一种Ⅲ族氮化物半导体材料干法刻蚀后的表面处理方法
【专利摘要】一种Ⅲ族氮化物半导体材料干法刻蚀后的表面处理方法，属于材料【技术领域】，涉及材料表面处理工艺和半导体器件制备工艺。本发明提出一种Ⅲ族氮化物半导体材料干法刻蚀后的表面处理方法，将干法刻蚀后的Ⅲ族氮化物半导体材料浸没在浓度为1％～35％、温度为20℃～85℃的氨水溶液中1～15分钟，可显著改善Ⅲ族氮化物半导体材料干法刻蚀区域的表面形貌，同时可显著降低Ⅲ族氮化物半导体材料干法刻蚀区域的表面漏电。与氨水处理前Ⅲ族氮化物半导体材料干法刻蚀区域的表面相比，经过氨水处理后，表面的最大高度差、平均最大高度、平均粗糙度和均方根粗超度均大大降低，表面变平整，表面漏电显著下降。这大大提高了器件的可靠性。
【专利说明】一种III族氮化物半导体材料干法刻蚀后的表面处理方法
【技术领域】
[0001]本发明属于材料【技术领域】，涉及材料表面处理工艺和半导体器件制备工艺，特别涉及III族氮化物半导体材料(GaN、AlGaN、InAIN、InGaN、AlInGaN、AlN)干法刻蚀后的表面处理工艺。
【背景技术】
[0002]III族氮化物(II1-Nitride)半导体材料作为第三代半导体的典型代表，成为近年国际半导体领域的研究热点。作为III族氮化物的氮化镓(GaN)材料具有很多优良的特性:高临界击穿电场(?3.5X106V/cm)、高电子迁移率(?2000cm2/V.S)、高的二维电子气(2DEG)浓度(?113CnT2)和良好的高温工作能力等。基于AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管(HEMT)(或异质结场效应晶体管HFET，调制掺杂场效应晶体管M0DFET，以下统称为HEMT器件)在半导体领域已经得到应用，尤其是在射频/微波领域已经应用于无线通信、卫星通信等。另外，基于宽禁带氮化镓材料的该类器件具有反向阻断电压高、正向导通电阻低、工作频率高、效率高等特性，可以满足系统对半导体器件更大功率、更高频率、更小体积、更低功耗和更恶劣工作环境的要求。
[0003]III族氮化物半导体材料常用到干法刻蚀工艺，例如制备增强型器件的凹槽栅刻蚀工艺、降低欧姆接触电阻的异质结势垒层刻蚀工艺、形成器件隔离结构的干法刻蚀台面工艺等。干法刻蚀主要包括电感耦合等离子体刻蚀(ICP刻蚀)和反应离子刻蚀(RIE刻蚀)，目前主要使用氯气或氯化硼或两者的混合等离子体进行刻蚀，干法刻蚀后，III族氮化物半导体材料表面出现凸凹不平、尖峰和毛刺等现象，表面粗糙度大。在实际应用中，干法刻蚀后III族氮化物半导体材料表面的尖峰、毛刺会增大表面漏电，并使半导体器件的可靠性降低。
[0004]因此，针对上述技术问题，有必要提供一种III族氮化物半导体材料干法刻蚀后的表面处理方法。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的，就是针对上述问题，提出一种III族氮化物半导体材料干法刻蚀后的表面处理方法，以改善刻蚀后的表面形貌和漏电。
[0006]本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是:
[0007]—种III族氮化物半导体材料干法刻蚀后的表面处理方法，首先对干法刻蚀后的III族氮化物半导体材料进行清洗，以去除干法刻蚀后的III族氮化物半导体材料表面残留的刻蚀碎屑和有机物；然后将III族氮化物半导体材料浸泡于氨水溶液中，使氨水溶液与III族氮化物半导体材料发生反应，以去除干法刻蚀后III族氮化物半导体材料表面出现的尖峰和毛刺，降低III族氮化物半导体材料表面平整度；最后采用去离子水反复清洗III族氮化物半导体材料表面残留的氨水溶液。
