CN103779398B - 带源场板槽栅AIGaN/GaN HEMT器件结构及其制作方法 - Google Patents
带源场板槽栅AIGaN/GaN HEMT器件结构及其制作方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种带源场板槽栅AlGaN/GaN？HEMT器件结构及其制作方法，所述结构包括衬底、本征GaN层、AlN隔离层、本征AlGaN层、AlGaN掺杂层、栅电极、源电极、漏电极、源场板、绝缘层、钝化层以及用于调节二维电子气浓度的硅化物，所述AlGaN掺杂层开有凹槽，栅电极位于凹槽中，所述源漏电极和绝缘层位于AlGaN掺杂层上，硅化物位于绝缘层上，源场板与源电极电连接，所述硅化物对绝缘层、本征AlGaN层和AlGaN掺杂层引入压应力，硅化物间的本征AlGaN层和AlGaN掺杂层受到张应力，通过使块间距小于块宽度，使本征AlGaN层和AlGaN掺杂层总体获得张应力，增强沟道中2DEG浓度。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，涉及半导体器件制作，具体的说是一种基于耗尽型槽栅结构的AlGaN/GaNHEMT器件结构及制作方法，可用于制作低沟道电阻高频率的耗尽型高电子迁移率晶体管。
背景技术
近年来以SiC和GaN为代表的第三带宽禁带隙半导体以其禁带宽度大、击穿电场高、热导率高、饱和电子速度大和异质结界面二维电子气浓度高等特性，使其受到广泛关注。在理论上，利用这些材料制作的高电子迁移率晶体管HEMT、发光二极管LED、激光二极管LD等器件比现有器件具有明显的优越特性，因此近些年来国内外研究者对其进行了广泛而深入的研究，并取得了令人瞩目的研究成果。
AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管HEMT在高温器件及大功率微波器件方面已显示出了得天独厚的优势，追求器件高频率、高压、高功率吸引了众多的研究。近年来，制作更高频率高压AlGaN/GaNHEMT成为关注的又一研究热点。由于AlGaN/GaN异质结生长完成后，异质结界面就存在大量二维电子气2DEG，当界面处电阻率降低时，我们可以获得更高的器件频率特性。AlGaN/GaN异质结电子迁移率晶体管可以获得很高的频率，但往往要以牺牲耐高压特性为代价。目前提高的AlGaN/GaN异质结晶体管频率的方法如下：
1.结合无电介质钝化(dielectric-freepassivation)与重生长欧姆接触来减小电阻率。参见YuanzhengYue，ZongyangHu，JiaGuo等InAlN/AlN/GaNHEMTsWithRegrownOhmicContactsandfTof370GH。EDL.Vol33.NO.7，P1118-P1120。该方法采用了30纳米栅长，并且结合无电介质钝化(dielectric-freepassivation)与重生长欧姆接触来减小源漏电阻率。频率可以达到370GHz。还可以通过减少沟道长度继续提高频率到500GHz。
2.重生长重掺杂源漏到近栅的二维电子气沟道。参见Shinohara，K.Regan，D.Corrion，A.Brown等self-aligned-gateGaN-HEMTswithheavily-dopedn+-GaNohmiccontactsto2DEG；IEDM，IEEE；2012。过去重生长n+-GaN欧姆接触对减少沟道接触电阻成效显著，但是重掺杂源漏接触直接到接近栅极下的二维电子气沟道可以获得更好的频率特性和电流特性。文中报道的方法使频率达到了fT/fmax＝342/518GHz。同时击穿电压14V。
发明内容
本发明的目的在于针对以上高频率器件的不足，提供一种基于硅化物对沟道产生应力的方法，以提高耗尽型AlGaN/GaN高迁移率晶体管的频率特性和击穿电压，增强工艺的可控性和重复性，满足GaN基电子器件对高频率、低导通电阻的应用要求。
本发明是这样实现的：
