CN108666216B - 基于叠层钝化结构的hemt器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于叠层钝化结构的HEMT器件及其制备方法，包括：S101、选取外延基片；外延基片由下往上依次包括衬底、AlN成核层、GaN缓冲层、AlN插入层、AlGaN势垒层和GaN帽层；S102、在GaN缓冲层上制作源电极和漏电极；S103、在源电极、漏电极和GaN帽层上依次生长氧化铝插入层、氧化铝层和氮化硅层形成叠层结构的钝化层；S104、在钝化层和GaN帽层上生长栅介质层；S105、制备栅电极和金属互联层以完成HEMT器件的制备。本发明提供的HEMT器件及其制备方法在生长钝化层时先生长一层较薄的Al2O3插入层后用NH3/N2等离子处理，解决了现有HEMT器件钝化效果不理想的问题；可以降低界面态密度，两层之间的界面接触较好，提高钝化效果，从而抑制电流崩塌。
Description
技术领域
本发明属微电子技术领域，特别涉及一种基于叠层钝化结构的HEMT器件及其制备方法。
背景技术
随着科技水平的提高，现有的第一、二代半导体材料已经无法满足更高频率、更高功率电子器件的需求，而基于氮化物半导体材料的电子器件则可满足这一要求，大大提高了器件性能。由于AlGaN/GaN异质结构中有高的二维电子气密度和高的电子迁移率，使其在大功率微波器件方面有非常好的应用前景。
目前，GaN HEMT器件的高频特性远远优于其他常规器件，但是仍然存在一系列问题阻碍其发展及应用。其中最严重的就是电流崩塌，器件在高频下工作时，其输出电流与直流相比大幅减小。Binari等人通过栅、漏延迟瞬态测试方法研究了钝化前后器件的电流崩塌效应,并指出表面态电流崩塌的主要原因之一。Vetury等人认为表面态俘获电子形成虚栅从而导致了电流崩塌效应。2000年UCSB大学的Green等人用PECVD的方法淀积一层厚为350nm的Si3N4薄膜能有效提高其输出功率密度。随着对电流崩塌的不断研究，SiO2、AlN、Al2O3等材料都被用来钝化，还有不同的工艺被开发，有LPCVD、PECVD、PEALD等，但是还没有找到一个钝化效果最优的材料和工艺。因此，采用适当的钝化材料，寻找到一种兼顾工艺难度与钝化效果制作方法，成为了国内外研究的一个热点。目前，常用到的钝化层制作技术如下：
1、LPCVD制备单层钝化层技术
LPCVD技术是一种在低压条件下，进行的化学气相沉积技术。其制备钝化层的过程可以简述为，在低于大气压状况下，把反应气体通入高温的反应腔，通过高温热分解并化合后，沉积于基片，生成固态钝化层。其优点在于沉积层厚度均匀，适合在大面积和大批量的基片上沉积薄膜，制备薄膜的效率高。但是，此技术沉积温度一般高于1000K，基底表面的缺陷和杂志会重新蔓延和分布，形成更多的表面缺陷，从而形成更多的表面态，会影响器件的输出特性，不能很好的抑制电流崩塌，使钝化效果变差。
2、PECVD制备单层钝化层技术
PECVD技术，即等离子体增强型化学气相沉积技术，是加热基底到特定温度，利用等离子体作为能量源，激活反应气体分子，使其发生等离子体反应和化合反应，形成固态物质沉积在基底表面，达到生成薄膜钝化层的目的。其优点在于制备工艺简单，可以通过改变工艺参数，灵活的控制钝化层薄膜厚度。并且，相较LPCVD，PECVD所需的反应温度较低，一般是在200℃到300℃之间。除了以上优点，PECVD也存在一定缺点。例如，直接在基底上生长单层钝化层，基底与钝化层之间的界面处，会存在一定的界面缺陷，形成电子阱，对改善器件电流崩塌的目的，起到一定阻碍作用。
3、磁控溅射制备单层钝化层技术
磁控溅射制备单层钝化膜技术是指，首先由电子碰撞气体分子，产生带有一定能量的离子，后由离子和电子轰击靶材，使靶材原子溅射而出，发生一定的反应并沉积在基底之上。施加磁场的目的在于使控制电子在靶材附近区域运动，提高溅射效率。磁控溅射制备单层钝化层的优点在于可在低温条件下进行，并且成膜速度较快。但其也有不可忽视的缺点，从靶材溅射而出的载能粒子直接对基底进行轰击，会对基底产生损伤，会使界面的电子缺陷态增多，带来更高的界面复合率，从而影响钝化层抑制电流崩塌的效果。
4、PECVD结合ALD制备叠层钝化层技术
ALD即原子层沉积技术，是一种特殊的CVD反应技术，与传统的CVD方法有较大区别。在原子层沉积技术中，反应前驱体源以脉冲的方式交替进入反应腔室，并在衬底发生物理或化学吸附反应，从而逐层形成薄膜。PECVD结合ALD制备叠层钝化层技术一般是指在ALD生长的钝化层薄膜之上，应用PECVD在生长一层钝化层薄膜，从而形成叠层钝化层。其优点在于，相比单纯使用ALD生长单层钝化层，结合PECVD的生长叠层钝化层，成膜速率更快。相比单纯使用PECVD生长单层钝化层，结合ALD生长的叠层钝化层可以改善薄膜的致密度。但是尽管如此，直接在势垒层上先由ALD生长较大厚度的第一层钝化层，依然存在钝化层和势垒层界面处形成表面态，影响钝化效果。
