基于ICP‑F离子刻蚀注入一体化高频高阈值GaN基增强型器件的制备方法与流程

本发明属于微电子技术领域，具体地说是一种基于icp-f离子刻蚀注入一体化的高频高阈值gan基增强型器件的制备方法，可用于雷达、超高速计算机、电子对抗和卫星通信中。

背景技术：

第三代半导体材料，如sic、gan、aln等，具有大的禁带宽度，高的击穿电场，高的电子饱和速率以及高的抗辐射能力。相应地，氮化镓基高电子迁移率晶体管hemt展现出了优越的电学特性，正被广泛地应用在微波功率器件和微波单片集成电路中。

常规工艺制作的algan/gan高电子迁移率晶体管均为耗尽型器件，即阈值电压小于0v。随着半导体技术的迅速发展，耗尽型hemt已经不能满足高速、高温集成电路的设计需求。增强型hemt弥补了耗尽型hemt的诸多不足，已经成为射频集成电路和微波单片集成电路的重要组成部分。

增强型hemt有着耗尽型hemt无法比拟的优势。比如，在微波功率放大器和低噪音功率放大器领域，增强型hemt不需要负电极电压，这大大降低了电路的复杂性和设计成本；在数字快速电路应用领域，氮化物半导体由于缺少p沟道，无法形成低功耗的互补逻辑，增强型hemt能够缓解缺少p沟道的问题，实现电路结构的简化。近年来，诸多技术的实现快速推动着氮化镓基增强型器件的发展。

2016年，s.a.loan等人制备了漏电低、稳定性高的氮化镓基增强型电荷等离子体金属氧化物半导体场效应管。该器件的阈值电压达到了1.4v，电流的开关比达到了10⁸量级，并且峰值跨导为308ms/mm。参见文献loansa,vermas,alamoudam.high-performancechargeplasmabasednormallyoffganmosfet[j].electronicsletters,2016,52(8):656-658。

2017年，yen-kulin等人制备了高性能的氮化镓基金属氧化物半导体高电子迁移率晶体管moshemt。该器件由al2o3作为栅介质，并利用中性束刻蚀技术形成了凹槽栅结构。器件最大饱和电流达到了1.65a/mm，峰值跨导为653ms/mm。在射频特性方面，ft/fmax达到了183/191ghz。参见文献linyk,nodas,huangcc,etal.high-performanceganmoshemtsfabricatedwithaldal2o3dielectricandnbegaterecesstechnologyforhighfrequencypowerapplications[j].ieeeelectrondeviceletters,2017,pp(99):1-1。

纵观近些年国内外关于制备氮化镓基增强型器件的方法，均存在以下不足：

1)无法同时获得高的阈值电压和高的频率特性；

2)现有工艺无法解决f基等离子体刻蚀algan势垒层的技术问题：

现有工艺制备gan基增强型器件时，均先采用f基等离子体刻蚀钝化层，再转为cl基等离子体刻蚀钝化层下方的势垒层；若需对势垒层进行f离子注入，则须将刻蚀气体再次转换为f基等离子体进行注入，不仅工艺繁琐，而且刻蚀损伤大，栅极的正向耐压性差，栅控比低。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述技术带来的缺点，提出一种基于icp-f离子刻蚀注入一体化高频高阈值增强型器件的制备方法，以同时获得高的阈值电压和高的频率特性，并简化工艺，降低刻蚀损伤，增大栅极的正向耐压性和栅控比。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：