本发明的技术思路是：使用外延生长并刻蚀的方法在AlGaN之上生长薄绝缘层，在薄绝缘层上生长多个块状硅化物，硅化物块间距小于块宽度，由于硅化物的热膨胀系数大于绝缘层与AlGaN的热膨胀系数。当外延生长冷却时，硅化物会对绝缘层以及AlGaN层引入压应力，与此同时，位于硅化物之间的AlGaN层将会受到张应力。当AlGaN层受到压应力的时候，位于AlGaN/GaN界面的2DEG浓度有所减小，而当AlGaN层受到张应力的时候，位于AlGaN/GaN界面的2DEG浓度有所增加。AlGaN层所受压应力(张应力)的大小与硅化物(硅化物间距)的长度有关，这种关系并非是一种线性关系，而是当作用距离减小时AlGaN层所受到的应力对极化电荷的影响迅速增加(如下图2所示)，所以我们可以使硅化物的宽度、硅化物之间的间距不同来实现二维电子气浓度的调节，从整体上来看2DEG浓度的增加还是减少则取决于二者的大小关系，在此发明中，我们选择使二维电子气浓度增加来降低沟道电阻。所以张应力要大于压应力，于是硅化物宽度要大于硅化物间距。如图2所示，如果硅化物的宽度为1μm，硅化物间距为0.25μm，.那么硅化物间距(0.25μm)区域所经受的张力作用使极化电荷最终比硅化物区域(1μm)的极化电荷大两个数量级，所以整体上表现为AlGaN层受到张应力即极化电荷浓度有所增加，从而栅源与栅漏间2DEG的浓度也因为极化电荷的增加而呈现整体增加的结果。因此该区域的电阻有有所减小。参见IEICETRANS.ELECTON，VOL.E93-C，NO.8AUGUST2010.AnalysisofPassivation-Film-InducedStressEffectsonElectricalPropertiesinAlGaN/GaNHEMTs.通过选择使硅化物之间的间距小于硅化物的长度，使2DEG浓度的增长远大于2DEG浓度的减小的，从而使栅漏和栅源间的电阻有所减小，在不改变栅漏间距的情况下提高高迁移率晶体管的频率特性。栅电极采用槽栅结构，提高了本发明的频率特性。
依据上述技术思路，本发明的耗尽型AlGaN/GaN高频器件包括衬底、本征GaN层、AlN隔离层、本征AlGaN层、AlGaN掺杂层、栅电极、源电极、漏电极、源场板、绝缘层、钝化层以及用于调节二维电子气浓度的硅化物；所述AlGaN掺杂层位于本征AlGaN层之上，所述AlGaN掺杂层开有凹槽，所述栅电极位于凹槽中，所述源电极、漏电极以及绝缘层位于AlGaN掺杂层之上，所述硅化物位于绝缘层之上，在衬底上外延生长有耗尽型AlGaN/GaN异质结材料，并在该异质结材料上形成有栅电极、源电极和漏电极，然后在AlGaN掺杂层之上淀积有一层绝缘层，绝缘层有厚绝缘层和薄绝缘层，其中厚绝缘层位于栅电极与漏电极之间，紧挨栅电极，厚度为200nm-700nm，薄绝缘层分别位于厚绝缘层与漏电极之间以及栅电极与源电极之间，厚度为5～10nm，在绝缘层上的栅漏区域以及栅源区域间，形成硅化物，硅化物为块状，并且引入应力，块间距小于块宽度，硅化物会对绝缘层、本征AlGaN层和AlGaN掺杂层引入压应力，位于硅化物之间的本征AlGaN层和AlGaN掺杂层会受到张应力，通过使块间距小于块宽度，使本征AlGaN层和AlGaN掺杂层总体获得张应力，从而使沟道中2DEG得到增强，所述的硅化物包括NiSi，TiSi2或Co2Si，将厚绝缘层上的硅化物与源电极电连接形成源场板结构，同时在器件上淀积有钝化层。
本发明中的衬底材料是蓝宝石、碳化硅、GaN或MgO，本征AlGaN层和AlGaN掺杂层中Al与Ga的组份能够调节，AlxGal-xN中的x＝0～1，本征GaN层能够替换为AlyGal-yN层，而AlyGal-yN中y的组份小于本征AlGaN层和AlGaN掺杂层的Al组份，即x＞y，绝缘层分为厚绝缘层与薄绝缘层，厚绝缘层位于栅电极与漏电极之间，紧挨栅电极，厚度为200nm-700nm，薄绝缘层分别位于厚绝缘层与漏电极之间以及栅电极与源电极之间，厚度为5～10nm。
如图3所示，依据上述技术思路，利用金属硅化物提高AlGaN/GaNHEMT器件性能的结构，包括如下步骤：
(1)对外延生长的AlGaN/GaN材料进行有机清洗，用流动的去离子水清洗并放入HCl∶H2O＝1∶1的溶液中进行腐蚀30-60s，最后用流动的去离子水清洗并用高纯氮气吹干；
(2)对清洗干净的AlGaN/GaN材料进行光刻和干法刻蚀，形成有源区台面；
