一种具有凹槽栅的增强型氮化镓异质结HEMT的刻蚀方法技术

本发明专利技术公开了一种具有凹槽栅的增强型氮化镓异质结HEMT的刻蚀方法。通过分别采用氧等离子体对帽层和多层外延层表面进行氧化，分别形成第一氧化层和第二氧化层，然后采用气体等离子体对第一氧化层和第二氧化层进行刻蚀。由于第二氧化层含有铝的氧化物，铝的氧化物较为致密，一定程度上降低了刻蚀速率，刻蚀损伤较小，从而获得较光滑的刻蚀表面，提高了刻蚀精度，每一个刻蚀循环都会完成固定的纳米级刻蚀深度，通过多次循环刻蚀可实现所要求的刻蚀精度和表面平整度，同时工艺过程中采用紫外激光测厚仪测量刻蚀的厚度以及配合质谱仪监测铝的离子浓度控制工艺进度。

【技术实现步骤摘要】
一种具有凹槽栅的增强型氮化镓异质结HEMT的刻蚀方法
本专利技术涉及半导体
，特别的，涉及一种具有凹槽栅的增强型氮化镓异质结HEMT(高电子迁移率晶体管)的刻蚀方法。
技术介绍
宽禁带半导体材料GaN(氮化镓)具有禁带宽度宽、临界击穿电场强度大、饱和电子速度高、介电常数小以及良好的化学稳定性等特点，特别是基于GaN的ALGaN/GaN结构具有更高的电子迁移率，使得GaN器件具有低的导通电阻、高的工作频率，能满足下一代电子装备对功率器件更大功率、更高频率、更小体积和更恶劣高温工作的要求。现有的实现增强型GaNHEMT器件的方法有：凹槽栅技术、氟离子注入技术、P-GaN盖帽技术和Cascode技术。通常采用刻蚀工艺实现凹槽栅增强型GaNHEMT,刻蚀凹槽栅能降低栅极到沟道的距离从而提高栅极对沟道的控制，能够有效提高器件的阈值电压。同时，凹槽栅刻蚀能够提高器件跨导，提高ALGaN/GAN的高频性能，减少由于栅长减短而引起的短沟道效应。中国专利CN107293587A公开了一种通过采用含有HBr与He的刻蚀气体产生的等离子体对GaN/ALGaN层进行蚀刻，从而形成GaN/ALGaN栅槽，然而，由于蚀刻过程中，离子轰击造成刻蚀材料化学键断裂的同时造成表面产生刻蚀损伤，刻蚀精度不易控制，增加表面漏电。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：为了克服现有技术中存在的上述问题，现提供一种减少刻蚀损伤的氮化镓异质结HEMT的刻蚀方法，包括以下步骤：S100：在一半导体衬底上形成GaN/AlGaN多层外延材料层，所述多层外延材料层自下往上依次包括：缓冲层、多层外延层以及帽层，所述多层外延层包括依此设置的GaN层、AlN层以及AlGaN层，所述AlGaN层位于所述AlN层和所述帽层之间；S200：在所述GaN/AlGaN多层外延材料层的表面形成刻蚀阻挡层，所述刻蚀阻挡层为Al2O3。S300：将所述刻蚀阻挡层的中间部分通过光刻形成凹槽，将所述帽层表面暴露出来；S400：使用氧等离子体对暴露出来的所述帽层进行氧化处理以形成第一氧化层；S500：采用气体等离子体对步骤S400中形成的所述第一氧化层进行刻蚀，以去除所述第一氧化层；S600：使用氧等离子体对经步骤S500处理后暴露出来的AlGaN层进行一定深度的氧化处理以形成第二氧化层；S700：采用气体等离子体对步骤S600中形成的所述第二氧化层进行刻蚀，以去除所述第二氧化层；S800：重复步骤S600和步骤S700，直至在所述AlGaN层上刻蚀形成所需深度的凹槽栅结构。进一步地，在步骤S700中，采用紫外激光测厚仪实时监测所述凹槽处的增强型氮化镓异质结HEMT的厚度，确定刻蚀终点。进一步地，所述衬底为Si衬底或SiC衬底。进一步地，所述缓冲层为0.8-1.2umAlN层。进一步地，所述GaN层为1.8-2.2um，所述AlN层为0.9-1.1nm，所述AlGaN层为23-29nm。。