CN104659089B - 基于侧向外延技术的垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件及其制作方法 - Google Patents
基于侧向外延技术的垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件及其制作方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于侧向外延技术的垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件及其制作方法，该器件包括衬底、形成于衬底上的电流阻挡层以及侧向外延生长于电流阻挡层上的外延层，其中电流阻挡层上形成有电流导通通孔。本发明中电流阻挡层作为绝缘层能够很好的减小传统工艺中采用Mg掺杂、Mg离子注入提高势垒高度以及Al离子注入形成类似绝缘层所带来的离子注入损伤影响二维电子气浓度、自扩散、漏电大等而导致的问题，同时也避免二次外延生长所带来的成本高、时间消耗多、工艺复杂性等缺陷；另外本发明通过F离子注入对愈合不完全形成的空隙区进行隔离，使之不参与器件结构，有效减小了由空隙区所带来的漏电等问题。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别是涉及一种基于侧向外延技术的垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件及其制作方法。
背景技术
宽禁带半导体材料(禁带宽度大于2.2eV)在光电子器件以及电子器件上的应用已经超过了Si基和GaAs基器件。凭借大的禁带宽度和高的键合能，III-V族氮化物适用于高频大功率领域，如无线通信的基站、雷达、汽车电子等；以其具有出色的化学稳定性和热稳定性，适于制作耐高温和抗辐照的电子和光电子器件，航空航天、核工业、军用电子等恶劣环境对这种器件都有着迫切的需求。推动GaN材料水平进展的动力除了在光电器件方面的应用之外，还有在微波功率器件方面的应用，在这方面GaN材料主要以AlGaN/GaN异质结的形式用于高电子迁移率晶体管(HEMT)中。
目前垂直结构AlGaN/GaN HEMT发展中对于电流阻挡层和导通通孔Aperture一直是垂直结构HEMT发展的难点，现在对于垂直结构HEMT的电流阻挡层一般有三种方案：
(1)Mg掺杂形成P-GaN作为电流阻挡层与光刻刻蚀形成小孔进行二次外延。该方法采用首先生长P-GaN，生长完成以后光刻刻蚀形成一个小孔进行二次外延利用具有一定n型掺杂浓度的GaN填充小孔，这样对于二次外延生长带来了很大问题。具体参见A VerticalInsulated Gate AlGaN/GaN Heterojunction Field-Effect Transistor，JapaneseJournal of Applied Physics，Vol.46,No.21,2007,pp.L503–L505。AlGaN/GaN currentaperture vertical electron transistors with regrown channels,JOURNAL OFAPPLIED PHYSICS VOLUME 95,NUMBER 4。
(2)Mg离子注入形成P-GaN作为电流阻挡层。该方法在生长的本征GaN通过Mg离子注入形成P-GaN，同时导通通孔上方利用掩膜不进行Mg离子注入实现一个P-GaN作为电流阻挡层提高势垒高度，同时未被离子注入的GaN作为一个导通通孔使电流沿着导通通孔传输。具体参见Enhancement and Depletion Mode AlGaN/GaN CAVET With Mg-Ion-ImplantedGaN as Current Blocking Layer，IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS,VOL.29,NO.6, JUNE2008。
(3)Al离子注入形成类似绝缘层作为电流阻挡层。该方法通过在本征GaN层通过Al离子注入使GaN晶格损伤形成类似绝缘层，电流导通通孔利用掩膜不进行Al离子注入，会使未被Al离子注入的小孔电阻率较低，电流会优先选择这里通过。具体参见Current statusand scope of galliumnitride-based vertical transistors for high-powerelectronics application,Semicond.Sci.Technol.28(2013)074014(8pp)。
(4)采用侧向外延SiO2做电流阻挡层，其只是停留在模拟，同时也没有对于侧向外延生长过程中出现的空隙给出很好的解决技术，而是简单的通过模拟来验证一定的可行性，也没有具体的给出器件整个结构以及器件制作的模型。具体参见A novel AlGaN/GaNmultiple aperture vertical high electron mobility transistor with siliconoxide current blocking layer，Vacuum xxx(2014)1-5。