(3)对制备好台面的AlGaN/GaN材料进行光刻，形成源漏区，放入电子束蒸发台中淀积欧姆接触金属Ti/Al/Ni/Au＝20/120/45/50nm并进行剥离，最后在氮气环境中进行850℃、35s的快速热退火，形成欧姆接触；
(4)将器件放入磁控溅射反应室中制备Al2O3薄膜，工艺条件为：Al靶的直流偏置电压为100V，Ar气流量为30sccm，O2流量为10sccm，反应室的压力为0.5Pa，淀积300nm厚的Al2O3薄膜；
(5)对完成淀积的器件进行光刻显影，形成Al2O3薄膜的湿法腐蚀区，将材料放入HF∶H2O＝1∶10的溶液中，腐蚀3min～5min，将Al2O3腐蚀至5-10nm；
(6)然后将器件放入磁控溅射的反应室中同时溅射Ni和Si，工艺条件为：Ni靶的直流偏置电压为100V，Si靶的射频偏置电压为450V，载气Ar的流量为30sccm，共淀积100nm～150nm厚的混合金属薄膜；
(7)将淀积好薄膜的器件进行光刻，形成混合薄膜的刻蚀窗口区，并放入ICP干法刻蚀反应室中，工艺条件为：上电极功率为200W，下电极功率为20W，反应室压力为1.5Pa，CF4的流量为20sccm，Ar气的流量为10sccm，刻蚀时间为5min，经过干法刻蚀后在器件上留下来的硅化物为块状，并使得硅化物块之间的间距小于硅化物块宽度；
(8)将器件放入快速退火炉中，在氮气环境下进行450℃、30s的快速热退火，形成NiSi合金，硅化物会对绝缘层、本征AlGaN层和AlGaN掺杂层引入压应力，位于硅化物之间的本征AlGaN层和AlGaN掺杂层会受到张应力，块间距小于块宽度使得本征AlGaN层和AlGaN掺杂层总体获得张应力，从而使沟道中2DEG得到增强；
(9)对完成合金的器件进行光刻，形成栅极金属区域，并将器件放入ICP干法刻蚀反应室中，工艺条件为：上电极功率为200W，下电极功率为20W，反应室压力为1.5Pa，Cl2的流量为10sccm，Ar气的流量为10sccm，刻蚀时间约为2～3min，刻蚀掉栅区域的Al2O3介质层以及部分AlGaN掺杂层5～10nm；然后将器件放入HCl∶H2O＝1∶1的溶液中对刻蚀残留物进行去除，用流动的去离子水清洗并吹干后放入电子束蒸发台中淀积Ni/Au＝20/200nm并进行剥离，完成栅电极的制备；
(10)将完成栅极制备的器件放入PECVD反应室淀积SiN钝化膜，具体工艺条件为：SiH4的流量为40sccm，NH3的流量为10sccm，反应室压力为1～2Pa，射频功率为40W，淀积200nm～300nm厚的SiN钝化膜；
(11)将器件再次进行清洗、光刻显影，形成SiN薄膜的刻蚀区，并放入ICP干法刻蚀反应室中，工艺条件为：上电极功率为200W，下电极功率为20W，反应室压力为1.5Pa，CF4的流量为20sccm，Ar气的流量为10sccm，刻蚀时间为10min，将源极、漏极以及硅化物场板上面覆盖的SiN和Al2O3薄膜刻蚀掉；
(12)将器件进行清洗、光刻显影，并放入电子束蒸发台中淀积Ti/Au＝20/200nm的加厚电极和源场板，完成整体器件的制备。
本发明具有如下优点：
(1)本发明的器件采用淀积绝缘层与硅化物的方法，对AlGaN产生应力作用，调节沟道内电子气浓度和电场强度。提高器件频率特性。
(2)本发明中所制备硅化物位于栅漏与栅源之间，提高频率特性的同时不需要减少栅漏距离，从而无需牺牲耐高压特性。
(3)本发明中由于可以在栅漏与栅源之间根据需要调节硅化物的大小以及间距，从而调节应力作用大小。栅源间与栅漏间电子气浓度以及频率特性可以根据需要调节。
(4)本发明中由于采用槽栅结构，提高了栅极对二维电子气的控制作用，从而提高了器件的工作频率。
(5)本发明中由于采用了源场板结构，提高了器件的击穿电压。
附图说明
通过参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例，本发明的以上和其它方面及优点将变得更加易于清楚，在附图中：
图1是本发明器件的剖面结构示意图；
图2是物理原理说明图(极化电荷随硅化物宽度的变化)；
图3是本发明器件的制作工艺流程示意图。
具体实施方式
