CN108417627A - 一种用于制备GaN基高频微波器件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及材料领域技术领域，具体为一种用于制备GaN基高频微波器件的方法，步骤包括：(1)在衬底材料上，自下而上依次外延生长成核层、应力控制层、缓冲层；(2)在所述缓冲层上生长高Al组分异质结，包括第一半导体层GaN沟道层，第二半导体层高Al组分势垒层，在势垒层生长过程中，通入TMIn，用于增强Al原子的横向迁移；(3)在所述高Al组分势垒层上生长GaN帽层；(4)源、漏欧姆接触制备；(5)栅极制备；(6)钝化层沉积；以及(7)有源区隔离。本发明方法能有效提高异质结中的组分均匀性并改善应力场分布，大幅提高异质结晶体质量，最终提升高频微波器件性能与可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及材料领域技术领域，进一步涉及半导体材料制备方法。
背景
氮化镓(GaN)作为第三代宽禁带半导体的代表，具有大的禁带宽度、高的电子迁移率和击穿场强等优点，器件功率密度是硅(Si)、砷化镓(GaAs)功率密度的10倍以上。由于其高频率、高功率、高效率、耐高温、抗辐射等优异特性，可广泛应用于微波毫米波频段的尖端军事装备和民用通信基站等领域，因此成为新一代固态微波功率器件与材料研究的前沿热点。
为了使GaN基微波器件同时获得高输出功率、高增益截止频率fT、高振荡频率fMax，并有效地抑制器件尺寸等比例缩小带来的短沟道效应，核心有源区异质结的外延结构设计及生长成为关键，需要同步提高沟道电子迁移率、最大电子饱和漂移速度、二维电子气密度，且势垒层不宜偏厚。2006年，日本国家情报通信研究机构采用MBE技术(Molecular BeamEpitaxy,分子束外延)，在蓝宝石(Sapphire)衬底上外延生长基于较高Al组分势垒层的Al0.4Ga0.6N(8nm)/AlN/GaN异质结，研制出高频微波器件。2008年，又采用MOCVD技术(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，金属有机物化学气相沉积)，在碳化硅(SiC)衬底上外延生长基于Al0.4Ga0.6N(6nm)/AlN/GaN异质结并制备高频微波器件。之后，美国康奈尔大学、瑞典查尔姆斯理工、美国IQE公司等进一步研制出基于更高Al组分、更薄AlGaN势垒层(Al组分>50％，厚度<4nm)异质结的高频微波器件。另一方面，AlInN三元合金体系由于具有较强的自发极化效应，且In组分为～17％时，其与GaN能够形成近晶格匹配生长，可有效降低晶格失配和压电极化引起的晶格缺陷，有效防止高压下逆压电效应导致的器件失效，提高器件可靠性，因此，采用近晶格匹配的Al0.83In0.17N/AlN/GaN异质结制备高频微波器件逐渐成为另一条技术路线而受到广泛关注。此外，由于AlInGaN四元合金体系在拥有强极化效应的同时，具备更大的组分调节自由度，AlInGaN/AlN/GaN异质结在高频微波器件领域的应用亦逐步受到重视，美国圣母大学、德国亚琛工大、美国IQE公司均投入研发。在衬底方面，由于SiC具有与GaN更小的晶格失配、更高的导热系数，因此成为商用化高频微波器件的主流选择。
采用传统基于高Al组分势垒层的AlGaN/AlN/GaN异质结制备高频微波，由于势垒层中存在较强张应力，外延生长过程中容易出现微沟槽及裂纹，一方面，极大影响异质结界面质量，从而恶化沟道处电子迁移率，降低器件截止频率fT与振荡频率fMax；另一方面，裂纹会诱导漏电通道，导致栅极漏电显著增加，从而造成较大的噪声与功耗，并降低栅压摆幅而增大静态功耗。此外，由于Al原子的表面迁移率较低，传统高Al组分势垒层的Al组分空间分布并非均匀，故会诱导形成局域张应力场，加大逆压电效应发生的可能性，影响器件高频、高功率工作状态下的可靠性。
采用近晶格匹配AlInN/AlN/GaN或者AlInGaN/AlN/GaN异质结制备高频微波器件，则可以有效改善因势垒层应力而引发的器件可靠性问题，然而，由于AlN与InN的共价键之间存在较大失配，极易出现相分离而导致In组分波动，进而引起材料组分不均匀，加之生长条件相差巨大，因此，较难生长高质量的AlInN、AlInGaN势垒层，从而亦会导致栅极漏电、势垒层内部横向漏电等一系列问题。
