CN108461543B - 一种GaN 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 HEMT器件及其制备方法。该GaN HEMT器件包括N型帽层、第一钝化层、第一介质层；N型帽层、第一钝化层和第一介质层的中部贯通设有栅金属区；第二钝化层形成于栅金属区内并覆盖暴露于栅金属区内的N型帽层、第一钝化层和第一介质层的侧表面以及势垒层的部分上表面；第二介质层形成于栅金属区内并层叠于第二钝化层上；栅金属层覆盖形成于暴露于栅金属区内的势垒层的剩余上表面、第二钝化层及第二介质层上；第二钝化层和第二介质层叠置在栅金属层的两侧。采用N型帽层来降低源漏的寄生电阻，采用侧墙工艺制作叠置在栅金属层两侧的第二钝化层及第二介质层，来缩小栅长尺寸和降低寄生电容，从而获得具有优异射频特性的GaN HEMT器件。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件领域，具体涉及一种GaN HEMT器件及其制备方法。
背景技术
GaN材料及器件的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点。GaN材料与SiC和金刚石材料一起被誉为第三代半导体材料。GaN材料具有禁带宽度宽、临界击穿电场高、电子饱和速度高、热导率高、异质结界面二维电子气浓度高等优点，是下一代功率和射频器件的理想替代品。
传统的GaN HEMT器件采用非掺杂的势垒层结构，造成源漏寄生电阻比较大，严重限制了GaN HEMT器件的高频特性，为了提高器件的射频性能，一种方式是采用源漏再生长外延的技术形成N型重掺杂的外延层，器件和外延相结合的技术无疑会增加器件的制备工艺的复杂性，不利于大批量生产。
发明内容
本发明的目的是解决上述现有技术中存在的不足和问题，提出了一种GaN HEMT器件及其制备方法，该GaN HEMT器件具有优异的射频特性。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种GaN HEMT器件，包括自下至上依次层叠的衬底、缓冲层、沟道层、势垒层、N型帽层以及源漏金属层，所述N型帽层上层叠设置有第一钝化层，所述第一钝化层上层叠设置有第一介质层，所述第一钝化层和所述第一介质层位于所述源漏金属层之间并与所述源漏金属层相接；
所述N型帽层、所述第一钝化层和所述第一介质层的中部贯通设有栅金属区；
所述GaN HEMT器件还包括第二钝化层、第二介质层及栅金属层；
所述第二钝化层形成于所述栅金属区内并覆盖暴露于所述栅金属区内的所述N型帽层、所述第一钝化层和所述第一介质层的侧表面以及所述势垒层的部分上表面；
所述第二介质层形成于所述栅金属区内并层叠于所述第二钝化层上；
所述栅金属层覆盖形成于所述暴露于所述栅金属区内的所述势垒层的剩余上表面、所述第二钝化层及所述第二介质层上；
所述第二钝化层和所述第二介质层叠置在所述栅金属层的两侧，使得所述栅金属层上部的宽度大于所述栅金属层下部的宽度。
在一实施例中，所述第二介质层的与所述栅金属层相接的侧表面为斜面或弧形曲面以使所述栅金属层的所述下部的宽度自上至下逐渐减小。
在一实施例中，所述第二介质层的顶端与所述第一介质层的上表面持平。
在一实施例中，位于所述栅金属层任一侧的所述第二钝化层的沿竖直方向的截面的形状为L形，所述第二钝化层包括与所述势垒层上表面相接的水平边部及与所述N型帽层、所述第一钝化层、所述第一介质层侧表面相接的竖直边部。
