本發(fā)明屬于半導體技術中的氮化鎵基器件領域，具體涉及一種基于自停止刻蝕的氮化鎵基器件隔離的制備方法。

背景技術：

以AlGaN/GaN為材料基礎的器件統(tǒng)稱為氮化鎵基器件，例如AlGaN/GaN異質結場效應管(heterostructure field effect transistors,HFET)，異質結雙極晶體管(heterostructure bipolar transistor,HBT)等。氮化鎵基器件具有擊穿場強大、電子遷移率高、飽和速度大等優(yōu)點，被認為是下一代功率開關器件的有力競爭者，近年來備受研究者青睞。

目前存在多種氮化鎵基器件的隔離方法，最常用的是BCl₃/Cl₂基的ICP(Inductively Coupled Plasma)隔離，但是此種隔離方法對有源區(qū)邊緣以及隔離區(qū)表面損傷較大，容易引發(fā)缺陷輔助的泄漏電流。氟離子注入等基于離子注入或離子誘發(fā)損傷的平面隔離方法也有一定的應用，但是高能等離子體很容易引發(fā)器件表面的損傷破壞，從而降低器件的性能增大關態(tài)泄漏電流。近來也有研究組進行過局域表面熱氧化的隔離方式研究，但是隔離區(qū)氧化物形成所需要的溫度過高，且高溫時間過長，嚴重退化器件的性能。因此，對于氮化鎵基器件而言，能夠開發(fā)出一種方便而又盡可能保持器件性能降低泄漏電流的隔離方法是非常有意義的。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于自停止刻蝕的氮化鎵基器件隔離的制備方法，隔離區(qū)利用自停止氧化濕法腐蝕技術制備，消除了等離子體對有源區(qū)邊緣及隔離區(qū)表面的損傷，可以有效降低泄漏電流，而隔離區(qū)僅勢壘層被刻蝕掉，相對于ICP刻蝕來說臺階高度明顯降低，且可以方便地與自停止刻蝕的柵凹槽同時完成，從而簡化自停止刻蝕的凹槽柵氮化鎵基增強型器件制備工藝，具有很高的可操作性和可重復性，十分利于工業(yè)化生產。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

一種基于自停止刻蝕的氮化鎵基器件隔離的制備方法，其步驟包括：

1)在氮化鎵基表面光刻器件區(qū)域；

2)刻蝕非器件區(qū)域的氮化鎵蓋帽層并去除剩余光刻膠；

3)對所述氮化鎵基表面在高溫條件下進行氧化處理；

4)將氧化處理后的氮化鎵基表面置于腐蝕性溶液中進行腐蝕，形成隔離島。

進一步地，步驟1)中所述氮化鎵基的材料主要包括AlGaN/GaN、InGaN/GaN、InAlN/GaN等材料；光刻方式包括接觸式光刻等，光刻膠采用AZ5214等材質。

進一步地，步驟2)中所述刻蝕方法包括但不限于：RIE(反應離子刻蝕，Reactive Ion Etching)，BOE(Buffer Oxide Etch，緩沖蝕刻液)等溶液進行浸泡處理或其他干法刻蝕方法。

進一步地，步驟2)中采用有機溶劑清洗的方法去除剩余光刻膠，有機溶劑為丙酮、異丙醇等有機溶劑。

進一步地，步驟3)通過快速退火爐或管式退火爐等進行所述氧化處理，氧化溫度為590-670℃，時間為40min-80min，但不限于此。

進一步地，步驟4)所述腐蝕性溶液一般為強堿溶液(其他類溶液根據實際情況也可)：氫氧化鉀溶液或氫氧化鈉溶液等；質量濃度(即堿性固體物質在其溶液中的質量百分數(wt％))為10％-70％，其溫度為50-90℃，腐蝕時間為25min-70min，但不限于此。

進一步地，上述方法還可以包括：在光刻器件區(qū)域之前，在氮化鎵基表面淀積保護層，此時，步驟2)還包括同時刻蝕非器件區(qū)域的保護層，步驟4)還包括將腐蝕后的氮化鎵基表面上的保護層去除。

進一步地，所述保護層的材料包括SiO₂或SiN等材料。

進一步地，淀積保護層的方法包括但不限于：PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等離子體增強化學氣相沉積)，ICP-CVD(Inductively Coupled Plasma Chemical Vapor Deposition,電感耦合等離子體化學氣相淀積)、光學薄膜沉積。

