。本文重点研究台面隔离工艺。

  台面隔离是一种重要的隔离方法,它通过一定手段对AlGaN材料和GaN材料进行刻蚀,形成深度远大于沟道深度的凹槽作为隔离区。台面隔离可以通过湿法腐蚀或干法刻蚀来实现。湿法腐蚀具有损伤小、毒性小、设备简单、操作方便等优点,但由于GaN和AlN材料的化学性质稳定,键能大(GaN的键能为8.92eV/atom,AlN的键能为11.52eV/atom),所以在室温下用传统的酸性或碱性腐蚀液无法对其进行有效腐蚀。通常在加热或紫外线照射的条件下,在HC1或KOH腐蚀液中可获得较好的腐蚀效果,腐蚀速率高、表面光滑且各向异性好。但由于腐蚀效果对材料的特性以及腐蚀液的浓度异常敏感,所以缺点也很明显,主要表现为可控性较差。目前AlGaN/GaN HEMT器件的台面隔离主要是通过干法刻蚀来实现。我们使用实验室的感应耦合等离子体刻蚀机(型号为ICP-5100),采用BC13和C12对AlGaN势垒层和GaN材料进行刻蚀。

  由于势垒层AlGaN以及GaN沟道层的总厚度不超过150nm,刻蚀深度只要超过沟道层的深度即可达到器件电隔离的目的。实验中最终的刻蚀深度通过表面轮廓仪(又称台阶仪,型号为KLA-Tencor P-6)来表征,测试结果如图3所示,由测试结果可知,样品的台阶的刻蚀深度为196.22nm,符合刻蚀需求。
用台阶仪测得的干法刻蚀深度检测结果 
图3 用台阶仪测得的干法刻蚀深度检测结果
 
  台面隔离后AlGaN/GaN HEMT器件的隔离岛间漏电流采用实验室的探针台测试台(型号为ST-103A,所用测量单元为Agilent B2902A信号源)测得,测试结果如图4所示,可见漏电流小于0.2μA。从以上结果可以看出,台面隔离可以实现良好的器件隔离。台面隔离的漏电流依赖于高阻缓冲层的质量和刻蚀工艺,台面隔离良好说明生长的AlGaN/HEMT结构材料具有高质量的GaN高阻缓冲层。
台面隔离漏电检测结果 
图4 台面隔离漏电检测结果

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