CN108110054A - 一种GaN基HEMT器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GaN基HEMT器件，包括从下往上依次层叠的衬底层、氮化铝缓冲层、氮化镓沟道层、Al(ln,Ga,Sc)N势垒层、氮化硅钝化层；该GaN基HEMT器件还包括设于氮化镓沟道层与Al(ln,Ga,Sc)N势垒层中的P型沟道区；设于Al(ln,Ga,Sc)N势垒层中的P型扩散区；设于Al(ln,Ga,Sc)N势垒层上的源电极和漏电极；设于Al(ln,Ga,Sc)N势垒层上的栅电极，P型扩散区位于栅电极和漏电极之间。通过在栅电极和漏电极之间增加P型扩散区，提高了器件的击穿电压；通过设置P型沟道区，增加了栅极的开启电压。本发明还公开了一种GaN基HEMT器件的制备方法，将现有技术中依赖于刻蚀工艺的GaN基HEMT器件制作流程中所涉及的氮化镓沟道层刻蚀工艺省去，改为离子注入工艺，提高了GaN基HEMT器件制作工艺的一致性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种GaN基HEMT器件及其制备方法。
背景技术
宽禁带半导体氮化镓材料以其具有禁带宽度大、临界击穿电场高、电子饱和速度高等特点，成为新一代半导体功率器件的理想材料。近年来，以Al(ln, Ga, Sc)N/GaN为代表的GaN基HEMT器件结构，通过自发极化和压电极化产生高的二维电子气，成为主流的GaN基HEMT器件材料结构。
由于Al(ln, Ga, Sc)N/GaN器件的工作模式多为耗尽型器件，在开关型电路中，增加了功耗和设计的复杂程度。GaN基HEMT器件能够提高电路工作的安全性，所以， GaN基HEMT器件成为当前的一个重要的研究方向。
为了实现增强型工作，目前GaN基HEMT器件的主要工艺方法之一为凹栅槽技术和栅电极区域的F离子注入工艺。凹栅槽技术对刻蚀设备要求比较高，而且离子注入栅槽部分的沟道损耗比较大。栅电极区域的F离子注入技术也存在着沟道下损耗较大的缺点，这限制了GaN基HEMT器件的产业化和应用。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种GaN基HEMT器件，栅极具有较高的开启电压，且器件具有较高的击穿电压。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种GaN基HEMT器件，包括从下往上依次层叠的：
衬底层、氮化铝缓冲层、氮化镓沟道层、Al(ln, Ga, Sc)N势垒层、氮化硅钝化层；
所述GaN基HEMT器件还包括：
设于所述氮化镓沟道层与所述Al(ln, Ga, Sc)N势垒层中的P型沟道区；
设于所述Al(ln, Ga, Sc)N势垒层中的P型扩散区；
设于所述Al(ln, Ga, Sc)N势垒层上表面的源电极和漏电极；
设于所述Al(ln, Ga, Sc)N势垒层上表面的位于所述P型沟道区上方的栅电极，所述栅电极位于所述源电极和所述漏电极之间；
所述氮化硅钝化层位于所述栅电极和所述源电极之间，以及所述栅电极和所述漏电极之间；
所述P型扩散区位于所述栅电极和所述漏电极之间。
优选地，所述P型沟道区的上表面与所述Al(ln, Ga, Sc)N势垒层的上表面齐平，所述P型沟道区沿竖直方向穿透所述Al(ln, Ga, Sc)N势垒层且其下表面位于所述氮化镓沟道层中，所述氮化镓沟道层的厚度为100nm-5000nm，所述P型沟道区深入所述氮化镓沟道层的距离为0nm-3000nm。
优选地，所述P型扩散区的上表面与所述Al(ln, Ga, Sc)N势垒层的上表面齐平，所述P型扩散区的下表面位于所述Al(ln, Ga, Sc)N势垒层中，所述Al(ln, Ga, Sc)N势垒层的厚度为5-40nm，所述P型扩散区的厚度为3-30nm。