目前，以上几种技术是生长钝化层最为常用的技术手段。并且应用较为为广泛，而且在一定程度上起到了抑制器件电流崩塌的效果。尽管如此，以上几种技术存在的不足之处，依然不可忽视。其最主要的缺点，在于器件表面和钝化层相接触的界面处，会存在或是产生一定浓度的界面缺陷，对钝化效果产生负面的影响，不能较好的达到抑制电流崩塌的目的。因此，找到一种具有界面改善效果，并且兼顾较低的反应温度，较快的成膜速率等优点的钝化层生长技术，就显得意义非凡。
发明内容
为了提高HEMT器件的工作性能，本发明提供了一种基于叠层钝化结构的HEMT器件及其制备方法；本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一方面，本发明的实施例提供了一种基于叠层钝化结构的HEMT器件的制备方法，包括：
S101、选取外延基片；所述外延基片由下往上依次包括衬底、AlN成核层、GaN缓冲层、AlN插入层、AlGaN势垒层和GaN帽层；
S102、在所述GaN缓冲层上制作源电极和漏电极；
S103、在所述源电极、所述漏电极和所述GaN帽层上依次生长氧化铝插入层、氧化铝层和氮化硅层形成叠层结构的钝化层；
S104、在所述钝化层和所述GaN帽层上生长栅介质层；
S105、制备栅电极和金属互联层以完成所述HEMT器件的制备。
另一方面，本发明的实施例提供了一种基于叠层钝化结构的HEMT器件，HEMT器件由下往上依次包括：衬底1、AlN成核层2、GaN缓冲层3、AlN插入层4、AlGaN势垒层5、GaN帽层6、钝化层7、栅介质层8和保护层9；
所述GaN缓冲层3上还设置有源电极10和漏电极11，所述栅介质层8上设置有栅电极12；所述源电极10和所述漏电极11上设置有金属互联层13，其中，所述钝化层7包括氧化铝插入层71、氧化铝层72和氮化硅层73。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的HEMT器件及其制备方法在生长钝化层时先生长一层较薄的Al2O3插入层后用NH3/N2等离子处理，解决了现有HEMT器件钝化效果不理想的问题；可以降低界面态密度，两层之间的界面接触较好，提高钝化效果，从而抑制电流崩塌。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于叠层钝化结构的HEMT器件的制备方法流程示意图；
图2a-2i为本发明实施例提供的一种基于叠层钝化结构的HEMT器件的制备工艺流程示意图；
图3为本发明实施例提供的另一种基于叠层钝化结构的HEMT器件的制备方法流程示意图；
图4为本发明实施例提供的又一种基于叠层钝化结构的HEMT器件的制备方法流程示意图
图5为本发明实施例提供的一种基于叠层钝化结构的HEMT器件结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种基于叠层钝化结构的HEMT器件的制备方法流程示意图，包括：
S101、选取外延基片；外延基片由下往上依次包括衬底、成核层、GaN缓冲层、AlN插入层、AlGaN势垒层和GaN帽层；
S102、在GaN缓冲层的两端上制作源电极和漏电极；
S103、在源电极、漏电极和GaN帽层上依次生长SiN层和有机物层形成钝化层；
S104、在有机物层和GaN帽层上生长栅介质层；
S105、制备栅电极和金属互联层以完成HEMT器件的制备。
优选地，S102可以包括：
S1021、在GaN帽层的两端上光刻源电极区域和漏电极区域；
S1022、在源电极区域和漏电极区域上蒸发欧姆金属材料；
S1023、快速热退火使欧姆金属材料下沉至GaN缓冲层形成欧姆接触；其中，退火气氛为N2，退火温度为830℃，退火时间为30s；
S1024、在GaN帽层上光刻电隔离区域，利用感应耦合等离子体(InductivelyCoupled Plasma，ICP)工艺依次刻蚀电隔离区域的GaN帽层、AlGaN势垒层、AlN插入层和GaN缓冲层，以形成台面隔离；其中，刻蚀深度为100nm。
优选地，S103可以包括：
S1031、清洗整个半导体器件；
S1032、利用PEALD工艺，在源电极、漏电极以及GaN帽层上，生长氧化铝插入层；
S1033、在氧化铝插入层上，利用等离子体进行原位预处理；
S1034、在氧化铝插入层上，利用PEALD进行生长氧化铝层；
S1035、在氧化铝层上，利用PECVD进行生长氮化硅层。
优选地，S104可以包括：
S1041、在SiN层和有机物层上光刻栅槽区域，刻蚀栅槽区域内的SiN层和有机物层直到露出GaN帽层形成栅极凹槽；
S1042、利用ALD工艺，在栅极凹槽内的GaN帽层和有机物层上制备栅介质层。
进一步地，S105可以包括：
S1051、在栅介质层上光刻栅电极区域，并利用电子束蒸发工艺制作栅电极；
