CN105355659A - 槽栅AlGaN/GaN HEMT器件结构及制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种复合栅浮空场板槽栅AlGaN/GaN？HEMT器件结构及其制作方法，包括从下至上依次复合的衬底、GaN缓冲层、AlN隔离层、GaN沟道层、本征AlGaN层和AlGaN掺杂层，在AlGaN掺杂层之上的两端分别设有源电极和漏电极，在靠近漏电极的AlGaN掺杂层上设有LiF层，在该LiF层上设有浮空场板；在该LiF层与源电极之间设有有机绝缘介质层，在该有机绝缘介质层的上面和旁边设有栅场板；在AlGaN掺杂层上面的裸露区域设有钝化层。本发明利用PTFE层和ITO栅场板提高了器件的击穿电压；利用LiF层和Al浮空场板减小了器件栅漏之间的导通电阻；利用栅场板和浮空场板，进一步提高了器件的击穿电压。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，涉及半导体器件制作，具体的说是一种栅浮空复合场板槽栅AlGaN/GaNHEMT器件结构及制作方法，可用于制作高击穿电压、低导通电阻和高频率特性的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管。
技术背景
近年来以SiC和GaN为代表的第三代宽带隙半导体以其禁带宽度大、击穿电场高、热导率高、饱和电子速度大和异质结界面二维电子气浓度高等特性，受到广泛关注。在理论上，利用这些材料制作的高电子迁移率晶体管HEMT、发光二极管LED、激光二极管LD等器件比现有器件更具有优越性，因此近些年来国内外研究者对其进行了广泛而深入的研究，并取得了令人瞩目的研究成果。
AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管HEMT在高温器件及大功率微波器件方面已显示出了得天独厚的优势，成为电力电子器件领域和功率器件领域的研究热门。近年来，制作更高频率高压AlGaN/GaNHEMT成为又一研究热点。由于AlGaN/GaN异质结生长完成后，异质结界面就存在大量二维电子气2DEG，并且其迁移率很高。在提高AlGaN/GaN异质结电子迁移率晶体管击穿电压方面，人们进行了大量的研究，发现AlGaN/GaNHEMT器件的击穿主要发生在栅电极边缘和漏电极附近两个位置，因此要提高器件的击穿电压，必须使栅漏区域的电场重新分布，尤其是降低栅电极边缘的电场，为此，人们提出了采用场板结构的方法；在提高AlGaN/GaN异质结电子迁移率晶体管频率特性方面，使用槽栅结构，让栅电极对2DEG有更好的控制效果。
（1）场板结构具体参见YujiAndo,AkioWakejima,YasuhiroOkamoto等的NovelAlGaN/GaNdual-field-plateFETwithhighgain,increasedlinearityandstability,IEDM2005,pp.576-579,2005。在AlGaN/GaNHEMT器件中采用场板结构，可以将器件的击穿电压大幅度的提高，并且能降低栅漏电容，提高了器件的线性度和稳定性。
（2）槽栅结构具体参见W.B.Lanford,T.Tanaka,Y.Otoki等的Recessed-gateenhancement-modeGaNHEMTwithhighthresholdvoltage,ELECTRONICSLETTERS2005,Vol.41,No.7,2005。在AlGaN/GaNHEMT器件中采用槽栅结构能够有效的提高器件的频率特性。
但是，目前的AlGaN/GaNHEMT器件在耐压、导通电阻和频率特性等方面性能还不能满足实际应用的需要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种栅浮空复合场板槽栅AlGaN/GaNHEMT器件，实现高压、低导通电阻和高频率特性器件的结构及其制作方法。