但是无论采用Mg离子注入或者掺杂，一方面会引入晶格损伤特别是对于作为电流阻挡层导致很大的漏电，另一方面Mg具有很强的记忆效应在二次外延过程中有很大的扩散作用。Al离子注入引入的晶格损伤导致的漏电以及电流崩塌效应特别严重，这种电流崩坍原因主要是由于Al注入引入的缺陷导致的，且Al注入带来的晶格损伤必须在很高的温度下才能修复，温度大概1350℃，对于工业用于比较复杂而且相对昂贵，同时大面积的离子注入带来的晶格损伤对二次外延的晶体质量有所影响；同时采用SiO2做电流阻挡层没有给出具体的器件结构以及回避侧向外延生长所带来愈合过程中产生空隙等问题。这些一直是制约着垂直结构目前发展的瓶颈。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于侧向外延技术的垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件及其制作方法，以克服现有技术中的不足。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明实施例公开了一种基于侧向外延技术的垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件，包括衬底、形成于所述衬底上的电流阻挡层，以及侧向外延生长于所述电流阻挡层上的外延层，所述电流阻挡层上形成有电流导通通孔。
优选的，在上述的基于侧向外延技术的垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件中，所述外延层还包括对愈合不完全形成的空隙区进行隔离的离子注入隔离区。
优选的，在上述的基于侧向外延技术的垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件中，所述电流阻挡层上还形成有加速愈合通孔区，该加速愈合通孔区的开口尺寸大于所述电流导通通孔。
优选的，在上述的基于侧向外延技术的垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件中，所述外延层包括依次形成于所述电流阻挡层上的愈合本征GaN层、本征GaN层和本征AlGaN层。
优选的，在上述的基于侧向外延技术的垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件中，所述垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件还包括与所述本征AlGaN层形成欧姆接触的源电极、通过钝化层设置于所述本征AlGaN层上的栅电极、以及形成于所述衬底底面上的漏电极。
优选的，在上述的基于侧向外延技术的垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件中，所述钝化层材料至少可选自Al2O3、SiNx、HfO2，但不限于此。
优选的，在上述的基于侧向外延技术的垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件中，所述电流阻挡层的材料可以为SiO2，但不限于此。
优选的，在上述的基于侧向外延技术的垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件中，所述电流阻挡层的厚度为≥10nm但＜1000nm。
优选的，在上述的基于侧向外延技术的垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件中，所述衬底可以为Si、蓝宝石或GaN衬底，但不限于此。
本发明实施例还公开了一种基于侧向外延技术的垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件的制作方法，其包括：
(1)在衬底正面形成电流阻挡层，并在电流阻挡层上加工形成小周期电流导通通孔区、大周期加速愈合通孔区掩膜，获得图形化衬底外延片；
(2)在图形化衬底外延片上生长垂直结构AlGaN/GaN HEMT结构，获得垂直结构AlGaN/GaN HEMT外延片；
(3)在所述垂直结构AlGaN/GaN HEMT外延片上形成钝化层；
(4)在具有完钝化层的垂直结构AlGaN/GaN HEMT外延片上设置源电极；
(5)在衬底背面制作漏电极，并进行欧姆接触退火；
(6)通过F离子注入对步骤(5)所形成的器件进行器件隔离，形成离子注入隔离区；
(7)器件隔离完成以后，在器件上制作栅电极。
在一更为具体的实施方式之中，所述制作方法还可包括：
(1)在衬底上沉积获得电流阻挡层，经过有机清洗、旋涂粘附剂、涂胶、显影、ICP刻蚀形成小周期电流导通通孔区、大周期加速愈合通孔区掩膜；
