CN109360856B - 一种具有高散热结构的N面GaN HEMT器件及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有高散热结构的N面GaN HEMT器件及制作方法，包括步骤：选取衬底；在衬底上依次生长AlN成核层、GaN缓冲层，AlN插入层以及AlGaN势垒层；在所述AlGaN势垒层上生长金刚石层；依次去除所述衬底、所述AlN成核层，并对所述GaN缓冲层进行刻蚀；在所述GaN上制作源电极和漏电极；对所述GaN进行有源区台面隔离；在所述源电极、所述漏电极和所述GaN上制作钝化层；在所述GaN上制作栅电极，得到N面GaN HEMT器件。该器件采用转移取代直接生长，克服了较为困难的生长工艺；该器件采用金刚石作为器件衬底，具有良好的导热能力。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种具有高散热结构的N面GaN HEMT器件及制作方法。
背景技术
GaN作为一种宽禁带半导体，具有优异的材料品质因数，绝大多数高效功率器件和电力电子器在制作时选择采用GaN材料，N面GaN HEMT器件可以获得更低的欧姆接触电阻，此外，随着器件等比例缩小，GaN沟道层需要减薄，但N面GaN材料在GaN沟道层减薄的情况下不会影响沟道2DEG密度，而AlGaN势垒层在GaN材料层之下，对于2DEG相当于形成了天然的背势垒。这些优势都使得N面GaN HEMT器件在高频应用方面更具有潜力。
目前利用MOCVD工艺直接制作N面GaN材料的过程中存在两个关键步骤，分别是生长初期的氮化以及制作后期的退火，这两种步骤均难以有效控制，导致N面GaN材料的生长难度较大，而且制成的N面GaN材料质量达不到器件应用级别。此外，目前的GaN HEMT器件普遍采用的衬底为GaN、SiC或者Si，随着器件的功率密度不断提升，基于这些衬底的GaN HEMT器件散热成为制约器件性能的重要问题。
现有技术中存在的问题，首先直接制作N面GaN材料工艺技术不成熟，制作出来的器件质量较差，无法达到器件应用级别，其次目前半导体器件的散热性能差，极大的影响了器件的性能。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种具有高散热结构的N面GaN HEMT器件及制作方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明实施例提供了一种具有高散热结构的N面GaN HEMT器件及制作方法，包括步骤：
S1.选取衬底；
S2.在衬底上依次生长AlN成核层、GaN缓冲层、AlN插入层以及AlGaN势垒层；
S3.在所述AlGaN势垒层上生长金刚石层；
S4.依次去除所述衬底、所述AlN成核层，并对所述GaN缓冲层刻蚀，以使所述GaN缓冲层保留30～50nm；
S5.在所述GaN层上制作源电极和漏电极；
S6.对所述GaN层进行有源区台面隔离；
S7.在所述源电极、所述漏电极和所述GaN层上制作钝化层；
S8.在所述GaN层上制作栅电极，并对源电极和漏电极上的钝化层进行去除，得到N面GaN HEMT器件。
在一个具体实施方式中，步骤S3包括：
S31.在所述AlGaN势垒层上淀积Si3N4介质层；
S32.在所述Si3N4介质层上生长金刚石，形成所述金刚石层。
在一个具体实施方式中，所述衬底依次包括第一Si层、SiO2牺牲层和第二Si层。
在一个具体实施方式中，去除所述衬底包括：
S41.对所述第一Si层进行光刻，得到刻蚀通道光刻区域；
S42.刻蚀所述刻蚀通道光刻区域对应的所述第一Si层，直到SiO2牺牲层表面，得到刻蚀通道；
S43.氢氟酸浸泡S42步骤得到的样品，以使SiO2牺牲层被腐蚀，所述第二Si层与所述第一Si层分离；
S44.刻蚀去除所述第二Si层。
在一个具体实施方式中，步骤S5包括：
S51.在所述GaN层上光刻源电极区域和漏电极区域；
S52.在所述源电极区域和所述漏电极区域进行金属蒸发和金属剥离，形成所述源电极和所述漏电极。
在一个具体实施方式中，步骤S6包括：
S61.在所述GaN层上光刻有源区的电隔离区域；
S62.依次刻蚀所述电隔离区域对应的GaN层、AlN插入层、AlGaN势垒层，完成对有源区的台面隔离，以使刻蚀深度为100nm。
在一个具体实施方式中，步骤S8包括：
S81.在所述钝化层上进行光刻，形成栅槽区域；
S82.对所述栅槽区域的钝化层进行刻蚀，形成凹槽；
S83.对所述凹槽和所述GaN层进行光刻，形成栅电极区域；
S84.在所述栅电极区域上进行金属蒸发和金属剥离，形成所述栅电极；
