Способ сухого травления нитридных слоев Российский патент 2019 года по МПК H01L21/3065 

Область техники

Изобретение относится к способу низкоэнергетичного бездефектного травления нитридных слоев гетероструктур AlGaN/GaN и может быть использовано при изготовлении полупроводниковых приборов с высокой степенью интеграции.

Уровень техники

Из предшествующего уровня техники известен способ ЕР 1120483 А2 травления материала GaN в электролите, где пластина с гетероструктурой на основе GaN является анодом. При необходимом смещении между анодом и катодом индуцируется травление материала, равномерность процесса травления обеспечивается необходимым уровнем УФ-излучения. Данный процесс зависит от большого количества цараметров, и плохо воспроизводим, так как необходимо поддерживать состав электролита, смещения между электродами и уровень УФ-излучения.

Известен способ US 20050236365 А1 сухого травления слоев нитрида галлия в две стадии, первое плазменное травление обеспечивает удаление основной толщины удаляемого слоя с большими энергиями, второе плазменное травлении оставшейся части удаляемого материала с более низкой энергией, чем у первого плазменного травления. Такое травление обеспечивает высокую анизотропию, низкий уровень загрязнения, высокую селективности и малое дефектообразование. Недостатком данного способа является использование плазменного травления с низкой энергией ионов, которые все равно приводят к возникновению радиационных дефектов, что влияет на подвижность основных носителей заряда в полупроводнике, процесс сложно контролируемый при работе с тонкими нитридными слоями, необходимо использовать стоп-слои или точно контролировать и воспроизводить скорость плазменного травления нитридных слоев.

Известен способ (A. Chakroun, A. Jaouad, М. Bouchilaoun, О. Arenas, A. Soltani, Н. Maher. Normally-off AlGaN/GaN MOS-HEMT using ultra-thin Al_0.45Ga_0.55N barrier layer. Phys. Status Solidi A, 1600836 (2017)) травления барьерного слоя без внесения дефектов заключающийся в окислении барьерного слое в среде кислорода с последующим снятием окисла в растворе НСl:Н₂О=1:10. Данный способ обеспечивает маленькую скорость травления AlGaN, порядка 5 ангстрем в секунду за цикл окисление-снятие окисла, и позволяет работать с маленькими толщинами барьерного слоя. К недостаткам данного метода можно отнести отсутствие возможности автоматизации процесса циклического травления из-за использования разных установок для обеспечения процесса травления и низкая скорость травления барьерных слоев AlGaN.

Известен способ (US 8124505 В1), принятый за прототип, двухступенчатого плазменного травления барьерного слоя для формирования подзатворного заглубления (рецесса). На первом этапе метода используется кислород для окисления поверхности барьерного слоя с высокочастотной мощностью 50 Вт. Затем на второй стадии используется трихлорид бора для удаления окисленного слоя в режиме реактивного ионного травления с высокочастотной мощностью 15 Вт. Недостатком метода является использование режима реактивного ионного травления, что может приводить к образованию радиационных дефектов и как следует из статьи авторов способа [S.D. Burnham, K. Boutros, P. Hashimoto, С. Butler, D. W.S. Wong, М. Нu, and М. Micovic. Gate-recessed normally-off GaN-on-Si HEMT using a new O2-BCl3 digital etching technique. Phys. Status Solidi С 7, No. 7-8, 2010-2012 (2010)], при увеличении времени травления в трихлориде бора увеличивается снимаемая толщина AlGaN, что свидетельствует о травлении не только окислов, но и самого AlGaN.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом изобретения является автоматизированное бездефектное травление барьерное слоя AlGaN нитридной структуры за счет циклического окисления AlGaN и селективного удаления этих окисленных слоев в одной установке с источником индуктивно связанной плазмы.

Технический результат достигается за счет того, что для окисления барьерного слоя AlGaN и травления его окислов используется источник индуктивно связанной плазмы (ИСП), позволяющий получить высокую концентрация электронов и ионов в реакторе во время плазмохимических процессов, что обеспечивает высокую скорость и качество травления. Индукционная катушка находится вне рабочей камеры, поэтому она не взаимодействует с плазмой, не разрушается агрессивными компонентами плазмы и не загрязняет плазму продуктами этого воздействия. За счет использования источника ИСП значительно снижается энергия заряженных частиц, взаимодействующих с поверхностью гетероструктуры, что позволяет избежать возникновения радиационных дефектов структуры. На фиг. 1 показано как уменьшается смещение на высокочастотном (ВЧ) электроде при одновременном использование с ИСП. Кривые на фиг. 1 представлены производителем установки в инертной среде аргона. За счет зацикливания процесса окисления и травления окислов происходить послойное травления слоев гетероструктуры. При этом используется одна установка, позволяющая проводить эти процессы в автоматическом режиме.

Для процессов окисления и травления AlGaN необходимо сформировать маску, в качестве маски используется диэлектрическая пленка (Si₃N₄ либо SiO₂), для защиты участков нитридной структуры от воздействия плазмы высокой плотности. В диэлектрической пленке формируются окна травления барьерного слоя через резистивную маску, за счет удаления во фторной среде пленки диэлектрика в незащищенных резистом местах.

