CN113380884B - 一种hemt器件的栅极、hemt器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种HEMT器件的栅极、HEMT器件及其制备方法，所述HEMT器件的栅极包括：栅脚，所述栅脚位于HEMT器件的源极与漏极之间，所述栅脚至少是两排；栅帽，所述栅帽位于所述栅脚上方，并与所述栅脚连接。本发明提供的栅极包括至少两排栅脚，增加了栅极下方沟道内的电子散射路径，降低了电子能量，减少了热电子数量，抑制了热载流子效应，提高了HEMT器件的线性度。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，涉及一种HEMT器件的栅极、HEMT器件及其制备方法。
背景技术
HEMT，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、二维电子气场效应晶体管、选择掺杂异质结晶体管等。
HEMT的基本结构就是一个调制掺杂异质结。高迁移率的二维电子气(2-DEG)存在于调制掺杂的异质结中，这种2-DEG不仅迁移率很高，而且在极低温度下也不“冻结”，则HEMT有很好的低温性能，可用于低温研究工作。
GaN材料由于具有高迁移率、高电子饱和速度和高临界击穿场强等优越性能，在高频、高压、大功率领域得到了广泛的应用。其中，在射频领域，随着通信技术的发展，以及5G通信基础设施的大量建设，对GaN基HEMT器件的需求急剧增长。
GaN基HEMT器件在实际应用中存在以下两个问题：
(1)频率的进一步提高受到器件结构的限制，射频器件的频率特性主要包含两个指标：截止频率和最大振荡频率。提高工作频率的最直接方法是降低栅极长度，而缩小栅极长度会使得栅极的横截面积变小，增大栅极电阻，从而限制了频率的进一步提高。
(2)热电子效应引起的可靠性问题，热电子效应是指当器件在典型的操作条件下时，由于较高的漏极电压，靠近漏极一侧的栅极边缘存在高峰值电场，导致栅极下沟道中的电子加速获得高动能，使之溢出AlGaN/GaN势阱成为高动能的热电子。其中部分热电子被表面或AlGaN势垒层、GaN缓冲层中的陷阱或缺陷俘获，造成沟道中二维电子气浓度减少；同时热电子也会与晶格发生碰撞造成晶格缺陷，主要是沟道附近的AlGaN势垒层及GaN缓冲层晶格破坏，造成阈值电压漂移、漏电增加、耐击穿特性降低等后果。
为了解决以上两个问题，不同结构的GaN基HEMT器件被提出，其中，T型栅结构应用最为广泛，该结构通过增加栅极顶部的宽度来提升器件性能，一方面增加了栅极的横截面积从而降低了栅极电阻，另一方面，T型栅形成的场板降低了靠近漏极一侧的栅极边缘电场强度，从而改善了热电子效应。
CN102437182A公开了一种SiO2/SiN双层钝化T型栅AlGaN/GaN基HEMT，包括：一衬底，在衬底上依次生长GaN缓冲层、GaN本征层和AlGaN势垒层；源漏电极，该源漏电极制作在势垒层上面的两侧；一下钝化层，制作在源漏电极之间及势垒层的上面；一上钝化层，制作在源漏电极之间及下钝化层的上面；其中该下钝化层和上钝化层的中间有一条形栅槽；一栅电极，其断面为T形，制作在该下钝化层和上钝化层的条形栅槽内，栅电极上部高于上钝化层的表面。
CN105428236A公开了一种GaN-HEMT射频器件及其栅极自对准制备方法，包括以下步骤：材料结构从下到上包括半绝缘SiC衬底、AlGaN背势垒层、GaN沟道层、AlN插入层、InAlN势垒层；有源区台面隔离；临时栅脚制作；栅脚边墙制作；二次外延区域刻蚀；n+GaN二次外延；源漏极欧姆接触制作；表面平坦化；临时栅脚保形移除；T形栅制作。
CN104393037A公开了一种亚微米栅长GaN-HEMT器件及其制备方法，包括半导体层以及位于半导体层上的栅极、源极和漏极。所述栅极包括栅帽和栅足；所述栅足由多层金属组成，其中以靠近所述半导体层为下方向，该多层金属中每一层的厚度由上往下递减。
