本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種化合物半導(dǎo)體的腐蝕方法，尤其涉及一種速度可控、精準(zhǔn)腐蝕二元和/或多元III-V族化合物半導(dǎo)體的方法。

背景技術(shù)：

AlGaN/GaN外延結(jié)構(gòu)廣泛用在GaN基HEMT(High Electron Mobility Transistor，高電子遷移率晶體管)器件和傳感器中。典型的AlGaN/GaN外延結(jié)構(gòu)截面如圖1所示，AlGaN阻擋層厚度一般在30nm以下。通常在AlGaN之上還會有一覆蓋層，成分為GaN，該覆蓋層不是必須的結(jié)構(gòu)，厚度一般在5nm以下。上述外延結(jié)構(gòu)應(yīng)用在晶體管或傳感器器件中時，通常需要通過腐蝕來全部或部分去除，且腐蝕深度或速度需要精確控制，尤其應(yīng)避免過腐蝕的情況發(fā)生。比如，增強(qiáng)型晶體管的凹柵結(jié)構(gòu)就需上述腐蝕工藝；再如，通過腐蝕全部或部分去除歐姆金屬電極之下的AlGaN以達(dá)到降低接觸電阻的目的。

通?？涛gAlGaN和/或GaN材料采用如下方法：

低密度等離子體刻蝕(用Cl₂/BCl₃氣體)，這種方法的弊端包括：刻蝕均一性差、刻蝕速率不可控、刻蝕過程對材料表面產(chǎn)生損傷以及含氯雜質(zhì)在表面的殘留。

自停止熱氧化和氧化物去除：650℃下將AlGaN氧化成氧化物，再通過化學(xué)腐蝕去除氧化物。該方法的缺點(diǎn)是：僅適用于去除AlGaN，不能去除GaN；且適于將AlGaN全部去除，不能實(shí)現(xiàn)部分刻蝕；且氧化工藝耗時耗能。

高溫濕法腐蝕：用氫氧化鉀和雙氧水混合液在95℃下進(jìn)行腐蝕，缺點(diǎn)是含鉀離子的溶液與半導(dǎo)體CMOS工藝不兼容，且由于雙氧水在高溫下極易分解，腐蝕液需要經(jīng)常更換，帶來不便。

等離子體氧化和氧化物去除：將AlGaN或GaN在等離子體去膠機(jī)中氧化成Al₂O₃或Ga₂O₃，再用鹽酸將上述氧化物腐蝕掉。該方法的缺點(diǎn)是刻蝕速率過慢。

AlGaN/GaN外延結(jié)構(gòu)腐蝕的精準(zhǔn)控制還需要進(jìn)一步的研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種化合物半導(dǎo)體的腐蝕方法，所述腐蝕方法的速度可控、精確控制化合物半導(dǎo)體的腐蝕速率和腐蝕深度，表面損傷較低，無殘留，且腐蝕表面均一性高，可用于晶體管凹柵和歐姆接觸等結(jié)構(gòu)的形成。

1mTorr＝0.133Pa。

sccm是體積流量單位，是指標(biāo)況毫升每分。

所述高密度等離子體一般用電離度表征，指電離的氣體分子占全部氣體的百分比。常規(guī)等離子體(如RIE)的電離度在0.01％-0.1％；高密度等離子體高于上述值，最高甚至可達(dá)10％。

為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種化合物半導(dǎo)體的腐蝕方法，所述方法包括如下步驟：

(1)在化合物半導(dǎo)體上覆蓋圖案化的掩膜層；所述化合物半導(dǎo)體為二元和/或多元III-V族化合物半導(dǎo)體；

(2)采用高密度等離子體源產(chǎn)生的高密度氧等離子體對暴露的化合物半導(dǎo)體進(jìn)行氧化處理，得到氧化層，其中掩膜層不與高密度氧等離子體反應(yīng)；

(3)去除氧化層；

(4)去除圖案化的掩膜層，得到腐蝕后的化合物半導(dǎo)體。

所述III-V族化合物半導(dǎo)體是指第III主族元素與第V主族元素形成的化合物半導(dǎo)體。

所述多元是指第III主族元素與第V主族元素的總數(shù)至少有三種，且第III主族元素與第V主族元素分別至少有一種。

本發(fā)明創(chuàng)造性的使用高密度等離子體源產(chǎn)生的高密度氧等離子體對III-V族化合物半導(dǎo)體進(jìn)行腐蝕，從而實(shí)現(xiàn)快速可控、精準(zhǔn)腐蝕的目標(biāo)。