更优选地，所述栅电极和所述漏电极之间的距离为2-50000nm，所述P型扩散区的宽度为1-49000nm。
优选地，所述衬底层的材料为N型掺杂硅材料、氮化镓材料、蓝宝石材料中的一种。
优选地，所述Al(ln, Ga, Sc)N势垒层的材料为AlGaN材料、AlInN材料、AlScN材料、AlN材料、AlInGaN材料、AlInScN材料、AlGaScN材料中的一种。
本发明的第二个目的是提供一种GaN基HEMT器件的制备方法，将现有技术中依赖于刻蚀工艺的GaN基HEMT器件制作流程中所涉及的氮化镓沟道层刻蚀工艺省去，改为离子注入工艺，提高了GaN基HEMT器件制作工艺的一致性，提高了GaN基HEMT器件的可靠性。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种GaN基HEMT器件的制备方法，包括以下步骤：
（1）准备衬底层；
（2）在所述衬底层上生长厚度为10-300纳米的氮化铝缓冲层；
（3）在所述氮化铝缓冲层上生长厚度为100-5000纳米的氮化镓沟道层；
（4）在所述氮化镓沟道层上生长厚度为5-40纳米的Al(ln, Ga, Sc)N势垒层；
（5）在所述Al(ln, Ga, Sc)N势垒层上生长厚度为20-50纳米的氮化硅钝化层；
（6）在所述氮化镓沟道层与所述Al(ln, Ga, Sc)N势垒层上利用扩散、等离子体浸没注入工艺或离子注入工艺、退火激活工艺形成P型沟道区和P型扩散区；
（7）在所述Al(ln, Ga, Sc)N势垒层上形成源电极、漏电极、栅电极；使所述栅电极位于所述P型沟道区的上方。
优选地，在步骤（1）中，依次对所述衬底层进行有机清洗、酸清洗、去离子水清洗、碱性溶液清洗、去离子水清洗。
优选地，在步骤（7）中，在所述氮化硅钝化层上采用反转光刻胶光刻、ICP刻蚀，在所述Al(ln, Ga, Sc)N势垒层上蒸发形成源电极、漏电极、栅电极。
优选地，在步骤（6）中，制备所述P型沟道区和所述P型扩散区，包括以下步骤：
（a）在所述氮化硅钝化层上生长厚度为20-50纳米的二氧化硅介质层；
（b）采用光刻的方法在所述二氧化硅介质层上刻蚀出栅金属区域，并刻蚀掉所述栅金属区域内的二氧化硅介质层；
（c）在所述二氧化硅介质层上叠置芯片层，采用正胶工艺，在所述芯片层上定义出离子注入区域，所述离子注入区域位于所述栅金属区域的上方，通过所述离子注入区域进行等离子体浸没注入工艺或离子注入工艺；
（d）去光刻胶，刻蚀掉所述二氧化硅介质层，通过退火激活工艺，在所述氮化镓沟道层和所述Al(ln, Ga, Sc)N势垒层中形成所述P型沟道区；在所述Al(ln, Ga, Sc)N势垒层中形成所述P型扩散区。
更优选地，在步骤（b）中，所述栅金属区域包括位于所述二氧化硅介质层上的栅槽，采用9912光刻胶或ZEP电子束胶，定义出所述栅槽，采用CF4/O2作为刻蚀气体源。
更优选地，在步骤（c）中，所述离子体浸没注入工艺或离子注入工艺中，注入的离子为Mg离子，注入剂量为5-9×1015cm-2，能量为50-90KeV。
更优选地，在步骤（d）中，退火激活的温度为5000-1300℃，退火激活的时间为2分钟。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明一种GaN基HEMT器件，通过在栅电极和漏电极之间增加P型扩散区，提高了器件的击穿电压；通过设置P型沟道区，增加了栅极的开启电压；本发明一种GaN基HEMT器件的制备方法，将现有技术中依赖于刻蚀工艺的GaN基HEMT器件制作流程中所涉及的氮化镓沟道层刻蚀工艺省去，改为离子注入工艺，提高了GaN基HEMT器件制作工艺的一致性。
附图说明
附图1为本发明GaN基HEMT器件的结构示意图；
附图2为本发明方法制备GaN基HEMT器件的方法流程图；