在一实施例中，所述水平边部下表面的宽度在3埃米-1微米之间，位于所述栅金属层相对两侧的所述第二钝化层的所述水平边部的下表面的间距在10纳米-1微米之间，所述水平边部的厚度在3埃米-100纳米之间，所述竖直边部的宽度在3埃米-100纳米之间，所述竖直边部的厚度为所述N型帽层、所述第一钝化层、所述第一介质层的厚度之和，所述竖直边部的宽度和所述水平边部的厚度相同。
在一实施例中，所述第一钝化层为氮化硅、二氧化硅、铝氧氮、氮化铝中的一种或多种叠层，所述第一介质层为氮化硅或二氧化硅或二者的叠层，位于所述源漏金属层和所述第二钝化层之间的第一钝化层和第一介质层的宽度在10纳米-3微米之间，所述第一钝化层的厚度在3埃-30纳米之间；和/或，所述第二钝化层为氮化硅、铝氧氮、氮化铝中的一种或多种的叠层，所述第二介质层为二氧化硅；
在一实施例中，所述N型帽层为N型掺杂的AlGaN、AlInN、AlScN、AlN、GaN、AlInGaN、AlInScN和AlGaScN中的一种或多种的叠层，掺杂浓度在1×1018 -3×1020 cm-3之间，掺杂元素为Si和/或Ge，所述N型帽层厚度为10-300纳米之间。
本发明还采用如下技术方案：
一种所述的GaN HEMT器件的制备方法，包括如下步骤：
S1、在衬底上依次外延形成缓冲层、沟道层、势垒层及N型帽层；
S2、在N型帽层上依次沉积第一钝化层和第一介质层，选择性去除部分第一钝化层、部分第一介质层和部分N型帽层，从而形成贯通第一介质层、第一钝化层和N型帽层的中部的栅金属区；
S3、依次沉积第二钝化层和第二介质层，对第二钝化层和第二介质层进行刻蚀以使位于栅金属区内的势垒层上表面的中部暴露出；
S4、在暴露出的N型帽层的上表面上以及第二钝化层和第二介质上形成栅金属层；
S5、选择性去除部分第一钝化层和部分第一介质层的材料层以暴露出N型帽层的上表面，在暴露出的N型帽层的上表面上形成源漏金属层。
在一实施例中，步骤S2中，采用光刻胶进行掩膜，匀胶、光刻、显影后，采用电感耦合等离子体刻蚀工艺来刻蚀第一钝化层和第一介质层；采用高温电感耦合等离子体刻蚀工艺来刻蚀N型帽层，衬底温度为120摄氏度-400摄氏度之间，采用Cl2、BCl3、SF6、CF4、Ar中的一种或多种的混合气体作为刻蚀气体；去除光刻胶以后，对样品进行退火，退火温度在300摄氏度-900摄氏度之间，退火时间在10秒-30分钟之间，去除刻蚀损伤；刻蚀完成后第一钝化层、第一介质层和N型帽层叠层的侧壁与势垒层的上表面的夹角在80度-95度之间。
在一实施例中，步骤S3中，采用电感耦合等离子体刻蚀工艺刻蚀工艺形成第二钝化层和第二介质层，形成侧墙；刻蚀完成后，对样品进行退火，退火温度在300摄氏度-900摄氏度之间，退火时间在10秒-30分钟之间，去除刻蚀损伤。
本发明采用以上方案，相比现有技术具有如下优点：
采用N型帽层来降低GaN HEMT器件的源漏的寄生电阻，采用侧墙工艺制作叠置在栅金属层两侧的第二钝化层及第二介质层，来缩小栅长尺寸和降低寄生电容，并形成自对准源漏，从而实现具有优异射频特性的GaN HEMT器件，具有重要的研究价值和广阔的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的一种GaN HEMT器件的结构示意图；
图2为在衬底上外延N型帽层后的结构示意图；
图3为沉积完第一钝化层和所述第一介质层的结构示意图；
图4为刻蚀形成栅金属区的结构示意图；
图5为形成第二钝化层和所第二介质层后的结构示意图；
图6为形成栅金属层后的结构示意图。
