一種iii-v族化合物半導(dǎo)體材料的刻蝕方法
【專(zhuān)利摘要】一種III-V族化合物半導(dǎo)體材料的刻蝕方法，屬于半導(dǎo)體工藝【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明采用低溫氧氣等離子體氧化的干法氧化工藝結(jié)合濕法腐蝕氧化層的工藝對(duì)III-V族化合物半導(dǎo)體材料進(jìn)行刻蝕，可以精確控制刻蝕深度(刻蝕精度可達(dá)量級(jí))。本發(fā)明刻具有低表面損傷，表面形貌良好，刻蝕柵槽可以提高線(xiàn)條精度，減小加工線(xiàn)寬。晶圓表面在低溫下進(jìn)行氧氣等離子體處理，可有效避免高溫氧化可能帶來(lái)的異質(zhì)結(jié)弛豫而引起的電流降低。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于III-V族化合物半導(dǎo)體淺槽或細(xì)線(xiàn)條刻蝕，如氮化鎵基器件歐姆接觸凹槽或增強(qiáng)型器件凹槽柵的刻蝕。
【專(zhuān)利說(shuō)明】-種N l-V族化合物半導(dǎo)體材料的刻蝕方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于半導(dǎo)體工藝【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及III-V族化合物半導(dǎo)體材料的刻蝕方法。 技術(shù)背景
[0002] III-V族化合物半導(dǎo)體氮化鎵（GaN)砷化鎵（GaAs)作為化合物半導(dǎo)體的典型代 表，具有許多優(yōu)良的特性。氮化鎵與砷化鎵材料具有高電子遷移率、高的二維電子氣（2DEG) 濃度，在最近十幾年得到迅速發(fā)展。氮化鎵（GaN)材料化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐高溫、抗腐蝕，在高 頻、大功率、抗輻射應(yīng)用領(lǐng)域具有先天優(yōu)勢(shì)。砷化鎵（GaAs)材料是一種優(yōu)良的溝道材料，在 未來(lái)的CMOS應(yīng)用中具有廣闊的前景。
[0003] 高性能增強(qiáng)型GaN基器件的凹槽柵刻蝕，降低歐姆接觸電阻的歐姆區(qū)刻蝕，超小 尺寸GaAs器件結(jié)構(gòu)比如薄體平面、納米線(xiàn)、或TriGate M0SFET都需要高精度、低損傷的刻 蝕技術(shù)。
[0004] 目前III-V族化合物半導(dǎo)體凹槽刻蝕技術(shù)一般是通過(guò)反應(yīng)離子刻蝕（RIE)或電感 耦合等離子體刻蝕（ICP)等干法刻蝕，由于半導(dǎo)體晶圓表面受到離子的轟擊，會(huì)對(duì)半導(dǎo)體 表面造成嚴(yán)重的晶格損傷，刻蝕表面形貌較差，且刻蝕速率或刻蝕深度較難掌控。中國(guó)專(zhuān) 利：申請(qǐng)?zhí)?01210277907. 3 "一種氮化鎵基器件的濕法腐蝕方法"的高溫氧化與濕法腐蝕 的方法可以在一定程度上改善凹槽形貌，但長(zhǎng)時(shí)間的高溫氧化處理會(huì)降低材料特性，對(duì)于 異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力弛豫，降低電流性能，且表面形貌并不夠理想，這會(huì)降低器件的性 能并可能帶來(lái)可靠性問(wèn)題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供一種III-V族化合物半導(dǎo)體材料的刻蝕方法，該方法能夠克服普通干 法刻蝕造成的表面形貌較差、晶格損傷、刻蝕精度差和高溫氧化帶來(lái)的材料特性降低等缺 點(diǎn)，具有刻蝕深度精確可控、對(duì)III-V族化合物半導(dǎo)體材料幾乎沒(méi)有損傷的特點(diǎn)。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0007] -種III-V族化合物半導(dǎo)體材料的刻蝕方法，如圖1所示，包括以下步驟：
[0008] 步驟1 :在需要刻蝕的III-V族化合物半導(dǎo)體材料表面淀積掩膜層；
