CN104538302B - 一种增强型hemt器件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种增强型HEMT器件的制备方法。本发明主要利用离子溅射的方式将金属钽溅射至栅区域AlGaN层表面，金属钽与AlGaN层反应生成化合物的同时，会消耗栅区域AlGaN层的厚度。AlGaN层势垒层的减薄使得栅区域下的二维电子气的密度减少，器件的转移特性曲线会正向移动，因此可以实现氮化镓增强型器件。本发明的有益效果为，避免了采用传统的高精度干法刻蚀等复杂工艺，具有简化工艺、可操作性高等特点。本发明尤其适用于氮化镓基增强型HEMT器件的制备，也可用来制备增强型MOS HEMT器件。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种增强型HEMT器件的制备方法。
背景技术
宽禁带半导体材料氮化镓具有禁带宽度大、临界击穿电场高、电子饱和漂移速度高等特点，能够满足下一代半导体功率器件对大功率、高频、高速、小体积的要求，特别适用于未来功率电子。以AlGaN/GaN为代表的氮化镓基器件具有更高的电子迁移率，该结构通过自发极化和压电极化产生高浓度的二维电子气(2DEG)，使得AlGaN/GaN功率器件电流密度大、导通电阻低、功率密度大。
AlGaN/GaN异质结器件由于自发极化和压电极化效应，通常为耗尽型器件。但耗尽型器件在电路应用中增加了功耗和设计复杂程度。同时在功率电子的应用中，增强型器件能够提高电路工作的安全性，在栅失效的情况下器件可以实现关断状态，实现失效保护的功能，所以实现增强型氮化镓器件是一个重要的研究方向。
为了实现增强型器件，需要减弱或者完全消除栅极区域的极化效应，从而降低二维电子气(2DEG)。其中一种方法就是采用凹槽技术。凹槽技术一般是利用干法刻蚀去掉栅极下的势垒层AlGaN，减薄势垒层AlGaN厚度，降低栅极以下的沟道二维电子气密度，从而使器件阈值电压正向移动。当阈值电压大于零时，器件变为增强型。此外还有P型氮化镓以及栅极区域氟离子注入等方式实现增强型器件。但是现有的实现增强型氮化镓器件的方法中，工艺较为复杂，可控制性和操作性一般较差，这限制了氮化镓器件的生产和应用。
发明内容
本发明的目的，就是针对目前氮化镓基增强型制备工艺中存在的缺点，提出一种增强型HEMT器件的制备方法。
本发明的技术方案：一种增强型HEMT器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.采用光刻工艺，在氮化镓基上层刻蚀出隔离区，隔离形成有源区和非有源区；其中，氮化镓基是指AlGaN/GaN、InGaN/GaN、InAlGaN/GaN等异质结材料，在本发明中特指AlGaN/GaN材料。
b.采用光刻工艺，在有源区两端分别刻蚀出源区和漏区，并淀积金属层形成金属化源极和金属化漏极；其中，制备所述源漏欧姆接触时淀积金属为钽/铝/钽(Ta/Al/Ta)或者是钛/铝/镍/金(Ti/Al/Ni/Au)，快速退火温度在700℃到850℃,时间在30秒到40秒，淀积欧姆接触方法为磁控溅射法或电子束蒸发法；
c.采用光刻工艺，在金属化源极和金属化漏极之间刻出栅区；
d.采用溅射工艺，在栅区淀积多层金属；
e.进行快速退火处理，所述快速退火的温度为700-850℃,时间为1-2分钟；在此过程中第一层金属与氮化镓基进行合金反应；
f.在器件表面淀积钝化层；
g.采用光刻工艺，在有源区分别刻出源极、漏极和栅极接触孔图形；
h.采用腐蚀液腐蚀接触孔绝缘层并去除光刻胶。
进一步的，步骤d中所述在栅区淀积多层栅金属为在栅区淀积三层钽金属，具体步骤为：
d1.采用磁控溅射法淀积第一层钽金属，所在的溅射腔体为氩气环境，氩气流量为10-20sccm，真空度为3mTorr；
d2.在氮气环境中采用磁控溅射法淀积第二层钽金属，该层钽金属与氮气反应生成氮化钽；其中，氮气流量为2-8sccm，真空度为3mTorr；
d3.采用磁控溅射法淀积第三层钽金属；其中，所在的溅射腔体为氩气环境，氩气流量为10-20sccm，真空度为3mTorr。
本方案提出了一种栅区金属具体的形成方法，第一次溅射钽金属与栅区表层氮化镓基进行合金反应，第二次在氮气环境中继续溅射金属钽至栅区域，生成氮化钽，第三次溅射金属至栅区域后，最后生成的栅区电极为Ta/TaN/Ta。
进一步的，所述步骤d中在栅区淀积多层金属的过程还包括，在淀积的第一层金属上淀积一层栅介质层。本方案提出在栅极金属下淀积栅介质层，目的是为了减少栅泄漏电流从而提高器件性能。具体步骤为：
