刻蚀自停止实现凹栅增强型HEMT器件的系统及方法与流程

本发明涉及一种增强型HEMT器件，尤其是涉及一种刻蚀自停止实现凹栅增强型HEMT器件的系统及方法。

背景技术：

HEMT器件是充分利用半导体的异质结结构形成的二维电子气而制成的，与Ⅲ-Ⅵ族(如AlGaAs/GaAs HEMT器件)相比，Ⅲ族氮化物半导体由于压电极化和自发极化效应，在异质结构上(Heterostructure)，如：AlGaN/GaN，能够形成高浓度的二维电子气。所以在使用Ⅲ族氮化物制成的HEMT器件中，势垒层一般不需要进行掺杂。Ⅲ族氮化物具有大的禁带宽度、较高的饱和电子漂移速度、高的临界击穿电场和极强的抗辐射能力等特点，能够满下一代电力电子系统对功率器件更大功率、更高频率、更小体积和更高温度的工作的要求。

现有的Ⅲ族氮化物半导体HEMT器件作为高频器件或者高压大功率开关器件使用时，特别是作为功率开关器件时，增强型HEMT器件有助于提高系统的安全性、降低器件的损耗和简化设计电路。目前实现增强型HEMT器件主要的方法有薄的势垒层、凹栅结构、P型盖帽层和F处理等技术，但是每一种技术都存在自身的不足。例如，世界上首支增强型HEMT器件是采用较薄的势垒层来实现的，这种方法不使用刻蚀工艺，所以带来的损伤小，但是由于较薄的势垒层，器件的饱和电流较小；P型盖帽层不需要刻蚀工艺，但是产生较为严重的界面态，影响器件的稳定性；F等离子处理也能实现增强型HEMT器件，并且不需要刻蚀，但是F的等离子体在注入的过程中也会刻蚀势垒层，造成器件性能的降低。

在这些实现增强型HEMT器件的方法中，由于GaN材料具有较好的耐刻蚀特性，通常的酸类如硫酸、盐酸、硝酸等和通常的碱类如氢氧化钾、氢氧化钠等都不能对GaN进行有效的刻蚀，并且至今为止，还没有一种能够实现Al_xGa_(1-x)N(0<x≤1)和GaN两种材料高选择刻蚀比的溶液。在传统的凹栅结构形成过程中，栅下的势垒层主要是通过等离子体(主要的是氯基等离子体)刻蚀的方法实现的，并且一般的HEMT器件势垒层只有20～30nm，所以凹 栅的刻蚀面临着刻蚀厚度的控制和刻蚀损伤的修复等问题，采用刻蚀工艺形成凹栅结构的工艺难于控制，重复性较差。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种刻蚀自停止实现凹栅增强型HEMT器件的系统及方法，以克服现有技术中的缺陷。

为实现上述目的，本发明提出如下技术方案：

一种刻蚀自停止实现凹栅增强型HEMT器件的系统，其包括：

用以提供刻蚀电流的刻蚀电源和用以作为电解质和刻蚀液的刻蚀溶液，在所述系统工作时，刻蚀样品与阴极板被浸渍于所述刻蚀溶液中，所述刻蚀电源的阳极和阴极分别与刻蚀样品的电极和阴极板连接，从而在所述刻蚀溶液、阴极板、刻蚀电源和刻蚀样品之间串联形成一刻蚀回路，其中所述刻蚀样品包括外延层结构，所述外延层结构中形成有二维电子气，所述刻蚀样品的电极与所述二维电子气相连接；以及

