CN110581170A - 具有Г型栅的GaN基MIS-HEMT器件及制备方法 - Google Patents
具有Г型栅的GaN基MIS-HEMT器件及制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110581170A CN110581170A CN201910746035.2A CN201910746035A CN110581170A CN 110581170 A CN110581170 A CN 110581170A CN 201910746035 A CN201910746035 A CN 201910746035A CN 110581170 A CN110581170 A CN 110581170A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- gate
- source
- gan
- drain electrode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 7
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 claims abstract description 50
- 238000002161 passivation Methods 0.000 claims abstract description 50
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 51
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 32
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 28
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 28
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 28
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 27
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 claims description 25
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 claims description 23
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 17
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 claims description 13
- 238000009616 inductively coupled plasma Methods 0.000 claims description 12
- 238000004518 low pressure chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 11
- 238000000623 plasma-assisted chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 11
- 238000005566 electron beam evaporation Methods 0.000 claims description 9
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 claims description 9
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 8
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 claims description 7
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims description 5
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 5
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 5
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 claims description 4
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 4
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 4
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 4
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 4
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 4
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 claims description 4
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000002955 isolation Methods 0.000 claims description 4
- 238000001459 lithography Methods 0.000 claims description 4
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 claims description 4
- 238000002791 soaking Methods 0.000 claims description 4
- 239000003929 acidic solution Substances 0.000 claims description 2
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 claims description 2
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 claims description 2
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 53
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 description 52
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 12
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 8
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 6
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 5
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 3
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 3
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 238000011031 large-scale manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 1
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- JVPLOXQKFGYFMN-UHFFFAOYSA-N gold tin Chemical compound [Sn].[Au] JVPLOXQKFGYFMN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 230000036632 reaction speed Effects 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000005533 two-dimensional electron gas Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/40—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/43—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
- H01L29/45—Ohmic electrodes
- H01L29/452—Ohmic electrodes on AIII-BV compounds
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/40—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/43—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
- H01L29/49—Metal-insulator-semiconductor electrodes, e.g. gates of MOSFET
- H01L29/4966—Metal-insulator-semiconductor electrodes, e.g. gates of MOSFET the conductor material next to the insulator being a composite material, e.g. organic material, TiN, MoSi2
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66007—Multistep manufacturing processes
- H01L29/66075—Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials
- H01L29/66227—Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials the devices being controllable only by the electric current supplied or the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched, e.g. three-terminal devices
- H01L29/66409—Unipolar field-effect transistors
- H01L29/66446—Unipolar field-effect transistors with an active layer made of a group 13/15 material, e.g. group 13/15 velocity modulation transistor [VMT], group 13/15 negative resistance FET [NERFET]