其中：1-衬底；2-缓冲层；3-GaN沟道层；4-势垒层；5-N型帽层；6-第一钝化层；7-第一介质层；8-第二钝化层；9-第二介质层；10-栅金属层；11-源漏金属层；12-栅金属区。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域的技术人员理解。本发明对方位的定义是根据本领域人员的惯常观察视角和为了叙述方便而定义的，不限定具体的方向。本发明中述及的上、下等方位词是根据本领域技术人员对HEMT器件的惯常观察视角及为了方便叙述而定义的，不限定具体的方向，以图1为例，上、下分别对应于图1中纸面的上侧、下侧。
实施例1
本实施例提供一种GaN HEMT器件。参照图1所示，所述GaN HEMT器件包括衬底1、缓冲层2、GaN沟道层3、势垒层4、N型帽层5、第一钝化层6、第一介质层7、第二钝化层8、第二介质层9、栅金属层10及源漏金属层11。
其中，所述缓冲层2叠置在所述衬底1之上；所述GaN沟道层3叠置在所述缓冲2层之上；所述势垒层4叠置在所述GaN沟道层3之上；所述N型帽层5叠置在所述势垒层4之上；所述源漏金属层11叠置在所述N型帽层5的外缘之上，所述第一钝化层6也叠置在所述N型帽层5之上，所述第一介质层7叠置在所述第一钝化层6之上，所述第一钝化层6和所述第一介质层7位于两侧的源漏金属层之间并和源漏金属层11的侧壁相接。所述N型帽层5、所述第一钝化层6和所述第一介质层7的中部设有栅金属区，该栅金属区自上至下依次贯通所述第一介质层7、第一钝化层6及N型帽层5直至露出势垒层4的上表面；所述第二钝化层8形成于所述栅金属区内并覆盖暴露于所述栅金属区内的所述N型帽层5、所述第一钝化层6和所述第一介质层7的侧表面以及所述势垒层4的部分上表面；所述第二介质层9形成于所述栅金属区内并层叠于所述第二钝化层8上；所述栅金属层10覆盖形成于所述暴露于所述栅金属区内的所述势垒层4的剩余上表面、所述第二钝化层8及所述第二介质层9上。
所述第二钝化层8叠置在栅金属区内的所述势垒层4之上，其一侧侧壁与所述N型帽层5、所述第一钝化层6、所述第一介质层7的侧壁相接；位于所述栅金属层10任一侧的所述第二钝化层8的沿竖直方向的截面的形状为L形，即，所述第二钝化层10包括与所述势垒层4上表面相接的水平边部及与所述N型帽层5、所述第一钝化层6、所述第一介质层7的侧表面相接的竖直边部。所述第二介质层9的一侧侧壁与所述第二钝化层8的竖直边部相接，且其与所述栅金属层10相接的另一侧侧壁为圆弧形曲面，或为斜面；所述栅金属层10叠置在所述势垒层4的中心区域之上，所述栅金属层10大体呈T型，其侧壁与所述第二钝化层8、所述第二介质层9的侧壁相接，且所述栅金属层10覆盖所述第二钝化层8和所述第二介质层9的上表面。所述第二钝化层8和所述第二介质层9叠置在所述栅金属层10的两侧，使得所述栅金属层10上部的宽度大于所述栅金属层10下部的宽度。
所述衬底1为硅、蓝宝石、碳化硅单晶衬底中的一种，本实施例中所述衬底1具体为硅衬底。
所述缓冲层2为AlN、AlGaN、GaN中的一种或其叠层组合而成，所述缓冲层的厚度在1微米-3微米之间。本实施例中的缓冲层2具体为GaN层，厚度为1.5微米。
所述GaN沟道层3为非故意掺杂的GaN单晶层，所述GaN沟道层3的厚度在5纳米-500纳米之间。本实施例中的所述GaN沟道层3具体为非故意掺杂的GaN单晶层，厚度为50纳米。