除了以上两种常见的技术方案，还有其他方案提出，比如：Al组分阶变AlGaN势垒层结构、AlN/GaN超晶格势垒层结构，这些方案之目的在于改善传统高Al组分AlGaN势垒层中应力过大的情况。然而，由于其生长过程较为复杂，存在较多的生长条件转变，较难实现整个势垒层稳定、可控的外延生长。
发明内容
针对上述各技术方案存在的问题，本专利提出TMIn(Trimethyl Indium，三甲基铟)辅助的MOCVD外延生长技术方案，通过In原子的表面活性作用，有效提高Al原子的表面横向迁移，以大幅提升高Al组分AlGaN势垒层的晶体质量，并进一步结合硅衬底上高质量GaN外延生长技术，制备高性能、高可靠性、低成本的GaN基高频微波器件。
本专利针对GaN基高频微波器件中的核心有源区异质结生长问题，提出在外延生长高Al组分异质结时通入TMIn的方法，借助In原子的表面活性剂作用以增强Al原子横向迁移，从而提高异质结中的组分均匀性并改善应力场分布，大幅提高异质结晶体质量，最终提升高频微波器件性能与可靠性。
在外延生长高Al组分异质结时，势垒层可以为高Al组分的AlGaN，也可以为AlN；外延生长AlN插入层时，亦可以利用TMIn的表面活性作用，提高AlN插入层的晶体质量。
在一些实施例之中提供了一种用于制备GaN基高频微波器件的方法，其特征在于包括如下步骤：(1)在衬底材料上，自下而上依次外延生长成核层、应力控制层、缓冲层；(2)在所述缓冲层上生长高Al组分异质结，包括第一半导体层GaN沟道层，第二半导体层高Al组分势垒层，在势垒层生长过程中，通入TMIn，用于增强Al原子的横向迁移；(3)在所述高Al组分势垒层上生长GaN帽层；(4)源、漏欧姆接触制备；(5)栅极制备；(6)钝化层沉积；以及(7)有源区隔离。
在一些实施例中，所述第二半导体层高Al组分势垒层为AlxGa1-xN(0.20≤x<1)。
在一些实施例中，所述第二半导体层高Al组分势垒层可以为AlN。
在一些实施例中，在所述第一半导体层和所述第二半导体层之间生长AlN插入层，在所述AlN插入层生长过程中，通入TMIn，用于增强Al原子的横向迁移。在一些实施例中，步骤(1)所述衬底包括但不限于以下至少一种：Si、蓝宝石、碳化硅、高阻氮化镓、高阻氮化铝、或SOI衬底。
在一些实施例中，所述外延生长工艺包括但不限于以下至少一种：金属有机物化学气相沉积(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)或分子束外延(Molecular Beam Epitaxy,MBE)方法生长GaN基高频微波器件外延结构。
在一些实施例中，步骤(5)所述栅极包括但不限于单T型栅、双T型栅或直栅。
在一些实施例中，所述单T型栅制备采用包括但不限于双层胶或三层胶技术进行T型栅的光刻图形化，之后进行肖特基栅极金属沉积。
在一些实施例中，步骤(5)所述栅极可以是无场板结构或场板结构。
在一些实施例中，步骤(5)所述栅极包括但不限于肖特基栅极或MIS型栅极结构。
在一些实施例中，所述钝化层沉积采用的技术包括但不限于以下至少一种：等离子体增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)、低压化学气相沉积(Low Pressure Chemical Vapor Deposition,LPCVD)或原子层沉积(AtomLayer Deposition,ALD)工艺。
在一些实施例中，所述钝化层材料包括但不限于以下至少一种：SiNx、SiO2、Al2O3或AlN。
在一些实施例中，所述有源区隔离采用N离子注入技术进行隔离。
在一些实施例中，所述源、漏欧姆接触制备工艺，包括但不限于常规制备工艺、基于再生长n型层技术的制备工艺或低温欧姆接触制备工艺。
本专利提出一种可以实现高Al组分AlGaN势垒层异质结的高质量外延生长方法，即通过In原子的表面活性作用，有效提高Al原子的表面横向迁移，能够大幅提高势垒层的组分均匀性，改善势垒层中的应力场分布，避免微沟槽、微裂纹的形成，综合提升器件的频率特性、工作可靠性。实验结果表明，势垒层中不通入TMIn与通入TMIn的材料性能在方阻、电子迁移率、电子浓度方面，差异显著。如表1所示。
表1.势垒层中不通入TMIn与通入TMIn的材料性能对比.
