CN104979195B - SiC基HEMT器件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于SiC材料的HEMT器件的制备方法，包括：清洗SiC衬底；将AlN薄膜淀积到SiC衬底上；将AlxGa1‑xN薄膜淀积到AlN薄膜上；将GaN薄膜淀积到AlxGa1‑xN薄膜上；对所述的AlN薄膜、AlxGa1‑xN薄膜、GaN薄膜的两侧进行ICP干法刻蚀，形成台面；在台面上制作Ti/Al/Ni/Au的4层金属，退火，形成基片；在基片上面淀积第一Si3N4钝化层；光刻蚀出窗口，在窗口内淀积栅金属电极；在第一Si3N4钝化层和栅金属电极上再次淀积第二Si3N4钝化层；刻蚀掉Ti/Al/Ni/Au的4层金属和栅金属电极上的第一Si3N4钝化层和第二Si3N4钝化层，互连金属完成器件制备。本发明具有高介电常数、高自发极化、高临界电场和晶格匹配的异质材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种在SiC材料中获取二维电子气的方法，具体涉及一种SiC基高迁移率晶体管(HEMT)器件的制备方法。
背景技术
第三代半导体碳化硅(SiC)具有优越的物理和电学特性，如宽带隙、高击穿场强、高热导率等特点。因而SiC基开关器件超越Si功率器件的极限，并在高功率、高频、高温电力电子领域占据绝对优势。
SiC是目前唯一可以氧化形成SiO2的化合物半导体，然而在SiC和SiO2界面存在着很高的界面态密度，它们不仅减少了SiC基MOS器件沟道中导电载流子，同时会形成散射中心进一步降低沟道迁移率，使得器件的导通电阻高，工作频率低。即使存在如JFET类的器件来避免MOS界面，但由于SiC中杂质的扩散系数非常低，多采用离子注入的方法对其掺杂，注入离子的激活温度相当高，这都会造成较大的晶体损伤因而迁移率并不是足够高。无论如何，为了降低SiC基功率开关器件通态损耗，必须提高导电载流子的迁移率或者增大导电载流子的密度。这就需要寻找一种新的基于SiC的载流子导电界面，从而制备出具有高面电导的SiC基功率场效应晶体管。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种SiC基HEMT器件的制备方法，具有高介电常数、高自发极化、高临界电场和晶格匹配的异质材料。使得该材料与SiC之间通过极化产生二维电子气，制备出具有高面电导的SiC基场效应晶体管。
本发明提供一种基于SiC材料的HEMT器件的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：清洗SiC衬底，去除表面氧化层，该SiC衬底的厚度为2-4μm；
步骤2：利用化学气相沉积或物理气相沉积将AlN薄膜淀积到清洗后的SiC衬底上；
步骤3：利用化学气相沉积或物理气相沉积将AlxGa1-xN薄膜淀积到AlN薄膜上；
步骤4：利用化学气相沉积或物理气相沉积将GaN薄膜淀积到AlxGa1-xN薄膜上；
步骤5：通过光刻，采用氯基气体对所述的AlN薄膜、AlxGa1-xN薄膜、GaN薄膜的两侧进行ICP干法刻蚀，刻蚀深度到达SiC衬底的表面，形成台面；
步骤6：在刻蚀形成的台面上制作自下而上的Ti/Al/Ni/Au的4层金属，退火，形成源、漏欧姆接触，形成基片；
步骤7：采用PECVD的方法，在基片上面淀积第一Si3N4钝化层，用以保护所述的源、漏欧姆接触；
步骤8：在GaN薄膜4上的第一Si3N4钝化层上光刻蚀出窗口，在窗口内淀积栅金属电极；
步骤9：在第一Si3N4钝化层和栅金属电极上再次淀积第二Si3N4钝化层；
步骤10：刻蚀掉Ti/Al/Ni/Au的4层金属和栅金属电极上的第一Si3N4钝化层和第二Si3N4钝化层，互连金属完成器件制备。
本发明的有益效果是：
a、与AlN、AlxGa1-xN与SiC晶格常数匹配度高，可以降低SiC基开关器件介质层与碳化硅的界面态密度，从而降低对载流子输运的散射，提高载流子迁移率。
b、由于SiC衬底以及沉积的AlN、AlxGa1-xN薄膜均为纤锌矿结构，且具有很强的自发极化，结合压电极化可以在界面处产生高浓度的二维电子气。由于量子阱的限制作用，进一步提升了导电沟道载流子的迁移率。
c、AlN、AlxGa1-xN和GaN薄膜的沉积速率比热氧化SiC得到SiO2要高，因此，可以提高器件的制备效率，降低成本。
