两步法氮化硅层刻蚀技术实现的高效亚100 nm栅长氮化镓高电子迁移率晶体管

《Micromachines》：High-Efficiency Sub-100 nm Gate GaN HEMTs Enabled by Two-Step SiNx Layer Etching Technique

　　

研究人员提出了一种面向毫米波（mmW）频段应用、采用缩放栅长（Lg）的高效率薄势垒氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）。该工作采用两步刻蚀工艺，其中二次刻蚀（SE）步骤使用无氩（Ar-free）刻蚀。在栅脚区域部分刻蚀氮化硅（SiN）钝化层后，Lg可稳定控制在<100 nm，氮化铝镓（AlGaN）势垒层均方根（rms）粗糙度为0.248 nm，迁移率退化被有效抑制。所制备器件实现最大漏极电流密度（IDS.max）1644.2 mA/mm、峰值跨导（gm.max）764.1 mS/mm、电流崩塌比4.7%；在漏源电压（Vds）8 V下获得电流增益截止频率（fT）105.4 GHz与最大振荡频率（fMAX）154.4 GHz；在30 GHz连续波下饱和输出功率密度（Psat）4.4 W/mm、最大功率附加效率（PAEmax）66.0%，相较含Ar刻蚀器件分别提升15.7%与5.3%，证明了无Ar刻蚀方案的优越性。

研究背景方面，氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）凭借高二维电子气（2DEG）浓度、高电子饱和速度与高击穿场强，广泛用于射频功率放大器（RF PA）。随着射频系统向毫米波（mmW）推进，栅长（L_g）与势垒厚度持续微缩，薄势垒下2DEG更近表面，对刻蚀损伤更敏感。常规含氩（Ar）氟基刻蚀虽增强各向异性，但物理轰击引入势垒表面损伤、增大均方根粗糙度、加剧界面散射致迁移率下降与漏电上升；单步刻蚀难以兼顾低损伤与抑制横向扩展（L_E）。为此，研究人员在《Micromachines》发表该文，提出主刻蚀（PE）+无Ar二次刻蚀（WOA-SE）的两步法，以实现亚100 nm L_g并抑制薄AlGaN势垒损伤。

主要关键技术方法上，研究人员采用电子束光刻（EBL）定义栅脚图形，氟基电感耦合等离子体（ICP）干法刻蚀SiN钝化层：PE步用CF₄/Ar（80/20 sccm）、ICP 1000 W、RF 150 W、速率7.69 nm/s去除100 nm；SE步WOA-SE仅用CF₄ 50 sccm、ICP 250 W、RF 40 W、速率0.51 nm/s去除剩余20 nm，对照WA-SE保留Ar。通过聚焦离子束（FIB）看剖面、原子力显微镜（AFM）测5×5 μm²均方根粗糙度、电容-电压（CV）提取场效应迁移率、临界尺寸扫描电镜（CD-SEM）统计L_E与L_g、多晶圆多位置验证重复性；器件端在SiC衬底MOCVD生长12 nm Al_0.25Ga_0.75N/SiC材料，做欧姆接触再生长n⁺-GaN、PECVD沉积120 nm SiN、Cl基刻蚀开欧姆区，最终制T栅（脚<100 nm、头400 nm、源漏距L_SD 2 μm）。

研究结果部分，按原文小节归纳如下。

两步刻蚀原理：氟基CF₄解离出F自由基化学刻蚀Si₃N₄生成SiF₄，CF₃⁺起物理轰击；PE高功率高速定形，SE降功率降速清残层，把各向异性与低损伤拆分到两步。

两种刻蚀方法对比：FIB显示WA-SE与WOA-SE栅槽侧墙均近垂直、L_g均<100 nm；AFM表明WOA-SE均方根粗糙度0.248 nm，仅为WA-SE（2.475 nm）的1/10；CV提取场效应迁移率WOA-SE为1421.3 cm²/(V·s)，高于WA-SE的1190.2 cm²/(V·s)，证实去Ar削弱界面粗糙散射。

WOA-SE进一步研究：EBL做50 nm~1 μm槽，CD-SEM得L_E=L_g?L_litho，L_E随L_litho增而增但扩展比R_E=L_E/L_litho跨尺寸恒定，可预补偿；6片晶圆12区域统计L_E与L_g一致性好，工艺可重复。

器件制备：薄势垒Al_0.25Ga_0.75N（12 nm）/GaN on SiC，欧姆接触电阻R_c 0.121 Ω·mm，EBL+WOA-SE开栅脚后步进光刻做400 nm T栅头。

两器件特性对比：WOA-HEMT较WA-HEMT的I_DS.max 1644.2 vs 1479.9 mA/mm，g_m.max 764.1 vs 682.5 mS/mm，阈值电压V_th ?0.8 vs ?1.3 V，关态漏电3×10^?3 vs 5×10^?2 mA/mm，亚阈摆幅SS 170.9 vs 187.4 mV/dec，击穿电压V_BK 71 vs 53 V（提25%）；脉冲电流崩塌4.7% vs 22.4%；小信号f_T/f_MAX 105.4/154.4 vs 90.1/134.8 GHz（V_ds=8 V）；30 GHz负载牵引下V_DSQ=15 V时P_sat 4.4 vs 3.8 W/mm（提15.7%）、PAE_max 57.8% vs 52.1%（提10.7%），V_DSQ=10 V时P_sat 3.0 vs 2.8 W/mm、PAE_max 66.0% vs 62.7%，Ka波段对比文献具效率与功率密度优势。

讨论与结论翻译：研究人员所提高各向异性低损伤刻蚀法核心在SE步无Ar，使亚100 nm L_g稳定可控，薄AlGaN均方根粗糙度显著降至0.248 nm，抑制迁移率退化。制得的AlGaN/GaN HEMT获I_DS.max 1644.2 mA/mm、g_m.max 764.1 mS/mm、电流崩塌4.7%、f_T/f_MAX 105.4/154.4 GHz（V_ds 8 V）、30 GHz下P_sat 4.4 W/mm与PAE 66.0%，较含Ar刻蚀器件P_sat与PAE_max分别提升15.7%与5.3%。结果表明，基于无Ar低损伤刻蚀的AlGaN/GaN HEMT在射频功率放大器应用中具备显著潜力。