[0008]上述技术方案中，所述III族氮化物半导体材料包括但不限于GaN、AIN、AlGaN,InAIN、InGaN 或 AlInGaN。
[0009]进一步的,所述氨水溶液质量百分比浓度为1%?35% ;浸泡时,氨水溶液温度为20?85°C，浸泡III族氮化物半导体材料的时间为I?15分钟。
[0010]进一步的，对干法刻蚀后的III族氮化物半导体材料进行清洗时，先顺序采用丙酮和乙醇超声清洗，然后去离子水清洗，最后用氮气吹干。丙酮和乙醇超声清洗时，采用纯度为99%?100%的MOS级丙酮，丙酮温度为20?85°C，丙酮超声清洗时间为I?15分钟；采用纯度为99%?100%的MOS级乙醇，乙醇温度为20?85°C，丙酮超声清洗时间为I?15分钟。
[0011]干法刻蚀后的III族氮化物半导体材料，经上述技术方案进行表面处理后，可采用原子力显微镜扫描干法刻蚀后的表面形貌，用探针台测试干法刻蚀后的电流，如果表面有进一步处理的必要，可按照上述技术方案对III族氮化物半导体材料进行多次表面处理。
[0012]在采用III族氮化物半导体材料制作半导体器件的工艺中，因干法刻蚀为各向异性刻蚀，干法刻蚀后，III族氮化物半导体材料表面表面存在大量带有斜坡的尖峰和毛刺。III族氮化物半导体材料呈现稳定的纤锌矿型结构，纤锌矿型结构具有六方对称性，为六方密堆积结构。六方密堆积结构沿着C轴([001]方向)原子密度最大，湿法腐蚀速率最低，而垂直C轴方向，原子密度最抵，湿法腐蚀速度最快。III族氮化物半导体材料表面为沿C轴方向，而尖峰和毛刺的外表面为垂直C轴方向，因此氨水刻蚀尖峰和毛刺的速率远远大于刻蚀半导体材料表面的速率。另一方面，尖峰和毛刺和氨水的接触面积大，会被优先刻蚀，而III族氮化物半导体平面(沿C轴方向)接触面积很小，刻蚀速率很缓慢。因此氨水处理后III族氮化物半导体材料表面会变得更加光滑。干法刻蚀后，III族氮化物半导体材料表面会存在大量的陷阱电荷以及晶格被破坏后留下的带固定正电荷的原子(悬挂键)，会形成一个表面漏电通道，而氨水中的氢氧根(0H_)带负电，可以中和或补偿表面陷阱电荷以及表面原子带的固定正电荷，降低表面漏电。
[0013]本发明的有益效果为:
[0014]本发明采用氨水处理干法刻蚀后的III族氮化物半导体材料表面，经过氨水处理后，III族氮化物半导体材料表面粗糙度显著降低，表现在最大高度差、平均最大高度、平均粗糙度和均方根粗超度均大大降低，其中最大高度差降低59%，平均最大高度降低74.8%，平均粗糙度降低48.7%，均方根粗超度降低48.5%，表面变得光滑平整；漏电流显著下降，最高降低达到100倍。在制备凹槽栅增强型金属-绝缘介质-半导体(MIS)器件时，更光滑的半导体表面可以使绝缘介质与半导体的界面更加清晰、栅金属下方的电场更均匀、栅控制沟道能力更强，同时降低栅漏电；在降低欧姆接触电阻的异质结势垒层刻蚀工艺中，更光滑的半导体表面可以进一步降低欧姆接触电阻，并改善欧姆金属形貌；在形成器件隔离的干法刻蚀台面工艺中，更加光滑的表面可以降低表面漏电，提升器件隔离效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1A-1C为实施例中干法刻蚀III族氮化物半导体材料后的结构示意图。
[0016]图2A为实施例中干法刻蚀后(氨水处理前)的AlGaN (III族氮化物半导体材料的一种)材料表面形貌图。
[0017]图2B为实施例中氨水处理后的AlGaNdII族氮化物半导体材料的一种)材料表面形貌图。
[0018]图2C为实施例中干法刻蚀后(氨水处理前)的GaN (III族氮化物半导体材料的一种)材料表面形貌图。
[0019]图2D为实施例中氨水处理后的GaN(III族氮化物半导体材料的一种)材料表面形貌图。