- H01L29/66462—Unipolar field-effect transistors with an active layer made of a group 13/15 material, e.g. group 13/15 velocity modulation transistor [VMT], group 13/15 negative resistance FET [NERFET] with a heterojunction interface channel or gate, e.g. HFET, HIGFET, SISFET, HJFET, HEMT
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
- H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
- H01L29/772—Field effect transistors
- H01L29/778—Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface
- H01L29/7786—Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface with direct single heterostructure, i.e. with wide bandgap layer formed on top of active layer, e.g. direct single heterostructure MIS-like HEMT
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Junction Field-Effect Transistors (AREA)
Abstract
本发明公开了一种具有Г型栅的GaN基MIS‑HEMT器件及其制备方法,所述器件包括AlGaN/GaN异质结外延层等结构,所述器件还包括一Г型栅电极,所述Г型栅电极包括栅帽和栅脚,栅脚的一端和栅帽的部分下表面连接,另一端和第二开口处部分暴露的栅介质层上表面连接,栅帽的其余下表面和钝化层上表面连接。本发明利用G线、I线光刻包括接触式光刻和步进式光刻与金属剥离工艺或金属刻蚀工艺结合,通过在钝化层开口处通过对准的方式,使一部分的栅极金属与栅介质层接触,另一部分与钝化层接触,使栅足线宽在光刻的极限线宽下大大减小;所述Г栅结构,引入了场板,场板调制了栅靠漏侧导电沟道的电场强度分布,提高了器件的击穿电压。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域,特别涉及一种具有Г栅结构的GaN基MIS-HEMT器件及制备方法。
背景技术
以氮化镓(GaN)为代表的宽禁带III族氮化物材料其合金被称为第三代半导体材料,基于GaN的宽禁带半导体材料与器件发展的十分迅猛。GaN是III-V族直接带隙半导体,具有宽禁带、高击穿场强、高的饱和电子漂移速度和耐高温的特性,其中3.4ev的禁带宽度让GaN十分适合微波/毫米波大功率器件的应用。另外,GaN可以与AlGaN形成调制摻杂的AlGaN/GaN异质结结构,在室温下形成的二维电子气导电沟道具有高电子浓度与高电子迁移率的特性,相比于硅器件的体电子沟道而言,开关速率大大提高,并且相比于硅器件降温要求更低。因此氮化镓HEMT器件在微波功率领域具有广泛的应用前景。
近年来微波放大器领域迫切需要具有高频率和高功率密度的器件。由HEMT器件的小信号特性和大信号特性可知,栅长越短器件的截止频率和最大震荡频率越高,而器件的栅压摆幅和击穿电压越高,功率密度越高。这就要求在工艺的限制下,尽可能缩小栅长,并通过在栅电极和AlGaN势垒层之间插入绝缘介质层形成MIS结构提高栅压摆幅,以及通过场板结构如Г栅结构调制沟道电场分布提高器件的击穿电压。
目前GaN基MIS-HEMT器件的栅极线宽由光刻决定,最常用的手段主要有G线、I线、波长更短的深紫外和极紫外光刻、以及电子束光刻技术。
G线和I线光刻技术具有工艺简单、成本低、效率高的优点。但其最小线宽被光源的波长所限制,一般的G线、I线光刻机只能做到0.5μm以上的栅线条。而0.5μm以下的栅线条则需要步进式光刻机或者一些特殊的技巧,工艺复杂,一致性不高,对掩膜的要求相比于接触式光刻机更高。
电子束直写的方法制作的栅长可以达到纳米水平,且一致性非常好。但生产效率低下,设备昂贵维护成本高,一般只能用于实验研究。另外深紫外或极紫外光刻机由于采用了波长更短的光源,分辨率更高可以达到0.05-0.25μm,但相比于G线、I线光刻技术成本更高、效率低。
因此,寻找一种工艺简单、高效率、低成本的深亚微米栅长的Г栅结构的GaN基MIS-HEMT器件制备方法是本行业亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服已有的GaN基MIS-HEMT器件栅极光刻工艺的限制和功率密度不高的不足,从栅极工艺与器件结构的角度提出一种具有Г栅结构的GaN基MIS-HEMT器件及其制备方法,可以有效的提高器件频率特性和功率特性,以满足高效率、高成品率的规模化生产的需求。
本发明的目的是通过以下技术方案之一实现的。
本发明提供了一种具有Г型栅的GaN基MIS-HEMT器件,包括AlGaN/GaN异质结外延层,所述AlGaN/GaN异质结外延层为凸台结构,凸台上部分为有源区,有源区上表面的两端分别连接源漏电极,源漏电极上和有源区上表面连接源漏电极以外的区域从下到上依次覆盖有栅介质层和钝化层,栅介质层和钝化层在源漏电极的上表面均设有第一开口,分别暴露出源漏电极的部分上表面,钝化层在源漏电极之间的栅介质层上设有第二开口,暴露出栅介质层上表面,第二开口处还连接Г型栅电极,所述Г型栅电极包括栅帽和栅脚,Г型的竖边部分为栅脚,横边部分为栅帽,栅脚的一端和栅帽的部分下表面连接,另一端和第二开口处部分暴露的栅介质层上表面连接,栅帽的其余下表面和钝化层上表面连接。
优选地,栅电极的材料层为三层以上的金属层或金属氮化物层;顶层材料层为Ni、TiN、WN、Cr、TiW中的一种以上;中间层的材料层为Au或Al;底层材料层为TiN、WN、Cr、TiW中的一种以上; 栅电极的总厚度为200-300nm;栅脚的左右宽度为0.2-0.5μm;栅帽的左右宽度为0.4-1μm。