本专利提出的方法简单而有效，结合低成本硅衬底上高质量GaN外延生长技术，极有望实现GaN基高频微波器件的商用化。
附图说明
图1.GaN基射频微波器件外延结构(高Al组分势垒层)；
图2.器件源漏欧姆接触制备；
图3.器件T型栅制备；
图4.氮化硅钝化层沉积；
图5.完成整个芯片工艺后器件示意图
图6.GaN基射频微波器件外延结构(高Al组分势垒层)；
图7.完成整个芯片工艺后器件示意图；
图8.GaN基射频微波器件外延结构(二元合金AlN势垒层)；
图9.完成整个芯片工艺后器件示意图。
具体实施方式
以下将对本发明的具体实施方式进行详细描述。为了避免过多不必要的细节，在以下实施例中对属于公知的结构或功能将不进行详细描述。除有定义外，以下实施例中所用的技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。
几个缩写
TMIn：Trimethyl Indium
TMGa：Trimethyl Gallium
TMAl：Trimethyl Alluminium
LF：Low Frequency
RF：Radio Frequency
本发明提供了一种用于制备GaN基高频微波器件的方法。
在一些实施例之中所述方法包括：(1)在衬底材料上，自下而上依次外延生长成核层、应力控制层、缓冲层；(2)在所述缓冲层上生长高Al组分异质结，包括第一半导体层GaN沟道层，第二半导体层高Al组分势垒层，在势垒层生长过程中，通入TMIn，用于增强Al原子的横向迁移；(3)在所述高Al组分势垒层上生长GaN帽层；(4)源、漏欧姆接触制备；(5)栅极制备；(6)钝化层沉积；以及(7)有源区隔离。
在一些实施例中，所述第二半导体层高Al组分势垒层为AlxGa1-xN(0.20≤x<1)。
在一些实施例中，所述第二半导体层高Al组分势垒层可以为AlN。
在一些实施例中，在所述第一半导体层和所述第二半导体层之间生长AlN插入层，在所述AlN插入层生长过程中，通入TMIn，用于增强Al原子的横向迁移。
在一些实施例中，步骤(1)所述衬底包括但不限于以下至少一种：Si、蓝宝石、碳化硅、高阻氮化镓、高阻氮化铝、或SOI衬底。
在一些实施例中，所述外延生长工艺包括但不限于以下至少一种：金属有机物化学气相沉积(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)或分子束外延(Molecular Beam Epitaxy,MBE)方法生长GaN基高频微波器件外延结构。
在一些实施例中，步骤(5)所述栅极包括但不限于单T型栅、双T型栅或直栅。
在一些实施例中，所述单T型栅制备采用包括但不限于双层胶或三层胶技术进行T型栅的光刻图形化，之后进行肖特基栅极金属沉积。
在一些实施例中，步骤(5)所述栅极可以是无场板结构或场板结构。
在一些实施例中，步骤(5)所述栅极包括但不限于肖特基栅极或MIS型栅极结构。
在一些实施例中，所述钝化层沉积采用的技术包括但不限于以下至少一种：等离子体增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)、低压化学气相沉积(Low Pressure Chemical Vapor Deposition,LPCVD)或原子层沉积(AtomLayer Deposition,ALD)工艺。
在一些实施例中，所述钝化层材料包括但不限于以下至少一种：SiNx、SiO2、Al2O3或AlN。
在一些实施例中，所述有源区隔离采用N离子注入技术进行隔离。
在一些实施例中，所述源、漏欧姆接触制备工艺，包括但不限于常规制备工艺、基于再生长n型层技术的制备工艺或低温欧姆接触制备工艺。
