[发明专利]用于制备凹槽栅增强型器件的精准刻蚀装置及其刻蚀方法

说明书

本发明公开了用于制备凹槽栅增强型器件的精准刻蚀装置及其刻蚀方法。本发明提供的装置包括电感耦合等离子体刻蚀腔、电流检测装置、电感线圈、射频源、机械泵及分子泵；电流检测装置与电感耦合等离子体刻蚀腔连接；电感线圈与电感耦合等离子体刻蚀腔连接；射频源与电感线圈连接；机械泵和分子泵与电感耦合等离子体刻蚀腔连接。该装置在制备HEMT器件的过程中，当显示电流为零时，二维电子气沟道被关断，达到刻蚀终点，避免过度刻蚀造成栅极漏电及损伤二维电子气沟道，实现精准刻蚀。本发明仅额外接一个电流检测装置，无需增添额外的操作步骤，即可实现精确刻蚀，操作简便，有利于提高增强型HEMT器件产品良率，具有很高的实用价值。

技术领域

本发明涉及干法刻蚀领域，具体涉及一种用于制备凹槽栅增强型器件的精准刻蚀装置及其刻蚀方法。

背景技术

GaN HEMT器件由于具有击穿电压大、电子迁移率高、饱和速率大等优点，被认为是下一代功率器件最理想的材料之一，近年来备受研究者青睐。由于较强的自发极化和压电极化效应，常规的HEMT器件大多为耗尽型器件。为了能够在节约设计成本的同时提高电路的安全性与工作效率，实现增强型HEMT器件具有重大意义。

为了实现增强型HEMT器件，常用的方法有Cascode级联技术、F离子注入技术、p型栅结构、凹槽栅结构。

Cascode级联技术是商用增强型HEMT最早采用的一种技术，将增强型硅基MOSFET与耗尽型的AlGaN/GaN HEMT器件串联，HEMT器件栅极连接MOSFET的源极使HEMT沟道保持常开状态，通过增强型MOSFET的栅极来控制整体沟道的通断，实现高耐压增强型HEMT器件。但这类增强型器件的开关速度主要由硅器件决定，大幅降低信号输出频率，限制GaN材料优势的发挥，且封装难度大。F离子注入技术通过离子注入的方式在栅下AlGaN势垒层中引入氟离子，提升栅下AlGaN层导带高度，当使其上升到了费米能级以上时即可耗尽了栅下沟道的二维电子气，实现增强型器件。但Ｆ离子注入会给器件带来损伤，且由于F稳定性差，会带来器件可靠性较差、阈值电压不稳定等问题。p型栅结构是在未人为掺杂的AlGaN势垒层和栅极金属之间引入一层p型掺杂的GaN或AlGaN外延，抬升整个异质结的导带从而耗尽栅极下方沟道中的2DEG，使器件由耗尽型转变到增强型。但p型GaN选择性生长和激活工艺难度都很大，此类芯片价格极为昂贵。因此，采用Cascode级联技术、F离子注入技术及p型栅结构制备的增强型器件均难以实现增强型HEMT器件产业化。

目前实现增强型HEMT器件较有前景的工艺技术是凹槽栅结构。凹槽栅结构是在刻蚀栅极下方区域一定厚度的AlGaN势垒层，使器件的阈值电压正向移动，同时减小栅极与二维电子气沟道层的间距,提高栅极的控制能力，有效降低器件的短沟道效应，提高器件跨导，具有优异的高频特性，因此凹槽栅结构也是目前增强型AlGaN/GaN HEMT器件结构的研究热点。

采用凹槽栅结构制备增强型器件，需要刻蚀一定深度的势垒层,由于AlGaN的化学性质稳定，因此难以通过湿法刻蚀实现，通常都采用干法刻蚀。但在干法刻蚀中，难以把控刻蚀深度，不同的刻蚀深度对器件特性具有较大影响，因此需要精准掌控刻蚀深度。同时，刻蚀过程中产生的等离子体具有较高的刻蚀速率，如果工艺控制不合理或反应腔室内气体流量、温度、气体回流等状态出现细微变化，都会造成过度刻蚀，损伤下一层材料，影响器件稳定性，甚至造成器件失效。因此，设计一种能够实现精准刻蚀的装置和刻蚀方法，对实现凹槽栅增强型HEMT器件产业化具有积极意义。

为准确控制刻蚀深度，业界内普遍使用的是光学光谱发射法和激光干涉法。光学光谱发射法是利用等离子体反应物或生成物所发射波长光的强度变化来判断，在刻蚀终点时反应物光强变强，生成物光强减弱。但该方法在刻蚀速率很慢或刻蚀面积很小时，所接收到的光强信号很弱，无法准确检测。激光干涉法是通过激光光源检测薄膜厚度的变化以实现监控刻蚀深度，但该方法要求被刻蚀样品的透光性好，激光必须聚焦在被刻蚀区域，且被激光聚焦的区域温度会升高，影响刻蚀速率。