CN105789037B - 微波毫米波芯片的小尺寸栅制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种微波毫米波芯片的小尺寸栅制备方法，在介质层上涂一层耐刻蚀的电子束胶；利用电子束直写设备直写栅脚图形；在直写完的栅脚图形上涂深紫外光刻胶；利用电子束直写设备直写栅帽图形；对直写完的栅帽进行烘焙，并利用碱性显影液对直写完的栅帽进行显影，一次性得到栅脚和栅帽的胶型；采用烘烤工艺改变栅脚胶型；可大幅提高小尺寸栅的电子束直写速度和制备效率。且分两步进行介质层刻蚀；利用自停止层对外延材料的CaP层进行过挖槽或者过刻蚀；所述胶型转化为栅型，剥离得到金属栅，对栅金属进行蒸发和剥离后的钝化，即保证了栅的稳定性，又利用了新胶的耐蚀性很好的控制了线宽损失，该工艺兼具了裸栅的小尺寸和介质辅助栅的稳定性的优点。
Description
技术领域
本发明涉及栅制备方法，尤其涉及一种微波毫米波芯片的小尺寸栅制备方法。
背景技术
GaAs、InP、GaN的半导体微波毫米波芯片在高频领域具有广阔的应用前景，而制约高频器件发展的一个主要的工艺瓶颈是小尺寸栅长的制备。目前制备栅长小于70nm的栅工艺，普遍采用的是裸栅工艺。所谓裸栅工艺指在栅金属蒸发前不生长介质，在外延材料上直接通过电子束直写或深紫外光刻得到胶型，栅金属蒸发后，将胶型转化为栅型，剥离得到金属栅。对于电子束直写栅脚这一步，普遍采用的电子束胶为PMMA电子束胶和ZEP电子束胶。这两种胶具有较高的分辨力，但也具有较差的耐蚀性，这也决定了目前的小尺寸栅无法采用介质刻蚀的介质辅助栅工艺。另外，裸栅工艺本身具有一定的不足：1.裸栅结构在栅成型过程中没有介质辅助，剥离容易倒栅，后续工艺稳定性不高。2.裸栅工艺在栅钝化前，势垒层材料部分地直接暴露在空气中，会使表面变差。
除裸栅工艺外，目前线宽较大的器件采用另一种介质辅助栅工艺。所谓介质辅助栅工艺指，在光刻栅脚图形前，外延材料底部生长了介质，利用刻蚀手段将栅脚刻蚀出，如此后续的栅金属蒸发时有了介质支撑便可增强其稳定性。而对于介质辅助栅型而言，其不足为：较厚的介质带来较大的寄生电容，同时介质刻蚀因存在线宽损失(CD loss是指由于工艺问题出现的CD超差，CD指的是关键尺寸Critical dimension))及套刻等问题，致使介质辅助栅成型制备小于70nm的栅无法完成。而从介质辅助栅工艺衍生出的叠栅工艺是指：在外延材料上通过电子束直写过深紫外光刻得到小线宽图形，蒸发较薄的栅金属，此时栅具有较好的稳定性；再通过生长介质将其保护，利用套刻和刻蚀工艺使薄的栅金属上表面露出，再二次蒸发栅金属提高栅高度。对于叠栅工艺而言，其不足为：1、二次蒸栅工艺加三次光刻或电子束直写工艺加一次刻蚀工艺，步骤复杂带来工艺成本的提高；2、光刻或电子束直写介质刻蚀这一步很难保证套刻，尤其是对于小尺寸栅而言；3、叠栅工艺钝化介质胶厚，相应的寄生电容会较大。
综上所述，目前的裸栅工艺和介质辅助栅工艺对于制备小尺寸栅长的微波毫米波半导体芯片而言，分别具有各自的不足之处。所以，寻求一种兼顾小尺寸栅稳定性和低寄生电容的简单可行的栅工艺，不仅对提高高频器件性能具有帮助，同时也对小尺寸栅的成品率，可靠性具有帮助。
发明内容
本发明的目的是提供一种微波毫米波芯片的小尺寸栅制备方法，能够减小小尺寸栅的寄生电容并提高栅的稳定性。
为达到上述目的，本发明可采用如下技术方案：
一种微波毫米波芯片的小尺寸栅制备方法，所述微波毫米波芯片的衬底上生长有外延材料，所述外延材料上生长有介质，所述介质包括衬底层、外延沟道及势垒层、自停止层、盖帽层和介质层，所述微波毫米波芯片的小尺寸栅制备方法包括以下步骤：在介质层上涂一层耐刻蚀的电子束胶；利用电子束直写设备直写栅脚图形；在直写完的栅脚图形上涂深紫外光刻胶；利用电子束直写设备直写栅帽图形；对直写完的栅帽进行烘焙，并利用碱性显影液对直写完的栅帽进行显影，一次性得到栅脚和栅帽的胶型；采用烘烤工艺改变栅脚胶型；分两步进行介质层刻蚀；利用自停止层对外延材料的CaP层进行过挖槽或者过刻蚀；所述胶型转化为栅型，剥离得到金属栅，对栅金属进行蒸发和剥离后的钝化。