优选地,AlGaN/GaN异质结外延层的厚度为500-1000μm,有源区的厚度为100-300nm。
优选地,源漏电极为在有源区上表面从下到上依次沉积的Ti层、Al层、Ni层和Au层,源漏电极的厚度为200-300nm;Ti层、Al层、Ni层和Au层的厚度分别为10-30nm、80-120nm、5-15nm、80-120nm。
优选地,栅介质层为SiN;栅介质层的厚度为5-15nm;钝化层为SiN或SiO2,钝化层的厚度为65-150nm。
优选地,第二开口的左右宽度为0.35-1μm。
本发明还提供了一种制备如上所述的具有Г型栅的GaN基MIS-HEMT器件的方法,包括以下步骤:
(1)AlGaN/GaN异质结外延层准备及清洗:通过金属有机气相沉积MOCVD 制备AlGaN/GaN异质结外延层,然后将AlGaN/GaN异质结外延层浸泡于酸性溶液中,去除表面氧化层,再采用有机溶剂去除AlGaN/GaN异质结外延层上的有机物;
(2)源漏电极退火形成欧姆接触:通过负胶光刻工艺实现隔离的有源区上界定源漏电极金属位置及图形,沉积源漏电极;在氮气氛围下,800℃以上的温度中退火30-90s,使源漏电极与AlGaN势垒层形成欧姆接触;
(3)沉积栅介质层及钝化层:在源漏电极和AlGaN/GaN异质结外延层上表面连接源漏电极以外的区域上沉积栅介质层;在栅介质层上沉积钝化层;
(4)去除源电极和漏电极间的部分钝化层:通过光刻方法曝光光刻胶,保护第二开口以外的区域,再通过物理刻蚀的方法去除60-140nm厚度的钝化层,剩余5-10nm的钝化层利用化学刻蚀的方法去除,暴露栅介质层上表面;
(5)通过光学光刻结合剥离或刻蚀制备栅电极:利用I线或G线光刻机,在第二开口处曝光栅电极图形,然后通过电子束蒸发或磁控溅射在源漏电极之间沉积栅电极的材料层,通过剥离的方式制备出Г型栅电极;或者先通过电子束蒸发或磁控溅射沉积栅电极的材料层,在第二开口处曝光栅电极图形区域,再通过各向异性刻蚀光刻胶缩小栅帽和栅脚的左右宽度及感应耦合等离子体刻蚀刻蚀栅电极图形区域外的栅电极材料层制备出Г型栅电极;
(6)源漏电极开口:通过光学光刻曝光光刻胶保护的第一开口以外的区域,通过感应耦合等离子体刻蚀去除掉源漏电极上的第一开口处钝化层和栅介质层;
(7)隔离刻蚀形成独立有源区:在AlGaN/GaN外延层上界定有源区,采用光刻胶对有源区进行覆盖保护;利用感应耦合等离子体刻蚀ICP或者反应离子刻蚀RIE对有源区以外的AlGaN/GaN异质结外延层进行去除,刻蚀深度为100-300nm。
优选地,沉积源漏电极的方法为电子束蒸发或磁控溅射。
优选地,栅介质层沉积的方法为金属有机化学气相沉积MOCVD或低压化学气相沉积法LPCVD。
优选地,钝化层的沉积方法为等离子体增强化学的气相沉积法PECVD。
和现有技术相比,本发明具有以下有益效果和优点:
1)本发明栅介质层采用低压化学气相沉积LPCVD生长的SiN,致密性高,且化学性质上相比于等离子增强型化学气相沉积PECVD生长的SiN与氢氟酸反应慢的多,使之可以通过物理刻蚀和化学刻蚀结合的方法对钝化层开口,降低物理刻蚀对栅介质层的损伤,从而降低栅极漏电,提高器件性能;
2)低压化学气相沉积LPCVD或金属有机化学气相沉积MOCVD均属于半导体工业化生产的成熟工艺,可用于规模化生产中,另外这种方法可以引入栅介质层,改善器件的性能;
3)本发明通过引入Г栅结构,第一个优点在于可以利用G线、I线光刻包括接触式光刻和步进式光刻与金属剥离工艺或金属刻蚀工艺结合,通过在钝化层开口处通过对准的方式,使一部分的栅极金属与栅介质层接触,另一部分与钝化层接触,使栅足线宽在光刻的极限线宽下大大减小;第二个优点在于通过这种Г栅结构,引入了场板,调制了栅靠漏侧导电沟道的电场强度分布。
附图说明
图1是实施例提供的具有Г栅结构的GaN基MIS-HEMT器件制备方法流程图;
图2-图10是实施例提供的具有Г栅结构的GaN基MIS-HEMT器件的制备过程中的示意图;
图中示出:1-AlGaN/GaN异质结外延层;2-有源区;3-源漏电极;4-栅介质层;5-钝化层;6-栅电极;7-光刻胶层;8-栅电极材料层。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的具体实施作进一步说明,但本发明实施和保护不限于此,需要指出的是,以下若有为特别详细说明的过程或工艺参数均属本领域技术人员可参照现有技术实现的。
实施例1
本实施例提供了一种具有Г型栅的GaN基MIS-HEMT器件,如图10所示,包括AlGaN/GaN异质结外延层1,所述AlGaN/GaN异质结外延层1为凸台结构,凸台上部分为有源区2,有源区2上表面的两端分别连接源漏电极3,源漏电极3上和有源区2上表面连接源漏电极3以外的区域从下到上依次覆盖有栅介质层4和钝化层5,栅介质层4和钝化层5在源漏电极3的上表面均设有第一开口,分别暴露出源漏电极3的部分上表面,钝化层5在源漏电极3之间的栅介质层4上设有第二开口,暴露出栅介质层4上表面,第二开口处还连接Г型栅电极6,所述Г型栅电极6包括栅帽和栅脚,Г型的竖边部分为栅脚,横边部分为栅帽,栅脚的一端和栅帽的部分下表面连接,另一端和第二开口处部分暴露的栅介质层4上表面连接,栅帽的其余下表面和钝化层5上表面连接。
栅介质层4与AlGaN/GaN异质结外延层1形成MIS结构。
栅电极6的材料层为下层的TiN金属层、中层的Au金属层和上层的TiN金金属层,上层TiN金属层和下层TiN金属层的厚度为50nm,中层Au金属层的厚度为200nm,栅电极6的总厚度为300nm;栅脚的左右宽度为0.5μm;栅帽的左右宽度为1μm。
AlGaN/GaN异质结外延层1的厚度为500μm。
有源区2的厚度为300nm。
源漏电极3为在有源区2上表面从下到上依次沉积的Ti层、Al层、Ni层和Au层,Ti层、Al层、Ni层和Au层的厚度分别为20 nm、100 nm、10 nm和100nm。
栅介质层4为SiN;栅介质层4的厚度为10nm;钝化层5为SiO2,钝化层5的厚度为100nm。
第二开口的左右宽度为0.7μm。
本实施例提供了一种制备如上所述的具有Г型栅的GaN基MIS-HEMT器件的方法,如图1所示,包括以下步骤:
