增强型HEMT欧姆接触结构的制作方法及其应用与流程

增强型hemt欧姆接触结构的制作方法及其应用
技术领域
1.本发明属于半导体器件技术领域，涉及一种增强型hemt器件的制作方法，具体涉及一种增强型hemt欧姆接触结构的制作方法、增强型hemt器件的制作方法及增强型hemt器件。


背景技术：

2.当今社会，电力的变换和控制离不开电力电子器件。随着环境问题的凸显，人们的资源保护意识逐渐提高，要求能源转化过程中降低损耗，提高效率。为了实现这种高效的能源转化，对电力电子系统中功率变换的核心器件-功率器件的要求越来越高。
3.目前si基材料制备的电力电子器件性能已经达到材料的理论极限。为了进一步提高器件的性能和可靠性。开发新材料势在必行。与si材料相比，gan材料具有禁带宽度大、击穿场强高、电子饱和速度大等优异特性，故gan hemt器件可以满足高频率、大功率和高效率的要求。
4.而欧姆接触金属是制备增强型p-gan hemt器件的关键工艺之一。目前p-gan hemt器件的欧姆接触金属的制作方法主要有双层胶光刻刻蚀剥离工艺、介质薄膜二次光刻刻蚀剥离工艺等。
5.其中，对于双层胶光刻刻蚀剥离工艺，由于p-gan和algan的刻蚀选择比小，p-gan刻蚀工艺控制困难。虽然通氧自停止刻蚀gan工艺可以解决p-gan和algan的刻蚀选择比小的问题，进而可以精确控制p-gan刻蚀深度，但是通入氧气后光刻胶的刻蚀速度会非常快，p-gan和双层胶的刻蚀选择比较小，双层胶不能保护非欧姆接触区域的p-gan，且欧姆接触区域的p-gan刻蚀深度也无法准确监控，由此会导致欧姆接触区域下的p-gan未被刻蚀干净或者过刻蚀，进而会导致器件接触电阻增大，二维电子气通道截止，从而降低器件饱和电流。对于介质薄膜二次光刻刻蚀剥离工艺，其虽然可以兼容通氧自停止刻蚀gan工艺，但是器件欧姆接触性能会受到光刻机二次光刻对准偏差影响，且二次光刻刻蚀工艺复杂，工艺成本高，易引入二次刻蚀损伤，操作繁琐，难以实现。


技术实现要素：

6.本发明的主要目的在于提供一种增强型hemt欧姆接触结构的制作方法、增强型hemt器件的制作方法及增强型hemt器件，以克服现有技术的不足。
7.为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
8.本发明的一个方面提供了一种增强型hemt欧姆接触结构的制作方法，其包括：
9.提供用于形成增强型hemt器件的外延结构，所述外延结构包括依次层叠的沟道层、势垒层和p型层；
10.在所述p型层上依次设置第一掩模层、第二掩膜层和第三掩膜层，其中，对于选定的刻蚀剂，所述第二掩膜层与p型层的刻蚀选择比大于所述第一掩模层和第三掩模层中任一者与p型层的刻蚀选择比；
11.去除所述第三掩模层中对应于欧姆接触区的区域；
12.以所述第三掩模层的余留区域为掩模，对第二掩膜层进行刻蚀，去除所述第二掩模层中对应于欧姆接触区的区域；
13.将所述第三掩膜层完全刻蚀去除，并刻蚀除去所述第一掩模层中对应于欧姆接触区的区域；
14.以所述第一掩模层和第二掩膜层的余留区域为掩模，采用所述选定的刻蚀剂对p型层进行刻蚀，去除所述p型层中对应于欧姆接触区的区域，使所述欧姆接触区暴露；
15.在所述欧姆接触区制作源极和漏极，并使所述源极、漏极与所述势垒层形成欧姆接触。
16.在一些实施方式中，所述第一掩膜层、第三掩膜层的材质包括光刻胶，所述第二掩膜层的材质包括金属、金属氧化物、非金属氧化物中的任意一种或多种的组合，所述选定的刻蚀剂包括含氧的干法刻蚀试剂。
17.本发明的另一个方面提供了由前述任一种方法制备的增强型hemt欧姆接触结构。
