基于氮化铝/氮化硅堆叠结构和BCB桥的抗质子辐照InP基HEMT器件的制作方法

本发明属于抗质子辐照半导体器件技术领域，具体涉及一种基于氮化铝/氮化硅堆叠结构和bcb桥的抗质子辐照inp基hemt器件。

背景技术：

随着人们对高速数据通信、高精度探测的追求，核心集成电路工作频率呈现高频化趋势，逐渐向太赫兹领域迈进。inp基hemt具有频率高、噪声低、功耗低和增益高的特性。根据报道，器件最大振荡频率(fmax)超过了1.5thz，最大电流增益截止频率(ft)超过700ghz。inp基hemt集成电路工作频率已达到毫米波，甚至达到亚毫米波范畴，展现出巨大的国防航天、空间探测、卫星遥感等军民空间领域应用的潜力。

太空环境中充满了各种高能射线和辐射粒子，据调查因空间辐射引起的航天器件的损坏比例达到了33.8%。近年来辐照效应的研究愈来愈热，与此同时，航天设备电子系统控制核心中的微电子器件的加固也越来越被人们重视。加固即保护，通过保护来使内部半导体器件免受直接辐射，进而使其电学特性得以更长时间的维持，延长电子器件的寿命。

bcb是一种高分子有机材料，与传统的无机钝化材料如si3n4、sio2、al2o3等相比，其作为钝化膜已经被证实具有一系列好处：1、bcb材料具有更低的电子和核阻止本领；2、低的介电常数和介电损耗使其具有很小的寄生电容；3、bcb的生长比较简单，只需传统工艺（旋涂法）就能实现，bcb材料低温凝固，高温（约为350℃）稳定；4、极低的吸水性对于器件的防氧化方面具有很好的贡献；5、固化时无排气，高度平坦化以至于有良好的封装控制特性，有利于多层布线的制作；6、不会对器件结构造成机械应力，对于直流特性、外部跨导和小信号微波特性均不会造成较大影响。

尽管bcb具有极好的辐照阻止本领，对器件进行钝化能提升器件抗辐照能力，然而钝化工艺涉及长时间高温固化过程需要同时兼顾器件表面态去除效应和器件内部能量聚集的问题。实际工程应用中，为提高inp基hemt及集成电路长期应用可靠性和稳定性，对暴露区表面特别是有源区表面淀积保护介质是切实可行的办法。氮化硅（si3n4）、二氧化硅（sio2）、氧化铝（al2o3）等是较常用的钝化介质材料，其中inp基hemt半导体集成电路常用si3n4进行钝化保护，并兼做集成电路电容介质。si3n4薄膜钝化通过微碱性环境的刻蚀可以减少栅电流的泄露，比sio2、al2o3钝化工艺更体现出了优势，同时其可较好地抑制半导体器件表面效应。然而工艺相对较为复杂，等离子体增强化学气相沉积（pecvd）介质材料后需采用(nh3)2sx等环境处理与器件的接触面，同时pecvd沉积si3n4薄膜过程将在器件界面引入等离子体损伤缺陷，造成器件和集成电路特性的衰退。