所述势垒层4为非故意掺杂的AlGaN、AlInN、AlScN、AlN、GaN、AlInGaN、AlInScN和AlGaScN中的一种或其多种的叠层，所述势垒层4的厚度在1纳米-100纳米之间。本实施例中的所述势垒层4为非故意掺杂的AlGaN单晶层，厚度为20纳米。
所述N型帽层5为N型掺杂的AlGaN、AlInN、AlScN、AlN、GaN、AlInGaN、AlInScN和AlGaScN中的一种或多种的叠层，掺杂浓度在1×1018 -3×1020 cm-3之间，掺杂元素为Si或Ge，或者两者的共掺杂，所述N型帽层5的厚度为10-300纳米之间。本实施例中的所述N型帽层5具体为N型掺杂的GaN单晶层，掺杂浓度为1×1020 cm-3，掺杂元素为Si，厚度为180纳米。
所述第一钝化层6为氮化硅、二氧化硅、铝氧氮、氮化铝中的一种或多种的叠层，所述第一钝化层6的厚度在3埃米-30纳米之间，宽度在10纳米-3微米之间。本实施例中的所述第一钝化层6具体为铝氧氮，厚度为20纳米，宽度为1微米。
所述第一介质层7为氮化硅和二氧化硅中的一种或多种的叠层，所述第一介质层7的厚度在1纳米-200纳米之间，所述第一介质层7的宽度与所述第一钝化层6的宽度相同。本实施例中的所述第一介质层7具体为氮化硅，厚度为100纳米。
所述第二钝化层8为氮化硅、铝氧氮、氮化铝中的一种或多种的叠层，所述第二钝化层8距所述源漏金属层11较近的一侧的侧壁的高度与所述N型帽层5、所述第一钝化层6和所述第一介质层7的厚度之和相同，所述第二钝化层8与所述势垒层4的上表面相接触的下表面（即，水平边部下表面的宽度）的宽度在3埃米-1微米之间，位于所述栅金属层10相对两侧的所述第二钝化层8的下表面之间的间距在10纳米-1微米之间，所述第二钝化层8的水平边部的厚度在3埃米-100纳米之间，所述第二钝化层8的竖直边部的宽度在3埃米-100纳米之间，所述竖直边部的宽度和所述水平边部的厚度相同。本实施例中的所述第二钝化层8具体为铝氧氮，所述第二钝化层8与所述势垒层4接触面的宽度为300纳米，两侧的所述第二钝化层8下表面之间的间距为300纳米，所述第二钝化层8水平边部的厚度为20纳米，所述第二钝化层8竖直边部的宽度为20纳米。
所述第二介质层9为二氧化硅，所述第二介质层9的顶端与所述第一介质层7的上表面持平，所述第二钝化层8和所述第二介质层9的与所述栅金属层10相接的一侧表面分别位于弧形曲面。
所述栅金属层10是氮化钽、氮化钛、钛、镍、铂、金、钨或铝的一层或多层金属的叠层，所述栅金属层10的厚度在100纳米-1微米之间。本实施例中的所述栅金属层10具体是Ni/Au叠层结构，厚度为500纳米。
所述源漏金属层11是镍、锗、金、钯、钛、铜、铂、钨、铝的一层或多层金属的叠层，所述源漏金属层11的厚度在10纳米-1微米之间。本实施例中的所述源漏金属层11是Ti/Al/Ni/Au叠层结构，厚度为300纳米。
实施例2
本实施例提供一种GaN HEMT器件的制备方法，包括如下步骤：
S1、在衬底1上依次外延形成缓冲层2、沟道层3、势垒层4及N型帽层5，如图2所示；
S2、在N型帽层5上依次沉积第一钝化层6和第一介质层7，采用干法刻蚀的方式选择性去除部分第一钝化层、部分第一介质层和部分N型帽层，从而形成贯通第一介质层7、第一钝化层6和N型帽层5的中部的栅金属区12，如图3和4所示；
S3、依次沉积第二钝化层8和第二介质层9，对第二钝化层8和第二介质层9进行干法刻蚀以使位于栅金属区12内的势垒层4上表面的中部暴露出，如图5所示；
S4、在暴露出的势垒层4的上表面上以及第二钝化层8和第二介质9上形成栅金属层10，如图6所示；