S1052、在栅电极和栅电极以外的钝化层上，利用PECVD工艺生长保护层；
S1053、在SiN保护层上光刻金属互联开孔区，并利用ICP工艺依次刻蚀掉互联开孔区的SiN保护层、栅介质层和钝化层；
S1054、在金属互联开孔区的源电极和漏电极以及未开孔刻蚀的保护层上光刻金属互联层区域，并利用电子束蒸发工艺制作金属互联层；
S1055、对完成互联金属蒸发的样品进行剥离，以移除金属互联区层以外的金属、光刻胶和剥离胶，并用超纯水冲洗样品并用氮气吹干，完成器件制作。
本实施例提供的HEMT器件的制备方法，生长钝化层时先生长一层较薄的Al2O3插入层后用NH3/N2等离子处理，解决了现有HEMT器件钝化效果不理想的问题；可以降低界面态密度，两层之间的界面接触较好，提高钝化效果，从而抑制电流崩塌。
实施例二
请参照图2a-2i，图2a-2i为本发明实施例提供的一种基于叠层钝化结构的HEMT器件的制备工艺流程示意图，本实施例在实施例一的基础上，对本发明的HEMT器件的制备方法进行详细描述。包括：
S201、如图2a所示，在外延基片的GaN缓冲层上制作源电极和漏电极。
其中，外延基片可以为的初始购买的外延基片，也可以为制造的外延基片，外延基片由下往上依次包括衬底、成核层、GaN缓冲层、AlN插入层、AlGaN势垒层和GaN帽层。
具体地，衬底选用蓝宝石材料。
S2011、在GaN帽层上光刻源电极区域和漏电极区域：
首先，将外延基片放在200℃的热板上烘烤5min；
然后，在GaN帽层上进行剥离胶的涂胶和甩胶，其甩胶厚度为0.35μm，并将样品放在200℃的热板上烘烤5min；
接着，在剥离胶上进行光刻胶的涂胶和甩胶，其甩胶厚度为0.77μm，并将样品放在90℃的热板上烘烤1min；
最后，将完成涂胶和甩胶的样品放入光刻机中对已涂胶的表面进行曝光，并将完成曝光的样品放入显影液中移除光刻胶和剥离胶，再对其进行超纯水冲洗和氮气吹后形成源电极区域和漏电极区域；
S2012、在源电极区域和漏电极区域内的GaN帽层上以及源电极区域和漏电极区域外的光刻胶上蒸发源电极和漏电极：
首先，将有源电极和漏电极光刻图形的样品放入等离子去胶机中进行底膜处理，其处理的时间为5min；
然后，将样品放入电子束蒸发台中，待电子束蒸发台的反应腔室真空度达到2×10-6Torr之后在源电极区域和漏电极区域内的GaN帽层上以及源电极区域和漏电极区域外的光刻胶上蒸发欧姆金属形成源电极和漏电极，该欧姆金属是由下向上依次由Ti、Al、Ni和Au四层金属组成的金属堆栈结构；
最后，对完成欧姆金属蒸发的样品进行剥离，以移除源电极和漏电极外的欧姆金属、光刻胶和剥离胶，再用超纯水冲洗样品并用氮气吹干；
S2013、将完成欧姆金属蒸发和剥离的样品放入快速热退火炉中进行退火处理，以使源电极和漏电极内GaN帽层上的欧姆金属下沉至GaN缓冲层，从而形成欧姆金属与异质结沟道之间的欧姆接触，其退火的工艺条件为：退火气氛为N2，退火温度为830℃，退火时间为30s。
S202、如图2b所示，在GaN帽层上光刻有源区的电隔离区域，利用ICP工艺制作器件有源区的电隔离。
S2021、在GaN帽层上光刻电隔离区域：
首先，将样品放在200℃的热板上烘烤5min；
然后，进行光刻胶的涂胶和甩胶，其甩胶转速为3500转/mim，并将样品放在90℃的热板上烘烤1min；
最后，将样品放入光刻机中对电隔离区域内的光刻胶进行曝光，再将完成曝光后的样品放入显影液中以移除电隔离区域内的光刻胶，并对其进行超纯水冲洗和氮气吹干；
S2022、在GaN帽层上刻蚀电隔离区域：
首先，利用ICP工艺依次刻蚀电隔离区域的GaN帽层、AlGaN势垒层、AlN插入层和GaN缓冲层，以实现有源区的台面隔离，其总的刻蚀深度为100nm；
最后，将样品依次放入丙酮溶液、剥离液、丙酮溶液和乙醇溶液中进行清洗，以移除电隔离区域外的光刻胶，再用超纯水冲洗样品并用氮气吹干。
S203、如图2c所示，在源电极、漏电极和有源区的GaN帽层上，利用PECVD和PEALD工艺生长钝化层。
S2031、对完成有源区电隔离的样品进行表面清洗：
首先，将样品放入丙酮溶液中超声清洗3mim，其超声强度为3.0；
然后，将样品放入温度为60℃的剥离液中水浴加热5min；
接着，将样品依次放入丙酮溶液和乙醇溶液中超声清洗3min，其超声强度为3.0；
最后，用超纯水冲洗样品并用氮气吹干；
S2032、在源电极、漏电极和有源区的GaN帽层上，利用PEALD工艺生长厚度为2nm的插入层，其生长的工艺条件为：采用H2O和TMA作为反应前驱体源，衬底温度为300℃，RF功率设置为50W，反应腔室压力为0.3Torr。
S2033、在完成插入层的生长后，在同一台PEALD设备上对插入层表面进行原位预处理，其处理的工艺条件为：反应气体为NH3和N2混合气体，衬底温度为300℃，RF功率设置为200W，处理时间为5min；