以下结合若干实施例及附图本发明的技术方案作更为具体的解释说明。又及，在如下实施例之中所采用的各种产品结构参数、各种反应参与物及工艺条件均是较为典型的范例，但经过本案发明人大量试验验证，于上文所列出的其它不同结构参数、其它类型的反应参与物及其它工艺条件也均是适用的，并也均可达成本发明所声称的技术效果。
实施例I
在硅衬底上，自下而上依次生长成核层、应力控制层、缓冲层。
GaN沟道层生长。载气为氢气，生长温度900-1200℃；反应腔室压强100-350mbar；TMGa流量20-40sccm，氨气流量8-20slm。GaN沟道层厚度为50-200nm，生长速率0.1-3μm/hr。
AlN插入层生长。载气为氢气，生长温度900-1200℃；反应腔室压强100-350mbar；TMAl流量20-200sccm，氨气流量2-20slm。AlN插入层厚度0.5-1.5nm，生长速率0.1-3μm/hr。
高Al组分AlxGa1-xN势垒层生长(0.25≤x<1)。为增强Al原子的横向迁移，通入TMIn，流量为100-500sccm。载气为氮气，生长温度为800-1100℃；反应腔室压强100-350mbar；TMAl流量为10-200sccm，TEGa流量为10-100sccm，氨气流量2-20slm。高Al组分AlxGa1-xN势垒层厚度2-50nm，生长速率0.02-3μm/hr。
GaN帽层生长。由于高Al组分AlGaN势垒层易氧化，故需要生长GaN帽层保护。载气为氮气，生长温度为800-1100℃；反应腔室压强100-350mbar；TMGa流量为10-100sccm，氨气流量2-20slm。GaN帽层厚度2-50nm，生长速率0.1-3μm/hr。至此，完成了材料的外延生长，外延结构如图1所示。
源、漏欧姆接触制备。采用EBL(Electron Beam Lithography，电子束光刻)技术进行源漏欧姆接触的光刻图形化，之后进行金属Ti/Al/Ni/Au沉积，厚度为20nm/130nm/50nm/150nm，退火条件为840℃，退火时间30s，氮气气氛。源、漏欧姆接触间距为700nm。如图2所示。
T型栅制备。采用双层胶(或三层胶)技术进行T型栅的光刻图形化，之后进行金属Ni/Au沉积，厚度为20nm/100nm,T型栅长55nm，栅宽为48μm。如图3所示
钝化层沉积。采用PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积)技术进行钝化层氮化硅沉积，生长条件：衬底温度为100-350℃，反应腔室压强为1700mtorr,SiH4流量为13-45sccm，NH3流量为10～90sccm，N2吹扫流量为1000sccm，RF功率为67W，LF功率为53W。氮化硅掩膜层厚度为50-300nm。如图4所示。
有源区隔离。有源区隔离。采用N离子注入技术进行隔离，离子注入能量为150-400KeV离子注入，注入离子剂量1012-1014/cm2，注入深度为超过缓冲层50-250nm左右。如图5所示。
实施例II
在硅衬底上，自下而上依次生长成核层、应力控制层、缓冲层。
GaN沟道层生长(假设已经完成硅衬底上成核层、应力控制层、缓冲层的外延生长)。载气为氢气，生长温度900-1200℃；反应腔室压强100-350mbar；TMGa流量20-40sccm，氨气流量8-20slm。GaN沟道层厚度为50-200nm，生长速率0.1-3μm/hr。
AlN插入层生长。为增强Al原子的横向迁移，实现AlN插入层迅速覆盖从而减少下层GaN沟道层的表面分解，在AlN插入层生长过程中，通入TMIn，流量为100-800sccm。载气为氢气，生长温度为800-1200℃；反应腔室压强100-350mbar；TMAl流量20-200sccm，氨气流量2-20slm。AlN插入层厚度0.5-1.5nm，生长速率0.1-3μm/hr。