(1)AlGaN/GaN异质结外延层准备及清洗:通过金属有机气相沉积MOCVD 制备AlGaN/GaN异质结外延层1,然后将AlGaN/GaN异质结外延层1浸泡于H2SO4:H2O2=6:1(质量比)溶液中20分钟(H2SO4和H2O2均为市售),去除表面氧化层,再采用丙酮和异丙醇去除AlGaN/GaN异质结外延层1上的有机物,如图2所示;
(2)源漏电极退火形成欧姆接触:通过负胶光刻工艺实现隔离的有源区2上界定源漏电极金属位置及图形,通过电子束蒸发从下到上依次沉积Ti/Al/Ni/Au,通过剥离工艺形成源漏电极3;在氮气氛围下,830℃的温度中退火60s,使源漏电极3与AlGaN势垒层形成欧姆接触,如图3所示;
(3)沉积栅介质层及钝化层:在源漏电极3和AlGaN/GaN异质结外延层1上表面连接源漏电极3以外的区域上通过低压化学气相沉积法LPCVD沉积栅介质层4;在栅介质层4上采用等离子体增强化学的气相沉积法PECVD沉积钝化层5;如图4所示;
(4)去除源电极和漏电极间的部分钝化层:通过光刻方法曝光光刻胶,保护第二开口以外的区域,再通过感应耦合等离子刻蚀ICP工艺刻蚀掉90nm厚的SiO2,再用氢氟酸(市售)腐蚀掉剩下的10nm厚的SiO2,暴露栅介质层4上表面;如图5所示;
(5)通过光学光刻结合剥离制备栅电极:如图6所示,在钝化层5的上表面和暴露的栅介质层上表面沉积一层光刻胶层7,通过光刻工艺定义在第二开口处曝光栅电极图形,然后通过磁控溅射沉积TiN,电子束蒸发Au,通过剥离的方式制备出Г型栅电极6,如图8所示;
(6)源漏电极开口:通过光学光刻曝光光刻胶保护的第一开口以外的区域,通过感应耦合等离子体刻蚀去除掉源漏电极上的第一开口处钝化层5和栅介质层4,如图9所示;
(7)隔离刻蚀形成独立有源区:通过正胶光刻工艺在AlGaN/GaN外延层上界定有源区2,采用光刻胶对有源区2进行覆盖保护;利用感应耦合等离子体刻蚀ICP或者反应离子刻蚀RIE对有源区以外的AlGaN/GaN异质结外延层进行去除,刻蚀深度为300nm,如图10所示。
该器件通过采用低压化学气相沉积LPCVD形成栅介质层SiN,并在栅介质层上采用等离子体增强化学的气相沉积法PECVD沉积SiO2钝化层,利用两者与氢氟酸反应快慢的差异,通过物理刻蚀和化学刻蚀结合的办法,对钝化层开口并大大减小了物理刻蚀对栅介质层造成的离子损伤。接着在钝化层开口处通过光刻对准和剥离栅金属的办法实现了Г栅结构的GaN基MIS-HEMT器件,这种结构使得栅足线宽突破G线或I线光刻的极限,线宽大大减小,并调制了栅靠漏侧导电沟道的电场强度分布,提高了器件的击穿电压。等离子增强型化学气相沉积PECVD和低压化学气相沉积LPCVD均属于半导体工业化生产的成熟工艺,上述Г栅结构的GaN基MIS-HEMT器件适用于规模化生产中,减小器件的栅漏电,提高器件的击穿特性、频率及功率特性。
实施例2
本实施例提供了一种具有Г型栅的GaN基MIS-HEMT器件,如图10所示,包括AlGaN/GaN异质结外延层1,所述AlGaN/GaN异质结外延层1为凸台结构,凸台上部分为有源区2,有源区2上表面的两端分别连接源漏电极3,源漏电极3上和有源区2上表面连接源漏电极3以外的区域从下到上依次覆盖有栅介质层4和钝化层5,栅介质层4和钝化层5在源漏电极3的上表面均设有第一开口,分别暴露出源漏电极3的部分上表面,钝化层5在源漏电极3之间的栅介质层4上设有第二开口,暴露出栅介质层4上表面,第二开口处还连接Г型栅电极6,所述Г型栅电极6包括栅帽和栅脚,Г型的竖边部分为栅脚,横边部分为栅帽,栅脚的一端和栅帽的部分下表面连接,另一端和第二开口处部分暴露的栅介质层4上表面连接,栅帽的其余下表面和钝化层5上表面连接。
栅介质层4与AlGaN/GaN异质结外延层1形成MIS结构。
栅电极6的材料层为从下到上依次沉积的Cr、Al和Cr三层金属层,金属层的厚度依次为50nm、200nm和50nm,总厚度300nm;栅脚的左右宽度为0.5μm;栅帽的左右宽度为1μm。
AlGaN/GaN异质结外延层1的厚度为500μm,有源区2的厚度为300nm。
源漏电极3为在有源区2上表面从下到上依次沉积的Ti层、Al层、Ni层和Au层,Ti层、Al层、Ni层和Au层的厚度分别为20 nm、100 nm、10 nm和100nm。
栅介质层4为SiN;栅介质层4的厚度为10nm;钝化层5为SiO2,钝化层5的厚度为100nm。
第二开口的左右宽度为0.7μm。
本实施例提供了一种制备如上所述的具有Г型栅的GaN基MIS-HEMT器件的方法,如图1所示,包括以下步骤:
(1)AlGaN/GaN异质结外延层准备及清洗:通过金属有机气相沉积MOCVD 制备AlGaN/GaN异质结外延层1,然后将AlGaN/GaN异质结外延层1浸泡于H2SO4:H2O2=6:1(质量比)溶液中20分钟(H2SO4和H2O2均为市售),去除表面氧化层,再采用丙酮和异丙醇去除AlGaN/GaN异质结外延层1上的有机物,如图2所示;
(2)源漏电极退火形成欧姆接触:通过负胶光刻工艺实现隔离的有源区2上界定源漏电极金属位置及图形,通过电子束蒸发从下到上依次沉积Ti/Al/Ni/Au,通过剥离工艺形成源漏电极3;在氮气氛围下,830℃的温度中退火60s,使源漏电极3与AlGaN势垒层形成欧姆接触,如图3所示;
(3)沉积栅介质层及钝化层:在源漏电极3和AlGaN/GaN异质结外延层1上表面连接源漏电极3以外的区域上通过金属有机化学气相沉积法MOCVD沉积栅介质层4;在栅介质层4上采用等离子体增强化学的气相沉积法PECVD沉积钝化层5;如图4所示;
(4)去除源电极和漏电极间的部分钝化层:通过光刻方法曝光光刻胶,保护第二开口以外的区域,再通过感应耦合等离子刻蚀ICP工艺刻蚀掉90nm厚的SiO2,再用氢氟酸(市售)腐蚀掉剩下的10nm厚的 SiO2,暴露栅介质层4上表面;如图5所示;
(5)通过光学光刻结合刻蚀制备栅电极:如图7所示,通过电子束蒸发工艺在钝化层5的上表面和暴露的栅介质层上表面从下到上依次沉积依次沉积铬Cr、铝Al、铬Cr金属,这三层金属的厚度依次为50nm、100nm和50nm,通过光刻工艺定义在第二开口处曝光栅电极6图形区域,在栅电极6图形区域上覆盖一层光刻胶层7,再通过各向异性刻蚀光刻胶缩小栅帽和栅脚的左右宽度及氯基等离子体刻去除掉栅电极图形区域外的栅电极材料层制备出Г型栅电极,如图8所示;