(2)在图形化衬底外延片上首先沉积一层愈合本征GaN层，然后生长AlGaN/GaNHEMT形成二维电子气，生长完成垂直结构AlGaN/GaN HEMT结构；
(3)对外延生长完的垂直结构AlGaN/GaN HEMT外延片进行有机清洗，用去离子水冲洗并用高纯氮气吹扫干净，然后沉积钝化层；
(4)对沉积完钝化层的垂直结构AlGaN/GaN HEMT外延片进行光刻和刻蚀，形成源区，放入电子束沉积台沉积欧姆接触金属并行剥离清洗；
(5)对利用电子束沉积源电极欧姆接触后对衬底背面沉积漏电极欧姆接触，沉积完以后对样品进行欧姆接触退火；
(6)样品退火完成以后，通过F离子注入对样品进行器件隔离，形成离子注入隔离区；
(7)器件隔离完成以后，进行清洗光刻形成栅电极区。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明提出了采用MOCVD侧向外延生长中的图形化SiO2作为电流阻挡层的新结构，相比传统的Mg掺杂、Mg离子注入阻挡层提高势垒高度以及Al离子注入形成高阻层，既进一步提高了电流阻挡层的势垒高度又利用其良好的绝缘性进而降低了垂直漏电。此外，相比传统的阻挡层结构，基于图形化SiO2的侧向外延技术可以得到更高的晶体质量。
(2)本发明采用侧向外延中图形化SiO2掩膜小周期导通通孔区、大周期加速愈合区的图形组合，尽量减小愈合界面处形成的空隙；同时在上述良好电流阻挡结构的基础上，进一步采用F注入隔离技术对电极引出区域进行隔离，进一步减少了由于此区域带来的漏电的影响。
(3)本发明只需要一次外延生长，避免了二次外延生长引入的更多的污染，可以简化生长工艺，降低生产成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1所示为本发明具体实施例中在电流阻挡层上形成电流导通通孔和加速愈合通孔区的结构示意图；
图2所示为本发明具体实施例中垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件的结构示意图；
图3所示为本发明具体实施例中垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件的制作工艺流程图。
具体实施方式
本发明实施例公开了一种基于侧向外延技术的垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件，包括衬底、以及形成于所述衬底上的电流阻挡层，所述电流阻挡层上形成有电流导通通孔，所述垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件还包括侧向外延生长于所述电流阻挡层上的外延层。
优选的，所述外延层包括依次形成于所述电流阻挡层上的愈合本征GaN层、本征GaN层和本征AlGaN层；所述垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件还包括与所述本征AlGaN层形成欧姆接触的源电极、通过钝化层设置于所述本征AlGaN层上的栅电极、以及形成于所述衬底底面上的漏电极。所述钝化层材料可选自但不限于Al2O3、氮化硅(SiNx)、HfO2。
在该技术方案中，器件导通时，电子从源电极沿着二维电子气沟道传输，当电子传输到电流导通通孔上方时，由于电流导通通孔的电阻率比较低，电子会优先选择向电流导通通孔传输也就是相对于水平方向上的垂直方向，电流导通通孔两侧为电流阻挡层阻挡电子只能在导通通孔传输，尽量减小除导通通孔处的漏电，电子最后到达漏电极，实现垂直结构AlGaN/GaN HEMT导通；当器件关态时，二维电子气沟道中栅下电子被耗尽使电子无法沿着二维电子气传输同时作为电流阻挡层阻止电子向漏电极传输，实现了垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件关态。
在该技术方案中，所述的电流阻挡层优选为SiO2电流阻挡层，采用SiO2电流阻挡层作为绝缘层能够很好的减小了传统的采用Mg掺杂、Mg离子注入提高势垒高度以及Al离子注入形成类似绝缘层所带来的离子注入损伤影响二维电子气浓度、自扩散、漏电大等等问题带来的影响，同时也避免二次外延生长所带来成本、时间消耗、工艺复杂性等难点；所述的愈合不完全形成的空隙区在图形化外延生长导致周围晶体质量变差一直是难以避免的问题，
在该技术方案中，电流阻挡层还可以采用其它一些能带带隙比GaN带隙宽的材料。其生长方式可以包括PECVD、LPCVD、ALD等。
优选的，所述外延层还包括对愈合不完全形成的空隙区进行隔离的离子注入隔离区， 该离子注入隔离区由F离子注入形成。
在该技术方案中，愈合不完全形成的空隙区在图形化外延生长导致周围晶体质量变差一直是难以避免的问题，本案通过F离子注入对该区域进行隔离不参与器件结构的一部分减小由空隙区所带来的漏电等问题，这种隔离方式不仅仅只有F注入也可以包括一些台面刻蚀隔离、N离子注入隔离等。
优选的，所述电流阻挡层上还形成有加速愈合通孔区，该加速愈合通孔区的开口尺寸大于所述电流导通通孔。