S2034、在等离子预处理完之后，在同一台PEALD设备上生长厚度为20nm的氧化铝层，其生长的工艺条件为：采用H2O和TMA作为反应前驱体源，衬底温度为300℃，RF功率设置为50W，反应腔室压力为0.3Torr。
S2035、在氧化铝层上，利用PECVD工艺生长厚度为30nm的氮化硅层，其生长的工艺条件为：采用NH3和SiH4作为反应气体，衬底温度为250℃，反应腔室压力为600mTorr，RF功率为22W。
S204、如图2d所示，在钝化层上光刻栅槽区域，并利用ICP工艺对该栅槽区域内钝化层进行刻蚀。
S2041、在氮化硅层和致密层上光刻栅槽区域：
首先，将样品放在200℃的热板上烘烤5min；
然后，进行光刻胶的涂胶和甩胶，其甩胶转速为3500转/mim，并将样品放在90℃的热板上烘烤1min；
接着，将样品放入光刻机中对栅槽区域内的光刻胶进行曝光；
最后，将完成曝光后的样品放入显影液中以移除栅槽区域内的光刻胶，并对其进行超纯水冲洗和氮气吹干；
S2042、利用ICP刻蚀工艺移除栅槽区域内的氮化硅层和致密层，其刻蚀的条件为：反应气体为CF4和O2，反应腔室压力为10mTorr，上电极和下电极的射频功率分别为100W和10W，刻蚀的深度为52nm至GaN帽层。
S205、如图2e所示，在栅槽区域内的GaN帽层和栅槽区域外的钝化层上，利用ALD工艺制备栅介质层。
S2051、对完成栅槽刻蚀的样品进行表面清洗：
首先，将样品放入丙酮溶液中超声清洗3mim，其超声强度为3.0；
然后，将样品放入温度为60℃的剥离液中水浴加热5min；
接着，将样品依次放入丙酮溶液和乙醇溶液中超声清洗3min，其超声强度为3.0；
最后，用超纯水冲洗样品并用氮气吹干；
S2052、将完成表面清洗的样品放入等离子增强原子层沉积PEALD设备中，对栅槽区域的GaN帽层和栅槽区域外的钝化层表面进行原位预处理，其处理的工艺条件为：反应气体为NH3和N2混合气体，衬底温度为300℃，RF功率设置为200W，处理时间为5min；
S2053、在栅槽区域内的GaN帽层和栅槽区域外的钝化层上，利用PEALD设备沉积厚度为20nm的Al2O3栅介质层，其沉积的工艺条件为：采用H2O和TMA作为反应前驱体源，衬底温度为300℃，RF功率设置为50W，反应腔室压力为0.3Torr；
S2054、将完成栅介质层生长的样品放入快速热退火炉中进行退火处理，其退火的工艺条件为：退火气体为N2，退火温度为500℃，退火时间为5min。
S206、如图2f所示，在栅介质层上光刻栅电极区域，并利用电子束蒸发工艺制作栅电极。
S2061、在栅介质层上光刻栅电极区域：
首先，将完成栅介质层生长的样品放在200℃的热板上烘烤5min；
然后，在栅介质层上进行剥离胶的涂胶和甩胶，其甩胶厚度为0.35μm，并将样品放在200℃的热板上烘烤5min；
接着，在剥离胶上进行光刻胶的涂胶和甩胶，其甩胶厚度为0.77μm，并将样品放在90℃的热板上烘烤1min；
之后，将完成涂胶和甩胶的样品放入光刻机中对栅电极区域内的光刻胶进行曝光；
最后，将完成曝光的样品放入显影液中移除栅电极区域内的光刻胶和剥离胶，并对其进行超纯水冲洗和氮气吹干；
S2062、在栅电极区域内的栅介质层和栅电极区域外的光刻胶上蒸发栅电极：
首先，将有栅电极光刻图形的样品放入等离子去胶机中进行底膜处理，其处理的时间为5min；
然后，将样品放入电子束蒸发台中，待电子束蒸发台的反应腔室真空度达到2×10-6Torr之后在栅电极区域内的栅介质层和栅电极区域外的光刻胶上蒸发栅金属，该栅金属是由下向上依次由Ni、Au和Ni三层金属组成的金属堆栈结构；
最后，对完成栅金属蒸发的样品进行剥离，以移除栅电极区域外的栅金属、光刻胶和剥离胶，用超纯水冲洗样品并用氮气吹干后形成栅电极。
S207、如图2g所示，在栅电极和栅电极以外的钝化层上，利用PECVD工艺生长保护层。
S2071、对完成栅电极制作的样品进行表面清洗：
首先，将样品放入丙酮溶液中超声清洗3mim，其超声强度为3.0；
然后，将样品放入温度为60℃的剥离液中水浴加热5min；
接着，将样品依次放入丙酮溶液和乙醇溶液中超声清洗3min，其超声强度为3.0；
最后，用超纯水冲洗样品并用氮气吹干；
S2072、在栅电极和栅电极区域以外的钝化层上，利用PECVD工艺生长厚度为200nm的SiN保护层，其生长的工艺条件为：采用NH3和SiH4作为反应气体，衬底温度为250℃，反应腔室压力为600mTorr，RF功率为22W。
S208、如图2h所示，在SiN保护层上光刻金属互联开孔区，并利用ICP工艺依次刻蚀掉互联开孔区的SiN保护层、栅介质层和钝化层。
S2081、在SiN保护层上光刻金属互联开孔区：
首先，将样品放在200℃的热板上烘烤5min；
然后，进行光刻胶的涂胶和甩胶，其甩胶转速为3500转/mim，并将样品放在90℃的热板上烘烤1min；
接着，将样品放入光刻机中对金属互联开孔区域内的光刻胶进行曝光；
