CN104037221B - 一种基于极化效应的复合场板高性能AlGaN/GaN HEMT器件结构及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于极化效应的复合场板高性能AlGaN/GaNHEMT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掺杂层上间隔设有源极、有机绝缘层和漏极，所述有机绝缘层上设有ITO栅电极，有机绝缘层与源极相邻的一侧也设有ITO，该有机绝缘层一侧的ITO与AlGaN掺杂层之间还设有一层栅介质；所述源极与有机绝缘层侧面的ITO之间设有钝化层，漏极与有机绝缘层之间也设有钝化层。本发明实现了对2DEG浓度的部分耗尽作用，实现了栅靠近漏端电场的调制，还提高了器件反偏时的击穿电压，还提高了器件的性能。
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极化效应的复合场板高性能AlGaN/GaNHEMT器件结构及其制作方法。
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MISHEMT、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MISHEMT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/GaNMISHEMT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/GaNMISHEMT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：参见Yuji Ando,Akio Wakejima,Yasuhiro Okamoto等的NovelAlGaN/GaN dual-field-plate FET with high gain,increased linearity andstability,IEDM2005,pp.576-579,2005。在AlGaN/GaN MISHEMT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，提供了一种采用场板结构和偶极子层对栅极靠近漏极端的电场进行调制的基于极化效应的复合场板高性能AlGaN/GaN HEMT器件结构及其制作方法。
本发明的技术方案如下：
基于极化效应的复合场板高性能AlGaN/GaN HEMT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掺杂层上间隔设有源极、有机绝缘层和漏极，所述有机绝缘层上设有ITO栅电极，有机绝缘层与源极相邻的一侧也设有ITO，该有机绝缘层一侧的ITO与AlGaN掺杂层之间还设有一层栅介质；所述源极与有机绝缘层侧面的ITO之间设有钝化层，漏极与有机绝缘层之间也设有钝化层。
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。
所述有机绝缘层为PTFE层，且PTFE层的厚度为200～300nm。
所述钝化层中包括SiN、Al2O3、HfO2和HfSiO中的一种或多种。
所述栅介质层中包括SiN、Al2O3、HfO2和HfSiO中的一种或多种。
本发明是这样实现的：在栅极靠漏极边缘附近淀积有机绝缘层PTFE，然后在PTFE结构上淀积ITO栅电极，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，从而提高了耗尽型器件的击穿电压。
上述基于极化效应的复合场板高性能AlGaN/GaNHEMT器件结构的制作步骤如下：
(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再放入HCl:H2O＝1:1的溶液中腐蚀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)将制备好欧姆接触的器件放入原子层淀积设备中，工艺条件为：生长温度为300℃,压力为2000Pa，H2O和TMAl的流量均为150sccm，淀积5～10nm厚的Al2O3介质；
(5)对完成淀积的器件进行光刻，形成Al2O3介质的腐蚀区，然后放入HF:H2O＝1:10的溶液中30s，腐蚀掉窗口区的Al2O3；
(6)对器件进行光刻，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0.5nm/s,淀积200～300nm厚的PTFE薄膜；
(7)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；
(8)对完成PTFE剥离的器件进行光刻，形成栅极以及栅极场板区，放入电子束蒸发台中淀积200nm厚的ITO栅金属；
(9)将淀积好栅电极和栅场板的器件放入丙酮溶液中浸泡30～60min，进行超声剥离，形成栅电极以及栅极场板结构；
(10)将完成栅极制备的器件放入PECVD反应室淀积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，将源极、漏极上面覆盖的SiN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，完成整体器件的制备。
其中，步骤(10)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，淀积200nm～300nm厚的SiN钝化膜。步骤(11)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,氩气的流量为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ITO作为栅场版，再次实现栅靠近漏端电场的调制，提高了AlGaN/GaNMISHEMT器件反偏时的击穿电压；
(3)本发明采用近给绝缘栅结构，减小了栅漏反偏时的栅极泄露电流，提高了器件的性能。
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是发明的示意图；
图2是发明的制作流程图。
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所示的基于极化效应的复合场板高性能AlGaN/GaNHEMT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掺杂层上间隔设有源极、有机绝缘层和漏极，所述有机绝缘层上设有ITO栅电极，有机绝缘层与源极相邻的一侧也设有ITO，该有机绝缘层一侧的ITO与AlGaN掺杂层之间还设有一层栅介质；所述源极与有机绝缘层侧面的ITO之间设有钝化层，漏极与有机绝缘层之间也设有钝化层。其中，有机绝缘层为PTFE层，且PTFE层的厚度为200～300nm。另外，所述衬底材料为蓝宝石、碳化硅、GaN或MgO，钝化层中包括SiN、Al2O3、HfO2和HfSiO中的一种或多种，栅介质层中包括SiN、Al2O3、HfO2和HfSiO中的一种或多种。而在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。
