CN104465403A - 增强型AlGaN/GaN HEMT器件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体器件，特别是增强型AlGaN/GaN HEMT的制备方法，其包括：（1）在衬底材料上先外延至少以缓冲层，以缓解衬底材料和GaN的晶格适配和应力适配，再外延高阻GaN层和20～100nm的无掺杂GaN；（2）在GaN层之上依次外延AlN层、InGaN层；（3）在InGaN层之上沉积氮化硅或氧化硅层；（4）利用光刻、腐蚀等工艺进行HEMT栅极选区，保留栅电极区域的氮化硅或氧化硅层；（5）在器件上进行AlGaN材料外延；（6）用湿法腐蚀去除栅电极区域氮化硅或氧化硅层和InGaN层；（7）在器件上制作HEMT 器件的源、漏、栅电极。本发明可以获得半导体器件，特别是增强型HEMT器件，且工艺可控，对器件结构没有损伤，尤其是保持GaN/AlGaN界面处的零损伤等特点，并使得器件具有优良性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体器件的制备工艺，具体涉及一种基于GaN宽禁带材料的增强型(E-mode)AlGaN/GaN HEMT(高速电子迁移率晶体管)器件的外延和制备工艺，属于半导体功率器件领域。
背景技术
半导体材料与技术是二十世纪最重要和最具影响的高科技之一，为了满足无线通信、雷达等应用对高频率、高带宽、高效率、高功率器件的需要，从二十世纪九十年代初开始，半导体电子器件的研究开始转向了宽禁带化合物半导体材料和器件。GaN材料的禁带宽度为3.4eV，击穿场强为3.3MV/cm，其与AlGaN形成的二维电子气迁移率大于2000cm2/V·s，载流子面浓度可达到1013量级，因而AlGaN/GaN HEMT更适合于高频大功率方面的应用。1993年世界上第一支GaN HEMT器件诞生，1996年GaN HEMT首次得到了微波功率特性，随后输出功率同最初的1.1W/mm2GHz提高了32.2W/mm4GHz和30.6W/mm8GHz，到了2011年已报道截止频率为343GHz和W波段输出功率密度达到了1.7W/mm95GHz。由于AlGaN/GaN HEMT根据常规的外延方法和制备工艺得到器件均为耗尽型，即阈值电压小于零，这就限制了其在电路中的应用，而增强型HEMT器件在集成电路中不需要负极性电压，降低了电路的复杂性和制作成本，还可以提高功率开关电路的安全性，所以，制作E-modeAlGaN/GaN HEMT器件是GaN HEMT大规模应用的必经之路。
到目前为止实现E-mode AlGaN/GaN HEMT器件有以下途径：(1)刻蚀凹栅，(2)F基等离子体处理，(3)生长薄的势垒层，(4)生长p-GaN盖帽层，(5)生长InGaN盖帽层等。，但由于这些途径固有的局限性，例如操作难度大、可重复性差等，使得前述的这些途径尚难以真正实施AlGaN/GaN HEMT正阈值电压工作。仅仅以刻蚀凹栅为例，其可以减少栅极到沟道的距离，效提高器件的阈值电压，然而在HEMT器件制备中刻蚀凹栅必须精确控制刻蚀深度，降低等离子体刻蚀引起的损伤，其重复性较差。可重复性的低损伤刻蚀对于制作增强型HEMT至关重要，2002年D.Buttari等人采用干法刻蚀结合湿法腐蚀每次移除0.5～0.6nm的AlGaN实现低损伤刻蚀，然而这种方法刻蚀耗时太长，对于规模性应用有很大局限性。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的主要目的在于提供一种增强型AlGaN/GaN HEMT器件的新制备方法。
为实现以上发明目的，本发明采用的技术方案包括：
一种半导体器件的制备方法，包括：
(1)在衬底材料上外延至少一缓冲层，用以缓解衬底材料和GaN材料的晶格适配和应力适配，再在缓冲层上外延生长具有高阻特性的GaN层和无掺杂GaN层；
(2)在所述无掺杂GaN层之上依次外延生长高温AlN层和InGaN层；
(3)在所述InGaN层之上沉积氮化硅或氧化硅层；
(4)利用刻蚀工艺进行HEMT器件的栅极选区，并保留栅电极区域的氮化硅或氧化硅层；
(5)在步骤(4)所获器件上外延生长AlGaN材料层；
(6)去除栅电极区域的氮化硅或氧化硅层以及InGaN层；
(7)在步骤(6)所获器件上制作源、漏、栅电极，并退火形成欧姆接触和肖特基接触。
进一步的，所述半导体器件为增强型AlGaN/GaN HEMT器件。