在下文中，现在将参照附图更充分地描述本发明，在附图中示出了各种实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施，且不应该解释为局限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完全的，并将本发明的范围充分地传达给本领域技术人员。
在下文中，将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。
参照图1，本发明器件包括衬底、本征GaN层、AlN隔离层、本征AlGaN层、AlGaN掺杂层、栅电极、源电极、漏电极、源场板、绝缘层、钝化层以及用于调节二维电子气浓度的硅化物；所述AlGaN掺杂层位于本征AlGaN层之上，所述AlGaN掺杂层开有凹槽，所述栅电极位于凹槽中，所述源电极、漏电极以及绝缘层位于AlGaN掺杂层之上，所述硅化物位于绝缘层之上，在衬底上外延生长有耗尽型AlGaN/GaN异质结材料，并在该异质结材料上形成有栅电极、源电极和漏电极，然后在AlGaN掺杂层上淀积一层绝缘层，绝缘层有厚绝缘层和薄绝缘层，其中厚绝缘层位于栅电极与漏电极之间，紧挨栅电极，厚度为200nm-700nm，薄绝缘层分别位于厚绝缘层与漏电极之间以及栅电极与源电极之间，厚度为5～10nm，在绝缘层上的栅漏区域以及栅源区域间，形成硅化物，硅化物为块状，并且引入应力，块间距小于块宽度，硅化物会对绝缘层、本征AlGaN层和AlGaN掺杂层引入压应力，位于硅化物之间的本征AlGaN层和AlGaN掺杂层会受到张应力，通过使块间距小于块宽度，使本征AlGaN层和AlGaN掺杂层总体获得张应力，从而使沟道中2DEG得到增强，所述的硅化物包括NiSi，TiSi2或Co2Si，将厚绝缘层上的硅化物与源电极电连接形成源场板结构，同时在器件上淀积有钝化层。
本发明中的衬底材料是蓝宝石、碳化硅、GaN或MgO，本征AlGaN层和AlGaN掺杂层中Al与Ga的组份能够调节，AlxGal-xN中的x＝0～1，本征GaN层能够替换为AlyGal-yN层，而AlyGal-yN中y的组份小于本征AlGaN层和AlGaN掺杂层的Al组份，即x＞y，绝缘层分为厚绝缘层与薄绝缘层，厚绝缘层位于栅电极与漏电极之间，紧挨栅电极，厚度为200nm-700nm，薄绝缘层分别位于厚绝缘层与漏电极之间以及栅电极与源电极之间，厚度为5～10nm。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。本发明可以有各种合适的更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种带源场板槽栅AlGaN/GaNHEMT器件结构，其特征在于：所述结构包括衬底、本征GaN层、AlN隔离层、本征AlGaN层、AlGaN掺杂层、栅电极、源电极、漏电极、源场板、绝缘层、钝化层以及用于调节二维电子气浓度的硅化物；所述AlGaN掺杂层位于本征AlGaN层之上，所述AlGaN掺杂层开有凹槽，所述栅电极位于凹槽中，所述源电极、漏电极以及绝缘层位于AlGaN掺杂层之上，所述硅化物位于绝缘层之上，在衬底上外延生长有耗尽型AlGaN/GaN异质结材料，并在该异质结材料上形成有栅电极、源电极和漏电极，然后在AlGaN掺杂层上淀积有一层绝缘层，绝缘层有厚绝缘层和薄绝缘层，其中厚绝缘层位于栅电极与漏电极之间，紧挨栅电极，厚度为200nm-700nm，薄绝缘层分别位于厚绝缘层与漏电极之间以及栅电极与源电极之间，厚度为5～10nm，在绝缘层上的栅漏区域以及栅源区域间，形成硅化物，硅化物为块状，并且引入应力，硅化物会对绝缘层、本征AlGaN层和AlGaN掺杂层引入压应力，位于硅化物之间的本征AlGaN层和AlGaN掺杂层受到张应力，通过使块间距小于块宽度，使本征AlGaN层和AlGaN掺杂层总体获得张应力，从而使沟道中2DEG得到增强，所述的硅化物包括NiSi，TiSi2或Co2Si，将厚绝缘层上的硅化物与源电极电连接形成源场板结构，同时在器件上淀积有钝化层。
2.根据权利要求1所述的带源场板槽栅AlGaN/GaNHEMT器件结构，其特征在于：其中的衬底的材料是蓝宝石、碳化硅、GaN或MgO。
