CN104037215B - 一种基于聚合物的增强型AlGaN/GaN MISHEMT器件结构及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于聚合物的增强型AlGaN/GaN MISHEMT器件结构及其制作方法，从下往上依次包括衬底、GaN缓冲层、AlN隔离层、GaN沟道层、AlGaN本征层和AlGaN掺杂层，所述AlGaN掺杂层上设有源极、LiF、钝化层1、ITO栅电极1、有机绝缘层PTFE和漏极，所述有机绝缘层上设有ITO栅电极2，所述ITO栅电极1一侧设有钝化层1，所述漏极与有机绝缘层PTFE间设有钝化层2，所述源极与钝化层1间设有LiF薄膜层，所述源极与LiF薄膜层上淀积有Al金属层。本发明利用LiF和Al所产生的偶极子层实现2DEG浓度的部分增加，并利用源场板结构提高器件的击穿电压。
Description
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，尤其是涉及一种基于聚合物的增强型AlGaN/GaNMISHEMT器件结及其制作方法。
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/GaN HEMT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，并且其迁移率很高，因此我们能够获得较高的器件频率特性。在提高AlGaN/GaN异质结电子迁移率晶体管击穿电压方面，人们进行了大量的研究，发现AlGaN/GaN HEMT器件的击穿主要发生在栅靠漏端，因此要提高器件的击穿电压，必须使栅漏区域的电场重新分布，尤其是降低栅靠漏端的电场，为此，人们提出了采用场板结构的方法：
采用场板结构。参见Yuji Ando,Akio Wakejima,Yasuhiro Okamoto等的NovelAlGaN/GaN dual-field-plate FET with high gain,increased linearity andstability,IEDM 2005,pp.576-579,2005。在AlGaN/GaN HEMT器件中采用场板结构，将器件的击穿电压有一个大幅度的提高，并且降低了栅漏电容，提高了器件的线性度和稳定性。
发明内容
本发明为了克服上述的不足，提供了一种基于聚合物的增强型AlGaN/GaNMISHEMT器件结构及其制作方法，同时采用场板结构和偶极子层对栅靠近漏端的电场进行调制。
本发明的技术方案如下：
一种基于聚合物的增强型AlGaN/GaN MISHEMT器件结构，从下往上依次包括衬底、GaN缓冲层、AlN隔离层、GaN沟道层、AlGaN本征层和AlGaN掺杂层，所述AlGaN掺杂层上设有源极、LiF、钝化层1、ITO栅电极1、有机绝缘层PTFE、钝化层2和漏极，所述有机绝缘层PTFE上设有ITO栅电极2，所述ITO栅电极1靠近源极一侧设有钝化层1，所述漏极与有机绝缘层PTFE间设有钝化层2，所述源极与钝化层之间淀积有LiF薄膜层，所述源极与LiF薄膜层上淀积有Al金属层。
所述衬底材料为蓝宝石、碳化硅、GaN或MgO。
所述AlGaN掺杂层中Al的组分含量在0～1之间，Ga的组分含量与Al的组分含量之和为1。
所述有机绝缘层PTFE层的厚度为200nm～300nm。
所述钝化层1和2中包括Si3N4、Al2O3、HfO2和HfSiO中的一种或多种。
上述的一种基于聚合物的增强型AlGaN/GaN MISHEMT器件结构通过以下方法制作：
(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后，
(2)将步骤(1)所得的材料放入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；
(3)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；
(4)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；
(5)将制备好欧姆接触的器件进行光刻，形成有机绝缘介质PTFE淀积区域，然后放入氧等离子处理室中对AlGaN表面进行轻度氧化处理，然后放入电子束蒸发台中：反应室真空抽至4.0×10-3帕，缓慢加电压使控制PTFE蒸发速率为0.1nm/s,淀积200-300nm厚的PTFE薄膜；
(6)将淀积好PTFE薄膜的器件放入丙酮溶液中浸泡30-60min，进行超声剥离；
(7)对完成PTFE剥离的器件进行光刻，形成栅以及栅场板区，放入电子束蒸发台中淀积200nm厚的ITO栅电极；
(8)将淀积好栅电极的器件放入丙酮溶液中浸泡30-60min，进行超声剥离，形成栅场板结构；
(9)将完成栅场板制备的器件进行光刻，形成绝缘介质LiF的淀积区域，然后放入电子束反应室真空抽至4.0×10-3帕，缓慢加电压使控制LiF蒸发速率为0.5nm/s,淀积100-200nm厚的LiF薄膜；
