CN105226093A - GaN HEMT器件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种GaN？HEMT器件及其制作方法。该器件包括由下而上依次形成的衬底、AlN成核层、GaN沟道层、AlN隔离层、AlXGa1-XN肖特基势垒层和GaN帽层，该沟道层和该隔离层之间具有二维电子气，该肖特基势垒层进行δ掺杂，GaN帽层表面分别沉积有介质钝化层、源极金属和漏极金属，介质钝化层上沉积有栅极金属，栅极金属与GaN帽层接触，介质钝化层上沉积有第一介质层，第一介质层上形成有金属场板和第二介质层，第二介质层覆盖金属场板，介质钝化层和第一介质层具有张应力，第二介质层具有压应力。本发明能够在适当减少AlXGa1-XN中X的含量情况下，提高二维电子气的浓度和改善器件高频特性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，特别是涉及一种GaNHEMT器件及其制作方法。
背景技术
相比常规的半导体材料，GaN作为宽禁带半导体材料的典型代表，具有更宽的禁带宽度、更高的饱和电子漂移速度、更大的临界击穿电场强度和更好的导热性能等优点，更重要的是GaN能够与AlGaN形成AlGaN/GaN异质结，便于制作HEMT(HighElectronMobilityTransistor，高电子迁移率晶体管)器件。
在GaNHEMT器件中，AlGaN势垒层与GaN沟道层形成异质结，产生2DEG(二维电子气)，但是在AlGaN势垒层，AlxGa1-xN中Al的含量X在设计中存在一定矛盾，需要进行权衡：如果X越高，理论上二维电子气的浓度越高，Idss(饱和漏源电流)越高，但是因为GaN与AlGaN存在晶格常数差异，X越高AlGaN势垒层生长控制越不易实现，导致在AlGaN势垒层与GaN沟道层的界面之间容易产生缺陷，造成界面处散射，影响器件高频特性。如果X越低，AlGaN势垒层生长较容易，但二维电子气的浓度较低。因此，仅仅依靠X的取值难以同时达到提高二维电子气的浓度和改善器件高频特性的目的。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种GaNHEMT器件及其制作方法，能够在适当减少AlXGa1-XN中X的含量情况下，提高二维电子气的浓度和改善器件高频特性。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种GaNHEMT器件，包括由下而上依次形成的衬底、AlN成核层、GaN沟道层、AlN隔离层、AlXGa1-XN肖特基势垒层和GaN帽层，所述GaN沟道层与所述AlXGa1-XN肖特基势垒层形成有二维电子气，所述二维电子气位于所述GaN沟道层和所述AlN隔离层之间，所述AlXGa1-XN肖特基势垒层含有通过δ掺杂形成的掺杂层，所述掺杂层邻近所述AlN隔离层，所述GaN帽层表面的两侧分别沉积有源极金属和漏极金属，所述源极金属和漏极金属之间的GaN帽层上沉积有介质钝化层，所述介质钝化层上沉积有栅极金属，所述栅极金属嵌入所述介质钝化层并与所述GaN帽层接触，所述介质钝化层上沉积有第一介质层，所述第一介质层上形成有金属场板和第二介质层，所述金属场板位于所述栅极金属和所述漏极金属之间，所述第一介质层覆盖所述源极金属和漏极金属，所述第二介质层覆盖所述金属场板，所述介质钝化层和所述第一介质层具有张应力，所述第二介质层具有压应力。
优选地，所述掺杂层通过Si的δ掺杂形成，δ掺杂的浓度为1×1017-1×1019cm-3。
优选地，所述介质钝化层、第一介质层和第二介质层的材料为SiN或SiO2。
优选地，所述介质钝化层的厚度为10-500nm，所述第一介质层和第二介质层的厚度为10-1000nm。
优选地，所述金属场板为栅场板或源场板。
优选地，所述AlXGa1-XN肖特基势垒层的厚度为18-30nm，X的范围为0.1-0.3。
优选地，所述衬底的材料为Si、SiC、GaN或金刚石。
优选地，所述AlN隔离层和所述GaN帽层的厚度为1-5nm。
优选地，所述栅极金属为T型结构。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种根据上述任一种的GaNHEMT器件的制作方法，包括以下步骤：在衬底上由下而上依次形成AlN成核层、GaN沟道层、AlN隔离层、AlXGa1-XN肖特基势垒层和GaN帽层，其中，所述GaN沟道层与所述AlXGa1-XN肖特基势垒层形成有二维电子气，所述二维电子气位于所述GaN沟道层和所述AlN隔离层之间；在所述GaN帽层表面的两侧分别沉积源极金属和漏极金属；在所述源极金属和漏极金属之间的GaN帽层上沉积介质钝化层，其中，所述介质钝化层具有张应力；在所述介质钝化层上沉积栅极金属，其中，所述栅极金属嵌入所述介质钝化层并与所述GaN帽层接触；在所述介质钝化层上沉积第一介质层，其中，所述第一介质层具有张应力，所述第一介质层覆盖所述源极金属和漏极金属；在所述第一介质层上形成金属场板，其中，所述金属场板位于所述栅极金属和所述漏极金属之间；在所述第一介质层上形成覆盖所述金属场板的第二介质层，其中，所述第二介质层具有压应力。