進一步地，步驟4)一般采用可腐蝕氮化物或氧化物等的酸性溶液去除氮化鎵基材料表面的保護層，所述酸性溶液包括但不限于：1)BOE(Buffer Oxide Etch，緩沖蝕刻液)溶液浸泡處理，可調整濃度范圍；2)HF(氫氟酸)溶液浸泡處理，可調整濃度范圍。

本發(fā)明基于自停止刻蝕的氮化鎵基器件隔離的制備方法，具有以下有益效果：

(一)利用了自停止氧化腐蝕技術，即只氧化勢壘層，后續(xù)腐蝕可以只腐蝕掉被氧化的勢壘層，腐蝕過程停止在GaN層表面，更利于控制，因而隔離區(qū)表面平整，臺階邊緣光滑，也可以有效抵抗位錯優(yōu)先氧化的影響，提供了一種具有更低泄漏電流的氮化鎵基器件的隔離方法；

(二)只需保證溫度是在自停止氧化范圍內，時間超過氧化到GaN表面所需時間即可，不需精確控制二者，簡單可控，是淺槽隔離，隔離效果超過ICP，同時也降低了器件的關態(tài)泄漏電流；

(三)僅僅腐蝕掉勢壘層就可以實現(xiàn)很好的隔離特性，而且由于氧化溫度低，時間短，對器件性能幾乎沒有影響，相對于此前專利的隔離方法來說具有很大優(yōu)勢；

(四)相對ICP隔離方法大大降低了臺階高度，且可操作性和可重復性也很高，可與自停止刻蝕柵凹槽同步完成簡化凹槽柵氮化鎵基增強型器件的工藝流程，利于工業(yè)化生產；

(五)采用本發(fā)明方法制備的氮化鎵基器件隔離性能優(yōu)異，40μm間距隔離島在10V偏壓下的島間泄漏電流約為6x10^-8mA/mm，比同一晶圓上制造的ICP隔離島間泄漏電流低約一個數量級，更加利于工業(yè)化生產。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的基于自停止刻蝕的氮化鎵基器件隔離的制備流程圖。

圖2是本發(fā)明實施例中基于自停止刻蝕隔離的氮化鎵基HEMT的制備流程圖。

圖3(a)是實施例中ICP隔離HEMT的正反掃轉移特性曲線和柵泄漏電流曲線，圖3(b)是實施例中自停止隔離HEMT的正反掃轉移特性曲線和柵泄漏電流曲線；橫坐標V_GS為柵源電壓，左縱坐標I_D為漏極電流，右縱坐標I_G為柵極電流。

圖4(a)是實施例中ICP隔離HEMT的半對數坐標轉移特性曲線和提取的跨導曲線，圖4(b)是實施例中自停止隔離HEMT的半對數坐標轉移特性曲線和提取的跨導曲線；橫坐標V_GS為柵源電壓，左縱坐標I_D為漏極電流，右縱坐標Gm為跨導。

圖5(a)是實施例中ICP隔離HEMT的輸出特性曲線，圖5(b)是實施例中自停止隔離HEMT的輸出特性曲線；橫坐標V_DS為漏源電壓，縱坐標為I_DS為漏極電流。

圖6是實施例中V_GS＝-7V,V_DS＝10V偏置下ICP隔離HEMT和自停止隔離HEMT關態(tài)柵極泄漏電流隨溫度的變化曲線。橫坐標為測試溫度，縱坐標為I_G為關態(tài)柵極泄漏電流。

圖7是實施例中V_GS＝1V,V_DS＝10V偏置下ICP隔離HEMT和自停止隔離HEMT開態(tài)漏極電流隨溫度的變化曲線。橫坐標為測試溫度，縱坐標I_D為開態(tài)漏極電流。

具體實施方式

下面通過具體實施例并配合附圖，對本發(fā)明做詳細的說明。

本發(fā)明可實現(xiàn)基于自停止刻蝕的氮化鎵基器件隔離的原理是：在AlGaN/GaN、InGaN/GaN、InAlN/GaN等氮化鎵基材料中，由于GaN比AlGaN等其他材料層具有更高的抗氧化特性，在氧化處理時，使暴露出的AlGaN等材料層被氧化而不影響其下面的GaN層及未暴露出的AlGaN等材料層(包括未刻蝕的蓋帽層下或未刻蝕的保護層下的AlGaN等材料層)，形成的氧化物容易被KOH等堿性溶液腐蝕，同時該堿性溶液對GaN層沒有任何影響， 因而可以實現(xiàn)自停止刻蝕隔離島結構。由于刻蝕區(qū)域的勢壘層被全部去除，二維電子氣濃度大大降低甚至消失，因而可以實現(xiàn)氮化鎵基器件的隔離。由于濕法腐蝕相對ICP等干法刻蝕對隔離區(qū)表面及有源區(qū)邊緣損傷更小，故泄漏電流可以得到進一步降低。同時自停止刻蝕只刻蝕掉了隔離區(qū)的勢壘層，產生的臺階高度相對ICP隔離法大大降低。