刻蚀光源，用以在所述系统工作时提供具有设定波长的刻蚀光线照射所述刻蚀样品，使得当所述刻蚀样品上被刻蚀形成所需的凹栅结构时，实现刻蚀的自停止。

进一步的，所述刻蚀光源包括：

宽光谱光源，

以及，滤波器，用以将所述宽光谱光源所发射光线中的部分光线滤除，从而获得所述具有设定波长的刻蚀光线。

进一步的，所述系统还包括串联在所述刻蚀电源阳极与刻蚀样品电极之间的电流表。

一种刻蚀自停止实现凹栅增强型HEMT器件的方法，包括以下步骤：

S1、提供刻蚀样品，所述刻蚀样品包括外延层结构，所述外延层结构中形成有二维电子气；

S2、在刻蚀样品上制作与所述二维电子气相连接的电极；

S3、对所述刻蚀样品的表面进行图形化处理，从而暴露出刻蚀表面，；

S4、将刻蚀样品与阴极板浸入刻蚀溶液，使所述刻蚀表面直接暴露在刻蚀溶液中，并将刻蚀电源的阳极和阴极分别与刻蚀样品的电极和阴极板连接，从而在所述刻蚀溶液、阴极板、刻蚀电源和刻蚀样品之间串联形成一刻蚀回路，且同时还以具有设定波长的刻蚀光线照射所 述刻蚀样品，从而在刻蚀样品上形成所需凹栅结构，且在形成所述凹栅结构的同时实现刻蚀的自停止。

进一步的，步骤S2包括：通过在所述刻蚀样品的表面沉积铟金属形成或者通过沉积钛、铝、镍、金多层金属后进行退火而制作形成所述电极。

进一步的，所述电极优选设置在所述刻蚀样品的边缘部。

进一步的，步骤S2所述图形化处理方法包括光刻或激光直写或电子束曝光。

进一步的，该方法包括：将刻蚀样品的外延结构层中的部分或全部势垒层刻蚀而形成所述凹栅结构。

进一步的，前述的刻蚀溶液采用能够有效刻蚀所述刻蚀样品的势垒层的刻蚀液，所述刻蚀液至少选自硫酸、氢氧化钾和草酸等电化学刻蚀液，所述势垒层的材质包括Al_xGa_(1-x)N，0<x≤1。

进一步的，前述的刻蚀光线的能量足以辅助所述刻蚀溶液刻蚀所述势垒层但不能刻蚀所述刻蚀样品的空间层，所述空间层的材质包括氮化铝。

在一实施方案之中，本发明的系统中所采用的电化学刻蚀设备包括刻蚀电源、刻蚀溶液、光源、电流表等，其中刻蚀电源提供刻蚀电流，刻蚀溶液充当电解质和刻蚀液的作用，光源用于激发半导体电子的跃迁，实现势垒层的刻蚀。并且通过调节光源的波长，可以实现电化学刻蚀势垒层的自停止。电流表用于监测刻蚀反应过程中回路中电流的变化趋势。

进一步的，在电化学刻蚀过程中，考虑到一些刻蚀溶液只有在光照的情况下才能刻蚀势垒层，所以在刻蚀过程中通过设置外界光源，调节刻蚀光源的波长，使光源的能量可以辅助刻蚀势垒层(材质例如Al_xGa_(1-x)N，0<x≤1)，但不能刻蚀空间层(材质例如氮化铝AlN)，实现在空间层表面的自停止。

进一步的，调节刻蚀光源的波长可以但不限于通过滤波片来实现，当一个宽光谱光源通过滤波系统后，特定波长的光源将被吸收，部分光源通过，通过的光源能量小于刻蚀空间层氮化铝(AlN)的能量，目的是实现自停止。

进一步的，对于需要进行凹栅刻蚀的刻蚀样品，在刻蚀之前应该在样品的表面制作电极，电极的位置可以在样品的任何位置(优选的，电极设置在样品的边缘，目的是节约样品的面积，提高样品的利用率)，电极应该和二维电子气相连接，电极的制作方法可以选择但不限于在样品表面沉积铟形成电极或者通过沉积钛/铝/镍/金(Ti/Al/Ni/Au)等多层金属后进行快速 退火制作电极，其中后一种方法可以形成良好稳定的欧姆接触。

进一步的，为了监测在势垒层，例如Al_xGa_(1-x)N(0<x≤1)刻蚀过程中电流随刻蚀时间的变化曲线，目的在于可以通过电流的变化曲线估计刻蚀效果，提高刻蚀的重复性，电流表应该串联在电化学刻蚀的回路中，推荐使用电流监测，但在本发明中也可以不使用。

进一步的，在刻蚀过程中，样品上的电极应该与电源的阳极连接，电源的阴极应该通过阴极板与溶液连接，电流的流经途径应该为电源阳极、电流表。二维电子气、栅下需要刻蚀的势垒层、刻蚀溶液和电源的阴极。