步驟(1)所述圖案化的掩膜層是指掩膜層具有一定的形狀，所述形狀可根據(jù)實(shí)際需要確定。

步驟(1)所述化合物半導(dǎo)體為GaN、AlGaN、InP、AlN或InGaN中的任意一種或至少兩種的組合。典型但非限制性的組合如GaN與AlGaN，InP、AlN與InGaN，GaN、AlGaN與InP，AlGaN、InP與InGaN。

所述AlGaN和/或GaN為外延片上的AlGaN層和/或GaN層。

優(yōu)選地，所述外延片由下至上依次包括襯底、GaN緩沖層、二維電子氣層、AlGaN阻擋層和GaN覆蓋層。

優(yōu)選地，所述襯底選自GaN、藍(lán)寶石、碳化硅或硅中的任意一種。

優(yōu)選地，AlGaN層中Al的含量可調(diào)。

步驟(1)所述圖案化的掩膜層通過如下方法制備得到：在化合物半導(dǎo)體表面依次覆蓋掩膜層和光刻膠層，利用光刻工藝得到圖案化的光刻膠層，再利用濕法腐蝕和/或干法腐蝕得到圖案化的掩膜層。

優(yōu)選地，所述干法腐蝕包括等離子體刻蝕。

所述掩膜層應(yīng)不易氧化，不與高密度氧等離子體反應(yīng)，避免被高密度氧等離子體刻蝕，從而失去其掩蓋的作用。步驟(1)所述掩膜層的材質(zhì)選自氧化硅、氮化硅、鋁或金中的任意一種。

優(yōu)選地，步驟(1)采用掩膜層腐蝕液將掩膜層去除，所述掩膜層腐蝕液不與所述化合物半導(dǎo)體反應(yīng)。所述掩膜層腐蝕液本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇，不同材質(zhì)的掩膜層可選用不同的掩膜層腐蝕液。

步驟(2)所述高密度等離子發(fā)生源選自感應(yīng)耦合等離子體-反應(yīng)離子刻蝕系統(tǒng)、電子回旋共振、雙等離子體源或磁增強(qiáng)反應(yīng)離子刻蝕中的任意一種。

優(yōu)選地，步驟(2)中高密度氧等離子體的源氣體包括氧氣和/或臭氧，還可以選自其它的氧化性氣體。

步驟(2)所述氧化過程中氧氣的流量及氣壓取決于高密度等離子源的類型及型號，以及待腐蝕原料的材質(zhì)，需要根據(jù)實(shí)際情況確定。

步驟(2)通過配合高密度等離子源的RF功率(射頻功率)和等離子體誘發(fā)功率控制所述氧化處理的速度和精度。RF功率和等離子體誘發(fā)功率是快速精確控制刻蝕速度的兩個參數(shù)，通過RF功率與等離子誘發(fā)功率的配合可達(dá)到快速精準(zhǔn)控制刻蝕速度及精度的效果。

步驟(2)所述氧化處理的時間越長，氧化深度越大。

所述步驟(3)所述去除氧化層之后的產(chǎn)品返回步驟(2)，直至得到預(yù)期腐蝕深度的化合物半導(dǎo)體。實(shí)際刻蝕過程中，一次刻蝕的深度可能達(dá)不到要求，因此可通過重復(fù)進(jìn)行步驟(2)和步驟(3)所述的操作，來達(dá)到預(yù)期的刻蝕深度。

優(yōu)選地，步驟(4)采用氧化層腐蝕液將氧化層去除，所述氧化層腐蝕液包括鹽酸和/或BOE。所述BOE溶液為體積比6:1的氟化銨(質(zhì)量百分含量為40％)與氫氟酸(質(zhì)量百分含量為49％)的混合液。鹽酸溶液的濃度可以通過去離子水適當(dāng)稀釋為1:2、1:4或1:6。腐蝕后用去離子水反復(fù)沖洗。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述方法包括如下步驟：

(1)在化合物半導(dǎo)體上覆蓋圖案化的掩膜層，所述化合物半導(dǎo)體為二元和/或多元III-V族化合物半導(dǎo)體；

(2)利用高密度等離子源產(chǎn)生的高密度氧等離子體對暴露的化合物半導(dǎo)體進(jìn)行氧化處理，并控制高密度等離子源的RF功率和等離子體誘發(fā)功率，得到氧化層，其中掩膜層不與高密度氧等離子體反應(yīng)；

