CN103715255A - 一种制备自对准栅GaN HEMT器件及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种制备自对准栅GaNHEMT器件及方法,其结构包括GaNHEMT的沟道层、势垒层、源漏金属、Al2O3介质、离子注入隔离区和栅金属;其制备方法,1)在洁净的GaN外延材料上沉积Si3N4介质牺牲层;2)刻蚀Si3N4介质牺牲层,漏出源漏区域;3)蒸发剥离源漏金属5;4)淀积一层Al2O3介质、刻蚀;5)获得隔离图形后进行注入隔离;6)去除隔离掩模;7)掩模刻蚀Si3N4介质牺牲层,漏出栅区域;8)蒸发剥离栅金属,形成自对准栅;9)蒸发剥离金属Au实现电极测试区域金属加厚。优点工艺兼容性高;无电子束刻写工艺;降低源漏寄生电阻;不存在栅套准的问题;Al2O3侧墙介质可抑制栅源和栅漏存在的漏电。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种制备自对准栅GaN HEMT器件及方法,通过牺牲层Si3N4介质将源漏之间的栅区域图形转化到光刻胶上,利用常规正胶剥离工艺实现自对准栅GaN HEMT器件制备的方法,属于半导体器件制备的技术领域。
技术背景
GaN HEMT器件具有优异的频率特性、功率特性、击穿特性、噪声特性等特点,是新一代固态半导体器件。可以广泛用于移动通信、无线网络、雷达、电动汽车等领域。目前,毫米波段以下频段GaN HEMT器件以及低压GaN HEMT功率电子器件已实现商品化。毫米波段GaN HEMT器件也已显示出其具有的巨大潜力。从2006年HRL实验室报道第一款W波段GaN功率放大器开始,目前W波段GaN功率放大器已经可以实现单芯片输出功率2W以上,远远超过了其他材料半导体器件。除了高性能功率放大器的研制,GaN HEMT器件电流增益截止频率已达到400GHz以上。高频率特性GaN HEMT器件不仅可以用于微波器件,还可以用于高性能数字电路的研制。
为了提高GaN HEMT器件的频率特性不仅需要减小栅的长度,还需要减小器件的寄生参数,包括寄生电容、寄生电阻以及寄生电感。减小寄生电阻主要通过降低材料方阻以及减小源漏间距。然而,由于GaN HEMT器件的欧姆接触需要通过高温退火的方法来形成,器件的欧姆接触和肖特基栅接触需要分开制作。将源漏间距缩小之后,栅的套准成为影响器件性能的关键。Si MOSFET器件自对准栅的技术是有效减小寄生电阻的最佳办法。然而,由于GaN HEMT器件的栅需要形成肖特基接触,无法承受高的处理温度。因此,不能将栅工艺一般在源漏之后。同时,由于GaN基材料是宽带隙半导体材料,因此注入激活的温度也非常高。因此,无法直接采用Si半导体工艺的方法来制作自对准结构。
发明内容
本发明提出的是一种制备自对准栅GaN HEMT器件及方法,其目的旨在解决GaN欧姆接触工艺高温处理导致栅退化的问题,本发明引入了牺牲层工艺,利用牺牲层介质在进行GaN HEMT高温欧姆退火的时候预定义栅的位置,通过牺牲层介质图形的转移,结合常用的半导体剥离工艺实现自对准栅。采用自对准工艺可以有效降低栅和源漏之间的间距,从而提高器件的频率特性。
本发明的技术解决方案:一种制备自对准栅GaN HEMT器件,其结构包括GaN HEMT的沟道层、势垒层、源漏金属、Al2O3介质、离子注入隔离区和栅金属,其中GaN HEMT的沟道层和势垒层的界面形成二维电子气,源漏金属在栅两侧对称分布,Al2O3介质防止源漏和栅之间产生漏电,栅金属在势垒层2上形成肖特基接触,离子注入隔离区用于实现器件有源区的隔离。
其制备方法,包括如下工艺步骤:
本发明具有的优点1)工艺兼容性高,所用工艺均为GaN HEMT器件制备中通用的工艺,和常规GaN HEMT器件工艺兼容,满足GaN HEMT器件工艺集成的要求;2)无需采用高精度的电子束刻写工艺即可实现深亚微米栅;3)可以有效降低源漏寄生电阻,提高器件的频率特性;4)不存在栅套准的问题,解决了栅套准过程中偏差带来的问题;5)Al2O3侧墙介质可以有效抑制栅源和栅漏存在的漏电。