高Al组分AlxGa1-xN势垒层生长(0.25≤x<1)。为增强Al原子的横向迁移，通入TMIn，流量为100-500sccm。载气为氮气，生长温度为800-1100℃；反应腔室压强100-350mbar；TMAl流量为10-200sccm，TEGa流量为10-100sccm，氨气流量2-20slm。高Al组分AlxGa1-xN势垒层厚度2-50nm，生长速率0.02-3μm/hr。
GaN帽层生长。由于高Al组分AlGaN势垒层易氧化，故需要生长GaN帽层保护。载气为氮气，生长温度为800-1100℃；反应腔室压强100-350mbar；TMGa流量为10-100sccm，氨气流量2-20slm。GaN帽层厚度2-50nm，生长速率0.1-3μm/hr。至此，完成了材料的外延生长，外延结构如图6所示。
同实施例I中5—8。完成整个芯片工艺后的器件如图7所示。
实施例III
在硅衬底上，自下而上依次生长成核层、应力控制层、缓冲层。
GaN沟道层生长。载气为氢气，生长温度900-1200℃；反应腔室压强100-350mbar；TMGa流量20-40sccm，氨气流量8-20slm。GaN沟道层厚度为50-200nm，生长速率0.1-3μm/hr。
二元合金AlN势垒层生长。为增强Al原子的横向迁移，通入TMIn，流量为100-500sccm。载气为氮气，生长温度为800-1200℃；反应腔室压强100-350mbar；TMAl流量为20-200sccm，氨气流量2-20slm。AlN势垒层厚度2-10nm，生长速率0.02-3μm/hr。
GaN帽层生长。由于AlN势垒层极易氧化，故需要生长GaN帽层保护。载气为氮气，生长温度为800-1100℃；反应腔室压强100-350mbar；TMGa流量为10-100sccm，氨气流量2-20slm。GaN帽层厚度2-50nm，生长速率0.1-3μm/hr。至此，完成了材料的外延生长，外延结构如图8所示。
4—7.同实施例I中5—8。完成整个芯片工艺后的器件如图9所示。
以上实施例中的硅衬底，可以使用蓝宝石、碳化硅、高阻氮化镓、高阻氮化铝、或SOI作为衬底，代替硅衬底。
本发明不仅适用于基于高Al组分势垒层AlGaN/AlN/GaN异质结的高频微波器件研制，也适用于采用全AlN势垒层的高频微波器件研制。
本发明不仅适用于高Al组分(25％～100％)势垒层的外延生长，也适用于AlN插入层外延生长。
本发明不仅限于用MOCVD方法生长GaN基高频微波器件外延结构，也包括用MBE(Molecular Beam Epitaxy,分子束外延)方法生长GaN基高频微波器件外延结构。
本发明不仅适用于Si衬底上GaN基高频微波器件的研制，所用衬底也包括蓝宝石、碳化硅、高阻氮化镓、高阻氮化铝、SOI等。
器件工艺方面，欧姆接触不仅限于常规制备方法，也包括基于再生长n型层技术的制备工艺、低温欧姆接触制备工艺等；钝化层沉积技术不仅限于PECVD(，也包括其他钝化层沉积技术，包括LPCVD(Low Pressure Chemical VaporDeposition,低压化学气相沉积)、ALD(Atom Layer Deposition,原子层沉积)等，钝化层材料则包括SiNx、SiO2、Al2O3、AlN等。
器件结构方面，栅极不仅限于单T型栅，也包括双T型栅、直栅等结构；不仅仅限于实施例中所述无场板结构器件，也包括具有场板结构的器件；不仅限于肖特基栅极，也包括MIS型栅极结构。
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。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
