CN112993032A - 漏极阶梯场板结构射频hemt器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种漏极阶梯场板结构射频HEMT器件及其制备方法，该器件包括依次层叠于衬底上的背势垒层、沟道层和势垒层，源极、p型区域以及漏极间隔设置于势垒层表面的第一钝化层中，第一水平漏场板沿漏极的部分表面延伸靠近p型区域；栅极设置于p型区域的表面；第二水平漏场板沿第一水平漏场板的部分表面延伸靠近栅极；第一垂直漏场板自势垒层延伸至背势垒层中；第二垂直漏场板沿第一垂直漏场板下表面侧向衬底方向延伸；第三垂直漏场板沿第二垂直漏场板下表面侧向衬底方向延伸；本发明具有阶梯状漏场板结构射频HEMT器件能够保持器件的导通电阻不变，相比于传统的HEMT，本发明的器件结构具有更小的栅漏电容，表现出更高的截止频率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，具体涉及一种漏极阶梯场板结构射频HEMT器件及其制备方法。
背景技术
AlGaN/GaN所形成的异质结因带隙不同为载流子提供通道，形成具有高迁移率的二维电子气。同时，由于GaN具有的较大能隙，使得此材料具有高击穿电场。因为沟道内载流子的高饱和速率，GaN材料的器件能够适应极高频率场景下的应用。
场板结构的优化能够改变HEMT器件的电场分布，使得器件表面的电场分布更加均匀。但通常场板结构的改变会伴随着导通电压的变化，如何在不改变导通电压的情况下，通过场板来控制电场的变化，使得栅漏之间的电容值减小，达到器件在射频方面的提升，是本发明亟待解决的问题之一。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种具有水平漏场板和垂直漏场板结合的阶梯状漏场板的射频HEMT器件，通过垂直漏场板的设置调节沟道层和背势垒层内部的电场分布，使漏极的峰值电场降低从而小幅提高击穿电压，同时水平场板可以使漏极峰值电压左移，使得沟道处电压分布更加均匀，从而大幅提高击穿场强。本发明的射频HEMT器件能够保持器件的导通电阻不变，相比于传统的无场板HEMT、单水平场板HEMT，阶梯型双场板结构的HEMT，本发明的器件结构有更小的栅漏电容，因此表现出更高的截止频率。本发明至少提供如下方案：
漏极阶梯场板结构射频HEMT器件，包括：衬底、依次层叠于衬底上的AlGaN背势垒层、GaN沟道层和AlGaN势垒层，源极、p型GaN区域以及漏极设置于所述AlGaN势垒层的表面，源极与p型GaN区域之间，以及p型GaN区域与漏极之间设置有第一钝化层；所述第一钝化层中，第一水平漏场板沿所述漏极远离所述AlGaN势垒层的部分表面延伸靠近所述p型GaN区域；栅极设置于所述p型GaN区域远离所述AlGaN势垒层的表面；第二水平漏场板沿所述第一水平漏场板远离所述漏极的部分表面延伸靠近所述栅极；第二钝化层覆盖于所述源极、第一钝化层、栅极、第二水平漏场板、以及部分第一水平漏场板的表面；
第一垂直漏场板自所述AlGaN势垒层延伸至所述AlGaN背势垒层中；第二垂直漏场板沿所述第一垂直漏场板朝向衬底一侧向所述衬底方向延伸；第三垂直漏场板沿所述第二垂直漏场板朝向衬底一侧向所述衬底方向延伸；其中，所述第一垂直漏场板的宽度、所述第二垂直漏场板的宽度以及所述第三垂直漏场板的宽度依次沿漏极指向源极的方向减小。
所述第一垂直漏场板与所述AlGaN势垒层和所述GaN沟道层之间设置有CBL沟道阻挡层。所述p型GaN区域靠近所述源极。