1)在衬底(1)上，利用mocvd工艺自下而上依次生长未掺杂的gan缓冲层(2)、aln插入层(3)、algan势垒层(4)和gan帽层(5)；

2)在gan帽层(5)的表面光刻源端(6)和漏端(7)的电极区域，利用电子束蒸发技术，在源端和漏端蒸上欧姆金属；

3)将进行完步骤(2)的样品在n2气氛中进行快速热退火，形成源、漏电极的欧姆接触；

4)在样品整个表面光刻出有源区，利用感应耦合等离子体icp设备刻蚀非有源区的台面，形成台面隔离；

5)在样品的整个表面利用pecvd技术淀积钝化层(8)，在钝化层(8)上光刻出凹槽栅区域(9)；

6)利用icp-f基等离子体工艺刻蚀掉凹槽栅区域上方的钝化层，暴露出势垒层；

7)改变icp-f基等离子体的工艺条件，继续刻蚀暴露出的势垒层，形成10-25nm的凹槽，同时完成f离子(10)对势垒层的注入，实现刻蚀与注入的一体化；

8)在样品的整个表面光刻出栅极区域(11)，利用电子束蒸发技术，淀积栅极金属，制作栅极；

9)将样品放入退火炉中进行栅金属的沉积后退火，再去除样品表面剩余的光刻胶，完成器件的制作。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.本发明将势垒层的刻蚀与f离子对其的注入同步完成，实现了刻蚀与注入的一体化，大大简化了工艺流程，保证了工艺环境的稳定，解决了f离子难以刻蚀algan势垒层的工艺问题。

2.本发明利用f基等离子体取代cl基等离子体刻蚀algan势垒层，形成的凹槽表面粗糙度低，极大地减小了刻蚀损伤，不需要损伤修复工艺也能达到高的阈值电压。

3.本发明由于对algan势垒层进行f离子的注入，只耗尽栅极下方的二维电子气而对其他区域的沟道没有影响，有效提高了栅下的势垒高度，提高了栅极的驱动电压和栅控比，增强了器件的高频特性；

4.本发明由于采用了沉积后热退火的工艺，提高了注入的f离子的稳定性。

附图说明

图1是现有的基于f离子注入的gan基增强型器件的剖面示意图。

图2是本发明中利用f离子对势垒层进行刻蚀加注入的示意图。

图3是本发明制作图1器件的工艺流程图。

具体实施方式

参照图1，现有的基于f离子注入的gan基增强型器件的结构自下而上依次为衬底层1、gan缓冲层2、aln插入层3、algan势垒层4和gan帽层5，在gan帽层上设有源电极6和漏电极7，源漏电极区域外的gan帽层上淀积钝化层8，在源、漏电极之间的algan势垒层上制作凹槽9，向势垒层注入f离子10，在凹槽上方设有栅电极11。

参照图2，本发明采用f离子代替传统的cl离子对algan势垒层进行刻蚀加注入，以实现高的阈值电压和高的频率特性，其中algan势垒层的厚度为25-35nm，凹槽的深度为10-25nm。