(3)去除氧化層，返回至步驟(2)直至得到預(yù)期的腐蝕深度；

(4)去除圖案化的掩膜層，得到腐蝕后的化合物半導(dǎo)體。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明提供的腐蝕方法腐蝕速度可控，腐蝕速度可達(dá)0.15-1.5nm/min；而熱氧化法的刻蝕速率在0.18-0.24nm/min，等離子體去膠機(jī)的刻蝕速率在0.1-0.13nm/min，本發(fā)明提供的刻蝕方法比上述方法的刻蝕速率提高6-10倍；直接用Cl₂/BCl₃等離子體刻蝕速率在10nm/min左右，速率很高，但是準(zhǔn)確度低，速率不可控，均一性差，只適用于需要全部去除AlGaN/GaN的情形，如需刻蝕帶有一定深度和一定圖形的結(jié)構(gòu)時，本發(fā)明提出的方法將是最優(yōu)的。

本發(fā)明提供的腐蝕方法不會產(chǎn)生表面損傷，因此不會增加材料表面的粗糙度；能夠精確控制刻蝕速率和深度，在適當(dāng)工藝條件下可以減小材料表面原有的粗糙度。

附圖說明

圖1為實(shí)施例1提供的外延片的切面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是實(shí)施例1步驟(1)得到的外延片的切面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是實(shí)施例1步驟(2)得到的外延片的切面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是實(shí)施例1步驟(3)得到的外延片的切面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是實(shí)施例1步驟(4)得到的外延片的切面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6是實(shí)施例1步驟(5)得到的外延片的切面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7是實(shí)施例1步驟(6)得到的外延片的切面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8是實(shí)施例1步驟(7)得到的外延片的切面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9是實(shí)施例1提供的使用AST Cirie-200刻蝕機(jī)，ICP功率恒定，刻蝕速率與射頻功率的關(guān)系圖。

圖10實(shí)施例1提供的使用AST Cirie-200刻蝕機(jī)，射頻功率恒定，刻蝕速率與ICP功率的關(guān)系。

其中：1，外延片；2，襯底；3，GaN緩沖層；4，二維電子氣，5，AlGaN阻擋層；6，GaN層，7，掩膜層；8，圖案化的光刻膠層；9，氧化層；RF是指射頻；ICP是指感應(yīng)耦合等離子體。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖并通過具體實(shí)施方式來進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。

實(shí)施例1

一種外延片1，其切面結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。所述外延片1由下至上依次包括襯底2(藍(lán)寶石襯底)、GaN緩沖層3(溝道層)、二維電子氣4層、AlGaN阻擋層5(其中Al的含量可調(diào))和GaN層6。

對所述的外延片1進(jìn)行刻蝕，刻蝕方法包括如下步驟：

(1)在GaN層6表面覆蓋掩膜層7，掩膜層的材質(zhì)選自氧化硅；

(2)在掩膜層7表面覆蓋光刻膠層，利用光刻工藝得到圖案化的光刻膠層8；

(3)利用濕法腐蝕和/或干法腐蝕得到圖案化的掩膜層；

(4)去除圖案化的光刻膠層8；

(5)利用感應(yīng)耦合等離子體-反應(yīng)離子刻蝕系統(tǒng)產(chǎn)生的氧等離子體對暴露的GaN層6進(jìn)行氧化處理，得到氧化層9，其中，所述感應(yīng)耦合等離子體-反應(yīng)離子刻蝕系統(tǒng)中氧氣的流量為40sccm；氧氣的氣壓為8mtorr，感應(yīng)耦合等離子體設(shè)備的功率及反應(yīng)離子刻蝕設(shè)備的射頻功率見表1，氧化處理的時間為180s；

(6)采用BOE溶液去除氧化層9；

(7)去除圖案化的掩膜層，得到腐蝕后的外延片1。

步驟(5)中分別使用了兩個品牌的設(shè)備，具體工藝參數(shù)見表1。

表1

AST Cirie-200設(shè)備的射頻RF功率和ICP功率與刻蝕速率的關(guān)系如圖9和圖10所示。圖9和圖10中縱軸刻蝕速率以每次氧化深度表示，其中每次氧化的時間為3min。

圖9中AST Cirie-200設(shè)備的ICP功率固定為450W，射頻RF功率分別為15W、30W、75W和150W條件下測得的每次氧化的深度，對數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行線性擬合得到圖中虛線，說明氧化深度與射頻功率近似呈線性關(guān)系。

圖10中AST Cirie-200設(shè)備的射頻功率分別固定為75W和150W，ICP功率分別為150W、300W和450W時測得的每次氧化的深度，同樣可以看到，射頻功率提高有助于加快氧化(與圖9的結(jié)論一致)；ICP功率提高，雖也增加了氧化深度，但不如射頻功率的作用明顯?？梢?，射頻功率是影響氧化深度的主導(dǎo)工藝參數(shù)，將ICP功率的配合，能夠更好地精確控制氧化速率。