以氮化鎵材料AlGaN/GaN為例，由于GaN比AlGaN具有更高的抗氧化特性，在溫度為650℃時，只有暴露出的AlGaN層被氧化而不影響其下面的GaN層及未暴露出的AlGaN等材料層(包括未刻蝕的蓋帽層下或未刻蝕的保護層下的AlGaN層)，在經過45min氧化后暴露出的AlGaN層已全部被氧化，形成的氧化物為Al₂O₃和Ga₂O₃，這些氧化物是很容易被70℃時的KOH溶液腐蝕的，同時KOH溶液對GaN層也沒有任何影響，因而可以實現(xiàn)自停止隔離島結構。由于隔離區(qū)域的AlGaN層被全部刻蝕，二維電子氣濃度大大降低甚至消失，因而可以實現(xiàn)氮化鎵基器件的隔離。由于濕法腐蝕相對ICP等干法刻蝕對隔離區(qū)表面及有源區(qū)邊緣損傷更小，故泄漏電流可以得到進一步降低。

圖2是本實施例的基于自停止刻蝕隔離的氮化鎵基HEMT的制備流程圖。下面以AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)為例，用SiO₂做隔離區(qū)刻蝕的保護層，對該方法進行具體說明。制備步驟包括：

1)在GaN基表面采用PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等離子體增強化學氣相沉積)方法制備厚度為400nm的SiO₂保護層。

該步驟制備SiO₂層的目的是保護非刻蝕區(qū)域即有源區(qū)在高溫氧氣環(huán)境下不被氧化和損壞。

2)在所述SiO₂層上涂敷光刻膠，并光刻有源區(qū)圖形。

本實施例采用的是隔離版圖，采用的光刻膠是AZ5214；采用接觸式光刻方法進行光刻。

3)刻蝕待做隔離區(qū)域的SiO₂保護層和GaN蓋帽層。

該步驟的目的是刻蝕掉待做隔離區(qū)域部分的SiO₂保護層和GaN蓋帽層，使待做隔離部分的AlGaN層暴露，便于后續(xù)的氧化，而有源區(qū)的SiO₂保護層由于有光刻膠的保護，不會被刻蝕掉。該步驟采用RIE(反應離子刻蝕)方法進行刻蝕。

4)除去剩余光刻膠。采用有機清洗的方法去除光刻膠，溶劑為丙酮、異丙醇等有機溶劑。

5)將步驟4)所得氮化鎵基表面放于純氧氣環(huán)境下的管式退火爐中進行氧化處理。

前面四步的目的是在樣片氧化前，將不需要氧化的區(qū)域用SiO₂保護層保護起來，需要氧化的區(qū)域的AlGaN層裸露出來，在該步驟中進行氧化。氧化的溫度設定為650℃，時間為45min。