d1.采用磁控溅射法淀积第一层钽金属，所在的溅射腔体为氩气环境，氩气流量为10-20sccm，真空度为3mTorr；
d2.采用原子束淀积法在第一层钽金属上淀积A12O3栅介质层；
d3.在氮气环境中采用磁控溅射法在A12O3栅介质层上淀积第二层钽金属，该层钽金属与氮气反应生成氮化钽；其中，氮气流量为2-8sccm，真空度为3mTorr。
本方案在上述栅区金属具体的形成方法中，提出添加栅介质层的方法。
在上述两种生成栅区金属的过程中，第一次溅射的金属钽与AlGaN层反应生成化合物的同时，会消耗栅区域AlGaN层的厚度。AlGaN层势垒层的减薄使得栅区域下的二维电子气的密度减少，器件的转移特性曲线会正向移动，因此可以实现氮化镓增强型器件。
进一步的，所述光刻工艺采用的光刻胶为S1818，光刻曝光方式为接触式曝光。
更进一步的，步骤f的具体方法为：
采用等离子体增强化学气相沉积或电感耦合等离子体化学气相淀积钝化层；所述钝化层为SiO2或Si3N4。
再进一步的，步骤h中所述腐蚀液为氢氟酸溶液。
本发明的有益效果为，避免了采用传统的高精度干法刻蚀等复杂工艺，具有简化工艺、可操作性高等特点。
附图说明
图1为实施例一的增强型氮化镓HEMT器件的结构示意图；
图2为实施例一的制备工艺流程中在衬底上层生成外延层后结构示意图；
图3为实施例一的制备工艺流程中刻蚀出隔离区后结构示意图；
图4为实施例一的制备工艺流程中刻蚀出源漏区后结构示意图；
图5为实施例一的制备工艺流程中生成金属化源漏后结构示意图；
图6为实施例一的制备工艺流程中刻蚀出栅区后结构示意图；
图7为实施例一的制备工艺流程中溅射栅极金属后结构示意图；
图8为实施例一的制备工艺流程中淀积钝化层后结构示意图；
图9为实施例一的制备工艺流程中热退火后栅极下沉结构示意图；
图10为实施例一的制备工艺流程中刻蚀出接触孔后结构示意图。
图11为实施例二的增强型氮化镓MOS HEMT器件的结构示意图；
图12为实施例二的制备工艺流程中在衬底上层生成延层后结构示意图；
图13为实施例二的制备工艺流程中刻蚀出隔离区后结构示意图；
图14为实施例二的制备工艺流程中刻蚀出源漏区后结构示意图；
图15为实施例二的制备工艺流程中生成金属化源漏后结构示意图；
图16为实施例二的制备工艺流程中刻蚀出栅区后结构示意图；
图17为实施例二的制备工艺流程中溅射钽金属、淀积栅介质、溅射钽金属后结构示意图；
图18为实施例二的制备工艺流程中热退火后钽金属下沉结构示意图；
图19为实施例二的制备工艺流程中淀积钝化层后结构示意图；
图20为实施例二的制备工艺流程中刻蚀出接触孔后结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的描述
本发明主要利用离子溅射的方式将金属钽溅射至栅区域AlGaN层表面，金属钽与AlGaN层反应生成化合物的同时，会消耗栅区域AlGaN层的厚度。AlGaN层势垒层的减薄使得栅区域下的二维电子气的密度减少，器件的转移特性曲线会正向移动，因此可以实现氮化镓增强型器件。
本发明中所述氮化镓增强型器件的栅极是在金属钽溅射至栅区域AlGaN层表面并与AlGaN层反应，再在氮气环境中继续溅射金属钽至栅区域，生成氮化钽作为栅区域金属化电极。
实施例一
如图1所示，本例的增强型氮化镓HEMT器件包括Si衬底101、位于Si衬底101上层的GaN层102、位于GaN层102上层的AlGaN层103；在AlGaN层103上层覆盖有保护层108；器件的有源区包括源极金属化接触104、漏极金属化接触105和位于源漏极之间的金属化栅极107；金属化栅极107与AlGaN层103之间为由金属钽与AlGaN层反应生成的化合物层106；源极金属化接触104上为源极欧姆接触孔109、漏极金属化接触105上为漏极欧姆接触孔110、金属化栅极108上为栅极接触孔111。
本例的制备步骤为：
(1)在Si衬底101上分别外延GaN层102及AlGaN层103，如图2所示；
(2)在AlGaN层103表面涂敷光刻胶，并采用接触式曝光进行光刻，刻蚀出非有源区域104和有源区域105，使各器件之间隔离，如图3所示；
(3)在AlGaN层103表面涂敷光刻胶106，采用接触式光刻蚀出源极欧姆接触图形107，漏极欧姆接触图形108，如图4所示；
(4)淀积钛/铝/镍/金(Ti/Al/Ni/Au)金属层，退火剥离形成金属化源极，金属化源极109、金属化漏极110，如图5所示；