Использование комбинированного травления ВЧ с ИСП необходимо для удаления паразитных пленок В_xСl_у на поверхности структуры при минимальном значении смещения на ВЧ электроде. Смещение на ВЧ электроде определяет энергию заряженных частиц в плазме. При смещении 25 В на ВЧ электроде обеспечивается селективное удаление окислов AlGaN без травления слоев AlGaN, что обеспечивает воспроизводимость и контролируемость процесса циклического травления, и подтверждено экспериментом с длительной обработкой AlGaN в трихлориде бора с последующим подтверждением отсутствия ступеньки.

Использование предложенного метода предполагается при создании транзистора на гетероструктуре AlGaN/GaN со смещенным положением рабочей точки по затвору вплоть до нормально-закрытого режима работы за счет заглубления барьерного слоя AlGaN в подзатворной области.

Осуществление изобретения

На пластину с гетероструктурой AlGaN/GaN со сформированной приборной изоляцией и омическими контактами наносится слоя нитрида кремния (Si₃N₄) толщиной 100 нм плазмохимическим методом в смеси N₂+SiH₄ при температуре 250°С. После осаждения диэлектрика на пластину наносится электронный резист, в резисте экспонируются и проявляются щели, через которые плазмохимическим травлением в индуктивно связанной плазме в среде SF₆+O₂ удаляется диэлектрический слой до барьерного слоя AlGaN. После травления происходит снятие электронного резиста в ацетоне и изопропиловом спирте. Таким образом, формируется маска на гетероструктуре AlGaN/GaN со сформированными омическими контактами для двухстадийного травления слоя AlGaN. После формирования маски гетероструктура AlGaN/GaN подвергается циклическому двухстадийному травлению в установке с источником индуктивно связанной плазмы. Первоначально происходит обработка пластины с диэлектрической маской в среде кислорода (О₂) при давлении в реакторе 10 Па, мощностью ИСП 600 Вт и мощностью ВЧ 15 Вт в течение 15 секунд, при этом смещении на ВЧ электроде составляло 25 В. После окисления в том же реакторе происходит удаления окислов в среде трихлорида бора (ВCl₃) при давлении 1 Па, с мощность ИСП 100 Вт и мощность ВЧ 10 Вт в течение 45 секунд, при этом смещение на ВЧ электроде было 23-25 В. За один такой цикл удаляется слоя AlGaN толщиной 1,5 нм. Выбираем необходимое количество циклов для уменьшения толщины барьерного слоя до нужной толщины и двухстадийно травим AlGaN. После травления жидкостным химическим травлением снимается защитная диэлектрическая маска в буферном растворе и наносится тонкий подзатворный диэлектрик Al₂O₃ толщиной 5 нм методом атомного слоевого осаждения. После осаждения Al₂O₃ формируется профиль затворной металлизации в системе электронных резистов путем экспонирования с последующим проявлением, очисткой дна проявленных областей в кислородной плазме и нанесением в вакууме затворной металлизации Ni/Au. На фиг. 2 схематически показан полевой транзистор с подзатворным заглублением, изготовленный с использованием предложенного способа. Где барьерный слой (1), расположенный на слое GaN (2), образуя двумерный электронный газ (3). Полевой транзистор имеет сформированные, с использованием вакуумного напыления металлов, омические контакты (4) и затвор Шоттки (5). Перед напылением затвора Шоттки происходит травление барьерного слоя (1) предложенным способом и пассивация тонким слоем Аl₂O₃ (6).

Для демонстрации предложенного способа травления изготовлены полевые транзисторы на гетероструктуре AlGaN/GaN с подзатворным заглублением с тремя и пятью циклами травления барьерного слоя. На фиг. 3 и 4 представлены вольтамперные характеристики полученных транзисторов, демонстрирующие смещение максимума крутизны в сторону положительных значений напряжения на затворе, вплоть до нормально-закрытого транзистора.

Таким образом, используя предложенный способ травления барьерного слоя можно уменьшать толщину барьерного слоя до величины необходимой для реализации заданного рабочего смещения на затворе полевого транзистора без внесения дефектов подзатворную область.

Изобретение относится к способу низкоэнергетичного бездефектного травления нитридных слоев гетероструктур AlGaN/GaN и может быть использовано при изготовлении полупроводниковых приборов с высокой степенью интеграции. Используя данный способ травления барьерного слоя, можно уменьшать толщину барьерного слоя до величины, необходимой для реализации заданного рабочего смещения на затворе полевого транзистора без внесения дефектов в подзатворную область. Для окисления барьерного слоя AlGaN и селективного удаления его окислов используют один и тот же реактор плазмохимической установки с источником индуктивно связанной плазмы. 4 ил.

Способ сухого травления нитридных слоев, включающий циклическое плазмохимическое окисление барьерного слоя гетероструктуры AlGaN и последующее плазмохимическое удаление окисла в трихлориде бора, отличающийся тем, что для окисления барьерного слоя AlGaN и селективного удаления его окислов используется один и тот же реактор плазмохимической установки с источником индуктивно связанной плазмы.