18.本发明的另一个方面还提供了前述制作方法的用途。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
20.(1)通过采用具有三明治结构的复合掩模，例如在双层光刻胶掩模之间插入一层以上金属层，可以兼容通氧自停止刻蚀gan工艺，准确监控欧姆接触区域的p-gan刻蚀深度，有效解决因为通氧自停止刻蚀gan工艺刻蚀双层光刻胶掩模速率太快而造成的非欧姆接触区域的p-gan无法获得良好保护的问题；
21.(2)可以通过一次光刻刻蚀，之后直接在刻蚀区域生长欧姆接触金属，实现欧姆接触自对准刻蚀和光刻，降低器件欧姆接触电阻、提高器件饱和电流，简化工艺难度，降低工艺成本，有效克服现有介质薄膜二次光刻刻蚀剥离工艺中需要二次对准光刻刻蚀、欧姆接触金属不能原位生长在欧姆刻蚀区域上等导致的不足。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1是本发明一典型实施例中一种增强型hmet器件的外延结构示意图；
24.图2是在图1所示外延结构上形成复合掩模的示意图；
25.图3是将图2所示复合掩模的第二掩膜层和第三掩膜层部分除去后的示意图；
26.图4是利用复合掩模将p型层的局部区域刻蚀去除后的示意图；
27.图5是本发明一典型实施例中一种增强型hmet器件的欧姆接触结构示意图；
28.图6是本发明一典型实施例中一种增强型hmet器件的结构示意图；
29.图7是本发明一典型实施例中另一种增强型hmet器件的结构示意图。
具体实施方式
30.鉴于现有技术的缺陷，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技
术方案。针对本发明技术方案的更为清楚、完整地描述详见下文。
31.本发明的一些实施例提供了一种增强型hemt欧姆接触结构的制作方法，其包括：
32.提供用于形成增强型hemt器件的外延结构，所述外延结构包括依次层叠的沟道层、势垒层和p型层；
33.在所述p型层上依次设置第一掩模层、第二掩膜层和第三掩膜层，其中，对于选定的刻蚀剂，所述第二掩膜层与p型层的刻蚀选择比大于所述第一掩模层和第三掩模层中任一者与p型层的刻蚀选择比；
34.去除所述第三掩模层中对应于欧姆接触区的区域；
35.以所述第三掩模层的余留区域为掩模，对第二掩膜层进行刻蚀，去除所述第二掩模层中对应于欧姆接触区的区域；
36.将所述第三掩膜层完全刻蚀去除，并刻蚀除去所述第一掩模层中对应于欧姆接触区的区域；
37.以所述第一掩模层和第二掩膜层的余留区域为掩模，采用所述选定的刻蚀剂对p型层进行刻蚀，去除所述p型层中对应于欧姆接触区的区域，使所述欧姆接触区暴露；
38.在所述欧姆接触区制作源极和漏极，并使所述源极、漏极与所述势垒层形成欧姆接触。
39.在一些实施方式中，所述第一掩膜层、第三掩膜层的材质包括光刻胶，例如lor10a光刻胶、az5214光刻胶或其它光刻胶，且不限于此。
40.在一些实施方式中，所述第二掩膜层的材质包括金属(如cr等)、金属氧化物(如氧化铝等)、非金属氧化物(如氮化硅、二氧化硅等)中的任意一种或多种的组合，且不限于此。
41.在一些实施方式中，所述选定的刻蚀剂包括含氧的干法刻蚀试剂，例如电感耦合等离子体，其中可以含有氧等离子体等，以实现通氧自停止刻蚀gan工艺。
42.在一些较为具体的实施案例中，所述第一掩膜层由非光敏光刻胶形成，所述第三掩膜层由光敏光刻胶形成，所述第二掩膜层为金属层。利用第三掩膜层可以将欧姆接触区域图形转移至第二掩膜层上，第二掩膜层可以防止采用通氧自停止刻蚀gan时氧气与光刻胶反应带来的糊胶影响、提高刻蚀掩膜层与gan的刻蚀选择比以及保护第一掩膜层。