但目前的T型栅结构仍无法达到理想要求，因此仍需对栅结构进行改进。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种HEMT器件的栅极、HEMT器件及其制备方法，本发明提供的栅极包括至少两排栅脚，增加了栅极下方沟道内的电子散射路径，降低了电子能量，减少了热电子数量，抑制了热载流子效应，提高了HEMT器件的线性度。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种HEMT器件的栅极，所述HEMT器件的栅极包括：
栅脚，所述栅脚位于HEMT器件的源极与漏极之间，所述栅脚至少是两排；
栅帽，所述栅帽位于所述栅脚上方，并与所述栅脚连接。
本发明提供的栅极包括至少两排栅脚，增加了栅极下方沟道内的电子散射路径，降低了电子能量，减少了热电子数量，抑制了热载流子效应，提高了HEMT器件的线性度。
作为本发明一种优选的技术方案，至少一排栅脚为间断结构。
需要说明的是，间断结构是与连续结构相对的概念，是指由若干个间隔设置的栅脚单体按照一字排布，从而形成了如虚线形式的间断结构，每一个栅脚单体的长度可以相等也可以不等，相邻两个栅脚单体的距离相同或不同。本发明设置间断结构的栅脚的原因在于，栅脚之间的介质可以被腐蚀液去除，使得栅脚之间的空隙由空气填充。
作为本发明一种优选的技术方案，相邻的栅脚之间是空气。
目前已提出的П形结构栅极中，两排栅脚之间填充的是介质层，由于两根长栅极金属的环绕，栅脚之间的介质很难被去除。而本发明提供的栅极结构，通过虚线状的栅脚，可以快速有效的去除两条栅脚之间的介质层，从而使两排栅脚之间全部由空气填充，由于空气的介电常数最低，因此可以有效降低栅极电容Cg，从而提升器件的频率特性。并且保留了П型栅原有的抑制热电子效应，高线性度的优良特性。
第二方面，本发明提供了一种基于第一方面所述的栅极的HEMT器件，所述的HEMT器件包括：
衬底；
外延层，所述外延层位于所述衬底上方；
第一介质层，所述介质层位于所述外延层上方，所述第一介质层两侧是源极与漏极，所述源极与漏极均与外延层接触；
栅极，所述栅极位于源极与漏极之间，所述栅极包括栅脚和栅帽，所述栅脚至少是两排，相邻栅脚之间是空气。
需要说明的是，外延层靠近第一介质层的一侧还包括势垒层，势垒层材料可以为AlGaN、InAlGaN或InGaN材料，势垒层与GaN外延层之间通过应力作用形成二维电子气结构，该结构作为HEMT器件导通时的导电层。势垒层与GaN外延层可以根据实际设计进行排序，形成背势垒层、双沟道或多沟道结构。栅极中栅脚底面可以与势垒层表面直接接触，栅脚与势垒层之间可以形成肖特基栅结构；栅脚也可以通过与势垒层上部的第一介质层接触，形成MIS结构栅极；或者一排栅脚为肖特基栅结构，另一排栅脚为MIS栅结构。
作为本发明一种优选的技术方案，所述的衬底采用的材料包括蓝宝石、碳化硅、硅、氮化镓或金刚石。
第三方面，本发明提供了一种第二方面所述的HEMT器件的制备方法，所述的制备方法包括：
提供衬底，在所述衬底表面依次生长外延层和第一介质层；
在所述第一介质层两侧边缘分别形成源极和漏极，所述源极和漏极均与所述外延层接触，并形成欧姆接触；
在所述源极和漏极之间刻蚀第一介质层以形成条形栅槽，在刻蚀后的器件上方进行光刻，以在条形栅槽中间形成支撑物质；
对光刻后的器件蒸镀和剥离以获得栅极；
注入腐蚀液去除相邻栅脚之间的支撑物质，以获得所述的HEMT器件。
在本发明中，至少有一排栅脚为虚线形式的间断结构，使得腐蚀溶液通过栅脚之间的空隙进入两排栅脚之间，进而去除相邻两排栅脚之间的支撑物质。本发明所提供的制备方法，在现有常规工艺流程基础上稍加改善，不需要更改设备或开发新工艺，可行性和可重复性高。
作为本发明一种优选的技术方案，所述的栅极包括栅脚和栅帽，所述栅脚至少是两排，其中至少一排栅脚为间断结构。