所述第一垂直漏场板靠近所述漏极的表面设置一化合物层；所述第二垂直漏场板靠近所述第一垂直漏场板的表面设置一化合物层；所述第三垂直漏场板靠近所述第二垂直漏场板的表面设置一化合物层。
所述第一垂直漏场板的宽度与所述第二垂直漏场板的宽度之差优选0.1μm；所述第二垂直漏场板的宽度与所述第三垂直漏场板的宽度之差优选0.1μm。所述AlGaN背势垒层的Al组分优选0.05，所述AlGaN势垒层的Al组分优选0.22。所述沟道阻挡层优选SiO2。
本发明还提供一种漏极阶梯场板结构射频HEMT器件的制备方法，包括以下步骤：
在衬底上依次外延生长AlGaN背势垒层、GaN沟道层和AlGaN势垒层；
在所述AlGaN势垒层上沉积第一掩膜层，刻蚀所述第一掩膜层的预定区域形成第一预定图案，刻蚀所述AlGaN势垒层和所述GaN沟道层至所述AlGaN背势垒层表面，形成所述第一预定图案，在所述第一预定图案中沉积钝化层；
过刻蚀该钝化层至AlGaN背势垒层中一定深度形成第二预定图案，相较于第一预定图案，该第二预定图案的宽度沿漏极指向源极的方向上减小；
在该第二预定图案中沉积预定厚度的第一金属层，快速退火后在该第一金属层的表面形成第一化合物薄膜层；
沉积钝化层，刻蚀钝化层至所述第一化合物薄膜层的表面形成第三预定图案，相较于第二预定图案，该第三预定图案的宽度沿漏极指向源极的方向上增大；
在该第三预定图案中沉积预定厚度的第二金属层，快速退火后在该第二金属层的表面形成第二化合物薄膜层；
沉积钝化层，刻蚀钝化层至所述第二化合物薄膜层的表面形成第四预定图案，相较于第三预定图案，该第四预定图案的宽度沿漏极指向源极的方向上增大；
在该第四预定图案中沉积预定厚度的第三金属层，快速退火后在该第三金属层的表面形成第三化合物薄膜层，形成阶梯状的场板结构；
在AlGaN势垒层上沉积钝化层，刻蚀钝化层依次间隔形成源极窗口、p型生长区域以及漏极窗口；
在所述源极窗口和所述漏极窗口沉积金属薄膜形成源极和漏极，在所述p型生长区域生长p型GaN层，之后在所述p型GaN层表面沉积栅极金属层；
刻蚀所述漏极上方的钝化层形成第一水平漏场板窗口，在该窗口沉积金属层形成第一水平漏场板，该第一水平漏场板自漏极的部分表面延伸靠近p型GaN层；
刻蚀所述第一水平漏场板上方的钝化层形成第二水平漏场板窗口，在该窗口沉积金属层形成第二水平漏场板，该第二水平漏场板自第一水平漏场板的部分表面延伸靠近栅极；
沉积钝化层覆盖器件表面。
进一步的，所述第一预定图案的宽度大于所述第四预定图案。
进一步的，所述p型GaN区域靠近所述源极。
附图说明
图1是本发明一实施例的漏极阶梯场板结构射频HEMT器件的剖面结构示意图。
具体实施方式
接下来将结合本发明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，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的前提下所获得的其它实施例，均属于本发明保护的范围。值得指出的是，本发明中的宽度是指源极指向漏极或者漏极指向源极的方向。
下面来对本发明做进一步详细的说明。本发明提供一种漏极阶梯场板结构射频HEMT器件，参见图1，其包括衬底1，依次层叠于衬底1上的AlGaN背势垒层2、GaN沟道层5和AlGaN势垒层7。在一实施例中，衬底1优选硅衬底。AlGaN背势垒层2中Al的组分优选0.05，其厚度优选2μm。GaN沟道层的厚度优选35nm。AlGaN势垒层7中Al的组分优选0.22。