参照图3，本发明制备图1器件的方法根据不同的衬底材料、不同的势垒层厚度、不同的阈值电压vth和不同的高频特性ft/fmax，给出如下三种实施例。

实施例一，在蓝宝石衬底上制作阈值电压vth为0.8v、高频特性ft/fmax为46/80ghz的algan/gan增强型器件。

步骤1，在蓝宝石衬底上，利用mocvd工艺，自下而上依次生长gan缓冲层、aln插入层、algan势垒层和gan帽层。

(1a)将蓝宝石衬底放入mocvd设备，将其升温并保持到1050℃，再设置腔室的生长压力为80torr，氢气流量为5000sccm，氨气流量为3000sccm；

(1b)向腔室通入流量为200sccm的镓源，在蓝宝石衬底上生长厚度为2000nm的gan缓冲层；

向腔室通入流量为20sccm的铝源，在gan缓冲层上生长厚度为1nm的aln插入层；

向腔室同时通入流量为200sccm的镓源和流量为50sccm的铝源，在aln插入层上生长厚度为25nm的algan势垒层；

向腔室通入流量为200sccm的镓源，在algan势垒层上生长厚度为1nm的gan帽层。

步骤2，在gan帽层上光刻源、漏电极区域，并在源、漏电极上制作欧姆接触。

(2a)在gan帽层上光刻源电极区域和漏电极区域：

(2a1)将完成外延层生长的样品放在200℃的热板上烘烤5min；

(2a2)将样品放入甩胶仪甩剥离胶，甩胶厚度为350nm，将完成甩胶的样品放在温度为200℃的热板上烘烤5min；

(2a3)，在样品的整个表面上甩光刻胶，甩胶厚度为770nm，并将样品在90℃热板上烘烤1min；

(2a4)，将样品放入光刻机中，对样品源、漏电极区域的光刻胶和剥离胶进行曝光；

(2a5)将完成曝光的样品放入显影液中，去除源、漏电极区域的光刻胶和剥离胶，并对样品进行去离子水冲洗和氮气吹干；

(2b)去除光刻区域的残胶：

将完成源、漏电极区域光刻的样品放入等离子去胶机，以去除光刻区未显影干净的光刻胶薄层，去胶时间为5min；

(2c)在源电极和漏电极制作欧姆接触：

将完成光刻的样品放入电子束蒸发台中，待电子束蒸发台的反应腔室真空度达到2×10^-6torr之后，在样品的整个表面上蒸发欧姆金属，欧姆金属自下而上依次为ti、al、ni、au，厚度依次为25nm、150nm、55nm、110nm；

(2d)样品表面金属的剥离及快速热退火：

(2d1)将完成源漏欧姆金属蒸发的样品放在丙酮溶液中浸泡40分钟，再超声清洗3min并吹干；

(2d2)将样品放入温度为60℃的剥离液中水浴加热5min；

(2d3)将样品依次放入丙酮溶液和乙醇溶液中，均超声清洗3min；

(2d4)用去离子水冲洗样品并用氮气吹干；

(2d5)将样品放入快速退火炉中，先通入10min的氮气，再在氮气气氛中将退火炉温度设为840℃，进行30s的高温退火，形成源电极和漏电极的欧姆接触。

步骤3，在样品的整个表面上光刻出有源区，利用icp设备刻蚀非有源区的台面。

(3a)在样品的整个表面上光刻出有源区：

(3a1)将完成欧姆接触的样品放在200℃的热板上烘烤5min；

(3a2)将样品放入转速为3500rpm的甩胶仪上进行甩胶，甩胶结束后在90℃的热板上热烘1min；

(3a3)将样品放入光刻机中对非有源区的光刻胶进行曝光；

(3a4)将完成曝光的样品放入显影液中，去除非有源区的光刻胶，并对样品进行去离子水冲洗和氮气吹干；

(3b)在样品的整个表面上刻蚀非有源区的台面：

利用icp工艺刻蚀样品非有源区的gan帽层和algan势垒层，实现有源区的台面隔离，其刻蚀的工艺条件为：采用cl2和o2气体，cl2流量为20sccm，o2流量为4sccm，腔室压力为5mt，上电极功率为95w，下电极功率为8w，直流偏压为40v；

(3c)去除有源区的光刻胶：

将完成台面隔离的样品依次放入丙酮溶液、剥离液、丙酮溶液和乙醇溶液中进行超声清洗，时间均为3min，以去除有源区的光刻胶，然后用去离子水清洗并用氮气吹干。

步骤4，在样品的整个表面上，利用pecvd工艺生长厚度为110nm的sin钝化层。

将样品放入pecvd设备，将样品升温并保持到245℃，生长钝化层，其工艺条件为：反应气体为nh3和sih4，腔室压力为600mtorr，rf功率为20w。

步骤5，在sin钝化层上光刻凹槽栅区域，并利用icp工艺刻蚀掉凹槽栅区域的钝化层。

(5a)在sin钝化层上光刻凹槽栅区域：

(5a1)将生长完钝化层的样品放在200℃的热板上烘烤5min；

(5a2)将样品放入甩胶仪进行光刻胶的甩胶，转速为3500rpm，并将样品放在90℃的热板上烘烤1min；

(5a3)将样品放入光刻机中对凹槽栅区域的光刻胶进行曝光；

(5a4)将完成曝光的样品放入显影液中，以去除凹槽栅区域内的光刻胶，并对其进行去离子水冲洗和氮气吹干；

(5b)利用icp工艺刻蚀样品凹槽栅区域的钝化层，其刻蚀的工艺条件为：反应气体为cf4和o2，流量分别为20sccm和4sccm，腔室压力为8mtorr，上电极功率为75w，下电极功率为8w，直流偏压为45v。

