CN113437145A - 一种iii族氮化物晶体管的制备方法及晶体管 - Google Patents
一种iii族氮化物晶体管的制备方法及晶体管 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113437145A CN113437145A CN202110637757.1A CN202110637757A CN113437145A CN 113437145 A CN113437145 A CN 113437145A CN 202110637757 A CN202110637757 A CN 202110637757A CN 113437145 A CN113437145 A CN 113437145A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- device layer
- transistor
- group iii
- steps
- 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 4
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 42
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 34
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 claims abstract description 33
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims abstract description 17
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 claims description 23
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 19
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 6
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 abstract description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 201
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 description 20
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 description 16
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N nitrogen Substances N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- 239000000463 material Substances 0.000 description 11
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 7
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 7
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 7
- 238000002248 hydride vapour-phase epitaxy Methods 0.000 description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 description 6
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 5
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 5
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 5
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 4
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 4
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 4
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 4
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 4
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 4
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 3
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 3
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 3
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 3
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 3
- 238000000927 vapour-phase epitaxy Methods 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 2
- 239000012670 alkaline solution Substances 0.000 description 2
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 2
- 229910001423 beryllium ion Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 2
- -1 oxygen ions Chemical class 0.000 description 2
- 238000000623 plasma-assisted chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 2
- 230000005533 two-dimensional electron gas Effects 0.000 description 2
- XPDWGBQVDMORPB-UHFFFAOYSA-N Fluoroform Chemical compound FC(F)F XPDWGBQVDMORPB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010306 acid treatment Methods 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000002860 competitive effect Effects 0.000 description 1
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000010790 dilution Methods 0.000 description 1
- 239000012895 dilution Substances 0.000 description 1
- 238000010494 dissociation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005593 dissociations Effects 0.000 description 1
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 1
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000005566 electron beam evaporation Methods 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 238000000609 electron-beam lithography Methods 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 238000007429 general method Methods 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000002513 implantation Methods 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 229910001425 magnesium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 1
- 230000003446 memory effect Effects 0.000 description 1
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 150000002902 organometallic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. 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
- H01L29/7782—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 confinement of carriers by at least two heterojunctions, e.g. DHHEMT, quantum well HEMT, DHMODFET
- H01L29/7783—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 confinement of carriers by at least two heterojunctions, e.g. DHHEMT, quantum well HEMT, DHMODFET using III-V semiconductor material