进一步的，所述衬底包括Si衬底或蓝宝石衬底，优选的，其厚度为500μm～1.5mm。
进一步的，步骤(1)中所述缓冲层的材质可优选自但不限于AlN，摩尔浓度为20-85％Al组分渐变的AlGaN或AlN/AlGaN超晶格结构。进一步的，在该Al组分渐变的AlGaN中，Al浓度是沿逐渐远离衬底的方向而相应变低。
进一步的，步骤(1)中所述高阻GaN层的厚度优选为2～4μm。
进一步的，步骤(1)中所述无掺杂GaN层优选采用缺陷密度低且电子浓度高、迁移率大于500的GaN层。
作为较为优选的实施方案之一，步骤(2)包括：以MOCVD外延工艺生长厚度为1～2nm的高温AlN层，其中外延温度大于1000℃；以及，以MOCVD外延工艺生长厚度为2～20nm的InGaN层，其中外延温度为600～800℃。
作为较为优选的实施方案之一，步骤(3)中所述氮化硅或氧化硅层的厚度为50～100nm，其CVD生长温度为100～350℃。
作为较为优选的实施方案之一，步骤(4)包括：在所述氮化硅或氧化硅层表面依次涂胶、曝光、显影、坚膜，刻蚀形成HEMT器件栅电极区域图形，其中在腐蚀所述氮化硅或氧化硅层时采用的刻蚀剂包括但不限于BOE溶液。
作为较为优选的实施方案之一，步骤(5)包括：将带有氮化硅或氧化硅栅区域图形的器件置入MOCVD设备进行高温刻蚀，刻蚀温度大于1000℃，气氛为H2，时间为2～20mins，然后外延生长厚度为20～30nm、Al组分的摩尔浓度为20～30％的AlGaN材料层。
作为较为优选的实施方案之一，步骤(6)包括：采用湿法腐蚀工艺去除栅电极区域的氮化硅或氧化硅层和InGaN层。
作为较为优选的实施方案之一，步骤(7)包括：利用PVD工艺在HEMT器件的源极和漏极区域沉积Ti/Al/Ti/Au或Ti/Al/Ni/Au结构，而在栅极区域沉积Ni/Au或Cr/Au结构，并分别经过退火工艺形成欧姆接触和肖特基接触。
与现有技术相比，本发明的优点包括：通过将器件外延和制备工艺有效结合而实现增强型AlGaN/GaN HEMT器件，具有工艺可控，对HEMT器件结构没有损伤，尤其是保持GaN/AlGaN界面处的零损伤等特点，并使得器件具有优良性能。
附图说明
图1是本发明一典型实施例中一种E-mode AlGaN/GaN HEMT的结构示意图；
图2是图1所示E-mode AlGaN/GaN HEMT的制备工艺流程图。
具体实施方式
以下结合一较为典型的具体实施案例对本发明的技术方案作更为具体的说明。
参阅图1-2，本实施例所涉及的一种E-modeAlGaN/GaN HEMT器件的制备方法包括如下步骤：
(1)在衬底材料上先外延一层或数层缓冲层，以缓解衬底材料和GaN的晶格适配和应力适配，再外延2～4μm具有高阻特性的GaN层和20～100nm的无掺杂GaN；(2)在GaN层之上外延1～2nm的薄层AlN，再外延5～20nm厚的InGaN层；(3)在AlN层之上沉积一层氮化硅或氧化硅；(4)利用光刻、腐蚀等工艺进行HEMT gate选区，保留栅电极区域的氮化硅或氧化硅；(5)在此样品上进行AlGaN材料外延；(6)用湿法腐蚀去除栅电极区域Si3N4或SiO2以及InGaN层；(7)在样品表面相应区域制作HEMT器件的源、漏、栅电极，退火得到欧姆接触和肖特基接触。
步骤(1)中，该衬底材料为厚度500到1.5mm厚的Si衬底或蓝宝石衬底，缓冲层为AlN，摩尔浓度为85-20％Al组分渐变的AlGaN或AlN/AlGaN超晶格结构，然后再外延2～4μm的高阻GaN，最后是缺陷密度低且电子浓度高的GaN，要求其迁移率大于500。
步骤(2)中，在GaN层之上外延1～2nm的高温AlN，其MOCVD外延温度大于1000℃，再外延2～20nm厚的InGaN层，其MOCVD外延温度为600～800℃。
步骤(3)中，运用CVD沉积一层厚度为50～100nm厚的氮化硅或氧化硅薄膜，生长温度为100～350℃。
步骤(4)中，在氮化硅或氧化硅薄膜表面涂胶，曝光，显影，坚膜，刻蚀形成HEMT栅(gate)电极区域图形，腐蚀氮化硅或氧化硅时利用BOE溶液。
步骤(5)中，把带有氮化硅或氧化硅栅区域图形的样品放入MOCVD设备进行高温刻蚀，刻蚀温度大于1000℃，气氛为H2，时间为2～20mins，然后进行AlGaN外延，其厚度为20～30nm，Al组分为20～30％。
步骤(6)中，用湿法腐蚀去除栅电极区域的氮化硅或氧化硅和InGaN薄层。