(10)将淀积好LiF薄膜的器件放入丙酮溶液中浸泡30-60min，进行超声剥离；
(11)对完成LiF制备的器件进行光刻，形成源场板区，放入电子束蒸发台中淀积200nm厚的Al金属；
(12)将淀积好Al金属的器件放入丙酮溶液中浸泡30-60min，进行超声剥离，形成源场板结构；
(13)将完成的器件放入PECVD反应室淀积SiN钝化膜；
(14)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，将源极、漏极上面覆盖的SiN薄膜刻蚀掉；
(15)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，完成整体器件的制备。
所述步骤(13)中的工艺条件为：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
所述步骤(14)中的工艺条件为：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。
本发明的有益效果是：
(1)本发明采用PTFE和ITO所产生的偶极子层实现了对2DEG浓度的部分耗尽作用，实现了栅靠近漏端电场的调制
(2)本发明同时利用了Al作为源场版，再次实现栅靠近漏端电场的调制。提高了AlGaN/GaN HEMT器件反偏时的击穿电压；
(3)本发明利用LiF和Al所产生的偶极子层实现了2DEG浓度的部分增加，并利用金属Al形成源场板，进一步提高了AlGaN/GaN HEMT器件反偏时的击穿电压。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明的示意图；
图2-4是本发明的制作流程图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示，本实施例提供了一种基于聚合物的增强型AlGaN/GaN MISHEMT器件结构，从下往上依次包括衬底、GaN缓冲层、AlN隔离层、GaN沟道层、AlGaN本征层和AlGaN掺杂层，所述AlGaN掺杂层上设有源极、LiF、钝化层1、ITO栅电极1、有机绝缘层PTFE、钝化层2和漏极，所述有机绝缘层PTFE上设有ITO栅电极2，所述ITO栅1靠近源极一侧设有钝化层1，所述漏极与有机绝缘层PTFE间设有钝化层2，所述源极与钝化层1之间淀积有LiF薄膜层，所述源极与LiF薄膜层上淀积有Al金属层，其中，所述衬底材料为蓝宝石、碳化硅、GaN或MgO，所述AlGaN掺杂层中Al的组分含量在0～1之间，Ga的组分含量与Al的组分含量之和为1，所述有机绝缘层PTFE层的厚度为200nm～300nm。所述钝化层1和2中包括Si3N4、Al2O3、HfO2和HfSiO中的一种或多种。
在栅靠漏边缘附近淀积有机绝缘层PTFE，然后在PTFE结构上淀积ITO电极，此时会在PTFE表面产生偶极子层：在PTFE与ITO一侧会产生正极化电荷，PTFE与AlGaN一侧会产生负极化电荷，从而对下方的2DEG浓度产生了耗尽作用，导致了2DEG浓度的减小，增加了栅电极反偏状态下沟道区域的耗尽长度，同时，利用Al与LiF接触所产生的反向电偶极子层的电场效应，使得LiF对应区域下方的2DEG的浓度上升，从而更进一步提高了耗尽型器件的击穿电压。
如图2-4所示，本发明的制作步骤如下：
(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后；
(2)将步骤(1)所得的材料放入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；
(3)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；
(4)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；
(5)将制备好欧姆接触的器件进行光刻，形成有机绝缘介质PTFE淀积区域，然后放入氧等离子处理室中对AlGaN表面进行轻度氧化处理，然后放入电子束蒸发台中：反应室真空抽至4.0×10-3帕，缓慢加电压使控制PTFE蒸发速率为0.1nm/s,淀积200-300nm厚的PTFE薄膜；
(6)将淀积好PTFE薄膜的器件放入丙酮溶液中浸泡30-60min，进行超声剥离；
(7)对完成PTFE剥离的器件进行光刻，形成栅以及栅场板区，放入电子束蒸发台中淀积200nm厚的ITO栅电极；
(8)将淀积好栅电极的器件放入丙酮溶液中浸泡30-60min，进行超声剥离，形成栅场板结构；
(9)将完成栅场板制备的器件进行光刻，形成绝缘介质LiF的淀积区域，然后放入电子束反应室真空抽至4.0×10-3帕，缓慢加电压使控制LiF蒸发速率为0.5nm/s,淀积100-200nm厚的LiF薄膜；
(10)将淀积好LiF薄膜的器件放入丙酮溶液中浸泡30-60min，进行超声剥离；
(11)对完成LiF制备的器件进行光刻，形成源场板区，放入电子束蒸发台中淀积200nm厚的Al金属；
(12)将淀积好Al金属的器件放入丙酮溶液中浸泡30-60min，进行超声剥离，形成源场板结构；