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/06—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
- H01L29/0603—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/06—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
- H01L29/0684—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by the shape, relative sizes or dispositions of the semiconductor regions or junctions between the regions
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. 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
- H01L29/66431—Unipolar field-effect transistors with a heterojunction interface channel or gate, e.g. HFET, HIGFET, SISFET, HJFET, HEMT
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Junction Field-Effect Transistors (AREA)
Abstract
本发明公开了一种III族氮化物晶体管的制备方法，包括如下步骤：1)提供生长衬底；2)在所述生长衬底上，形成包括III族氮化物的多层膜结构：所述多层膜结构包括生长在所述生长衬底上的牺牲层、生长在所述牺牲层上的器件层和生长在所述器件层上的载体层，所述器件层包括电子通道；3)除去所述生长衬底；4)蚀刻所述牺牲层，暴露器件层的表面；5)形成晶体管，在器件层远离载体层的暴露的表面形成源极、栅极和漏极。还公开了一种栅极的形成方法，以及一种III族氮化物晶体管。与现有技术相比，本发明的优点在于：晶体管的源极、栅极和漏极形成在器件层远离载体层的一侧，晶体管的散热设计取决于载体层，载体层可以使用高热导率的氮化物，增加器件的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种III族氮化物晶体管制备方法，以及该方法制得的晶体管。
背景技术
无线通讯逐渐采用高频毫米波(>5GHz)信号，同时因为由于频率高，空气对信号的吸收增加，信号的强度也需要增加。因此，要求新一代的射频(即RF)微波功率放大晶体管(以下简称功放管)可以同时处理高频和高功率密度的信号。
在目前的技术领域中，最有竞争性的这类功放管是使用宽禁带、C-方向、III极性、III族氮化物半导体制作的高电子迁移率晶体管(HEMT)。III族氮化物是极性材料，如GaN、AlN、InN、AlGaN和InAlN等，即它们有自发极化，自发极化与它们的C方向平行；器件或材料的极性取决于上表面；有时III极性也叫Ga极性或Al极性，相对的是氮极性。这类晶体管的基本结构一般包括：(1)高阻、热导性能好的C方向SiC衬底；(2)AlN成核层；(3)过渡层，如GaN层，有时在AlN成核层GaN层之间有AlGaN层；(4)二维电子气(2DEG)的AlGaN/GaN的界面结构，AlGaN也叫势垒层，在最上方，厚度在20-35纳米；界面另一侧的GaN也叫电子通道层(简称通道层)；(5)晶体管上表面有三个电极，中间的叫做栅极，它两侧的两个电极分别叫源极和漏极，以及介质钝化层等。一般的结构顺序是：①III极性晶体管：栅极、势垒层、2DEG和通道层；②氮极性极性晶体管：栅极、通道层、2DEG和势垒层。在栅极上加上微波信号电压，可以控制电子在源极和漏极之间的传输，从而实现微波信号放大。
这种结构的晶体管有许多不足之处：
(1)高阻SiC衬底十分昂贵，大致需要$1000-2000/片。
(2)气相生长的SiC有大角晶界，可以造成AlGaN/GaN界面粗糙，影响器件的可靠性和稳定性。
(3)器件中有许多界面，如AlN/SiC，影响到散热。
(4)栅极和二维电子气(2DEG)的AlGaN/GaN的界面结构有20-35纳米间距，不适合高频(>30GHz)运作。为了解决这个问题，可以使用氮极性III族氮化物材料，把栅极和2DEG之间有的间距减少到5～15纳米。但是，在氮面材料的生长过程中呈现正电荷，所以阴离子如氧离子(O)可以存在生长表面上，形成N-型半导体掺杂，造成过渡层漏电。
(5)为了避免生长表面形成六角形缺陷，生长氮极性GaN的衬底需要斜切，从而影响到材料的质量。
(6)目前，在无Si掺杂的III族氮化物表面上形成低接触电阻的电极还有困难，影响到工作频率和效率。
(7)当晶体管做开关晶体管使用时，工作电压达几百伏或1～2千伏，这样将在栅极附件形成很大的电场，晶体管会失效。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术存在的不足，提供一种III族氮化物晶体管制备方法，增加器件可靠性，降低生产成本。
本发明所要解决的第二个技术问题是一种栅极的形成方法，降低生产成本。