在该技术方案中，所述的SiO2图形化插入层也就是所说的电流阻挡层沉积在衬底上，每个周期上孔径较小的作为电流导通通孔，孔径大是为了更好的使侧向外延更好的愈合减小空隙的大小。
其中小周期作为电流的导通通孔这部分MOCVD外延生长时通过调节使孔的电导率比较低是器件导通的时候电子优先从此传输。
侧向外延生长过程中MOCVD生长由于Si-O的键能为799.6kJ/mol，比Si-N的439kJ/mol、Ga-N的103kJ/mol以及Ga-O的353.6kJ/mol大很多，因此外延生长首先沉积在没有掩膜的小周期导通通孔区、大周期加速愈合区，一方面可以保证小周期导通通孔区可以获得晶体质量较好的器件特性，由于一般首先沉积在未被掩膜覆盖的区域生长到一定厚度时材料会孔的两边外延生长，但是速率明显低于垂直方向，会导致不必要的愈合不完全空隙，本案采用大周期加速愈合区利用在小周期旁边刻蚀一个大周期的区域使材料外延生长时在小周期与大周期尽量减小不愈合空隙区域，同时为了避免由此带来漏电我们采用离子注入对此区域进行隔离保证垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件由于空隙所带来的不必要的漏电。
优选的，所述电流阻挡层的厚度为≥10nm但＜1000nm。
所述衬底可以为Si、蓝宝石或GaN衬底。
本发明实施例还公开了一种基于侧向外延技术的垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件的制作方法，包括：
(1)在衬底上沉积获得电流阻挡层，经过有机清洗、旋涂粘附剂、涂胶、显影、ICP刻蚀形成小周期电流导通通孔区、大周期加速愈合通孔区掩膜；
(2)在图形化衬底外延片上首先沉积一层愈合本征GaN层，然后生长AlGaN/GaNHEMT形成二维电子气，生长完成垂直结构AlGaN/GaN HEMT结构；
(3)对外延生长完的垂直结构AlGaN/GaN HEMT外延片进行有机清洗，用去离子水冲洗并用高纯氮气吹扫干净，然后沉积钝化层；
(4)对沉积完钝化层的垂直结构AlGaN/GaN HEMT外延片进行光刻和刻蚀，形成源区，放入电子束沉积台沉积欧姆接触金属并行剥离清洗；
(5)对利用电子束沉积源电极欧姆接触后对衬底背面沉积漏电极欧姆接触，沉积完以后对样品进行欧姆接触退火；
(6)样品退火完成以后，通过F离子注入对样品进行器件隔离，形成离子注入隔离区；
(7)器件隔离完成以后，进行清洗光刻形成栅电极区。
综上所述，图形化插入层也就是所述的电流阻挡层沉积在衬底上，每个周期上孔径较小的作为电流导通通孔，孔径大是为了更好的使侧向外延更好的愈合减小空隙的大小；所述的电流阻挡层作为绝缘层能够很好的减小了传统的采用Mg掺杂、Mg离子注入提高势垒高度以及Al离子注入形成类似绝缘层所带来的离子注入损伤影响二维电子气浓度、自扩散、漏电大等等问题带来的影响，同时也避免二次外延生长所带来成本、时间消耗、工艺复杂性等难点；所述的愈合不完全形成的空隙区在图形化外延生长导致周围晶体质量变差一直是难以避免的问题，本发明通过离子注入对该区域进行隔离不参与器件结构的一部分减小由空隙区所带来的漏电等问题；本发明具有很好的电流阻挡作用、低漏电、工艺简单等优点。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
典型的基于侧向外延利用SiO2做图形化插入层同时也作为电流阻挡层(currentblocking layer,CBL)实现了垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件结构。
一种基于侧向外延利用SiO2做图形化插入层同时也作为电流阻挡层(currentblocking layer,CBL)实现了垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件结构及其制作方法，包括以下步骤：
(1)利用PECVD、LPCVD等设备沉积生长一定厚度的SiO2作为电流阻挡层3，经过有机清洗、旋涂粘附剂、涂胶、显影、ICP刻蚀形成小周期导通通孔区、大周期加速愈合区掩膜。
(2)对形成的图形化衬底外延片首先进行有机清洗，在进行MOCVD或者MBE外延生长前放入200℃烘箱中烘2小时后除去表面水份以及杂质，为MOCVD或者MBE外延生长做准备。
(3)将图形化衬底外延片传送到MOCVD腔室，通过调节III/V比、温度、压力等条件首先沉积一层相对比较厚的本征GaN层6，加速侧向外延界面处的愈合区域，减小愈合不完全带来的空隙13，然后改变生长条件生长AlGaN 7/GaN 8 HEMT形成二维电子气，生长完成垂直结构AlGaN/GaN HEMT结构。
(4)对外延生长完的垂直结构AlGaN/GaN HEMT外延片进行有机清洗，用去离子水冲洗并用高纯氮气吹扫干净，然后利用LPCVD或者PECVD沉积SiO2、HfO2、Al2O3或者SiNx等钝化层。