附图3为制备P型沟道区和P型扩散区的结构示意图。
其中：1、衬底层；2、氮化铝缓冲层；3、氮化镓沟道层；4、Al(ln, Ga, Sc)N势垒层；5、氮化硅钝化层；6、P型沟道区；7、P型扩散区；8、源电极；9、漏电极；10、栅电极；11、二氧化硅介质层；12、芯片层。
具体实施方式
下面结合附图来对本发明的技术方案作进一步的阐述。
参见图1所示，上述一种GaN基HEMT器件，包括从下往上依次层叠的：
衬底层1、氮化铝缓冲层2、氮化镓沟道层3、Al(ln, Ga, Sc)N势垒层4、氮化硅钝化层5。
该GaN基HEMT器件还包括：设于氮化镓沟道层3与Al(ln, Ga, Sc)N势垒层4中的P型沟道区6；设于Al(ln, Ga, Sc)N势垒层4中的P型扩散区7；设于Al(ln, Ga, Sc)N势垒层4上表面的源电极8和漏电极9；设于Al(ln, Ga, Sc)N势垒层4上表面的位于P型沟道区6上方的栅电极10，栅电极10位于源电极8和漏电极9之间；P型扩散区7位于栅电极10和漏电极9之间。氮化硅钝化层5位于栅电极10和源电极8之间，以及栅电极10和漏电极9之间。
型沟道区6的上表面与Al(ln, Ga, Sc)N势垒层4的上表面齐平，P型沟道区6沿竖直方向穿透Al(ln, Ga, Sc)N势垒层4且其下表面位于氮化镓沟道层3中，氮化镓沟道层3的厚度为100nm-5000nm，P型沟道区6深入氮化镓沟道层3的距离为0-3000nm。
型扩散区7的上表面与Al(ln, Ga, Sc)N势垒层4的上表面齐平， P型扩散区7的下表面位于Al(ln, Ga, Sc)N势垒层4中， Al(ln, Ga, Sc)N势垒层4的厚度为5-40nm， P型扩散区7的厚度为3-30nm。
栅电极10和漏电极9之间的距离为2-50000nm， P型扩散区7的宽度为1-49000nm。
通过控制该P型扩散区7的深度和宽度来调节GaN基HEMT器件的栅漏和源漏击穿电压。
其中，衬底层1的材料为N型掺杂硅材料、氮化镓材料、蓝宝石材料中的一种；Al(ln, Ga, Sc)N势垒层4的材料为AlGaN材料、AlInN材料、AlScN材料、AlN材料、AlInGaN材料、AlInScN材料、AlGaScN材料中的一种。
参见图2-3所示：上述一种GaN基HEMT器件的制备方法，包括以下步骤：
（1）准备衬底层1；衬底层1的材料为N型掺杂硅材料、氮化镓材料、蓝宝石材料中的一种；依次对衬底层1进行有机清洗、酸清洗（HCl:H2O=（1:10-1:30），清洗5-10分钟）、去离子水清洗1-5分钟、碱性溶液清洗（NH4OH:H2O=（1:10-1:30），清洗5-10分钟）、去离子水清洗1-5分钟。
（2）将衬底层1放入MOCVD中，在衬底层1上生长厚度为10-300纳米的氮化铝缓冲层2。
（3）接着在氮化铝缓冲层2上生长厚度为100-5000纳米的氮化镓沟道层3。
（4）最后在氮化镓沟道层3上生长厚度为5-40纳米的Al(ln, Ga, Sc)N势垒层4；Al(ln, Ga, Sc)N势垒层4的材料为AlGaN材料、AlInN材料、AlScN材料、AlN材料、AlInGaN材料、AlInScN材料、AlGaScN材料中的一种。
在步骤（2）、步骤（3）、步骤（4）中，在生长界面处进行氨气吹扫，保证生长界面的稳定性。
（5）依次对步骤（4）中得到的材料进行有机清洗、酸清洗（HCl:H2O=（1:10-1:30），清洗5-10分钟）、去离子水清洗1-5分钟、碱性溶液清洗（NH4OH:H2O=（1:10-1:30），清洗5-10分钟）、去离子水清洗1-5分钟。接着将该材料放入PECVD中，在Al(ln, Ga, Sc)N势垒层4上生长厚度为20-50纳米的氮化硅钝化层5。