源极9、p型GaN区域8以及漏极11间隔分布于AlGaN势垒层7的表面，p型GaN区域8靠近源极9一侧，位于源极9和漏极11之间。源极9与p型GaN区域8之间设置有钝化层间隔，p型GaN区域8与漏极11之间设置有第一钝化层10间隔，p型GaN区域8上设置有栅极13。在第一钝化层10中，水平漏场板12-1沿漏极11的部分上表面向p型GaN区域8一侧延伸，并延伸至漏极11区域之外。水平漏场板12-2沿水平漏场板12-1的部分上表面向栅极13一侧延伸，并延伸至水平漏场板12-1区域之外。水平漏场板12-1、水平漏场板12-2和漏极11构成阶梯状结构。该水平漏场板的设置可以使得漏极峰值电压左移，使得沟道处电压分布更加均匀，从而大幅提高击穿场强。
钝化层14覆盖于源极9、第一钝化层10、栅极13、水平漏场板12-1以及部分水平漏场板12-2的表面。垂直漏场板3-3、3-2以及3-1沿漏极的下表面一侧，自AlGaN势垒层7延伸至AlGaN背势垒层2中，整体上呈下缩式的阶梯状。该下缩式的阶梯状垂直场板调节沟道层和背势垒层内部的电场分布，使得漏极的峰值电场降低，从而小幅提高击穿电压。具体结构如图1所示，垂直漏场板3-3沿漏极的下表面一侧，自AlGaN势垒层7延伸至AlGaN背势垒层2中，AlGaN势垒层7的端面与垂直漏场板3-3之间，以及GaN沟道层5的端面与垂直漏场板3-3之间设置有CBL沟道阻挡层6。CBL沟道阻挡层6优选二氧化硅。垂直漏场板3-3的表面设置有一化合物层，用以隔离漏场板和漏电极。垂直漏场板3-3的宽度小于漏极11的宽度。相较于垂直漏场板3-3，垂直漏场板3-2的宽度自漏极指向源极方向减小，优选地，减小幅度为0.1μm。相较于垂直漏场板3-2，垂直漏场板3-1的宽度自漏极指向源极方向减小，优选地，减小幅度为0.1μm。在一优选方案中，阶梯状垂直漏场板3-3、3-2及3-1向衬底方向的延伸长度均为0.2μm。在一优选的方案中，垂直漏场板3-2邻接垂直漏场板3-3的表面设置一化合物层，垂直漏场板3-1邻接垂直漏场板3-2的表面设置一化合物层。
本发明阶梯状的垂直漏场板和水平漏场板的设置能够保持HEMT器件的导通电阻不变，相比于传统的无场板HEMT、单水平场板HEMT和阶梯型双场板结构的HEMT具有更小的栅漏电容，因此表现出更高的截止频率。
基于上述漏极阶梯场板结构射频HEMT器件，本发明还提供了该射频HEMT器件的制备方法，包括以下步骤：
在衬底上依次外延生长AlGaN背势垒层、GaN沟道层和AlGaN势垒层。具体地，选用Si衬底，将Si衬底依次置于丙酮、异丙酮、氢氟酸溶液中超声清洗，之后将衬底放入双氧水和硫酸的混合溶液中浸泡，之后放入氢氟酸溶液中浸泡后，用去离子水冲洗，氮气吹干。
选用金属有机化学气相沉积(MOCVD)工艺在清洗后的硅衬底上生长Al原子层，在衬底温度为960℃，反应室压力为50torr时通入流速为250sccm的TMAl。等温度降低为860℃，调整反应室压力至100torr，通入流速为5slm的NH3，时长为6min。
降低衬底温度至750℃时，采用脉冲激光沉积工艺生长AlGaN薄膜。控制TMAL的流量为40sccm，同时Ga源的流量也控制在40sccm，生长Al0.05Ga0.95N背势垒层。生长厚度为2μm。
设置生长温度为920℃，在Al0.05Ga0.95N背势垒层上生长厚度为35nm的GaN层。在GaN层生长结束后，将反应腔温度保持在1100℃，反应室压力为100Torr，生长高温A1N，厚度15nm。在生长中断后，通入Ga源和Al源，控制TMAL的流量为40sccm，改变Ga源的流量为15sccm，得到Al0.22Ga0.78N势垒层。