[0009] 步驟2 :在步驟1所得掩膜層上涂敷光刻膠，并光刻出待刻蝕區(qū)圖形；
[0010] 步驟3 :刻蝕掉步驟2所得待刻蝕區(qū)的掩膜層，露出III-V族化合物半導(dǎo)體材料需 要刻蝕的區(qū)域，并去除其余光刻膠；
[0011] 步驟4 :對(duì)步驟3所得III-V族化合物半導(dǎo)體材料需要刻蝕的區(qū)域進(jìn)行低溫氧氣 等離子體氧化處理，使得ΠΙ-V族化合物半導(dǎo)體材料需要刻蝕的區(qū)域表面生成一層氧化 層；
[0012] 步驟5 :采用酸性腐蝕液腐蝕掉步驟4所得氧化層；
[0013] 步驟6 :重復(fù)執(zhí)行步驟4和步驟5,直至III-V族化合物半導(dǎo)體材料需要刻蝕的區(qū) 域達(dá)到預(yù)定刻蝕深度；
[0014] 步驟7:腐蝕掩膜層。
[0015] 進(jìn)一步地，所述III-V族化合物半導(dǎo)體材料為GaN、GaAs、AIN、AlGaN、AlInN、 InGaN、InAlAs、InGaAs 或 InAlGaN。
[0016] 進(jìn)一步地，步驟1中所述掩膜層淀積方式為等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積 (PECVD:Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)或感應(yīng)稱(chēng)合等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣 相淀積（ICPCVD :Inductively Coupled Plasma Chemical Vapor Deposition)或光學(xué)薄膜 淀積，所述掩膜層材料為二氧化娃（Si02)或氮化娃（Si3N 4)等。
[0017] 進(jìn)一步地，步驟2中所述光刻膠可以采用AZ5214,所述光刻方式可以采用接觸式 光刻。
[0018] 進(jìn)一步地，步驟3中所述掩膜層的刻蝕方法可以采用反應(yīng)離子刻蝕（RIE: Reactive Ion Etching)或感應(yīng)稱(chēng)合等離子體刻蝕（ICP :Inductively Coupled Plasma); 光刻膠的去除方式為丙酮、異丙醇、去離子水分別超聲清洗的方式去除。
[0019] 進(jìn)一步地，步驟4中所述低溫氧氣等離子體氧化處理的具體方法為：采用等離子 體去膠機(jī)，功率為100?400W，溫度20°C到150°C，氧氣流量為200?800sccm，處理時(shí)間為 1?10分鐘。
[0020] 進(jìn)一步地，步驟7中所述腐蝕液為Β0Ε或氫氟酸。
[0021] 本發(fā)明具有如下有益效果：
[0022] 本發(fā)明采用低溫氧氣等離子體氧化的干法氧化工藝結(jié)合濕法腐蝕氧化層的工藝 對(duì)IIι-v族化合物半導(dǎo)體材料進(jìn)行刻蝕，可以精確控制刻蝕深度。通過(guò)優(yōu)化參數(shù)，刻蝕精度 可達(dá)A量級(jí)。本發(fā)明刻具有低表面損傷，表面形貌良好，刻蝕柵槽可以提高線(xiàn)條精度，減小 加工線(xiàn)寬。晶圓表面在低溫下進(jìn)行氧氣等離子體處理，可有效避免高溫氧化可能帶來(lái)的異 質(zhì)結(jié)弛豫而引起的電流降低。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于III-V族化合物半導(dǎo)體淺槽或細(xì)線(xiàn)條 刻蝕，如氮化鎵基器件歐姆接觸凹槽或增強(qiáng)型器件凹槽柵的刻蝕。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0023] 圖1為本發(fā)明工藝流程示意圖。
[0024] 圖2為主要工藝步驟示意圖。（a)在晶圓（晶圓材料包括襯底基片1，由GaN層2 和AlGaN層3構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)）表面淀積掩膜層4 ; (b)在掩膜層表面涂敷光刻膠5并光刻出 待刻蝕區(qū)域窗口； (c)刻蝕掉待刻蝕區(qū)掩膜層4 ; (d)去掉剩余光刻膠5 ; (e)氧化刻蝕凹槽 柵；（f)腐蝕掉掩膜層4。