步骤(7)中，利用PVD在HEMT器件的源和漏区域沉积Ti/Al/Ti/Au或Ti/Al/Ni/Au，在gate区域沉积Ni/Au或Cr/Au，分别经过退火工艺形成欧姆接触和肖特基接触。
需要说明的是，本发明的制备工艺亦适于制备除HEMT器件之外的其它具有类似结构的半导体器件。
应当理解，以上说明及在图纸上所示的实施例，不可解析为限定本发明的设计思想。在本发明的技术领域里持有相同知识者可以将本发明的技术性思想以多样的形态改良变更，这样的改良及变更应理解为属于本发明的保护范围内。
Claims (10)
1. 一种增强型AlGaN/GaN HEMT器件的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）在衬底材料上外延至少一缓冲层，用以缓解衬底材料和GaN材料的晶格适配和应力适配，再在缓冲层上外延生长具有高阻特性的GaN层和无掺杂GaN层；
（2）在所述无掺杂GaN层之上依次外延生长高温AlN层和InGaN层；
（3）在所述InGaN层之上沉积氮化硅或氧化硅层；
（4）利用刻蚀工艺进行HEMT器件的栅极选区，并保留栅电极区域的氮化硅或氧化硅层；
（5）在步骤（4）所获器件上外延生长AlGaN材料层；
（6）去除栅电极区域的氮化硅或氧化硅层以及InGaN层；
（7）在步骤（6）所获器件上制作源、漏、栅电极，并退火形成欧姆接触和肖特基接触。
2. 根据权利要求1所述的增强型AlGaN/GaN HEMT器件的制备方法，其特征在于所述衬底包括厚度为500μm～1.5mm的Si衬底或蓝宝石衬底；
所述缓冲层的材质选自AlN，摩尔浓度为20-85% Al组分渐变的AlGaN或AlN/AlGaN超晶格结构。
3. 根据权利要求1所述的增强型AlGaN/GaN HEMT器件的制备方法，其特征在于步骤（1）中所述高阻GaN层的厚度为2～4μm，所述无掺杂GaN层为缺陷密度低且电子浓度高、迁移率大于500的GaN层。
4. 根据权利要求1所述的增强型AlGaN/GaN HEMT器件的制备方法，其特征在于步骤（2）包括：以MOCVD外延工艺生长厚度为1～2nm的高温AlN层，其中外延温度大于1000℃；以及，以MOCVD外延工艺生长厚度为2～20nm的InGaN层，其中外延温度为600～800℃。
5. 根据权利要求1所述的增强型AlGaN/GaN HEMT器件的制备方法，其特征在于步骤（3）中，所述氮化硅或氧化硅层的厚度为50～100nm，其CVD生长温度为100~350℃。
6. 根据权利要求1所述的增强型AlGaN/GaN HEMT器件的制备方法，其特征在于步骤（4）包括：在所述氮化硅或氧化硅层表面依次涂胶、曝光、显影、坚膜，刻蚀形成HEMT器件栅电极区域图形，其中在腐蚀所述氮化硅或氧化硅层时采用的刻蚀剂包括BOE溶液。
7. 根据权利要求1所述的增强型AlGaN/GaN HEMT器件的制备方法，其特征在于步骤（5）包括：将带有氮化硅或氧化硅栅区域图形的器件置入MOCVD设备进行高温刻蚀，刻蚀温度大于1000℃，气氛为H2，时间为2～20mins，然后外延生长厚度为20～30nm、Al组分的摩尔浓度为20～30%的AlGaN材料层。
8. 根据权利要求1所述的增强型AlGaN/GaN HEMT器件的制备方法，其特征在于步骤（6）包括：采用湿法腐蚀工艺去除栅电极区域的氮化硅或氧化硅层和InGaN层。
9. 根据权利要求1所述的增强型AlGaN/GaN HEMT器件的制备方法，其特征在于步骤（7）包括：利用PVD工艺在HEMT器件的源极和漏极区域沉积Ti/Al/Ti/Au或Ti/Al/Ni/Au结构，而在栅极区域沉积Ni/Au或Cr/Au结构，并分别经过退火工艺形成欧姆接触和肖特基接触。
10. 一种半导体器件的制备方法，其特征在于包括：
（1）在衬底材料上外延至少一缓冲层，用以缓解衬底材料和GaN材料的晶格适配和应力适配，再在缓冲层上外延生长具有高阻特性的GaN层和无掺杂GaN层；
（2）在所述无掺杂GaN层之上依次外延生长高温AlN层和InGaN层；
（3）在所述InGaN层之上沉积氮化硅或氧化硅层；
（4）利用刻蚀工艺进行HEMT器件的栅极选区，并保留栅电极区域的氮化硅或氧化硅层；
（5）在步骤（4）所获器件上外延生长AlGaN材料层；
（6）去除栅电极区域的氮化硅或氧化硅层以及InGaN层；
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