本发明是这样实现的：
一种复合栅浮空场板槽栅AlGaN/GaNHEMT器件结构，其特征在于，包括从下至上依次复合的衬底、GaN缓冲层、AlN隔离层、GaN沟道层、本征AlGaN层和AlGaN掺杂层，在AlGaN掺杂层之上的两端分别设有源电极和漏电极，在靠近漏电极的AlGaN掺杂层上设有LiF层，在该LiF层上设有浮空场板；在该LiF层与源电极之间的AlGaN掺杂层上设有有机绝缘介质层，在该有机绝缘介质层旁边的AlGaN掺杂层上设有栅极槽，在该栅极槽内和有机绝缘介质层的上面设有栅场板；在AlGaN掺杂层上面的裸露区域设有钝化层。
所述的衬底的材质包括蓝宝石、SiC、GaN或MgO。
所述的AlGaN掺杂层中Al与Ga的组分范围依据AlxGa1-xN进行调节，其中x=0~1。
所述的有机绝缘介质层为PTFE。
所述的钝化层的材质包括SiN、Al2O3或HfO2。
在所述的栅场板和AlGaN势垒层之间使用PTFE材料作为介质层，以降低器件的2DEG浓度。
在所述的浮空场板和AlGaN势垒层之间使用LiF材料作为介质层，以增加器件的2DEG浓度。
一种所述的复合栅浮空场板槽栅AlGaN/GaNHEMT器件的制作方法，其特征在于，包括以下工艺步骤：（1）清洗；（2）刻蚀有源区台面：（3）制备源、漏电极；（4）刻蚀栅极凹槽；（5）制备有机绝缘介质层；（6）制备栅场板；（7）LiF层的制备；（8）制备浮空场板：（9）制备钝化层；（10）加厚电极。
具体工艺如下：
（1）清洗：对外延生长的AlGaN/GaN材料进行有机清洗，用流动的去离子水清洗并放入HCl:H2O=1:1的溶液中进行腐蚀30~60s，最后用流动的去离子水清洗并用高纯氮气吹干；
（2）刻蚀有源区台面：对清洗干净的AlGaN/GaN材料进行光刻和干法刻蚀，形成有源区台面；
（3）制备源、漏电极：对制备好有源区台面的AlGaN/GaN材料进行光刻，形成源漏区，放入电子束蒸发台中淀积欧姆接触金属Ti/Al/Ni/Au=(20/120/45/50nm)并进行剥离,最后在氮气环境中进行850℃35s的快速热退火，形成欧姆接触；
（4）刻蚀栅极凹槽：对完成欧姆接触的器件进行光刻，形成栅极刻蚀区域，放入ICP干法刻蚀反应室中，工艺条件为：上电极功率为200W，下电极功率为20W，反应室压力为1.5Pa，Cl2的流量为10sccm,N2的流量为10sccm，将AlGaN势垒层刻蚀掉5~10nm，然后将器件放入HCl:H2O=1:1溶液中处理30s，去除刻蚀残留物；
（5）制备有机绝缘介质层：对完成槽栅刻蚀的器件进行光刻，形成有机绝缘介质PTFE淀积区域，然后放入氧等离子处理室中对AlGaN表面进行轻度氧化处理，然后放入电子束蒸发台中：反应室真空抽至4.0*10-3帕，缓慢加电压使控制PTFE蒸发速率为0.1nm/s,淀积200~300nm厚的PTFE薄膜；将淀积好PTFE介质的器件放入丙酮溶液中浸泡30~60min，进行超声剥离；
（6）制备栅场板：对完成PTFE剥离的器件进行光刻，形成栅以及栅场板区，放入电子束蒸发台中淀积200nm厚的栅金属；放入丙酮溶液中浸泡30~60min，进行超声剥离，形成栅场板结构；
（7）LiF层的制备：将完成栅极制备的器件进行光刻，形成绝缘介质LiF层的淀积区域，然后放入电子束反应室真空抽至4.0*10-3帕，缓慢加电压使控制LiF蒸发速率为0.5nm/s,淀积100~200nm厚的LiF薄膜；将淀积好LiF薄膜的器件放入丙酮溶液中浸泡30~60min，进行超声剥离，形成LiF层；
（8）制备浮空场板：对完成LiF层制备的器件进行光刻，形成浮空场板区，放入电子束蒸发台中淀积200nm厚的Al金属；将淀积好Al金属的器件放入丙酮溶液中浸泡30~60min，进行超声剥离，形成浮空场板结构；
（9）制备钝化层：将完成的器件放入PECVD反应室淀积SiN钝化膜，具体工艺条件为：SiH4的流量为40sccm，NH3的流量为10sccm，反应室压力为1~2Pa,射频功率为40W，淀积200nm~300nm厚的SiN钝化膜；