S5、采用干法刻蚀的方式选择性去除部分第一钝化层和部分第一介质层的材料层以暴露出N型帽层5的上表面，在暴露出的N型帽层5的上表面上形成源漏金属层11，如图1所示。
步骤S1中，具体采用MBE（分子束外延）方法外延缓冲层2、GaN沟道层3、势垒层4和N型帽层5。
步骤S2中，采用原子层沉积（ALD）方法沉积第一钝化层6，采用等离子增强化学气相沉积（PECVD）方法沉积第一介质层7；采用光刻胶进行掩膜，匀胶、光刻、显影后，采用电感耦合等离子体刻蚀工艺来刻蚀第一钝化层6和第一介质层7；采用高温电感耦合等离子体刻蚀工艺来刻蚀N型帽层5，衬底温度为300摄氏度，采用BCl3和Ar的混合气体作为刻蚀气体，去除光刻胶以后，对样品进行退火，退火温度为500摄氏度，退火时间为10分钟，去除刻蚀损伤；刻蚀完成后第一钝化层6、第一介质层7和N型帽层5叠层的侧壁与势垒层4的夹角在80度-95度之间。
步骤S3中，采用原子层沉积（ALD）方法沉积第二钝化层8，采用等离子增强化学气相沉积（PECVD）方法沉积第二介质层9；采用电感耦合等离子体刻蚀工艺刻蚀工艺形成第二钝化层8和第二介质层9，形成侧墙；刻蚀完成后，对样品进行退火，退火温度在500摄氏度，退火时间为10分钟，去除刻蚀损伤。
步骤S4中，采用剥离工艺或刻蚀工艺形成栅金属层10，金属沉积之前，采用稀释的盐酸去除势垒层4表面的自然氧化层。
步骤S5中，采用光刻胶进行掩膜，匀胶、光刻、显影后，采用电感耦合等离子体刻蚀工艺来刻蚀第一钝化层6和第一介质层7，采用稀释的盐酸去除衬底表面的自然氧化物和金属沾污，采用电子束蒸发的发生蒸发源漏金属层11，采用剥离工艺形成源漏金属层11。
实施例1提供的GaN HEMT器件及实施例2制备的GaN HEMT器件具有如下优点：采用重掺杂N型帽层来降低GaN HEMT器件的源漏的寄生电阻，采用侧墙工艺来缩小栅长尺寸和降低寄生电容，并形成自对准源漏，采用T形栅金属层来降低栅极寄生电阻，从而实现具有优异射频特性的GaN HEMT器件，具有重要的研究价值和广阔的应用前景。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，是一种优选的实施例，其目的在于熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限定本发明的保护范围。凡根据本发所作的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种GaN HEMT器件，包括自下至上依次层叠的衬底、缓冲层、沟道层、势垒层、N型帽层以及源漏金属层，所述N型帽层上层叠设置有第一钝化层，所述第一钝化层上层叠设置有第一介质层，所述第一钝化层和所述第一介质层位于所述源漏金属层之间并与所述源漏金属层相接；其特征在于：
所述N型帽层、所述第一钝化层和所述第一介质层的中部贯通设有栅金属区；
所述GaN HEMT器件还包括第二钝化层、第二介质层及栅金属层；
所述第二钝化层形成于所述栅金属区内并覆盖暴露于所述栅金属区内的所述N型帽层、所述第一钝化层和所述第一介质层的侧表面以及所述势垒层的部分上表面；
所述第二介质层形成于所述栅金属区内并层叠于所述第二钝化层上；
所述栅金属层覆盖形成于所述暴露于所述栅金属区内的所述势垒层的剩余上表面、所述第二钝化层及所述第二介质层上；
所述第二钝化层和所述第二介质层叠置在所述栅金属层的两侧，使得所述栅金属层上部的宽度大于所述栅金属层下部的宽度；