本发明所要解决的第三个技术问题是提供一种由上述方法制得的晶体管。
本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种III族氮化物晶体管的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)提供生长衬底；
2)在所述生长衬底上，形成包括III族氮化物的多层膜结构：所述多层膜结构包括生长在所述生长衬底上的牺牲层、生长在所述牺牲层上的器件层和生长在所述器件层上的载体层，所述器件层包括电子通道；
3)除去所述生长衬底；
4)蚀刻所述牺牲层，暴露器件层的表面；
5)形成晶体管，在器件层远离载体层的暴露的表面形成源极、栅极和漏极。
优选的，所述多层膜结构是III极性的。因此，可以形成氮极性晶体管，用于毫米波和太赫兹信号放大，同时解决了氮极性过渡层漏电的问题，因为材料是在III极性的环境中生长的。
优选的，所述牺牲层包括至少两种不同的III族氮化物层结构。在湿刻和干刻牺牲层时，可以实现不同的III族氮化物具有不同的蚀刻速率，从而实现光滑的蚀刻表面。
优选的，在所述牺牲层和所述器件层的界面附近，所述牺牲层的表面包括n-型掺杂的III族氮化物。可以有选择区域的保留n-型掺杂的III族氮化物：在所述电子通道和源极或漏极之间，可以有低浓度掺杂的III族氮化物作为电子漂移层，从而增加工作电压；也可以在高浓度掺杂的III族氮化物的上表面，形成低接触电阻的源极和漏极。
优选的，在所述牺牲层和所述器件层界面附近，所述器件层的表面包括AlxGa1-xN，并且0.5≤x≤1。在使用光电化学湿刻所述牺牲层时，可以对器件层起到保护作用。因为牺牲层可以是GaN，光电化学湿刻GaN使用的波长能量远小于AlxGa1-xN(0.5≤x≤1)的能带宽度，不会在AlxGa1-xN(0.5≤x≤1)激发载流子，避免造成不必要的湿刻。
本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种栅极的形成方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)提供基片：依次形成叠加的器件层和载体层，在器件层远离载体层一侧的暴露的表面形成台阶，所述台阶具有间隔的两个、并且两个台阶有相对的侧面和远离器件层的上表面；
2)将介质材料置于台阶相对的侧面和上表面；
3)蚀刻所述器件层的表面上位于两个台阶间隙内的介质材料；
4)置栅极金属于两个台阶的介质材料之间，并形成栅极。
优选的，为便于栅极所需要的间隙，重复步骤2)和3)至少一次。
优选的，为便于控制介质材料在台阶相侧面和上表面相对的沉积速率，所述基片的法线方向与所述介质材料气相流动方向成30°～60°的角度。
本发明解决上述第三个技术问题所采用的技术方案为：一种III族氮化物晶体管，包括：具有电子通道的器件层、生长在所述器件层上的载体层、源极、栅极和漏极，其特征在于：所述器件层和载体层在生长状态的极性与所述晶体管结构的极性是相反的。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1)晶体管的源极、栅极和漏极形成在器件层远离载体层的一侧，晶体管的散热设计取决于载体层，而不是取决于衬底，可以避免使用昂贵的，高热导率的衬底如GaN、AlN或SiC单晶；载体层可以使用高热导率的氮化物，增加器件的可靠性；
2)电子通道可以生长在理想的表面上，然后通过制作技术，把电子通道暴露出来；
3)因为在载体层生长过程中，它位于器件层的上侧，所以可以采用低成本、高速生长技术，降低生长成本；
4)可以避免生长氮极性GaN，从而避免过渡层漏电和六角形缺陷；
5)形成低接触电阻的源极和漏极，提高晶体管的高频和高效特性；
6)使用新的栅极制作工艺，避开使用成本高的电子束光刻。
附图说明
图1-1～图1-5为本发明的III族氮化物晶体管的制备方法的流程示意图；
图2-1～2-4为本发明的III族氮化物晶体管的栅极制备方法的流程示意图；
图3-1～图3-5为本发明的III族氮化物晶体管的制备方法的实例1的流程示意图；
图4-1～图4-6为本发明的是本发明的III族氮化物晶体管的制备方法、另一实施方式的流程示意图；
图5-1～图5-6为本发明的III族氮化物晶体管的、栅极制备方法的、实施方式流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
一种III族氮化物晶体管制备方法，包括以下步骤：
1)提供生长衬底101：参见图1-1，生长衬底101的上表面优选的双面抛光，一面要适合外延生长，选择生长衬底101时，需要考虑的方面包括除去方法和材料生长工艺等，因此蓝宝石和SiC是目前较为合适的选择。
2)形成包括III族氮化物的多层膜结构：参见图1-2，可以把多种生长方法或步骤结合起来，从而形成多层膜结构，其包括依次形成的牺牲层102、器件层103和载体层104，牺牲层102形成在生长衬底101上，器件层103形成在牺牲层102上，载体层104形成在器件层103上。
其中，牺牲层102包括至少两种不同的III族氮化物层结构，通常使用大量的GaN，可以对牺牲层102进行各种优化：可以在其生长的初期阶段，采用3维(3D)生长技术或实时SixN掩膜，减少位错浓度，提高材料的质量。牺牲层102可以包括一层或多层AlGaN，从而可以在蚀刻牺牲层102时增加表面的平滑性。因为在使用Cl2+O2等离子体蚀刻时，GaN和AlGaN的蚀刻速率明显不同；在牺牲层102和器件层103界面附近，在牺牲层102一侧，可以有一层n-型掺杂的III族氮化物，Si：GaN，在蚀刻牺牲层102时，选择性地保留下来，用于形成低接触电阻的源极和漏极。同样也可以有一层低掺杂的GaN层，作为漂移层，起到分压作用。