d、避免了传统SiC功率器件中常用到的离子注入掺杂及高温激活工艺，从而降低了对半导体材料的晶格损伤，提高迁移率。
e、AlN、AlxGa1-xN和GaN三种材料的介电常数与SiO2相比较高，从而可以减小介质层的厚度，同时上述三种材料的临界击穿电场，特别是GaN的都非常高，所以可以提高SiC基功率器件的抗击穿能力与稳定性。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：
图1是本发明的制备流程图；
图2-7是本发明SiC基HEMT器件制作流程结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1并结合参阅图2-图7，本发明提供一种基于SiC材料的HEMT器件的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：清洗SiC衬底1，具体为：
a.依次用丙酮和乙醇超声清洗3遍，再用去离子水冲洗。
b.将有机超声后的SiC衬底1放在浓硫酸和双氧水溶液中至少煮10min。
c.将煮过浓硫酸的衬底1依次用一号液和二号液分别煮10min以上，再用去离子水冲洗干净后用氮气吹干待用，一号液为氨水、过氧化氢和去离子水的混合液，按体积比氨水∶过氧化氢∶去离子水＝1∶2∶5，二号液为盐酸、过氧化氢和去离子水的混合液，按体积比盐酸∶过氧化氢∶去离子水＝1∶2∶5。
d.将冲洗后的衬底1放入氢氟酸内浸泡至少1min，去除表面氧化层。
去除表面氧化层，该的厚度为2-4μm，所述的SiC衬底1是具有六方纤锌矿的结构，晶面方向为[0001]，该晶面为零偏角的晶面，该SiC衬底1为半绝缘衬底，可选择的将SiC衬底1分为两层，一层为半绝缘的衬底，一层为低浓度的n型或者P型掺杂衬底；
步骤2：利用化学气相沉积或物理气相沉积或其他外延生长材料的方法将AlN薄膜2沉积到清洗后的SiC衬底1上(参阅图2)，所述的沉积AlN薄膜2的Al源温度为1000-1100℃，所述的AlN薄膜2的厚度为1-2nm，该AlN薄膜2与SiC晶格常数匹配度高，从而提高了界面二维电子气的面电导；
步骤3：利用化学气相沉积或物理气相沉积或其他外延生长材料的方法将AlxGa1- xN薄膜3淀积到AlN薄膜2上(参阅图2)，所述的沉积AlxGa1-xN薄膜3的Ga源温度为900-1000℃，所述的AlxGa1-xN薄膜3的Al组分x的范围为0.2-0.4，所述的AlxGa1-xN薄膜3分为两层，一层的厚度为3-5nm，作为非掺杂的隔离层，另一层的厚度为15-25nm，作为势垒层，另一层为n型掺杂，可选择的为Si掺杂，掺杂浓度为1×1018cm-3-3×1018cm-3，所述的沉积隔离层的Al源温度为1000-1100℃，所述的沉积势垒层的Al源温度为1150-1250℃，；
步骤4：利用化学气相沉积或物理气相沉积或其他外延生长材料的方法将GaN薄膜4淀积到AlxGa1-xN薄膜3上(参阅图2)，所述的沉积GaN薄膜4的Ga源温度为900-1000℃，所述的GaN薄膜4的n型掺杂浓度为4×1018cm-3-6×1018cm-3，厚度为3-4nm；
步骤5：通过光刻形成掩膜图形，采用氯基气体对所述的AlN薄膜2、AlxGa1-xN薄膜3、GaN薄膜4的两侧进行ICP或RIE或其他方法的干法刻蚀，该氯基气体可以使BCl3，刻蚀深度到达SiC衬底1的表面，形成台面11(参阅图2)，所述的台面11根据光刻掩膜图形而定，宽度为0.2-0.8μm，所述的台面应保持光滑、侧壁陡直，可选择盐酸∶双氧水体积比为1∶6的溶液清洗刻蚀后的基片；
步骤6：在光刻形成的台面11上制作自下而上的Ti/Al/Ni/Au的4层金属50，通过剥离方法形成没有金属粘连、边缘整齐的金属图形，退火，形成源、漏欧姆接触，所述金属50的淀积方法可以是溅射或电子束蒸发等，欧姆接触的电阻应保持在1Ω·mm以下，形成基片(参阅图3)，所述的金属50应保证能够完全覆盖台面11，所述的金属夹层可选择的还有Ti、Cr、Pt、Pd、Mo等金属，所述退火的温度为600-1100℃，该退火气氛可以使氮气或氩气，所述退火的时间为30s-180s，可选择的退火方案为基于不同温度梯度的多步退火工艺；
步骤7：采用PECVD的方法，在基片上面淀积第一Si3N4钝化层7，用以保护所述的源、漏欧姆接触(参阅图4)，所述的第一Si3N4钝化层7的厚度与折射率应保证在设定的范围内；
