CN104037220B - 一种基于偶极子层浮栅结构的增强型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偶极子层浮栅结构的增强型AlGaN/GaN MISHEMT器件结构及其制作方法，自下而上依次包括衬底，GaN缓冲层，AlN隔离层、GaN沟道层，AlGaN本征层和AlGaN掺杂层，所述AlGaN掺杂层上设有源电极、栅电极和漏电极，上述结构的顶层还间隔淀积有钝化层，所述栅电极与所述AlGaN掺杂层之间设有PTFE绝缘层。本发明采用PTFE和ITO所产生的偶极子层实现了对2DEG浓度的控制，成功的减少了所控制部分的2DEG的浓度；本发明没有采用将F负离子注入AlGaN掺杂层的方法，一方面避免了对材料的晶格损伤，另一方面也避免了F离子在高温时发生移动造成器件阈值电压发生漂移。
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AlGaN/GaN的增强型器件结构及制作方法，对于高速低功耗电路有很高的使用价值。
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。
GaN HEMT器件由于其宽禁带特性，具有良好的高温特性和抗辐射特性，在恶劣环境下的GaN基集成电路中具有很好的应用前景。但是由于GaN中空穴和电子的迁移率差异很大，无论器件平面结构还是器件工作速度，以类似CMOS的方式制备互补对称GaN场效应管电路 单元都还难以实现。一个可行的方法是研制需要加正电压才能开启沟道的n型GaN增强型HEMT(E-HEMT)器件，通常又称为常关(normally off)器件。利用栅压的高低电平控制增强型器件的导通和关断，可实现GaN大功率开关器件和电路，以及增强/耗尽(E/D)模式的数字集成电路。
通常AlGaN/GaN异质结在材料制备完成时，已经形成高密度的二维电子气导电沟道，这样的材料制备的GaN HEMT器件都是耗尽器件(D-HEMT)，在栅极加负电压时器件才能处于关断状态，是一种常开(normally on)器件。为了实现与耗尽型器件完全兼容的增强型器件，需要采用一些特殊的结构或特殊的工艺来实现，主要有薄膜势垒，槽珊(可结合MIS结构)，栅下pn结，栅下区域氟等离子体注入等方法。
发明内容
本发明为了克服上述的不足，提供了一种基于偶极子层浮栅结构的增强型AlGaN/GaN MISHEMT器件结构结构及制作方法。
本发明的技术方案如下：
一种基于AlGaN/GaN的增强型器件，自下而上依次包括衬底，GaN缓冲层，AlN隔离层、GaN沟道层，AlGaN本征层和AlGaN掺杂层，所述AlGaN掺杂层上设有源电极、ITO栅电极和漏电极，上述结构的顶层还间隔淀积有钝化层，所述ITO栅电极与所述AlGaN掺杂层之间设有PTFE绝缘层。
所述衬底为蓝宝石、碳化硅、GaN和MgO中的一种或多种。
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PTFE绝缘层的厚度为5-10nm。
所述栅电极采用绝缘栅结构，减小栅漏电流。
所述钝化层内包括SiN、Al2O3、HfO2和HfSiO中的一种或多种
上述基于偶极子层浮栅结构的增强型AlGaN/GaN MISHEMT器件结构的制作步骤如下：
S1、对外延生长的AlGaN/GaN材料进行有机清洗；
S2、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；
S3、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，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；
S4、对完成合金的器件进行光刻，形成栅极金属区域，然后放入氧等离子处理室中对AlGaN表面进行轻度氧化处理，放入电子束蒸发台中，淀积5-10nm厚的PTFE薄膜，然后再蒸发200nm厚的ITO栅电极；
S5、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，形成绝缘栅电极结构；
S6、将完成栅极制备的器件放入PECVD反应室中淀积200nm-300nm厚的SiN钝化膜；
S7、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。
S8、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的加厚电极，完成整体器件的制备。
其中，步骤S1中采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；
步骤S3中Ti/Al/Ni/Au＝20/120/45/50nm；
步骤S4中在电子束蒸发台中的工艺条件为：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；
步骤S6中PECVD反应室中的工艺条件为：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。
步骤S7中ICP干法刻蚀反应室中的工艺条件为：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。
步骤S8中Ti/Au＝20/200nm。
本发明的有益效果如下：
1、本发明采用PTFE和ITO所产生的偶极子层实现了对2DEG浓度的控制，成功的减少了所控制部分的2DEG的浓度。
2、本发明没有采用将F负离子注入AlGaN掺杂层的方法，一方面避免了对材料的晶格损伤，另一方面也避免了F离子在高温时发生移动造成器件阈值电压发生漂移。
附图说明
图1是本发明实施例一种基于偶极子层浮栅结构的增强型AlGaN/GaN MISHEMT器件结构；
图2是本发明的制作流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施 例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示的一种基于偶极子层浮栅结构的增强型AlGaN/GaN MISHEMT器件结构，自下而上依次包括衬底1，GaN缓冲层2，AlN隔离层3、GaN沟道层4，AlGaN本征层5和AlGaN掺杂层6，所述AlGaN掺杂层6上设有源电极7、ITO栅电极10和漏电极9，上述结构的顶层还间隔淀积有钝化层8，所述ITO栅电极10与所述AlGaN掺杂层6之间设有PTFE绝缘层11。
所述衬底1为蓝宝石、碳化硅、GaN和MgO中的一种或多种。
所述AlGaN掺杂层6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PTFE绝缘层11的厚度为5-10nm。