在本发明的一实施方案之中，还提供了一种凹栅增强型HEMT器件，其包括源、漏、栅电极、栅介质、栅下凹槽以及异质结构，源、漏电极通过形成于异质结构中的二维电子气电连接，异质结构主要由GaN和Al_xGa_(1-x)N(0<x≤1)半导体组成，源、漏电极位于氮化镓表面并且通过欧姆接触与二维电子气相连接，栅电极设于源、漏电极之间，在栅电极金属和氮化镓盖帽层表面之间存在栅介质，形成MISHEMT结构。其中，栅电极下方的Al_xGa_(1-x)N势垒层被通过电化学方法部分或全部刻蚀而形成栅下凹槽，耗尽栅下的二维电子气。

本发明的HEMT器件中，通过减弱势垒层的极化效应从而将二维电子气耗尽，实现HEMT器件在零栅偏压的时候处于关断状态，达到由常开型HEMT器件向常关型HEMT器件的转变。进一步的，当栅极是零偏压时，所述HEMT器件栅下的Al_xGa_(1-x)N(0<x≤1)势垒层被全部或部分刻蚀，二维电子气被耗尽，器件处于断开状态，而当在栅极加正向电压时，所述HEMT器件在栅电极下端积累电子，器件处于处于开启状态。

进一步的，所述源电极和漏电极分别与电源的低电位和高电位连接。

进一步的，对于本发明HEMT器件的凹栅结构区域，其势垒层刻蚀深度约为10nm-20nm，刻蚀的厚度取决于势垒层中铝的组分和势垒层的总厚度，刻蚀应该停止在耗尽二维电子气为止，实现器件在零栅偏压的工作状态时，源漏电极的断开。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

1、本发明通过采用电化学方法将栅电极下端的势垒层Al_xGa_(1-x)N全部或部分刻蚀，可以有效减弱势垒层的极化效应，从而将二维电子气耗尽，实现HEMT器件在零栅偏压的时候处于关断状态，达到由常开型HEMT器件向常关型HEMT器件的转变，有效实现了增强型HEMT，克服了在传统凹栅刻蚀过程中，使用干法刻蚀、等离子体对器件造成的损伤，电化学的方法属于湿法刻蚀，可以有效的控制损伤，避免或者减弱器件的迁移率由刻蚀损伤导致的降低，同时，本发明还可以通过调节刻蚀光源的波长，有效的实现刻蚀自停止；

2、本发明通过在刻蚀回路中串联电流表，还可监测整个刻蚀过程，提高制作器件制作的重复性，与此同时器件的刻蚀工艺简单，重复性好，刻蚀控制窗口大，成本低廉，刻蚀损伤小，不需要引入干法刻蚀过程中的有毒气体(如氯气等)，易于进行大规模生产等特点。

附图说明

图1是普通HEMT器件的局部结构示意图；

图2是本发明实施例中刻蚀自停止实现凹栅增强型HEMT器件的方法的原理结构示意图；

图3是本发明实施例中采用电化学的方法刻蚀势垒层Al_xGa_(1-x)N实现的增强型MIS-HEMT的剖面结构示意图。

附图标记说明：1-衬底，2-氮化镓，3-二维电子气，4-势垒层，5-凹栅刻蚀掩膜，6-栅下势垒层，7-电化学刻蚀电极，8-电流表，9-光源，10-刻蚀溶液，11-电源，12-阴极板，13-刻蚀容器，14-源电极，15-漏电极，16-栅电极，17-栅介质层，18-宽光谱光线，19-滤波器，20-刻蚀光线，21-空间层，22-盖帽层，23-势垒层刻蚀区域。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。

如图1所示，对于普通HEMT器件(以AlGaN/GaN器件为例)，一般而言，当在栅电极16施加零偏压或者没有加偏压时，源电极14和漏电极15都与二维电子气3相连接，所以HEMT器件的源电极14和漏电极15是导通的，HEMT器件处于开启状态，一般称这种HEMT器件为耗尽型HEMT器件，也可以称作常开型HEMT器件。为了使HEMT器件处于断开状态，必须使源电极14和漏电极15之间的二维电子气3耗尽或者某个区域的二维电子气耗尽。可以通过在栅电极16施加一定的电压实现，当栅电极16加负偏压达到栅极电压Vg<Vth时，Vth为器件的阈值电压，对于普通HEMT器件一般Vth为负值，可以耗尽栅下区域的二维电子气，从而使HEMT器件处于关断状态。这种HEMT器件在实际电路应用过程中由于只有在栅极16施加负偏压时，HEMT器件才能关断，与增强型HEMT器件相比，增加了普通HEMT器件的功耗，并且系统的安全性较差。