[0020]图3为实施例中氨水处理前后电流测试结果示意图。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案:
[0022]本发明提出一种III族氮化物半导体材料干法刻蚀后的表面处理方法，与没有进行表面处理的III族氮化物半导体材料表面相比，经过氨水处理后，如图2A-2D，表面的最大高度差、平均最大高度、平均粗糙度和均方根粗超度均大大降低，表面变平整(表面特征参数如表I和表2所示)；具体为最大高度差降低59%，平均最大高度降低74.8 %，平均粗糙度降低48.7%，均方根粗超度降低48.5%。如图3所示，氨水处理后电流显著下降，最高降低100 倍。
[0023]表1:干法刻蚀后的AlGaN材料在氨水处理前后表面特征参数对比
[0024]
I氨水处理前AlGaN材料表面I氨水处理后AlGaN材料表面最大高度差 Rpv (nm)~ 5.1212.386
平均最大高度Rz (nm)~ 4.4571.739
平均粗糙度 Ra(nm) 0.8140.418
均方根粗糙度Rq (nm) 1.0420.538
[0025]表1:干法刻蚀后的GaN材料在氨水处理前后表面特征参数对比
[0026]
I氨水处理前GaN材料表面~I氨水处理后GaN材料表面^
最大高度差 Rpv (nm)~ 5.5242.265
平均最大高度Rz (nm)~ 4.9361.244
平均粗糙度 Ra(nm) 0.8160.419
均方根粗糙度Rq (nm) 1.0340.532
[0027]本发明的原理为:干法刻蚀为各向异性刻蚀，干法刻蚀后，III族氮化物半导体材料表面存在大量带有斜坡的尖峰和毛刺。III族氮化物半导体材料呈现稳定的纤锌矿型结构，纤锌矿型结构具有六方对称性，为六方密堆积结构。六方密堆积结构沿着c轴([001]方向)原子密度最大，湿法腐蚀速率最低，而垂直c轴方向，原子密度最抵,湿法腐蚀速度最快。III族氮化物半导体材料表面为沿C轴方向，而尖峰和毛刺的外表面为垂直C轴方向，因此氨水刻蚀尖峰和毛刺的速率远远大于刻蚀半导体材料表面的速率。另一方面，尖峰和毛刺与氨水的接触面积大，会被优先刻蚀，而III族氮化物半导体平面(沿C轴方向)与氨水的接触面积很小，刻蚀速率很缓慢。因此氨水处理后III族氮化物半导体材料表面或多或少会变得更加光滑。干法刻蚀后，III族氮化物半导体材料表面会存在大量的陷阱电荷以及晶格被破坏后留下的带固定正电荷的原子(悬挂键)，会形成一个表面漏电通道，而氨水中的氢氧根(Off)带负电，可以中和或补偿表面陷阱电荷以及表面原子带的固定正电荷，降低表面漏电。
[0028]实施例
[0029]如图1A-1C所示，实施例中III族氮化物半导体材料干法刻蚀后的结构为:包括衬底基片1、设置在衬底基片I上端面的氮化镓层2、设置在氮化镓层2上端面的异质结势垒层3，所述氮化镓层2和异质结势垒层3构成异质结，所述异质结势垒层3上端面的两侧分别设置有第一欧姆金属4和第二欧姆金属5，所述第一欧姆金属4和第二欧姆金属5之间设置有钝化层6和7，所示8为干法刻蚀形成的凹槽，所示2DEG为二维电子气。
[0030]衬底基片I包括硅、碳化硅、蓝宝石、绝缘衬底硅、氮化镓或氮化铝的一种或几种；异质结势垒层3为AlGaN、InAIN、InGaN、Al InGaN中的一种；第一欧姆金属4和第二欧姆金属5为Ti/Al/Ni/Au ;钝化层6和7为SiNx或S12中的任一种。
[0031]本实施例的工艺步骤如下:
[0032]I)在III族氮化物半导体材料表面蒸发第一欧姆金属4和第二欧姆金属5，并进行850°C?890°C、30?50秒、纯氮气环境下的快速热退火，形成欧姆接触。
[0033]2)采用平面隔离或台面隔离形成器件隔离。
[0034]3)在异质结势垒层3表面淀积20?200nm的钝化层6和7，涂覆光刻胶，光刻并显影使需要刻蚀的区域暴露出来，用湿法刻蚀或干法刻蚀将凹槽区域上面的钝化层刻蚀掉。