本发明在栅极靠漏极边缘附近淀积有机绝缘层PTFE，然后在PTFE结构上淀积ITO栅电极，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，从而提高了耗尽型器件的击穿电压。
如图2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 洗再放入HCl:H2O＝1:1的溶液中腐蚀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)将制备好欧姆接触的器件放入原子层淀积设备中，工艺条件为：生长温度为300℃,压力为2000Pa，H2O和TMAl的流量均为150sccm，淀积5～10nm厚的Al2O3介质；
(5)对完成淀积的器件进行光刻，形成Al2O3介质的腐蚀区，然后放入HF:H2O＝1:10的溶液中30s，腐蚀掉窗口区的Al2O3；
(6)对器件进行光刻，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0.5nm/s,淀积200～300nm厚的PTFE薄膜；
(7)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；
(8)对完成PTFE剥离的器件进行光刻，形成栅极以及栅极场板区，放入电子束蒸发台中淀积200nm厚的ITO栅金属；
(9)将淀积好栅电极和栅场板的器件放入丙酮溶液中浸泡30～60min，进行超声剥离，形成栅电极以及栅极场板结构；
(10)将完成栅极制备的器件放入PECVD反应室淀积SiN钝化膜，其工艺 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，在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,氩气的流量为10sccm，刻蚀时间为10min，将源极、漏极上面覆盖的SiN薄膜刻蚀掉；
(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，完成整体器件的制备。
上述依据本发明为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (8)
1.一种基于极化效应的复合场板高性能AlGaN/GaN HEMT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掺杂层上间隔设有源极、有机绝缘层PTFE和漏极，所述有机绝缘层PTFE上设有ITO栅电极，有机绝缘层PTFE与源极相邻的一侧设有ITO，所述ITO与AlGaN掺杂层之间还设有一层栅介质；所述源极与ITO之间设有钝化层1，漏极与有机绝缘层之间设有钝化层2。
2.根据权利要求1所述的基于极化效应的复合场板高性能AlGaN/GaN HEMT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所述的基于极化效应的复合场板高性能AlGaN/GaN HEMT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所述的基于极化效应的复合场板高性能AlGaN/GaN HEMT器件结构，其特征在于，所述有机绝缘层PTFE层的厚度为200～300nm。
5.根据权利要求1所述的基于极化效应的复合场板高性能AlGaN/GaN HEMT器件结构，其特征在于，所述钝化层1和2中包括SiN、Al2O3、HfO2和HfSiO中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的基于极化效应的复合场板高性能AlGaN/GaN HEMT器件结构，其特征在于，所述栅介质层中包括SiN、Al2O3、HfO2和HfSiO中的一种或多种。
7.一种基于极化效应的复合场板高性能AlGaN/GaN HEMT器件结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
(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再放入HCl:H2O＝1:1的溶液中腐蚀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)将制备好欧姆接触的器件放入原子层淀积设备中，工艺条件为：生长温度为300℃,压力为2000Pa，H2O和TMAl的流量均为150sccm，淀积5～10nm厚的Al2O3介质；
(5)对完成淀积的器件进行光刻，形成Al2O3介质的腐蚀区，然后放入HF:H2O＝1:10的溶液中30s，腐蚀掉窗口区的Al2O3；
(6)对器件进行光刻，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0.5nm/s,淀积200～300nm厚的PTFE薄膜；
(7)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；
(8)对完成PTFE剥离的器件进行光刻，形成栅极以及栅极场板区，放入电子束蒸发台中淀积200nm厚的ITO栅材料；
(9)将淀积好栅电极和栅场板的器件放入丙酮溶液中浸泡30～60min，进行超声剥离，形成栅电极以及栅极场板结构；
(10)将完成栅极制备的器件放入PECVD反应室淀积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，将源极、漏极上面覆盖的SiN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，完成整体器件的制备。
8.根据权利要求7所述的基于极化效应的复合场板高性能AlGaN/GaNHEMT器件结构的制作方法，其特征在于，步骤(10)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，淀积200nm～300nm厚的SiN钝化膜；
步骤(11)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,氩气的流量为10sccm，刻蚀时间为10min。
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