与现有技术相比，本申请具有以下有益效果：本申请电子束一次成型工艺，由耐刻蚀电子束胶和深紫外光刻胶两次曝光一次显影，该双层胶具有超高的分辨力，下层栅脚胶耐刻蚀具有较PMMA和ZEP更强的耐蚀性，同时需要的直写剂量小，可大幅提高小尺寸栅的电子束直写速度和制备效率。且本申请将电子束胶一次成型工艺与介质辅助工艺相结合，即保证了栅的稳定性，又利用了新胶的耐蚀性很好的控制了线宽损失(CD loss)，该工艺兼具了裸栅的小尺寸和介质辅助栅的稳定性的优点。另，本申请还通过外延材料的过挖槽或过刻蚀，形成介质底部较大的底切(undercut)，这样在蒸发栅金属后便可在栅脚底部两边形成真空空洞，从而减小寄生电容，而裸栅工艺因浮胶等问题不可采用这种过挖或过刻得方式。
附图说明
图1是本发明微波毫米波芯片的外延材料的示意图；
图2是本发明微波毫米波芯片的小尺寸栅制备方法的流程图；
图3是本发明介质刻蚀示意图；
图4是本发明盖帽层过挖槽或过刻蚀后示意图；
图5是本发明栅金属剥离后的示意图。
具体实施方式
本发明公开一种微波毫米波芯片的小尺寸栅制备方法，所述微波毫米波芯片的衬底上生长有外延材料，所述外延材料上生长介质10，所述介质10包括衬底层11、外延沟道、势垒层12、自停止层13、盖帽层14(亦称Cap层)和介质层16。
所述微波毫米波芯片的小尺寸栅制备方法包括以下步骤：首先，在衬底上生长介质层16(参图1)，例如在GaAs衬底的PHEMT外延材料或MHEMT外延材料，或者InP衬底的HEMT外延材料上生长介质层16，所述介质层16为50nm的Si3N4。
然后，结合图2，在介质层16上涂一层耐刻蚀的电子束胶21，所述电子束胶21需具有超高的分辨力同时具有较强的耐蚀性，所述涂耐刻蚀电子束胶为200nm，且用180℃的温度前烘120S；利用电子束直写设备直写线宽较小的栅脚图形，通过电子束直写的栅脚图形为50nm，直写剂量70uC/cm2，并且在直写完的栅脚图形的圆片上涂深紫外光刻胶23，涂深紫外光刻胶约850nm；再利用电子束直写设备直写线宽较大的栅帽图形，对直写完的栅帽的圆片进行烘焙，并利用碱性显影液对直写完的栅帽进行显影，一次性得到栅脚和栅帽的胶型，通过电子束直写直写的栅帽图形为350nm，经180℃的温度烘焙60S后，利用碱性显影液显影60S。因电子束胶的所需曝光剂量与深紫外光刻胶23有差异，且深紫外光刻胶23较厚，所以曝光上层时，下层基本不会受到影响。
采用烘烤工艺改变栅脚胶型；因电子束直写会因底部二次电子散射导致胶底部线宽大，顶部线宽小，该结构不利于栅金属的蒸发，所以通过烘烤工艺改变栅脚胶型，使其变为上部线宽大，底部线宽小的胶型。
结合图3，将刻蚀底部的介质层16分成两步；所述两步刻蚀底部介质层16包括第一步采用功率大，刻蚀速率高的刻蚀法，刻蚀约70％介质层30nm；第二步采用功率小，刻蚀速率小的刻蚀法，刻蚀约30％介质，刻蚀30nm，且过刻蚀10nm；所述第二步既要保证过刻蚀又要保证对衬底的低损伤，刻蚀后介质及栅脚栅帽图形如图3所示。
结合图4利用自停止层13对外延材料的CaP层14进行过挖槽或者过刻蚀；对于需要挖槽的外延材料可利用自停止层13使过挖时间较长，从而保证较大的undercut；而对于需要刻蚀的外延材料，则利用选择性较好的刻蚀条件刻蚀外延材料，同样可利用利用自停止层13使过刻时间较长，从而保证较大的undercut。
结合图5，对栅金属进行蒸发和剥离后的钝化得到栅型32以及钝化层33。具体地，对胶型和介质层以及外延材料形貌均固定后，利用电子束蒸发系统蒸发栅金属，注意栅金属蒸发所用金属需结晶颗粒小，结晶颗粒大会造成断栅甚至无法使金属蒸发进栅脚底部。栅金属蒸发结束后，采用手工剥离。先用小分子有机溶剂浸泡，使深紫外光刻胶23及其上层的金属自然脱落，再用大分子有机溶解下层的耐刻蚀电子束胶，再利用丙酮和酒精等浸泡去除残余溶液，最后用氮气吹干或低转速甩干；剥离后利用可选择介电常数较小的介质进行钝化。
刻蚀或腐蚀后，用电子束蒸发系统蒸发栅金属，栅金属蒸发选择TiAl系列栅或TiPtAu系列栅。