[0025] 圖3為凹槽柵刻蝕原子力顯微鏡（AFM)圖。（a)氧化刻蝕前凹槽深度測(cè)試圖；(b) 氧化刻蝕后深度測(cè)試圖；（c)凹槽底部形貌監(jiān)測(cè)測(cè)試圖。

【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面通過(guò)具體實(shí)例并配附圖對(duì)本發(fā)明III-V族化合物半導(dǎo)體材料的刻蝕方法做 詳細(xì)說(shuō)明。
[0027] 以AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料為例，本發(fā)明對(duì)氮化鎵基晶圓進(jìn)行氧化和濕法腐蝕的原 理是：在低溫條件下對(duì)AlGaN勢(shì)壘層表面進(jìn)行氧氣等離子體處理，凹槽柵下未被Si3N4保護(hù) 的表面會(huì)在AlGaN被氧氣等離子氧化形成A1 X0Y和Gax0Y和氮氧化物，酸性溶液會(huì)溶解該氧 化層而對(duì)AlGaN無(wú)影響，形成腐蝕槽。
[0028] 下面以AlGaN/GaN HEMT凹槽柵刻蝕工藝為例，對(duì)該方法進(jìn)行具體說(shuō)明，該氮化鎵 基材料凹槽刻蝕步驟包括：
[0029] 在GaN晶圓表面采用ICPCVD方法制備厚度為160nm的Si3N4掩膜層。
[0030] 該步驟制備Si3N4掩膜層的目的是保護(hù)非凹槽區(qū)域，使其他區(qū)域不被氧氣等離子 體處理和酸的腐蝕，如圖2 (a)。
[0031] 在所述Si3N4層上涂敷光刻膠，并光刻出凹槽柵圖形。
[0032] 該步驟采用的是凹槽柵版圖，采用的光刻膠是AZ5214光刻膠；采用真空接觸式光 刻，如圖2(b)。
[0033] 刻蝕掉凹槽柵區(qū)域的氮化硅（Si3N4)掩膜層。
[0034] 該步驟的目的是刻蝕掉凹槽柵區(qū)域的Si3N4掩膜層，使待刻蝕凹槽的部分暴露， 便于氧氣等離子體和酸處理，如圖2(c)所示。該步驟刻蝕采用反應(yīng)離子刻（RIE)方式刻蝕。
[0035] 去除剩余光刻膠。如圖2(d)所示。采用丙酮、異丙醇和去離子水分別超聲清洗方 式去除光刻膠。
[0036] 將步驟3所得GaN晶圓表面在等離子體去膠機(jī)中進(jìn)行氧氣等離子體處理，將等離 子體處理過(guò)的GaN晶圓在強(qiáng)酸溶液中浸泡腐蝕。該步驟氧氣等離子體處理時(shí)間為5分鐘， 功率400w，溫度為50°C，酸為鹽酸和水的比例為1比5,腐蝕時(shí)間為1分鐘。
[0037] 將步驟4和步驟5重復(fù)40次，刻蝕AlGaN勢(shì)壘層厚度21nm，耗盡柵下的二維電子 氣（2DEG)，如圖2(e)所示。
[0038] 腐蝕掉GaN晶圓上的氮化硅（Si3N4)掩膜層，如圖2 (f)所示。
[0039] 該步驟采用1:5的Β0Ε進(jìn)行腐蝕，腐蝕時(shí)間為2分鐘。
[0040] 上述實(shí)施例中，III-V族化合物半導(dǎo)體材料為不限于AlGaN，同樣適用于GaN、 GaAs、AlN、AlInN、InGaN、InAlAs、InGaAs 或 InAlGaN
[0041] 上述實(shí)施例中，所述掩膜層除采用Si3N4外，還可采用Si0 2。
[0042] 上述實(shí)施例中，淀積掩膜層淀積方法除采用ICPCVD外，還可采用PECVD或光學(xué)薄 膜淀積方法。
[0043] 上述實(shí)施例中，刻蝕凹槽柵掩膜層除采用RIE刻蝕外，還可采用ICP刻蝕。
[0044] 上述實(shí)施例中，等離子體去膠機(jī)中進(jìn)行氧氣等離子體處理時(shí)，溫度可在20°C? 150°C范圍內(nèi)調(diào)整，功率為100?400W，氧氣流量為100?1200sccm。在不同等離子體設(shè)備 中相同參數(shù)氧化刻蝕速度會(huì)略有不同。
[0045] 上述實(shí)施例中，等離子體處理過(guò)的GaN晶圓腐蝕液除鹽酸外，還可以采用稀硫酸 或稀硝酸。
[0046] 上述實(shí)施例中，腐蝕氮化硅掩膜層除采用Β0Ε外，還可采用氫氟酸。
