一种砷化镓衬底mHEMT有源区电学隔离方法

摘要

本发明公开一种砷化镓衬底mHEMT有源区电学隔离方法，针对变组分高电子迁移率晶体管的有源区电学隔离，提出了湿法腐蚀和离子注入相结合的隔离方法，即首先去除表面高掺杂层，再进行离子注入隔离，有效提高了离子注入的注入效果，进而提高了有源区之间的隔离效果；在同等条件下，离子注入和台面腐蚀相结合的隔离方法，具有电学隔离效果好、工艺兼容性强、对后续工艺影响较小、具有良好的重复性和便于实现等特点，并有效地避免了单独采用台面腐蚀和离子注入的弊端，对半导体制造工艺有很好的使用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种砷化镓衬底mHEMT(变 组分高电子迁移率晶体管)有源区电学隔离方法。

背景技术

在半导体制造工艺过程中，化合物半导体器件有源区电学隔离的主要技 术途径包括：台面腐蚀隔离和注入隔离。

台面腐蚀方法实现电学隔离有诸多不益，例如深亚微米栅条在跨越几百 纳米的腐蚀台阶时容易出现断条而影响成品率；其次，腐蚀出的有源区台面 容易造成在栅条通过台面侧壁时与导电沟道接触，导致栅泄漏电流增大、栅 击穿电压下降；第三，裸露在台面侧壁的异质结断面在工艺制备过程中容易 被腐蚀、沾污、在钝化膜覆盖时还会有一定量的耗尽这也是在半导体制备工 艺过程中常常出现的问题。

相对于台面腐蚀，离子注入是较好的选择，因为它保持了器件的平面结 构.这有利于器件制造和芯片工艺加工。而且离子注入避免了台面侧面栅的 泄漏，因此消除了栅泄漏问题。而大量的理论分析和实验结果都表明，仅仅 采用离子注入方法实现砷化镓衬底的InGaAs/InAlAsmHEMT的理想隔离是有 困难的，这是由于晶格匹配的InGaAs带隙仅为0.74eV，其本征电阻率很小， 而且随着In组分的提高，InGaAs沟道将进一步变窄，本征电阻更小；另一 方面，激活的离子在材料中形成浅施主能级也会导致隔离性能变差；第三， 注入离子浓度剖面基本上遵循高斯分布规律，其浓度的峰值不在表面，必然 会影响极薄高掺杂的InGaAs帽层的注人绝缘电阻。

发明内容

本发明针对单独采用台面腐蚀隔离和注入隔离法进行半导体器件有源区 电学隔离所存在的弊端，提供一种砷化镓衬底mHEMT有源区电学隔离方法， 其采用湿法腐蚀与离子注入相结合，实现良好的有源区隔离效果。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种砷化镓衬底mHEMT有源区电学隔离方法，包括如下步骤：

步骤1，对样品进行有机清洗和无机清洗，以确保样品清洗洁净；样品 为砷化镓衬底上生长的变组分多层结构的外延材料体系，且该外延材料体系 的最上层为帽层；

步骤2，匀胶光刻保护样品的有源区，并对光刻后的样品进行坚膜处理 以便后面的隔离工艺；

步骤3，对样品进行湿法腐蚀，除去样品的帽层，并形成有利于离子注 入的沟槽；

步骤4，将离子由去除帽层区域注入到样品中，形成有源区的电学隔离；

步骤5，对样品进行欧姆金属生长的光刻，并利用电子束蒸发台在样品 上蒸发器件欧姆金属。

上述步骤1中，所述帽层包括In_0.53Ga_0.47As帽层和In_0.65Ga_0.35As帽层，其 中In_0.53Ga_0.47As帽层和n_0.65Ga_0.35As帽层所掺杂质均为Si。

上述步骤1中，对样品进行有机清洗的过程具体为：先将样品静置于丙 酮溶液中浸泡，以便除去样品表面的有机污染物；再将样品静置于异丙醇溶 液中，去除样品表面上的丙酮；后用去离子水冲洗，并氮气吹干；对样品进 行无机清洗的过程具体为：先用氨水与去离子水的混合溶液浸泡样品，再用 去离子水冲洗，并氮气吹干。

上述步骤3中，利用柠檬酸与双氧水混合溶液腐蚀去除样品表面的帽层。

上述步骤4中，硼离子的注入需要利用离子注入仿真软件计算出实际离 子注入所需的能量，并用来指导实际的离子注入的能量和剂量，以便降低器 件的工艺成本。

上述步骤5中，采用电子束蒸发台自下而上依次蒸发出Ni、AuGe、Ni和 Au，以形成源漏欧姆接触金属电极。

上述步骤2和5中，光刻的过程具体为：先将光刻胶均匀地涂覆到样品 的表面，再利用深紫外光刻机对样品进行曝光，后利用显影液对曝光后的样 品进行显影，再用去离子水定影，并氮气吹干。