采用Si3N4 牺牲介质层解决自对准栅位置定义的问题。采用栅区域Si3N4 牺牲介质层和源漏的间隙控制来控制栅源和栅漏之间的间距。采用Al2O3介质形成侧墙来抑制栅源和栅漏之间的漏电。采用将Si3N4 牺牲介质层图形转移到光刻胶的方法,实现自对准栅的定义。采用本方法可以实现自对准栅GaN HEMT器件的研制,可以有效降低寄生电阻对GaN HEMT器件频率特性的影响。
附图说明
图1是自对准栅GaN HEMT器件剖面结构图。
图2是自对准栅GaN HEMT器件制备的工艺流程图;其中
图2-1是自对准栅GaN HEMT器件表面沉积Si3N4牺牲层后样品结构示意图。
图2-2是自对准栅GaN HEMT器件利用光刻胶定义源漏区域的示意图。
图2-3是自对准栅GaN HEMT器件牺牲层Si3N4介质刻蚀后漏出源漏区域的示意图。
图2-4是自对准栅GaN HEMT器件源漏金属蒸发后的结构示意图。
图2-5是自对准栅GaN HEMT器件源漏金属剥离后的结构示意图。
图2-6是自对准栅GaN HEMT器件样品表面整体淀积了Al2O3介质后的结构示意图。
图2-7是自对准栅GaN HEMT器件Al2O3介质无掩模大面积刻蚀后形成侧墙的结构示意图。
图2-8是自对准栅GaN HEMT器件通过光刻形成隔离掩模后刻蚀掉牺牲层,并用离子注入形成隔离后的结构示意图。
图2-9是自对准栅GaN HEMT器件去除隔离的光刻胶掩模后,重新大面积涂覆光刻胶,然后采用氧等离子体大面积刻蚀后的结构示意图。
图2-10是自对准栅GaN HEMT器件刻蚀完栅区域牺牲层Si3N4介质后的结构示意图。
图2-11是自对准栅GaN HEMT器件蒸发栅金属后的结构示意图。
图2-12采用正胶剥离法剥离栅金属后的结构示意图。
图中的1是GaN HEMT的沟道层,2是GaN HEMT的势垒层,3是牺牲层Si3N4介质,4是光刻胶,5是源漏金属,6是Al2O3介质,7是离子注入形成的隔离区,8是栅金属。
具体实施方式
对照图1,采用牺牲层介质实现自对准GaN HEMT器件,其结构包括GaN HEMT的沟道层1、势垒层2、源漏金属5、Al2O3介质6、离子注入隔离区7和栅金属8,其中GaN HEMT的沟道层1和势垒层2的界面形成二维电子气,源漏金属5在栅两侧对称分布,Al2O3介质6防止源漏和栅之间产生漏电,栅金属8在势垒层2上形成肖特基接触,离子注入隔离区7用于实现器件有源区的隔离。
所述的GaN HEMT的沟道层1和势垒层2是含Ga、N元素的半导体材料,在沟道层1和势垒层2的界面可以产生导电的二维电子气;
所述的源漏金属5通过合金形成欧姆接触用于形成自对准GaN HEMT的源和漏;
所述的Al2O3介质6采用原子层沉积的方法形成的高质量薄膜介质,用于降低源漏和栅之间的漏电;
所述的栅金属8在势垒层2上行成肖特基接触,用来作为GaN HEMT器件的栅,用来控制器件的沟道电流。
对照图2,自对准栅GaN HEMT器件制备方法,包括如下工艺步骤:
1)在洁净的GaN外延材料上沉积Si3N4介质牺牲层,如图2-1中Si3N4 3所示,然后利用常规半导体工艺,通过甩正胶、曝光、显影在样品上定义源漏区域,如图2-2所示;
2)利用光刻胶形成的图形作为掩模通过干法刻蚀Si3N4介质牺牲层,漏出源漏区域,如图2-3所示;
3)蒸发源漏金属,如图2-4中源漏金属5所示,采用丙酮浸泡以及丙酮/乙醇超声的方法获得源漏金属图形,如图2-5所示,通过合金化处理形成欧姆接触;
4)利用原子层沉积方法淀积一层Al2O3介质,如图2-6所示,然后通过干法刻蚀工艺进行无掩模大面积刻蚀,结果如图2-7所示;
5)通过甩正胶、曝光、显影获得隔离图形,刻蚀有源区以外的Si3N4介质牺牲层,然后通过离子注入方法进行器件隔离,结果如图2-8所示;