进一步地，所述帽层为2.7-3.3nmGaN层。进一步地，所述刻蚀阻挡层为35-45nmAl2O3层。进一步地，所述刻蚀气体为Cl2和Ar。进一步地，所述氧等离子体源功率为200-400W。进一步地，所述Cl2和Ar等离子体源功率为180-220W,流量比Cl2/Ar＝28sccm/7sccm-36sccm/9sccm，反应时压强为1.0-1.2Pa，偏置电压为36-42V。本专利技术的提供的具有凹槽栅的增强型氮化镓异质结HEMT的刻蚀方法,通过分别采用氧等离子体对帽层和多层外延层进行氧化，分别形成第一氧化层和第二氧化层，然后分别对形成的第一氧化层和第二氧化层进行刻蚀。由于AlGaN层被氧化后形成的第二氧化层含有铝的氧化物，铝的氧化物较为致密，一定程度上降低了刻蚀速率，刻蚀损伤较小，从而获得较光滑的刻蚀表面，提高了刻蚀精度。另外，每一个刻蚀循环都会完成固定的纳米级刻蚀深度，通过多次循环刻蚀可实现所要求的刻蚀精度和表面平整度。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。图1是本专利技术的一种具有凹槽栅的增强型氮化镓异质结HEMT的刻蚀方法的流程图；图2是图1所示一种具有凹槽栅的增强型氮化镓异质结HEMT的刻蚀方法中在半导体衬底上形成GaN/AlGaN多层外延材料层的结构示意图；图3是图2所示一种具有凹槽栅的增强型氮化镓异质结HEMT的刻蚀方法中在GaN/AlGaN多层外延材料层表面形成刻蚀阻挡层的结构示意图；图4是图3所示一种具有凹槽栅的增强型氮化镓异质结HEMT的刻蚀方法中光刻形成凹槽的结构示意图；图5是图4所示一种具有凹槽栅的增强型氮化镓异质结HEMT的刻蚀方法中帽层形成氧化物的结构示意图；图6是图5所示一种具有凹槽栅的增强型氮化镓异质结HEMT的刻蚀方法中氧化物被刻蚀后的结构示意图；图7是图6所示一种具有凹槽栅的增强型氮化镓异质结HEMT的刻蚀方法中多层外延层形成氧化物的结构示意图；图8是图7所示一种具有凹槽栅的增强型氮化镓异质结HEMT的刻蚀方法中氧化物被刻蚀后的结构示意图；图9本专利技术的一种具有凹槽栅的增强型氮化镓异质结HEMT的刻蚀方法中形成凹槽栅的结构示意图；图10是图1所示一种具有凹槽栅的增强型氮化镓异质结HEMT的刻蚀方法中采用的刻蚀设备的结构图；图11是图1所示一种具有凹槽栅的增强型氮化镓异质结HEMT的刻蚀方法中采用的紫外激光测厚仪的工作原理图。100、刻蚀设备，101、左窗口，102、右窗口，200、增强型氮化镓异质结HEMT，300、刻蚀气体，400、紫外光测厚仪，500、质谱仪，10、半导体衬底，20、多层外延材料层，21、缓冲层，22、多层外延层，221、GaN层，222、AlN层，223、AlGaN层，23、帽层，30、刻蚀阻挡层，31、凹槽，40、第一氧化层，50、第二氧化层，60、凹槽栅。具体实施方式现在结合附图对本专利技术作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本专利技术的基本结构，因此其仅显示与本专利技术有关的构成。请参阅图1，本专利技术提供了一种具有凹槽栅的增强型氮化镓异质结HEMT的刻蚀方法，该刻蚀方法具有低损伤的特点。