一种基于双层钝化精准刻蚀的双t型栅的制备方法
阅读说明：本技术 一种基于双层钝化精准刻蚀的双t型栅的制备方法 (double-T-shaped gate preparation method based on double-layer passivation precise etching ) 是由 王文樑 李善杰 李国强 邢志恒 吴能滔 于 2021-07-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于双层钝化精准刻蚀的双T型栅的制备方法,包括在外延结构上依次生长两层钝化层,两层钝化层包括底层钝化层及顶层钝化层；对顶层钝化层进行第一次曝光,在第一次曝光区域内对顶层钝化层和底层钝化层进行自上而下刻蚀形成栅根区域；对顶层钝化层进行二次曝光,在二次曝光区域对顶层钝化层进行刻蚀形成下层栅帽区域；对顶层钝化层进行第三次曝光形成顶层栅帽曝光区域,蒸镀金属并剥离光刻胶部分即在双钝化层中形成双T型栅结构。本方法在对半导体器件实现双层钝化的同时,制备了百纳米级栅根的双T型栅结构,在减少器件缺陷态密度的同时极大限度的抑制了器件电流崩塌效应。(The invention discloses a preparation method of a double-T-shaped gate based on double-layer passivation precise etching, which comprises the following steps of sequentially growing two passivation layers on an epitaxial structure, wherein the two passivation layers comprise a bottom passivation layer and a top passivation layer; exposing the top passivation layer for the first time, and etching the top passivation layer and the bottom passivation layer from top to bottom in the first exposure region to form a gate root region; carrying out secondary exposure on the top passivation layer, and etching the top passivation layer in the secondary exposure area to form a lower gate cap area; and carrying out third exposure on the top passivation layer to form a top gate cap exposure area, evaporating metal and stripping the photoresist part to form a double-T-shaped gate structure in the double passivation layer. The method realizes double-layer passivation of the semiconductor device, prepares a double-T-shaped gate structure with hundred-nanometer gate roots, and greatly inhibits the current collapse effect of the device while reducing the defect state density of the device.)
技术领域
本发明涉及高频高电子迁移率场效应晶体管技术领域，具体涉及一种基于双层钝化精准刻蚀的双T型栅的制备方法。
背景技术
以AlGaN/GaN、GaAs/AlGaAs异质结结构为代表的高电子迁移率晶体管具有高频、高速、耐高压、大功率等特点，广泛应用于射频微波领域。而栅极的制备工艺会极大的影响器件的高频特性，为了获得高增益、低噪声和高速的射频器件，关键要求是短栅长，而器件栅长的缩小又增大了栅电阻，影响器件高频性能。目前T型栅工艺已被公认为用于制备高频器件的主流技术。其短栅根保证了器件的高频特性，而长栅帽则减小了栅电阻。因此研究并优化T型栅制备工艺具有极大的意义。