S85.对源电极和漏电极上的钝化层进行去除。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的基于转移技术的高导热N面GaN外延结构的制作采用转移技术取代直接生长，克服了较为困难的生长工艺，可以获得质量较好的N面GaN材料；与传统的转移技术相比，本发明能够快速有效的将衬底去除，采用生长高导热金刚石作为器件衬底，使得转移后的N面GaN外延结构具有良好的导热能力，为后续微波大功率器件的实现奠定基础。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种具有高散热结构的N面GaN HEMT器件制作方法流程图；
图2为本发明实施例提供的一种具有高散热结构的N面GaN HEMT器件结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种具有高散热结构的N面GaN HEMT器件工艺流程示意图。
附图标记：
1-金刚石层，2-Si3N4介质层，3-金刚石，4-AlGaN势垒层，5-AlN插入层，6-GaN缓冲层，7-AlN成核层，8-第二层Si层，9-SiO2牺牲层，10-第一层Si层，11-GaN层，12-漏电极，13-源电极，14-钝化层，15-栅电极。
具体实施方式
本申请中涉及的术语解释：
HEMT：HEMT(High Electron Mobility Transistor)，高电子迁移率晶体管。这是一种异质结场效应晶体管，又称为调制掺杂场效应晶体管(MODFET)、二维电子气场效应晶体管(2-DEGFET)、选择掺杂异质结晶体管(SDHT)等。
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1
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种具有高散热结构的N面GaN HEMT器件制作方法流程图。包括步骤：
S1.选取衬底；
S2.在衬底上依次生长AlN成核层、GaN缓冲层、AlN插入层以及AlGaN势垒层；
S3.在所述AlGaN势垒层上生长金刚石层；
S4.依次去除所述衬底、所述AlN成核层，并对所述GaN缓冲层刻蚀，以使所述GaN缓冲层保留30～50nm；
S5.在所述GaN层上制作源电极和漏电极；
S6.对所述GaN层进行有源区台面隔离；
S7.在所述源电极、所述漏电极和所述GaN层上制作钝化层；
S8.在所述GaN层上制作栅电极，并对源电极和漏电极上的钝化层进行去除，得到N面GaN HEMT器件。
具体的，步骤S3包括：
S31.在所述AlGaN势垒层上淀积Si3N4介质层；
S32.在所述Si3N4介质层上生长金刚石，形成所述金刚石层。
具体的，所述衬底依次包括第一Si层、SiO2牺牲层和第二Si层，其中，所述第二Si层之上为所述AlN成核层。
具体的，去除所述衬底包括：
S41.对所述第一Si层进行光刻，得到刻蚀通道光刻区域；
S42.刻蚀所述刻蚀通道光刻区域对应的所述第一Si层，直到SiO2牺牲层表面，得到刻蚀通道；
S43.氢氟酸浸泡S42步骤得到的样品，以使SiO2牺牲层被腐蚀，所述第二Si层与所述第一Si层分离；
S44.刻蚀去除所述第二Si层。
具体的，步骤S5包括：
S51.在所述GaN层上光刻源电极区域和漏电极区域；
S52.在所述源电极区域和所述漏电极区域进行金属蒸发和金属剥离，形成所述源电极和所述漏电极。
具体的，步骤S6包括：
S61.在所述GaN层上光刻有源区的电隔离区域；
S62.依次刻蚀所述电隔离区域对应的GaN层、AlN插入层、AlGaN势垒层，完成对有源区的台面隔离，以使刻蚀深度为100nm。
具体的，步骤S8包括：
S81.在所述钝化层上进行光刻，形成栅槽区域；
S82.对所述栅槽区域的钝化层进行刻蚀，形成凹槽；
S83.对所述凹槽和所述GaN层进行光刻，形成栅电极区域；
S84.在所述栅电极区域上进行金属蒸发和金属剥离，形成所述栅电极。
S85.对源电极和漏电极上的钝化层进行去除。目的是为了将源漏电极区域暴露出来，方便后续的电气连接。
实施例2
请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种具有高散热结构的N面GaN HEMT器件结构示意图。本实施例在上述实施例的基础上，重点对N面GaN HEMT器件结构进行详细描述。
具体地，本发明实施例提供的一种具有高散热结构的N面GaN HEMT器件，包括：
