CN104037222B - 一种基于有机聚合物极化效应的高压槽栅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有机聚合物极化效应的高压槽栅AlGaN/GaN HEMT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、钝化层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，所述源极与有机绝缘层PTFE、ITO栅电极之间设有钝化层1，漏极与有机绝缘层PTFE、ITO栅电极之间设有钝化层2。本发明采用PTFE和ITO栅电极所产生的偶极子层实现了对2DEG浓度的控制，成功的减少了栅区域2DEG的浓度，提高了器件的阈值电压。
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有机聚合物极化效应的高压槽栅AlGaN/GaN HEMT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器件，通常又称为常关器件。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，在栅极加负电压时器件才能处于关断状态，是一种常开器件。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，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，提供了一种能减小2DEG浓度的基于有机聚合物极化效应的高压槽栅AlGaN/GaN HEMT器件结构及其制作方法。
本发明的技术方案如下：
一种基于有机聚合物极化效应的高压槽栅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掺杂层上设有源极、钝化层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，所述源极与有机绝缘层PTFE、ITO栅电极之间设有钝化层1，漏极与有机绝缘层PTFE、ITO栅电极之间也设有钝化层2。
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5～10nm。
所述钝化层1和2中包括Si3N4、Al2O3、HfO2和HfSiO中的一种或多种。
本发明是这样实现的：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栅电极的一侧会产生正离子，PTFE与AlGaN的一侧会产生负离子，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/GaNMISHEMT的器件结构。
上述基于有机聚合物极化效应的高压槽栅AlGaN/GaN HEMT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ICP干法刻蚀反应室中进行光刻，然后再放入ICP干法刻蚀反应室中；
(5)再对器件进行光刻，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，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5～10nm厚的PTFE薄膜，然后再蒸发200nm厚的ITO栅电极；
(6)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；
(7)将完成栅极制备的器件放入PECVD反应室淀积Si3N4钝化膜；
(8)将器件再次进行清洗、光刻显影，形成Si3N4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Si3N4薄膜刻蚀掉；
(9)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(4)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，Cl2的流量为10sccm,N2的流量为10sccm；
步骤(7)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Si3N4钝化膜；
步骤(8)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。
本发明的有益效果是：
(1)本发明采用PTFE和ITO栅电极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；
(3)本发明采用槽栅结构，增强了栅极对沟道2DEG的控制作用，提高了器件的频率性能。
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所示的基于有机聚合物极化效应的高压槽栅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掺杂层上设有源极、钝化层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，所述源极与有机绝缘层PTFE、ITO栅电极之间设有钝化层1，漏极与有机绝缘层PTFE、ITO栅电极之间也设有钝化层2。其中，所述有机绝缘层PTFE层厚度为5～10nm。另外，所述衬底材料为蓝宝石、碳化硅、GaN或MgO，钝化层1和2中包括Si3N4、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PTFE结构上淀积ITO栅电极会在PTFE表面产生偶极子层。PTFE与ITO栅电极的一侧会产生正离子，PTFE与AlGaN的一侧会产生负离子，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。
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ICP干法刻蚀反应室中进行光刻，然后再放入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，Cl2的流量为10sccm,N2的流量为10sccm；
(5)再对器件进行光刻，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，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5～10nm厚的PTFE薄膜，然后再蒸发200nm厚的ITO栅电极；
(6)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；
(7)将完成栅极制备的器件放入PECVD反应室淀积Si3N4钝化膜，具体的工艺条件为：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Si3N4钝化膜；
(8)将器件再次进行清洗、光刻显影，形成Si3N4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,Ar气的流量为10sccm，刻蚀时间为10min，将源极、漏极上面覆盖的Si3N4薄膜刻蚀掉；
(9)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 (7)
1.一种基于有机聚合物极化效应的高压槽栅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掺杂层上设有源极、钝化层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，所述源极与有机绝缘层PTFE、ITO栅电极之间设有钝化层1，漏极与有机绝缘层PTFE、ITO栅电极之间设有钝化层2。
2.根据权利要求1所述的基于有机聚合物极化效应的高压槽栅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所述的基于有机聚合物极化效应的高压槽栅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所述的基于有机聚合物极化效应的高压槽栅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5～10nm。
5.根据权利要求1所述的基于有机聚合物极化效应的高压槽栅AlGaN/GaN HEMT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。
6.一种基于有机聚合物极化效应的高压槽栅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ICP干法刻蚀反应室中进行光刻，然后再放入ICP干法刻蚀反应室中；
(5)再对器件进行光刻，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，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5～10nm厚的PTFE薄膜，然后再蒸发200nm厚的ITO栅电极；
(6)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；
(7)将完成栅极制备的器件放入PECVD反应室淀积Si3N4钝化膜；
(8)将器件再次进行清洗、光刻显影，形成Si3N4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Si3N4薄膜刻蚀掉；
(9)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所述的基于有机聚合物极化效应的高压槽栅AlGaN/GaN HEMT器件结构的制作方法，其特征在于，步骤(4)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，Cl2的流量为10sccm，N2的流量为10sccm；
步骤(7)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Si3N4钝化膜；
步骤(8)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。
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