aln是一种具有高热导率和宽禁带（6.2ev）且稳定性很好的化合物，并且具有极高的电阻率和击穿电压。据报道，aln在钝化方面比al2o3具有更好的表面去除效应，并且在高漏压条件下也能很好的抑制栅电流泄露和动态导通电阻。通过原子层沉积（ald）技术，辅助以透射电镜（tem）可以准确地实现对aln薄膜厚度、均匀性、统一性的控制。ald生长aln过程避免了等离子轰击样品表面，因此较si3n4钝化样品具有更少的界面损伤缺陷。aln近年来逐渐成为一种很热的钝化技术。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种基于氮化铝/氮化硅堆叠结构和bcb桥的抗质子辐照inp基hemt器件，所述的器件结构及其加工方法能够减小器件表面缺陷，提高器件在空间环境应用过程中的抗辐照稳定性，同时通过bcb桥结构减轻器件内部热量聚集。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于氮化铝/氮化硅堆叠结构和bcb桥的抗质子辐照inp基hemt器件，所述inp基hemt器件的外延结构自下而上分别为inp衬底，inalas缓冲层，ingaas沟道层，inalas隔离层，si面掺杂层，inalas肖特基势垒层，ingaas帽层；inalas缓冲层上设有源区隔离台面，所述的高掺杂ingaas帽层的两侧分别设有源极欧姆接触金属和漏极欧姆接触金属，源极欧姆接触金属和漏极欧姆接触金属之间的inalas势垒层上设置有栅极，在有源区隔离台面下的inalas缓冲层上设有栅引线，所述的inp基hemt器件栅区域表面覆盖有aln和si3n4堆叠钝化层，器件栅区域的钝化层上有bcb桥，在bcb桥中源极、漏极和栅引线设置有接触孔，接触孔上设置有布线金属。

进一步的，所述器件中，inp衬底厚度为100μm，inalas缓冲层厚度为500nm，ingaas沟道层厚度为15nm，inalas隔离层厚度为3nm，si面掺杂层的掺杂浓度为5×10¹²cm^-2，inalas肖特基势垒层厚度为12nm，ingaas帽层厚度为30nm，掺杂浓度为3×10⁹cm^-2；aln薄膜厚度为5-20nm，si3n4薄膜厚度为10-20nm，bcb桥厚度为2~3μm，桥洞高1μm。

上述基于氮化铝/氮化硅堆叠结构和bcb桥的抗质子辐照inp基hemt器件的加工方法，包括以下步骤：

a、准备inp基inalas/ingaashemt外延片，对外延片进行清洗，直至显微镜下外延片表面无沾污，采用氮气吹干；所述外延片从下到上依次包括inp衬底，inalas缓冲层，ingaas沟道层，inalas隔离层，si面掺杂层，inalas肖特基势垒层，ingaas帽层；外延片中所有外延材料均通过分子束外延的方法来生长；

b、通过光刻和腐蚀在外延片的inalas缓冲层上形成有源区隔离台面，为了保证有源区隔离台面下的ingaas沟道层被完全腐蚀，通常会过腐蚀部分inalas缓冲层；

c、通过光刻在有源区隔离台面的高掺杂ingaas帽层两侧分别定义源极欧姆接触的金属区域和漏极欧姆接触的金属区域，在有源区隔离台面下的inalas缓冲层上定义栅引线金属区域，采用电子束蒸发设备或者溅射炉设备在源极欧姆接触的金属区域、漏极欧姆接触的金属区域和栅引线金属区域淀积金属薄膜ti/pt/au，通过以上操作在高掺杂ingaas帽层上形成源极欧姆接触和漏极欧姆接触，在inalas缓冲层上形成栅引线；

d、在源极接触的金属区域和漏极接触的金属区域之间形成t型栅，包括电子束光刻形成t型栅形貌、栅槽制备和栅金属制备三个步骤；

首先，采用pmgi/zep520a/pmgi/zep520a四层电子束胶并通过单次电子束曝光的方法在源极欧姆接触的金属区域和漏极欧姆接触的金属区域之间的高掺杂ingaas帽层上形成t型栅形貌；

其次，制备栅槽：采用丁二酸和双氧水饱和溶液对高掺杂ingaas帽层进行选择性腐蚀，腐蚀自动停止在inalas势垒层，对inalas势垒层进行数字腐蚀形成栅槽；

最后，采用电子束蒸发或溅射炉设备通过t型栅形貌在inalas势垒层上淀积ti/pt/au栅金属薄膜，通过剥离形成t型栅，并与栅引线相连接，得到inp基hemt；

e、器件抗辐照钝化层制备，用ald设备沉积aln薄膜，紧接着用pecvd设备沉积si3n4薄膜，最后制作bcb桥；

f、布线金属制作，在bcb桥上源极接触的金属区域、漏极接触的金属区域和栅引线金属区域光刻定义接触孔，采用深反应离子刻蚀设备，选用氧气和四氟化碳混合气体对接触孔进行高深宽比刻蚀。