所述第二介质层的与所述栅金属层相接的侧表面为斜面或弧形曲面以使所述栅金属层的所述下部的宽度自上至下逐渐减小，所述第二介质层的顶端与所述第一介质层的上表面持平；
位于所述栅金属层任一侧的所述第二钝化层的沿竖直方向的截面的形状为L形，所述第二钝化层包括与所述势垒层上表面相接的水平边部及与所述N型帽层、所述第一钝化层、所述第一介质层侧表面相接的竖直边部；
所述第二钝化层为铝氧氮。
2.根据权利要求1所述的GaN HEMT器件，其特征在于：所述水平边部下表面的宽度在3埃米-1微米之间，位于所述栅金属层相对两侧的所述第二钝化层的所述水平边部的下表面的间距在10纳米-1微米之间，所述水平边部的厚度在3埃米-100纳米之间，所述竖直边部的宽度在3埃米-100纳米之间，所述竖直边部的厚度为所述N型帽层、所述第一钝化层、所述第一介质层的厚度之和，所述竖直边部的宽度和所述水平边部的厚度相同。
3.根据权利要求1所述的GaN HEMT器件，其特征在于：所述第一钝化层为氮化硅、二氧化硅、铝氧氮、氮化铝中的一种或多种叠层，所述第一介质层为氮化硅或二氧化硅或二者的叠层，位于所述源漏金属层和所述第二钝化层之间的第一钝化层和第一介质层的宽度在10纳米-3微米之间，所述第一钝化层的厚度在3埃-30纳米之间；所述第二介质层为二氧化硅。
4.根据权利要求1所述的GaN HEMT器件，其特征在于：所述N型帽层为N型掺杂的AlGaN、AlInN、AlScN、AlN、GaN、AlInGaN、AlInScN和AlGaScN中的一种或多种的叠层，掺杂浓度在1×1018 -3×1020 cm-3之间，掺杂元素为Si和/或Ge，所述N型帽层厚度为10-300纳米之间。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的GaN HEMT器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在衬底上依次外延形成缓冲层、沟道层、势垒层及N型帽层；
S2、在N型帽层上依次沉积第一钝化层和第一介质层，选择性去除部分第一钝化层、部分第一介质层和部分N型帽层，从而形成贯通第一介质层、第一钝化层和N型帽层的中部的栅金属区；其中，采用光刻胶进行掩膜，匀胶、光刻、显影后，采用电感耦合等离子体刻蚀工艺来刻蚀第一钝化层和第一介质层；采用高温电感耦合等离子体刻蚀工艺来刻蚀N型帽层，衬底温度为120摄氏度-400摄氏度之间，采用Cl2、BCl3、SF6、CF4、Ar中的一种或多种的混合气体作为刻蚀气体；去除光刻胶以后，对样品进行退火，退火温度在300摄氏度-900摄氏度之间，退火时间在10秒-30分钟之间，去除刻蚀损伤；刻蚀完成后第一钝化层、第一介质层和N型帽层叠层的侧壁与势垒层的上表面的夹角在80度-95度之间；
S3、依次沉积第二钝化层和第二介质层，对第二钝化层和第二介质层进行刻蚀以使位于栅金属区内的势垒层上表面的中部暴露出；
S4、在暴露出的势垒层的上表面上以及第二钝化层和第二介质上形成栅金属层；
S5、选择性去除部分第一钝化层和部分第一介质层的材料层以暴露出N型帽层的上表面，在暴露出的N型帽层的上表面上形成源漏金属层。
6.根据权利要求5所述的GaN HEMT器件的制备方法，其特征在于：步骤S3中，采用电感耦合等离子体刻蚀工艺形成第二钝化层和第二介质层，形成侧墙；刻蚀完成后，对样品进行退火，退火温度在300摄氏度-900摄氏度之间，退火时间在10秒-30分钟之间，去除刻蚀损伤。
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