鉴于上述普通HEMT器件存在的安全性较差、凹栅刻蚀的难控制、重复性较差等的缺陷，本发明提出的一种刻蚀自停止实现凹栅增强型HEMT器件的系统及方法，通过电化学的方法 将栅电极16的下端的势垒层4Al_xGa_(1-x)N(0<x≤1)全部刻蚀，减弱势垒层4的极化效应从而将二维电子气耗尽，实现HEMT器件在零栅偏压的时候处于关闭状态，达到由常开型HEMT器件向常关型HEMT器件的转变。并且通过调节电化学刻蚀光源波长的方法，达到刻蚀凹栅的自停止。

如图2所示，本发明提出的一种刻蚀自停止实现凹栅增强型HEMT器件的系统包括电流表8、刻蚀电源11、阴极板12、刻蚀溶液10、宽光谱光源18和滤波器，其中刻蚀电源11用于提供刻蚀电流，刻蚀溶液10充当电解质和刻蚀液的作用，宽光谱光源18用于激发半导体电子的跃迁，实现势垒层4的刻蚀。

刻蚀样品包括衬底1和衬底上的外延层结构，外延层结构包括衬底1上的空间层21、势垒层4和盖帽层22，实际外延层结构还可包括其他外延结构，如成核层、高阻层和过渡层等结构。外延层结构中形成有二维电子气3。

对于需要进行凹栅刻蚀的样品，在刻蚀之前首先在样品外延层的表面制作电极7，电极7与二维电子气3相连接。电极7的制作方法可以选择但不限于在样品表面沉积铟金属形成电极或者通过沉积钛/铝/镍/金(Ti/Al/Ni/Au)等多层金属后进行快速退火制作电极7，后一种方法可以形成良好稳定的欧姆接触。另外，电极7的位置可以在样品的任何位置，优选地，电极7可设置在样品的边缘，目的是节约样品的面积，提高样品的利用率。

然后，在器件表面进行图形化处理，处理的方法可以选择但不限于光刻、激光直写和电子束曝光等，将需要刻蚀的栅电极16下端的势垒层6暴露在刻蚀溶液10中，其余部分使用掩膜5作为保护，刻蚀的掩膜5可以选择但不限于光刻胶、二氧化硅和氮化硅等。

其次，将样品的刻蚀电极7与电流表8连接，电流表8与刻蚀电源11的阳极连接，刻蚀电源11的阴极与阴极板12连接，在刻蚀容器13中加入刻蚀溶液10，将阴极板12和刻蚀样品与刻蚀溶液10接触，这样，刻蚀溶液10、阴极板12、刻蚀电源11、电流表8和刻蚀样品之间串联形成一刻蚀回路。电流的流经途径为电源11阳极、电流表8、二维电子气3、栅下需要刻蚀的Al_xGa_(1-x)N势垒层6、刻蚀溶液10和电源11的阴极。刻蚀溶液10可以选择但不限于硫酸、氢氧化钾和草酸等刻蚀液体。

优选地，本发明在刻蚀回路中串联电流表8，用于监测在Al_xGa_(1-x)N势垒层6刻蚀过程中电流随刻蚀时间的变化曲线，目的在于通过电流的变化曲线估计刻蚀效果，对刻蚀进行实时的监测，提高刻蚀的重复性，当然，在本发明中也可以不使用电流表。

在电化学刻蚀过程中，考虑到一些刻蚀溶液10只有在光照的情况下才能刻蚀势垒层4， 所以在刻蚀过程中通过设置外界光源9，调节光源18的波长，使光源18的能量可以刻蚀势垒层6(材质例如Al_xGa_(1-x)N)，但不能刻蚀空间层21(材质例如氮化铝AlN)，实现在空间层表面的自停止。