上述步骤2和步骤5中，在每次光刻之前都需要对样品进行样品表面涂 粘附剂的预处理过程，以增强光刻胶与样品表面的粘附性，从而提高样品光 刻的成功率。

上述步骤5之后，还进一步包括，步骤6，利用探针台和和半导体测试 分析仪对样品上的相邻器件的电学隔离效果进行测试，并验证该有源区隔离 效果的过程。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1、针对变组分高电子迁移率晶体管的有源区电学隔离，提出了湿法腐蚀 和离子注入相结合的隔离方法，即首先利用湿法腐蚀去除样品表面高掺杂层， 再通过离子注入形成隔离的方法。首先去除表面高掺杂层，再进行离子注入 隔离，有效提高了离子注入的注入效果，进而提高了有源区之间的隔离效果；

2、在同等条件下，离子注入和台面腐蚀相结合的隔离方法，具有电学隔 离效果好、工艺兼容性强、对后续工艺影响较小、具有良好的重复性和便于 实现等特点，并有效地避免了单独采用台面腐蚀和离子注入的弊端，对半导 体制造工艺有很好的使用价值。

附图说明

图1-图5为一种砷化镓衬底mHEMT有源区电学隔离方法的制备流程示意 图。

图6为采用本发明制备的样品相邻器件有源区电学隔离的I-V曲线图。

具体实施方式

一种砷化镓衬底mHEMT有源区电学隔离方法，如图1-图5所示，包括如 下步骤：

步骤一：器件外延样品的清洗。

对样品进行清洗，其中样品为砷化镓衬底上生长的变组分多层结构的外 延材料体系，且该外延材料体系包括帽层、势垒层、沟道层和缓冲层等，其 中帽层位于最上层。帽层为掺杂浓度较高，有利于和金属形成欧姆接触的高 掺杂层。在本发明中，所述帽层为5nm的In_0.53Ga_0.47As层和20nm的In_0.65Ga_0.35As 层，所掺杂质为Si(硅)，浓度均为10E+19cm^-3。砷化镓衬底上生长的变组分 多层结构外延材料体系样品可以通过MBE(分子束外延)生长获得。首先， 进行有机的清洗：将样品静置于丙酮溶液中浸泡5分钟，以便除去样品表面 的有机污染物；将样品静置于异丙醇溶液中5分钟，去除样品表面上的丙酮； 用去离子水冲洗6次，氮气吹干。其次，进行无机清洗：利用25％的氨水： 去离子水＝1:10，将样品浸泡2分钟，去离子水冲洗6次，氮气吹干。最终确 保样品清洗洁净。

步骤二：有源区电学隔离光刻。参见图1。

在匀胶光刻保护台面前，先对样品进行HMDS(六甲基二硅氮烷)表面预 处理，以便增强光刻胶与样品表面的粘附性。匀光刻胶AZ5214，转速为4000 转/秒、时间为30秒。前烘，温度为95℃、时间为90秒。利用MA6深紫外 光刻机曝光6.5秒。使用JZX3038显影液显影45秒，去离子水定影，氮气吹 干。利用热板110℃，3分钟用于坚膜。

步骤三：湿法腐蚀去除样品表面的高掺杂层。参见图2。

利用柠檬酸与双氧水混合溶液腐蚀去除器件外延层材料表面的高掺杂层 即In_0.53Ga_0.47As帽层和In_0.65Ga_0.35As帽层。即：利用C₆H₈O₇:H₂O₂＝1:1腐蚀液腐 蚀In_0.53Ga_0.47As帽层和In_0.65Ga_0.35As帽层，腐蚀时间为1分钟45秒。

步骤四：对样品进行离子注入。参见图3。

首先利用离子注入仿真软件SRIM进行模拟计算，计算出实际离子注入所 需的能量，并用来指导实际的离子注入的能量和剂量。经过反复计算模拟， 针对本发明的材料系统，最终我们采用离子注入机，选择硼离子，注入能量 为20Kev，注入剂量为2.0E+14cm-2，以对沟道部分形成高阻隔离。

步骤六：器件欧姆金属化。参见图4和5。

首先，对形成的有源隔离区进行欧姆接触的光刻。对样品进行HMDS表面 预处理，以便增强光刻胶与样品表面的粘附性。匀光刻胶AZ5214，转速为4000 转/秒、时间为30秒。使用无尘棉签去除样品边缘部分的光刻胶。前烘，温 度为95℃、时间为90秒。利用MA6深紫外光刻机曝光1.9秒。对样品进行 反转烘，温度为110℃、时间为90秒。对样品进行泛曝光42秒。使用JXZ3038 显影液显影50秒。去离子水定影。氮气吹干。采用电子束蒸发台依次蒸发 Ni(5nm)/AuGe(100nm)/Ni(20nm)/Au(100nm)，以形成源漏金属及栅 电极，即源、漏金属由5nm的Ni、100nm的AuGe、20nm的Ni和100nm的Au 自下而上叠加而成，不需要退火，形成欧姆接触，利用TLM测试的源漏接触 电阻为0.1Ω·mm，比接触电阻率为1.3E-6Ω·cm²。

步骤五：有源区电学隔离的隔离效果测试。

利用探针台Cascade150和半导体测试分析仪AgilentB1505A，进行相 邻器件之间的电学隔离效果。相邻器件之间的间距为17μm，在相邻器件的 欧姆接触接触电极(pad)上加上电压，测试它们之间电流大小，即为有源区 下的隔离效果。图6为样品上的相邻器件隔离效果的测试I-V曲线。