将器件再次进行清洗、光刻显影，形成SiN薄膜的刻蚀区，并放入ICP干法刻蚀反应室中，工艺条件为：上电极功率为200W，下电极功率为20W，反应室压力为1.5Pa，CF4的流量为20sccm,Ar气的流量为10sccm，刻蚀时间为10min，将源极、漏极上面覆盖的SiN薄膜刻蚀掉；
（10）加厚电极：将器件进行清洗、光刻显影电极区域，完成电极制作，具体工艺为：将器件放入电子束蒸发台中淀积Ti/Au=20/200nm。
与现有技术相比，本发明的优点是：
（1）本器件使用了PTFE层和ITO栅场板形成的偶极子层，降低了该区域正下方2DEG的浓度，改变了栅漏区域的电场分布，提高了器件的击穿电压；
（2）本器件使用了LiF层和Al浮空场板形成的偶极子层，提高了该区域正下方的2DEG浓度，减小了器件栅漏之间的导通电阻；
（3）本器件使用了槽栅结构，增加了栅电极对栅下的2DEG浓度的控制能力，提高了器件的频率特性。
（4）本器件同时采用ITO和Al分别形成栅场板和浮空场板，再次改变了栅漏区域的电场分布，降低了沟道中栅靠漏端和漏端两个位置的电场峰值，提高了器件的击穿电压。
附图说明
图1是本发明器件的剖面结构示意图；
图2是本发明器件制作工艺的流程示意图。
具体实施方式
参照图1，本发明一种栅浮空复合场板槽栅AlGaN/GaNHEMT器件结构，包括衬底1、GaN缓冲层2、AlN隔离层3、GaN沟道层4、本征AlGaN层5、AlGaN掺杂层6、PTFE有机绝缘介质层10和LiF层8、ITO栅场板12、Al浮空场板9、钝化层13、栅极、漏电极7和源电极14。器件结构从下往上分别是：衬底1、GaN缓冲层2、AlN隔离层3、GaN沟道层4、本征AlGaN层5、AlGaN掺杂层6，在AlGaN掺杂层6之上设有源电极14、漏电极7、有机绝缘介质层10、LiF层8、ITO栅场板12和钝化层13，源电极14和漏电极7设在AlGaN掺杂层6之上的两端，LiF层8靠近漏电极7，在LiF层8与源电极14之间设有机绝缘介质层10，在紧邻有机绝缘介质层10的旁边的AlGaN掺杂层6的上面设有栅极凹槽11，在该栅极凹槽11内和有机绝缘介质层10的上面设有ITO栅场板12，ITO栅场板12相当于常规栅极延伸到有机绝缘介质层10的上面，在工艺中与栅电极制作在一起。在LiF层8的上面设有Al浮空场板9，在AlGaN掺杂层6上面的其余区域淀积有钝化层13。
参见图2，本发明的栅浮空复合场板槽栅AlGaN/GaNHEMT器件的制作工艺，包括如下步骤：
（1）对外延生长的AlGaN/GaN材料进行有机清洗，用流动的去离子水清洗并放入HCl:H2O=1:1的溶液中腐蚀30~60s，最后用流动的去离子水清洗并用高纯氮气吹干；
（2）对清洗干净的AlGaN/GaN材料进行光刻和干法刻蚀，形成有源区台面；
（3）对制备好台面的AlGaN/GaN材料进行光刻，形成源、漏区，放入电子束蒸发台中淀积欧姆接触金属Ti/Al/Ni/Au=(20/120/45/50nm)并进行剥离，最后在氮气环境中进行850℃35s的快速热退火，形成欧姆接触；
（4）对完成欧姆接触的器件进行光刻，形成栅极刻蚀区域，放入ICP干法刻蚀反应室中，工艺条件为：上电极功率为200W，下电极功率为20W，反应室压力为1.5Pa，Cl2的流量为10sccm,N2的流量为10sccm，将AlGaN势垒层刻蚀掉5~10nm，然后将器件放入HCl:H2O=1:1溶液中处理30s，去除刻蚀残留物；
（5）对完成槽栅刻蚀的器件进行光刻，形成有机绝缘介质PTFE淀积区域，然后放入氧等离子处理室中对AlGaN表面进行轻度氧化处理，然后放入电子束蒸发台中：反应室真空抽至4.0*10-3帕，缓慢加电压控制PTFE蒸发速率为0.1nm/s,淀积200~300nm厚的PTFE薄膜；