目前制备T型栅的主流方法为电子束曝光三层胶工艺，该工艺需要曝光显影三次，过程非常繁琐，且为了防止胶与胶之间的混层现象还需要多次烘烤多次显影才能得到T型栅图。且随着对射频器件可靠性的要求越来越高，对射频器件的要求不再仅仅是高频大功率，还包括弱的电流崩塌效应。因此，急需对T型栅工艺进行改进。双T型栅指的是在T型栅的基础上多加一层栅帽，该层栅帽的加入不仅能进一步降低栅阻还能分散栅漏区域的电场，提高器件击穿电压，抑制虚栅效应。但双T栅工艺更加繁琐难以控制，且栅根金属与栅帽金属的厚度较难控制，急需设计一种制备方法，在简化双T型栅工艺的同时，提高器件可靠性。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种基于双层钝化精准刻蚀的双T型栅的制备方法。
该方法能够通过高选择比的方法来精准刻蚀双钝化层来实现双T型栅的制备，该制备工艺能降低栅阻，并对射频器件进行钝化，在减弱虚栅效应，避免了电流崩塌的同时提高了器件击穿电压，提高了器件可靠性。
本发明采用如下技术方案：
一种基于双层钝化精准刻蚀的双T型栅的制备方法，包括
所述双T型栅从下而上包括栅根、下层栅帽与顶层栅帽，栅根底部与外延结构接触，侧壁与底层钝化层接触；下层栅帽底部与底层钝化层的上表面接触，侧壁与顶层钝化层接触；顶层栅帽底部与顶层钝化层的上表面接触，侧壁与空气接触；下层栅帽与栅根皆与钝化层接触，可防止倒栅现象的出现。
具体制备方法如下：
在外延结构上依次生长两层钝化层，两层钝化层包括底层钝化层及顶层钝化层；
对顶层钝化层进行第一次曝光，在第一次曝光区域内对顶层钝化层和底层钝化层进行自上而下干法刻蚀形成栅根区域，干法刻蚀气体无法刻蚀外延结构，保护了外延结构的完整性；
对顶层钝化层进行二次曝光，在二次曝光区域对顶层钝化层进行湿法刻蚀形成下层栅帽区域；
对顶层钝化层进行第三次曝光形成顶层栅帽曝光区域，蒸镀金属并剥离光刻胶部分即在双钝化层中形成双T型栅结构。
进一步，制备方法具体包括如下：
S1在外延衬底上生长外延结构，在外延结构上生长两层钝化层；
S2在顶层钝化层上涂覆光刻胶，进行第一次曝光，显影后暴露出栅根区域；
S3对栅根区域进行干法刻蚀，刻蚀深度为两层钝化层厚度，随后剥离光刻胶；
S4重新旋涂光刻胶，对顶层钝化层进行二次曝光，显影后暴露出下层栅帽区域；
S5对下层栅帽区域进行湿法精准刻蚀，BOE溶液很难腐蚀底层钝化层，可保证刻蚀深度为顶层钝化层厚度，随后剥离光刻胶；
S6重新旋涂光刻胶，对顶层钝化层进行三次曝光，暴露出顶层栅帽区域；
S7对外延片进行金属蒸镀，随后进行光刻胶剥离，双T型栅结构制备完成；
S8根据电极接触性质进行退火气氛以及退火温度的选择，完成双T型栅制备。
进一步，顶层栅帽的宽度大于下层栅帽宽度，下层栅帽的宽度大于栅根宽度；
进一步，顶层钝化层为SiO2，底层钝化层为SiN，其生长方法可为PECVD、LPCVD以及ALD。且该方法对顶层钝化层与底层钝化层的厚度没有刻意要求，最大限度保证器件结构设计的自由度。
进一步，所述S3中干法刻蚀为等离子刻蚀，刻蚀气氛为F基气体。
进一步，顶层栅帽的曝光区域宽度大于下层栅帽曝光区域宽度，下层栅帽的曝光区域宽度大于栅根曝光区域宽度。
进一步，所述S5中湿法刻蚀的刻蚀溶液为BOE溶液，BOE溶液很难腐蚀SiN层，保证栅根宽度的精准性。
进一步，金属蒸镀方式为物理气相沉积并辅以金属剥离工艺。
进一步，两层钝化层的生长方法为PECVD生长。
本发明的有益效果：
(1)本发明引入钝化层制备双T型栅结构，抑制了器件的电流崩塌效应与虚栅效应；
(2)本发明通过对双层钝化层进行刻蚀、蒸镀形成双T型栅结构，简化了双T型栅的制备工艺，避免了多层胶之间的混层效应，提高了双T型栅的制备精度；
(3)本发明在刻蚀工艺成熟的基础上，无需刻蚀阻挡层，巧用SiN作为底钝化层，在刻蚀栅根区域时，F基气体无法破坏AlGaN势垒层；在刻蚀下层栅帽区域时，BOE溶液无法刻蚀底钝化层SiN,保证了刻蚀精度，进一步提升双T型栅的制备精度；
(4)本方法具有高选择性，可以根据SiO2和SiN不同的特性使用不同的刻蚀方法，控制栅根的厚度就是SiN的厚度底层栅帽的厚度就是SiO2的厚度。
附图说明
图1是本发明的双T型栅结构示意图；
图2是本发明实施例1中双T型栅AlGaN/GaN HEMT器件的结构示意图；
图3是本发明实施例1中制备双T型栅所测得的转移特性曲线图；
图4是本发明实施例1中制备双T型栅所测得的输出特性曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本实施例提供一种基于双层钝化精准刻蚀的双T型栅的制备方法，具体是提供一种基于双层钝化精准刻蚀制备双T型栅AlGaN/GaN HEMT器件的方法，如图2所示，具体如下：
(1)在AlGaN/GaN HEMT外延上涂覆光刻胶进行光刻、刻蚀，做好标记点；
(2)对准步骤(1)中所述的标记点，进行光刻，再利用刻蚀对外延片进行台面隔离；
(3)通过光刻、蒸镀、剥离和退火形成源金属欧姆电极7和漏金属欧姆电极8，其结构如图2所示；
(4)使用PECVD设备先生长SiN材料的底层钝化层2，再生长SiO2材料的顶层钝化层3；
(5)在SiO2顶层钝化层上涂覆光刻胶，进行光刻、显影、干法刻蚀等步骤形成栅根区域；