43.在一些实施方式中，所述外延结构可以由iii-v族化合物形成。例如，所述沟道层的材质包括gan，所述势垒层的材质包括algan，所述p型层的材质包括gan，但均不限于此。
44.在一些实施方式中，所述的制作方法具体包括：
45.采用光刻机对所述第三掩模层进行曝光显影，去除所述第三掩模层中对应于欧姆接触区的区域；
46.以所述第三掩模层的余留区域为掩模，采用金属干法刻蚀机将所述第二掩模层中对应于欧姆接触区的区域刻蚀去除；
47.以等离子体去胶机将所述第三掩膜层的余留区域及所述第一掩模层中对应于欧姆接触区的区域刻蚀去除；
48.采用电感耦合等离子体干法将所述p型层中对应于欧姆接触区的区域刻蚀去除。
49.在一些实施方式中，所述的制作方法具体包括：在暴露出的欧姆接触区沉积源极金属、漏极金属后进行剥离，再进行退火，从而使形成的源极、漏极与所述势垒层实现欧姆接触。
50.在一个较为具体的实施方式中，一种制作增强型p-gan hemt器件的欧姆接触结构的方法包括：在所述hemt器件的外延结构上设置具有三明治结构的复合掩模，其特点是在顶、底两层光刻胶(即前述第一、第三掩膜层)中间插入一层金属层(即前述第二掩膜层)，将顶层光刻胶选区曝光显影，之后用金属干法刻蚀设备将显影区域下方的金属层刻蚀掉，接着用等离子体去胶机将顶层光刻胶和显影区域下方的底层光刻胶去除干净，其后刻蚀去除显影区域下方的p-gan，使欧姆接触区暴露出，最后在欧姆接触区沉积源、漏金属并形成欧姆接触结构，从而实现p-gan hemt原位生长欧姆接触金属的制作。该方法可以有效兼容通氧自停止刻蚀gan工艺，精确控制欧姆接触区域的gan刻蚀深度，降低二次刻蚀损伤，无二次光刻偏差影响，可以显著提高欧姆接触性能，简化工艺，降低成本。
51.本发明的一些实施例还提供了由前述任一种方法制作形成的增强型hemt器件的欧姆接触结构。
52.本发明的一些实施例还提供了一种复合掩模结构，所述复合掩模结构设置在用于形成增强型hemt器件的外延结构上，所述外延结构包括依次层叠的沟道层、势垒层和p型层；进一步的，所述复合掩模结构包括依次叠设在所述p型层上的第一掩模层、第二掩膜层和第三掩膜层；其中，对于选定的刻蚀剂，所述第二掩膜层与p型层的刻蚀选择比大于所述第一掩模层和第三掩模层中任一者与p型层的刻蚀选择比。
53.在一些实施方式中，所述第一掩膜层、第三掩膜层的材质包括但不限于光刻胶。所述第二掩膜层的材质包括但不限于金属、金属氧化物、非金属氧化物中的任意一种或多种的组合。所述选定的刻蚀剂包括但不限于含氧的干法刻蚀试剂。
54.本发明的一些实施例还提供了一种增强型hemt器件的制作方法，其包括：
55.采用前述的任一种方法制作形成增强型hemt器件的欧姆接触结构；
56.以及，在p型层上制作栅极。
57.本发明实施例提供的前述制作方法简单易实施，无需复杂的二次光刻刻蚀工序等，可控性高，成本低，可以有效提升产品良率，保障产品性能，例如，所制得的增强型hemt器件具有低欧姆接触电阻、高饱和电流等特点。
58.下面结合实施例及附图对本发明的技术方案做进一步详细说明，本实施例在以发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
59.概括的讲，本实施例所提供的一种增强型p-gan hemt器件的欧姆接触结构的制作方法包括如下工序：对晶圆旋涂非光敏底层光刻胶(第一掩膜层)；生长金属层(第二掩膜层)；旋涂光敏顶层光刻胶(第三掩膜层)；光刻机对顶层光刻胶与欧姆接触区对应的区域曝光显影；金属干法刻蚀机刻蚀掉金属层对应于欧姆接触区的区域；等离子体去胶机去除全部的顶层光刻胶和底层光刻胶对应于欧姆接触区的区域；干法刻蚀p-gan等对应于欧姆接触区的区域；在暴露出的欧姆接触区生长欧姆接触金属；有机清洗剥离掉分布在非欧姆接触区的金属；快速退火形成欧姆接触结构。
