等离子体刻蚀与GaN HEMT关键工艺技术研究

摘要

氮化镓作为半导体行业迅速崛起的宽禁带半导体材料，由于具有宽带隙、高温稳定性好、化学稳定性好等非常出色的性能，成为了现如今高性能集成电路最受瞩目的材料之一。随着信息技术时代对于高速高频大功率芯片的需求越来越大，HEMT（高电子迁移率晶体管）成为了至关重要的研发支点，近年来主要以AlGaN/GaN异质结构HEMT为主。等离子体干法刻蚀是GaN HEMT制造的常用技术,在台面隔离刻蚀、欧姆区域和槽栅刻蚀等关键工艺中都有很重要的应用。合理利用刻蚀带来的优势，对于改善欧姆接触、优化栅肖特基接触、降低表面损伤等方面都有非常有利的影响。正因为等离子体刻蚀器件结构制造时非常重要且相当灵活，目前国内外科学研究人员经常利用等离子体刻蚀不同的处理方式实现不同的需求。
　　本研究主要内容包括：⑴对采用Cl基等离子体刻蚀欧姆区域进行研究。综合国内外欧姆接触和刻蚀工艺研究进展，提出了图形化刻蚀和全部刻蚀结构与传统结构相对比。通过数据对比分析，发现图形化刻蚀和全部刻蚀的表面形貌、接触电阻、饱和电流以及击穿电压均得到了不同程度的改善。⑵设置了不同刻蚀时间和孔径，通过改变蚀刻图形掩模得到了不同孔径的孔，分别为0.8μm（小孔），1.6μm（中孔），和3μm（大孔），刻蚀面积占空比分别为15％、30%和45%。结果表明，图形化刻蚀结构能够得到较低的接触电阻，一方面，是由于欧姆区刻蚀会去除不规则的表面氧化层和污染物。另一方面，图形化刻蚀这一步骤的增加会产生一定的侧壁面积，经过退火与Ti反应形成TiN，从而会产生更多的N空位。同时，图形化刻蚀结构中不均匀的AlGaN厚度在边缘处存在边缘效应，引起2DEG浓度的增加，因此，由于边缘效应的产生，图形化刻蚀结构得到的接触电阻要低于全部刻蚀结构。同时20s图形化刻蚀得到了最优化的欧姆接触电阻0.18Ω·mm，比传统结构（0.46Ω·mm）减小了60％。而大中小三种孔径对于接触电阻并无明显影响。⑶结合国际上薄势垒结构、栅下F-离子注入、槽栅结构、MIS HEMT等实现增强型器件各种方式为背景，在槽栅结构的基础上，加入一步氧等离子体处理，研究等离子体刻蚀槽栅和等离子体氧化工艺对于器件特性的影响。⑷设置了六种不同栅结构器件，分别为：常规器件、常规氧化处理器件、浅槽栅结构器件、浅槽栅结合氧化器件、深槽栅结构器件以及深槽栅结合氧化器件。发现槽栅结合氧等离子体处理能够综合槽栅和类似MIS HEMT结构的优势，阈值电压正漂至0.4V，制造出了增强型器件。同时得到了跨导较大且泄漏电流很小的器件，相比较于氧化前器件，进行了氧等离子体处理之后的结构，肖特基反向泄漏电流得到了非常好的改善，氧化前结构的肖特基反向漏电量级为10-5A/mm2，刻蚀后上升至10-4 A/mm2，而进行栅下氧等离子体处理后的漏电大大下降至10-7A/mm2，比氧化前减小了3个数量级。

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第一章 绪论

1.1半导体材料的发展进程

1.2 GaN材料的优势与重要性

1.3 AlGaN/GaN HEMT器件的基本性质与优势

1.4等离子体刻蚀与GaN关键工艺研究概况

1.5本论文研究内容及安排

第二章AlGaN/GaN HEMT 基本理论

2.1 AlGaN/GaN HEMT器件基本结构和工作原理

2.2 AlGaN/GaN HEMT器件制造工艺

2.3等离子体刻蚀与GaN关键工艺相关优化方案

2.4本章小结

第三章欧姆区域等离子体刻蚀研究

3.1等离子体刻蚀欧姆区域实验方法

3.2等离子体刻蚀欧姆区域对表面形貌的影响

3.3等离子体刻蚀欧姆区域对基本特性的影响

3.4等离子体刻蚀欧姆区域对击穿特性的影响

3.5本章小结

第四章 槽栅等离子体刻蚀与氧化研究

4.1槽栅等离子体刻蚀与氧化实验方法

4.2槽栅等离子体刻蚀与氧化对基本电特性的影响

4.3槽栅等离子体刻蚀与氧化对CV特性的影响

4.4本章小结

第五章 结束语

参考文献

致谢

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