金刚石层1，既可以作为转移过程中的载片，也是转移之后N面GaN外延材料的衬底，作为N面GaN HEMT器件的衬底，具有高导热性，为后续微波大功率器件的实现奠定基础，所述金刚石层包括Si3N4介质层2和金刚石3；
AlGaN势垒层4，设置在金刚石层1上，AlGaN势垒层4在GaN材料层的下方，对于2DEG相当于形成了天然的背势垒；
AlN插入层5，设置在AlGaN势垒层4上，隔离AlGaN势垒层4和GaN层11，AlN插入层可以减弱器件内二维电子气所受到的散热，改善器件特性；
GaN层11，设置在AlN插入层5上，其中GaN层11是GaN缓冲层6的第二部分，GaN缓冲层在刻蚀的过程中，第一部分被刻蚀去掉，随着器件等比例缩小，GaN缓冲层需要减薄，即去除GaN缓冲层的第一部分，形成本实施例中的GaN层，但GaN缓冲层的减薄基本不会影响沟道2DEG密度；
源电极13、漏电极12和栅电极15设置在GaN层11上；
栅电极15设置在源电极13和漏电极12的中间，源电极13和漏电极12设置在GaN层11的两侧；
钝化层14，设置在漏电极12和栅电极15之间以及栅电极15和源电极13之间。
实施例3
请参见图3，图3为本发明实施例提供的一种具有高散热结构的N面GaN HEMT器件工艺流程示意图，本实施例在实施例1、实施例2的基础上，更加详细的对器件的制作过程进行描述，具体的，包括步骤：
S1.选取衬底，本实施例选取的衬底为SOI衬底，即该衬底包括第一层Si层10，SiO2牺牲层9和第二层Si层8；
S2.外延材料的生长。采用MOCVD在SOI衬底的第二层8上依次生长AlN成核层7、GaN缓冲层6，AlN插入层5以及AlGaN势垒层4。
S3.在AlGaN势垒层4上淀积厚度为20～50nm Si3N4介质层2，然后采用MWCVD工艺，在Si3N4介质层2上生长多晶的金刚石3，金刚石3的厚度为100～150um，Si3N4介质层2和金刚石3共同组成金刚石层1；
S4.对衬底的第一层Si层10进行通道光刻，得到刻蚀通道的光刻掩膜，将器件倒置，以金刚石层1为基底，在200℃下烘烤5分钟，然后置于匀胶机上，在样品衬底表面滴取RZJ304光刻胶，匀胶条件：500rpm，5秒，1200rpm，40秒，100℃下烘烤90秒，经台阶仪测试胶厚可达到4-5um；
显影条件：在显影液中显影2分钟；超纯水冲洗2分钟；氮气吹干。
S5.对刻蚀通道光刻掩膜进行刻蚀，使用ICP氟基条件对衬底的第一层进行快速刻蚀，刻蚀停止于SiO2牺牲层9，刻蚀条件：上电极功率300W，下电极功率30W，压力5mTorr，SF6流量50sccm；氢氟酸浸泡样品，使第一层Si与上层材料分离。氢氟酸浓度在10％到20％之间，将样品置于氢氟酸溶液中，在50℃下浸泡2到3个小时，使SiO2层腐蚀，从而使第一层Si材料与上层材料分离；
S6.刻蚀衬底的第二Si层8，使用ICP氟基条件刻蚀剩余薄层Si，停止于AlN成核层7，刻蚀条件：上电极功率300W，下电极功率30W，压力5mTorr，SF6流量40sccm；
从上向下刻蚀时，由于要避免刻蚀通道对上层器件的影响，需要预留刻蚀通道的位置，这就使得整体工艺的难度和复杂度增加，并且会导致上层区域的浪费，而本实施例采用从下向上刻蚀通道的方式，即刻蚀通道在衬底上，而衬底层在后续步骤中会去除，使得刻蚀通道不会对上层结构造成影响，同时也避免了预留刻蚀通道的问题。
S7.刻蚀AlN成核层7，使用ICP氯基条件刻蚀AlN成核层7，通过控制刻蚀液的流量及速度，实现精确刻蚀。刻蚀条件：上电极功率25W，下电极功率5W，压力5mT，Cl2流量4sccm，BCl3流量10sccm；
S8.刻蚀GaN缓冲层靠近衬底的第一层，得到外延层结构，GaN层11为去除所述第一层的GaN缓冲层6，使用ICP氯基条件通过控制刻蚀液的流量及速度，实现精确刻蚀，最终保留30nmGaN缓冲层作为GaN缓冲层6的第二部分即GaN层11；
S9.在GaN层11制作源电极13和漏电极12，
S91.首先在GaN层11上光刻源电极区域和漏电极区域，包括步骤：
S911.将外延基片放在200℃的热板上烘烤5min；
S912.在GaN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；
S913.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lmin；
S914.将完成涂胶和甩胶的样品放入光刻机中对源电极区域和漏电极区域内的光刻胶进行曝光；
S915.将完成曝光的样品放入显影液中移除源电极区域和漏电极区域内的光刻胶和剥离胶，对其进行超纯水冲洗和氮气吹干；