（6）在氮化镓沟道层3与Al(ln, Ga, Sc)N势垒层4上利用扩散、等离子体浸没注入工艺或离子注入工艺、退火激活工艺形成P型沟道区6和P型扩散区7；该步骤包括以下子步骤：
（a）在氮化硅钝化层5上生长厚度为20-50纳米的二氧化硅介质层11；
（b）采用光刻的方法在二氧化硅介质层11上刻蚀出栅金属区域，并刻蚀掉栅金属区域内的二氧化硅介质层11；在本实施例中，栅金属区域包括位于二氧化硅介质层11上的栅槽，采用9912光刻胶或ZEP电子束胶，定义出该栅槽，采用CF4/O2作为刻蚀气体源，其中，工作条件为：CF4/O2=40/5sccm，RF=20W，Power（ICP）=200W，Press=0.5par；
（c）在二氧化硅介质层11上叠置芯片层12，采用正胶工艺，在芯片层12上定义出离子注入区域，离子注入区域位于栅金属区域的上方，通过离子注入区域进行等离子体浸没注入工艺或离子注入工艺；在离子体浸没注入工艺或离子注入工艺中，注入的离子为Mg离子，注入剂量为5-9×1015cm-2，能量为50-90KeV；在本实施例中，注入剂量为9×1015cm-2，能量为90KeV；
（d）去光刻胶，刻蚀掉二氧化硅介质层11，通过退火激活工艺，在氮化镓沟道层3和Al(ln, Ga, Sc)N势垒层4中形成P型沟道区6；在Al(ln, Ga, Sc)N势垒层4中形成P型扩散区7，通过控制该P型扩散区7的深度和宽度来调节GaN基HEMT器件的栅漏和源漏击穿电压；在本实施例中，退火激活的温度为5000-1300℃，退火激活的时间为2分钟。
（7）在Al(ln, Ga, Sc)N势垒层4上形成源电极8、漏电极9、栅电极10；使栅电极10位于P型沟道区6的上方；在氮化硅钝化层5上采用反转光刻胶光刻、ICP刻蚀，在Al(ln, Ga,Sc)N势垒层4上蒸发形成源电极8、漏电极9、栅电极10，具体的是在氮化硅钝化层5上刻孔蒸发多层金属以在Al(ln, Ga, Sc)N势垒层4上形成源电极8、漏电极9、栅电极10。在本实施例中，源电极8、漏电极9是使用反转光刻胶工艺，通过在氮化硅钝化层5上刻孔，然后表面清洗、蒸发多层金属（Ti/Al/Ni/Au）在Al(ln, Ga, Sc)N势垒层4上，最后进行欧姆合金形成的；栅电极10是采用反转光刻胶工艺，通过在氮化硅钝化层5上刻孔，蒸发多层金属（Ni/Au）在P型沟道区6上方形成的。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (13)
1.一种GaN基HEMT器件，其特征在于：包括从下往上依次层叠的：
衬底层、氮化铝缓冲层、氮化镓沟道层、Al(ln, Ga, Sc)N势垒层、氮化硅钝化层；
所述GaN基HEMT器件还包括：
设于所述氮化镓沟道层与所述Al(ln, Ga, Sc)N势垒层中的P型沟道区；
设于所述Al(ln, Ga, Sc)N势垒层中的P型扩散区；
设于所述Al(ln, Ga, Sc)N势垒层上表面的源电极和漏电极；
设于所述Al(ln, Ga, Sc)N势垒层上表面的位于所述P型沟道区上方的栅电极，所述栅电极位于所述源电极和所述漏电极之间；
所述氮化硅钝化层位于所述栅电极和所述源电极之间，以及所述栅电极和所述漏电极之间；
所述P型扩散区位于所述栅电极和所述漏电极之间。
2.根据权利要求1所述的一种GaN基HEMT器件，其特征在于：所述P型沟道区的上表面与所述Al(ln, Ga, Sc)N势垒层的上表面齐平，所述P型沟道区沿竖直方向穿透所述Al(ln,Ga, Sc)N势垒层且其下表面位于所述氮化镓沟道层中，所述氮化镓沟道层的厚度为100nm-5000nm，所述P型沟道区深入所述氮化镓沟道层的距离为0nm-3000nm。
3.根据权利要求1所述的一种GaN基HEMT器件，其特征在于：所述P型扩散区的上表面与所述Al(ln, Ga, Sc)N势垒层的上表面齐平，所述P型扩散区的下表面位于所述Al(ln, Ga,Sc)N势垒层中，所述Al(ln, Ga, Sc)N势垒层的厚度为5-40nm，所述P型扩散区的厚度为3-30nm。