（6）将淀积好PTFE介质的器件放入丙酮溶液中浸泡30~60min，进行超声剥离；
（7）对完成PTFE剥离的器件进行光刻，形成栅以及栅场板区，放入电子束蒸发台中淀积200nm厚的ITO栅金属；
（8）将淀积好栅电极和栅场板的器件放入丙酮溶液中浸泡30~60min，进行超声剥离，形成栅场板结构；
（9）将完成栅极制备的器件进行光刻，形成绝缘介质LiF的淀积区域，然后放入电子束反应室真空抽至4.0*10-3帕，缓慢加电压控制LiF蒸发速率为0.5nm/s,淀积100~200nm厚的LiF薄膜；
（10）将淀积好LiF介质的器件放入丙酮溶液中浸泡30~60min，进行超声剥离；
（11）再次对完成LiF制备的器件进行光刻，形成浮空场板区，放入电子束蒸发台中淀积200nm厚的Al金属；
（12）将淀积好Al金属的器件放入丙酮溶液中浸泡30~60min，进行超声剥离，形成浮空场板结构；
（13）将完成的器件放入PECVD反应室淀积SiN钝化膜，具体工艺条件为：SiH4的流量为40sccm，NH3的流量为10sccm，反应室压力为1~2Pa,射频功率为40W，淀积200nm~300nm厚的SiN钝化膜；
（14）将器件再次进行清洗、光刻显影，形成SiN薄膜的刻蚀区，并放入ICP干法刻蚀反应室中，工艺条件为：上电极功率为200W，下电极功率为20W，反应室压力为1.5Pa，CF4的流量为20sccm,Ar气的流量为10sccm，刻蚀时间为10min，将源极、漏极上面覆盖的SiN薄膜刻蚀掉；
（15）将器件进行清洗、光刻显影，并放入电子束蒸发台中淀积Ti/Au=20/200nm的加厚电极，完成整体器件的制备。
所述的衬底1、GaN缓冲层2、AlN隔离层3、GaN沟道层4、本征AlGaN层5、AlGaN掺杂层6的制备工艺为常规技术。
本发明的结构特点及其作用原理是：
1、在栅极附近淀积PTFE薄膜（有机绝缘介质层10），PTFE极化后的偶极子在其上表面产生正电荷，下表面产生负电荷，对GaN沟道层4表面的2DEG产生耗尽作用，降低了栅漏局部区域的2DEG浓度，改变了电场分布，增加了器件的击穿电压。
2、在漏极7附近淀积LiF薄膜层8，LiF极化后的偶极子在其上表面产生负电荷，下表面产生正电荷，对2DEG浓度产生增强作用，增加了LiF绝缘介质下方的2DEG浓度，减小了导通电阻。
3、同时利用ITO以及Al分别形成栅场板12和浮空场板9结构，提高了器件的击穿电压。
4、采用槽栅结构，增加了栅极电压对2DEG的控制作用，提高了器件的频率特性。
Claims (9)
1.一种复合栅浮空场板槽栅AlGaN/GaNHEMT器件结构，其特征在于，包括从下至上依次复合的衬底、GaN缓冲层、AlN隔离层、GaN沟道层、本征AlGaN层和AlGaN掺杂层，在AlGaN掺杂层之上的两端分别设有源电极和漏电极，在靠近漏电极的AlGaN掺杂层上设有LiF层，在该LiF层上设有浮空场板；在该LiF层与源电极之间的AlGaN掺杂层上设有有机绝缘介质层，在该有机绝缘介质层旁边的AlGaN掺杂层上设有栅极槽，在该栅极槽内和有机绝缘介质层的上面设有栅场板；在AlGaN掺杂层上面的裸露区域设有钝化层。
2.根据权利要求1所述的复合栅浮空场板槽栅AlGaN/GaNHEMT器件，其特征在于，所述的衬底的材质包括蓝宝石、SiC、GaN或MgO。
3.根据权利要求1所述的复合栅浮空场板槽栅AlGaN/GaNHEMT器件，其特征在于，所述的AlGaN掺杂层中Al与Ga的组分范围依据AlxGa1-xN进行调节，其中x=0~1。
4.根据权利要求1所述的复合栅浮空场板槽栅AlGaN/GaNHEMT器件，其特征在于，所述的有机绝缘介质层为PTFE。
5.根据权利要求1所述的复合栅浮空场板槽栅AlGaN/GaNHEMT器件，其特征在于，所述的钝化层的材质包括SiN、Al2O3或HfO2。
6.根据权利要求1所述的复合栅浮空场板槽栅AlGaN/GaNHEMT器件，其特征在于，在所述的栅场板和AlGaN势垒层之间使用PTFE材料作为介质层，以降低器件的2DEG浓度。
7.根据权利要求1所述的复合栅浮空场板槽栅AlGaN/GaNHEMT器件，其特征在于，在所述的浮空场板和AlGaN势垒层之间使用LiF材料作为介质层，以增加器件的2DEG浓度。
8.一种权利要求1所述的复合栅浮空场板槽栅AlGaN/GaNHEMT器件的制作方法，其特征在于，包括以下工艺步骤：（1）清洗；（2）刻蚀有源区台面：（3）制备源、漏电极；（4）刻蚀栅极凹槽；（5）制备有机绝缘介质层；（6）制备栅场板；（7）LiF层的制备；（8）制备浮空场板：（9）制备钝化层；（10）加厚电极。
9.根据权利要求8所述的复合栅浮空场板槽栅AlGaN/GaNHEMT器件的制作方法，其特征在于，具体工艺如下：
（1）清洗：对外延生长的AlGaN/GaN材料进行有机清洗，用流动的去离子水清洗并放入HCl:H2O=1:1的溶液中进行腐蚀30~60s，最后用流动的去离子水清洗并用高纯氮气吹干；
（2）刻蚀有源区台面：对清洗干净的AlGaN/GaN材料进行光刻和干法刻蚀，形成有源区台面；
（3）制备源、漏电极：对制备好有源区台面的AlGaN/GaN材料进行光刻，形成源漏区，放入电子束蒸发台中淀积欧姆接触金属Ti/Al/Ni/Au=(20/120/45/50nm)并进行剥离,最后在氮气环境中进行850℃35s的快速热退火，形成欧姆接触；
（4）刻蚀栅极凹槽：对完成欧姆接触的器件进行光刻，形成栅极刻蚀区域，放入ICP干法刻蚀反应室中，工艺条件为：上电极功率为200W，下电极功率为20W，反应室压力为1.5Pa，Cl2的流量为10sccm,N2的流量为10sccm，将AlGaN势垒层刻蚀掉5~10nm，然后将器件放入HCl:H2O=1:1溶液中处理30s，去除刻蚀残留物；
（5）制备有机绝缘介质层：对完成槽栅刻蚀的器件进行光刻，形成有机绝缘介质PTFE淀积区域，然后放入氧等离子处理室中对AlGaN表面进行轻度氧化处理，然后放入电子束蒸发台中：反应室真空抽至4.0*10-3帕，缓慢加电压使控制PTFE蒸发速率为0.1nm/s,淀积200~300nm厚的PTFE薄膜；将淀积好PTFE介质的器件放入丙酮溶液中浸泡30~60min，进行超声剥离；
（6）制备栅场板：对完成PTFE剥离的器件进行光刻，形成栅以及栅场板区，放入电子束蒸发台中淀积200nm厚的栅金属；放入丙酮溶液中浸泡30~60min，进行超声剥离，形成栅场板结构；
（7）LiF层的制备：将完成栅极制备的器件进行光刻，形成绝缘介质LiF层的淀积区域，然后放入电子束反应室真空抽至4.0*10-3帕，缓慢加电压使控制LiF蒸发速率为0.5nm/s,淀积100~200nm厚的LiF薄膜；将淀积好LiF薄膜的器件放入丙酮溶液中浸泡30~60min，进行超声剥离，形成LiF层；
（8）制备浮空场板：对完成LiF层制备的器件进行光刻，形成浮空场板区，放入电子束蒸发台中淀积200nm厚的Al金属；将淀积好Al金属的器件放入丙酮溶液中浸泡30~60min，进行超声剥离，形成浮空场板结构；
（9）制备钝化层：将完成的器件放入PECVD反应室淀积SiN钝化膜，具体工艺条件为：SiH4的流量为40sccm，NH3的流量为10sccm，反应室压力为1~2Pa,射频功率为40W，淀积200nm~300nm厚的SiN钝化膜；
将器件再次进行清洗、光刻显影，形成SiN薄膜的刻蚀区，并放入ICP干法刻蚀反应室中，工艺条件为：上电极功率为200W，下电极功率为20W，反应室压力为1.5Pa，CF4的流量为20sccm,Ar气的流量为10sccm，刻蚀时间为10min，将源极、漏极上面覆盖的SiN薄膜刻蚀掉；
（10）加厚电极：将器件进行清洗、光刻显影电极区域，完成电极制作，具体工艺为：将器件放入电子束蒸发台中淀积Ti/Au=20/200nm。
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