3.根据权利要求1所述的带源场板槽栅AlGaN/GaNHEMT器件结构，其特征在于：本征AlGaN层和AlGaN掺杂层的Al与Ga的组份能够调节，AlxGa1-xN中x＝0～1。
4.根据权利要求1所述的带源场板槽栅AlGaN/GaNHEMT器件结构，其特征在于：其本征GaN层替换为AlyGa1-yN层，而AlyGa1-yN中y的组份小于本征AlGaN层和AlGaN掺杂层中的Al组份x，即x＞y。
5.基于带源场板槽栅AlGaN/GaNHEMT器件结构的制作方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)对外延生长的AlGaN/GaN材料进行有机清洗，用流动的去离子水清洗并放入HCl∶H2O＝1∶1的溶液中进行腐蚀30-60s，最后用流动的去离子水清洗并用高纯氮气吹干；
(2)对清洗干净的AlGaN/GaN材料进行光刻和干法刻蚀，形成有源区台面；
(3)对制备好台面的AlGaN/GaN材料进行光刻，形成源漏区，放入电子束蒸发台中淀积欧姆接触金属Ti/Al/Ni/Au＝20/120/45/50nm并进行剥离，最后在氮气环境中进行850℃、35s的快速热退火，形成欧姆接触；
(4)将器件放入磁控溅射反应室中制备Al2O3薄膜，工艺条件为：Al靶的直流偏置电压为100V，Ar气流量为30sccm，O2流量为10sccm，反应室的压力为0.5Pa，淀积300nm厚的Al2O3薄膜；
(5)对完成淀积的器件进行光刻显影，形成Al2O3薄膜的湿法腐蚀区，将材料放入HF∶H2O＝1∶10的溶液中，腐蚀3min～5min，将Al2O3腐蚀至5-10nm；
(6)然后将器件放入磁控溅射的反应室中同时溅射Ni和Si，工艺条件为：Ni靶的直流偏置电压为100V，Si靶的射频偏置电压为450V，载气Ar的流量为30sccm，共淀积100nm～150nm厚的混合金属薄膜；
(7)将淀积好薄膜的器件进行光刻，形成混合薄膜的刻蚀窗口区，并放入ICP干法刻蚀反应室中，工艺条件为：上电极功率为200W，下电极功率为20W，反应室压力为1.5Pa，CF4的流量为20sccm，Ar气的流量为10sccm，刻蚀时间为5min，经过干法刻蚀后在器件上留下来的硅化物为块状，并使得硅化物块之间的间距小于硅化物块宽度；
(8)将器件放入快速退火炉中，在氮气环境下进行450℃，30s的快速热退火，形成NiSi合金，硅化物会对绝缘层、本征AlGaN层和AlGaN掺杂层引入压应力，位于硅化物之间的本征AlGaN层和AlGaN掺杂层会受到张应力，块间距小于块宽度使得本征AlGaN层和AlGaN掺杂层总体获得张应力，从而使沟道中2DEG得到增强；
(9)对完成合金的器件进行光刻，形成栅极金属区域，并将器件放入ICP干法刻蚀反应室中，工艺条件为：上电极功率为200W，下电极功率为20W，反应室压力为1.5Pa，Cl2的流量为10sccm，Ar气的流量为10sccm，刻蚀时间为2～3min，刻蚀掉栅区域的Al2O3介质层以及部分AlGaN势垒层5～10nm；然后将器件放入HCl∶H2O＝1∶1的溶液中对刻蚀残留物进行去除，用流动的去离子水清洗并吹干后放入电子束蒸发台中淀积Ni/Au＝20/200nm并进行剥离，完成栅电极的制备；
(10)将完成栅极制备的器件放入PECVD反应室淀积SiN钝化膜，具体工艺条件为：SiH4的流量为40sccm，NH3的流量为10sccm，反应室压力为1～2Pa，射频功率为40W，淀积200nm～300nm厚的SiN钝化膜；
(11)将器件再次进行清洗、光刻显影，形成SiN薄膜的刻蚀区，并放入ICP干法刻蚀反应室中，工艺条件为：上电极功率为200W，下电极功率为20W，反应室压力为1.5Pa，CF4的流量为20sccm，Ar气的流量为10sccm，刻蚀时间为10min，将源极、漏极以及硅化物场板上面覆盖的SiN薄膜和Al2O3刻蚀掉；
(12)将器件进行清洗、光刻显影，并放入电子束蒸发台中淀积Ti/Au＝20/200nm的加厚电极和源场板，完成整体器件的制备。
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