(13)将完成的器件放入PECVD反应室淀积SiN钝化膜；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；
(14)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、漏极上面覆盖的SiN薄膜刻蚀掉；
(15)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，完成整体器件的制备。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于聚合物的增强型AlGaN/GaN MISHEMT器件结构，其特征在于，从下往上依次包括衬底、GaN缓冲层、AlN隔离层、GaN沟道层、AlGaN本征层和AlGaN掺杂层，所述AlGaN掺杂层上设有源极、LiF、钝化层1、ITO栅电极1、有机绝缘层PTFE、钝化层2和漏极，所述有机绝缘层PTFE上设有ITO栅电极2，所述ITO栅电极1靠近源极一侧设有钝化层1，所述漏极与有机绝缘层PTFE间设有钝化层2，所述源极与钝化层1之间淀积有LiF薄膜层，所述源极与LiF薄膜层上淀积有Al金属层。
2.根据权利要求1所述的基于聚合物的增强型AlGaN/GaN MISHEMT器件结构，其特征在于，所述衬底材料为蓝宝石、碳化硅、GaN或MgO。
3.根据权利要求1所述的基于聚合物的增强型AlGaN/GaN MISHEMT器件结构，其特征在于，所述AlGaN掺杂层中Al的组分含量在0～1之间，Ga的组分含量与Al的组分含量之和为1。
4.根据权利要求1所述的基于聚合物的增强型AlGaN/GaN MISHEMT器件结构，其特征在于，所述有机绝缘层PTFE层的厚度为200nm～300nm。
5.根据权利要求1所述的基于聚合物的增强型AlGaN/GaN MISHEMT器件结构，其特征在于，所述钝化层1和2中包括Si3N4、Al2O3、HfO2和HfSiO中的一种或多种。
6.一种基于聚合物的增强型AlGaN/GaN MISHEMT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；
(2)将步骤(1)所得的材料放入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；
(3)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；
(4)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；
(5)将制备好欧姆接触的器件进行光刻，形成有机绝缘介质PTFE淀积区域，然后放入氧等离子处理室中对AlGaN表面进行轻度氧化处理，然后放入电子束蒸发台中：反应室真空抽至4.0×10-3帕，缓慢加电压使控制PTFE蒸发速率为0.1nm/s,淀积200-300nm厚的PTFE薄膜；
(6)将淀积好PTFE薄膜的器件放入丙酮溶液中浸泡30-60min，进行超声剥离；
(7)对完成PTFE剥离的器件进行光刻，形成栅以及栅场板区，放入电子束蒸发台中淀积200nm厚的ITO栅电极；
(8)将淀积好栅电极的器件放入丙酮溶液中浸泡30-60min，进行超声剥离，形成栅场板结构；
(9)将完成栅场板制备的器件进行光刻，形成绝缘介质LiF的淀积区域，然后放入电子束反应室真空抽至4.0×10-3帕，缓慢加电压使控制LiF蒸发速率为0.5nm/s,淀积100-200nm厚的LiF薄膜；
(10)将淀积好LiF薄膜的器件放入丙酮溶液中浸泡30-60min，进行超声剥离；
(11)对完成LiF制备的器件进行光刻，形成源场板区，放入电 子束蒸发台中淀积200nm厚的Al金属；
(12)将淀积好Al金属的器件放入丙酮溶液中浸泡30-60min，进行超声剥离，形成源场板结构；
(13)将完成的器件放入PECVD反应室淀积SiN钝化膜；
(14)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，将源极、漏极上面覆盖的SiN薄膜刻蚀掉；
(15)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，完成整体器件的制备。
7.根据权利要求6所述的一种基于聚合物的增强型AlGaN/GaN MISHEMT器件结构的制作方法，其特征在于，所述步骤(13)中的工艺条件为：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。
8.根据权利要求6所述的一种基于聚合物的增强型AlGaN/GaN MISHEMT器件结构的制作方法，其特征在于，所述步骤(14)中的工艺条件为：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。
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