CN108649069A - 漏扩展结构的射频GaN/AlGaN器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体器件技术领域，具体为漏扩展结构的射频GaN/AlGaN器件及其制备方法。本发明的漏扩展结构的射频GaN/AlGaN器件包括：衬底、GaN/AlGaN叠层结构、源极、栅极和漏扩展结构；其中，漏扩展结构的一部分形成于GaN层上，并与所述GaN/AlGaN叠层的侧面相接触，另一部分与AlGaN层上表面间形成有绝缘介质层。本发明采用低阻的硅化物薄膜作为漏极引线，不仅缩小了有源区，而且重构了电流通道，避免了二维电子气需要翻越高势垒的AlGaN/GaN异质结才能被漏电极抽取走的状况，从而使射频GaN/AlGaN器件获得更好的直流参数、高频线性参数等。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及漏扩展结构的射频GaN/AlGaN器件及其制备方法。
背景技术
GaN第三代半导体因具有较宽的禁带宽度(3.4eV)、高击穿场强(3MV/cm)以及在室温可以获得很高的电子迁移率(1500cm2/(V.s))、极高的峰值电子速度(3×107cm/s)和高二维电子气浓度(2×1013cm2)，GaN/AlGaN高电子迁移率晶体管功率器件（HEMTs）正在逐渐取代射频横向双扩散功率晶体管（RF-LDMOS）、GaAs功率器件，成为相控阵雷达中T/R组件的首选微波功率器件。另一方面，随着5G通信对海量数据宽带传输的迫切需求，在高频段工作且有高功率密度优势的GaN/AlGaN高电子迁移率晶体管器件在民用无线通信中又将大展身手，但前者在5G通信应用中也面临着高频调制信号的高线性传输等难点需要突破。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够获得更好直流参数和高频线性参数的漏扩展结构的射频GaN/AlGaN器件及其制备方法。
本发明提供的漏扩展结构的射频GaN/AlGaN器件，包括：衬底、构筑在衬底上的GaN/AlGaN叠层结构、源极、栅极和漏扩展结构；其中，漏扩展结构的一部分形成于GaN层上，并与所述GaN/AlGaN叠层的侧面相接触，另一部分与AlGaN层上表面间形成有绝缘介质层。
本发明的漏扩展结构的射频GaN/AlGaN器件中，优选绝缘介质层为SiN。
本发明的漏扩展结构的射频GaN/AlGaN器件中，优选漏扩展结构材料为低阻硅化物。
本发明的漏扩展结构的射频GaN/AlGaN器件中，优选漏扩展结构材料为镍硅化物。
本发明的漏扩展结构的射频GaN/AlGaN器件中，优选镍硅化物的厚度为50~70nm。
本发明还提供上述漏扩展结构的射频GaN/AlGaN器件的制备方法，包括以下步骤：
提供衬底；
在所述衬底上依次形成GaN/AlGaN叠层结构；
在所述GaN/AlGaN叠层结构上形成源极；
形成漏扩展结构，使漏扩展结构的一部分形成于GaN层上，并与所述GaN/AlGaN叠层的侧面相接触，另一部分与AlGaN层上表面间形成有绝缘介质层；以及
形成栅极。
本发明的漏扩展结构的射频GaN/AlGaN器件制备方法，优选漏扩展结构为低阻硅化物。
本发明的漏扩展结构的射频GaN/AlGaN器件制备方法，优选为漏扩展结构为镍硅化物。
本发明的漏扩展结构的射频GaN/AlGaN器件制备方法，在所述漏扩展结构形成步骤中，具体包括以下操作流程：
在所述GaN/AlGaN叠层结构上形成绝缘介质层作为掩膜；
光刻曝光出器件的MESA有源区图形，刻蚀绝缘介质层和AlGaN层并过刻，形成器件区；
淀积多晶硅薄膜；
光刻曝光形成漏扩展区的图形，刻蚀未掩蔽的多晶硅薄膜并去除光刻胶；以及
沉积金属镍薄膜并快速热退火形成镍硅化物，去除金属镍及部分绝缘介质层。
本发明的漏扩展结构的射频GaN/AlGaN器件制备方法，优选地，所述过刻深度为20~50nm，所述多晶硅薄膜的厚度为50~70nm，所述金属镍薄膜的厚度为50~70nm。
本发明采用低阻的硅化物薄膜作为漏极引线，不仅缩小了有源区，而且重构了电流通道，避免了二维电子气需要翻越高势垒的AlGaN/GaN异质结才能被漏电极抽取走的状况，从而使射频GaN/AlGaN器件获得更好的直流参数、高频线性参数等。
附图说明
图1是漏扩展结构的射频GaN/AlGaN器件制备方法的流程图。
图2是形成源极欧姆接触后的器件结构示意图。
图3是形成器件区后的器件结构示意图。
图4是刻蚀形成多晶硅漏扩展结构后的器件结构示意图。
图5是形成镍硅化物漏扩展结构后的器件结构示意图。
图6是形成肖特基栅极后的器件结构示意图。