需要说明的是，本发明的主要发明点在于去除了目前П形结构栅极中两片栅脚之间填充的支撑物质，因此本发明所要保护的制备方法也主要针对栅极的成型过程，对于HEMT器件中其他各层的制备过程不作具体要求和特殊限定。
作为本发明一种优选的技术方案，所述支撑物质是光刻胶，光刻过程包括：
在器件上方涂布光刻胶；
对涂布后的器件进行曝光、显影，以在条形栅槽中间形成支撑物质。
作为本发明一种优选的技术方案，所述支撑物质是介质层，光刻过程包括：
在器件上方生长第二介质层；
在第二介质层上方涂布光刻胶；
对涂布后的器件进行曝光、显影、刻蚀第二介质层，以在条形栅槽中间形成支撑物质。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明提供的栅极包括至少两排栅脚，增加了栅极下方沟道内的电子散射路径，降低了电子能量，减少了热电子数量，抑制了热载流子效应，提高了HEMT器件的线性度。
(2)本发明提供的栅极去除了相邻两条栅脚之间的介质层，两条栅脚之间全部填充空气，由于空气的介电常数最低，因此有效降低栅极电容Cg，从而提升器件的频率特性。并且保留了П型栅原有的抑制热电子效应，高线性度的优良特性。
附图说明
图1为本发明对比例1提供的HEMT器件的结构示意图；
图2为本发明实施例1和实施例2中步骤(1)的制备过程图；
图3为本发明实施例1和实施例2中步骤(1)的制备过程图；
图4为本发明实施例1和实施例2中步骤(2)的制备过程图；
图5为本发明实施例2中步骤(3)的制备过程图；
图6为本发明实施例2中步骤(5)的制备过程图；
图7为本发明实施例2中步骤(6)的制备过程图；
图8为本发明一个具体实施方式提供的HEMT器件的俯视示意图；
图9为本发明实施例2中步骤(3)的制备过程图；
图10为本发明实施例2中步骤(4)的制备过程图；
图11为本发明实施例2中步骤(5)的制备过程图；
图12为本发明实施例2中步骤(6)的制备过程图；
其中，1-衬底；2-外延层；3-第一介质层；4-T形栅极；5-源极；6-漏极；7-栅极。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
在一个具体实施方式中，本发明提供了一种HEMT器件，所述的HEMT器件包括：
衬底1；
外延层2，所述外延层2位于所述衬底1上方；
第一介质层3，所述第一介质层3位于所述外延层2上方，所述第一介质层3两侧是源极5与漏极6，所述源极5与漏极6均与外延层2接触；
栅极7，所述栅极7位于源极5与漏极6之间，所述栅极7包括栅脚和栅帽，栅帽位于所述栅脚上方，并与所述栅脚连接。其中，栅脚具体如下特征：
(1)栅脚至少是两排，多排栅脚增加了栅极7下方沟道内的电子散射路径，降低了电子能量，减少了热电子数量，抑制了热载流子效应，提高了HEMT器件的线性度。
(2)相邻栅脚之间是空气，由于空气的介电常数最低，因此可以有效降低栅极电容Cg，既可以抑制热电子效应，又可以提高器件的线性度，能够在有效控制栅极电阻的同时保证较小的栅极电容，有助于提升器件的频率特性。
(3)如图8所示，至少一排栅脚为间断结构，间断结构是与连续结构相对的概念，是指由若干个间隔设置的栅脚单体按照一字排布，从而形成了如虚线形式的间断结构，每一个栅脚单体的长度可以相等也可以不等，相邻两个栅脚单体的距离相同或不同。本发明设置间断结构的栅脚的原因在于，在刻蚀过程中，腐蚀液可以通过间断结构的栅脚进入两排栅脚之间，从而腐蚀去除两排栅脚之间的支撑物质。
进一步地，外延层2靠近第一介质层3的一侧还包括势垒层，势垒层材料可以为AlGaN、InAlGaN或InGaN材料，势垒层与GaN外延层2之间通过应力作用形成二维电子气结构，该结构作为HEMT器件导通时的导电层。势垒层与GaN外延层2可以根据实际设计进行排序，形成背势垒层、双沟道或多沟道结构。栅极7中的栅脚底面与势垒层表面接触，栅脚与势垒层之间可以形成肖特基栅结构，也可以形成MIS栅结构，或者一排栅脚为肖特基栅结构，另一排栅脚为MIS栅结构。