S92.在源电极区域和漏电极区域内的GaN层上蒸发源电极13和漏电极12；
S921.将有源电极13和漏电极12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；
S922.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，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；
S923.对完成欧姆金属蒸发的样品进行剥离，以移除源电极区域和漏电极区域外的欧姆金属、光刻胶和剥离胶；
S924.用超纯水冲洗样品并用氮气吹干；
S93.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，以使源电极区域内和漏电极区域内GaN层上的欧姆金属下沉至GaN层11内，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。
S10.在GaN层11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；
S101.在GaN层11上光刻电隔离区域；
S1011.将样品放在200℃的热板上烘烤5min；
S1012.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lmin；
S1013.将样品放入光刻机中对电隔离区域内的光刻胶进行曝光；
S1014.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
S102.在GaN层上刻蚀电隔离区域；
S1021.利用ICP工艺依次刻蚀电隔离区域的GaN层11、AlGaN势垒层4、AlN插入层5，以实现有源区的台面隔离，其总的刻蚀深度为100nm；
S1022.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；
S1023.用超纯水冲洗样品并用氮气吹干；
S11.在源电极13、漏电极12和有源区的GaN层上，利用PECVD工艺生长钝化层14，该钝化层14为SiN钝化层；
S111.对完成有源区电隔离的样品进行表面清洗；
S1111.将样品放入丙酮溶液中超声清洗3mim，其超声强度为3.0；
S1112.将样品放入温度为60℃的剥离液中水浴加热5min；
S1113.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；
S1114.用超纯水冲洗样品并用氮气吹干；
S112.在源电极13、漏电极12和有源区的GaN层上，利用PECVD工艺生长厚度为60nm的SiN钝化层，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；
S12.在SiN钝化层上光刻栅槽区域，并利用ICP工艺对该栅槽区域内的SiN钝化层进行刻蚀；
S121.在SiN钝化层上光刻栅槽区域；
S1211.将样品放在200℃的热板上烘烤5min；
S1212.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lmin；
S1213.将样品放入光刻机中对栅槽区域内的光刻胶进行曝光；
S1214.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；
S122.利用ICP刻蚀工艺移除栅槽区域内的SiN钝化层，其刻蚀的条件为:反应气体为CF4和O2，反应腔室压力为l0mTorr，上电极和下电极的射频功率分别为100W和l0W，刻蚀的深度为60nm至GaN层。
S13.制作栅电极15
S131.光刻栅电极区域；
S1311.将样品放在200℃的热板上烘烤5min；
S1312.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；
S1313.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；
S1314.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；
S1315.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；
S132.在栅电极区域内外的光刻胶上蒸发栅电极；
S1321.将有栅电极光刻图形的样品放入等离子体去胶机中进行底膜处理，其处理的时间为5min；
