面向AlGaN/GaN HEMT器件性能提升的低损伤定量混合循环刻蚀技术研究

《IEEE Journal of the Electron Devices Society》：Enhanced Low-Damage Quantitative Hybrid Cyclic Etching for AlGaN/GaN Heteroepitaxy: Process Optimization and Device Performance Improvement

本刊推荐：为解决GaN基器件制造中传统干法/湿法刻蚀技术存在的等离子体损伤大、可控性差等关键问题，研究人员开展了面向AlGaN/GaN异质结的低损伤定量混合循环刻蚀技术研究。该技术通过氧等离子体氧化与HCl湿法刻蚀的循环组合，实现了原子级精度的刻蚀控制，使HEMT器件的接触电阻显著降低至0.76 Ω·mm，同时获得0.228 nm的超低表面粗糙度。这项技术为高性能氮化镓器件的制造提供了可靠的表面处理方案。

　　

随着5G/6G通信、大规模计算和人工智能等先进技术的快速发展，消费电子领域对高功率、高频率和高电压的功率电子器件需求激增。氮化镓（GaN）作为第三代半导体材料的代表，在功率密度、击穿电压和电子饱和漂移速度方面均优于传统的硅（Si）和碳化硅（SiC），成为射频（RF）和功率电子领域的理想材料。其中，AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）因其高二维电子气（2DEG）密度，在毫米波应用中尤为关键。

然而，GaN基器件性能的一个关键决定因素是欧姆接触的质量。金属-半导体界面的表面粗糙度直接影响接触电阻。过度的粗糙度会诱发空洞和寄生效应，增加漏电流并降低器件可靠性。因此，开发在保证精度的同时能最小化表面损伤的刻蚀技术至关重要。传统的干法刻蚀方法（如反应离子刻蚀（RIE）、电感耦合等离子体-反应离子刻蚀（ICP-RIE）等）存在等离子体诱导损伤、成本高和产生有毒副产物等问题；而传统的湿法刻蚀则缺乏可控性和均匀性。数字刻蚀技术通过交替进行等离子体氧化和湿法氧化物去除来减轻损伤，但需要昂贵的设备或长时间的高温工艺。

在此背景下，发表在《IEEE Journal of the Electron Devices Society》上的这项研究，提出了一种增强型的低损伤定量混合循环刻蚀方法，旨在为AlGaN/GaN异质外延结构提供一种高精度、低损伤的表面处理解决方案。

本研究主要采用了以下几种关键技术方法：研究基于金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长的AlGaN/GaN异质结构外延片。关键技术包括：采用低压化学气相沉积（LPCVD）制备SiN刻蚀掩膜，并通过反应离子刻蚀（RIE）进行图形化；核心的混合循环刻蚀技术，即利用March AP-1000系统进行氧等离子体氧化，随后用HCl溶液（HCl:H₂O=1:10）去除氧化层，此循环重复进行以实现定量刻蚀；利用原子力显微镜（AFM）对刻蚀深度、表面粗糙度和均匀性进行精确表征；通过传输线模型（TLM）测试评估不同刻蚀及后处理工艺对AlGaN/GaN HEMT器件欧姆接触电阻（R_c）和薄层电阻（R_sh）的影响；最终制备出AlGaN/GaN-Si MIS-HEMT器件并测试其直流特性（如阈值电压V_th、饱和漏电流密度J_ds等）。

II. 实验设计与分析

A. 外延结构与预处理

研究所用的AlGaN/GaN异质结构包含Al(Ga)N缓冲层、GaN外延层、GaN沟道、AlN插入层、AlGaN势垒层和GaN覆盖层。选择SiN作为混合循环刻蚀的掩膜层。预处理流程包括晶圆清洗、LPCVD沉积SiN掩膜、光刻以及使用RIE进行掩膜图形化。RIE过程包含一定的过刻蚀，以确保SiN掩膜的完全和均匀去除。

B. 混合循环刻蚀工艺

实验采用March AP-1000系统进行氧等离子体处理，形成Ga₂O₃层，随后用HCl溶液湿法刻蚀去除。氧等离子体氧化过程是自限制的，可实现原子级精度的刻蚀。刻蚀速率主要取决于氧化层的厚度。实验研究了不同氧等离子体功率（60 W, 100 W, 200 W）和沟槽宽度对刻蚀的影响。

C. 刻蚀速率分析

通过AFM测试分析了不同样品的刻蚀速率。研究发现，刻蚀过程分为两个阶段：刻蚀AlGaN势垒层时速率较慢（约1.06 nm/cycle），而刻蚀其下的GaN层时速率较快（约1.40 nm/cycle）。这归因于Al₂O₃薄膜更致密，对下层未刻蚀外延层有保护作用。提高氧等离子体功率会导致更厚的氧化层，从而增加刻蚀速率。沟槽宽度对刻蚀速率影响不大。

