半导体产业网获悉：近日，湖北九峰山实验室工艺中心柳俊教授、向诗力教授团队，联合伊比利亚纳米国际实验室尹红教授与松山湖材料实验室访问研究员余志鹏教授，在8寸wafer上成功制造出了世界上首个基于该技术的Lg = 85 nm的T-gate结构，其制造良率＞90 %，将为6/8寸GaN HEMT器件的工艺开发开辟一条新的途径，助力GaN RF器件高能效、低成本制造。 湖北九峰山实验室作为第一单位，相关成果以“Photoresist systems in floating T-gate fabrication for GaN high electron mobility transistors”为题发表在《Nano Materials Science 》期刊(IF=12.6)： (DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoms.2024.09.006)。
由于在毫米波雷达、无线通信、汽车辅助驾驶技术、5G基站等方面的广泛应用，高频电子设备仍处于方兴未艾的状态。自1993年Khan等人开发出世界上第一个AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）器件以来，基于GaN的HEMT已成为高频和高功率应用的焦点。为使其在毫米波/太赫兹频段得到快速发展应用，纳米级T形栅的开发成为GaN HEMT器件的制造关键（图1）。为此需要现代纳米光刻技术如电子束光刻（EBL）的支撑，但EBL制造效率极低，无法匹配大规模量产制造，同时其工艺制造良率底，成本高。此外，高端EBL设备当前对国内禁售，使得国内半导体芯片在先进制程领域的开发逐步滞后。
图1. T-gate结构的高精密微纳制造为GaN HEMT器件广泛应用最为关键的一环。
该研究团队依托九峰山实验室现有中低端i-line/KrF光刻平台，以自研超分辨先进光刻技术（SRL），在8寸wafer上成功制造出了世界上首个基于该技术的Lg = 85 nm的T-gate结构，其制造良率＞90 %（图2）。同时，通过工艺制造成本核算，其制造成本仅为传统EBL制造成本的1/10不到。其将为6/8寸GaN HEMT器件的工艺开发开辟一条新的途径，并有助于推动降低该类器件整体的半导体制造成本。
图2. 依托极限分辨率仅150 nm的KrF光刻机，湖北九峰山实验室成功制造出世界上第一个基于SRL技术的Lg = 85 nm的T-gate。
同时，该团队基于前期研究基础，进一步全自研开发刻蚀辅助的光刻剥离技术（EALS），该技术通过刻蚀工艺，对前层光刻胶进行改性优化处理，可在三层光刻胶体系中实现三维结构的开发制造（图3），最终实现一台价值高达几千万的EBL设备才可能完成的制造任务。依托该技术，项目团队在8寸wafer上成功制造出了半浮空、浮空的T-gate结构（图3），进一步提升了该技术在GaN HEMT器件制造中的重要性。值得注意的是，该文章中开发的半浮空T-gate结构是匹配半导体量产制造的首次报道。
图3. 联合SRL/EALS技术在三层胶体系中开发三维结构，助力RF器件中半浮空/浮空T-gate结构的开发。
该团队进行广泛调研，从bilayer到trilayer技术体系，从两步法到三步法电子束光刻，以及时下正处于研究阶段的灰度电子束光刻技术，针对T形栅结构开发应用研究中各项技术参数，进行充分对比，结果表明超分辨先进光刻技术、刻蚀辅助的光刻剥离技术的应用优势，同时该技术体系已逐步释放到湖北九峰山实验室的成熟工艺线上，应用于部分客户的产品开发代工。
项目由欧盟“玛丽居里”行动、国家自然科学基金、973计划、湖北省自然科学基金共同资助，论文第一作者为湖北九峰山实验室工艺中心主任工程师向诗力，通讯作者为湖北九峰山实验室工艺中心柳俊教授，伊比利亚纳米国际实验室尹红教授和余志鹏教授。
作者简介：
向诗力教授，2021年毕业于华中科技大学武汉光电国家实验室，获理学博士学位。在Nano energy、Chemical Engineering Journal、Chem. Mater.与Nano Materials Science等国际TOP期刊上发表论文20余篇，受邀为American Journal of Chemical Engineering期刊编委，曾获“3551光谷优秀青年人才”称号。2022年加入湖北九峰山实验室，目前主要负责RF器件、MEMS器件与半导体先进光刻制造的前端研发。
柳俊教授，2014年毕业于香港城市大学，获理学博士学位。曾先后获湖北省“百人计划”，“3551光谷”，深圳市“海外高层人才孔雀计划”，深圳市龙岗区 “龙岗区高层次人才” 等人才称号。于2021年加入湖北九峰山实验室，任工艺中心总经理。在Nanomaterials、ACS APM、Nano Materials Science和Solid-State Electronics等国际知名期刊上发表多篇论文。目前主要负责化合物半导体的制造、加工和表征。
尹红教授，2017年毕业于华中科技大学，获电子科学与技术专业博士学位。曾主持多项国家自然科学基金项目，并承担欧盟“玛丽居里”行动。目前是伊比利亚纳米国际实验室研究员，其研究成果已在Advanced Science、Advanced Energy Materials、Nano Energy等TOP期刊上发表论文50多篇，目前专注于纳米复合材料、光电器件等领域的应用研究。
余志鹏教授， 2022年毕业于葡萄牙波尔图大学，获理学博士学位，导师为Joaquim L. Faria教授和大千人刘立峰教授。现为伊比利亚国际纳米实验室研究员，同时为东莞松山湖材料实验室访问研究员。目前专注于先进材料的开发及其在电化学能量转换领域的应用研究。