[0047] 圖3為上述實(shí)施例凹槽刻蝕前后原子力顯微鏡（AFM)對(duì)深度和刻蝕凹槽底部形貌 的測(cè)試?？涛g前3(a)圖和刻蝕后3(b)圖圖中中間深色部分為刻蝕區(qū)域，變淺色為未刻蝕 區(qū)域，右下角為測(cè)試所得深度，對(duì)比可得出刻蝕深度為21nm。圖3(c)為凹槽底部形貌監(jiān)測(cè) 區(qū)域的測(cè)試，測(cè)試在5*5 μ m區(qū)域，表面均方根粗糙度Rq為0. 840nm，可看到清晰地原子臺(tái) 階，表明本發(fā)明方法所實(shí)現(xiàn)凹槽底面形貌良好。
【權(quán)利要求】
1. 一種III-V族化合物半導(dǎo)體材料的刻蝕方法，包括以下步驟： 步驟1:在需要刻蝕的III-V族化合物半導(dǎo)體材料表面淀積掩膜層； 步驟2 :在步驟1所得掩膜層上涂敷光刻膠，并光刻出待刻蝕區(qū)圖形； 步驟3 :刻蝕掉步驟2所得待刻蝕區(qū)的掩膜層，露出III-V族化合物半導(dǎo)體材料需要刻 蝕的區(qū)域，并去除其余光刻膠； 步驟4 :對(duì)步驟3所得III-V族化合物半導(dǎo)體材料需要刻蝕的區(qū)域進(jìn)行低溫氧氣等離 子體氧化處理，使得III-V族化合物半導(dǎo)體材料需要刻蝕的區(qū)域表面生成一層氧化層； 步驟5 :采用酸性腐蝕液腐蝕掉步驟4所得氧化層； 步驟6 :重復(fù)執(zhí)行步驟4和步驟5,直至III-V族化合物半導(dǎo)體材料需要刻蝕的區(qū)域達(dá) 到預(yù)定刻蝕深度； 步驟7:腐蝕掩膜層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的III-V族化合物半導(dǎo)體材料的刻蝕方法，其特征在于，所 述 III-V 族化合物半導(dǎo)體材料為 GaN、GaAs、AIN、AlGaN、AlInN、InGaN、InAlAs、InGaAs 或 InAlGaN。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的III-V族化合物半導(dǎo)體材料的刻蝕方法，其特征在于，步驟1 中所述掩膜層淀積方式為等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積、感應(yīng)耦合等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀 積或光學(xué)薄膜淀積；所述掩膜層材料為二氧化硅或氮化硅。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的III-V族化合物半導(dǎo)體材料的刻蝕方法，其特征在于，步驟2 中所述光刻膠為AZ5214,所述光刻方式為接觸式光刻。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的III-V族化合物半導(dǎo)體材料的刻蝕方法，其特征在于，步驟3 中所述掩膜層的刻蝕方法采用反應(yīng)離子刻蝕或感應(yīng)耦合等離子體刻蝕；光刻膠的去除方式 為丙酮、異丙醇、去離子水分別超聲清洗的方式去除。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的III-V族化合物半導(dǎo)體材料的刻蝕方法，其特征在于，步驟 4中所述低溫氧氣等離子體氧化處理的具體方法為：采用等離子體去膠機(jī)，功率為100? 400w，溫度20°C到150°C，氧氣流量為200?800sccm，處理時(shí)間為1?10分鐘。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的III-V族化合物半導(dǎo)體材料的刻蝕方法，其特征在于，步驟7 中所述腐蝕液為BOE或氫氟酸。
【文檔編號(hào)】H01L21/3065GK104282548SQ201410462681
【公開(kāi)日】2015年1月14日 申請(qǐng)日期:2014年9月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月12日
【發(fā)明者】周琦, 牟靖宇, 鮑旭, 汪玲, 施媛媛, 靳旸, 陳博文, 陳萬(wàn)軍, 張波 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)