步骤6，改变icp-f基等离子体的工艺条件，刻蚀暴露出的势垒层，同时完成f离子对势垒层的注入。

将完成钝化层刻蚀的样品放入icp设备，刻蚀样品凹槽栅区域下方的algan势垒层，同时进行f离子的注入，其刻蚀的工艺条件为：cf4和o2作为反应气体，cf4流量为20sccm，o2流量为5sccm，反应腔室压力为8mtorr，上电极功率为145w，下电极功率为30w，直流偏压为90v。

步骤7，利用电子束蒸发工艺制作栅电极。

(7a)光刻栅电极区域：

(7a1)将完成f离子注入的样品放在200℃的热板上烘烤5min；

(7a2)将样品的整个表面甩上剥离胶，甩胶厚度为350nm，并将样品放在200℃的热板上烘烤5min；

(7a3)在剥离胶上甩上光刻胶，甩胶厚度为770nm，并将样品放在90℃的热板上烘烤1min；

(7a4)将完成甩胶的样品放入光刻机中对凹槽栅区域内的光刻胶进行曝光；

(7a5)将完成曝光的样品放入显影液中，去除凹槽栅区域内的光刻胶和剥离胶，并对其进行去离子水冲洗和氮气吹干；

(7b)在样品的整个表面上蒸发栅极金属：

(7b1)将光刻好的样品放入等离子去胶机中进行底膜处理，时间为5min；

(7b2)将样品放入电子束蒸发台中，待电子束蒸发台的反应腔室真空度达到2×10^-6torr之后，在样品的整个表面上依次蒸发上金属ni、au、ni；

(7c)剥离栅电极区域外的栅金属、光刻胶和剥离胶：

(7c1)将完成栅极金属蒸发的样品在丙酮溶液中浸泡40分钟，再超声清洗3min；

(7c2)将样品放入温度为60℃的剥离液中水浴加热5min；

(7c3)将样品依次放入丙酮溶液和乙醇溶液中，均超声清洗3min，再用去离子水冲洗样品并用氮气吹干。

步骤8，对样品进行栅金属的沉积后退火。

(8a)将完成栅极制作的样品依次放入丙酮溶液、剥离液、丙酮溶液和乙醇溶液中进行超声清洗，时间均为3min，以去除钝化层上剩余的光刻胶，再用去离子水清洗并用氮气吹干；

(8b)将清洗后的样品放入快速退火炉中，通入8min的氮气，再在氮气气氛中将退火炉温度设为300℃，进行2min的低温退火，完成器件的制作。

实施例二，在碳化硅衬底上制作阈值电压vth为1v、高频特性ft/fmax为44/75ghz的algan/gan增强型器件。

步骤一，在碳化硅衬底上，利用mocvd工艺，自下而上依次生长gan缓冲层、aln插入层、algan势垒层和gan帽层。

(1.1)将碳化硅衬底放入mocvd设备，将其升温并保持到1000℃，再设置腔室的生长压力为40torr，氢气流量为3000sccm，氨气流量为2000sccm；

(1.2)向腔室通入流量为200sccm的镓源，在碳化硅衬底上生长厚度为2500nm的gan缓冲层；

向腔室通入流量为20sccm的铝源，在gan缓冲层上生长厚度为2nm的aln插入层；

向腔室同时通入流量为200sccm的镓源和流量为50sccm的铝源，在aln插入层上生长厚度为30nm的algan势垒层；

向腔室通入流量为200sccm的镓源，在algan势垒层上生长厚度为2nm的gan帽层。

步骤二，在gan帽层上光刻源、漏电极区域，并在源、漏电极上制作欧姆接触。

(2.1)在gan帽层上光刻源电极区域和漏电极区域：

本步骤的具体实现与实施例一中的步骤(2a)相同；

(2.2)去除光刻区域的残胶：

本步骤的具体实现与实施例一中的步骤(2b)相同；

(2.3)在源电极和漏电极制作欧姆接触：

将完成光刻的样品放入电子束蒸发台中，待电子束蒸发台的反应腔室真空度达到1.6×10^-6torr之后，在样品的整个表面上蒸发欧姆金属，欧姆金属自下而上依次为ti、al、ni、au，厚度依次为30nm、155nm、60nm、115nm；

