基于自停止刻蚀的凹槽栅氮化镓基增强型器件的制备方法与流程

本发明是关于半导体技术的氮化镓基器件领域，具体涉及一种基于自停止刻蚀工艺的凹槽栅氮化镓基增强型器件的制备方法。

背景技术：
以AlGaN/GaN为材料基础的器件统称为氮化镓基器件，例如AlGaN/GaN异质结场效应管（heterostructurefieldeffecttransistors,HFET），异质结双极晶体管（heterostructurebipolartransistor,HBT）等。氮化镓基器件具有击穿场强大、电子迁移率高、饱和速度大等优点，被认为是下一代功率开关器件的有力竞争者，近年来备受研究者青睐。由于较强的自发极化和压电极化效应,氮化镓基器件一般为耗尽型器件。但是作为功率开关器件，为了能够减低功耗同时减小电路应用中的设计复杂度，对于氮化镓器件而言，能够实现增强型是非常有意义的。但是在现有的实现氮化镓基器件增强型的方法中，可控制性、可操作性和可重复性一般都比较差，因而不利于工业化生产。

技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于自停止刻蚀工艺的凹槽栅氮化镓基增强型器件的制备方法，由于凹槽栅结构的制备可以实现自停止，从而具有很高的可操作性和可重复性，更利于工业化生产。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于自停止刻蚀的凹槽栅氮化镓基增强型器件的制备方法，其步骤包括：1）在氮化镓基材料表面光刻器件区域并刻蚀非器件区域，然后在该器件区域形成源漏端欧姆接触；2）在氮化镓基材料表面淀积保护层；3）在所述保护层上涂敷光刻胶，并光刻凹槽栅区域图形；4）刻蚀凹槽栅区域的保护层并去除剩余光刻胶；5）对所述凹槽栅区域在高温条件下进行氧化处理；6）将氧化处理后的氮化镓基材料表面置于腐蚀性溶液中进行腐蚀；7）采用酸性溶液去除氮化镓基材料表面的保护层；8）在氮化镓基材料表面淀积栅绝缘层并制备栅金属；9）在氮化镓基材料表面涂敷光刻胶并光刻源漏端接触孔图形；10）采用腐蚀液腐蚀接触孔处绝缘层并去除光刻胶。进一步地，步骤1）所述氮化镓基材料主要包括AlGaN/GaN、InGaN/GaN、InAlGa/GaN等异质结材料；所述光刻胶采用AZ5214等材质，光刻方式为接触式光刻等；所述刻蚀主要为干法刻蚀，刻蚀深度在150到200纳米之间；制备所述源漏端欧姆接触时淀积金属为但不限于钛铝镍金（Ti/Al/Ni/Au），退火温度在850℃到900℃，时间为30秒到35秒，淀积欧姆接触方法为但不限于电子束蒸发。进一步地，步骤2）所述保护层淀积的方法包括但不限于：PECVD（PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition，等离子体增强化学气相沉积）、ICP-CVD（InductivelyCoupledPlasmaChemicalVaporDeposition,电感耦合等离子体化学气相淀积）、光学薄膜沉积；优选采用PECVD方法。所述保护层主要为SiO2或SiN等。进一步地，步骤4）所述刻蚀的方法包括但不限于：1）RIE（反应离子刻蚀，ReactiveIonEtching）处理；2）BOE（BufferOxideEtch，缓冲蚀刻液）溶液浸泡处理。进一步地，所述光刻胶可以采用AZ5214等材质；所述光刻采用接触式光刻等方式。进一步地，步骤5）通过快速退火炉进行所述氧化处理，氧化温度为590-640℃，时间为40min-80min。进一步地，步骤6）所述腐蚀性溶液为碱性溶液：氢氧化钾溶液或氢氧化钠溶液：其质量浓度为10%-70%，其温度为50-90℃，腐蚀时间为45min-60min；进一步地，步骤7）所述酸性腐蚀液包括但不限于：1）BOE（BufferOxideEtch，缓冲蚀刻液）溶液浸泡处理，可调整浓度范围；2）HF（氢氟酸）溶液浸泡处理，可调整浓度范围。进一步地，步骤8）所述栅绝缘层为但不限于Al2O3、SiO2、SiN等；所述绝缘层淀积方法包括但不限于：1）ALD（原子层淀积，AtomLayerDeposition）；热氧化；PECVD（PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition，等离子体增强化学气相沉积）、ICP-CVD（InductivelyCoupledPlasmaChemicalVaporDeposition,电感耦合等离子体化学气相淀积）、光学薄膜沉积；优选采用ALD方法。所述栅金属为但不限于镍金,淀积金属的方式为但不限于电子束蒸发。