[0035]前面三步的目的是形成测试结构，便于测试III族氮化物半导体材料干法刻蚀后的表面漏电和表面形貌。
[0036]4)钝化层作为阻挡层(或掩膜层)，用干法刻蚀对凹槽区域的III族氮化物半导体材料进行刻蚀，形成凹槽8。根据刻蚀深度的不同形成如图1A-1C的结构。
[0037]5)将III族氮化物半导体材料浸没在丙酮中，超声清洗I?15分钟后取出。
[0038]6)将III族氮化物半导体材料浸没在无水乙醇中，超声清洗I?15分钟后取出，用25度的去离子水清洗6遍，高纯氮气吹干。
[0039]7)用原子力显微镜扫描干法刻蚀后III族氮化物半导体材料凹槽区域的表面形貌，用探针台测试干法刻蚀后的电流。测试结构见图1A-1C，表面形貌扫描结果见图2A、2C，电流测试结果见图3。
[0040]8)将浓度为25%的氨水溶液加热到85度，并保持该温度。
[0041 ] 9)将III族氮化物半导体材料浸没在氨水溶液中，15分钟后取出。
[0042]10) III族氮化物半导体材料取出后立刻用25度的去离子水清洗6遍，去除表面的氨水,终止氨水的表面处理作用。高纯氮气吹干。
[0043]用原子力显微镜扫描III族氮化物半导体材料凹槽区域氨水处理后的表面形貌，用探针台测试氨水处理后的电流。测试结构见图1A-1C，表面形貌扫描结果见图2B、2D，电流测试结果见图3。
【权利要求】
1.一种III族氮化物半导体材料干法刻蚀后的表面处理方法，首先对干法刻蚀后的III族氮化物半导体材料进行清洗，以去除干法刻蚀后的III族氮化物半导体材料表面残留的刻蚀碎屑和有机物；然后将III族氮化物半导体材料浸泡于氨水溶液中，使氨水溶液与III族氮化物半导体材料发生反应，以去除干法刻蚀后III族氮化物半导体材料表面出现的尖峰和毛刺，降低III族氮化物半导体材料表面平整度；最后采用去离子水反复清洗III族氮化物半导体材料表面残留的氨水溶液。
2.根据权利要求1所述的III族氮化物半导体材料干法刻蚀后的表面处理方法，其特征在于，所述III族氮化物半导体材料包括但不限于GaN、AlN、AlGaN、InAIN、InGaN或AlInGaN。
3.根据权利要求1或2所述的III族氮化物半导体材料干法刻蚀后的表面处理方法，其特征在于，所述氨水溶液质量百分比浓度为1%?35%。
4.根据权利要求3所述的III族氮化物半导体材料干法刻蚀后的表面处理方法，其特征在于，所述氨水溶液温度为20?85°C，浸泡III族氮化物半导体材料的时间为I?15分钟。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的III族氮化物半导体材料干法刻蚀后的表面处理方法，其特征在于，对干法刻蚀后的III族氮化物半导体材料进行清洗时，先顺序采用丙酮和乙醇超声清洗，然后去离子水清洗，最后用氮气吹干。
6.根据权利要求5所述的III族氮化物半导体材料干法刻蚀后的表面处理方法，其特征在于，所述丙酮和乙醇超声清洗时，采用纯度为99%?100%的MOS级丙酮，丙酮温度为20?85°C，丙酮超声清洗时间为I?15分钟。
7.根据权利要求5所述的III族氮化物半导体材料干法刻蚀后的表面处理方法，其特征在于，所述丙酮和乙醇超声清洗时，采用纯度为99%?100%的MOS级乙醇，乙醇温度为20?85°C，丙酮超声清洗时间为I?15分钟。
【文档编号】H01L21/02GK104201110SQ201410455273
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月9日 优先权日:2014年9月9日
【发明者】周琦, 鲍旭, 汪玲, 牟靖宇, 施媛媛, 章晋汉, 靳旸, 陈万军, 张波 申请人:电子科技大学