器件层103朝向载体层104一侧的表面可以有一层保护层，如AlN或AlGaN，在蚀刻时能够起到保护作用。特别是在使用光电化学湿刻的过程中，紫外光可以在附近的GaN层中激发空穴，实现湿刻而保护AlN另一侧的器件层103的有关部分。另外，也可以使用AlN/p-GaN/AlN结构，第一层AlN光电化学湿刻时起到保护作用；第二层AlN在材料生长时减少掺杂记忆效应和阻挡p-型掺杂Mg离子进入电子通道层，p-GaN可以用于形成常关型晶体管。在牺牲层102和器件层103界面附近，器件层102的表面包括AlxGa1-xN，并且0.5≤x≤1。
器件层103包括电子通道，电子通道可以是下列结构的一种：AlGaN/GaN、AlGaN/AlN/GaN、AlN/GaN的二位电子气结构，以及InGaN薄层。例如在双面抛光的蓝宝石衬底上，先使用有机金属化合物气相外延法(MOVPE)，生长高质量的牺牲层102、器件层103和部分载体层104，然后使用氢化物气相外延法(HVPE)增加载体层104的厚度到150～400微米。
载体层104通常起到载体和散热的作用，可以是氮化物，也可以是其它材料，外延生长、沉积或粘结在器件层103远离牺牲层102的一侧，最后与器件层103中的应力相一致。
3)除去生长衬底101：参见图1-3，从牺牲层102的底面除去生长衬底101，蓝宝石衬底可以用激光分的方法，从牺牲层102和生长衬底101的界面分离。SiC衬底可以使用Sf6-O2等离子体蚀刻(ICP)，这种等离子体对氮化物的蚀刻速率很小。也可以使用机械研磨，但容易造成厚度的不均匀。
4)蚀刻牺牲层102、并暴露器件层103：参见图1-4，将牺牲层102蚀刻除去，从而暴露器件层103。
为了保护器件层103，可使用不同的方法的组合，这些方法包括离子束抛光、等离子体蚀刻、离子束注入解离、湿刻和光电化学湿刻等。在生长衬底101上外延生长牺牲层102时，厚度的均匀性不可避免；为了保护器件层103和形成平整的表面，可以采用不同氮化物层的组合和不同蚀刻方法的组合。
例如，在牺牲层102中，在GaN中加入一层或多次AlGaN或AlN，作为蚀刻终止层，即先使用Cl2等离子体蚀刻GaN层，当接近AlGaN层时，可以换成Cl2/N2/O2等离子体，确保GaN被蚀刻形成一个相对平滑、厚度均匀的AlGaN或AlN表面，可以采用离子束抛光，它们可以使用碱性溶液蚀刻掉。
另一种情况下，牺牲层102包括非故意掺杂的GaN层或Si：GaN层，与器件层103用AlN或AlGaN层分开。可以先使用Cl2等离子体蚀刻GaN层和部分Si：GaN层，然后使用光电化学蚀刻(photoElectrochemical etching，PEC)，去除剩余的Si：GaN层。为了保持平滑的表面，可以使液体流动或搅拌。这样，电化学蚀刻使用的电极会保留部分Si：GaN区域，这些区域可以用于形成低接触电阻的源极105或漏极106。
在蚀刻牺牲层102时，可以形成非被蚀刻的参照点，或使用光学方法，检测蚀刻过程。
5)形成晶体管：参见图1-5，在器件层103暴露的表面(即远离载体层104的一侧)上，形成晶体管的源极106、栅极107和漏极106。如果器件层103表面上有AlN或AlGaN保护层，可以用碱性溶液蚀刻掉或者使用氧化和酸蚀刻的方式。
通过上述方法，由于晶体管在生长衬底101的一层，所以晶体管的极性与多层膜生长状态的极性相反。
由于牺牲层102有Si：GaN台阶，影响形成栅极的工艺过程，本发明的III族氮化物晶体管制备方法中，步骤5)中形成栅极107，可以包括以下步骤：
1)提供基片：参见图2-1，在上述步骤4)形成的叠加的器件层103和载体层104的基础上形成基片，基片包括器件层103、载体层104和形成在器件层103远离载体层104表面的台阶102a。台阶102a在蚀刻牺牲层102时形成，台阶102a具有间隔的两个，台阶102a有相对的侧面和上表面，上表面是指远离器件层103一侧的表面。
台阶102a包括Si：GaN，源极105和漏极106，或是对以上描述的结构的整形，包括改变其高度、宽带或表面的光滑及平行度。
2)置介质材料208于两个台阶102a相对的侧面和上表面上，参见图2-2，从而减少两个台阶102a之间的间距。本步骤可以采用气相蒸镀法：在使用CVD(化学气相镀膜)蒸镀时，介质材料208在台阶102a相对的侧面和上表面，以及器件层103的上表面的蒸镀速率没有太大区别，需要等离子体长时间的蚀刻，从而暴露器件层103的上表面。如果使用电子束蒸镀的方法，即含有蒸镀材料的气流有方向性，通过改变样品与坩埚相对角度，有效控制介质材料208在相邻台阶102a的侧面和上表面，以及器件层103的上表面的蒸镀速率，从而可以有效降低相邻台阶102a的相对侧面的间距。当样品的法线方向与坩埚的法线方向成45°时，介质材料208在台阶102a相对的侧面上和上表面上沉积的速率大致相当。另外，可以使用等离子体刻蚀，减小介质材料208的厚度，即台阶的高度，使介质材料208更容易沉积在相邻台阶102a相对的侧面上。
介质材料208还置于器件层103表面位于两个台阶102a之间的部分。
3)蚀刻器件层103表面上位于两个台阶102a之间的介质材料208：参见图2-3，使用F等离子体刻蚀，从而不太影响器件层103上的表面层，为形成栅极107做准备。
