一種氮化鎵基場效應電晶體的t型柵的製作方法
2023-06-07 22:50:06 1
一種氮化鎵基場效應電晶體的t型柵的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種氮化鎵基場效應電晶體的T型柵的製作方法，包括：在襯底表面塗敷電子束光刻膠；對電子束光刻膠進行曝光及顯影，形成刻蝕窗口；從形成的刻蝕窗口對襯底進行刻蝕，形成T型柵的細柵圖形；蒸發金屬薄層，然後二次塗敷電子束光刻膠；對二次塗敷的電子束光刻膠進行電子束曝光和顯影，去除金屬薄層，形成T型柵圖形；以及在二次塗敷的電子束光刻膠及T型柵圖形上蒸發澱積柵金屬，剝離二次塗敷的電子束光刻膠及其上的柵金屬，形成T型柵。利用本發明，有效地抑制了電流崩塌、減少了柵源、柵漏寄生電容，降低了器件柵電阻，提高了器件截止頻率(ft)和最高振蕩頻率(fmax)，使得器件能工作於毫米波頻段。
【專利說明】一種氮化鎵基場效應電晶體的T型柵的製作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及高電子遷移率場效應電晶體(HEMT)的結構設計【技術領域】，尤其涉及一種適用於毫米波的氮化鎵基場效應電晶體的T型柵的製作方法。
【背景技術】
[0002]毫米波段功率放大器在軍用、商用和消費領域具有巨大的應用前景。高頻寬帶無線通信技術、精確制導武器、遠程雷達及空間通訊技術，工作頻段從C、X波段逐漸向Ku、Ka等更高頻段發展。 [0003]做為第三代半導體材料，GaN材料禁帶寬度寬、擊穿電場高、輸出功率大，由於能在高壓下工作，導通電阻小，GaN器件也表現出更高的增益。同時，GaN器件具有很高的電子遷移率和電子飽和速度，確保了該器件在Ka、Q甚至W波段的高增益。因此，GaN HEMT技術已成為當前毫米波大功率器件領域研究的熱點。
[0004]當前，GaN微波功率管芯通常採用柵結構，為了抑制其電流崩塌效應，通常採用鈍化工藝，在源漏之間外延層上生長SiN介質。同時，為了提高器件的柵控能力以及功率線性度，採用了 柵結構:對SiN介質、GaN帽層以及部分AlGaN外延層進行刻蝕，做為柵器件的柵腳部分，同時光刻寬柵帽共同形成柵結構。寬柵帽的作用在於:降低柵電阻，同時起到柵場板的作用，調製柵漏電場，增加器件的擊穿電壓，以提高器件的工作電壓。
[0005]採用該結構的GaN微波功率管芯在Ku波段以及Ku波段以下取得了很好的功率輸出特性，但是，由於柵與介質之間產生的寄生電容導致了柵源電容(Cgs)和柵漏電容(Cgd)的增大，影響了器件的頻率性能，導致器件很難在Ka波段及其以上頻段工作。
[0006]在Ka波段及其以上頻段，為了減少柵源、柵漏寄生電容，柵結構採用T型柵結構，在減小柵長的同時，柵帽不和外延層或者介質層接觸，由於空氣介電常數低，能大大提高器件的頻率特性，但是，傳統的T型柵結構由於表面沒有鈍化或者不能完全鈍化，會導致高場下電流崩塌的產生，影響器件的高頻功率特性。
[0007]因此，有效結合柵結構和T型柵結構是GaN場效應電晶體結構設計和工藝開發的重點。
【發明內容】
[0008](一 )要解決的技術問題
[0009]有鑑於此，本發明的主要目的在於提供一種適用於毫米波的氮化鎵基場效應電晶體的T型柵的製作方法，以減少柵電阻和柵源、柵漏寄生電容，提高器件頻率特性，並且使器件表面完全鈍化，提高器件的功率特性，使得器件能工作於毫米波頻段。
[0010](二)技術方案
[0011]為達到上述目的，本發明提供了一種氮化鎵基場效應電晶體的T型柵的製作方法，其特徵在於，包括:在襯底表面塗敷電子束光刻膠；對電子束光刻膠進行曝光及顯影，形成刻蝕窗口 ；從形成的刻蝕窗口對襯底進行刻蝕，形成T型柵的細柵圖形；蒸發金屬薄層，然後二次塗敷電子束光刻膠；對二次塗敷的電子束光刻膠進行電子束曝光和顯影，去除金屬薄層，形成T型柵圖形；以及在二次塗敷的電子束光刻膠及T型柵圖形上蒸發澱積柵金屬，剝離二次塗敷的電子束光刻膠及其上的柵金屬，形成T型柵。
[0012]上述方案中，所述在襯底表面塗敷電子束光刻膠的步驟中，是在襯底表面勻ZEP520電子束光刻膠，厚度為2000埃，並採用180°C熱板真空加熱3分鐘。所述襯底由下至上依次包括AlGaN層、GaN層和SiN介質層。
[0013]上述方案中，所述對電子束光刻膠進行曝光及顯影形成刻蝕窗口的步驟中，是採用電子束曝光工藝實現的，劑量為300μ C/cm2，電流為200pA，能量為IOOkV ;其中該刻蝕窗口用以形成T型柵的細柵圖形，細柵線條的寬度為0.1 μ m，顯影液ZED-N50顯影90秒，定影液ZMD-D定影15秒，並用氮氣吹乾。
[0014]上述方案中，所述ICP刻蝕工藝採用的刻蝕氣體為SF6和CHF3的混合氣體，比例為SF6: CHF3 = 3: 40，刻蝕時間為90秒，射頻功率(RF)為20W，直流功率(LF)為250W，刻蝕壓力(WP)0.5Pa。
[0015]7、根據權利要求1所述的氮化鎵基場效應電晶體的T型柵的製作方法，其特徵在於，所述蒸發金屬薄層然後二次塗敷電子束光刻膠的步驟中，是蒸發金屬Al薄層，厚度為100埃，用以做為隔離層；然後二次塗敷電子束光刻膠，該電子束光刻膠為UVIII電子束光刻膠，厚度為I μ m,並採用130°C熱板真空加熱I分鐘。
[0016]上述方案中，所述對二次塗敷的電子束光刻膠進行電子束曝光和顯影，去除金屬薄層，形成T型柵圖形的步驟中，是對二次塗敷的電子束光刻膠進行電子束曝光和顯影，曝光採用劑量為100 μ C/cm2,電流為200pA，能量為IOOkV ;曝光後用120°C熱板真空回流烘膠4分鐘，然後用顯影液⑶26顯影60秒，去除金屬Al薄層，並用去離子水衝洗，氮氣吹乾，形成T型柵圖形，其中，T型柵的柵帽寬度為0.5 μ m，T型柵的細柵寬度為0.1 μ m。
[0017]上述方案中，所述在二次塗敷的電子束光刻膠及T型柵圖形上蒸發澱積柵金屬，剝離二次塗敷的電子束光刻膠及其上的柵金屬，形成T型柵的步驟中，柵金屬組分為Ni/Au,厚度分別為Ni = 400埃，Au = 5000埃。
[0018](三)有益效果
[0019]從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果:
[0020]1、利用本發明的T型柵製作方法，由於柵腳將柵槽全部填充，而且T型柵柵帽不直接接觸介質鈍化層，所以不僅能夠有效減少柵電阻和柵源、柵漏寄生電容，提高器件頻率特性，還能使器件表面完全鈍化，提高器件的功率特性，最終實現了高性能適用於毫米波的氮化鎵基場效應電晶體。
[0021]2、利用本發明，一次電子束曝光採用ZEP520A，通過電子束曝光和ICP刻蝕，能將柵腳控制在IOOnm以內。
[0022]3、利用本發明，由於採用凹柵槽與T型柵相結合的器件結構，提高了器件的柵控能力，增加了器件的跨導。
[0023]4、利用本發明，由於柵帽不直接和SiN介質接觸，明顯降低了柵源電容Cgs、柵漏電容Cgd。
[0024]5、利用本發明，由於採用T型柵結構，降低了器件的柵電阻，明顯提高了器件的頻率特性。[0025]6、利用本發明，由於器件表面被完全鈍化，抑制了電流崩塌效應，明顯提高了器件的功率特性，器件可應用於毫米波頻段。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1是本發明提供的製作氮化鎵基場效應電晶體的T型柵的方法流程圖；
[0027]圖2a至圖2g是依照本發明實施例的製作氮化鎵基場效應電晶體的T型柵的工藝流程圖；
[0028]圖3是依照本發明實施例的製作氮化鎵基場效應電晶體的T型柵的剖面示意圖。【具體實施方式】
[0029]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
[0030]本發明提供了一種氮化鎵基場效應電晶體的T型柵的製作方法，使用ZEP520電子束光刻膠曝光顯影，形成T型柵的細柵部分，ICP刻蝕柵槽後，不去膠，蒸發金屬Al做為隔離層，勻電子束膠UVIII，進行二次電子束光刻，形成T型柵，最後蒸發、剝離得到T型柵圖形。
[0031]如圖1所示，圖1是本發明提供的製作氮化鎵基場效應電晶體的T型柵的方法流程圖，該方法包括以下步驟:
[0032]步驟1:在襯底表面塗敷電子束光刻膠；
[0033]步驟2:對電子束光刻膠進行曝光及顯影，形成刻蝕窗口 ；
[0034]步驟3:從形成的刻蝕窗口對襯底進行刻蝕，形成T型柵的細柵圖形；
[0035]步驟4:蒸發金屬薄層，然後二次塗敷電子束光刻膠；
[0036]步驟5:對二次塗敷的電子束光刻膠進行電子束曝光和顯影，去除金屬薄層，形成T型柵圖形；
[0037]步驟6:在二次塗敷的電子束光刻膠及T型柵圖形上蒸發澱積柵金屬，剝離二次塗敷的電子束光刻膠及其上的柵金屬，形成T型柵。
[0038]步驟I中所述在襯底表面塗敷電子束光刻膠，是在襯底表面勻ZEP520電子束光刻膠，厚度為2000埃，並採用180°C熱板真空加熱3分鐘。所述襯底由下至上依次包括AlGaN層、GaN層和SiN介質層。
[0039]步驟2中所述對電子束光刻膠進行曝光及顯影形成刻蝕窗口，是採用電子束曝光工藝實現的，劑量為300 μ C/cm2,電流為200pA，能量為IOOkV ;其中該刻蝕窗口用以形成T型柵的細柵圖形，細柵線條的寬度為0.1 μ m，顯影液ZED-N50顯影90秒，定影液ZMD-D定影15秒，並用氮氣吹乾。
[0040]步驟3中所述從形成的刻蝕窗口對襯底進行刻蝕形成T型柵的細柵圖形，是採用ICP刻蝕工藝從形成的刻蝕窗口對襯底進行刻蝕，該刻蝕穿透襯底的SiN介質層及GaN層直至刻蝕入AlGaN層，形成T型柵的細柵圖形。所述ICP刻蝕工藝採用的刻蝕氣體為SF6和CHF3的混合氣體，比例為SF6: CHF3 = 3: 40，刻蝕時間為90秒，射頻功率(RF)為20W，直流功率(LF)為250W，刻蝕壓力(WP)0.5Pa。
[0041]步驟4中所述蒸發金屬薄層然後二次塗敷電子束光刻膠的步驟中，是蒸發金屬Al薄層，厚度為100埃，用以做為隔離層；然後二次塗敷電子束光刻膠，該電子束光刻膠為UVIII電子束光刻膠，厚度為I μ m，並採用130°C熱板真空加熱I分鐘。
[0042]步驟5中所述對二次塗敷的電子束光刻膠進行電子束曝光和顯影，去除金屬薄層，形成T型柵圖形，是對二次塗敷的電子束光刻膠進行電子束曝光和顯影，曝光採用劑量為100 yC/cm2，電流為200pA，能量為IOOkV ;曝光後用120°C熱板真空回流烘膠4分鐘，然後用顯影液⑶26顯影60秒，去除金屬Al薄層，並用去離子水衝洗，氮氣吹乾，形成T型柵圖形，其中，T型柵的柵帽寬度為0.5 μ m，T型柵的細柵寬度為0.1 μ m。
[0043]步驟6中所述在二次塗敷的電子束光刻膠及T型柵圖形上蒸發澱積柵金屬，剝離二次塗敷的電子束光刻膠及其上的柵金屬，形成T型柵的步驟中，柵金屬組分為Ni/Au，厚度分別為Ni = 400埃，Au = 5000埃。
[0044]基於圖1是本發明提供的製作氮化鎵基場效應電晶體的T型柵的方法流程圖，圖2a至圖2g示出了依照本發明實施例的製作氮化鎵基場效應電晶體的T型柵的工藝流程圖，具體包括以下步驟:
[0045]如圖2a所示，在襯底表面塗敷電子束光刻膠，即在襯底表面勻ZEP520電子束光刻膠，厚度約為2000埃，並採用180°C熱板真空加熱3分鐘；該襯底由下至上依次包括AlGaN層、GaN層和SiN介質層，SiN介質厚度一般為1000埃；
[0046]如圖2b所示，對電子束光刻膠進行曝光及顯影，形成刻蝕窗口 ；即採用電子束曝光工藝對ZEP520電子束光刻膠進行曝光及顯影，形成刻蝕窗口 ；其中，該刻蝕窗口用以形成T型柵的細柵圖形，細柵線條的寬度為0.1 μ m，顯影液ZED-N50顯影90秒，定影液ZMD-D定影15秒，氮氣吹乾；
[0047]如圖2c所示，採用ICP刻蝕工藝從形成的刻蝕窗口對襯底進行刻蝕，該刻蝕穿透SiN介質層及GaN層直至刻蝕入AlGaN襯底一定深度，形成T型柵的細柵圖形；刻蝕氣體為SFdP CHF3的混合氣體，比例為SF6: CHF3 = 3: 40，刻蝕時間為90秒。
[0048]如圖2d所示，蒸發金屬Al薄層，厚度為100埃，用以做為隔離層，防止光刻膠互溶。
[0049]如圖2e所示，二次塗敷電子束光刻膠，該電子束光刻膠為UVIII電子束光刻膠，厚度為I μ m，130°C熱板真空加熱I分鐘；
[0050]如圖2f所示，對二次塗敷的電子束光刻膠進行電子束曝光和顯影，曝光後用120°C熱板真空回流烘膠4分鐘，然後用顯影液⑶26顯影60秒，去除金屬Al薄層，並用去離子水衝洗，氮氣吹乾，形成T型柵圖形，其中，T型柵的柵帽寬度為0.5 μ m，T型柵的細柵寬度為0.1 μ m ;
[0051]如圖2g所示，柵金屬蒸發和剝離，即在二次塗敷的電子束光刻膠及T型柵圖形上蒸發澱積柵金屬，金屬組分為Ni/Au，厚度分別為Ni = 400埃，Au = 5000埃，然後剝離二次塗敷的電子束光刻膠及其上的柵金屬，形成T型柵。所述T型柵結構的柵腳部分完全填充柵槽部分，T型柵結構的柵帽部分與SiN介質層不直接接觸。
[0052]圖3是依照本發明實施例的製作氮化鎵基場效應電晶體的T型柵的剖面示意圖，包括兩側的源極1、漏極2以及T型柵3。在形成了源漏電極、有源區隔離後的器件上製作T型柵，T型柵處於源極和漏極之間。
[0053]在本發明實施例中，圖3所示的氮化鎵基場效應電晶體的T型柵，其製作工藝可以從另一個角度概括為:先按常規AlGaN/GaN HEMT器件製作工藝形成器件的源極、漏極；對器件進行一次介質鈍化；採用電子束光刻形成柵槽圖形，然後對一次介質、GaN帽層和部分AlGaN外延層進行刻蝕，對刻蝕後的器件勻膠進行二次電子束光刻，形成T型柵圖形，然後進行柵金屬的蒸發、剝離，形成T型柵。其中一次介質鈍化，採用介質種類為SiN，介質厚度為1000埃。柵槽寬度為0.1 μ m，由電子束光刻形成，刻蝕工藝為ICP刻蝕。一次電子束光刻採用的電子束光刻膠為ZEP520A，ICP刻蝕柵槽後，不去膠，直接勻二次電子束膠UVIII，中間採用金屬Al做為隔離層。一次電子束光刻採用的電子束光刻膠ZEP520A的勻膠厚度為2000埃，ICP刻蝕SiN介質形成柵槽時同時刻蝕ZEP520A，將膠的厚度減薄為1000埃。柵金屬組分、厚度為Ni/Au = 400/5000埃。
[0054]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種氮化鎵基場效應電晶體的T型柵的製作方法，其特徵在於，包括: 在襯底表面塗敷電子束光刻膠； 對電子束光刻膠進行曝光及顯影，形成刻蝕窗口 ； 從形成的刻蝕窗口對襯底進行刻蝕，形成T型柵的細柵圖形； 蒸發金屬薄層，然後二次塗敷電子束光刻膠； 對二次塗敷的電子束光刻膠進行電子束曝光和顯影，去除金屬薄層，形成T型柵圖形；以及 在二次塗敷的電子束光刻膠及T型柵圖形上蒸發澱積柵金屬，剝離二次塗敷的電子束光刻膠及其上的柵金屬，形成T型柵。
2.根據權利要求1所述的氮化鎵基場效應電晶體的T型柵的製作方法，其特徵在於，所述在襯底表面塗敷電子束光刻膠的步驟中，是在襯底表面勻ZEP520電子束光刻膠，厚度為2000埃，並採用180°C熱板真空加熱3分鐘。
3.根據權利要求2所述的氮化鎵基場效應電晶體的T型柵的製作方法，其特徵在於，所述襯底由下至上依次包括AlGaN層、GaN層和SiN介質層。
4.根據權利要求1所述的氮化鎵基場效`應電晶體的T型柵的製作方法，其特徵在於，所述對電子束光刻膠進行曝光及顯影形成刻蝕窗口的步驟中，是採用電子束曝光工藝實現的，劑量為300μ C/cm2，電流為200pA，能量為IOOkV ;其中該刻蝕窗口用以形成T型柵的細柵圖形，細柵線條的寬度為0.1 μ m，顯影液ZED-N50顯影90秒，定影液ZMD-D定影15秒，並用氮氣吹乾。
5.根據權利要求1所述的氮化鎵基場效應電晶體的T型柵的製作方法，其特徵在於，所述從形成的刻蝕窗口對襯底進行刻蝕形成T型柵的細柵圖形的步驟中，是採用ICP刻蝕工藝從形成的刻蝕窗口對襯底進行刻蝕，該刻蝕穿透襯底的SiN介質層及GaN層直至刻蝕入AlGaN層，形成T型柵的細柵圖形。
6.根據權利要求5所述的氮化鎵基場效應電晶體的T型柵的製作方法，其特徵在於，所述ICP刻蝕工藝採用的刻蝕氣體為SF6和CHF3的混合氣體，比例為SF6: CHF3 = 3: 40，刻蝕時間為90秒，射頻功率(RF)為20W，直流功率(LF)為250W，刻蝕壓力(WP)0.5Pa。
7.根據權利要求1所述的氮化鎵基場效應電晶體的T型柵的製作方法，其特徵在於，所述蒸發金屬薄層然後二次塗敷電子束光刻膠的步驟中，是蒸發金屬Al薄層，厚度為100埃，用以做為隔離層；然後二次塗敷電子束光刻膠，該電子束光刻膠為UVIII電子束光刻膠，厚度為I μ m，並採用130°C熱板真空加熱I分鐘。
8.根據權利要求1所述的氮化鎵基場效應電晶體的T型柵的製作方法，其特徵在於，所述對二次塗敷的電子束光刻膠進行電子束曝光和顯影，去除金屬薄層，形成T型柵圖形的步驟中，是對二次塗敷的電子束光刻膠進行電子束曝光和顯影，曝光採用劑量為100μ C/cm2,電流為200pA，能量為IOOkV ;曝光後用120°C熱板真空回流烘膠4分鐘，然後用顯影液⑶26顯影60秒，去除金屬Al薄層，並用去離子水衝洗，氮氣吹乾，形成T型柵圖形，其中，T型柵的柵帽寬度為0.5 μ m，T型柵的細柵寬度為0.1 μ m。
9.根據權利要求1所述的氮化鎵基場效應電晶體的T型柵的製作方法，其特徵在於，所述在二次塗敷的電子束光刻膠及T型柵圖形上蒸發澱積柵金屬，剝離二次塗敷的電子束光刻膠及其上的柵金屬，形成T型柵的步驟中，柵金屬組分為Ni/Au，厚度分別為Ni = 400埃，Au=5000埃。
【文檔編號】H01L21/28GK103700583SQ201410005454
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2014年1月6日 優先權日:2014年1月6日
【發明者】劉果果, 魏珂, 孔欣, 劉新宇 申請人:中國科學院微電子研究所