4.根据权利要求3所述的一种GaN基HEMT器件，其特征在于：所述栅电极和所述漏电极之间的距离为2-50000nm，所述P型扩散区的宽度为1-49000nm。
5.根据权利要求1所述的一种GaN基HEMT器件，其特征在于：所述衬底层的材料为N型掺杂硅材料、氮化镓材料、蓝宝石材料中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种GaN基HEMT器件，其特征在于：所述Al(ln, Ga, Sc)N势垒层的材料为AlGaN材料、AlInN材料、AlScN材料、AlN材料、AlInGaN材料、AlInScN材料、AlGaScN材料中的一种。
7.一种GaN基HEMT器件的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）准备衬底层；
（2）在所述衬底层上生长厚度为10-300纳米的氮化铝缓冲层；
（3）在所述氮化铝缓冲层上生长厚度为100-5000纳米的氮化镓沟道层；
（4）在所述氮化镓沟道层上生长厚度为5-40纳米的Al(ln, Ga, Sc)N势垒层；
（5）在所述Al(ln, Ga, Sc)N势垒层上生长厚度为20-50纳米的氮化硅钝化层；
（6）在所述氮化镓沟道层与所述Al(ln, Ga, Sc)N势垒层上利用扩散、等离子体浸没注入工艺或离子注入工艺、退火激活工艺形成P型沟道区和P型扩散区；
（7）在所述Al(ln, Ga, Sc)N势垒层上形成源电极、漏电极、栅电极；使所述栅电极位于所述P型沟道区的上方。
8.根据权利要求7所述的一种GaN基HEMT器件的制备方法，其特征在于：在步骤（1）中，依次对所述衬底层进行有机清洗、酸清洗、去离子水清洗、碱性溶液清洗、去离子水清洗。
9.根据权利要求7所述的一种GaN基HEMT器件的制备方法，其特征在于：在步骤（7）中，在所述氮化硅钝化层上采用反转光刻胶光刻、ICP刻蚀，在所述Al(ln, Ga, Sc)N势垒层上蒸发形成源电极、漏电极、栅电极。
10.根据权利要求7所述的一种GaN基HEMT器件的制备方法，其特征在于：在步骤（6）中，制备所述P型沟道区和所述P型扩散区，包括以下步骤：
（a）在所述氮化硅钝化层上生长厚度为20-50纳米的二氧化硅介质层；
（b）采用光刻的方法在所述二氧化硅介质层上刻蚀出栅金属区域，并刻蚀掉所述栅金属区域内的二氧化硅介质层；
（c）在所述二氧化硅介质层上叠置芯片层，采用正胶工艺，在所述芯片层上定义出离子注入区域，所述离子注入区域位于所述栅金属区域的上方，通过所述离子注入区域进行等离子体浸没注入工艺或离子注入工艺；
（d）去光刻胶，刻蚀掉所述二氧化硅介质层，通过退火激活工艺，在所述氮化镓沟道层和所述Al(ln, Ga, Sc)N势垒层中形成所述P型沟道区；在所述Al(ln, Ga, Sc)N势垒层中形成所述P型扩散区。
11.根据权利要求10所述的一种GaN基HEMT器件的制备方法，其特征在于：在步骤（b）中，所述栅金属区域包括位于所述二氧化硅介质层上的栅槽，采用9912光刻胶或ZEP电子束胶，定义出所述栅槽，采用CF4/O2作为刻蚀气体源。
12.根据权利要求10所述的一种GaN基HEMT器件的制备方法，其特征在于：在步骤（c）中，所述离子体浸没注入工艺或离子注入工艺中，注入的离子为Mg离子，注入剂量为5-9×1015cm-2，能量为50-90KeV。
13.根据权利要求10所述的一种GaN基HEMT器件的制备方法，其特征在于：在步骤（d）中，退火激活的温度为5000-1300℃，退火激活的时间为2分钟。
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