4)置栅极金属于介质材料208的间隙内，并形成栅极107：参见图2-4，将栅极金属置于两个台阶102a上的介质材料208之间的间隙内，并高出于介质材料208，从而形成栅极107，栅极107还可有位于介质材料208上表面(远离器件层103的表面)的部分。本步骤通常包括先对器件层103的上表面刻蚀、表面处理或者增加一介质层等，形成高质量的栅极107。优选的，可以采取氧化和酸处理的方法，减小栅极107与电子通道的间距。
上述栅极的形成方法，也适用于其他类型的晶体管。
通过以上步骤，可以形成性能更好的开关晶体管或射频晶体管，除了现有HEMT的特点，漏极和源极可以直接形成在Si：GaN薄层上，或加入低掺杂的GaN薄层，作为漂移层，增加工作电压。
下面提供两个实例来进行具体说明。
实例1
1)参见图3-1，提供一个双面抛光的蓝宝石C切衬底301，上表面适合用于外延生长，其厚度大致为0.40mm。
2)参见图3-2，生长Ga极性(或III极性)GaN层：使用两个设备：首先使用MOVPE(金属有机物气相外延生长)生长牺牲层302包括无故意掺杂的GaN层302a(1800纳米，包括30纳米低温成核层)、无故意掺杂的Al0.2Ga0.8N层302b(60纳米)、无故意掺杂的GaN层302c(300纳米)、无故意掺杂的Al0.2Ga0.8N层(80纳米)302d、Si：GaN层302e(400纳米)；器件层303包括AlN层303a(5纳米或高铝AlGaN)、GaN通道层303b(15纳米)和Al0.25Ga0.75N势垒层303c(40纳米)；在它们(303a和303b)之间可以有一层大约1纳米的AlN，从而优化电子通道的质量。接着使用HVPE(氢化物气相外延)生长0.3毫米厚的GaN层304，可以进行Fe掺杂。完成后，优选的测量一下多层膜厚度的均匀性。
3)参见图3-3，用248纳米的KrF激光器或308纳米XeCl激光器除去蓝宝石衬底301，可以接着对表面进行离子束抛光或湿刻。
4)参见图3-4，然后使用Cl2等离子体(ICP)蚀刻GaN层302a。当GaN层302a的厚度仅剩下100～300纳米时(参照多层膜厚度的均匀性)，换成Cl2+O2等离子体；当到达Al0.2Ga0.8N层302b时，再换成Cl2等离子体；当接近Al0.2Ga0.8N层(80纳米)302d时换成Cl2+O2等离子体；当到达Al0.2Ga0.8N层302d时，再换成Cl2等离子体(原则是：当接近AlGaN层，换成Cl2+O2离子体；当到达AlGaN层时，再换成Cl2等离子体)。当到达Si:GaN层302e，使用H3PO4溶液，进行光电化学湿刻，光电化学湿刻电极如附图标记309所示。在光电化学湿刻时，需要搅拌或液体流动，增加表面的平滑性。
去掉光电化学湿刻电极309，露出光电化学湿刻电极309下部的、凸出的Si：GaN层302e，旋涂厚的正光学胶，光刻暴露凸出的Si:GaN的上表面，然后用KOH湿刻Si：GaN层302e和部分或全部AlN层303a。也可以使用PECVD(等离子体增强化学的气相沉积法)SixN或SiO2作为保护层。这样在光电化学湿刻电极处，形成了凹面，这些凹面不会影响到以下电极形成的过程。
5)制作成晶体管：参见图3-5，AlN层需要减薄或彻底或部分地除去。先使用等离子体氧化和HCl湿刻，减少到3纳米以下，并保证上表面的质量。采用通常的光刻、电子束和热处理，形成源极305和漏极306，接着使用通常的方法形成栅极307。
实例2
1)参见图4-1，提供一个双面抛光的蓝宝石C切衬底401，上表面适合用于外延生长；其厚度大致为0.50mm。
2)参见图4-2，生长Ga极性(或III极性)GaN层(III极性III族氮化物层)使用两个设备：首先使用MOVPE(金属有机物气相外延生长)生长牺牲层402包括无故意掺杂的GaN层402a(800纳米，包括30纳米低温成核层)和Si：GaN层402b(2000纳米)。GaN层402a和Si：GaN层之间有一层实时SixN生长掩膜层402c，从而提高器件层403的质量，这种做法在现有器件技术中是无法使用的。为了减少Si离子进入器件层的可能性，在Si：GaN层402b的最后生长阶段，Si的掺杂浓度可以逐渐降低。器件层403包括AlN层403a(5纳米)、GaN通道层403b(15纳米)和Al0.25Ga0.75N势垒层403c(40纳米)。其次使用HVPE(氢化物气相外延)生长0.3毫米厚的、Fe掺杂的GaN层404。另外，在GaN通道层403b和势垒层403c之间，可以加入1-2nm的AlN层。最好测量一下多层膜厚度的均匀性。
3)参见图4-3，用248纳米的KrF激光器或308纳米XeCl激光器除去蓝宝石衬底301。可以接着对表面进行离子束抛光或湿刻。
4)参见图4-4，然后使用Cl2等离子体(ICP)蚀刻GaN层402a和Si：GaN 402b，减薄Si：GaN 402b至大致300纳米。
5)参见图4-5，使用稀释H3PO4或H2SO4溶液，光电化学湿刻Si：GaN 402b，所用电极位置保留部分Si：GaN 402b用源极405和漏极406连接。在光电化学湿刻时，需要搅拌或液体流动，增加表面的平滑性。AlN薄层403a起保护器件层的作用。
6)制作成晶体管：参见图4-6，形成源极405和漏极406，并热处理，增加其稳定性。
然后按以下步骤形成栅极：
6.1)提供基片：参见图5-1，基片在源极405和漏极406处有台阶，间距1.5微米，高450纳米(包括电极)。利用氧化和稀酸湿刻AlN层403a，从而除去被Si扩散的部分。