进一步地，步骤9）所述光刻胶为AZ5214等材质，采用接触式光刻方式。进一步地，步骤10）所述腐蚀液为酸性腐蚀液，包括但不限于：1）BOE（BufferOxide Etch，缓冲蚀刻液）溶液浸泡处理，可调整浓度范围；2）HF（氢氟酸）溶液浸泡处理，可调整浓度范围；3）HCl（盐酸）溶液浸泡处理，可调整浓度范围。本发明的凹槽栅氮化镓基增强型器件，其凹槽深度不随设定的氧化时间和腐蚀时间变化，因而可实现自停止刻蚀，其槽底平整，台阶边缘光滑，提供了一种具有很高的可操作性和可重复性氮化镓增强型器件的制备方法，同时为实现氮化镓增强型器件的工业化生产提供了一种很好的方法。采用本发明方法制备的增强型器件性能优异，阈值电压大于3V，最大电流大于200mA/mm。附图说明图1是本发明的氮化镓基器件的凹槽栅制备的步骤流程图。图2为本发明实施例中样品一的凹槽栅深度的原子力显微镜图像。图3为本发明实施例中样品一的凹槽栅的槽底原子形貌图像。图4为本发明实施例中样品二的凹槽栅深度的原子力显微镜图像。图5为本发明实施例中样品三的凹槽栅深度的原子力显微镜图像。图6为本发明实施例中样品四的凹槽栅深度的原子力显微镜图像。图7为本发明实施例自停止刻蚀方法对氧化温度的依赖关系图。图8为本发明实施例所得增强型器件的转移特性曲线。图9为本发明实施例所得增强型器件的输出特性曲线。具体实施方式下面通过具体实施例并配合附图，对本发明做详细的说明。本发明可实现基于自停止刻蚀的凹槽栅氮化镓基增强型器件的原理是：在AlGaN/GaN、InGaN/GaN、InAlGa/GaN等氮化镓基材料中，由于GaN比AlGaN等其他材料层具有更高的抗氧化特性，在氧化处理时，使AlGaN等材料层被氧化而不影响其下面的GaN层，形成的氧化物容易被KOH等碱性溶液腐蚀，同时该碱性溶液对GaN层没有任何影响，因而可以实现自停止凹槽栅结构。同时能够大大降低凹槽栅区域的二维电子气浓度，因而可以实现氮化镓基增强型器件。以氮化镓材料AlGaN/GaN为例，由于GaN比AlGaN的具有更高的抗氧化特性，在温度为615℃时，只有AlGaN层被氧化而不影响其下面的GaN层，在经过40min氧化后AlGaN层已全部被氧化，形成的氧化物为Al2O3和Ga2O3，这些氧化物是很容易被70℃时的KOH溶液腐蚀的，同时KOH溶液对GaN层也没有任何影响，因而可以实现自停止凹槽栅结构。同 时能够大大降低凹槽栅区域的二维电子气浓度，因而可以实现氮化镓基增强型器件。图1是本实施例的氮化镓基器件凹槽栅结构的步骤流程图。下面以AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HMET）为例，对该方法进行具体说明。该凹槽栅的制备步骤包括：1)在GaN基表面涂敷光刻胶，光刻有源区图形。本实施例采用的是隔离版图，采用的光刻胶是AZ5214；采用接触式光刻方法进行光刻。2)在所述GaN基表面刻蚀非有源区，刻蚀深度在150nm-200nm。本实施例的目的是形成隔离岛，使得各个器件之间不相互影响。3）除去剩余光刻胶。采用有机清洗的方法去除光刻胶，溶剂为丙酮、异丙醇等有机溶剂。4）在所述GaN基表面涂敷光刻胶，光刻欧姆接触图形。本实施例采用的是欧姆接触版图，采用的光刻胶是AZ5214/LOR10A；采用接触式光刻方法进行光刻。5）在所述GaN基表面淀积金属Ti/Al/Ni/Au(20/160/50/100nm),剥离退火后形成欧姆接触。本步骤的目的是淀积欧姆接触金属，形成源漏欧姆接触；退火温度为880度，时间为30秒。6）在所述GaN基表面采用PECVD方法制备厚度为200nm的SiO2保护层。该步骤制备SiO2层的目的是保护非凹槽区域，即其他区域在高温氧气环境下不被氧化和损坏。7）在所述SiO2层上涂敷光刻胶，并光刻待做凹槽栅结构图形。本实施例采用的版图是凹槽栅结构版图，采用的光刻胶是AZ5214；采用接触式光刻方法进行光刻。8）刻蚀待做凹槽栅区域的SiO2保护层。该步骤的目的是刻蚀掉待做凹槽栅部分SiO2保护层，使待做凹槽栅部分暴露，便于后续的氧化，而非凹槽区域的SiO2保护层由于有光刻胶的保护，不会被刻蚀掉。该步骤采用RIE（反应离子刻蚀）方法进行刻蚀。9）除去剩余光刻胶。采用有机清洗的方法去除光刻胶，溶剂为丙酮、异丙醇等有机溶剂。10）将步骤9）所得氮化镓基表面放于纯氧气环境下的快速退火炉中进行氧化处理。前面十步的目的是在样片氧化前，将不需要氧化的区域用SiO2保护层保护起来，需要氧化的区域裸露出来，在该步骤中进行氧化。氧化的温度设定为615℃，时间为40min。