所述栅电极10采用绝缘栅结构，减小栅漏电流。
所述钝化层8内包括SiN、Al2O3、HfO2和HfSiO中的一种或多种。
如图2所示，上述基于偶极子层浮栅结构的增强型AlGaN/GaN MISHEMT器件结构的制作步骤如下：
S1、对外延生长的AlGaN/GaN材料进行有机清洗；
S2、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；
S3、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，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；
S4、对完成合金的器件进行光刻，形成栅极金属区域，然后放入氧等离子处理室中对AlGaN表面进行轻度氧化处理，放入电子束蒸发台中，淀积5-10nm厚的PTFE薄膜，然后再蒸发200nm厚的ITO栅电 极；
S5、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，形成绝缘栅电极结构；
S6、将完成栅极制备的器件放入PECVD反应室中淀积200nm-300nm厚的SiN钝化膜；
S7、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。
S8、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的加厚电极，完成整体器件的制备。
其中，步骤S1中采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；
步骤S3中Ti/Al/Ni/Au＝20/120/45/50nm；
步骤S4中在电子束蒸发台中的工艺条件为：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；
步骤S6中PECVD反应室中的工艺条件为：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。
步骤S7中ICP干法刻蚀反应室中的工艺条件为：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。
步骤S8中Ti/Au＝20/200nm。
本发明的原理是：在PTFE结构上淀积ITO栅电极会在PTFE表面产生偶极子层。PTFE与ITO一侧会产生正离子，PTFE与AlGaN一侧会产生负离子，从而对正下方的2DEG浓度产生了耗尽作用，导致了 2DEG浓度的减小，从而可以形成增强型AlGaN/GaN MISHEMT的器件结构。
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)
1.一种基于偶极子层浮栅结构的增强型AlGaN/GaN MISHEMT器件结构，其特征在于，自下而上依次包括衬底，GaN缓冲层，AlN隔离层、GaN沟道层，AlGaN本征层和AlGaN掺杂层，所述AlGaN掺杂层上设有源电极、ITO栅电极和漏电极，上述结构的顶层还间隔淀积有钝化层，所述ITO栅电极与所述AlGaN掺杂层之间设有PTFE绝缘层。
2.根据权利要求1所述的基于偶极子层浮栅结构的增强型AlGaN/GaN MISHEMT器件结构，其特征在于，所述衬底为蓝宝石、碳化硅、GaN和MgO中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的基于偶极子层浮栅结构的增强型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所述的基于偶极子层浮栅结构的增强型AlGaN/GaN MISHEMT器件结构，其特征在于，所述PTFE绝缘层的厚度为5-10nm。
5.根据权利要求1所述的基于偶极子层浮栅结构的增强型AlGaN/GaN MISHEMT器件结构，其特征在于，所述栅电极采用绝缘栅结构，减小栅漏电流。
6.根据权利要求1所述的基于偶极子层浮栅结构的增强型AlGaN/GaN MISHEMT器件结构，其特征在于，所述钝化层内包括SiN、Al2O3、HfO2和HfSiO中的一种或多种。
7.基于偶极子层浮栅结构的增强型AlGaN/GaN MISHEMT器件结构的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、对外延生长的AlGaN/GaN材料进行有机清洗；
S2、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；
S3、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，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；
S4、对完成合金的器件进行光刻，形成栅极金属区域，然后放入氧等离子处理室中对AlGaN表面进行轻度氧化处理，放入电子束蒸发台中，淀积5-10nm厚的PTFE薄膜，然后再蒸发200nm厚的ITO栅电极；
S5、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，形成绝缘栅电极结构；
S6、将完成栅极制备的器件放入PECVD反应室中淀积200nm-300nm厚的SiN钝化膜；
S7、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；
S8、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的加厚电极，完成整体器件的制备。
8.根据权利要求7所述的基于偶极子层浮栅结构的增强型AlGaN/GaN MISHEMT器件结构的制作方法，其特征在于，
步骤S1中采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；
步骤S3中Ti/Al/Ni/Au＝20/120/45/50nm；
步骤S4中在电子束蒸发台中的工艺条件为：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；
步骤S6中PECVD反应室中的工艺条件为：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；
步骤S7中ICP干法刻蚀反应室中的工艺条件为：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；
步骤S8中Ti/Au＝20/200nm。
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