6.2)参见图5-2，使样品45°面对坩埚，这样在台阶相对的侧面和上表面各沉积300纳米厚的介质材料408。
6.3)参见图5-3，使用低偏压CHF3等离子体蚀刻介质材料408，直到露出电极，保护AlN薄层403a。
6.4)参见图5-4，重复步骤6.2)，适当调整参数。
6.5)参见图5-5，重复步骤6.3)，减小台阶相对面的间距至500纳米。
6.6)形成电极：参见图5-6，包括AlN保护层进行刻蚀，沉积电极形成栅极407，栅极407包括Ni/Au。
Claims (9)
1.一种III族氮化物晶体管的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)提供生长衬底(101)；
2)在所述生长衬底(101)上，形成包括III族氮化物的多层膜结构：所述多层膜结构包括生长在所述生长衬底上的牺牲层(102)、生长在所述牺牲层(102)上的器件层(103)和生长在所述器件层(103)上的载体层(104)，所述器件层(103)包括电子通道；
3)除去所述生长衬底(101)；
4)蚀刻所述牺牲层(102)，暴露器件层(103)的表面；
5)形成晶体管，在器件层(103)远离载体层(104)的暴露的表面形成源极(105)、栅极(107)和漏极(106)。
2.根据权利要求1所述的III族氮化物晶体管的制备方法，其特征在于：所述多层膜结构是III极性的。
3.根据权利要求1所述的III族氮化物晶体管的制备方法，其特征在于：所述牺牲层(102)包括至少两种不同的III族氮化物层结构。
4.根据权利要求1所述的III族氮化物晶体管的制备方法，其特征在于：在所述牺牲层(102)和所述器件层(103)的界面附近，所述牺牲层(102)的表面包括n-型掺杂的III族氮化物。
5.根据权利要求1所述的III族氮化物晶体管的制备方法，其特征在于：在所述牺牲层(102)和所述器件层(103)界面附近，所述器件层(103)的表面包括AlxGa1-xN，并且0.5≤x≤1。
6.一种栅极的形成方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)提供基片：依次形成叠加的器件层(103)和载体层(104)，在器件层(103)远离载体层(104)一侧的暴露的表面形成台阶(102a)，所述台阶(102a)具有间隔的两个、并且两个台阶(102a)有相对的侧面和远离器件层(103)的上表面；
2)将介质材料(208)置于台阶(102a)相对的侧面和上表面；
3)蚀刻所述器件层(103)的表面上位于两个台阶(102a)间隙内的介质材料(208)；
4)置栅极金属于两个台阶(102a)的介质材料(208)之间，并形成栅极(107)。
7.根据权利要求6所述的栅极的形成方法，其特征在于：重复步骤2)和3)至少一次。
8.根据权利要求6所述的栅极的形成方法，其特征在于：所述基片的法线方向与所述介质材料(208)气相流动方向成30°～60°的角度。
9.一种III族氮化物晶体管，包括：具有电子通道的器件层(103)、生长在所述器件层(103)上的载体层(104)、源极(105)、栅极(107)和漏极(106)，其特征在于：所述器件层和载体层在生长状态的极性与所述晶体管结构的极性是相反的。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110637757.1A CN113437145A (zh) | 2021-06-08 | 2021-06-08 | 一种iii族氮化物晶体管的制备方法及晶体管 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110637757.1A CN113437145A (zh) | 2021-06-08 | 2021-06-08 | 一种iii族氮化物晶体管的制备方法及晶体管 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113437145A true CN113437145A (zh) | 2021-09-24 |
Family
ID=77803955
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110637757.1A Pending CN113437145A (zh) | 2021-06-08 | 2021-06-08 | 一种iii族氮化物晶体管的制备方法及晶体管 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113437145A (zh) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20020004274A1 (en) * | 2000-07-05 | 2002-01-10 | Shinichi Hoshi | Method of fabricating semiconductor device |
| CN103219413A (zh) * | 2013-04-10 | 2013-07-24 | 中国科学院微电子研究所 | 一种石墨烯径向异质结太阳能电池及其制备方法 |
| CN205692835U (zh) * | 2016-06-08 | 2016-11-16 | 苏州能屋电子科技有限公司 | 增强型自支撑垂直结构Ⅲ族氮化物HEMT器件及AlGaN/GaN HEMT器件 |
