CN102315124A - 一种双凹槽场板结构氮化物高电子迁移率晶体管制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双凹槽场板结构氮化物高电子迁移率晶体管制造方法，通过光刻定义第一次凹槽的位置，刻蚀介质层、去除光刻胶、以第一层介质层为掩膜刻蚀势垒层后获得第一次凹槽，第二次凹槽通过淀积第二层介质层、大面积刻蚀去除第二层介质层、刻蚀势垒层获得，其中大面积刻蚀第二层介质层后在第一次凹槽上方留下介质侧墙。最后光刻定义栅电极及与其相连的场板位置，蒸发栅电极金属层，运用剥离的方法将光刻胶层及其上多余的金属层去除后得到双凹槽场板结构HEMT器件。本发明制造的器件结合传统凹槽场板结构HEMT采用介质侧墙有助于提高器件性能的优点，同时克服了介质侧墙下方势垒层过薄而可能分别在器件的源漏两端各引入一大电阻的缺点。

Description

一种双凹槽场板结构氮化物高电子迁移率晶体管制造方法

技术领域

本发明涉及一种半导体器件的制造方法，特别涉及一种凹槽栅场板结构铝镓氮化合物(AlGaN)/氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)的制造方法。

背景技术

固态化即采用半导体固态器件是微波功率放大器的发展趋势，采用半导体固态器件能够有效的减小诸如雷达等系统的体积，并提高可靠性。基于Si和GaAs等传统半导体的电子器件在输出功率密度、耐高温及抗辐射等方面都受到很大限制，因而需要寻找新型半导体材料来替代Si和GaAs等。GaN属于新型宽带隙半导体材料，基于它的AlGaN/GaN HEMT在输出功率密度、耐高温及抗辐射上与基于Si和GaAs的器件相比具有相当大的优势，因而AlGaN/GaN HEMT近年来成为国际上研究的热点。

从Khan等人公开第一只具有直流特性的AlGaN/GaN HEMT(Khan et al.Applied PhysicsLetters，vol.63，no.9，pp.1214-1215，1993.)和第一只具有微波特性的AlGaN/GaN HEMT(Khan et al.Applied Physics Letters，Vol.65，no.9，pp.1121-1123，Aug.1994.)以来，AlGaN/GaNHEMT器件性能特别是微波功率输出能力得到飞速提高。目前，公开的小尺寸AlGaN/GaNHEMT在X波段的输出功率密度可达30W/mm以上(Wu et al.IEEE Electron Device Lett.，Vol.25，No.3，pp.117-119，2004.)，甚至在毫米波段也能达到10W/mm以上(Palacios et al.IEEEElectron Device Lett.，Vol.26，No.11，pp.781-783，2005.)，AlGaN/GaN HEMT性能得到飞速提高的原因包括材料质量的提高和器件工艺的改进，特别是各种新器件结构的采用。

为提高器件性能，场板结构被应用到了AlGaN/GaN HEMT的制造中(Ando et al.IEEEElectron Device Lett.，Vol.24，No.5，pp.289-291，2003.)，场板结构将降低器件沟道中靠漏一侧的电场强度，从而能够提高器件击穿电压同时抑制器件的电流崩塌，电流崩塌是影响AlGaN/GaN微波功率性能发挥的一个重要原因。参照图1所示为一种常用的采用场板结构的AlGaN/GaN HEMT，该HEMT包括半绝缘SiC衬底101，在衬底上依次通过金属有机化合物化学气相淀积(MOCVD)或其他合适外延方法外延生长的AlN成核层102、GaN缓冲层103及势垒层104，在GaN缓冲层103和势垒层104界面靠近GaN缓冲层103形成二维电子气(2DEG)层105，源欧姆接触电极106以及漏欧姆接触电极107制作在势垒层104上，位于势垒层104上方带有场板结构栅电极109，以及位于源、漏欧姆接触电极之间的势垒层104上的钝化介质层108。