最后，将完成曝光后的样品放入显影液中以移除互联开孔区域内的光刻胶，并对其进行超纯水冲洗和氮气吹干；
S2082、利用ICP刻蚀工艺在反应气体为CF4和O2，反应腔室压力为10mTorr，上电极和下电极的射频功率分别为100W和10W的条件下，先移除互联开孔区域内的200nm厚的SiN保护层，再刻蚀掉20nm厚的Al2O3，接着刻蚀掉30nm厚的氮化硅层，20nm的氧化铝层，最后刻蚀掉2nm的氧化铝插入层。
S209、如图2i所示，在金属互联开孔区的源电极和漏电极以及未开孔刻蚀的保护层上光刻金属互联层区域，并利用电子束蒸发工艺制作金属互联层。
S2091、在金属互联开孔区的源电极和漏电极以及未开孔刻蚀的保护层上光刻金属互联层：
首先，将完成金属互联开孔刻蚀的样品放在200℃的热板上烘烤5min；
然后，在金属互联开孔区的源电极和漏电极以及未开孔刻蚀的保护层上进行剥离胶的涂胶和甩胶，其甩胶厚度为0.35μm，并将样品放在200℃的热板上烘烤5min；
接着，在剥离胶上进行光刻胶的涂胶和甩胶，其甩胶厚度为0.77μm，并将样品放在90℃的热板上烘烤1min；
最后，将完成涂胶和甩胶的样品放入光刻机中对金属互连区域内的光刻胶进行曝光，再将完成曝光的样品放入显影液中移除金属互联区域内的光刻胶和剥离胶，并对其进行超纯水冲洗和氮气吹干；
S2092、在金属互连区域内的电极和保护层以及金属互连区域外的光刻胶上蒸发金属互连层13：
首先，将有金属互连区域的样品放入等离子去胶机中进行底膜处理，其处理的时间为5min；
然后，将样品放入电子束蒸发台中，待电子束蒸发台的反应腔室真空度达到2×10-6Torr之后，再在金属互连区域内的电极和保护层以及金属互连区域外的光刻胶上蒸发互联金属，形成金属互联层，该金属互联层是由下向上依次由Ti和Au两层组成的金属堆栈结构，以引出电极；
最后，对完成互联金属蒸发的样品进行剥离，以移除金属互联区层以外的金属、光刻胶和剥离胶，并用超纯水冲洗样品并用氮气吹干，完成器件制作。
本实施例提供的HEMT器件的制备方法，通过等离子增强原子层沉积PEALD工艺生长Al2O3层，提高了其结晶质量，同时生长所需的温度较低，即仅有300℃左右，可以有效避免高温条件对器件的损伤；通过对栅槽区域的表面进行原位预处理，可以避免由于刻蚀和注入工艺对栅下造成的损伤，减小栅漏电。
实施例三
进一步地，请参照图3，图3为本发明实施例提供的另一种基于叠层钝化结构的HEMT器件的制备方法流程示意图，本实施例在实施例一的基础上，对本发明的HEMT器件的制备方法进行详细描述。具体包括：
S301、在外延基片上制作源电极和漏电极。
其中，外延基片可以为的初始购买的外延基片，也可以为制造的外延基片，外延基片由下往上依次包括衬底、成核层、GaN缓冲层、AlN插入层、AlGaN势垒层和GaN帽层。
具体地，衬底选用SiC衬底。
S3011、在GaN帽层上光刻源电极区域和漏电极区域：
S3012、在源电极区域和漏电极区域内的GaN帽层上以及源电极区域和漏电极区域外的光刻胶上蒸发源电极和漏电极：
S3013、将完成欧姆金属蒸发和剥离的样品放入快速热退火炉中进行退火处理，以使源电极和漏电极内GaN帽层上的欧姆金属下沉至GaN缓冲层，从而形成欧姆金属与异质结沟道之间的欧姆接触，其退火的工艺条件为：退火气氛为N2，退火温度为830℃，退火时间为30s。
S302、光刻有源区的电隔离区域，制作器件有源区的电隔离。
S3021、在GaN帽层上光刻电隔离区域：
首先将样品放在200℃的热板上烘烤5min，然后进行光刻胶的涂胶和甩胶，其甩胶厚度为2μm，并将样品放在90℃的热板上烘烤1min，接着将样品放入光刻机中对电隔离区域内的光刻胶进行曝光，最后将完成曝光后的样品放入显影液中以移除电隔离区域内的光刻胶，并对其进行超纯水冲洗和氮气吹干；
S3022、在GaN帽层上制作有源区的电隔离：
利用离子注入工艺依次将F离子注入到电隔离区域的GaN帽层、AlGaN势垒层、AlN插入层和GaN外延层，以实现有源区的电隔离，其注入的深度为100nm，然后将样品依次放入丙酮溶液、剥离液、丙酮溶液和乙醇溶液中进行清洗，以移除电隔离区域外的光刻胶，最后用超纯水冲洗样品并用氮气吹干。
S303、在源电极、漏电极和有源区的GaN帽层上生长钝化层。
S3031、对完成有源区电隔离的样品进行表面清洗：
S3032、在源电极、漏电极和有源区的GaN帽层上，利用PEALD工艺生长厚度为3nm的氧化铝插入层，其生长的工艺条件为：采用H2O和TMA作为反应前驱体源，衬底温度为300℃，RF功率设置为50W，反应腔室压力为0.3Torr。
S3033、在完成氧化铝插入层的生长后，在同一台PEALD设备上对氧化铝插入层表面进行原位预处理，其处理的工艺条件为：反应气体为NH3和N2混合气体，衬底温度为300℃，RF功率设置为200W，处理时间为5min；