图7是(a)本发明的漏扩展结构的射频GaN/AlGaN器件与(b)传统结构的射频GaN/AlGaN器件的机理对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，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，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。除非在下文中特别指出，器件中的各个部分可以由本领域的技术人员公知的材料构成，或者可以采用将来开发的具有类似功能的材料。
图1是本发明的漏扩展结构的射频GaN/AlGaN器件制备方法的流程图。以下结合图1针对本发明的漏扩展结构的射频GaN/AlGaN器件制备方法的具体步骤进行说明。
步骤S1，提供衬底100。衬底100例如为碳化硅、蓝宝石、氮化镓、氮化铝、氧化镓、绝缘体上硅（SOI）或者硅等适合氮化物外延生长的单晶材料。
步骤S2，在衬底100上依次形成GaN层101和AlGaN层102的叠层结构。在本实施方式中，GaN/AlGaN叠层结构中GaN层和AlGaN层分别为一层，但是本发明不限定于此，还可以是多层的叠层结构。
步骤S3，在GaN/AlGaN叠层结构上形成源极。具体而言，采用标准光学光刻工艺，曝光出欧姆接触的源极图形；然后，采用电子束蒸发方法依次形成厚度为65nm的Au层103，厚度为55nm的Ni层104，厚度为120nm的Al层105以及厚度为20nm的Ti层106。经过去胶剥离后，进行快速热退火（RTA）处理，温度控制在800~850℃之间，时间为50s，形成器件的源极欧姆接触，所得结构如图2所示。
步骤S4，形成漏扩展结构，其中，漏扩展结构的一部分形成于GaN层101上，并与所述GaN/AlGaN叠层的侧面相接触，另一部分与AlGaN层102上表面间形成有绝缘介质层。形成漏扩展结构的流程为：首先，在GaN/AlGaN叠层结构上形成绝缘介质层107作为掩膜层；然后，光刻曝光出器件的MESA有源区图形，刻蚀绝缘介质层107和AlGaN层102并过刻，形成器件区，所得结构如图3所示；接下来，淀积多晶硅薄膜108，光刻曝光形成漏扩展区的图形，刻蚀未掩蔽的多晶硅薄膜108并去除光刻胶，所得结构如图4所示；沉积金属镍薄膜并快速热退火形成镍硅化物109，去除金属镍及部分绝缘介质层107，所得结构如图5所示。当然，本发明不限定于此，漏扩展结构材料也可以是其它的低阻硅化物，如TiSi2、CoSi2等。
在具体的一例中，采用等离子体增强化学气相沉积方法（PECVD）淀积厚度为100nm的SiN绝缘介质层107作为掩膜层，曝光出器件的MESA有源区图形。然后，利用离子束刻蚀方法（RIE）刻蚀未掩蔽的SiN绝缘介质层107和AlGaN层102并过刻20~50nm，形成器件区。图3中示出了形成器件区后的器件结构示意图。接下来，采用低压力化学气相沉积法（LPCVD）淀积厚度为50~70nm的多晶硅层108，光刻曝光出漏扩展的图形。然后，采用干法刻蚀方法刻蚀未掩蔽的多晶硅薄膜并进行去胶处理。图4中示出了刻蚀形成多晶硅漏扩展结构后的器件结构示意图。之后，采用磁控溅射方法沉积厚度为50~70nm的金属镍薄膜并以600℃快速热退火（RTA）30s~50s，形成镍硅化物薄膜109。最后，采用H2SO4和H2O2作为腐蚀液，选择性湿法腐蚀去除金属镍，并用稀释后的HF溶液去除暴露的SiN绝缘介质薄膜107。图5中示出了形成镍硅化物漏扩展结构后的器件结构示意图。
步骤S5，曝光出肖特基栅极的图形，采用电子束蒸发厚度为20nm的Ni层110和厚度为60nm的Au层111，经过去胶剥离，得到肖特基栅级，并最终制备出漏扩展结构的射频AlGaN/GaN器件，如图6所示。
以上，针对本发明的漏扩展结构的射频GaN/AlGaN器件制备方法的具体实施方式进行了详细说明，但是本发明不限定于此。各步骤的具体实施方式根据情况可以不同。此外，部分步骤的顺序可以调换，部分步骤可以省略等。
本发明的漏扩展结构的射频GaN/AlGaN器件，如图6所示，包括衬底、高二维电子气GaN层/AlGaN层叠层结构、源极、栅极和漏扩展结构。其中，漏扩展结构的一部分形成于GaN层上，并与所述GaN/AlGaN叠层结构的侧面相接触，另一部分与AlGaN层上表面间形成有绝缘介质层。
本发明的漏扩展结构的射频GaN/AlGaN器件中，衬底100例如可以是碳化硅、蓝宝石、氮化镓、氮化铝、氧化镓、SOI 或者硅等适合氮化物外延生长的单晶材料。
本发明的漏扩展结构的射频GaN/AlGaN器件中，GaN/AlGaN叠层结构可以为一层或多层。
本发明的漏扩展结构的射频GaN/AlGaN器件中，漏扩展结构材料采用低阻硅化物，进一步优选为镍硅化物。镍硅化物的厚度优选为100~140nm。