D. 刻蚀表面粗糙度分析

表面粗糙度随等离子体功率的增加而增加。在60 W和100 W的较低功率下，刻蚀表面的粗糙度甚至低于原始样品表面。这表明所提出的方法在特定条件下能有效平滑样品表面，可作为ICP或RIE等干法刻蚀的后处理工艺，修复损伤并改善表面光滑度。

E. 刻蚀深度一致性分析

对两片2英寸外延片（#4-1和#4-2）进行刻蚀一致性评估。晶圆内均匀性（Within-Wafer Uniformity）分别为4.25%和4.66%。正态统计分析表明，刻蚀深度数据近似服从正态分布，平均值分别为19.99 nm和20.38 nm，标准偏差较小。晶圆间均匀性（Wafer-to-Wafer Uniformity）为1.87%。Bland-Altman分析进一步证实了晶圆间良好的一致性。

III. 不同刻蚀方法的比较

将提出的方法与ICP干法刻蚀和KOH湿法刻蚀进行了比较。AFM测试结果表明，提出的氧等离子体氧化结合HCl刻蚀的方法（#4-2）获得了最低的表面粗糙度（R_q=0.228 nm, R_a=0.183 nm），优于ICP刻蚀（R_q=0.601 nm, R_a=0.402 nm）和KOH刻蚀（R_q=0.296 nm, R_a=0.203 nm）。虽然所提方法的刻蚀速率（0.45 nm/cycle）相对较慢，但其具有低损伤、高精度、设备成本相对较低等优点，特别适用于要求小刻蚀深度和高刻蚀精度的应用，或作为干法刻蚀的后处理工艺以修复损伤。

IV. 应用

将混合循环刻蚀技术应用于AlGaN/GaN HEMT器件的欧姆接触形成工艺。通过TLM测试比较了不同表面处理工艺下的接触电阻（R_c）和薄层电阻（R_sh）。结果表明，与传统工艺（#8-1, R_c=2.885 Ω·mm）或仅使用ICP刻蚀（#8-4, R_c=1.877 Ω·mm）相比，在ICP刻蚀后施加混合循环刻蚀作为后处理（#8-5）能显著降低接触电阻至0.76 Ω·mm，同时薄层电阻也降低至267.42 Ω/sq。这证实了该技术修复ICP引起的损伤、改善表面质量的能力。

基于优化的欧姆接触工艺（包括NLD刻蚀SiN、ICP刻蚀4分钟、混合循环刻蚀后处理以及875°C退火），制备了AlGaN/GaN-Si MIS-HEMT器件。器件表现出良好的直流特性：阈值电压（V_th）为-6.5 V，在V_gs=0 V时的饱和漏电流密度（J_ds）高达880.55 mA/mm，膝点电压（Knee Voltage）约为4 V。测得的导通电阻（R_on）约为3.62 Ω·mm，虽高于理论值，但考虑到自热效应和工艺变化，该性能仍证明了混合刻蚀方法在制备高质量欧姆接触方面的有效性。

V. 结论与讨论

本研究成功开发并验证了一种用于AlGaN/GaN异质外延结构的增强型低损伤定量混合循环刻蚀技术。该技术能保持约0.228 nm的极低表面粗糙度和约0.45 nm/cycle的精确刻蚀速率，并具有优异的晶圆内（≤4.66%）和晶圆间（1.87%）均匀性。其核心价值在于作为AlGaN/GaN HEMT制造中欧姆接触金属沉积前的表面处理步骤，能显著改善欧姆接触特性，将接触电阻降低至0.76 Ω·mm。该方法还能有效修复干法刻蚀引起的表面损伤，降低表面粗糙度，从而提升器件性能。制备的器件展示了优异的阈值电压、饱和漏电流密度和膝点电压。

尽管该方法的刻蚀速率相对较慢，限制了其在深刻蚀应用中的适用性，但其在最小化损伤和改善表面质量方面的独特优势使其具有很高的价值。这项技术的多功能性使其不仅适用于欧姆接触刻蚀，同样适用于凹槽栅刻蚀以及作为干法刻蚀后的后处理以修复表面损伤。这使其成为实现高性能GaN器件所需低粗糙度刻蚀表面的一个有前景的解决方案，在半导体行业具有广阔的应用前景。未来的工作可集中于优化工艺参数，在保持低损伤和高一致性的同时提高刻蚀速率。