(2.4)样品表面金属的剥离及快速热退火：

本步骤的具体实现与实施例一中的步骤(2d)相同；

步骤三，在样品的整个表面上光刻出有源区，利用icp设备刻蚀非有源区的台面。

(3.1)在样品的整个表面上光刻出有源区：

本步骤的具体实现与实施例一中的步骤(3a)相同；

(3.2)在样品的整个表面上刻蚀非有源区的台面：

利用icp工艺刻蚀样品非有源区的gan帽层和algan势垒层，实现有源区的台面隔离，其刻蚀的工艺条件为：采用cl2和o2气体，cl2流量为25sccm，o2流量为6sccm，腔室压力为10mt，上电极功率为100w，下电极功率为10w，直流偏压为45v；

(3.3)去除有源区的光刻胶：

本步骤的具体实现与实施例一中的步骤(3c)相同；

步骤四，在样品的整个表面上，利用pecvd工艺生长厚度为120nm的sin钝化层。

将样品放入pecvd设备，升温并保持到250℃，生长钝化层，其工艺条件为：反应气体为nh3和sih4，腔室压力为620mtorr，rf功率为22w。

步骤五，在sin钝化层上光刻凹槽栅区域，并利用icp工艺刻蚀掉凹槽栅区域的钝化层。

(5.1)在sin钝化层上光刻凹槽栅区域：

本步骤的具体实现与实施例一中的步骤(5a)相同；

(5.2)利用icp工艺刻蚀样品凹槽栅区域的钝化层，其刻蚀的工艺条件为：反应气体为cf4和o2，流量分别为25sccm和6sccm，腔室压力为10mtorr，上电极功率为80w，下电极功率为10w，直流偏压为50v。

步骤六，改变icp-f基等离子体的工艺条件，刻蚀暴露出的势垒层，同时完成f离子对势垒层的注入。

将完成钝化层刻蚀的样品放入icp设备，刻蚀样品凹槽栅区域下方的algan势垒层，同时进行f离子的注入，其刻蚀的工艺条件为：cf4和o2作为反应气体，cf4流量为25sccm，o2流量为8sccm，反应腔室压力为10mtorr，上电极功率为150w，下电极功率为35w，直流偏压为95v。