区别于现有技术的情况，本发明的有益效果是：
1.利用通过δ掺杂形成的掺杂层，可以利用HEMT器件的电子转移特性增加二维电子气的浓度。
2.具有张应力的第一介质层利用GaN材料的压电特性，可以增加二维电子气的浓度。
3.具有压应力的第二介质层有利于平衡器件的整体应力，避免器件由于应力过大出现裂纹而导致器件失效。
附图说明
图1是本发明实施例GaNHEMT器件的结构示意图。
图2～图7是本发明实施例GaNHEMT器件的制备流程图。
具体实施方式
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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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。
请参见图1，是本发明实施例GaNHEMT器件的结构示意图。本发明实施例的GaNHEMT器件包括由下而上依次形成的衬底1、AlN成核层2、GaN沟道层3、AlN隔离层4、AlXGa1-XN肖特基势垒层5和GaN帽层6。
GaN沟道层3与AlXGa1-XN肖特基势垒层5形成有二维电子气，二维电子气位于GaN沟道层3和AlN隔离层4之间，AlXGa1-XN肖特基势垒5层含有通过δ掺杂形成的掺杂层51，掺杂层51邻近AlN隔离层4，GaN帽层6表面的两侧分别沉积有源极金属61和漏极金属62，源极金属61和漏极金属62之间的GaN帽层6上沉积有介质钝化层7，介质钝化层7上沉积有栅极金属63，栅极金属63嵌入介质钝化层7并与GaN帽层6接触，介质钝化层7上沉积有第一介质层8，第一介质层8上形成有金属场板81和第二介质层9，金属场板81位于栅极金属63和漏极金属62之间，第一介质层7覆盖源极金属61和漏极金属62，第二介质层9覆盖金属场板81，介质钝化层7和第一介质层8具有张应力，第二介质层9具有压应力。
AlXGa1-XN肖特基势垒层5的厚度为18-30nm，X的范围为0.1-0.3。一方面，由于介质钝化层7和第一介质层8均具有张应力，能够利用GaN材料的压电特性增加二维电子气的浓度。另一方面，由于掺杂层51通过δ掺杂形成，掺杂层51可以利用HEMT器件的电子转移特性增加二维电子气的浓度。因此，无须再通过减少AlXGa1-XN中X的方式来增加二维电子气的浓度，故而X的值可以较小。在本实施例中，掺杂层51通过Si的δ掺杂形成，δ掺杂的浓度为1×1017-1×1019cm-3。
介质钝化层7、第一介质层8和第二介质层9的材料为SiN或SiO2。介质钝化层7的厚度为10-500nm，第一介质层8和第二介质层9的厚度为10-1000nm。可选地，第一介质层8和第二介质层9可通过多次沉积形成。
金属场板81为栅场板或源场板。金属场板81有利于提高器件击穿电压。
可选地，衬底1的材料为Si、SiC、GaN或金刚石。AlN隔离层4和GaN帽层6的厚度为1-5nm。栅极金属63为T型结构。栅极金属63由于为T型，有利于减小栅电阻，进一步提高器件高频特性。
本发明实施例还提供一种GaNHEMT器件的制作方法，请参见图2至图7，该制作方法包括以下步骤：
步骤一：在衬底1上由下而上依次形成AlN成核层2、GaN沟道层3、AlN隔离层4、AlXGa1-XN肖特基势垒层5和GaN帽层6，其中，GaN沟道层3与AlXGa1-XN肖特基势垒层5形成有二维电子气31，二维电子气31位于GaN沟道层3和AlN隔离层4之间。
其中，如图2所示，衬底1、AlN成核层2、GaN沟道层3、AlN隔离层4、AlXGa1-XN肖特基势垒层5和GaN帽层6为依次层叠的结构。
衬底1的材料为Si、SiC、GaN或金刚石，其主要起支撑作用。
AlN隔离层4和GaN帽层6的厚度为1-5nm。
AlXGa1-XN肖特基势垒层5的厚度为18-30nm，X的范围为0.1-0.3。
步骤二：在GaN帽层6表面的两侧分别沉积源极金属61和漏极金属62。
其中，如图3所示，源极金属61和漏极金属62沉积在GaN帽层6表面的两侧边缘。在本实施例中，源极金属61和漏极金属62可以利用光刻、金属沉积、剥离等工艺形成，并且采用高温退火的方式形成欧姆接触。
步骤三：在源极金属61和漏极金属62之间的GaN帽层6上沉积介质钝化层7，其中，介质钝化层7具有张应力。
其中，如图4所示，介质钝化层7形成于源极金属61和漏极金属62之间。介质钝化层7具有张应力，有利于增加二维电子气的浓度和减少器件表面态。