S3034、在等离子预处理完之后，在同一台PEALD设备上生长厚度为25nm的氧化铝层，其生长的工艺条件为：采用H2O和TMA作为反应前驱体源，衬底温度为300℃，RF功率设置为50W，反应腔室压力为0.3Torr。
S3035、在氧化铝层上，利用PECVD工艺生长厚度为35nm的氮化硅层，其生长的工艺条件为：采用NH3和SiH4作为反应气体，衬底温度为250℃，反应腔室压力为600mTorr，RF功率为22W。
S304、在钝化层上光刻栅槽区域。
S3041、在氮化硅层和致密层上光刻栅槽区域：
S3042、利用ICP刻蚀工艺移除栅槽区域内的氮化硅层和致密层，其刻蚀的条件为：反应气体为CF4和O2，反应腔室压力为10mTorr，上电极和下电极的射频功率分别为100W和10W，刻蚀的深度为63nm至GaN帽层。
S305、在栅槽区域内的GaN帽层和栅槽区域外的钝化层上制备Al2O3栅介质层。
S3051、对完成栅槽刻蚀的样品进行表面清洗：
S3052、将完成表面清洗的样品放入等离子增强原子层沉积PEALD设备中，对栅槽区域的GaN帽层和栅槽区域外的钝化层表面进行原位预处理，其处理的工艺条件为：反应气体为NH3和N2混合气体，衬底温度为300℃，RF功率设置为200W，处理时间为5min；
S3053、在栅槽区域内的GaN帽层和栅槽区域外的钝化层上，利用PEALD设备沉积厚度为20nm的Al2O3栅介质层，其沉积的工艺条件为：采用H2O和TMA作为反应前驱体源，衬底温度为300℃，RF功率设置为50W，反应腔室压力为0.3Torr；
S3054、将完成栅介质层生长的样品放入快速热退火炉中进行退火处理，其退火的工艺条件为：退火气体为N2，退火温度为500℃，退火时间为5min。
S306、在栅介质层上光刻栅电极区域，并制备栅电极。
S3061、在栅介质层上光刻栅电极区域：
S3062、在栅电极区域内的栅介质层和栅电极区域外的光刻胶上蒸发栅电极：
S307、在栅电极和栅电极以外的钝化层上生长保护层。
S3071、对完成栅电极制作的样品进行表面清洗：
S3072、在栅电极和栅电极区域以外的钝化层上，利用PECVD工艺生长厚度为200nm的SiN保护层，其生长的工艺条件为：采用NH3和SiH4作为反应气体，衬底温度为250℃，反应腔室压力为600mTorr，RF功率为22W。
S308、在SiN保护层上光刻金属互联开孔区。
S3081、在保护层上光刻金属互联开孔区：
S3082、利用ICP刻蚀工艺在反应气体为CF4和O2，反应腔室压力为10mTorr，上电极和下电极的射频功率分别为100W和10W的条件下，先移除互联开孔区域内的200nm厚的SiN保护层，然后20nm的Al2O3栅介质层，再刻蚀掉40nm的Al2O3致密层，最后刻蚀掉20nm的氮化硅层。
S309、光刻并蒸发金属互联层以完成HEMT器件的制备。
S3091、在金属互联开孔区的源电极和漏电极以及未开孔刻蚀的保护层上光刻金属互联层：
S3092、在金属互连区域内的电极和保护层以及金属互连区域外的光刻胶上蒸发金属互连层以完成器件制作。
实施例四
进一步地，请参照图4，图4为本发明实施例提供的又一种基于叠层钝化结构的HEMT器件的制备方法流程示意图，本实施例在实施例一的基础上，对本发明的HEMT器件的制备方法进行详细描述。具体包括：
S401、在外延基片的GaN缓冲层上制作源电极和漏电极。
其中，外延基片可以为的初始购买的外延基片，也可以为制造的外延基片，外延基片由下往上依次包括衬底、成核层、GaN缓冲层、AlN插入层、AlGaN势垒层和GaN帽层。
具体地，衬底选用Si衬底。
S4011、在GaN帽层上光刻源电极区域和漏电极区域：
S4012、在源电极区域和漏电极区域内的GaN帽层上以及源电极区域和漏电极区域外的光刻胶上蒸发源电极和漏电极：
S4013、将完成欧姆金属蒸发和剥离的样品放入快速热退火炉中进行退火处理，以使源电极和漏电极内GaN帽层上的欧姆金属下沉至GaN缓冲层，从而形成欧姆金属与异质结沟道之间的欧姆接触，其退火的工艺条件为：退火气氛为N2，退火温度为830℃，退火时间为30s。
S402、在GaN帽层上光刻有源区的电隔离区域，利用ICP工艺制作器件有源区的电隔离。
S4021、在GaN帽层上光刻电隔离区域：
S4022、在GaN帽层上刻蚀电隔离区域：
S403、在源电极、漏电极和有源区的GaN帽层上制备钝化层。
S4031、对完成有源区电隔离的样品进行表面清洗：
S4032、在源电极、漏电极和有源区的GaN帽层上，利用PEALD工艺生长厚度为4nm的氧化铝插入层，其生长的工艺条件为：采用H2O和TMA作为反应前驱体源，衬底温度为300℃，RF功率设置为50W，反应腔室压力为0.3Torr。
S4033、在完成氧化铝插入层的生长后，在同一台PEALD设备上对氧化铝插入层表面进行原位预处理，其处理的工艺条件为：反应气体为NH3和N2混合气体，衬底温度为300℃，RF功率设置为200W，处理时间为5min；
