电子束光刻制作T型栅中光刻胶的选择

概述

化合物半导体材料(如: GaAs、GaN )具有许多优良的特性,如高临界击穿电场、高电子迁移率、高二维电子气浓度和良好的高温工作能力等。基于化合物半导体的高电子迁移率晶体管(HEMT)、异质结构场效应晶体管(HFET)等器件已经得到了广泛应用,尤其在射频、微波等需要大功率和高频率的领域具有明显优势。

在化合物半导体射频功率器件的制作工艺中,栅电极的制作是关进工艺步骤。目前,在深亚微米化合物半导体器件制作中,一般采用电子束光刻和多层胶的方法制作T型栅(T-gate)。T型栅是指截面形状呈现蘑菇型的T状栅电极,这样其下部接触半导体表面的栅根很窄,从而可以提高器件的截至频率,而上部的栅帽很宽,可以降低栅极的电阻。我们这里主要介绍我了解的利用多层电子束胶多层胶在电子束光刻下制作T型栅。

三层胶方案

这是T-gate制作过程中比较常见的光刻胶搭配方案,主要是利用三种不同灵敏度的电子束光刻胶在曝光后显影出的不同宽度实现T型栅的形态,常见的三层胶方案可以有以下几种光刻胶选择:

(1)PMMA(顶层) + Copolymer(中层) + PMMA(底层)

其灵敏度分别中-高-低,其中下层胶首选选择灵敏度最低的950K的PMMA,并且其厚度即为栅足的高度值,上层PMMA可以选择灵敏度高的型号,其相对分子可以为600K或者更低相对分子质量的PMMA,其厚度没有严格意义上的限制,但是需要注意,这层胶的厚度太厚会导致整体的灵敏度降低,但是如果这层胶太薄,在后续的金属化过程中极容易由于温度的原因导致变性坍塌。中层我们可以选择MMA与MA的聚合物这种类型的电子束正胶具有非常高的灵敏度(数倍于PMMA)因此可以在曝光显影后获得较宽的结构,这层胶的厚度应该为这个栅高度的1.25倍以上即可完成剥离。整个加工过程及其结构实图如下示意图1所示:

图1 T-gate制作三层胶方案1及其显影后结构图

(2)CSAR 62(顶层)+ Copolymer(中层) + PMMA(底层)

与上述方案类似,其灵敏度分别中-高-低,其中下层胶首选选择灵敏度最低的950K的PMMA,并且其厚度即为栅足的高度值,上层胶可以选择灵敏度略高,分辨率很高CSAR62,其厚度没有严格意义上的限制,但是需要注意,这层胶的厚度太厚会导致整体的灵敏度降低,但是如果这层胶太薄,在后续的金属化过程中极容易由于温度的原因导致变性坍塌。中层我们可以选择MMA与MA的聚合物这种类型的电子束正胶具有非常高的灵敏度(数倍于PMMA)因此可以在曝光显影后获得较宽的结构,这层胶的厚度应该为这个栅高度的1.25倍以上即可完成剥离。相比于方案一,这种方案中采用不同剂量搭配,再使用两步法显影,既能保证栅足的尺寸,又能保证栅帽的充分显影。如下示意图2所示:

图2 T-gate制作三层胶方案2
图3 显影后光刻胶形态及lift-off后的T型栅实图

(3) PMMA( 顶层 )+LOR( 中层 )+PMMA(底层)

与前面两种方案类似,只是在中间层的选择上选用了LOR胶,利用上层叫曝光显影后开出窗口,再使用TMAH显影液去显影LOR胶胶,获得想要的线宽,而且这个线宽会随着显影液的碱当量浓度和显影时间的延长而变宽。获得上两层胶的结构后再次曝光底层PMMA胶获得想要的栅足线宽。相比于前前两种方案,这种方案的栅帽度可控性不佳。如下图4所示。

图4 T-gate制作三层胶方案3

双层胶方案

三层胶方案虽然能获得形态比较完美的T型栅,但是其工艺过程中需要使用三层胶,涂胶和显影过程都变得复杂,从而产生缺陷的可能性以及成本上都会大增加,因而更为简洁的双层胶方案在生产过程中更受关注。下面我们来介绍一下双层胶方案的光刻胶搭配。

Copolymer(顶层) + PMMA(底层)

这种方案的灵敏度搭配是高-低,在曝光时,一次曝光即可完成双层胶的曝光,显影时可以使用一次一种显影液一步显影获得结构,也可以使用两种显影液两步显影更好的获得想要的轮廓线。这里需要注意,底层PMMA的厚度就是栅足的高度,但是顶层胶的厚度需要是整个T型栅高度的三倍,从而保证在lift-off过程中能够顺利进行。其过程如下图5所示:

图5 T-gate加工双层胶方案

综上所述,每种方案都有自己的优缺点,我们可以根据自己的实际情况选择合适的方案,但是这里有几点需要我们注意的地方是:①由于T-gate工艺中金属厚度较厚,金属化时间长,在一些电子束蒸发或者热蒸发设备中很容易由于温度导致光刻胶变形,从而导致难以剥离。这种情况下可以考虑使用间隙镀膜或者镀膜时选配辅助降温手段来控制;②III-V族材料的衬底与光刻胶的粘附性不如Si衬底,所以建议在涂胶做好增附处理,以免曝光显影后出现缺陷(应力集中导致裂纹产生);③III-V族材料的导电性一般,而这种工艺下的光刻胶厚度一般都比较厚,建议在各种方案中都旋涂导电聚合物作为导电层,从而避免由于荷电效应导致的线条弯曲等缺陷。

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