接着在AlGaN势垒层上沉积第一掩膜层，刻蚀第一掩膜层形成MESA有源区图形，以该第一掩膜层为掩膜刻蚀Al0.22Ga0.78N势垒层和GaN沟道层至Al0.05Ga0.95N背势垒层表面，形成第一预定图案，在第一预定图案中沉积氧化硅钝化层。
沉积第二掩膜层，刻蚀第二掩膜层形成第二掩膜图案，以该掩膜图案为掩膜，过刻蚀氧化硅钝化层至AlGaN背势垒层中一定深度形成第二预定图案，相较于第一预定图案，该第二预定图案的宽度沿漏极指向源极的方向上减小。在该第二预定图案中沉积预定厚度的第一金属层，快速退火后在该第一金属层的表面形成第一化合物薄膜层。
移除该第二掩膜层，接着沉积钝化层，之后沉积第三掩膜层，刻蚀第三掩膜层形成第三掩膜图案，以该掩膜图案为掩膜，刻蚀钝化层至第一化合物薄膜层的表面，形成第三预定图案，该第三预定图案的宽度大于第二预定图案的宽度。在该第三预定图案中沉积预定厚度的第二金属层，快速退火后在该第二金属层的表面形成第二化合物薄膜层。
移除第三掩膜层，接着沉积钝化层，之后沉积第四掩膜层，刻蚀第四掩膜层形成第四掩膜图案，以该掩膜图案为掩膜，刻蚀钝化层至第二化合物薄膜层的表面形成第四预定图案，该第四预定图案的宽度大于第三预定图案的宽度。在该第四预定图案中沉积预定厚度的第三金属层，快速退火后在该第三金属层的表面形成第三化合物薄膜层。第四预定图案的宽度小于第一预定图案的宽度。第一金属层、第二金属层和第三金属层形成阶梯状的场板结构。第三金属层与AlGaN势垒层和GaN沟道层的端面之间间隔钝化层，该实施例中，钝化层优选氧化硅。
在AlGaN势垒层上沉积钝化层，刻蚀钝化层形成依次间隔排列的源极窗口、p型生长区域以及漏极窗口。p型生长区域靠近源极窗口，位于源极窗口和漏极窗口之间。漏极窗口自第三金属层区域延伸至AlGaN势垒层表面。该实施例中，p型生长区域的厚度优选110nm，其长度优选0.5μm。
在源极窗口和漏极窗口分别沉积预定厚度的金属薄膜形成源极和漏极。在p型生长区域生长p型GaN层，p型掺杂浓度优选3×1017。
之后在p型GaN层表面沉积栅极金属层。栅极金属层优选Ni/Au复合层。
沉积掩膜层，刻蚀形成第一水平漏场板窗口，在该窗口中沉积金属层形成第一水平漏场板，该第一水平漏场板自漏极的部分表面延伸靠近p型GaN区域。第一水平漏场板的上表面与p型GaN区域的上表面齐平。去除掩膜层，沉积钝化层。
刻蚀所述第一水平漏场板上方的钝化层形成第二水平漏场板窗口，在该窗口沉积金属层形成第二水平漏场板，该第二水平漏场板自第一水平漏场板的部分表面延伸靠近栅极。第一水平漏场板、第二水平漏场板以及漏极形成水平方向的阶梯状结构。
最后选用PECVD工艺在整个器件上淀积钝化层覆盖器件表面。该钝化层优选Si3N4厚度优选20μm。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.漏极阶梯场板结构射频HEMT器件，其特征在于，包括：衬底、依次层叠于衬底上的AlGaN背势垒层、GaN沟道层和AlGaN势垒层，源极、p型GaN区域以及漏极设置于所述AlGaN势垒层的表面，源极与p型GaN区域之间，以及p型GaN区域与漏极之间设置有第一钝化层；
所述第一钝化层中，第一水平漏场板沿所述漏极远离所述AlGaN势垒层的部分表面延伸靠近所述p型GaN区域；
栅极设置于所述p型GaN区域远离所述AlGaN势垒层的表面；
第二水平漏场板沿所述第一水平漏场板远离所述漏极的部分表面延伸靠近所述栅极；
第二钝化层覆盖于所述源极、第一钝化层、栅极、第二水平漏场板、以及部分第一水平漏场板的表面；