(6)源漏电极开口:通过光学光刻曝光光刻胶保护的第一开口以外的区域,通过感应耦合等离子体刻蚀去除掉源漏电极上的第一开口处钝化层5和栅介质层4,如图9所示;
(7)隔离刻蚀形成独立有源区:通过正胶光刻工艺在AlGaN/GaN外延层上界定有源区2,采用光刻胶对有源区2进行覆盖保护;利用感应耦合等离子体刻蚀ICP或者反应离子刻蚀RIE对有源区以外的AlGaN/GaN异质结外延层进行去除,刻蚀深度为300nm,如图10所示。
该实例相比于实例1,栅介质层采用了金属有机气相沉积MOCVD沉积SiN栅介质薄膜,特别的栅极工艺采用刻蚀工艺而非剥离工艺。栅极刻蚀工艺的优点在于相比于剥离工艺,成品率更高,并且能够通过各向异性刻蚀光刻胶进一步缩小栅极线宽。在同样的光学光刻刻精度下,栅极刻蚀工艺能实现更小的栅极线宽并且效率更高、一致性更好。
上述实施例仅为本发明的优选实例,不构成对本发明的任何限制,显然对于本领域的专业人员来说,在了解本发明的内容及原理后,能够在不背离本发明的原理和范围的情况下,根据本发明的方法进行形式和细节上的各种修正和改变,但是这些基于本发明的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围内。
Claims (10)
1.具有Г型栅的GaN基MIS-HEMT器件,其特征在于,包括AlGaN/GaN异质结外延层,所述AlGaN/GaN异质结外延层为凸台结构,凸台上部分为有源区,有源区上表面的两端分别连接源漏电极,源漏电极上和有源区上表面连接源漏电极以外的区域从下到上依次覆盖有栅介质层和钝化层,栅介质层和钝化层在源漏电极的上表面均设有第一开口,分别暴露出源漏电极的部分上表面,钝化层在源漏电极之间的栅介质层上设有第二开口,暴露出栅介质层上表面,第二开口处还连接Г型栅电极,所述Г型栅电极包括栅帽和栅脚,Г型的竖边部分为栅脚,横边部分为栅帽,栅脚的一端和栅帽的部分下表面连接,另一端和第二开口处部分暴露的栅介质层上表面连接,栅帽的其余下表面和钝化层上表面连接。
2.根据权利要求1所述的具有Г型栅的GaN基MIS-HEMT器件,其特征在于,栅电极的材料层为三层以上的金属层或金属氮化物层;顶层材料层为TiN、WN、Cr、TiW中的一种以上;中间层的材料层为Au或Al;底层材料层为TiN、WN、Cr、TiW中的一种以上; 栅电极的总厚度为200-300nm;栅脚的左右宽度为0.2-0.5μm;栅帽的左右宽度为0.4-1μm。
3.根据权利要求1所述的具有Г型栅的GaN基MIS-HEMT器件,其特征在于,AlGaN/GaN异质结外延层的厚度为500-1000μm,有源区的厚度为100-300nm。
4.根据权利要求1所述的具有Г型栅的GaN基MIS-HEMT器件,其特征在于,源漏电极为在有源区上表面从下到上依次沉积的Ti层、Al层、Ni层和Au层,源漏电极的厚度为200-300nm ;Ti层、Al层、Ni层和Au层的厚度分别为10-30nm、80-120nm、5-15nm、80-120nm。
5.根据权利要求1所述的具有Г型栅的GaN基MIS-HEMT器件,其特征在于,栅介质层为SiN;栅介质层的厚度为5-15nm;钝化层为SiN或SiO2,钝化层的厚度为65-150nm。
6.根据权利要求1所述的具有Г型栅的GaN基MIS-HEMT器件,其特征在于,第二开口的左右宽度为0.35-1μm。
7.制备如权利要求1至6任一项所述的具有Г型栅的GaN基MIS-HEMT器件的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)AlGaN/GaN异质结外延层准备及清洗:通过金属有机气相沉积MOCVD 制备AlGaN/GaN异质结外延层,然后将AlGaN/GaN异质结外延层浸泡于酸性溶液中,去除表面氧化层,再采用有机溶剂去除AlGaN/GaN异质结外延层上的有机物;
(2)源漏电极退火形成欧姆接触:通过负胶光刻工艺实现隔离的有源区上界定源漏电极金属位置及图形,沉积源漏电极;在氮气氛围下,800℃以上的温度中退火30-90s,使源漏电极与AlGaN势垒层形成欧姆接触;
(3)沉积栅介质层及钝化层:在源漏电极和AlGaN/GaN异质结外延层上表面连接源漏电极以外的区域上沉积栅介质层;在栅介质层上沉积钝化层;
(4)去除源电极和漏电极间的部分钝化层:通过光刻方法曝光光刻胶,保护第二开口以外的区域,再通过物理刻蚀的方法去除60-140nm厚度的钝化层,剩余5-10nm厚度的钝化层利用化学刻蚀的方法去除,暴露栅介质层上表面;
(5)通过光学光刻结合剥离或刻蚀制备栅电极:利用I线或G线光刻机,在第二开口处曝光栅电极图形,然后通过电子束蒸发或磁控溅射在源漏电极之间沉积栅电极的材料层,通过剥离的方式制备出Г型栅电极;或者先通过电子束蒸发或磁控溅射沉积栅电极的材料层,在第二开口处曝光栅电极图形区域,再通过各向异性刻蚀光刻胶缩小栅帽和栅脚的左右宽度及感应耦合等离子体刻蚀刻蚀栅电极图形区域外的栅电极材料层制备出Г型栅电极;
(6)源漏电极开口:通过光学光刻曝光光刻胶保护的第一开口以外的区域,通过感应耦合等离子体刻蚀去除掉源漏电极上的第一开口处钝化层和栅介质层;
(7)隔离刻蚀形成独立有源区:在AlGaN/GaN外延层上界定有源区,采用光刻胶对有源区进行覆盖保护;利用感应耦合等离子体刻蚀ICP或者反应离子刻蚀RIE对有源区以外的AlGaN/GaN异质结外延层进行去除,刻蚀深度为100-300nm。
8.根据权利要求7所述的制备具有Г型栅的GaN基MIS-HEMT器件的方法,其特征在于,沉积源漏电极的方法为电子束蒸发或磁控溅射。
9.根据权利要求7所述的制备具有Г型栅的GaN基MIS-HEMT器件的方法,其特征在于,栅介质层沉积的方法为金属有机化学气相沉积MOCVD或低压化学气相沉积法LPCVD。
10.根据权利要求7所述的制备具有Г型栅的GaN基MIS-HEMT器件的方法,其特征在于,钝化层的沉积方法为等离子体增强化学的气相沉积法PECVD。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201910746035.2A CN110581170A (zh) | 2019-08-13 | 2019-08-13 | 具有Г型栅的GaN基MIS-HEMT器件及制备方法 |