栅金属蒸发结束后，采用手工剥离；先用丙酮浸泡1小时，使深紫外光刻胶及深紫外光刻胶上层的金属自然脱落；再用NMP溶解下层的耐刻蚀电子束胶，利用丙酮和酒精浸泡分别去除残余NMP和丙酮溶液；最后用氮气吹干或低转速甩干，甩干转速小于500r/min；剥离后选择Si3N4介质或Si3N4与SiO2的复合介质进行钝化，钝化厚度小于50nm。
本申请公开的这种微波毫米波芯片的小尺寸栅长的制备方法将电子束一次成型和介质辅助成型相结合，即电子束一次成型所采用的耐刻蚀电子束胶与深紫外光刻胶的双层胶组合使用，该组合使用方法简单可行，具有极高的分辨力和耐蚀性，目前这种双层胶一次成型可以得到20nm的栅脚图形(直写设备所限)。对于小尺寸栅长工艺来说，这两种胶的组合使用方法相比较目前他人所采用的PMMA系列多层胶或ZEP系列多层胶而言，具有工艺更稳定更简单的优点。同时因耐刻蚀电子束胶所需的直写剂量较PMMA和ZEP较小，从而可大大提高电子束直写速度和制备栅的效率。另外，本申请采用的电子束与介质辅助相结合，在胶成型的基础上直接刻蚀并蒸发栅金属，优化了相对于介质栅的制备方法，同时由于底部介质层的支撑，保证了栅的稳定性。本发明还通过外延材料的过挖槽或过刻蚀，形成介质底部较大的undercut，这样在蒸发栅金属后便可在栅脚底部两边形成真空空洞，从而减小寄生电容。
另外，本发明的具体实现方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (9)
1.一种微波毫米波芯片的小尺寸栅制备方法，所述微波毫米波芯片的衬底上生长有外延材料，所述外延材料上生长有介质，所述介质包括衬底层、外延沟道及势垒层、自停止层、盖帽层和介质层，其特征在于：所述微波毫米波芯片的小尺寸栅制备方法包括以下步骤：
1 )、在介质层上涂一层耐刻蚀的电子束胶，利用电子束直写设备直写栅脚图形，在直写完的栅脚图形上涂深紫外光刻胶；
2 )、利用电子束直写设备直写栅帽图形，对直写完的栅帽进行烘焙，并利用碱性显影液对直写完的栅帽进行显影，一次性得到栅脚和栅帽的胶型；
3 )、采用烘烤工艺改变栅脚胶型；通过烘烤工艺使栅脚胶型变为上部线宽大底部线宽小的胶型；
4 )、两步刻蚀介质层；
5 )、利用自停止层对外延材料的盖帽层进行过挖槽或者过刻蚀；
6 )、对栅金属进行蒸发和剥离后的钝化得到栅型以及钝化层。
2.根据权利要求1所述的微波毫米波芯片的小尺寸栅制备方法，其特征在于：所述介质层为50nm的Si3N4。
3.根据权利要求1所述的微波毫米波芯片的小尺寸栅制备方法，其特征在于：所述介质刻蚀分两步，第一步刻蚀30nm；第二步刻蚀30nm，并过刻蚀10nm。
4.根据权利要求3所述的微波毫米波芯片的小尺寸栅制备方法，其特征在于：所述耐刻蚀电子束胶为200nm，且用180℃的温度前烘120S。
5.根据权利要求4所述的微波毫米波芯片的小尺寸栅制备方法，其特征在于：通过电子束直写的栅脚图形为50nm，直写剂量70uC/cm2。
6.根据权利要求5所述的微波毫米波芯片的小尺寸栅制备方法，其特征在于：涂深紫外光刻胶为850nm。
7.根据权利要求4所述的微波毫米波芯片的小尺寸栅制备方法，其特征在于：通过电子束直写直写的栅帽图形为350nm，经180℃的温度烘焙60S后，利用碱性显影液显影60S。
8.根据权利要求1所述的微波毫米波芯片的小尺寸栅制备方法，其特征在于：刻蚀或腐蚀后，用电子束蒸发系统蒸发栅金属，栅金属蒸发选择TiAl系列栅或TiPtAu系列栅。
9.根据权利要求8所述的微波毫米波芯片的小尺寸栅制备方法，其特征在于：栅金属蒸发结束后，采用手工剥离；先用丙酮浸泡1小时，使深紫外光刻胶及深紫外光刻胶上层的金属自然脱落；再用NMP溶解下层的耐刻蚀电子束胶，利用丙酮和酒精浸泡分别去除残余NMP和丙酮溶液；最后用氮气吹干或低转速甩干，甩干转速小于500r/min；剥离后选择Si3N4介质或Si3N4与SiO2的复合介质进行钝化，钝化厚度小于50nm。
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105789037A (zh) | 2016-07-20 |
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