S4034、在等离子预处理完之后，在同一台PEALD设备上生长厚度为30nm的氧化铝层，其生长的工艺条件为：采用H2O和TMA作为反应前驱体源，衬底温度为300℃，RF功率设置为50W，反应腔室压力为0.3Torr。
S4035、在氧化铝层上，利用PECVD工艺生长厚度为40nm的氮化硅层，其生长的工艺条件为：采用NH3和SiH4作为反应气体，衬底温度为250℃，反应腔室压力为600mTorr，RF功率为22W。
S404、在钝化层上光刻栅槽区域，并利用ICP工艺刻蚀掉该栅槽区域内的钝化层。
S4041、在氮化硅层和富硅层上光刻栅槽区域：
S4042、利用ICP刻蚀工艺移除栅槽区域内的氮化硅层、氧化铝层和氧化铝插入层，其刻蚀的条件为：反应气体为CF4和O2，反应腔室压力为10mTorr，上电极和下电极的射频功率分别为100W和10W，刻蚀的深度为74nm至GaN帽层。
S405、在栅槽区域内的GaN帽层和栅槽区域外的钝化层，利用ALD工艺制备Al2O3栅介质层。
S4051、对完成栅槽刻蚀的样品进行表面清洗：
S4052、将完成表面清洗的样品放入等离子增强原子层沉积PEALD设备中，对栅槽区域的GaN帽层和栅槽区域外的钝化层表面进行原位预处理，其处理的工艺条件为：反应气体为NH3和N2混合气体，衬底温度为300℃，RF功率设置为200W，处理时间为5min；
S4053、在栅槽区域内的GaN帽层和栅槽区域外的钝化层上，利用PEALD设备沉积厚度为20nm的Al2O3栅介质层，其沉积的工艺条件为：采用H2O和TMA作为反应前驱体源，衬底温度为300℃，RF功率设置为50W，反应腔室压力为0.3Torr；
S4054、将完成栅介质层生长的样品放入快速热退火炉中进行退火处理，其退火的工艺条件为：退火气体为N2，退火温度为500℃，退火时间为5min。
S406、在栅介质层上光刻栅电极区域，并利用电子束蒸发工艺制作栅电极。
S4061、在栅介质层上光刻栅电极区域：
S4062、在栅电极区域内的栅介质层和栅电极区域外的光刻胶上蒸发栅电极：
S407、在栅电极和栅电极以外的钝化层上，利用PECVD工艺生长保护层。
S4071、对完成栅电极制作的样品进行表面清洗：
S4072、在栅电极和栅电极区域以外的钝化层上，利用PECVD工艺生长厚度为200nm的SiN保护层，其生长的工艺条件为：采用NH3和SiH4作为反应气体，衬底温度为250℃，反应腔室压力为600mTorr，RF功率为22W。
S408、在SiN保护层上光刻金属互联层开孔区，并利用ICP工艺依次刻蚀掉互联开孔区的SiN保护层。
S4081、在SiN保护层上光刻金属互联开孔区：
S4082、利用ICP刻蚀工艺在反应气体为CF4和O2，反应腔室压力为10mTorr，上电极和下电极的射频功率分别为100W和10W的条件下，先移除互联开孔区域内的200nm厚的SiN保护层，再刻蚀掉20nm厚的Al2O3，接着刻蚀掉40nm厚的氮化硅层，30nm的氧化铝层，最后刻蚀掉4nm的氧化铝插入层。
S409、光刻金属互联层区域，并利用电子束蒸发工艺制作金属互联层。
S4091、在金属互联开孔区的源电极和漏电极以及未开孔刻蚀的保护层上光刻金属互联层：
S4092、在金属互连区域内的电极和保护层以及金属互连区域外的光刻胶上蒸发金属互连层以完成器件制作。
实施例五
进一步地，请参照图5，图5为本发明实施例提供的一种基于叠层钝化结构的HEMT器件结构示意图，HEMT器件由下往上依次包括：衬底1、AlN成核层2、GaN缓冲层3、AlN插入层4、AlGaN势垒层5、GaN帽层6、钝化层7、栅介质层8和保护层9；GaN缓冲层3上还设置有源电极10和漏电极11；栅介质层8上设置有栅电极12；源电极10和漏电极11上设置有金属互联层13。
优选地，有源电极10和漏电极11设置于GaN缓冲层3的两端之上。
优选地，栅电极12设置于栅介质层8的中间位置。
具体地，钝化层7为叠层结构，包括：氧化铝插入层71、氧化铝层72和氮化硅层73；其中，氧化铝插入层71和氧化铝层72都采用Al2O3材料，氮化硅层73采用SiN材料；在生长完氧化铝插入层71后，在同一台PEALD设备上对其进行NH3/N2等离子原位预处理，然后再生长氧化铝层72。
进一步地，钝化层7中设有凹型槽，栅介质层8设置于凹型槽内壁及钝化层7表面，栅电极12设置于凹型槽上的栅介质层上，保护层9设置于栅电极12和钝化层7表面的栅介质层8上。
优选地，氧化铝插入层71厚度为2～4nm，氧化铝层72厚度为20～30nm，氮化硅层73厚度为30～40nm。
优选地，衬底1的材料为蓝宝石或Si或SiC，厚度为400μm～500μm。
优选地，AlN成核层2的厚度为180nm；GaN缓冲层3的厚度为1.3μm～2μm；AlN插入层4的厚度为1nm；GaN帽层6的厚度为2nm；钝化层7的厚度为52～74nm；保护层9的厚度为200nm。