步骤七，利用电子束蒸发工艺制作栅电极。

(7.1)光刻栅电极区域：

本步骤的具体实现与实施例一中的步骤(7a)相同；

(7.2)在样品的整个表面上蒸发栅极金属：

(7.2.1)将光刻好的样品放入等离子去胶机中进行底膜处理，时间为5min；

(7.2.2)将样品放入电子束蒸发台中，待电子束蒸发台的反应腔室真空度达到1.6×10^-6torr之后，在样品的整个表面上依次蒸发上金属ni、au、ni；

(7.3)剥离栅电极区域外的栅金属、光刻胶和剥离胶：

本步骤的具体实现与实施例一中的步骤(7c)相同；

步骤八，对样品进行栅金属的沉积后退火。

(8.1)去除钝化层上剩余的光刻胶：

本步骤的具体实现与实施例一中的步骤(8a)相同；

(8.2)将清洗后的样品放入快速退火炉中，通入10min的氮气，再在氮气气氛中将退火炉温度设为400℃，进行3min的低温退火，完成器件的制作。

实施例三，在硅衬底上制作阈值电压vth为1.3v、高频特性ft/fmax为42/70ghz的algan/gan增强型器件。

步骤a，在硅衬底上，利用mocvd工艺，自下而上依次生长gan缓冲层、aln插入层、algan势垒层和gan帽层。

(a1)将硅衬底放入mocvd设备，将其升温并保持到950℃，再设置腔室的生长压力为60torr，氢气流量为4000sccm，氨气流量为2500sccm；

(a2)向腔室通入流量为200sccm的镓源，在硅衬底上生长厚度为3000nm的gan缓冲层；

向腔室通入流量为20sccm的铝源，在gan缓冲层上生长厚度为3nm的aln插入层；

向腔室同时通入流量为200sccm的镓源和流量为50sccm的铝源，在aln插入层上生长厚度为35nm的algan势垒层；

向腔室通入流量为200sccm的镓源，在algan势垒层上生长厚度为3nm的gan帽层。

步骤b，在gan帽层上光刻源、漏电极区域，并在源、漏电极上制作欧姆接触。

(b1)在gan帽层上光刻源电极区域和漏电极区域：

本步骤的具体实现与实施例一中的步骤(2a)相同；

(b2)去除光刻区域的残胶：

本步骤的具体实现与实施例一中的步骤(2b)相同；

(b3)在源电极和漏电极制作欧姆接触：

将完成光刻的样品放入电子束蒸发台中，待电子束蒸发台的反应腔室真空度达到2.3×10^-6torr之后，在样品的整个表面上蒸发欧姆金属，欧姆金属自下而上依次为ti、al、ni、au，厚度依次为35nm、160nm、65nm、120nm；

(b4)样品表面金属的剥离及快速热退火：

本步骤的具体实现与实施例一中的步骤(2d)相同；

步骤c，在样品的整个表面上光刻出有源区，利用icp设备刻蚀非有源区的台面。

(c1)在样品的整个表面上光刻出有源区：

本步骤的具体实现与实施例一中的步骤(3a)相同；

(c2)在样品的整个表面上刻蚀非有源区的台面：

利用icp工艺刻蚀样品非有源区的gan帽层和algan势垒层，实现有源区的台面隔离，其刻蚀的工艺条件为：采用cl2和o2气体，cl2流量为30sccm，o2流量为8sccm，腔室压力为12mt，上电极功率为105w，下电极功率为15w，直流偏压为50v；

(c3)去除有源区的光刻胶：

本步骤的具体实现与实施例一中的步骤(3c)相同。

步骤d，在样品的整个表面上，利用pecvd工艺生长厚度为130nm的sin钝化层。

将样品放入pecvd设备，升温并保持到255℃，生长钝化层，其工艺条件为：反应气体为nh3和sih4，腔室压力为650mtorr，rf功率为25w。

步骤e，在sin钝化层上光刻凹槽栅区域，并利用icp工艺刻蚀掉凹槽栅区域的钝化层。

(e1)在sin钝化层上光刻凹槽栅区域：

本步骤的具体实现与实施例一中的步骤(5a)相同；

(e2)利用icp工艺刻蚀样品凹槽栅区域的钝化层，其刻蚀的工艺条件为：反应气体为cf4和o2，流量分别为30sccm和8sccm，腔室压力为12mtorr，上电极功率为85w，下电极功率为15w，直流偏压为55v。

步骤f，改变icp-f基等离子体的工艺条件，刻蚀暴露出的势垒层，同时完成f离子对势垒层的注入。

将完成钝化层刻蚀的样品放入icp设备，刻蚀样品凹槽栅区域下方的algan势垒层，同时进行f离子的注入，其刻蚀的工艺条件为：cf4和o2作为反应气体，cf4流量为30sccm，o2流量为10sccm，反应腔室压力为12mtorr，上电极功率为155w，下电极功率为40w，直流偏压为100v。

步骤g，利用电子束蒸发工艺制作栅电极。

(g1)光刻栅电极区域：

本步骤的具体实现与实施例一中的步骤(7a)相同；

(g2)在样品的整个表面上蒸发栅极金属：

将光刻好的样品放入等离子去胶机中进行底膜处理，时间为5min，接着将样品放入电子束蒸发台中，待电子束蒸发台的反应腔室真空度达到2.3×10^-6torr之后，在样品的整个表面上依次蒸发上金属ni、au、ni；

(g3)剥离栅电极区域外的栅金属、光刻胶和剥离胶：

本步骤的具体实现与实施例一中的步骤(7c)相同；

步骤h，对样品进行栅金属的沉积后退火。

(h1)去除钝化层上剩余的光刻胶：

本步骤的具体实现与实施例一中的步骤(8a)相同；

(h2)将清洗后的样品放入快速退火炉中，通入12min的氮气，再在氮气气氛中将退火炉温度设为500℃，进行4min的退火，完成器件的制作。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明的内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。