6)采用丙酮/乙醇通过超声的方法去除光刻胶形成的隔离掩模,然后通过涂胶的方法在样品上再涂一层光刻胶,通过无掩模大面积刻蚀工艺,漏出Si3N4介质牺牲层,结果如图2-9所示;
7)利用光刻胶作为掩模刻蚀Si3N4介质牺牲层,漏出栅区域,结果如图2-10所示;
8)在表面蒸发一层栅金属,如图2-11所示,利用正胶剥离的方法形成自对准栅,如图2-12所示;
9)使用常规光刻技术,通过甩正胶、曝光、显影获得测试压块图形,通过蒸发剥离金属Au实现电极测试区域金属加厚。
实施例
1)先将蓝宝石衬底上生长的AlGaN/GaN样品进行表面清洁,分别在丙酮和乙醇溶液中超声清洗5分钟,在去离子水中漂洗后氮气吹干;
2)利用PECVD设备,在清洁的AlGaN/GaN样品上淀积300nm的Si3N4介质;
3)用AZ7908正型光刻胶作为掩膜,用旋转涂覆的方法制备光刻胶层,匀胶转数为5000rpm,匀胶时间为20秒,匀胶后在110℃热板前烘150秒对光刻胶进行固化;使用光刻机将所需掩膜图形曝光,使用RZX-3038正胶显影液显影;显影后在90℃烘箱坚膜10分钟;利用RIE刻蚀设备,采用CF4/Ar的混合气体进行Si3N4介质的刻蚀,刻蚀功率50W,刻蚀120sec;
4)在电子束蒸发台中淀积多层金属Ti/Al/Ni/Au,总厚度120nm;淀积完后在丙酮中浸泡4小时,然后在丙酮/乙醇中分别进行3分钟的超声处理,使用去离子水清洗,N2吹干,获得的金属电极如图2-5中的源漏金属;
5)用原子层沉积设备在样品表面沉积一层Al2O3介质,厚度15nm,淀积温度200摄氏度,然后利用RIE设备刻蚀Al2O3介质,刻蚀气体Cl2,刻蚀功率50W,刻蚀时间150sec;
6)用AZ7220正型光刻胶作为掩膜,匀胶转数为3000rpm,匀胶时间为20秒,匀胶后在110℃热板前烘150秒对光刻胶进行固化;使用光刻机将所需掩膜图形曝光,使用RZX-3038正胶显影液显影;显影后在90℃烘箱坚膜10分钟;利用离子注入设备,注入B+离子进行器件隔离,注入能量80Kev,剂量6E14 cm-2;
7) 在丙酮/乙醇中分别进行5分钟的超声处理,使用去离子水清洗,N2吹干,去除注入隔离掩模;用AZ7908正型光刻胶作为掩模,匀胶转数为5000rpm,匀胶时间为20秒,匀胶后在110℃热板前烘150秒对光刻胶进行固化;使用氧等离子体打胶机,在氧气氛下40W功率下打胶5分钟;
8)利用RIE刻蚀设备,采用CF4/Ar的混合气体进行Si3N4介质的刻蚀,刻蚀功率30W,刻蚀160sec;
9)通过电子束蒸发设备蒸发Ni/Au,总厚度80nm,然后将样品放入丙酮溶液浸泡4小时,然后在丙酮/乙醇中分别进行3分钟的超声处理,使用去离子水清洗,N2吹干,获得的栅金属电极如图2-12中的栅金属8;
10)用AZ7908正型光刻胶作为掩模,匀胶转数为5000rpm,匀胶时间为20秒,匀胶后在110℃热板前烘150秒对光刻胶进行固化;使用光刻机将所需掩膜图形曝光,使用RZX-3038正胶显影液显影;显影后在90℃烘箱坚膜10分钟,得到测试电极图形掩模;
11)通过电子束蒸发设备蒸发300 nm的Au金属,然后将样品放入丙酮溶液浸泡4小时,然后在丙酮/乙醇中分别进行3分钟的超声处理,使用去离子水清洗,N2吹干,完成对测试电极的金属加厚。
Claims (10)
1.一种制备自对准栅GaN HEMT器件,其特征是包括GaN HEMT的沟道层、势垒层、源漏金属、Al2O3介质、离子注入隔离区和栅金属,其中GaN HEMT的沟道层和势垒层的界面形成二维电子气,源漏金属在栅两侧对称分布,Al2O3介质防止源漏和栅之间产生漏电,栅金属在势垒层上形成肖特基接触,离子注入隔离区用于实现器件有源区的隔离。