步骤四：在介质钝化层7上沉积栅极金属81，其中，栅极金属81嵌入介质钝化层7并与GaN帽层6接触。
其中，如图5所示，栅极金属81可以为T型结构。栅极金属81可以通过刻蚀的方式形成，有利于减小栅电阻，提高器件高频特性。
步骤五：在介质钝化层7上沉积第一介质层8，其中，第一介质层8具有张应力，第一介质层8覆盖源极金属61和漏极金属62。
其中，如图6所示，第一介质层8覆盖介质钝化层7、源极金属61和漏极金属62。第一介质层8具有张应力，可以提高进一步二维电子气的浓度。
步骤六：在第一介质层8上形成金属场板81，其中，金属场板81位于栅极金属61和漏极金属62之间。
其中，如图7所示，栅极金属63位于源极金属61和漏极金属62之间，金属场板81位于栅极金属61和漏极金属62之间上方的第一介质层8上。在本实施例中，栅极金属63可以采用光刻、金属沉积或剥离等工艺得到，栅极金属63有利于提高器件击穿电压。
步骤七：在第一介质层8上形成覆盖金属场板81的第二介质层9，其中，第二介质层9具有压应力。
其中，经过步骤七之后得到如图1所示的GaNHEMT器件。由于介质钝化层7和第一介质层8位于器件顶部，且都具有张应力，容易引起器件的整体应力过大而使器件产生裂纹，导致器件失效，而第二介质层9位于器件最顶层可以避免这样的情况。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种GaNHEMT器件，其特征在于，包括由下而上依次形成的衬底、AlN成核层、GaN沟道层、AlN隔离层、AlXGa1-XN肖特基势垒层和GaN帽层，所述GaN沟道层与所述AlXGa1-XN肖特基势垒层形成有二维电子气，所述二维电子气位于所述GaN沟道层和所述AlN隔离层之间，所述AlXGa1-XN肖特基势垒层含有通过δ掺杂形成的掺杂层，所述掺杂层邻近所述AlN隔离层，所述GaN帽层表面的两侧分别沉积有源极金属和漏极金属，所述源极金属和漏极金属之间的GaN帽层上沉积有介质钝化层，所述介质钝化层上沉积有栅极金属，所述栅极金属嵌入所述介质钝化层并与所述GaN帽层接触，所述介质钝化层上沉积有第一介质层，所述第一介质层上形成有金属场板和第二介质层，所述金属场板位于所述栅极金属和所述漏极金属之间，所述第一介质层覆盖所述源极金属和漏极金属，所述第二介质层覆盖所述金属场板，所述介质钝化层和所述第一介质层具有张应力，所述第二介质层具有压应力。
2.根据权利要求1所述的GaNHEMT器件，其特征在于，所述掺杂层通过Si的δ掺杂形成，δ掺杂的浓度为1×1017-1×1019cm-3。
3.根据权利要求1所述的GaNHEMT器件，其特征在于，所述介质钝化层、第一介质层和第二介质层的材料为SiN或SiO2。
4.根据权利要求3所述的GaNHEMT器件，其特征在于，所述介质钝化层的厚度为10-500nm，所述第一介质层和第二介质层的厚度为10-1000nm。
5.根据权利要求1所述的GaNHEMT器件，其特征在于，所述金属场板为栅场板或源场板。
6.根据权利要求1所述的GaNHEMT器件，其特征在于，所述AlXGa1-XN肖特基势垒层的厚度为18-30nm，X的范围为0.1-0.3。
7.根据权利要求1所述的GaNHEMT器件，其特征在于，所述衬底的材料为Si、SiC、GaN或金刚石。
8.根据权利要求1所述的GaNHEMT器件，其特征在于，所述AlN隔离层和所述GaN帽层的厚度为1-5nm。
9.根据权利要求1所述的GaNHEMT器件，其特征在于，所述栅极金属为T型结构。
10.一种根据权利要求1-9任一项所述的GaNHEMT器件的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
在衬底上由下而上依次形成AlN成核层、GaN沟道层、AlN隔离层、AlXGa1-XN肖特基势垒层和GaN帽层，其中，所述GaN沟道层与所述AlXGa1-XN肖特基势垒层形成有二维电子气，所述二维电子气位于所述GaN沟道层和所述AlN隔离层之间；
在所述GaN帽层表面的两侧分别沉积源极金属和漏极金属；
在所述源极金属和漏极金属之间的GaN帽层上沉积介质钝化层，其中，所述介质钝化层具有张应力；
在所述介质钝化层上沉积栅极金属，其中，所述栅极金属嵌入所述介质钝化层并与所述GaN帽层接触；
在所述介质钝化层上沉积第一介质层，其中，所述第一介质层具有张应力，所述第一介质层覆盖所述源极金属和漏极金属；
在所述第一介质层上形成金属场板，其中，所述金属场板位于所述栅极金属和所述漏极金属之间；
在所述第一介质层上形成覆盖所述金属场板的第二介质层，其中，所述第二介质层具有压应力。
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