进一步地，AlGaN势垒层5的铝组分(即摩尔分数)为22％～30％。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于叠层钝化结构的HEMT器件的制备方法，其特征在于，包括：
S101、选取外延基片；所述外延基片由下往上依次包括衬底、AlN成核层、GaN缓冲层、AlN插入层、AlGaN势垒层和GaN帽层；
S102、在所述GaN缓冲层上制作源电极和漏电极；
S103、在所述源电极、所述漏电极和所述GaN帽层上依次生长氧化铝插入层、氧化铝层和氮化硅层形成叠层结构的钝化层；其中，对所述氧化铝插入层表面进行NH3/N2等离子原位预处理；
S104、在所述钝化层和所述GaN帽层上生长栅介质层；
S105、制备栅电极和金属互联层以完成所述HEMT器件的制备。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S102包括：
S1021、在所述GaN帽层上光刻源电极区域和漏电极区域；
S1022、在所述源电极区域和所述漏电极区域上蒸发欧姆金属材料；
S1023、快速热退火使所述欧姆金属材料下沉至所述GaN缓冲层形成欧姆接触；其中，退火气氛为N2，退火温度为830℃，退火时间为30s；
S1024、在所述GaN帽层上光刻电隔离区域，利用ICP工艺依次刻蚀所述电隔离区域的所述GaN帽层、所述AlGaN势垒层、所述AlN插入层和所述GaN缓冲层，以形成台面隔离；其中，刻蚀深度为100nm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S103包括：
S1031、清洗整个半导体器件；
S1032、利用PEALD工艺，在所述源电极、所述漏电极以及所述GaN帽层上，生长所述氧化铝插入层；
S1033、对所述氧化铝插入层表面进行原位预处理，其处理的工艺条件为：反应气体为NH3和N2混合气体，衬底温度为300℃，RF功率设置为200W，处理时间为5min；
S1034、在所述氧化铝插入层上，生长所述氧化铝层；
S1035、在所述氧化铝层上，生长所述氮化硅层。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S104包括：
S1041、在所述钝化层上光刻栅槽区域，刻蚀所述栅槽区域内的所述钝化层直到露出所述GaN帽层形成栅极凹槽；
S1042、利用ALD工艺，在所述栅极凹槽内的GaN帽层和所述钝化层上制备所述栅介质层。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S105包括：
S1051、在栅介质层上光刻栅电极区域，并利用电子束蒸发工艺制作栅电极；
S1052、在栅电极和栅电极以外的钝化层上，利用PECVD工艺生长保护层；
S1053、在保护层上光刻金属互联开孔区，并利用ICP工艺依次刻蚀掉互联开孔区的保护层、栅介质层和钝化层；
S1054、在金属互联开孔区的源电极和漏电极以及未开孔刻蚀的保护层上光刻金属互联层区域，并利用电子束蒸发工艺制作金属互联层；
S1055、对完成互联金属蒸发的样品进行剥离，以移除金属互联区层以外的金属、光刻胶和剥离胶，并用超纯水冲洗样品并用氮气吹干，完成器件制作。
6.一种基于叠层钝化结构的HEMT器件，其特征在于，由下往上依次包括：衬底(1)、AlN成核层(2)、GaN缓冲层(3)、AlN插入层(4)、AlGaN势垒层(5)、GaN帽层(6)、钝化层(7)、栅介质层(8)和保护层(9)；
所述GaN缓冲层(3)上还设置有源电极(10)和漏电极(11)，所述栅介质层(8)上设置有栅电极(12)；所述源电极(10)和所述漏电极(11)上设置有金属互联层(13)，其中，所述钝化层(7)包括氧化铝插入层(71)、氧化铝层(72)和氮化硅层(73)；其中，对所述氧化铝插入层(71)表面进行NH3/N2等离子原位预处理。
7.根据权利要求6所述的HEMT器件，其特征在于，所述衬底(1)的材料为蓝宝石或Si或SiC，厚度为400μm～500μm。
8.根据权利要求6所述的HEMT器件，其特征在于，所述氧化铝插入层(71)的厚度为2～4nm；所述氧化铝层(72)的厚度为20～30nm；所述氮化硅层(73)的厚度为30～40nm。
9.根据权利要求6所述的HEMT器件，其特征在于，所述AlN成核层(2)的厚度为180nm；所述GaN缓冲层(3)的厚度为1.3μm～2μm；所述AlN插入层(4)的厚度为1nm；所述GaN帽层(6)的厚度为2nm；所述钝化层(7)的厚度为52～74nm；所述保护层(9)的厚度为200nm。
10.根据权利要求9所述的HEMT器件，其特征在于，所述AlGaN势垒层(5)的铝组分为22％～30％。
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