场板结构的引入提高了AlGaN/GaN HEMT的性能，但是不利的一面是增加了栅漏间的反馈电容，这将降低器件功率增益，为补偿场板引入导致的增益降低，日本NEC公司引入了凹槽栅来增大器件的跨导(Okamoto et al.IEEE Trans.Microw.Theory Tech.，Vol.52，No.11，pp.2536-2540.)，从而提高器件的增益，以弥补场板结构引入所带来的增益下降问题。图2所示为一种常用的采用了凹槽栅和场板结构的AlGaN/GaN HEMT，该HEMT包括半绝缘SiC衬底201，在衬底上依次通过金属有机化合物化学气相淀积(MOCVD)或其他合适外延方法外延生长的AlN成核层202、GaN缓冲层203及势垒层204，在GaN缓冲层203和势垒层204界面靠近GaN缓冲层203形成二维电子气(2DEG)层205，源欧姆接触电极206以及漏欧姆接触电极207制作在势垒层204上，带场板栅电极209位于在势垒层204上形成的凹槽上，并与凹槽的两侧壁相连，钝化介质层208位于源、漏欧姆接触电极之间的势垒层204上。

图2所示的器件中栅电极209直接与凹槽的两侧壁直接相接触，这样将在栅电极209和源电极206以及漏电极207之间的势垒层204表面形成一漏电通道，特别是与漏电极207之间的漏电通道将导致器件击穿电压的下降，为消除这一漏电通道，Shen等人在栅电极207和凹槽靠漏端侧壁之间引入了一介质侧墙(Shen et al.IEEE Electron Device Lett.，Vol.25，No.1，pp.7-9，2004.)，并有效降低了栅漏之间的漏电。Shen等人引入的介质侧墙必须通过蒸发的方法形成，对于介质侧墙的覆盖区域在工艺中很难做到精确控制。一种可变通的采用介质侧墙的AlGaN/GaN HEMT如图3所示，在栅电极与凹槽两侧壁间均采用介质侧墙，该HEMT包括半绝缘SiC衬底301，在衬底上依次通过金属有机化合物化学气相淀积(MOCVD)或其他合适外延方法外延生长的AlN成核层302、GaN缓冲层303及势垒层304，在GaN缓冲层303和势垒层304界面靠近GaN缓冲层303形成二维电子气(2DEG)层305，源欧姆接触电极306以及漏欧姆接触电极307制作在势垒层304上，带场板栅电极309位于在势垒层204上形成的凹槽上，介质侧墙310和311分别位于栅电极309与凹槽两侧壁与之间，钝化介质层308位于源、漏欧姆接触电极之间的势垒层304上。图3中器件的介质侧墙通过先淀积一层介质后用反应离子刻蚀(RIE)的方法形成(Palacios et al.International Electron Device Meeting，IEDM-2005，pp.99-100)，在工艺上更容易做到精确控制。

图3中的AlGaN/GaN HEMT的问题是在于栅电极与凹槽侧壁之间的势垒层相比于凹槽外薄的多，特别是针对高频如毫米波应用的器件制造时，随着栅长的缩短，为了使得栅电极能对沟道中的2DEG形成更好的控制能力，需要进一步降低栅下势垒层的厚度，这将引起栅电极与凹槽侧壁之间的势垒层下的2DEG浓度急剧降低，从而分别在器件的源和漏两端各引入一个很大的电阻，影响器件的高频性能。

发明内容

发明目的：针对上述现有存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种双凹槽场板结构氮化物高电子迁移率晶体管制造方法，该方法制造的器件结合了传统凹槽栅场板结构AlGaN/GaN HEMT采用介质侧墙有助于提高器件性能的优点，同时克服了介质侧墙下方势垒层过薄而有可能分别在器件的源和漏两端各引入一个很大的电阻的缺点。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种双凹槽场板结构氮化物高电子迁移率晶体管制造方法，包括如下步骤：

(l)在衬底上依次外延生长得到器件的氮化物成核层(简称势垒层)、氮化物缓冲层(简称缓冲层)和氮化物势垒层(简称势垒层)；

(2)在氮化物势垒层上提供欧姆接触电极作为源电极、欧姆接触电极作为漏电极；

(3)在源电极、漏电极及氮化物势垒层未被覆盖的表面上淀积第一层介质层；

(4)光刻定义第一次凹槽的位置，并利用干法刻蚀的方法刻蚀去除第一次凹槽上方的介质层；

(5)去除第一光刻胶层和第二光刻胶层后，以第一层介质层为掩膜，用干法刻蚀的方法刻蚀氮化物势垒层形成第一次凹槽；

(6)在第一层介质层上淀积第二层介质层，该第二层介质层同时覆盖第一次凹槽的底部和侧壁；

(7)采用干法刻蚀的方法对第二层介质层进行大面积刻蚀，刻蚀在第一次凹槽底部的第二层介质层完全去除干净后结束，此时第一层介质层上的第二层介质层被完全去除，在第一次凹槽的侧壁上留下第一介质侧墙和第二介质侧墙；

(8)以第一层介质层以及第一介质侧墙和第二介质侧墙为掩膜，用干法刻蚀的方法刻蚀氮化物势垒层形成第二次凹槽；

(9)光刻定义栅电极及与其相连的场板位置，蒸发栅金属层，运用剥离的方法将第三光刻胶层和第四光刻胶层以及其上的第一金属层和第二金属层去除，形成带场板结构的栅电极。

所述氮化物缓冲层可为GaN层。所述氮化物缓冲层可为Al_xGa_1-xN层，其中x的值满足0≤x≤0.05。所述x的值在缓冲层中从氮化物缓冲层与氮化物成核层界面处到氮化物缓冲层与氮化物势垒层的界面处可以是变化的，氮化物缓冲层与氮化物成核层界面处x的值为0.05，氮化物缓冲层与氮化物势垒层的界面处x的值为0。

所述氮化物势垒层可为Al_xGa_1-xN层，其中x的值满足0＜x＜0.5。所述氮化物势垒层可由氮化物缓冲层上依次外延生长AlN层、Al_xGa_1-xN层组成，其中x的值满足0＜x＜0.5，AlN层的厚度不大于1nm。所述氮化物势垒层可由氮化物缓冲层上依次外延生长Al_xGa_1-xN层、GaN层组成，其中x的值满足0＜x＜0.5。所述氮化物势垒层可由氮化物缓冲层上依次外延生长AlN层、Al_xGa_1-xN层、GaN层组成，其中x的值满足0＜x＜0.5。

所述源电极与漏电极的间距可为2um至5um。

所述第一层介质层的为SiN层或SiO₂层，第二层介质层为SiN层或SiO₂层。

有益效果：本方法制造的器件结合了传统凹槽栅场板结构AlGaN/GaN HEMT采用介质侧墙有助于提高器件性能的优点，同时克服了介质侧墙下方势垒层过薄而有可能分别在器件的源和漏两端各引入一个很大的电阻的缺点，保证了器件的高频性能。

附图说明

图1为带场板结构的常规AlGaN/GaN HEMT的剖面图；

图2为带场板结构的凹槽栅AlGaN/GaN HEMT的剖面图；

图3为采用了介质侧墙的带场板结构的凹槽栅AlGaN/GaN HEMT的剖面图；

图4为本发明提供的双凹槽栅场板结构AlGaN/GaN HEMT的剖面图；

图5为本发明提供的双凹槽栅场板结构AlGaN/GaN HEMT的制造过程中的示意图之一；

图6为本发明提供的双凹槽栅场板结构AlGaN/GaN HEMT的制造过程中的示意图之二；

图7为本发明提供的双凹槽栅场板结构AlGaN/GaN HEMT的制造过程中的示意图之三；

图8为本发明提供的双凹槽栅场板结构AlGaN/GaN HEMT的制造过程中的示意图之四；

图9为本发明提供的双凹槽栅场板结构AlGaN/GaN HEMT的制造过程中的示意图之五；

图10为本发明提供的双凹槽栅场板结构AlGaN/GaN HEMT的制造过程中的示意图之六；

图11为本发明提供的双凹槽栅场板结构AlGaN/GaN HEMT的制造过程中的示意图之七。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明提供了一种制造双凹槽栅场板结构AlGaN/GaN HEMT的方法，该方法制造的器件结合了传统凹槽栅场板结构AlGaN/GaN HEMT采用介质侧墙有助于提高器件性能的优点，同时克服了介质侧墙下方势垒层过薄而有可能分别在器件的源和漏两端各引入一个很大的电阻的缺点。

本发明提供的双凹槽栅场板结构AlGaN/GaN HEMT制造方法主要步骤包括：采用如MOCVD、RF-MBE等任何合适的生长方法在衬底上依次外延生长得到器件的氮化物成核层、氮化物缓冲层和氮化物势垒层，并且势垒层与缓冲层界面处的带隙大于缓冲层，这样将在缓冲层和势垒层界面靠近缓冲层处形成一三角形势阱，加上III族氮化物自身较强的自发极化和压电极化效应，将在异质结材料的界面附近形成具有高密度的二维电子气。衬底为蓝宝石、Si及SiC中的任意一种，优选地，采用半绝缘的4H-SiC和半绝缘的6H-SiC作为衬底，成核层的选择与衬底材料有关。缓冲层可以是GaN也可以是AlxGa1-xN，当缓冲层为AlxGa1-xN时其中x的值满足0≤x≤0.05，且x的值在缓冲层中从缓冲层与成核层界面处到缓冲层与势垒层的界面处是变化的，优选的在缓冲层与成核层界面处x的值为0.05、缓冲层与势垒层的界面处x的值为0。势垒层可以是一层AlxGa1-xN(0＜x＜0.5)层，同时还可以进一步包含在AlGaN层上外延生长的GaN帽层；势垒层也可以是在GaN缓冲层上依次外延生长AlN和AlxGa1-xN(0＜x＜0.5)的复合势垒层，同样还可以包含在AlGaN层上外延生长的GaN帽层。

在势垒层上提供两个欧姆接触区分别作为源欧姆接触电极和漏欧姆接触电极，其间距优选的为2微米到5微米，淀积第一层介质层在源、漏欧姆接触电极及他们之间的势垒层表面上，采用光刻技术在源和漏欧姆接触电极之间定义第一次凹槽的位置并采用干法刻蚀的方法依次刻蚀第一层介质层和势垒层后在势垒层上形成第一次凹槽。再淀积第二层介质层在前述第一层介质层上，第二层介质层同时覆盖第一次凹槽的底部和侧壁，采用干法刻蚀第二层介质层直至第一次凹槽底部的第二层介质层被完全去除，此时第一层介质层上的第二层介质层也将被完全去除，而在第一次凹槽的侧壁上将留下未被完全去除的第二层介质层作为介质侧墙。

以第一层和残留在第一次凹槽侧壁上的第二层介质层作为掩模，采用反应离子刻蚀的方法刻蚀势垒层后在势垒层上形成第二次凹槽。采用光刻技术在源和漏欧姆接触电极之间定义栅电极及与其相连的场板的位置，蒸发栅电极金属并剥离后形成栅电极。

接下去参照附图更加全面的描述本发明中AlGaN/GaN HEMT的制造方法。如图5所示，采用如MOCVD、RF-MBE等任何合适的生长方法在衬底301上依次外延生长得到器件的成核层302、GaN缓冲层303和势垒层304，并且势垒层304与GaN缓冲层303界面处的带隙大于GaN缓冲层，这样将在GaN缓冲层303和势垒层304界面靠近GaN缓冲层处形成一三角形势阱，加上III族氮化物自身较强的自发极化和压电极化效应，这样将在异质结材料的界面附近形成具有高密度的二维电子气305。衬底为蓝宝石、Si及SiC中的任意一种，优选地采用半绝缘的4H-SiC和半绝缘的6H-SiC作为衬底，采用半绝缘的4H-SiC(0001)和半绝缘的6H-SiC(0001)作为衬底，它们具有热导率高、与GaN晶格失配小等特点，不仅易于生长高质量的GaN外延材料，同时也有利于器件的散热，目前美国的Cree公司和II-VI公司都有4H和6H两种形态的SiC衬底出售。成核层302位于衬底和GaN缓冲层303之间，主要用来作为过渡作用，以减小由于GaN缓冲层303和衬底301晶格失配所引入的应力，成核层的选取与衬底材料有关，这在本领域是众所周知的，不再进一步描述。势垒层304可以是一层AlxGa1-xN(0＜x＜0.5)层，同时还可以进一步包含在AlGaN层上外延生长的GaN帽层；势垒层304也可以是在GaN缓冲层上依次外延生长AlN和AlxGa1-xN(0＜x＜0.5)的复合势垒层，同样还可以包含在AlGaN层上外延生长的GaN帽层。

在势垒层304上提供欧姆接触电极306作为源电极、欧姆接触电极307作为漏电极，源电极和漏电极欧姆接触制作的具体方法可参考Jacobs等人的文献(B.Jacobs et al.Journal ofCrystal Growth，vol.241，pp.15-18，2002)。如前所述，源电极306和漏电极307的间距一般为2微米到5微米。淀积第一层介质层308在源电极306、漏电极307及势垒层304未被覆盖的表面上。第一层介质层308可使用的材料包括氮化硅(SiN)或氧化硅(SiO2)中的一种，优选地采用SiO2，其淀积方法包括溅射、电子束蒸发、等离子体增强化学汽相淀积(PECVD)，优选的采用PECVD淀积获得。

第一层介质层308淀积完成后，如图6所示光刻定义第一次凹槽的位置，并利用干法刻蚀如反应离子刻蚀(RIE)或者电感耦合等离子体刻蚀(ICP)的方法刻蚀去除第一次凹槽上方的介质层308，去除第一光刻胶层312和第二光刻胶层313之后，如图7所示，以第一层介质层308为掩膜，用RIE或者ICP刻蚀势垒层304形成第一次凹槽。对于用RIE或者ICP刻蚀第一层介质层308的方法是和原理是众所周知的，这里不再赘述；对于RIE或者ICP刻蚀III族氮化物的方法，具体可参见Egawa等人的文献(Egawa et al.Appl.Phys.Lett.，vol.76，pp.121-123，2000)或者Coffie等人的文献(Coffie et al.Applied Physics Letters Vol.83，p.4779，2003)。第一次凹槽靠源一侧侧壁与源电极的距离、靠漏一侧侧壁与漏电极的距离及凹槽宽度根据实际需要而定，并取决于制造中光刻所能达到的精度。第一次凹槽深度取决于势垒层304，如前所述，当势垒层304包含GaN帽层时，且GaN帽层的厚度为dGaN，第一次凹槽的最优深度d1≥dGaN；若势垒层不包含GaN帽层时，第一次凹槽的最优深度d1≥3nm。

第一次凹槽刻蚀完成后，如图8所示，再淀积第二层介质层314在前述第一层介质层308上，第二层介质层314同时覆盖第一次凹槽的底部和侧壁，第二层介质层314可使用的材料包括氮化硅(SiN)或氧化硅(SiO2)中的一种，第二层介质层314淀积的方法包括溅射、电子束蒸发、等离子体增强化学汽相淀积(PECVD)，优选的介质材料和淀积方法分别为SiN和PECVD。

第二层介质层314淀积完成后，如图9所示，采用干法刻蚀的方法对第二层介质层314进行刻蚀，优选的刻蚀方法为ICP，它具有很好的各项异性刻蚀、低损伤、均匀性好等特点，刻蚀在第一次凹槽底部的第二层介质层314完全去除干净后结束，此时第一层介质层308上的第二层介质层314也将被完全去除，而在第一次凹槽的侧壁上将留下未被完全去除的第二层介质层314形成第一介质侧墙310和第二介质侧墙311。第一层介质层308以及第一介质侧墙310和第二介质侧墙311为掩膜，用RIE或者ICP刻蚀势垒层304形成第二次凹槽。第二次凹槽的最优深度d2取决与第一次凹槽的深度d1和势垒层304的厚度d，d-d1-5nm≥d2≥3nm。

如图10和图11所示，光刻定义栅电极及与其相连的场板位置，蒸发栅电极金属层，运用剥离工艺将第三光刻胶层315和第四光刻胶层316以及其上多余的第一金属层317和第二金属层318去除后形成带场板结构的栅电极209，得到如图4所示的双凹槽栅场板结构AlGaN/GaNHEMT器件。对于运用剥离工艺去除光刻胶及其上的金属层在本领域是众所周知的，此处不再赘述。

Claims (10)