步骤8：在GaN薄膜4上的第一Si3N4钝化层7上光刻蚀出窗口，所述的刻蚀第一Si3N4钝化层7的方法可以是氟基气体的干法刻蚀或磷酸溶液的湿法腐蚀，光刻后，在窗口内淀积栅金属电极8(参阅图5)，所述的栅金属电极8没有金属粘连、边缘整齐，所述的栅金属电极8为Ni/Au金属体系，可选择的肖特基栅金属为功函数高的金属如Pt、Ir、Pd等，所述的应确保不会脱落、良好的肖特基栅导电性，该栅金属电极8满足长度为0.7-0.9μm，和左侧源极金属50的间距为0.9-1.1μm，栅金属电极8和右侧漏极金属50的间距为3-4μm；
步骤9：在第一Si3N4钝化层7和栅金属电极8上再次淀积第二Si3N4钝化层9(参阅图6)，所述的第二Si3N4钝化层9的厚度与折射率应保证在设定的范围内；
步骤10：光刻形成掩膜后，刻蚀掉Ti/Al/Ni/Au的4层金属50和栅金属电极8上的第一Si3N4钝化层7和第二Si3N4钝化层9(参阅图7)，所述的刻蚀第一Si3N4钝化层7和第二Si3N4钝化层9的方法可以是氟基气体的干法刻蚀或磷酸溶液的湿法腐蚀，所述的刻蚀第一Si3N4钝化层7和第二Si3N4钝化层9需保证露出金属50和栅金属电极8，淀积金属，互连左侧源极金属50、右侧漏极金属50、栅电极金属8，该淀积金属的方法可以是溅射、电镀、真空蒸发等工艺，该互连的金属可以是Au，所述的互连金属的厚度要达到1μm以上，所述的互连金属应确保其良好的致密性、粘附性、均一性、导电性、传热性、等物理、化学和机械特性，完成器件制备。
其中所述的AlN薄膜2、AlxGa1-xN薄膜3、GaN薄膜4均为[0001]方向的Al(Ga)面材料，可选择的AlN薄膜2、AlxGa1-xN薄膜3、GaN薄膜4均为方向的N面材料且AlxGa1-xN薄膜3中的Al组分不超过0.6左右。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于SiC材料的HEMT器件的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：清洗SiC衬底，去除表面氧化层，该SiC衬底的厚度为2-4μm，所述的SiC衬底，是具有六方纤锌矿的结构，晶面方向为[0001]，该晶面为零偏角的晶面；
步骤2：利用化学气相沉积或物理气相沉积将AlN薄膜淀积到清洗后的SiC衬底上；
步骤3：利用化学气相沉积或物理气相沉积将AlxGa1-xN薄膜淀积到AlN薄膜上；
步骤4：利用化学气相沉积或物理气相沉积将GaN薄膜淀积到AlxGa1-xN薄膜上；
步骤5：通过光刻，采用氯基气体对所述的AlN薄膜、AlxGa1-xN薄膜、GaN薄膜的两侧进行ICP干法刻蚀，刻蚀深度到达SiC衬底的表面，形成台面；
步骤6：在刻蚀形成的台面上制作自下而上的Ti/Al/Ni/Au的4层金属，退火，形成源、漏欧姆接触，形成基片；
步骤7：采用PECVD的方法，在基片上面淀积第一Si3N4钝化层，用以保护所述的源、漏欧姆接触；
步骤8：在GaN薄膜4上的第一Si3N4钝化层上光刻蚀出窗口，在窗口内淀积栅金属电极；
步骤9：在第一Si3N4钝化层和栅金属电极上再次淀积第二Si3N4钝化层；
步骤10：刻蚀掉Ti/Al/Ni/Au的4层金属和栅金属电极上的第一Si3N4钝化层和第二Si3N4钝化层，互连金属完成器件制备。
2.根据权利要求1所述的基于SiC材料的HEMT器件的制备方法，其中所述的AlN薄膜的厚度为1-2nm。
3.根据权利要求1所述的基于SiC材料的HEMT器件的制备方法，其中所述的AlxGa1-xN薄膜的Al组分x的范围为0.2-0.4。
4.根据权利要求1所述的基于SiC材料的HEMT器件的制备方法，其中所述的GaN薄膜的n型掺杂浓度为4×1018cm-3-6×1018cm-3，厚度为3-4nm。
5.根据权利要求3所述的基于SiC材料的HEMT器件的制备方法，其中所述的AlxGa1-xN薄膜分为两层，一层的厚度为3-5nm，另一层的厚度为15-25nm，另一层为n型掺杂，掺杂浓度为1×1018cm-3-3×1018cm-3。
6.根据权利要求1所述的基于SiC材料的HEMT器件的制备方法，其中所述的AlN薄膜、AlxGa1-xN薄膜、GaN薄膜均为[0001]方向的Al和/或Ga面材料。
7.根据权利要求1所述的基于SiC材料的HEMT器件的制备方法，其中所述退火的温度为600-1100℃。
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