PCT/CN2019/130993 WO2021027242A1 (zh) | 2019-08-13 | 2019-12-31 | 具有Г型栅的 GaN 基 MIS-HEMT 器件及制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201910746035.2A CN110581170A (zh) | 2019-08-13 | 2019-08-13 | 具有Г型栅的GaN基MIS-HEMT器件及制备方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN110581170A true CN110581170A (zh) | 2019-12-17 |
Family
ID=68811166
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201910746035.2A Pending CN110581170A (zh) | 2019-08-13 | 2019-08-13 | 具有Г型栅的GaN基MIS-HEMT器件及制备方法 |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN110581170A (zh) |
WO (1) | WO2021027242A1 (zh) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN111952355A (zh) * | 2020-08-21 | 2020-11-17 | 浙江大学 | 基于多漏指结构的GaN HEMT器件及其制备方法 |
WO2021027242A1 (zh) * | 2019-08-13 | 2021-02-18 | 中山市华南理工大学现代产业技术研究院 | 具有Г型栅的 GaN 基 MIS-HEMT 器件及制备方法 |
CN112802802A (zh) * | 2021-01-15 | 2021-05-14 | 王琮 | 基于su-8光阻胶的半导体功率器件及其制备方法和包括其的功率模块 |
Citations (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20050051796A1 (en) * | 2003-09-09 | 2005-03-10 | Cree, Inc. | Wide bandgap transistor devices with field plates |
CN1700421A (zh) * | 2004-05-21 | 2005-11-23 | 中国科学院微电子研究所 | 一种纳米线宽多晶硅栅刻蚀掩膜图形的形成方法 |
CN101414624A (zh) * | 2008-12-01 | 2009-04-22 | 西安电子科技大学 | Г栅异质结场效应晶体管及其制作方法 |
CN104022151A (zh) * | 2014-06-20 | 2014-09-03 | 苏州能讯高能半导体有限公司 | 半导体器件及其制造方法 |
CN105118774A (zh) * | 2015-07-22 | 2015-12-02 | 中国电子科技集团公司第十三研究所 | 纳米t型栅的制作方法 |
CN105185714A (zh) * | 2015-09-22 | 2015-12-23 | 京东方科技集团股份有限公司 | 薄膜晶体管及其制作方法、显示基板和显示装置 |
CN105355659A (zh) * | 2015-11-06 | 2016-02-24 | 西安电子科技大学 | 槽栅AlGaN/GaN HEMT器件结构及制作方法 |
CN105977147A (zh) * | 2016-07-29 | 2016-09-28 | 中国电子科技集团公司第十三研究所 | 一种用于纳米栅制备的无损伤自终止刻蚀方法 |
CN107293482A (zh) * | 2017-06-14 | 2017-10-24 | 成都海威华芯科技有限公司 | 一种氮化镓高电子迁移率晶体管栅电极的制作方法 |
CN211929496U (zh) * | 2019-08-13 | 2020-11-13 | 中山市华南理工大学现代产业技术研究院 | 具有Г型栅的GaN基MIS-HEMT器件 |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0661266A (ja) * | 1992-08-06 | 1994-03-04 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体装置とその製造方法 |
CN103779208B (zh) * | 2014-01-02 | 2016-04-06 | 中国电子科技集团公司第五十五研究所 | 一种低噪声GaN HEMT器件的制备方法 |
CN110581170A (zh) * | 2019-08-13 | 2019-12-17 | 中山市华南理工大学现代产业技术研究院 | 具有Г型栅的GaN基MIS-HEMT器件及制备方法 |
-
2019
- 2019-08-13 CN CN201910746035.2A patent/CN110581170A/zh active Pending
- 2019-12-31 WO PCT/CN2019/130993 patent/WO2021027242A1/zh active Application Filing
Patent Citations (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20050051796A1 (en) * | 2003-09-09 | 2005-03-10 | Cree, Inc. | Wide bandgap transistor devices with field plates |
