CN103715255B - 一种自对准栅GaN HEMT器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种自对准栅GaN HEMT器件及其制备方法，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，露出源漏区域；3）蒸发剥离源漏金属；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，露出栅区域；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自对准栅GaN HEMT器件及其制备方法，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自对准栅GaN HEMT器件及其制备方法，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介质牺牲层解决自对准栅位置定义的问题。采用栅区域Si3N4介质牺牲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介质牺牲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介质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Si3N4介质牺牲层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Si3N4介质牺牲层后的结构示意图。
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Si3N4介质牺牲层，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上形成肖特基接触，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介质牺牲层 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，露出源漏区域，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，露出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，露出栅区域，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 (1)
1.一种自对准栅GaN HEMT器件的制备方法，其特征在于该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，利用半导体工艺，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，露出源漏区域；
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，露出Si3N4介质牺牲层；
7）利用光刻胶作为掩模刻蚀Si3N4介质牺牲层，露出栅区域；
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；
所述工艺步骤1）中的GaN外延材料是存在二维电子气的GaN基异质结材料；Si3N4介质牺牲层的厚度100~500nm；
所述的工艺步骤2）、步骤5）和步骤7）中Si3N4介质牺牲层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Si3N4介质牺牲层相对于光刻胶掩模内缩30~300nm；
所述工艺步骤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、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；
所述工艺步骤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；
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；
所述工艺步骤6）中的涂覆的光刻胶厚度超过Si3N4介质牺牲层材料厚度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Si3N4介质牺牲层材料露出高度10~20nm；
所述工艺步骤8）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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