2.根据权利要求1所述的一种制备自对准栅GaN HEMT器件,其特征是所述的GaN HEMT的沟道层和势垒层是含Ga、N元素的半导体材料,在沟道层和势垒层的界面可以产生导电的二维电子气;所述的源漏金属通过合金形成欧姆接触用于形成自对准GaN HEMT的源和漏;所述的Al2O3介质采用原子层沉积的方法形成的高质量薄膜介质,用于降低源漏和栅之间的漏电;所述的栅金属在势垒层上行成肖特基接触,用来作为GaN HEMT器件的栅,用来控制器件的沟道电流。
3.如权利要求1的自对准栅GaN HEMT器件的制备方法,其特征是包括如下工艺步骤:
1)在洁净的GaN外延材料上沉积Si3N4介质牺牲层,如图2-1中Si3N4 所示,然后利用常规半导体工艺,通过甩正胶、曝光、显影在样品上定义源漏区域;
2)利用光刻胶形成的图形作为掩模通过干法刻蚀Si3N4介质牺牲层,漏出源漏区域;
3)蒸发源漏金属,采用丙酮浸泡以及丙酮/乙醇超声的方法获得源漏金属图形,通过合金化处理形成欧姆接触;
4)利用原子层沉积方法淀积一层Al2O3介质,然后通过干法刻蚀工艺进行无掩模大面积刻蚀;
5)通过甩正胶、曝光、显影获得隔离图形,刻蚀有源区以外的Si3N4介质牺牲层,然后通过离子注入方法进行器件隔离;
6)采用丙酮/乙醇通过超声的方法去除光刻胶形成的隔离掩模,然后通过涂胶的方法在样品上再涂一层光刻胶,通过无掩模大面积刻蚀工艺,漏出Si3N4介质牺牲层;
7)利用光刻胶作为掩模刻蚀Si3N4介质牺牲层,漏出栅区域;
8)在表面蒸发一层栅金属,利用正胶剥离的方法形成自对准栅;
9)使用常规光刻技术,通过甩正胶、曝光、显影获得测试压块图形,通过蒸发剥离金属Au实现电极测试区域金属加厚。
4.根据权利要求3所述的自对准栅GaN HEMT器件的制备方法,其特征在于所述的工艺步骤1)中的GaN外延材料是存在二维电子气的GaN基异质结材料,如AlGaN/GaN或InAlN/GaN异质结材料;牺牲层介质Si3N4的厚度100~500nm。
5.根据权利要求3所述的自对准栅GaN HEMT器件的制备方法,其特征在于所述的工艺步骤2)、步骤5)和步骤7)中牺牲层介质Si3N4刻蚀气体基于氟基等离子体,刻蚀功率20~100W;工艺步骤2)中,通过刻蚀工艺在栅区域牺牲层Si3N4介质相对于光刻胶掩模内缩30~300nm。
6.根据权利要求3所述的自对准栅GaN HEMT器件的制备方法,其特征在于所述的工艺步骤3)中的源漏金属选自Ti、Al、Ti/Al、Ti/Al/Mo/Au、Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/W、Ti/Al/W/Ti、Ti/Au、Si/Ti/Al/Ni/Au、Al/Au和Al/W中的单层或多层金属,厚度50~150 nm,合金化处理在氮气氛下进行,处理温度在500到950摄氏度之间。
7.根据权利要求3所述的自对准栅GaN HEMT器件的制备方法,其特征在于所述的工艺步骤4)中的原子层沉积方法中Al2O3介质淀积温度在100摄氏度到300摄氏度范围内,厚度在10到20nm范围。
8.根据权利要求3所述的自对准栅GaN HEMT器件的制备方法,其特征在于所述的工艺步骤5)中的用于注入的离子包含硼或氮元素,采用20KeV到100KeV的能量进行注入隔离。
9.根据权利要求3所述的自对准栅GaN HEMT器件的制备方法,其特征在于所述的工艺步骤6)中的涂覆的光刻胶厚度超过牺牲层Si3N4介质材料厚度50~100nm,大面积无掩模刻蚀工艺采用氧等离子体进行大面积刻蚀,刻蚀完成后牺牲层Si3N4介质材料漏出高度10~20nm。
10.根据权利要求3所述的自对准栅GaN HEMT器件的制备方法,其特征在于所述的工艺步骤7)中的栅金属选自Ni、Ni/Au、Pt、Pt/Au、Ni/Pt/Au、Ni/Al或Pt/Al,厚度50~200nm。
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