S1322.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；
S1323.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；
S1324.用超纯水冲洗样品并用氮气吹干，得到栅电极15，完成栅电极15的制作后。
S133.在源极和漏极区域的SiN保护层上光刻开孔区
S1331.将样品放在200℃的热板上烘烤5min；
S1332.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；
S1333.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；
S1334.将完成曝光的样品放入显影液中移除源电极及漏电极区域内的光刻胶，并对其进行超纯水冲洗和氮气吹干；
S134.在源极和漏极区域的SiN保护层上刻蚀开孔区；
S1341.利用ICP刻蚀工艺移除光刻开孔区域内的SiN钝化层，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60nm至GaN层。最终得到具有高散热结构的N面GaN HEMT器件。
本发明的基于转移技术的高导热N面GaN外延结构的制作采用转移技术取代直接生长，克服了较为困难的生长工艺，可以获得质量较好的N面GaN材料；与传统的转移技术相比，本发明能够快速有效的将衬底去除，采用生长高导热金刚石作为器件衬底，使得转移后的N面GaN外延结构具有良好的导热能力，为后续微波大功率器件的实现奠定基础。
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 (5)
1.一种具有高散热结构的N面GaN HEMT器件的制作方法，其特征在于，包括步骤：
S1.选取衬底，所述衬底依次包括第一Si层、SiO2牺牲层和第二Si层；
S2.采用MOCVD生长在SOI衬底的第二Si层上依次生长AlN成核层、GaN缓冲层、AlN插入层以及AlGaN势垒层；
S3.在AlGaN势垒层上淀积厚度为20～50nm Si3N4介质层，然后采用MWCVD工艺，在Si3N4介质层上生长多晶的金刚石，金刚石的厚度为100～150um，Si3N4介质层和金刚石共同组成金刚石层；
S41.对所述第一Si层进行光刻，得到刻蚀通道光刻区域；
S42.使用ICP氟基条件刻蚀所述刻蚀通道光刻区域对应的所述第一Si层，直到SiO2牺牲层表面，得到刻蚀通道；
S43.氢氟酸浸泡S42步骤得到的样品，以使SiO2牺牲层被腐蚀，所述第二Si层与所述第一Si层分离，其中氢氟酸浓度为10％-20％；
S44.使用ICP氟基条件刻蚀去除所述第二Si层；
S45.去除所述AlN成核层，并对所述GaN缓冲层刻蚀，以使所述GaN缓冲层保留30～50nm作为GaN层；
S5.在所述GaN层上制作源电极和漏电极；
S6.对所述GaN层进行有源区台面隔离；
S7.在所述源电极、所述漏电极和所述GaN层上制作钝化层；
S8.在所述GaN层上制作栅电极，并对源电极和漏电极上的钝化层进行去除，得到N面GaN HEMT器件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S5包括：
S51.在所述GaN层上光刻源电极区域和漏电极区域；
S52.在所述源电极区域和所述漏电极区域进行金属蒸发和金属剥离，形成所述源电极和所述漏电极。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S6包括：
S61.在所述GaN层上光刻有源区的电隔离区域；
S62.依次刻蚀所述电隔离区域对应的GaN层、AlN插入层、AlGaN势垒层，完成对有源区的台面隔离，以使刻蚀深度为100nm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S8包括：
S81.在所述钝化层上进行光刻，形成栅槽区域；
S82.对所述栅槽区域的钝化层进行刻蚀，形成凹槽；
S83.对所述凹槽和所述GaN层进行光刻，形成栅电极区域；
S84.在所述栅电极区域上进行金属蒸发和金属剥离，形成所述栅电极；
S85.对源电极和漏电极上的钝化层进行去除。
5.一种具有高散热结构的N面GaN HEMT器件，其特征在于，所述器件由权利要求1～4任一项所述的方法制备形成。
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