实施例1
本实施例提供了一种HEMT器件的制备方法，所述的制备方法具体包括如下步骤：
(1)如图2所示，在衬底1表面依次生长形成外延层2和第一介质层3，在第一介质层3两侧边缘分别形成欧姆接触的源极5和漏极6，源极5和漏极6均插接至外延层2内部，对第一介质层3进行表面钝化；如图3所示，对钝化后的第一介质层3进行光刻蚀形成条形栅槽，条形栅槽穿透第一介质层3，直至外延层2表面；
(2)如4图所示，在源极5、漏极6和第一介质层3表面涂覆光刻胶，所述光刻胶可为PMMA电子束光刻胶，涂覆厚度可为随后将HEMT器件置于180℃下真空烘烤2min，形成电子束胶层，当然需要说明的是涂覆也可以是其他厚度，这些方案均在本发明的保护范围；
(3)如图5所示，采用电子束对涂布的区域进行曝光，电子束的剂量可为500uC/cm2，电流可为200pA，能量可为100kV，当然需要说明的是电子束的剂量、电流和能量也可以是其他条件，这些方案均在本发明的保护范围；
(4)曝光结束后，将HEMT器件置于23℃，质量分数为2wt％的TMAH(四甲基氢氧化铵)溶液中浸泡显影45s以刻蚀形成栅脚窗口；
(5)如图6所示，可采用Ni/Au作为蒸镀料进行金属蒸镀，蒸镀金属高度可为500nm，当然蒸镀金属也可以是其他金属，这些方案均在本发明的保护范围；
(6)如图7所示，金属蒸镀淀积后进行撕金操作去除多余的金属，随后可采用NMP浸泡配合IPA喷淋进行光刻胶剥离，最终形成所述的HEMT器件。
实施例2
本实施例提供了一种HEMT器件的制备方法，所述的制备方法具体包括如下步骤：
(1)如图2所示，在衬底1表面依次生长形成外延层2和第一介质层3，在第一介质层3两侧边缘分别形成欧姆接触的源极5和漏极6，源极5和漏极6均插接至外延层2内部，对第一介质层3进行表面钝化，如图3所示，对钝化后的第一介质层3进行光刻蚀形成条形栅槽，条形栅槽穿透第一介质层3，直至外延层2表面；
(2)如图4所示，在源极5、漏极6和第一介质层3表面涂覆第一层光刻胶，所述第一层光刻胶可为PMMA电子束光刻胶，涂覆厚度可为随后将HEMT器件置于180℃下真空烘烤2min，形成第一电子束胶层，当然需要说明的是涂覆也可以是其他厚度，这些方案均在本发明的保护范围；
(3)如图9所示，采用电子束对涂覆的区域进行曝光，电子束的剂量可为500uC/cm2，电流可为200pA，能量可为100kV；曝光结束后，将HEMT器件置于23℃，质量分数可为2wt％的TMAH(四甲基氢氧化铵)溶液中浸泡显影以形成栅脚窗口，显影时间可为45s，当然需要说明的是电子束的剂量、电流和能量也可以是其他条件，这些方案均在本发明的保护范围；
(4)如图10所示，在第一电子束胶层上按照步骤(2)的涂覆方式涂覆形成第二电子束胶层，将第二掩膜板覆盖于第二电子束胶层上，采用电子束对未被第二掩膜板覆盖的区域进行曝光，电子束的剂量可为500uC/cm2，电流可为200pA，能量可为100kV；曝光结束后，将HEMT器件置于23℃，质量分数可为2wt％的TMAH(四甲基氢氧化铵)溶液中浸泡显影45s，以形成与栅帽形状相同的窗口；
(5)如图11所示，可采用Ni/Au作为蒸镀料进行金属蒸镀，蒸镀金属高度可为500nm，当然需要说明的是金属高度是可以根据实际需要调整，蒸镀金属也可以是其他金属，这些方案均在本发明的保护范围；
(6)如图12所示，金属蒸镀淀积后进行撕金操作去除多余的金属，随后采用NMP浸泡配合IPA喷淋进行光刻胶剥离，最终形成所述的HEMT器件。
实施例3
本实施例提供了一种HEMT器件的制备方法，所述的制备方法具体包括如下步骤：