(5)在AlGaN层103表面涂胶光刻111，采用接触式光刻蚀出栅区图形112，如图6所示；
(6)利用离子溅射的方式在栅区域AlGaN表面溅射一层金属钽，然后在氮气环境中利用离子溅射的方式溅射钽金属形成氮化钽，形成栅电极113，如图7所示；
(7)快速退火温度在700℃到850℃,时间在1-2分钟，金属钽与AlGaN生成化合物114，从而消耗了一定厚度的AlGaN，上层为氮化钽层115，如图8所示；
(8)在AlGaN层103表面淀积SiO2保护层116，如图9所示；
(9)在保护层116上涂胶，光刻，并刻蚀出源极欧姆接触孔117和漏极欧姆接触孔118和栅极接触孔119，如图10所示。
实施例二
由于GaN基HEMT还面临着些问题，如栅漏泄漏电流过大。用高k介质作栅介质的MISHEMT可有效减少栅泄漏电流提高器件性能。本例是利用金属钽与AlGaN层反应生成化合物消耗栅区域AlGaN层的厚度，同时采用Al2O3作栅介质层，由于Al2O3的绝缘特性会使栅泄漏电流有效减小，而且Al2O3具有较大的击穿电场可以扩大栅源偏置电压范围，从而实现具有更好性能的增强型MOS HEMT器件。
如图11所示，本例的增强型氮化镓MOS HEMT器件包括Si衬底201、位于Si衬底201上层的GaN层202、位于GaN层202上层的AlGaN层203；在AlGaN层203上层覆盖有保护层209；器件的有源区包括源极金属化接触204、漏极金属化接触205和位于源漏极之间的栅介质207以及栅极208，栅介质207与AlGaN层203之间为由金属钽与AlGaN层反应生成的化合物层206；源极金属化接触204上为源极欧姆接触孔210、漏极金属化接触205上为漏极欧姆接触孔211、栅极208上为栅极接触孔212。
本例的制备步骤为：
(1)在Si衬底201上分别外延GaN层202及AlGaN层203，如图12所示；
(2)在AlGaN层203表面涂敷光刻胶，并采用接触式曝光进行光刻，刻蚀出非有源区域204和有源区域205，使各器件之间隔离，如图13所示；
(3)在AlGaN层203表面涂敷光刻胶206，采用接触式光刻蚀出源极欧姆接触图形207，漏极欧姆接触图形208，如图14所示；
(4)淀积钛/铝/镍/金(Ti/Al/Ni/Au)金属层，退火剥离形成金属化源极，金属化源极209、金属化漏极210，如图15所示；
(5)在AlGaN层203表面涂胶光刻211，采用接触式光刻蚀出栅区图形212，如图16所示；
(6)采用溅射工艺，在栅区淀积一层钽金属213；然后用原子束淀积(ALD)的方法制备A12O3栅介质214；然后再用溅射工艺在A1203栅介质上淀积一层钽金属215，如图17所示；
(7)快速退火温度在700℃到850℃,时间在1-2分钟，金属钽213与AlGaN生成化合物216，从而消耗了一定厚度的AlGaN，如图18所示；
(8)在AlGaN层203表面淀积SiO2保护层217，如图19所示；
(9)在保护层217上涂胶，光刻，并刻蚀出源极欧姆接触孔218和漏极欧姆接触孔219和栅极接触孔220，如图20所示。
Claims (1)
1.一种增强型HEMT器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.采用光刻工艺，在氮化镓基上层刻蚀出隔离区，隔离形成有源区和非有源区；
b.采用光刻工艺，在有源区两端分别刻蚀出源区和漏区，并淀积金属层形成金属化源极和金属化漏极；
c.采用光刻工艺，在金属化源极和金属化漏极之间刻蚀出栅区；
d.采用溅射工艺，在栅区淀积多层金属；所述在栅区淀积多层栅金属为在栅区淀积3层钽金属，具体步骤为：
d1.采用磁控溅射法淀积第一层钽金属，所在的溅射腔体为氩气环境，氩气流量为10-20sccm，真空度为3mTorr；
d2.在氮气环境中采用磁控溅射法淀积第二层钽金属，该层钽金属与氮气反应生成氮化钽；其中，氮气流量为2-8sccm，真空度为3mTorr；
d3.采用磁控溅射法淀积第三层钽金属；其中，所在的溅射腔体为氩气环境，氩气流量为10-20sccm，真空度为3mTorr；
e.进行快速退火处理，所述快速退火的温度为700-850℃,时间为1-2分钟；在此过程中第一层金属与氮化镓基进行合金反应；
f.在器件表面淀积钝化层；
g.采用光刻工艺，在有源区分别刻蚀出源极、漏极和栅极接触孔；
h.采用腐蚀液腐蚀接触孔绝缘层并去除光刻胶。
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