60.具体的，该制作方法包括：
61.(1)先获取si基p-gan hemt器件的外延结构(以下亦简称“晶圆”)，其包括依次形成在si衬底1上的aln成核层2、gan缓冲层3、gan沟道层4、a1gan势垒层5、p-gan层6，如图1所示。其中成核层得厚度约为1μm，缓冲层厚度约为3-5μm，沟道层厚度约为100-300nm，势垒层
厚度约为15-30nm，p-gan层厚度约为50-150nm。
62.(2)对所述晶圆进行清洗，之后在所述晶圆上旋涂底层lor10a光刻胶(非光敏光刻胶)形成第一掩膜层9，再在第一掩膜层上生长金属cr层即第二掩模层10，然后在第二掩膜层上旋涂顶层az5214光刻胶(光敏光刻胶)形成第三掩膜层11，即在所述晶圆上形成三明治结构的复合掩模，如图2所示。
63.更具体的，可以将所述晶圆用丙酮、异丙醇、去离子水分别超声清洗，随后将所述晶圆放入hmds表面预处理机进行表面六甲基二硅胺烷涂覆，利用匀胶机对晶圆进行底层lor10a光刻胶旋涂，转速为4000rpm，时间为30s，随后进行软烘，热板设置温度为140℃，时间为120s。随后用pvd电子束蒸发台蒸发厚度为100nm的金属cr层。再次将所述晶圆放入hmds表面预处理机进行六甲基二硅胺烷涂覆，利用匀胶机对晶圆进行顶层az5214光刻胶旋涂，转速为4000rpm，时间为30s，随后进行软烘，热板设置温度为95℃，时间为90s。
64.(3)将表面覆盖有复合掩模的所述晶圆放入光刻机，对第三掩膜层对应于欧姆接触区(源极区域、漏极区域)的区域曝光，将曝光过的样品放入显影液中显影，并用超纯水反复冲洗并用氮气吹干，从而将第三掩膜层对应于欧姆接触区的区域去除。
65.(4)以余留的第三掩膜层为掩模，利用金属干法刻蚀机将金属cr层对应于欧姆接触区的区域刻蚀干净，刻蚀深度可以为100nm，参阅图3所示。
66.(5)利用等离子体去胶机将所述晶圆表面的第三掩膜层全部去除，以及将第一掩膜层对应于欧姆接触区的区域去除干净，如图4所示。
67.(6)采用电感耦合等离子体干法刻蚀机将p-gan层对应于欧姆接触区的区域刻蚀干净，使欧姆接触区暴露出。此过程中采用含有氧等离子体的刻蚀气氛，优选采用通氧自停止刻蚀gan工艺，以更为精确地控制p-gan刻蚀深度。
68.(7)利用电子束蒸发或溅射等金属沉积技术，在欧姆接触区沉积源极金属和漏极金属，再对所述晶圆进行金属剥离，剥离干净后采用快速退火炉进行退火后实现欧姆接触，获得如图5所示的欧姆接触结构。
69.具体的，可以将欧姆接触区暴露在外的所述晶圆放入电子束蒸发台中，在源极区域、漏极区域依次蒸镀ti/al/ni/au四层金属。蒸镀完金属后进行剥离，并将剥离完的样品放入快速退火炉中，在氮气气氛温度875℃、时间30s的条件下进行快速退火形成欧姆接触。
70.进一步的，还可以采用本领域已知的方式对p-gan层进行处理，之后再制作栅极，从而形成增强型hemt器件。如图6所示，可以将p-gan层的栅源和栅漏区域通过干法刻蚀等方式去除，之后在余留的p-gan层上制作栅极12。或者，如图7所示，也可以通过h离子注入、h等离子体处理等方式将p-gan层的栅源和栅漏区域转化为高阻gan层13，并在p-gan层的栅极区域上制作栅极12。
71.相较于采用双层胶光刻刻蚀剥离工艺、介质薄膜二次光刻刻蚀剥离工艺制成的si基p-gan hemt器件，本实施例的si基p-gan hemt器件的欧姆接触饱和电流得到大幅提升，接触电阻被显著降低。
72.应当理解，本发明的技术方案不限于上述具体实施案例的限制，凡是在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落于本发明的保护范围之内。