由于每次氧化時間均為3分鐘，因此可以通過比較每次氧化的深度來衡量刻蝕速率。上述結(jié)果表明每次氧化可以獲得0.6-6nm的深度，外加鹽酸腐蝕1分鐘，則可以計算總體刻蝕速率為0.15-1.5nm/min。

利用oxford Plasmalab 100設(shè)備，在ICP功率450W、射頻功率75W條件下，測得每次氧化(氧化時間為3min)深度為11nm(AST Cirie-200設(shè)備為3.2nm)。

對比AST Cirie-200設(shè)備和oxford Plasmalab 100設(shè)備的刻蝕速率及工藝參數(shù)可知：不同高密度等立體發(fā)生設(shè)備的最優(yōu)刻蝕參數(shù)并不相同，需根據(jù)實(shí)際情況確定最優(yōu)的工藝條件，但是，只要將射頻功率和誘發(fā)等離子功率相配合，就能得到最優(yōu)的刻蝕速率并保證刻蝕的精確度。

與現(xiàn)有方法在速率方面進(jìn)行比較如下：

熱氧化法速率在0.18-0.24nm/min，等離子體去膠機(jī)的刻蝕速率在0.1-0.13nm/min，本發(fā)明比上述方法的刻蝕速率提高6-10倍。直接用Cl₂/BCl₃等離子體刻蝕速率在10nm/min左右，速率很高，但是準(zhǔn)確度低，速率不可控，均一性差，只適用于需要全部去除AlGaN/GaN層6的情形，如需刻蝕帶有一定深度和一定圖形的結(jié)構(gòu)時，本發(fā)明提出的方法將是最優(yōu)的。

實(shí)施例2

一種外延片1，所述外延片1由下至上依次包括襯底2(藍(lán)寶石襯底)、GaN緩沖層3(溝道層)、二維電子氣4層和AlGaN阻擋層5。

對所述的外延片1進(jìn)行刻蝕，刻蝕方法包括如下步驟：

(1)在AlGaN阻擋層5表面覆蓋掩膜層7，掩膜層的材質(zhì)選自氮化硅；

(2)在掩膜層7表面覆蓋光刻膠層，利用光刻工藝得到圖案化的光刻膠層8；

(3)利用濕法腐蝕和/或干法腐蝕得到圖案化的掩膜層7；

(4)去除圖案化的光刻膠層8；

(5)利用感應(yīng)耦合等離子體-反應(yīng)離子刻蝕系統(tǒng)產(chǎn)生的氧等離子體對暴露的AlGaN阻擋層5進(jìn)行氧化處理，得到氧化層9，其中，所述感應(yīng)耦合等離子體-反應(yīng)離子刻蝕系統(tǒng)中氧氣的流量為40sccm；氧氣的氣壓為8mtorr，感應(yīng)耦合等離子體設(shè)備的功率為150W，反應(yīng)離子刻蝕設(shè)備的射頻功率為150W，氧化處理的時間為180s；

(6)使用鹽酸溶液去除氧化層9；

(7)去除圖案化的掩膜層7，得到腐蝕后的外延片1，腐蝕深度為3.87nm。

實(shí)施例3

一種外延片1，其切面結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。所述外延片1由下至上依次包括襯底2(藍(lán)寶石襯底)、GaN緩沖層3、二維電子氣4層、AlGaN阻擋層5和GaN覆蓋層。

對所述的外延片1進(jìn)行刻蝕，刻蝕方法包括如下步驟：

(1)在GaN層6表面覆蓋掩膜層7，掩膜層的材質(zhì)選自鋁；

(2)在掩膜層7表面覆蓋光刻膠層，利用光刻工藝得到圖案化的光刻膠層8；

(3)利用濕法腐蝕和/或干法腐蝕得到圖案化的掩膜層7；

(4)去除圖案化的光刻膠層8；

(5)利用感應(yīng)耦合等離子體-反應(yīng)離子刻蝕系統(tǒng)產(chǎn)生的氧等離子體對暴露的GaN層6進(jìn)行氧化處理，得到氧化層9，其中，所述感應(yīng)耦合等離子體-反應(yīng)離子刻蝕系統(tǒng)中氧氣的流量為40sccm；氧氣的氣壓為8mtorr，感應(yīng)耦合等離子體設(shè)備的功率為450W，反應(yīng)離子刻蝕設(shè)備的射頻功率為15W，氧化處理的時間為180s；

(6)使用BOE溶液去除氧化層9；

(7)將步驟(5)和步驟(6)重復(fù)進(jìn)行4次；

(8)去除圖案化的掩膜層7，得到腐蝕后的外延片1，腐蝕深度為0.57nm。

申請人聲明，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明了，任何屬于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍和公開范圍之內(nèi)。