11）将氧化处理后的氮化镓基表面浸泡于氢氧化钾溶液进行腐蚀，时间为45min。该步骤中，氢氧化钾溶液的温度恒定为70℃；其中饱和氢氧化钾溶液和水的比例为1:4，换算成质量浓度为19.7%；腐蚀时间为45分钟。12）将腐蚀后的氮化镓基表面上的SiO2保护层去除，即得凹槽栅结构，命名为样品一。13）为进一步验证凹槽栅结构制备的可自停止性，另外3个样品做了验证试验，在氧化温度不变的情况下，将氧化时间和KOH腐蚀时间分别设定为：60min，45min；80min，45min；40min，60min。最后将SiO2保护层去除，获得相应的凹槽栅结构，命名为样品二，三，四。图2和图3为采用原子力显微镜（AFM）对上述实施例样品一所得刻蚀区域进行检测所得的图像，其中：图2为刻蚀区域的高度图像，图片中中间深色部分为刻蚀区域，两边浅色部分为未刻蚀区域，右下角的曲线图示意了两边浅色部分和中间深色部分对应的高度（刻蚀深度）；图3为刻蚀区域的槽底形貌图像。图2和图3可以看出其刻蚀深度为22.5nm，槽底平整，其形貌均方根（rms）为0.3nm。表1给出了上述4个样品的刻蚀深度对比，可以看出，样品二、三、四得到的刻蚀深度和样品一所得的深度几乎相同，可以验证本刻蚀工艺技术具有可自停止特性，从而具有很高的可操作性和可重复性。表1.4个样品的刻蚀深度图4,5,6为采用原子力显微镜（AFM）对上述样品二、三、四所得刻蚀区域进行检测所得的图像，可以看出其槽底均很平整，台阶边缘光滑。14）为进一步说明实施例中的刻蚀方法对氧化温度的依赖性，在氧化时间和腐蚀时间（步骤6）所述的腐蚀）固定为40min和45min的情况下，氧化温度分别为590℃和640℃。图7给出了刻蚀深度和氧化温度的关系图，可以看出在给定氧化温度为590-640℃时，刻蚀深度基本在22nm左右。15）为进一步说明实施例中的刻蚀方法对腐蚀温度及其浓度的依赖性，在氧化温度、时间和腐蚀时间固定为615℃、40min和45min的情况下，表2给出了刻蚀深度与腐蚀温度和浓度的关系。可以看出在给定的腐蚀温度和浓度下实施例中的刻蚀方法都可以实现自停止特性。表2刻蚀深度与腐蚀温度、腐蚀浓度数据列表16）在样品一表面采用ALD的方法淀积厚度为30nm的Al2O3。本实施例的目的是为增强型器件做栅绝缘层。17）在样品一表面涂敷光刻胶，并光刻栅金属图形。本实施例采用的版图是栅金属版图，采用的光刻胶为AZ5214；采用接触式光刻方法。18）在上述样品上淀积Ni/Au(50/100nm),剥离后形成栅金属。本实施例的目的是形成栅金属。19）在上述样品上涂敷光刻胶，并光刻源漏接触孔图形。本实施例采用的版图是接触孔版图，采用的光刻胶为AZ5214；采用接触式光刻方法。20）将上述样品置于氟化铵腐蚀液中，浸泡30秒。本实施例的目的是去除源漏接触上的Al2O3。21）除去剩余光刻胶。采用有机清洗的方法去除光刻胶，溶剂为丙酮、异丙醇等有机溶剂。图8为所得增强型器件的转移特性曲线，其横坐标为栅源电压（Vds），左边纵坐标为漏电流（Id），右边纵坐标为跨导（gm）。图9为所得增强型器件的输出特性曲线，其横坐标为漏源电压（Vds），纵坐标为漏电流（Id）。从图8、9可以看出，本实施例中的器件阈值电压大于3V，最大电流大于200mA/mm，因而实现了增性强器件制作。上述实施例中氮化镓基材料为AlGaN/GaN，在其他实施例中还可以采用InGaN/GaN、InAlGa/GaN等氮化镓基材料。上述实施例中，所淀积的欧姆接触金属Ti/Al/Ni/Au(20/160/50/100nm)，厚度可以适当改变，另外金属也可以为Ti/Al/Mo/Au等。退火温度和时间也可以适当调整。上述实施例中，所述保护层除采用SiO2外，还可以采用SiN等材料。上述实施例中，步骤8）除采用RIE方法进行刻蚀外，还可以采用BOE（BufferOxideEtch，缓冲蚀刻液）等溶液进行浸泡处理，完成刻蚀。上述实施例中，淀积保护层的方法除采用PECVD方法外，还可以采用ICP-CVD、光学 薄膜沉积等方法。上述实施例中，通过氧化炉进行氧化处理时，温度可在590-640℃范围内调整，时间为40min-80min。上述实施例中，所述栅绝缘层除了Al2O3外，还可以采用SiO2、SiN等。上述实施例中，淀积栅绝缘层的方法除了ALD外，还可以采用热氧化方法、光学薄膜沉积等方法。上述实施例中，所述栅金属Ni/Au（50/100nm）的厚度可以适当改变，同时可以采用Pt/Au等；淀积栅金属的方法除了电子束蒸发外，还可以采用溅射等方法。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。