CN1700421A (zh) * | 2004-05-21 | 2005-11-23 | 中国科学院微电子研究所 | 一种纳米线宽多晶硅栅刻蚀掩膜图形的形成方法 |
CN101414624A (zh) * | 2008-12-01 | 2009-04-22 | 西安电子科技大学 | Г栅异质结场效应晶体管及其制作方法 |
CN104022151A (zh) * | 2014-06-20 | 2014-09-03 | 苏州能讯高能半导体有限公司 | 半导体器件及其制造方法 |
CN105118774A (zh) * | 2015-07-22 | 2015-12-02 | 中国电子科技集团公司第十三研究所 | 纳米t型栅的制作方法 |
CN105185714A (zh) * | 2015-09-22 | 2015-12-23 | 京东方科技集团股份有限公司 | 薄膜晶体管及其制作方法、显示基板和显示装置 |
CN105355659A (zh) * | 2015-11-06 | 2016-02-24 | 西安电子科技大学 | 槽栅AlGaN/GaN HEMT器件结构及制作方法 |
CN105977147A (zh) * | 2016-07-29 | 2016-09-28 | 中国电子科技集团公司第十三研究所 | 一种用于纳米栅制备的无损伤自终止刻蚀方法 |
CN107293482A (zh) * | 2017-06-14 | 2017-10-24 | 成都海威华芯科技有限公司 | 一种氮化镓高电子迁移率晶体管栅电极的制作方法 |
CN211929496U (zh) * | 2019-08-13 | 2020-11-13 | 中山市华南理工大学现代产业技术研究院 | 具有Г型栅的GaN基MIS-HEMT器件 |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2021027242A1 (zh) * | 2019-08-13 | 2021-02-18 | 中山市华南理工大学现代产业技术研究院 | 具有Г型栅的 GaN 基 MIS-HEMT 器件及制备方法 |
CN111952355A (zh) * | 2020-08-21 | 2020-11-17 | 浙江大学 | 基于多漏指结构的GaN HEMT器件及其制备方法 |
CN111952355B (zh) * | 2020-08-21 | 2021-03-12 | 浙江大学 | 基于多漏指结构的GaN HEMT器件及其制备方法 |
CN112802802A (zh) * | 2021-01-15 | 2021-05-14 | 王琮 | 基于su-8光阻胶的半导体功率器件及其制备方法和包括其的功率模块 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2021027242A1 (zh) | 2021-02-18 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN110190116B (zh) | 一种高阈值电压常关型高电子迁移率晶体管及其制备方法 | |
US8803199B2 (en) | III-nitride semiconductor device with stepped gate | |
JP5186661B2 (ja) | 化合物半導体装置 | |
CN105914232B (zh) | T栅N面GaN/AlGaN鳍式高电子迁移率晶体管 | |
JP2004221325A (ja) | 化合物半導体装置及びその製造方法 | |
CN110581170A (zh) | 具有Г型栅的GaN基MIS-HEMT器件及制备方法 | |
CN105762078A (zh) | GaN基纳米沟道高电子迁移率晶体管及制作方法 | |
CN112635544B (zh) | 具有偶极子层的增强型AlGaN-GaN垂直型超结HEMT及其制备方法 | |
US10134854B2 (en) | High electron mobility transistor and fabrication method thereof | |
CN110429127B (zh) | 一种氮化镓晶体管结构及其制备方法 | |
CN109560120A (zh) | 一种选择区域生长凹槽垂直的GaN常关型MISFET器件及其制作方法 | |
CN211929496U (zh) | 具有Г型栅的GaN基MIS-HEMT器件 | |
CN113178480A (zh) | 具有栅漏复合阶梯场板结构的增强型hemt射频器件及其制备方法 | |
CN105679679B (zh) | 一种GaN基凹槽栅MISFET的制备方法 | |
CN107706232A (zh) | 一种原位MIS栅结构常关型GaN基晶体管及制备方法 | |
CN114883407B (zh) | 基于Fin-FET栅结构HEMT及其制作方法 | |
CN113257896B (zh) | 多场板射频hemt器件及其制备方法 | |
CN113540229B (zh) | 半导体器件及其制作方法 | |
CN115274845B (zh) | 一种凹陷式Fin-MESFET栅结构HEMT及制作方法 | |
CN116613065B (zh) | 一种增强型氮化镓hemt器件及制造方法 | |
CN112768508B (zh) | 背栅全控型AlGaN/GaN异质结增强型功率HEMT器件及制备方法 | |
CN108695383B (zh) | 实现高频mis-hemt的方法及mis-hemt器件 | |
CN111129138B (zh) | 基于自对准场板结构的氮化镓增强型垂直功率晶体管 | |
CN108321199B (zh) | 一种基于三维复合漏极的GaN高电子迁移率晶体管及其制造方法 | |
TW202249092A (zh) | 一種iii族氮化物半導體元件之歐姆接觸製造方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination |