CN111739799B - 一种硅基氮化镓微波器件及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种硅基氮化镓微波器件及制备方法，包括：将衬底预处理，沉积第一层钝化层；刻蚀，形成凹槽，然后沉积源极和漏极欧姆接触金属，并退火形成欧姆接触；对器件刻蚀；在第一层钝化层及欧姆接触上进行第二层钝化层的淀积，随后对第一层钝化层和第二层钝化层进行刻蚀，预处理后沉积栅极金属；在器件表面沉积第三层钝化层，退火，然后刻蚀，沉积加厚金属；沉积第四层钝化，将需要制版连线部位上的钝化层刻蚀，漏出加厚金属，并制备连线。该方法简单、易操作、成本低廉，能够有效减小器件漏电。
Description
技术领域
本发明属于宽禁带半导体微波器件及其制备领域，特别涉及一种硅基氮化镓微波器件及制备方法。
背景技术
随着5G通讯的推广，以氮化镓(GaN)材料为代表的第三代宽禁带半导体时代。氮化镓材料具有较大的禁带宽度、高热导率、高电子饱和漂移速率等特点。较大的禁带宽度使得氮化镓器件可以在辐射环境下正常工作而不至于失效；高击穿电压保证了器件能够提供更高的输出功率；极高的电子饱和漂移速率使得氮化镓材料器件可以同时兼顾高频与大功率。同时，氮化镓材料的JFOM品质因数远高于其他半导体材料，从理论上讲，工作在相同的频率下，氮化镓材料可以输出更大功率，在输出功率相同的情况下，氮化镓材料能够在更高频率下工作。因此，氮化镓材料在5G通讯、雷达、卫星通讯的、电子电力等领域具有更广阔的应用前景。
目前制备微波器件常用的是碳化硅基氮化镓(GaN-on-SiC)，据统计，碳化硅衬底氮化镓器件商用器件占氮化镓商用器件总量的95％以上。碳化硅基氮化镓需先生长碳化硅衬底，随后在碳化硅衬底上外延氮化镓材料。与硅工艺相比，碳化硅材料的生长速度约慢200至300倍，此外生长碳化硅材料与现有的主流半导体硅工艺不兼容，需要单独的生产线。因此碳化硅基氮化镓在大规模、低成本的商用存在一定的限制。然而在特定频率的应用中，完全可以采用成本较为低廉的硅基氮化镓来替代昂贵的碳化硅基氮化镓制备响应的微波器件。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种硅基氮化镓微波器件及制备方法，以克服现有技术中微波器件不能大规模制备且成本较高等缺陷。本发明具有更高的性价比，有望应用于对价格敏感的商用领域。
本发明提供一种硅基氮化镓微波器件的制备方法，包括：
(1)将衬底预处理，然后在衬底上沉积第一层钝化层，其中衬底由下至上依次包括高阻硅基衬底、缓冲层、沟道层、间隔层、势垒层、帽层；
(2)源极和漏极的欧姆接触制备：对第一层钝化层进行刻蚀，形成凹槽，将源极和漏极欧姆接触金属沉积到凹槽内，将多余的金属从器件上剥离出去，并退火形成欧姆接触；
(3)Mesa隔离：对器件进行光刻、显影、刻蚀，刻蚀深度要求进入沟道区不小于150nm且不大于250nm；(mesa刻蚀深度过小会造成漏电，影响栅控能力、降低器件的开关比，刻蚀深度过大会造成后续金属容易在台阶处断裂，造成器件失效。)
(4)栅极金属制备：在第一层钝化层及欧姆接触上进行第二层钝化层的淀积，随后对第一层钝化层和第二层钝化层进行刻蚀或者对第一层钝化层、第二层钝化层、帽层和势垒层进行刻蚀，在刻蚀出栅槽的氮化镓帽层或者势垒层进行预处理，然后沉积栅极金属，通过对栅极下方的势垒层进行刻蚀，可以有效降低栅极下能带差，进而能够改善栅极开启电压，使其正向偏移，有助于减小器件在非工作状态下的漏电；
(5)加厚源漏栅极金属：在器件表面沉积第三层钝化层，退火，然后刻蚀，沉积加厚金属，将多余的金属从器件上剥离掉；
(6)器件保护层制备及测试连线：加厚电极后沉积第四层钝化层覆盖在电极金属上(以保护电极金属不被氧化并提高器件的可靠性)，将需要制版连线部位上的钝化层刻蚀，漏出加厚金属，并制备连线。
所述步骤(1)中缓冲层掺杂C或者Fe。
所述步骤(1)中第一层钝化层材料包括SiO2或者SiNx。
所述步骤(1)中第一层钝化层厚度为30-80nm；沉积方法为LPCVD。
所述步骤(2)中欧姆接触金属包括Ti、Al、Ni、Au中的至少一种。
所述步骤(2)中沉积方法为电子束蒸镀；退火温度为不低于850℃。
所述步骤(2)中凹槽刻蚀需要刻蚀掉绝大部分AlGaN势垒层，仅保留1～5nm AlGaN势垒层，可以有效减少欧姆接触电阻，提高器件性能。
所述步骤(2)和(5)中剥离是通过lift-off的方式。
所述步骤(4)中第二层钝化层材料包括SiO2或者SiNx。
所述步骤(4)中第二层钝化层的淀积方法为PECVD。
所述步骤(4)中栅极金属包括Ni和Au。
所述步骤(4)中栅极金属的宽度不小于1.5μm，但是栅极金属宽度越宽，器件的射频性能越差，工作频率就会越低。
所述步骤(4)中栅极金属沉积方法为电子束蒸镀。
所述步骤(4)中预处理为：在ALD中先用NH3进行等离子体处理，随后通过ALD沉积2-4nmAlN、6-8nmAl2O3，然后采用磁控溅射的方法沉积18-22nmTiN，沉积双层介质可以有效改善栅极性能。
所述预处理ALD中进行NH3plasma 75W 200℃进行20周期处理。
所述步骤(5)中第三层钝化层材料包括SiO2或者SiNx。
所述步骤(5)中第三层钝化层沉积方法为PECVD。
所述步骤(5)中刻蚀是刻蚀出加厚金属电极所需要的通孔。
所述步骤(5)中加厚金属为Ti、Al、Ni、Au中的至少一种。
所述步骤(5)中加厚金属沉积方法为电子束蒸镀或磁控溅射。
所述步骤(6)中第四层钝化层材料包括SiO2或者SiNx。
所述步骤(6)中第四层钝化层沉积方法为PECVD。
本发明还提供一种上述方法制备得到的硅基氮化镓微波器件。
本发明还提供一种上述方法制备得到的硅基氮化镓微波器件的应用。
本发明涉及的高阻硅基衬底相较于SiC衬底、蓝宝石衬底、金刚石衬底具有明显的价格优势，有利于大规模商业化制造时降低成本，相较于普通的硅基衬底，该衬底能够有效抑制器件到衬底的漏电。
有益效果
(1)本发明可以制备出一款满足在6GHz时具有一定增益的微波器件。第一步骤和第二步骤中通过生长钝化层，并进行凹槽刻蚀，可以有效降低表面缺陷，优化欧姆接触的电阻，使接触电阻降低至10-6，达到先进水平。第三步骤中采用mesa刻蚀进行隔离，能够有效减小器件间漏电，相比与业界采用的离子注入法，具有步骤简单、易操作、对设备要求低、成本低廉等特点。第四步骤中先对刻蚀出的槽进行预处理，随后生长栅介质，可以有效减小界面态，从而减小器件漏电至少一个数量级。
(2)本发明采用的材料GaN-on-HRSi氮化镓要比目前采用的GaN-on-SiC更具有成本优势，前者成本约为后者一半。另外，制备流程中设计到金属去除的部分均采用lift-off，与常见的干法刻蚀方案不同，仅需在有机溶剂中进行浸泡即可剥离，不需要复杂的金属刻蚀仪器。不仅能够减少金属刻蚀对器件表面带来的损伤，还可以进一步简化制备流程、降低成本。
附图说明
图1为本发明GaN-on-HRSi衬底的结构示意图。
图2为本发明GaN-on-HRSi衬底的结构示简图。
图3为本发明第一层钝化层(钝化层1)及源漏欧姆接触形成后器件的结构示意图。
图4为本发明mesa隔离及第二层钝化层(钝化层2)形成后器件的结构示意图。
图5为本发明栅金属及第三层钝化层(钝化层3)形成后器件的结构示意图。
图6为本发明加厚金属后器件的结构示意图。
图7为对比例1中相同条件下肖特基结构和MIS的漏极驱动电流对比图。
图8为对比例1中相同条件下肖特基结构和MIS的栅极泄漏电流对比图。
图9为实施例2中第一层钝化层为PECVDSiO2(a)和实施例1中第一层钝化层为LPCVDSiNx(b)且mesa刻蚀后的显微镜图。
图10为实施例3中栅极金属(刻蚀帽层和势垒层)及第三层钝化层形成后器件的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
GaN-on-HRSi衬底来源：苏州晶湛半导体有限公司；所用药品来源：上海阿拉丁生化科技股份有限公司和百灵威科技有限公司等。所有药品未进行二次提纯，均在合成过程和器件的制备过程中直接使用。
实施例1
本实施例提供一种硅基氮化镓微波器件的制备方法，具体步骤如下：
(1)选取GaN-on-HRSi衬底，衬底由下至上依次包括高阻硅基衬底、缓冲层(掺杂C或者Fe)、沟道层、间隔层、势垒层、帽层。对衬底进行有机清洗、无机清洗等预处理。
(2)在衬底上通过LPCVD在780℃下沉积约50nm厚的SiNx作为钝化层；对器件进行光刻、显影、RIE刻蚀，将源漏区域暴露出来，随后对源漏区域进行ICP刻蚀，ICP刻蚀采用的条件如下：气氛为Cl2/N2/O2:40/10/5sccm，腔体温度为20℃，腔体压强为10mTorr，ICP功率150W，RF功率150W，刻蚀时间为3分钟，仅保留1nmAlGaN势垒层，形成凹槽；对器件进行电子束蒸镀，沉积Ti/Al/Ni/Au：20/120/50/100nm，将器件浸泡在有机溶剂中12h以上，用针筒吸取有机溶剂冲洗器件表面，即可实现金属剥离；将器件在快速退火炉中退火30s，温度调至870℃，腔体气氛为N2。
(3)对器件进行光刻、显影、ICP刻蚀，刻蚀深度约200nm。
(4)在器件表面进行PECVD，沉积150nmSiO2；PECVD条件如下：腔体温度为350℃，气氛为SiH4/N2/N2O；对器件进行光刻、显影、RIE刻蚀，将栅极区域上方的钝化层完全刻蚀掉；在器件表面再次进行ICP刻蚀，刻蚀条件与(2)中刻蚀条件相同，得到栅槽，随后进行ALD，ALD中进行NH3plasma 75W 200℃进行20周期处理，沉积双层栅介质，3nmAlN、7nmAl2O3，随后采用磁控溅射的方法，沉积20nmTiN，采用常规工艺沉积TiN即可，TiN的沉积条件对器件性能影响不大，但一定要沉积该层TiN，否则栅极介质将在后续工艺中受损，增大栅极漏电、降低击穿电压；对器件进行光刻、显影，随后进行电子束蒸镀金属，电子束蒸镀速率维持在
在此速率下，蒸镀上的金属较为致密，且能兼顾蒸镀速率，腔体真空度越小越好，实验中腔体真空度高于10-5Pa，沉积出的电极已满足器件要求，Ni/Au：30/50nm，将器件浸泡在有机溶剂中12h以上，用针筒吸取有机溶剂冲洗器件表面，实现金属剥离；采用湿法腐蚀掉TiN、AlN、Al2O3。
(5)在器件表面PECVD，沉积200nmSiO2，条件与(4)中沉积条件相同，随后在快速退火炉中退火1min，温度调至500℃，腔体气氛为O2；对器件进行光刻、显影、RIE刻蚀，为连线位置打通孔，随后将器件浸泡在有机溶剂中12h以上；对器件进行磁控溅射厚金属，Ti/Al：20/1000nm；对器件进行光刻、显影，随后进行金属干法刻蚀，完成连线；
(6)在器件表面PECVD，沉积500nmSiO2，条件与(4)、(5)中相同，对器件进行光刻、显影，随后进行RIE刻蚀，将引线孔留出。
本实施例制备得到的硅基氮化镓微波器件的比接触电阻率，测量仪器为安捷伦探针台1505A，测试条件为在TLM结构中相邻的两个测试结构上扎针并施加1V电压，测得此时电流值，并由此计算出相邻测试结构间的电阻值，随后推算出比接触电阻值(过程如下
通过测量不同间距相邻两个电极之间的总电阻RT，绘制RT与测试结构间距l的关系图，图中直线的斜率为RSH/WC，WC为测试结构的宽度，本例中测试结构长宽均为75μm，绘制的直线与RT轴的截距为2RC，绘制的直线与l轴的截距为2LT，通过绘制出的直线可得到RSH、WC，WC已知，可达到RSH，结合由截距得到的LT，即可推算出比接触电阻)，比接触电阻率为3.25*10-5Ω*cm2，在栅压等于-3V时，栅极漏电为2.42*10-6A，测试仪器同上，测试时将源极接地，漏极接5V电压，栅极施加-5～2V电压，栅极关断后的最小电流即为栅极漏电。
实施例2
将实施例1步骤(2)中第一层钝化层由LPCVDSiNx替换为PECVDSiO2，其余均与实施例1相同，得到硅基氮化镓微波器件，测得的欧姆接触电阻比接触电阻率(与实施例1测试条件相同)为5.57*10-5Ω*cm2，增大为原来的1.7倍，且欧姆接触金属边缘粗糙，向四周扩散现象更明显。图9为第一层钝化层分别为PECVDSiO2(a)和LPCVDSiNx(b)且mesa刻蚀后的显微镜图，可观测到前者的边缘更加粗糙且金属扩散现象更为明显。
实施例3
将实施例1步骤(4)中刻蚀第一层钝化层、第二层钝化层改变为刻蚀第一层钝化层、第二层钝化层、帽层、势垒层，其余均与实施例1相同，得到硅基氮化镓微波器件，预估将使器件的阈值电压明显正向偏移，甚至有可能达到正值，可以提高器件工作的稳定性并且减少非工作状态下的功耗。
对比例1
若采用传统的肖特基栅极结构，即在实施例1步骤(4)中刻蚀第一层钝化层、第二层钝化层或刻蚀第一层钝化层、第二层钝化层、帽层、势垒层后直接通过电子束蒸镀的方法沉积栅极金属，不进行ALD沉积双层栅介质，其余条件均与实施例1相同，得到硅基氮化镓微波器件，相同条件下，栅极泄漏电流(与实施例1测试条件相同)将明显比MIS结构(是指实施例1得到的硅基氮化镓微波器件)大2～5个数量级(见图7(是对应肖特基栅极结构中刻蚀第一层钝化层、第二层钝化层))，并且在相同栅极偏压下，MIS肖特基结构漏极驱动电流(测试仪器同上，源极接地，栅极加压2V，漏极加压5V，此时漏极电流为漏极驱动电流)明显大于肖特基结构的(见图8(是对应肖特基栅极结构中刻蚀第一层钝化层、第二层钝化层))，本发明高出一个数量级。
Claims (8)
1.一种硅基氮化镓微波器件的制备方法，包括：
(1)将衬底预处理，然后在衬底上沉积第一层钝化层，其中衬底由下至上依次包括高阻硅基衬底、缓冲层、沟道层、间隔层、势垒层、帽层；
(2)对第一层钝化层进行刻蚀，形成凹槽，将源极和漏极欧姆接触金属沉积到凹槽内，将多余的金属从器件上剥离出去，并退火形成欧姆接触；
(3)对器件进行光刻、显影、刻蚀，刻蚀深度要求进入沟道区不小于150nm且不大于250nm；
(4)在第一层钝化层及欧姆接触上进行第二层钝化层的淀积，随后对第一层钝化层和第二层钝化层进行刻蚀或者对第一层钝化层、第二层钝化层、帽层和势垒层进行刻蚀，在刻蚀出栅槽的氮化镓帽层或者氮化镓势垒层进行预处理，然后沉积栅极金属；所述预处理为：在ALD中先用NH3进行等离子体处理，随后通过ALD沉积2-4nmAlN、6-8nmAl2O3，然后采用磁控溅射的方法沉积18-22nmTiN；
(5)在器件表面沉积第三层钝化层，退火，然后刻蚀，沉积加厚金属，将多余的金属从器件上剥离掉；
(6)加厚电极后沉积第四层钝化层覆盖在电极金属上，将需要制版连线部位上的钝化层刻蚀，漏出加厚金属，并制备连线。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤(1)中第一层钝化层材料包括SiO2或者SiNx；第一层钝化层厚度为30-80nm；沉积方法为LPCVD。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤(2)中欧姆接触金属包括Ti、Al、Ni、Au中的至少一种；沉积方法为电子束蒸镀，退火温度为不低于850℃。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤(2)中凹槽刻蚀需要刻蚀掉绝大部分AlGaN势垒层，仅保留1～5nmAlGaN势垒层。
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤(4)中第二层钝化层材料包括SiO2或者SiNx；第二层钝化层的淀积方法为PECVD；栅极金属包括Ni和Au；栅极金属的宽度不小于1.5μm；栅极金属沉积方法为电子束蒸镀。
6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤(5)中第三层钝化层材料包括SiO2或者SiNx；第三层钝化层沉积方法为PECVD；加厚金属为Ti、Al、Ni、Au中的至少一种；加厚金属沉积方法为电子束蒸镀或磁控溅射。
7.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤(6)中第四层钝化层材料包括SiO2或者SiNx；第四层钝化层沉积方法为PECVD。
8.一种如权利要求1所述方法制备得到的硅基氮化镓微波器件。
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