(6)在SiO2顶层钝化层上涂覆光刻胶，进行第二次光刻、显影、湿法刻蚀形成下层栅帽区域；
(7)在SiO2顶钝化层上涂覆光刻胶，进行第三次光刻、蒸镀和金属剥离形成顶层栅帽区域以及栅金属电极；
(8)取出外延片，用丙酮去除外延片上的光刻胶；
(9)光刻、蒸镀形成栅源漏金属电极PAD。
制备的产品结构如图1所述，具体为：所述双T型栅从下而上包括栅根4、下层栅帽5与顶层栅帽6，栅根底部与外延结构1接触，侧壁与底层钝化层2接触；下层栅帽底部与底层钝化层的上表面接触，侧壁与顶层钝化层3接触；顶层栅帽底部与顶层钝化层的上表面接触，侧壁与空气接触；下层栅帽与栅根皆与钝化层接触，可防止倒栅现象的出现。
优选地，步骤(1)和步骤(2)中所述的刻蚀为感应耦合等离子体刻蚀(ICP),刻蚀反应气体为Cl2和BCl3混合气体，压强为5mTorr，上射频功率为300W，下射频功率为50W，刻蚀时间分别为150s和80s。
优选地，步骤(3)中所述的源、漏金属电极为Ti、Al、Ni、Au形成的合金。
优选地，步骤(3)中所述退火的气氛为N2，退火温度为850℃，保温时间为30s，升温速率为15℃/s。
优选地，步骤(4)中双层钝化层的生长方法为PECVD，其中SiO2/SiN的厚度分别为50nm/200nm。
优选地，步骤(5)中所述的栅根区域长度为100nm。
优选地，步骤(5)中所述的干法刻蚀所用气体为SF6，压强为5mTorr，上射频功率为300W，下射频功率为50W，刻蚀速率为1nm/s。
优选地，步骤(6)中所述的湿法刻蚀所用溶液为BOE溶液。
优选地，步骤(6)中所述的下层栅帽区域长度为300nm。
优选地，步骤(7)中所述的顶层栅帽区域长度为500nm。
优选地，步骤(7)中所述的栅金属电极由Ni、Au两种金属组成。
优选地，步骤(9)中所述的栅源漏金属电极由Ni、Au两种金属组成。
本实施例1制备的双T型栅AlGaN/GaN HEMT测得的转移特性曲线和输出特性曲线分别如图3和图4所示，所得器件阈值电压为-2.5V，最大跨导为165mS/mm；在栅极电压为3V时，输出饱和电流密度为600mA/mm，器件在频率为35GHz时的PAE为27％，表现出优秀的射频特性。
实施例2
本实施例2提供一种基于双层钝化精准刻蚀的双T型栅的制备方法，具体如下：
(1)在AlGaN/AlN/GaN HEMT外延片上涂覆光刻胶进行光刻、刻蚀，做好标记点；
(2)对准步骤(1)中所述的标记点，进行光刻，再利用刻蚀对外延片进行台面隔离；
(3)通过光刻、蒸镀、剥离和退火形成源金属欧姆电极和漏金属欧姆电极，其结构如图1；
(4)使用PECVD设备先SiN底层钝化层，再生长SiO2顶层钝化层；
(5)在SiO2顶层钝化层上涂覆光刻胶，通过对钝化层进行光刻、显影、干法刻蚀等步骤形成栅根区域；
(6)在SiO2顶层钝化层上涂覆光刻胶，通过对钝化层进行第二次光刻、显影、湿法刻蚀形成下层栅帽区域；
(7)在SiO2顶层钝化层上涂覆光刻胶，通过进行第三次光刻、蒸镀和金属剥离形成顶层栅帽区域以及栅金属电极；
(8)取出外延片，用丙酮去除外延片上的光刻胶；
(9)光刻、蒸镀形成栅源漏金属电极PAD。
优选地，步骤(1)和步骤(2)中所述的刻蚀为感应耦合等离子体刻蚀(ICP),刻蚀反应气体为Cl2和BCl3混合气体，压强为5mTorr，上射频功率为300W，下射频功率为50W，刻蚀时间分别为150s和80s。
优选地，步骤(3)中所述的源、漏金属电极为Ti、Al、Ni、Au形成的合金。
优选地,步骤(3)中所述退火的气氛为N2，退火温度为850℃，保温时间为30s，升温速率为15℃/s。
优选地，步骤(4)中所述的钝化层的生长方法为LPCVD，其中SiO2/SiN的厚度分别为200nm/50nm。
优选地，步骤(5)中所述的干法刻蚀所用气体为SF6，压强为5mTorr，上射频功率为300W，下射频功率为50W，刻蚀速率为1nm/s。
优选地，步骤(6)中所述的湿法刻蚀所用溶液为BOE溶液。
优选地，步骤(5)中所述的栅根区域长度为200nm。
优选地，步骤(6)中所述的下层栅帽区域长度为400nm。
优选地，步骤(7)中所述的顶层栅帽区域长度为600nm。
优选地，步骤(7)中所述的栅金属电极由Ni、Au两种金属组成。
优选地，步骤(9)中所述的栅源漏金属电极由Ni、Au两种金属组成。
本实施例制备的双T型栅AlGaN/AlN/GaN HEMT器件测得的直流电学特性曲线以及频率特性曲线与实施例1类似，证明依照该实施例所制得的器件性能稳定。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的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。
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