(5)对沉积完SiNx钝化层的垂直结构AlGaN/GaN HEMT外延片进行光刻和刻蚀，形成源区10，放入电子束沉积台沉积欧姆接触金属Ti/Al/Ni/Au(20nm/130/nm/50nm/150nm)并行剥离清洗9。
(6)对利用电子束沉积源电极欧姆接触10后对衬底背面沉积漏电极欧姆接触1，同样利用电子束沉积Ti/Al/Ni/Au(20nm/130/nm/50nm/150nm)并并行剥离清洗。沉积完以后对样品进行890℃30s欧姆接触退火。
(7)样品退火完成以后，对样品进行器件隔离，器件隔离一方面是使每个AlGaN/GaN器件之间没有相互的影响，另一方面器件隔离那些由于愈合不完全导致空隙13以及愈合界面处缺陷带来的漏电的影响。
(8)器件隔离完成以后，进行清洗光刻形成栅电极区，同样利用电子束沉积Ni/Au(50/250nm)进行剥离在400℃10min退火形成肖特基接触11完成整个器件的制作，见附图3。
(9)器件制作完成，测试分析。
该垂直结构AlGaN/GaN HEMT的工作原理是：当栅电极电压大于阈值电压时，电子从源电极10沿着AlGaN层8/GaN层7界面处的二维电子气沟道14传输，当传输到小周期导通通孔5上方时，由于小周期导通通孔的电阻率较低，电子会在垂直方向上沿着小周期导通通孔传输，最后达到漏电极1，由于小周期导通通孔旁边为SiO2电流阻挡层(图形化插入层)对电子有很强的电流阻挡作用，所以大部分电子会沿着小周期导通通孔传输，这样垂直结构AlGaN/GaN HEMT处于开态状态下；当栅电极电压小于阈值电压时，栅电 极下的二维电子气被耗尽，无法进行电子在二维电子气沟道的传输，也就无法使电子在导通通孔的垂直方向传输，这样垂直结构AlGaN/GaN HEMT处于关态状态下，通过调节本发明导通通孔大小Lap、源栅之间距离Lgs以及栅电极扩充距离Lgo大小可以实现不同栅控器件特性的垂直结构AlGaN/GaN HEMT。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于侧向外延技术的垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件，其特征在于包括衬底、形成于所述衬底上的电流阻挡层以及侧向外延生长于所述电流阻挡层上的外延层，所述外延层还包含对愈合不完全形成的空隙区进行隔离的离子注入隔离区，所述电流阻挡层上形成有电流导通通孔和加速愈合通孔区，所述加速愈合通孔区的开口尺寸大于所述电流导通通孔。
2.根据权利要求1所述的基于侧向外延技术的垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件，其特征在于：所述外延层包括依次形成于所述电流阻挡层上的愈合本征GaN层、本征GaN层和本征AlGaN层。
3.根据权利要求2所述的基于侧向外延技术的垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件，其特征在于还包括与所述本征AlGaN层形成欧姆接触的源电极、通过钝化层设置于所述本征AlGaN层上的栅电极，以及形成于所述衬底底面上的漏电极。
4.根据权利要求3所述的基于侧向外延技术的垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件，其特征在于：所述钝化层的材质至少选自Al2O3、SiNx或HfO2。
5.根据权利要求1所述的基于侧向外延技术的垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件，其特征在于：所述电流阻挡层的材质包括SiO2。
6.根据权利要求1所述的基于侧向外延技术的垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件，其特征在于：所述电流阻挡层的厚度为≥10nm但＜1000nm。
7.根据权利要求1所述的基于侧向外延技术的垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件，其特征在于：所述衬底包括Si、蓝宝石或GaN衬底。
8.权利要求1至7中任一所述的基于侧向外延技术的垂直结构AlGaN/GaN HEMT器件的制作方法，其特征在于包括：
(1)在衬底正面形成电流阻挡层，并在电流阻挡层上加工形成小周期电流导通通孔区、大周期加速愈合通孔区掩膜，获得图形化衬底外延片；
(2)在图形化衬底外延片上生长垂直结构AlGaN/GaN HEMT结构，获得垂直结构AlGaN/GaN HEMT外延片；
(3)在所述垂直结构AlGaN/GaN HEMT外延片上形成钝化层；
(4)在具有钝化层的垂直结构AlGaN/GaN HEMT外延片上设置源电极；
(5)在衬底背面制作漏电极，并进行欧姆接触退火；
(6)通过F离子注入对步骤(5)所形成的器件进行器件隔离，形成离子注入隔离区；
(7)器件隔离完成以后，在器件上制作栅电极。
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