CN102437182A

CN102437182A - SiO2/SiN双层钝化层T型栅AlGaN/GaN HEMT及制作方法

Info

Publication number: CN102437182A
Application number: CN2011103928634A
Authority: CN
Inventors: 杜彦东; 韩伟华; 颜伟; 张严波; 杨富华
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2011-12-01
Filing date: 2011-12-01
Publication date: 2012-05-02

Abstract

一种SiO₂/SiN双层钝化T型栅AlGaN/GaN HEMT，包括：一衬底，在衬底上依次生长GaN缓冲层、GaN本征层和AlGaN势垒层；源漏电极，该源漏电极制作在势垒层上面的两侧；一下钝化层，制作在源漏电极之间及势垒层的上面；一上钝化层，制作在源漏电极之间及下钝化层的上面；其中该下钝化层和上钝化层的中间有一条形栅槽；一栅电极，其断面为T形，制作在该下钝化层和上钝化层的条形栅槽内，栅电极上部高于上钝化层的表面。

Description

SiO2/SiN双层钝化层T型栅AlGaN/GaN HEMT及制作方法

技术领域

本发明涉及半导体器件的制作领域，具体涉及一种SiO₂/SiN双层钝化层T型栅AlGaN/GaN HEMT(高电子迁移率晶体管)及制作方法。

背景技术

微波功率放大器是基站、卫星等微波通信系统中的重要组成部分。随着无线通信市场的快速发展，对微波功率放大器件的性能提出了更高的要求，比如高温、高频、大功率、低噪声、高效率等。宽禁带半导体材料氮化镓(GaN)作为第三代半导体材料的典型代表，具有禁带宽带大、耐高压、耐高温、耐酸碱腐蚀、抗辐射、电子饱和速度和漂移速度高、容易形成高质量异质结构的优异特性，非常适合制造高温、高频、大功率、抗辐照微波电子器件。

AlGaN和GaN形成异质结后，由于存在较强的自发极化和压电极化，在AlGaN/GaN异质结界面处存在高浓度的二维电子气。在相同工作频率下，与Si基及GaAs基器件相比，AlGaN/GaN HEMT输出功率密度表现出了一个量级的提高。近年来AlGaN/GaN HEMT器件在微波大功率领域取得了诸多突破性进展。在频率方面，器件电流截止频率已经达到220GHz，最高振荡频率达到400GHz。在功率方面，2GHz频率下实现输出功率230W，4GHz频率下实现输出功率密度41.4W/mm，8GHz实现输出功率141.25W。

然而，AlGaN/GaN HEMT的频率和功率性能受到电流崩塌效应的限制。GaN基HEMT的电流崩塌效应，指器件在应力、脉冲、交流和射频等条件下输出电流减小、输出功率和增益降低、器件性能恶化的现象，这是目前影响器件实用化的主要问题。研究表明这种现象主要和AlGaN的表面态有直接关系，在器件工作过程中，表面电离的施主态会俘获由于栅-漏电极间强电场所激发出的电子，这就好比在栅、漏电极之间存在另一个栅极，也就是所谓的虚栅。由于这些表面态能级的充放电时间通常很长，赶不上射频信号的频率，所以，在射频信号下，虚栅会调制沟道电子的浓度，使器件输出电流减小，膝电压增加，输出功率密度和功率附加效率减小，形成电流崩塌。因此降低表面陷阱能够有效地抑制电流崩塌效应。2000年，SiN钝化方法被提出降低表面陷阱。自此，其他的电介质如SiO₂，Al₂O₃，Sc₂O₃，MgO/MgCaO，AlN等都被研究并表明能够降低电流崩塌效应。在所有的研究中，SiN是降低电流崩塌效应最典型的电介质。并且使用超过100nm厚的SiN钝化层实现了从C波段到K波段全部的功率性能。然而，在深亚微米领域，由于SiN的高介电常数，SiN钝化层增加了栅极寄生电容，会明显降低电流的截止频率。因此，如何能够抑制电流崩塌效应同时提高AlGaN/GaN HEMT的频率性能一直亟待解决。

发明内容

本发明的目的在于提供一种SiO₂/SiN双层钝化层T型栅AlGaN/GaNHEMT及制作方法。其主要特征是利用SiO₂/SiN双层钝化代替传统的SiN单层钝化。下层的SiN有助于降低表面陷阱，抑制电流崩塌效应；上层的SiO₂有助于降低栅极寄生电容，提高T型栅AlGaN/GaN HEMT的频率性能。用此方法制备SiO₂/SiN双层钝化T型栅AlGaN/GaN HEMT能够同时实现高频性能并抑制电流崩塌效应。

为实现上述目的，本发明一种SiO₂/SiN双层钝化T型栅AlGaN/GaNHEMT，包括：

一衬底，在衬底上依次生长GaN缓冲层、GaN本征层和AlGaN势垒层；

源漏电极，该源漏电极制作在势垒层上面的两侧；

一下钝化层，制作在源漏电极之间及势垒层的上面；

一上钝化层，制作在源漏电极之间及下钝化层的上面；

其中该下钝化层和上钝化层的中间有一条形栅槽；

一栅电极，其断面为T形，制作在该下钝化层和上钝化层的条形栅槽内，栅电极上部高于上钝化层的表面。

本发明的有益效果是：

(1)本发明提出的双层钝化T型栅AlGaN/GaN HEMT的方法，与T型栅边缘接触的上层的SiO₂电介常数(ε≈3.9)小于SiN的电介常数(ε≈7)，这使得双层钝化比传统的SiN钝化有更低的栅极寄生电容，极大地提高了T型栅AlGaN/GaN HEMT的电流截止频率。

(2)本发明提出的多层钝化T型栅AlGaN/GaN HEMT的方法，下层的SiN钝化效果能够降低AlGaN/GaN表面态，比不含钝化层的T型栅结构以及SiO₂钝化层结构有更好的钝化效果。

附图说明

为使本发明的目的、内容、优点更加清楚明白，下面将参照附图结合优选实施例进行详细说明，其中：

图1为本发明SiO₂/SiN双层钝化层T型栅AlGaN/GaN HEMT的制作方法流程图；

图2-图6为本发明SiO₂/SiN双层钝化层T型栅AlGaN/GaN HEMT的制作工艺流程图。

具体实施方式

请参阅图1至图6所示，本发明提供一种SiO₂/SiN双层钝化层T型栅AlGaN/GaN HEMT的制作方法，包括以下步骤：

步骤1：材料生长：

参考图1和图2，在衬底10上依次生长GaN缓冲层11，2μm的GaN本征层12和25nm的Al_0.25Ga_0.75N势垒层13，该衬底10的材料为蓝宝石；

步骤2：制备源漏电极：

参考图1和图3，本步骤的具体实现方式如下：

1.采用CCl₄水浴10分钟，超声5分钟；丙酮水浴10分钟，超声5分钟；乙醇水浴10分钟，超声5分钟；去离子水冲洗20遍以上，用氮气吹干，完成样品清洗。

2.对样品甩正胶S9912，转速为6000转/min，在100℃的热板上烘5分钟，通过紫外光刻(波长435nm)及显影(显影液为稀释的TMAH)、定影(定影液为水)形成腐蚀窗口，同时在光刻胶上形成对准标记。

3.ICP-RIE中Cl₂/Ar为反应气体，干法刻蚀AlGaN势垒层13和GaN缓冲层12，刻蚀深度为180nm。

4.对样品甩正胶AZ6130，转速为6000转/min，95℃的热板上烘2min。与第一次的对准标记套刻光刻(波长435nm)，显影(显影液为稀释的TMAH)、定影(定影液为水)形成源漏电极窗口。电子束蒸发Ti/Al/Ni/Au四层金属，在氮气氛围内快速热退火，在AlGaN势垒层13上面的两侧形成源漏电极14。该源漏电极间距为3μm，退火条件为，温度为830℃，时间为30秒。

步骤3：淀积钝化层：

参考图1和图4，采用PECVD(等离子体增强型化学气相淀积)NH₃、SiH₄和N₂为反应气体，在源漏电极14的表面及AlGaN势垒层13的表面淀积下钝化层15，所述的下钝化层15的材料为SiN，厚度为20nm；在PECVD的同一腔室中以N₂O、SiH₄和N₂为反应气体，在下钝化层15的表面淀积上钝化层16，所述的上钝化层16的材料为SiO₂，厚度为80nm。

步骤4：制备栅槽：

参考图1和图4，本步骤的具体实现方式如下：

1.对样品甩PMMA胶，转速2000转/min，然后在180℃热板上烘10分钟，采用电子束曝光在源漏电极14中间位置曝光栅槽图形，栅槽图形的尺寸为100nm。经显影(显影液MIBK∶IPA＝1∶3)25秒、定影(定影液IPA)25秒形成栅槽窗口。

2.在ICP-RIE中采用慢速刻蚀上钝化层15和下钝化层16，至刻蚀到AlGaN势垒层13停止；为了降低刻蚀钝化层引起的损伤，采用慢速刻蚀。为确保刻蚀到底，过刻蚀10秒，形成栅槽17。

步骤5：栅电极制备：

参考图1和图5，本步骤的具体实现方式如下：

1.对样品甩双层电子束胶，下层为Copolymer胶，转速3000转/min，150℃热板上烘15分钟；上层为PMMA胶，转速3000转/min，180℃热板上烘10分钟。在栅槽17位置处，采用电子束曝光套刻栅电极图形，设置栅电极尺寸1μm，曝光后经显影(显影液MIBK∶IPA＝1∶3)25秒、定影(定影液IPA)25秒得到栅电极图形窗口。

2.电子束蒸发栅电极金属，丙酮中剥离，得到三维栅电极18。该栅电极18的断面为T型，该栅电极18的材料为Ni/Au；金属厚度Ni为30nm，Au为300nm。

步骤6：去除钝化层：

参考图1和图6，本步骤具体实现方式如下：

1.对样品甩正胶S9912，转速为6000转/min，在100℃的热板上烘5分钟。与对准标记套刻光刻(波长435nm)，显影(显影液为稀释的TMAH)、定影(定影液为水)形成光刻窗口。

2.BOE中湿法腐蚀掉源漏电极14上方的下钝化层15和上钝化层16，完成器件制作。

实例

参阅图6，本发明提供一种SiO₂/SiN双层钝化T型栅AlGaN/GaN HEMT，包括：

一衬底10，在衬底10上依次生长GaN缓冲层11、GaN本征层12和Al_0.25Ga_0.75N势垒层13，该衬底10的材料为蓝宝石；

源漏电极14，该源漏电极14制作在势垒层13上面的两侧，所述源漏电极14的材料为Ti/Al/Ni/Au；

一下钝化层15，制作在源漏电极14之间及势垒层13的上面，该下钝化层15的材料为SiN，厚度为20nm；

一上钝化层16，制作在源漏电极14之间及下钝化层15的上面，该上钝化层16的材料为SiO₂，厚度为80nm；

其中该下钝化层15和上钝化层16的中间有一条形栅槽；

一栅电极18，其断面为T形，制作在该下钝化层15和上钝化层16的条形栅槽内，栅电极18上部高于上钝化层16的表面，栅电极18的材料为Ni/Au。

所应理解的是，以上所述的仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等均包含在本发明之内。

Claims

1.一种SiO₂/SiN双层钝化T型栅AlGaN/GaN HEMT，包括：

一衬底，在衬底上依次生长有GaN缓冲层、GaN本征层和AlGaN势垒层；

源漏电极，该源漏电极制作在势垒层上面的两侧；

一下钝化层，制作在源漏电极之间及势垒层的上面；

一上钝化层，制作在源漏电极之间及下钝化层的上面；

其中该下钝化层和上钝化层的中间有一条形栅槽；

2.如权利要求1所述的SiO₂/SiN双层钝化层T型栅AlGaN/GaN HEMT，其中衬底的材料为蓝宝石、硅或碳化硅。

3.如权利要求1所述的SiO₂/SiN双层钝化层T型栅AlGaN/GaN HEMT，其中下钝化层的材料为SiO₂，厚度为10-30nm；上钝化层的材料为SiN，厚度为10-100nm。

4.如权利要求1所述的SiO₂/SiN双层钝化层T型栅AlGaN/GaN HEMT，其中源漏电极的材料为Ti/Al/Ni/Au；栅电极的材料为Ni/Au。

5.一种SiO₂/SiN双层钝化层T型栅AlGaN/GaN HEMT的制作方法，包括以下步骤：

步骤1：材料生长：在衬底上依次生长GaN缓冲层，GaN本征层和AlGaN势垒层；

步骤2：制备源漏电极：运用光刻开源漏电极窗口，蒸发源漏金属，剥离后，经过快速热退火在AlGaN势垒层上面的两侧形成源漏电极；

步骤3：淀积钝化层：在源漏电极的表面及AlGaN势垒层的表面依次淀积下钝化层和上钝化层；

步骤4：制备栅槽：采用光刻和干法刻蚀的方法，在上钝化层的中间位置形成条形栅槽；

步骤5：栅电极制备：光刻形成栅电极窗口，采用电子束蒸发和剥离工艺将栅电极材料蒸发到栅电极窗口，得到三维栅电极，该栅电极的断面为T型；

步骤6：去除钝化层：采用光刻和湿法腐蚀的方法，将源漏电极表面的下钝化层和上钝化层腐蚀掉，完成器件的制作。

6.如权利要求5所述的SiO₂/SiN双层钝化层T型栅AlGaN/GaN HEMT的制作方法，其中衬底的材料为蓝宝石、硅或碳化硅。

7.如权利要求5所述的SiO₂/SiN双层钝化层T型栅AlGaN/GaN HEMT的制作方法，其中下钝化层的材料为SiN，厚度为10-30nm；上钝化层的材料为SiO₂，厚度为10-100nm。

8.如权利要求5所述的SiO₂/SiN双层钝化层T型栅AlGaN/GaN HEMT的制作方法，其中源漏电极的材料为Ti/Al/Ni/Au；栅电极的材料为Ni/Au。

9.如权利要求5所述的SiO₂/SiN双层钝化层T型栅AlGaN/GaN HEMT的制作方法，其中所述的淀积下钝化层是采用以NH₃、SiH₄和N₂为反应气体；所述的淀积上钝化层是采用以N₂O、SiH₄和N₂为反应气体。