GaAs襯底制備40nmT型柵工藝

劉 帆，苑進(jìn)社，時文華

(1.重慶師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，重慶 400047;2.中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所，蘇州 215123)

GaAs/AlGaAs異質(zhì)結(jié)高電子遷移率晶體管(HEMT)作為新型化合物半導(dǎo)體器件，由于其卓越的電子輸運(yùn)特性，所以具有高頻、高速和低噪聲等優(yōu)點。為了獲得高增益、低噪聲和高速的HEMT器件，關(guān)鍵要求是縮小柵長，然而器件柵長的縮小又增大了柵電阻，影響器件高頻性能的改善，因此必需在縮小器件柵長的同時獲得比較低的柵電阻。T型柵已制備成為用于高頻HEMT器件中的主流技術(shù)。T型柵的窄小柵腳提供了晶體管的高頻特性，并且使其在毫米波頻率范圍內(nèi)低噪聲操作，而寬大的柵帽則減小了柵電阻［1－2］。

目前，在國際范圍內(nèi)有多種制備T型柵的方法，主要有電子束三層膠工藝［3］、SiN鈍化層方法［4］和用三層膠工藝X射線光刻法等［5］。以上方法大多采用三層膠技術(shù)，并且得到的柵長均在100 nm以上［6－8］。三層膠技術(shù)在工藝上比較繁瑣，且為了防止膠與膠之間的混層現(xiàn)象還需要多次烘烤，并需要多次顯影得到T型圖［9］。

本文利用電子束曝光技術(shù)和雙層膠工藝制備40 nm柵長T型柵。這種方法不僅簡化了制備工藝，而且使工藝過程中勻膠次數(shù)和難度得到降低，僅需要1次光刻1次顯影即可完成40 nm柵長的T型柵的制備。這對于研制GaAs基HEMT器件所需的T型柵具有獨特的優(yōu)勢。

1 工藝設(shè)計

電子束曝光技術(shù)是目前國際上公認(rèn)的高分辨率圖像制作技術(shù)，主要用于10 nm～1 μm的微納加工工藝。此設(shè)備使用電子束作為束源，對電子束光刻膠進(jìn)行曝光，使之發(fā)生交聚或者降解反應(yīng)，再經(jīng)過顯影，在光刻膠上制作納米結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點在于可以根據(jù)設(shè)計版圖，無需掩模版，利用電子束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，直接在光刻膠上制作高分辨率的納米圖形。

本實驗的膠層結(jié)構(gòu)是 PMMA/PMMA－MMA。具體采用 PMMA－A2 和 PMMA－MMA(8.5)(MAAEL6)。表1是PMMA/MMA光刻膠的厚度和勻膠速度關(guān)系［10］。由于本研究制備的T型柵柵高為270 nm，柵帽高度為200 nm，所以根據(jù)上述勻膠厚度和勻膠速度之間的關(guān)系確定選擇所需要的勻膠速度，實現(xiàn)對T型柵柵高、柵帽高度的控制。

表1 PMMA和MMA光刻膠的厚度和勻膠速度的關(guān)系

成功制作T型柵的關(guān)鍵是對顯影時間的控制。本實驗采用的是MIBK/IPA顯影液，得到的選擇比最好。濃度太高或太低會造成過量顯影或顯影不夠，導(dǎo)致線條變寬或變細(xì)。表2是顯影液對PMMA和PMMA－MMA的顯影速率比。由于2層光刻膠性質(zhì)的不同，顯影液的顯影速率也不相同，從而使2層光刻膠顯影的尺寸出現(xiàn)差別，最終實現(xiàn)后續(xù)金屬的蒸發(fā)剝離而形成T型柵結(jié)構(gòu)。

表2 MIBK:IPA對PMMA和MMA顯影速率比

實驗數(shù)據(jù)顯示，顯影液對 PMMA－A2和 PMMA－MMA(8.5)(MAA－EL6)的顯影選擇比不同，成功實現(xiàn)了通過1次曝光1次顯影形成T型柵結(jié)構(gòu)，而且可以通過對雙層光刻膠厚度的控制以及顯影時間的控制實現(xiàn)T型柵頂寬、底寬比例控制。

2 實驗和結(jié)果

工藝加工的目標(biāo)是在GaAs襯底上通過1次曝光1次顯影制作 T型柵。采用 PMMA－A2和PMMA－MMA(8.5)(MAA－EL6)光刻膠做掩膜，分別以4000 r/min和1000 r/min的速度勻膠，然后用烘箱進(jìn)行前烘，前烘的溫度均為108℃，時間分別為180 s和60 s。通過電子束曝光，得到掩膜圖形。束流采用100 pA。顯影液為MIBK∶IPA=1∶3的溶液，顯影時間為90 s。用電子束蒸發(fā)Ti/Au，厚度為20/100 nm。最后剝離金屬得到T型柵的金屬圖形。T型柵制作工藝流程如圖1所示。

通過掃描電子顯微鏡SEM觀察并測量T型柵的尺寸。圖1顯示不同模板設(shè)計工藝加工后得到的T型柵，柵底最小尺寸可達(dá)到40 nm左右，柵帽寬110 nm。雖然實驗的結(jié)果和前示意圖有一定差距，即柵帽比較“圓潤”，T型不是太明顯，這是因為MMA與PMMA混層現(xiàn)象存在，MMA擴(kuò)展不夠多，但初步剝離實現(xiàn)了T型柵條，而且金屬剝離很干凈，并且T型柵沒有倒塌。

3 結(jié)束語

對雙層膠工藝制作柵寬40 nm的T型柵技術(shù)進(jìn)行了研究。研究成功的雙層膠電子束光刻技術(shù)，只通過1次曝光1次顯影，在工藝上得到簡化，制備出40 nm柵線條，研究出一套具有較高可操作性和可控性的T型柵制作技術(shù)。

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