(1)在衬底1表面依次生长形成外延层2和第一介质层3，在第一介质层3两侧边缘分别形成欧姆接触的源极5和漏极6，源极5和漏极6均插接至外延层2内部，对第一介质层3进行表面钝化；对钝化后的第一介质层3进行光刻蚀形成条形栅槽，条形栅槽穿透第一介质层3，直至外延层2表面；
(2)在器件上方生长第二介质层，在第二介质层表面涂覆光刻胶，所述光刻胶可为PMMA电子束光刻胶，涂覆厚度可为随后将HEMT器件置于180℃下真空烘烤2min，形成电子束胶层，当然需要说明的是涂覆也可以是其他厚度，这些方案均在本发明的保护范围；
(3)采用电子束对涂布的区域进行曝光，电子束的剂量可为500uC/cm2，电流可为200pA，能量可为100kV，当然需要说明的是电子束的剂量、电流和能量也可以是其他条件，这些方案均在本发明的保护范围；
(4)曝光结束后，将HEMT器件置于23℃，质量分数为2wt％的TMAH(四甲基氢氧化铵)溶液中浸泡显影45s；
(5)对显影后的窗口刻蚀第二介质层，以刻蚀形成栅脚窗口；
(6)可采用Ni/Au作为蒸镀料进行金属蒸镀，蒸镀金属高度可为500nm，当然蒸镀金属也可以是其他金属，这些方案均在本发明的保护范围；
(7)金属蒸镀淀积后进行撕金操作去除多余的金属，随后可采用NMP浸泡配合IPA喷淋进行光刻胶剥离，最终形成所述的HEMT器件。
对比例1
本对比例提供了一种HEMT器件，如图1所示，所述的HEMT器件包括衬底1，衬底1表面依次层叠生长形成外延层2和第一介质层3，第一介质层3的两侧边缘分别设置有源极5和漏极6，源极5和漏极6分别与第一介质层3形成欧姆接触，第一介质层3中部开设贯通介质层3的T形截面的条形栅槽，条形栅槽内嵌入T形栅极4。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (5)
1.一种HEMT器件，其特征在于，所述的HEMT器件包括：
衬底；
外延层，所述外延层位于所述衬底上方；
第一介质层，所述第一介质层位于所述外延层上方，所述第一介质层两侧是源极与漏极，所述源极与漏极均与外延层接触；
栅极，所述栅极位于源极与漏极之间，所述栅极包括栅脚和栅帽，所述栅脚至少是两排，相邻栅脚之间是空气，所述栅帽位于所述栅脚上方，并与所述栅脚连接，至少一排栅脚为间断结构，相邻两排栅脚之间填充有空气；
所述外延层靠近第一介质层的一侧还包括势垒层，至少一排的栅极中栅脚底面与势垒层表面直接接触。
2.根据权利要求1所述的HEMT器件，其特征在于，所述的衬底采用的材料包括蓝宝石、碳化硅、硅、氮化镓或金刚石。
3.一种HEMT器件的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括：
提供衬底，在所述衬底表面依次生长外延层和第一介质层；
在所述第一介质层两侧边缘分别形成源极和漏极，所述源极和漏极均与所述外延层接触，并形成欧姆接触；
在所述源极和漏极之间刻蚀第一介质层以形成条形栅槽，在刻蚀后的器件上方进行光刻，以在条形栅槽中间形成支撑物质；
对光刻后的器件蒸镀和剥离以获得栅极，所述的栅极包括栅脚和栅帽，所述栅脚至少是两排，其中至少一排栅脚为间断结构；
注入腐蚀液去除相邻栅脚之间的支撑物质，以获得所述的HEMT器件。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述支撑物质是光刻胶，光刻过程包括：
在器件上方涂布光刻胶；
对涂布后的器件进行曝光、显影，以在条形栅槽中间形成支撑物质。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述支撑物质是介质层，光刻过程包括：
在器件上方生长第二介质层；
在第二介质层上方涂布光刻胶；
对涂布后的器件进行曝光、显影、刻蚀第二介质层，以在条形栅槽中间形成支撑物质。
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