1.一种双凹槽场板结构氮化物高电子迁移率晶体管制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在衬底(301)上依次外延生长得到器件的氮化物成核层(302)、氮化物缓冲层(303)和氮化物势垒层(304)；

(2)在氮化物势垒层(304)上提供欧姆接触电极(306)作为源电极、欧姆接触电极(307)作为漏电极；

(3)在源电极(306)、漏电极(307)及氮化物势垒层(304)未被覆盖的表面上淀积第一层介质层(308)；

(4)光刻定义第一次凹槽的位置，并利用干法刻蚀的方法刻蚀去除第一次凹槽上方的介质层(308)；

(5)去除第一光刻胶层(312)和第二光刻胶层(313)后，以第一层介质层(308)为掩膜，用干法刻蚀的方法刻蚀氮化物势垒层(304)形成第一次凹槽；

(6)在第一层介质层(308)上淀积第二层介质层(314)，该第二层介质层(314)同时覆盖第一次凹槽的底部和侧壁；

(7)采用干法刻蚀的方法对第二层介质层(314)进行大面积刻蚀，刻蚀在第一次凹槽底部的第二层介质层(314)完全去除干净后结束，此时第一层介质层(308)上的第二层介质层(314)被完全去除，在第一次凹槽的侧壁上留下第一介质侧墙(310)和第二介质侧墙(311)；

(8)以第一层介质层(308)以及第一介质侧墙(310)和第二介质侧墙(311)为掩膜，用干法刻蚀的方法刻蚀氮化物势垒层(304)形成第二次凹槽；

(9)光刻定义栅电极及与其相连的场板位置，蒸发栅金属层，运用剥离的方法将第三光刻胶层(315)和第四光刻胶层(316)以及其上的第一金属层(317)和第二金属层(318)去除，形成带场板结构的栅电极(309)。

2.根据权利要求1所述一种双凹槽场板结构氮化物高电子迁移率晶体管制造方法，其特征在于：所述氮化物缓冲层(303)为GaN层。

3.根据权利要求1所述一种双凹槽场板结构氮化物高电子迁移率晶体管制造方法，其特征在于：所述氮化物缓冲层(303)为Al_xGa_1-xN层，其中x的值满足0≤x≤0.05。

4.根据权利要求3所述一种双凹槽场板结构氮化物高电子迁移率晶体管制造方法，其特征在于：所述x的值在缓冲层中从氮化物缓冲层与氮化物成核层界面处到氮化物缓冲层与氮化物势垒层的界面处是变化的，氮化物缓冲层与氮化物成核层界面处x的值为0.05，氮化物缓冲层与氮化物势垒层的界面处x的值为0。

5.根据权利要求1所述一种双凹槽场板结构氮化物高电子迁移率晶体管制造方法，其特征在于：所述氮化物势垒层(304)为Al_xGa_1-xN层，其中x的值满足0＜x＜0.5。

6.根据权利要求1所述一种双凹槽场板结构氮化物高电子迁移率晶体管制造方法，其特征在于：所述氮化物势垒层(304)由氮化物缓冲层(303)上依次外延生长A1N层、Al_xGa_1-xN层组成，其中x的值满足0＜x＜0.5，A1N层的厚度不大于1nm。

7.根据权利要求1所述一种双凹槽场板结构氮化物高电子迁移率晶体管制造方法，其特征在于：所述氮化物势垒层(304)由氮化物缓冲层(303)上依次外延生长Al_xGa_1-xN层、GaN层组成，其中x的值满足0＜x＜0.5。

8.根据权利要求1所述一种双凹槽场板结构氮化物高电子迁移率晶体管制造方法，其特征在于：所述氮化物势垒层(304)由氮化物缓冲层(303)上依次外延生长A1N层、Al_xGa_1-xN层、GaN层组成，其中x的值满足0＜x＜0.5。

9.根据权利要求1所述一种双凹槽场板结构氮化物高电子迁移率晶体管制造方法，其特征在于：所述源电极(306)与漏电极(307)的间距为2um至5um。

10.根据权利要求1所述一种双凹槽场板结构氮化物高电子迁移率晶体管制造方法，其特征在于：所述第一层介质层(308)的为SiN层或SiO₂层，第二层介质层(314)为SiN层或SiO₂层。

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