漏扩展结构与GaN层101侧面的相接触的高度为20~50nm。
本发明的漏扩展结构的射频GaN/AlGaN器件中，绝缘介质层优选为SiN。
本发明的漏扩展结构的射频GaN/AlGaN器件中，源极优选包括厚度65nm的Au层103、厚度55nm 的Ni层104，厚度120nm的Al层105以及厚度20nm的Ti层106。
本发明的漏扩展结构的射频GaN/AlGaN器件中，栅极优选包括厚度20nm的Ni层110和厚度60nm的Au层111。
本发明利用Si工艺对AlGaN/GaN HEMTs器件进行了重构，采用低阻的硅化物薄膜作为漏极引线，不仅缩小了有源区，而且重构了电流通道，避免了二维电子气需要翻越高势垒的AlGaN/GaN异质结才能被漏电极抽取走的状况，从而使射频GaN/AlGaN器件获得更好的直流参数、高频线性参数等。为了更清楚的说明本发明的技术效果，在图7中示出了(a)本发明的漏扩展结构的射频GaN/AlGaN器件与(b)传统结构的射频GaN/AlGaN器件的机理对比图。如图7所示，采用新结构的器件优点如下：由于引入硅化物作为互连线，器件长度由Lpitch减小为Lactive，能显著提升器件的fT高频参数，对多指栅器件的高频特性提高尤为显著。并且，用低阻硅化物作为漏极互连线，取代了漏极下方AlGaN/GaN异质结结构中的R2deg、Rcont，Ti/Al/Ni/Au高电阻，更扣除了由AlGaN/GaN异质结诱发的Cds电容值，这对器件的高频功率特性有显著得提高。另外，引入硅化物后，去除了漏极下方AlGaN/GaN异质结结构，解决了二维电子气需要翻越较高的Ec势垒才能漏电极收集的弊端，显著改善了器件的电流输运机制。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种漏扩展结构的射频GaN/AlGaN器件，其特征在于，包括：
衬底、GaN/AlGaN叠层结构、源极、栅极和漏扩展结构，其中：
漏扩展结构的一部分形成于GaN层上，并与所述GaN/AlGaN叠层的侧面相接触，另一部分与AlGaN层上表面间形成有绝缘介质层。
2.根据权利要求1所述的漏扩展结构的射频GaN/AlGaN器件，其特征在于，所述绝缘介质层为SiN。
3.根据权利要求1所述的漏扩展结构的射频GaN/AlGaN器件，其特征在于，所述漏扩展结构材料为低阻硅化物。
4.根据权利要求3所述的漏扩展结构的射频GaN/AlGaN器件，其特征在于，所述漏扩展结构材料为镍硅化物。
5.根据权利要求4所述的漏扩展结构的射频GaN/AlGaN器件，其特征在于，所述镍硅化物的厚度为100~140nm。
6.一种漏扩展结构的射频GaN/AlGaN器件制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供衬底；
在所述衬底上依次形成GaN/AlGaN叠层结构；
在所述GaN/AlGaN叠层结构上形成源极；
形成漏扩展结构，使漏扩展结构的一部分形成于GaN层上，并与所述GaN/AlGaN叠层的侧面相接触，另一部分与AlGaN层上表面间形成有绝缘介质层；以及
形成栅极。
7.根据权利要求6所述的漏扩展结构的射频GaN/AlGaN器件制备方法，其特征在于，所述漏扩展结构为低阻硅化物。
8.根据权利要求7所述的漏扩展结构的射频GaN/AlGaN器件制备方法，其特征在于，所述漏扩展结构为镍硅化物。
9.根据权利要求8所述的漏扩展结构的射频GaN/AlGaN器件制备方法，其特征在于，在所述漏扩展结构形成步骤中，具体操作流程为：
在所述GaN/AlGaN叠层结构上形成绝缘介质层作为掩膜；
光刻曝光出器件的MESA有源区图形，刻蚀绝缘介质层和AlGaN层并过刻，形成器件区；
淀积多晶硅薄膜；
光刻曝光形成漏扩展区的图形，刻蚀未掩蔽的多晶硅薄膜并去除光刻胶；
沉积金属镍薄膜并快速热退火形成镍硅化物，去除金属镍及部分绝缘介质层。
10.根据权利要求9所述的漏扩展结构的射频GaN/AlGaN器件制备方法，其特征在于，所述过刻深度为20~50nm，所述多晶硅薄膜的厚度为50~70nm，所述金属镍薄膜的厚度为50~70nm。
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|---|---|---|---|---|
| CN109560134A (zh) * | 2018-10-22 | 2019-04-02 | 复旦大学 | GaN基功率器件及其制备方法 |
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