第一垂直漏场板自所述AlGaN势垒层延伸至所述AlGaN背势垒层中；第二垂直漏场板沿所述第一垂直漏场板朝向衬底一侧向所述衬底方向延伸；第三垂直漏场板沿所述第二垂直漏场板朝向衬底一侧向所述衬底方向延伸；其中，所述第一垂直漏场板的宽度、所述第二垂直漏场板的宽度以及所述第三垂直漏场板的宽度依次沿漏极指向源极的方向减小。
2.根据权利要求1的所述射频HEMT器件，其特征在于，所述第一垂直漏场板与所述AlGaN势垒层和所述GaN沟道层之间设置有CBL沟道阻挡层。
3.根据权利要求1的所述射频HEMT器件，其特征在于，所述p型GaN区域靠近所述源极。
4.根据权利要求1的所述射频HEMT器件，其特征在于，所述第一垂直漏场板靠近所述漏极的表面设置一化合物层；所述第二垂直漏场板靠近所述第一垂直漏场板的表面设置一化合物层；所述第三垂直漏场板靠近所述第二垂直漏场板的表面设置一化合物层。
5.根据权利要求1的所述射频HEMT器件，其特征在于，所述第一垂直漏场板的宽度与所述第二垂直漏场板的宽度之差优选0.1μm；所述第二垂直漏场板的宽度与所述第三垂直漏场板的宽度之差优选0.1μm。
6.根据权利要求1的所述射频HEMT器件，其特征在于，所述AlGaN背势垒层的Al组分优选0.05，所述AlGaN势垒层的Al组分优选0.22。
7.根据权利要求1的所述射频HEMT器件，其特征在于，所述沟道阻挡层优选SiO2。
8.漏极阶梯场板结构射频HEMT器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在衬底上依次外延生长AlGaN背势垒层、GaN沟道层和AlGaN势垒层；
在所述AlGaN势垒层上沉积第一掩膜层，刻蚀所述第一掩膜层的预定区域形成第一预定图案，刻蚀所述AlGaN势垒层和所述GaN沟道层至所述AlGaN背势垒层表面，形成所述第一预定图案，在所述第一预定图案中沉积钝化层；
过刻蚀该钝化层至AlGaN背势垒层中一定深度形成第二预定图案，相较于第一预定图案，该第二预定图案的宽度沿漏极指向源极的方向上减小；
在该第二预定图案中沉积预定厚度的第一金属层，快速退火后在该第一金属层的表面形成第一化合物薄膜层；
沉积钝化层，刻蚀钝化层至所述第一化合物薄膜层的表面形成第三预定图案，相较于第二预定图案，该第三预定图案的宽度沿漏极指向源极的方向上增大；
在该第三预定图案中沉积预定厚度的第二金属层，快速退火后在该第二金属层的表面形成第二化合物薄膜层；
沉积钝化层，刻蚀钝化层至所述第二化合物薄膜层的表面形成第四预定图案，相较于第三预定图案，该第四预定图案的宽度沿漏极指向源极的方向上增大；
在该第四预定图案中沉积预定厚度的第三金属层，快速退火后在该第三金属层的表面形成第三化合物薄膜层，形成阶梯状的场板结构；
在AlGaN势垒层上沉积钝化层，刻蚀钝化层依次间隔形成源极窗口、p型生长区域以及漏极窗口；
在所述源极窗口和所述漏极窗口沉积金属薄膜形成源极和漏极，在所述p型生长区域生长p型GaN层，之后在所述p型GaN层表面沉积栅极金属层；
刻蚀所述漏极上方的钝化层形成第一水平漏场板窗口，在该窗口沉积金属层形成第一水平漏场板，该第一水平漏场板自漏极的部分表面延伸靠近p型GaN层；
刻蚀所述第一水平漏场板上方的钝化层形成第二水平漏场板窗口，在该窗口沉积金属层形成第二水平漏场板，该第二水平漏场板自第一水平漏场板的部分表面延伸靠近栅极；
沉积钝化层覆盖器件表面。
9.根据权利要求8的所述制备方法，其特征在于，所述第一预定图案的宽度大于所述第四预定图案。
10.根据权利要求8或9的所述制备方法，其特征在于，所述p型GaN区域靠近所述源极。
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