具体的，步骤b中，光刻时采用9920正胶进行保护，正胶厚度为2～2.5μm；腐蚀溶液采用h3po4和h2o2混合溶液，体积比例为h3po4:h2o2:h2o=3:1:（40~60）。

具体的，步骤c中，淀积金属薄膜厚度为：ti:10~20nm,pt:10~20nm,au:300~500nm，光刻时采用az5214反转胶。

具体的，步骤d中，所述t型栅形貌形成流程为，首先在晶片上形成四层电子束胶层，包括顶层、中间层、下层和底层，并进行电子束曝光；其中，顶层zep520a电子束胶采用methylethylketone与methylisobutylketone的混合液进行显影；中间层pmgi电子束胶采用cd26进行显影；下层zep520a电子束胶采用高分辨率zed-n50溶液进行显影，形成栅脚；底层pmgi电子束胶采用cd26进行显影。

具体的，步骤d中，制备栅槽时，通过选择性腐蚀和数字腐蚀相结合的栅槽腐蚀精确控制栅槽横向宽度及栅沟纵向间距，采用ph值等于5的丁二酸和双氧水饱和溶液对高掺杂ingaas帽层进行选择性腐蚀，腐蚀时间为1.5~2min，对inalas势垒层进行2-3次数字腐蚀；数字腐蚀步骤：双氧水中氧化30s，在体积比等于1:10的磷酸和水溶液中腐蚀30s。

具体的，步骤d中，所制备的t型栅位置偏向源电极端，源电极和漏电极间距为2-2.5μm，栅电极和源电极间距为0.8-1.2μm，栅电极和漏电极间距为1.2-1.7μm；栅金属薄膜厚度为：ti:10~20nm,pt:10~20nm,au:300~500nm。

具体的，步骤e中，ald设备具体参数为：生长温度：60~300^oc，射频功率：30~100w，源：trimethylaluminum(tma)和nh3，载气：ar；pecvd设备具体参数为：沉积温度：260~300^oc，射频功率：100~200w，气体流量比r[sih4(ml/min)/nh3(ml/min)]=1:(8~12)；aln薄膜厚度为5-20nm，si3n4薄膜厚度为10-20nm，bcb桥厚度为2~3μm，桥洞高1μm。

具体的，步骤f中，drie设备的具体参数为：气体流量比r[o2(ml/min)/cf4(ml/min)]=（3~5）:1，功率：50w~300w；光刻定义布线金属：ti/au=15nm/300nm作为测试电极。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明所述inp基hemt表面通过覆盖氮化铝/氮化硅堆叠结构和bcb桥作为器件的钝化层。其中，aln/si3n4堆叠结构能够较好地抑制器件表面效应，同时减少pecvd设备在生长si3n4的过程中由于等离子损伤引入的表面缺陷，bcb材料具有优异的核阻止和电子阻止本领，bcb桥减小了器件寄生分布电容，减轻了器件内部热量聚集，有效提升器件抗质子辐照能力的同时减小对器件特性的影响。

本发明的加工方法中，采用基于pmgi/zep520a/pmgi/zep520a四层电子束胶的方法，进行inp基hemt中t型栅的制备，利用不同显影液对zep520a电子束胶灵敏度的不同，通过单次曝光以及不同显影液显影的方法，定义栅脚和栅帽的尺寸，采用单步电子束曝光（ebl）和两步显影的方法可以避免栅帽和栅脚两次分别曝光的对准偏差。底层选用pmgi电子束胶对外延片粘附能力较强，避免了zap520a电子束胶因为粘附性不好从而在高温烘胶过程流动聚团形成气泡甚至孔洞，影响栅尺寸在整片的均匀性，在空洞地方无法形成t型栅形貌的缺陷。同时pmgi电子束胶在显影液中溶解性很好，减少了样品的表面沾污。

附图说明

图1为实施例1所述基于氮化铝/氮化硅堆叠结构和bcb桥的抗质子辐照inp基hemt器件的剖面结构示意图；

图2为实施例1所述基于氮化铝/氮化硅堆叠结构和bcb桥的抗质子辐照inp基hemt器件的加工方法的流程图；

图3为实施例1步骤a中inp基inalas/ingaashemt外延片的结构示意图；

图4为实施例1步骤b中形成inp基hemt器件有源区隔离台面后的结构示意图；

图5为实施例1步骤c中形成inp基hemt器件源、漏接触和栅引线后的结构示意图；

图6为实施例1步骤d中形成inp基hemt器件t型栅后的结构示意图；

图7为实施例1步骤d中基于pmgi/zep520a/pmgi/zep520a四层电子束胶单次电子束曝光的t型栅制备流程图；

图8为未钝化inp基hemt抗辐照特性图；其中，a为输出特性（ids-vds）,b为跨导特性（ids-vgs）；

图9为实施例1中钝化后的inp基hemt抗辐照特性图；其中，a为输出特性（ids-vds）,b为跨导特性（ids-vds）；

图10为未钝化inp基hemt与实施例1中钝化后的inp基hemt特性退化程度对比图；其中，a为输出特性退化（δid,sat），b为跨导特性退化（δgm）。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种基于氮化铝/氮化硅堆叠结构和bcb桥的抗质子辐照inp基hemt器件的剖面结构如图1所示。其外延结构自下而上分别为100μm厚的inp衬底（inpsubstrate），500nm厚的inalas缓冲层（inalasbuffer），15nm厚的ingaas沟道层（ingaaschannel），3nm厚的inalas隔离层（inalasspacer），掺杂浓度为5×10¹²cm^-2的si面掺杂层（si-doping），12nm厚的inalas肖特基势垒层（inalasbarrier），30nm厚且掺杂浓度为3×10⁹cm^-2的ingaas帽层（ingaascap）；所有的inalas层、ingaas层都和inp衬底晶格匹配，inalas缓冲层上设有源区隔离台面，所述的高掺杂ingaas帽层的两侧分别设有源极欧姆接触金属和漏极欧姆接触金属，源极欧姆接触金属和漏极欧姆接触金属之间的inalas势垒层上设置有栅极，在有源区隔离台面下的inalas缓冲层上设有栅引线，所述的inp基hemt器件栅区域表面覆盖有aln和si3n4堆叠钝化层，器件栅区域的钝化层上有bcb桥，在bcb桥中源极、漏极和栅引线设置有接触孔，接触孔上设置有布线金属，外延片中所有外延材料通过分子束外延（mbe）的方法来生长。

上述基于氮化铝/氮化硅堆叠结构和bcb桥的抗质子辐照inp基hemt器件的加工方法的流程图如图2所示，具体步骤如下：

a、准备inp基inalas/ingaashemt外延片，依次使用丙酮、乙醇和去离子水对外延片进行清洗，直至显微镜下外延片表面无沾污，采用氮气吹干；如图3所示，所述外延片的外延片从下到上依次包括inp衬底（inpsubstrate）1，inalas缓冲层（inalasbuffer）2，ingaas沟道层（ingaaschannel）3，inalas隔离层（inalasspacer）4，si面掺杂层（si-doping）5，inalas肖特基势垒层（inalasbarrier）6，ingaas帽层（ingaascap）7；所有的inalas层、ingaas层都和inp衬底晶格匹配；外延片中所有外延材料均通过分子束外延（mbe）的方法来生长；

b、如图4所示，通过光刻和腐蚀在外延片的inalas缓冲层2上形成“凸”形的有源区隔离台面，为了保证有源区隔离台面下的ingaas沟道层3被完全腐蚀，通常会过腐蚀部分inalas缓冲层2；光刻时采用9920正胶进行保护，正胶厚度为2～2.5μm；腐蚀溶液采用h3po4和h2o2混合溶液，体积比例为h3po4:h2o2:h2o=3:1:50；

c、如图5所示，通过光刻在有源区隔离台面的高掺杂ingaas帽层7两侧定义源极欧姆接触的金属区域8和漏极欧姆接触的金属区域9，在有源区隔离台面下的inalas缓冲层2上定义栅引线金属区域，采用电子束蒸发设备或者溅射炉设备在源极欧姆接触的金属区域8、漏极欧姆接触的金属区域9和栅引线金属区域淀积金属薄膜ti/pt/au(淀积金属薄膜厚度为：ti:10~20nm,pt:10~20nm,au:300~500nm)，光刻时采用az5214反转胶，通过以上操作在高掺杂ingaas帽层7上形成源极欧姆接触和漏极欧姆接触，在inalas缓冲层2上形成栅引线；

d、在源极欧姆接触的金属区域8和漏极欧姆接触的金属区域9之间形成t型栅10，如图6所示，包括电子束光刻形成t型栅形貌、栅槽制备和栅金属制备三个步骤：

首先，采用pmgi/zep520a/pmgi/zep520a四层电子束胶并通过单次电子束曝光（ebl）的方法在源极欧姆接触的金属区域8和漏极欧姆接触的金属区域9之间的高掺杂ingaas帽层7上形成t型栅形貌；

所述t型栅形貌形成流程如图7所示，首先在晶片上形成四层电子束胶层，包括顶层、中间层、下层和底层，并进行电子束曝光；其中，顶层zep520a电子束胶采用methylethylketone(mek)与methylisobutylketone(mibk)的混合液（混合液中体积比为mek:mibk=2:3）进行显影，形成大尺寸栅帽（宽度：300-500nm）；中间层pmgi电子束胶采用cd26进行显影，通过改变显影时间控制“屋檐”大小（宽度：500-800nm）；下层zep520a电子束胶采用高分辨率zed-n50溶液进行显影，形成栅脚（宽度：60-180nm），zed-n50溶液相比于mek：mibk溶液具有比较低的灵敏度，因此显影过程不会影响顶层zep520a的形貌；底层pmgi电子束胶采用cd26进行显影，形成“屋檐”（宽度：100-250nm）；

其次，制备栅槽：通过选择性腐蚀和数字腐蚀相结合的栅槽腐蚀精确控制栅槽横向宽度及栅沟纵向间距，采用ph值等于5的丁二酸和双氧水饱和溶液（丁二酸和双氧水饱和溶液制作过程：10g丁二酸和50ml水在9级超声浴中搅拌20min，加氨水到ph=5，加双氧水10ml）对高掺杂ingaas帽层7进行选择性腐蚀，腐蚀过程采用1级超声快速清除腐蚀产生物，腐蚀时间为1.5~2min，腐蚀自动停止在inalas势垒层，对inalas势垒层6进行2-3次数字腐蚀（数字腐蚀步骤：双氧水中氧化30s，在体积比等于1:10的磷酸和水溶液中腐蚀30s）形成栅槽；

最后，采用电子束蒸发或溅射炉设备在通过t型栅形貌在inalas势垒层上淀积ti/pt/au栅金属薄膜(栅金属薄膜厚度为：ti:10~20nm,pt:10~20nm,au:300~500nm)，通过剥离形成t型栅10，并与栅引线相连接，得到inp基hemt；所制备的t型栅10位置偏向源电极端，能够减小栅漏电容和源端通路寄生电阻，提高器件的跨导、频率特性和击穿电压，源电极和漏电极间距为2-2.5μm，栅电极和源电极间距为0.8-1.2μm，栅电极和漏电极间距为1.2-1.7μm；

e、器件抗辐照钝化层制备，用ald设备（ald设备具体参数为：生长温度：60~300^oc，射频功率：30~100w，源：trimethylaluminum(tma)和nh3，载气：ar）沉积aln薄膜（5-20nm），紧接着用pecvd设备（pecvd设备具体参数为：沉积温度：260~300^oc，射频功率：100~200w，气体流量比r[sih4(ml/min)/nh3(ml/min)]=1:(8~12)）沉积si3n4薄膜(10-20nm)，最后制作2~3μm厚bcb桥，桥洞高1μm，bcb桥的制备方法参考文献（k.makiyamaetal.,“improvementofcircuit-speedofhemtsicbyreducingtheparasiticcapacitance,”iniedmtech.dig.,washington,dc,usa,2003,pp.30.6.1–30.6.4.）；

f、布线金属制作，在bcb桥上源极接触的金属区域、漏极接触的金属区域和栅引线金属区域光刻定义接触孔，采用深反应离子刻蚀（drie）设备，选用氧气（o2）和四氟化碳（cf4）混合气体对接触孔进行高深宽比刻蚀，drie设备的具体参数为：气体流量比r[o2(ml/min)/cf4(ml/min)]=（3~5）:1，功率：50w~300w；光刻定义布线金属：ti/au=15nm/300nm作为测试电极。

本发明的加工方法对hemt表面基于aln/si3n4堆叠结构和bcb桥的复合结构进行钝化，具体为，首先用ald设备沉积aln薄膜，紧接着用pecvd设备沉积si3n4薄膜，最后制作2~3μm厚bcb桥。其中，aln/si3n4堆叠结构能够较好地抑制器件表面效应，同时减少了pecvd设备在生长si3n4的过程中由于等离子损伤引入的表面缺陷。bcb材料具有优异的核阻止和电子阻止本领，bcb桥减小了器件寄生分布电容和减弱器件内部热量聚集，有效提升器件抗质子辐照能力的同时减小对器件特性的影响。

本发明还采用基于pmgi/zep520a/pmgi/zep520a四层电子束胶的方法，进行inp基hemt中t型栅的制备。利用不同显影液对zep520a电子束胶灵敏度的不同，通过单次曝光以及不同显影液显影的方法，定义栅脚和栅帽的尺寸，采用单步电子束曝光（ebl）和两步显影的方法可以避免栅帽和栅脚两次分别曝光的对准偏差。底层选用pmgi电子束胶对外延片粘附能力较强，避免了zap520a电子束胶因为粘附性不好从而在高温烘胶过程流动聚团形成气泡甚至孔洞，影响栅尺寸在整片的均匀性，在空洞地方无法形成t型栅形貌的缺陷。同时pmgi电子束胶在显影液中溶解性很好，减少了样品的表面沾污。

针对制备得到的器件，采用流体力学载流子传输模型和密度梯度量子效应模型对器件钝化前后的抗质子辐照特性进行模拟计算，质子辐照诱生空位缺陷引入到载流子传输模型中进行自洽计算，结果如图8-图10所示。考虑到异质结构辐照诱生缺陷会通过载流子去除效应和散射效应对沟道载流子浓度和迁移率造成退化影响。分别取使得器件异质结区域诱生最多空位缺陷的质子辐照能量，对于未钝化结构和钝化结构分别为78kev和232kev。辐照剂量分别为5×10¹¹cm^-2，1×10¹²cm^-2和5×10¹²cm^-2。图8和图9分别为inp基hemt钝化前后辐照特性曲线，随着辐照剂量的增加，两种结构输出特性和跨导特性退化加剧，在5×10¹²cm^-2剂量下退化则达到了比较严重的程度，钝化结构的输出特性（ids-vds）和跨导特性（ids-vgs）都比钝化前更好，可能是因为钝化结构去除了部分表面效应，从而减少了对沟道中载流子的捕获，增加了电流密度。此外，还计算了两种结构饱和漏电流和跨导随辐照剂量的衰退百分率(δid,sat和δgm)，如图10所示。从图10中可以看出，钝化结构的引入使得异质结区域辐照诱生缺陷密度下降，有效地改善了沟道电流的退化程度，并且在大的质子辐照剂量下，抗辐照特性更加明显。

上述实施例为本发明实施方式的举例说明，尽管以用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它任何未背离本发明精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。