6)將氧化處理后的氮化鎵基表面浸泡于氫氧化鉀溶液進行腐蝕。

該步驟中，氫氧化鉀溶液的溫度用水浴鍋恒定為70℃；其中飽和氫氧化鉀溶液和水的體積比例為1:4，換算成質量濃度為19.7％；腐蝕時間為45分鐘。

7)將腐蝕后的氮化鎵基表面上的SiO₂保護層去除，即得隔離島結構。

8)在所述GaN基表面涂敷光刻膠，光刻歐姆接觸圖形。

本實施例采用的是歐姆接觸版圖，采用的光刻膠是AZ5214/LOR10A；采用接觸式光刻方法進行光刻。

9)在所述GaN基表面淀積金屬Ti/Al/Ni/Au(20/160/50/100nm)，剝離、退火后形成歐姆接觸。

本步驟的目的是淀積歐姆接觸金屬，形成源漏歐姆接觸；退火溫度為880℃，時間為30秒。

10)在所得樣品表面涂敷光刻膠，并光刻柵金屬圖形。

本實施例采用的版圖是柵金屬版圖，采用的光刻膠為AZ5214；采用接觸式光刻方法。

11)在上述樣品上淀積Ni/Au(50/100nm)，剝離后形成柵金屬。

本實施例的目的是形成柵金屬。

12)為了做對比，在上述樣品制備所用的同一晶圓上劃出一部分區(qū)域做傳統(tǒng)ICP隔離的HEMT器件。

本實施例中40μm間距自停止刻蝕隔離島在10V偏壓下的島間泄漏電流約為6x10^-8mA/mm，比同一晶圓上制造的ICP隔離島間泄漏電流(3x10^-7mA/mm)低約一個數量級。此島間泄漏電流也低于文獻報導的氟離子注入平面隔離的島間泄漏電流(Ruonan Wang,Yong Cai,Wilson Tang,et al.,“Planar Integration of E/D-Mode AlGaN/GaN HEMTs Using Fluoride-Based Plasma Treatment,”IEEE Electron Device Lett.,vol.27,no.8,pp.633-635,Aug.2006.38μA/100μm＝0.38mA/mm@10V偏壓)和局域表面熱氧化隔離的島間泄漏電流(Fabrizio Roccaforte,Filippo Giannazzo,Ferdinando Iucolano,et al.,“Two-dimensional electron gas insulation by local surface thin thermal oxidation in AlGaN/GaN heterostructures,”Appl.Phys.Lett.,vol.92,no.25,p.252101,Jun.2008.34pA/120μm＝3x10^-7mA/mm@20V偏壓。本實施例在20V偏壓下島間泄漏電流不變)。

圖3是實施例中ICP隔離HEMT(a)和自停止隔離HEMT(b)的正反掃轉移特性曲線和柵泄漏電流曲線，可以看出正反掃轉移特性曲線均無明顯回滯現(xiàn)象，說明二者有源區(qū)表面態(tài)都很少，且最大開態(tài)電流的大小相當，最大跨導大小相當(如圖4)，輸出特性曲線基本沒有差別(如圖5)，證明自停止隔離不會對有源區(qū)的器件性能造成額外退化。另外，可以看到自停止隔離HEMT的關態(tài)柵泄漏電流比ICP隔離HEMT的低近一個數量級，這得益于自停止隔離 中的濕法腐蝕在有源區(qū)邊緣產生的缺陷更少。在圖4中可以看到自停止隔離HEMT的關態(tài)漏極泄漏電流比ICP隔離HEMT的也低近一個數量級，這是因為在這里關態(tài)漏極漏電主要取決于關態(tài)柵漏電。

圖6和圖7可以看出從室溫到300℃，自停止刻蝕隔離HEMT的柵泄漏電流總是低于ICP隔離HEMT，且二者的開態(tài)電流在室溫到300℃始終保持相當，說明此自停止刻蝕隔離工藝制造出的器件在高溫條件下依然保持較好的性能，且優(yōu)于ICP隔離。

上述實施例中氮化鎵基材料為AlGaN/GaN，在其他實施例中還可以采用InGaN/GaN、InAlN/GaN等氮化鎵基材料。

上述實施例中，采用保護層做掩膜刻蝕隔離區(qū)，還可以更簡單地采用蓋帽層掩膜刻蝕隔離區(qū)。

上述實施例中，所述保護層除采用SiO₂外，還可以采用SiN等材料。

上述實施例中，步驟3)除采用RIE方法進行刻蝕外，還可以采用BOE(Buffer Oxide Etch，緩沖蝕刻液)等溶液進行浸泡處理或其他干法刻蝕方法，完成刻蝕。

上述實施例中，淀積保護層的方法除采用PECVD方法外，還可以采用ICP-CVD、光學薄膜沉積等方法。

上述實施例中，通過氧化爐進行氧化處理時，溫度可在590-670℃范圍內調整，時間為40min-80min。

上述實施例中，步驟6)除氫氧化鉀溶液外，還可以采用氫氧化鈉溶液等，進行腐蝕處理的參數可以在如下范圍內調整：溶液質量濃度為10％-70％，其溫度為50-90℃，腐蝕時間為25min-70min。

上述實施例中，步驟12)只是為了做性能對比，實際自停止刻蝕隔離工藝中若不需要對比可不需要此步驟。

上述實施例中，制備的器件是HEMT，此外可以制造任何需要的器件及結構等。

以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非對其進行限制，本領域的普通技術人員可以對本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍，本發(fā)明的保護范圍應以權利要求所述為準。