| US20170365689A1 (en) * | 2016-06-20 | 2017-12-21 | Advantest Corporation | Manufacturing method for compound semiconductor device |
| WO2020149186A1 (ja) * | 2019-01-18 | 2020-07-23 | 日本電信電話株式会社 | 電界効果トランジスタの作製方法 |
| CN112071741A (zh) * | 2020-08-13 | 2020-12-11 | 深圳市奥谱太赫兹技术研究院 | 一种iii族氮化物层结构及其制备方法、晶体管 |
-
2021
- 2021-06-08 CN CN202110637757.1A patent/CN113437145A/zh active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20020004274A1 (en) * | 2000-07-05 | 2002-01-10 | Shinichi Hoshi | Method of fabricating semiconductor device |
| CN103219413A (zh) * | 2013-04-10 | 2013-07-24 | 中国科学院微电子研究所 | 一种石墨烯径向异质结太阳能电池及其制备方法 |
| CN205692835U (zh) * | 2016-06-08 | 2016-11-16 | 苏州能屋电子科技有限公司 | 增强型自支撑垂直结构Ⅲ族氮化物HEMT器件及AlGaN/GaN HEMT器件 |
| US20170365689A1 (en) * | 2016-06-20 | 2017-12-21 | Advantest Corporation | Manufacturing method for compound semiconductor device |
| WO2020149186A1 (ja) * | 2019-01-18 | 2020-07-23 | 日本電信電話株式会社 | 電界効果トランジスタの作製方法 |
| CN112071741A (zh) * | 2020-08-13 | 2020-12-11 | 深圳市奥谱太赫兹技术研究院 | 一种iii族氮化物层结构及其制备方法、晶体管 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20230047052A1 (en) | Semiconductor device, method for manufacturing same, and use thereof | |
| JP7178121B2 (ja) | 半導体デバイスの製造方法、及びその使用 | |
| CN110112215B (zh) | 兼具栅介质与刻蚀阻挡功能结构的功率器件及制备方法 | |
| JP2016139781A (ja) | エンハンスメント型高電子移動度トランジスタおよびその製作方法 | |
| KR20140124273A (ko) | 질화물 반도체 소자 및 그 제조 방법 | |
| CN105244377A (zh) | 一种基于硅衬底的hemt器件及其制造方法 | |
| TW201539742A (zh) | 異質接面場效電晶體 | |
| CN111384171B (zh) | 高沟道迁移率垂直型umosfet器件及其制备方法 | |
| KR101688965B1 (ko) | 반도체 소자 제조방법 | |
| CN112447834A (zh) | 半导体器件及其制造方法 | |
| CN113394096B (zh) | Hemt器件及其自隔离方法、制作方法 | |
| CN111952175B (zh) | 晶体管的凹槽制作方法及晶体管 | |
| CN113437145A (zh) | 一种iii族氮化物晶体管的制备方法及晶体管 | |
| KR102091516B1 (ko) | 질화물 반도체 소자 및 그 제조 방법 | |
| CN112420827A (zh) | N面GaN HEMT器件及其制作方法 | |
| CN113838929A (zh) | 一种半导体器件及其制造方法 | |
| CN112582470B (zh) | 一种常闭型高电子迁移率晶体管及制造方法 | |
| KR101670238B1 (ko) | 반도체 소자 제조방법 | |
| KR101462430B1 (ko) | 반도체 소자의 제조 방법 | |
| CN113270494B (zh) | 双渐变沟道氮化镓基垂直结构射频器件及其制备方法 | |
| CN109742232B (zh) | 一种凹槽阳极平面耿氏二极管及制作方法 | |
| CN111640671B (zh) | 氮化镓基高电子迁移率晶体管及其制备方法 | |
| WO2016002801A1 (ja) | 半導体積層構造体及び半導体素子 | |
| KR101914707B1 (ko) | 고성능 저전력 전계효과 트랜지스터 소자 및 이의 제조방법 | |
| CN115241292A (zh) | 一种垂直氮化镓基鳍式射频晶体管及制备方法 |
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 |