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 (14)
1.一种用于制备GaN基高频微波器件的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)在衬底材料上，自下而上依次外延生长成核层、应力控制层、缓冲层；(2)在所述缓冲层上生长高Al组分异质结，包括第一半导体层GaN沟道层，第二半导体层高Al组分势垒层，在势垒层生长过程中，通入TMIn，用于增强Al原子的横向迁移；(3)在所述高Al组分势垒层上生长GaN帽层；(4)源、漏欧姆接触制备；(5)栅极制备；(6)钝化层沉积；以及(7)有源区隔离。
2.根据权利要求1所述的用于制备GaN基高频微波器件的方法，其特征在于：所述第二半导体层高Al组分势垒层为AlxGa1-xN(0.20≤x<1)。
3.根据权利要求1所述的用于制备GaN基高频微波器件的方法，其特征在于：所述第二半导体层高Al组分势垒层可以为AlN。
4.根据权利要求2所述的用于制备GaN基高频微波器件的方法，其特征在于：在所述第一半导体层和所述第二半导体层之间生长AlN插入层，在所述AlN插入层生长过程中，通入TMIn，用于增强Al原子的横向迁移。
5.根据权利要求1～4任一所述的用于制备GaN基高频微波器件的方法，其特征在于：步骤(1)所述衬底包括但不限于以下至少一种：Si、蓝宝石、碳化硅、高阻氮化镓、高阻氮化铝、或SOI衬底。
6.根据权利要求1～4任一所述的用于制备GaN基高频微波器件的方法，其特征在于：所述外延生长工艺包括但不限于以下至少一种：金属有机物化学气相沉积(Metal-OrganicChemical Vapor Deposition，MOCVD)或分子束外延(Molecular Beam Epitaxy,MBE)方法生长GaN基高频微波器件外延结构。
7.根据权利要求1～4任一所述的用于制备GaN基高频微波器件的方法，其特征在于：步骤(5)所述栅极包括但不限于单T型栅、双T型栅或直栅。
8.根据权利要求7所述的用于制备GaN基高频微波器件的方法，其特征在于：所述单T型栅制备采用包括但不限于双层胶或三层胶技术进行T型栅的光刻图形化，之后进行肖特基栅极金属沉积。
9.根据权利要求1～4任一所述的用于制备GaN基高频微波器件的方法，其特征在于：步骤(5)所述栅极可以是无场板结构或场板结构。
10.根据权利要求1～4任一所述的用于制备GaN基高频微波器件的方法，其特征在于：步骤(5)所述栅极包括但不限于肖特基栅极或MIS型栅极结构。
11.根据权利要求1～4任一所述的用于制备GaN基高频微波器件的方法，其特征在于：所述钝化层沉积采用的技术包括但不限于以下至少一种：等离子体增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)、低压化学气相沉积(LowPressure Chemical Vapor Deposition,LPCVD)或原子层沉积(Atom Layer Deposition,ALD)工艺。
12.根据权利要求1～4任一所述的用于制备GaN基高频微波器件的方法，其特征在于：所述钝化层材料包括但不限于以下至少一种：SiNx、SiO2、Al2O3或AlN。
13.根据权利要求1～4任一所述的用于制备GaN基高频微波器件的方法，其特征在于：所述有源区隔离采用N离子注入技术进行隔离。
14.根据权利要求1～4任一所述的用于制备GaN基高频微波器件的方法，其特征在于：所述源、漏欧姆接触制备工艺，包括但不限于常规制备工艺、基于再生长n型层技术的制备工艺或低温欧姆接触制备工艺。
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