为了实现刻蚀的自停止，需要通过滤波器19将宽光谱光源18的部分波长的光源滤除，只剩下刻蚀光源20，滤波器19可以但不限于通过滤波片来实现。在一般的HEMT器件外延结构中，盖帽层22的禁带宽度Eg22、势垒层4的禁带宽度Eg4、空间层21的禁带宽度Eg21这三种材料的禁带宽度存在一种关系为：Eg22<Eg4<Eg21，所以可以通过滤波器19选择出特定波长的光源20，光源20的能量为E20，并且满足Eg22<Eg4<E20<Eg21的要求，这样就可以设定合适的刻蚀电压，使得电化学在刻蚀过程中只能刻蚀势垒层4和盖帽层22，而没有足够的能量刻蚀空间层21，实现自停止的目的。整个刻蚀过程可以采用恒流刻蚀模式或恒压刻蚀模式，栅下势垒层6需要刻蚀的厚度大约在10～30nm，具体厚度取决于样品的势垒层4中铝的组分和势垒层4厚度。

具体实施时，空间层21一般为氮化铝(AlN)，势垒层4一般为Al_0.25Ga_0.75N的三元半导体材料，盖帽层22一般选取GaN材料，在室温环境下，AlN的禁带宽度约为6.2eV，对应光谱的波长为200nm，Al_0.25Ga_0.75N势垒层4的禁带宽度按照线性组分的计算公式为4.1eV，对应的波长为302nm，GaN的禁带宽度为3.4eV，对应的光学波长为365nm，所以可以通过滤波器19将宽光谱光源18中的波长小于200nm或者在200nm附近的光源滤除，只剩下可以刻蚀势垒层4Al_0.25Ga_0.75N而没有足够的能量刻蚀空间层21的光源，当刻蚀到达AlN空间层时，实现自停止状态。

刻蚀结束后将样品清洗干净，在样品的表面制作源电极14和漏电极15，首先在样品表面旋涂光刻胶，然后通过设计的掩膜版和光刻技术在样品表面形成源、漏电极的图形化，然后再沉积金属，一般选择沉积钛、铝、镍、金(Ti、Al、Ni、Au，厚度分别为20nm、130nm、50nm、150nm)等多层金属，金属沉积后将源、漏电极外的金属剥离干净，然后进行快速退火，条件为890℃退火30秒，退火后源电极14和漏电极15与二维电子气3相连接。

然后在样品表面生长一层介质层17，生长方式可以但不限于等离子增强化学气相沉积(PECVD)、原子层沉积(ALD)、低压化学气相沉积(LPCVD)和感应耦合等离子体化学气相沉积等常用的半导体沉积技术。沉积的介质可选但不限于氧化铝、氮化铝、氧化硅和氮化硅等半导体中常用的介质薄膜。

沉积完成后再通过光刻的方法形成栅金属的图形，在样品的势垒层刻蚀区域23的上方沉 积栅金属和剥离工艺，形成栅电极16，最后将源、漏电极上的介质层刻蚀干净。栅金属一般选择Ni、Au，厚度分别为50nm、150nm，

因此，参照图3所示，最后制作实现的增强型HEMT器件包括源、漏、栅电极、栅介质17、栅下凹槽以及异质结构，源、漏电极通过形成于异质结构中的二维电子气电连接，异质结构由GaN和Al_xGa_(1-x)N半导体组成，源、漏电极位于氮化镓2表面并且通过欧姆接触与二维电子气3相连接，栅电极16设于源、漏电极之间，在栅电极金属和Al_xGa_(1-x)N表面之间存在栅介质17，形成增强型MISHEMT结构，并与半导体表面形成肖基特接触，栅电极16的下端的势垒层Al_xGa_(1-x)N通过电化学的方法全部刻蚀。

本发明实现的增强型HEMT的工作原理为：参考图3图示，在增强型HEMT器件中，阈值电压Vth为正值，当在栅电极16加零偏压或不加偏压时，栅电压Vg<Vth，由于栅下势垒层6被部分刻蚀或全部刻蚀，所以在刻蚀区域的下端的二维电子气被耗尽，这时由于栅下没有导电沟道，所以源电极14和漏电极15处于断开，所以器件处于断开状态。当在栅极加正向电压时，栅电压Vg>Vth，这时栅下区域会积累电子，积累的电子形成新的导通沟道，使源电极14和漏电极15导通，器件处于开启状态。HEMT器件从原有的耗尽型器件转变成增强型器件。

本发明的技术内容及技术特征已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰，因此，本发明保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本专利申请权利要求所涵盖。