为实现上述目的，本专利技术采用如下方案：一种具有凹槽栅的增强型氮化镓异质结HEMT的刻蚀方法，其包括以下步骤：S100：在一半导体衬底上形成GaN/AlGaN多层外延材料层，所述多层外延材料层自下往上依次包括：缓冲层、多层外延层以及帽层，所述多层外延层包括依次设置的GaN层、AlN层以及AlGaN层，所述AlGaN层位于所述AlN层和所述帽层之间；S200：在所述GaN/AlGaN多层外延材料层的表面形成刻蚀阻挡层，所述刻蚀阻挡层为Al2O3；S300：将所述刻蚀阻挡层的中间部分通过光刻做出栅极图形，将所述帽层表面暴露出来；S400：使用氧等离子体对暴露出来的所述帽层进行氧化处理以形成第一氧化层；S500：采用气体等离子体对步骤S300中形成的所述第一氧化层进行刻蚀，以去除第一氧化层；S600：使用氧等离子体对经步骤S500处理后暴露出来的AlGaN层进行一定深度的氧化处理以形成第二氧化层；S700：采用气体等离子体对步骤S600中形成的第二氧化层进行刻蚀，以去除第二氧化层；S800：重复步骤S600和步骤S700，直至在所述AlGaN层本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有凹槽栅的增强型氮化镓异质结HEMT的刻蚀方法，其包括以下步骤：S100：在一半导体衬底上形成GaN/AlGaN多层外延材料层，所述多层外延材料层自下往上依次包括：缓冲层、多层外延层以及帽层，所述多层外延层包括依此设置的GaN层、AlN层以及AlGaN层，所述AlGaN层位于所述AlN层和所述帽层之间；S200：在所述GaN/AlGaN多层外延材料层的表面形成刻蚀阻挡层，所述刻蚀阻挡层为Al2O3；S300：将所述刻蚀阻挡层的中间部分通过光刻形成凹槽，将所述帽层表面暴露出来；S400：使用氧等离子体对暴露出来的所述帽层进行氧化处理以形成第一氧化层；S500：采用气体等离子体对步骤S400中形成的所述第一氧化层进行刻蚀，以去除所述第一氧化层；S600：使用氧等离子体对经步骤S500处理后暴露出来的所述AlGaN层进行一定深度的氧化处理以形成第二氧化层；S700：采用气体等离子体对步骤S600中形成的所述第二氧化层进行刻蚀，以去除所述第二氧化层；S800：重复步骤S600和步骤S700，直至在所述AlGaN层上刻蚀形成所需深度的凹槽栅结构。

【技术特征摘要】
1.一种具有凹槽栅的增强型氮化镓异质结HEMT的刻蚀方法，其包括以下步骤：S100：在一半导体衬底上形成GaN/AlGaN多层外延材料层，所述多层外延材料层自下往上依次包括：缓冲层、多层外延层以及帽层，所述多层外延层包括依此设置的GaN层、AlN层以及AlGaN层，所述AlGaN层位于所述AlN层和所述帽层之间；S200：在所述GaN/AlGaN多层外延材料层的表面形成刻蚀阻挡层，所述刻蚀阻挡层为Al2O3；S300：将所述刻蚀阻挡层的中间部分通过光刻形成凹槽，将所述帽层表面暴露出来；S400：使用氧等离子体对暴露出来的所述帽层进行氧化处理以形成第一氧化层；S500：采用气体等离子体对步骤S400中形成的所述第一氧化层进行刻蚀，以去除所述第一氧化层；S600：使用氧等离子体对经步骤S500处理后暴露出来的所述AlGaN层进行一定深度的氧化处理以形成第二氧化层；S700：采用气体等离子体对步骤S600中形成的所述第二氧化层进行刻蚀，以去除所述第二氧化层；S800：重复步骤S600和步骤S700，直至在所述AlGaN层上刻蚀形成所需深度的凹槽栅结构。2.如权利要求1所述的具有凹槽栅的增强型氮化镓异质结HEMT的刻蚀方法，其特征在于：在步骤S700中，采用紫外激光测厚仪实时监测所述凹槽处的增强型氮化镓异质结HEMT的厚度，采用质谱仪对整个刻蚀过程中铝离子的浓度变化进行实...

【专利技术属性】
技术研发人员：周炳，陈雨雁，
申请(专利权)人：张家港意发功率半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32