CN114334650A - 一种p-GaN HEMT中的新结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种p‑GaN HEMT中的新结构，包括如下步骤：外延生长；AlGaN与p‑GaN形成结；对外延生长的AlGaN/p‑GaN/AlGaN/GaN材料进行清洗；光刻隔离区；有源区台面隔离；刻蚀AlGaN与p‑GaN的结叠层；欧姆接触；栅极制备；钝化层沉积；开孔及金属互联。本发明以p型栅为基础设的AlGaN/p‑GaN/AlGaN/GaN HEMT双结栅器件，通过在p‑GaN上面加了一层AlGaN盖帽层，形成结，提高栅极性能，抑制漏电流。该盖帽层不仅与p‑GaN层形成结，而且还作为阻挡层阻挡了载流子注入行为。由于双结栅减少了泄漏并扩大了栅极击穿电压，因此具有更好的直流特性、关态击穿电压和栅极可靠性，从而推进了制备更高可靠性GaN功率器件的进程。
Description
技术领域
本发明涉及电子元器件制造技术领域，具体涉及一种p-GaN HEMT中的新结构。
背景技术
GaN基的功率器件由于其宽禁带、高电子饱和速率和高击穿电压，已经成为制备高频、大功率器件的理想材料。通过几种方法使用不同的技术可以获得GaN增强型HEMT器件，如F离子注入，p-GaN帽层，槽栅结构。
传统的p-GaN栅极HEMT可以理解为一个反向肖特基结和一个正向p-n结。虽然该结构二极管使p-GaN栅极HEMT工作电压在10V以上，但由于在高电场会发生栅极电流泄露，从而导致反向肖特基二极管的退化，允许长期可靠工作的栅极偏置电压约为7～8V。结果表明，在功率器件开关应用中，p-GaN栅极HEMT需要较大的阈值电压和较大的栅极偏置电压，以防止高频功率开关中的误通，并使其与栅极驱动电路设计相匹配。因此，需要一种新结构来进一步减少栅极泄漏，从而提高器件的可靠性。
发明内容
本发明的目的是以p型栅为基础设计了AlGaN/p-GaN/AlGaN/GaN HEMT双结栅器件，通过在p-GaN上面加了一层AlGaN盖帽层，形成结，提高栅极性能，抑制漏电流。该盖帽层不仅与p-GaN层形成结，而且还作为阻挡层阻挡了载流子注入行为。由于双结栅减少了泄漏并扩大了栅极击穿电压，因此具有更好的直流特性、关态击穿电压和栅极可靠性，从而推进了制备更高可靠性GaN功率器件的进程。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种p-GaN HEMT中的新结构，由如下步骤制备而成：
1)外延生长：在硅衬底上通过金属有机化学气相沉积，依次生成未掺杂GaN缓冲层、未掺杂GaN沟道层、AlN插入层、Al0.23Ga0.77N势垒层得到硅基GaN外延晶片；
2)AlGaN与p-GaN形成结：通过金属有机化学气相沉积继续生长AlN插入层、Mg掺杂的p-GaN层，最后在p-GaN层上生长Al0.2Ga0.8N层，试图在那里形成结；
3)对外延生长的AlGaN/p-GaN/AlGaN/GaN材料进行清洗：首先，把外延片浸泡在丙酮溶液中进行超声处理，再用流动的去离子水清洗样片并用N2吹干；其次，将外延片放入HCl：H20＝1：1的溶液中1分钟，最后用流动的去离子水清洗并用N2吹干；
4)光刻隔离区：通过紫外光刻、显影、定影，形成腐蚀窗口；
5)有源区台面隔离：采用感应耦合等离子(ICP)刻蚀实现有源区台面隔离，刻蚀到部分GaN缓冲层，隔断异质结二维电子气，分离不同的器件使相邻器件之间形成电学隔离；
6)刻蚀AlGaN与p-GaN的结叠层:台面隔离后进行光刻，然后使用感应耦合等离子刻蚀，并采用AlN层作为刻蚀停止层；
7)欧姆接触：对完成刻蚀的材料进行光刻，形成源漏区，然后采用电子束蒸发法，并依次淀积Ti/Al/Ni/Au，然后，在N2环境下，采用RTA系统在850℃下退火30s；
8)栅极制备：对完成刻蚀的器件进行光刻，形成栅极区域，然后放入电子书蒸发台中淀积Ni/Au，并进行剥离，完成栅电极的制备；
9)钝化层沉积：将完成栅极制备的器件通过等离子体增强化学气相沉积法制备SiO2钝化层，N2O的流量是1450sccm，SiH4的流量是140sccm，N2的流量是398sccm，温度是300℃，腔室压力为0.9Torr，射频功率为40W，淀积100nm厚的SiO2钝化层；
10)开孔及金属互联：通过紫外光刻、显影和定影形成光刻窗口；最后利用ICP刻蚀技术将欧姆接触电极和肖特基栅电极表面覆盖的SiO2钝化层材料移除，刻蚀反应气体采用CF4和O2，射频功率为50W完成开孔；互联金属采用Ti/Au，利用电子束蒸发和剥离工艺完成整体器件的制备。
根据以上方案，所述步骤1)中GaN缓冲层的厚度为5μm、GaN沟道层的厚度为290nm、AlN插入层的厚度为1nm、Al0.23Ga0.77N势垒层的厚度为15nm；
根据以上方案，所述步骤2)AlN插入层的厚度为1nm、p-GaN层的厚度为110nm，Al0.2Ga0.8N层的厚度为12nm；
根据以上方案，所述步骤2)中的p型GaN层掺杂杂质为Mg，掺杂浓度为1.9×1019cm-3；
根据以上方案，所述步骤7)和8)中栅极宽度为4μm，源极与栅极的间距为3μm，漏极与栅极间距为9μm；
根据以上方案，所述步骤7)所述欧姆接触淀积金属Ti/Al/Ni/Au，厚度依次为30nm、125nm、30nm、140nm；
根据以上方案，所述步骤8)所述栅金属电极选用的材料Ni/Au，厚度依次为30nm、125nm；
根据以上方案，所述步骤5)中感应耦合等离子体刻蚀采用的气体是Cl2；所述步骤6)中感应耦合等离子体刻蚀采用BCl3、Cl2、SF6混合气体；所述步骤9)中采用气体为N20、N2、SiH4；所述步骤10)中采用的刻蚀反应气体为CF4、O2。
本发明的有益效果是：
1)本发明以p型栅为基础设计了AlGaN/p-GaN/AlGaN/GaN HEMT双结栅器件，通过在p-GaN上面加了一层AlGaN盖帽层，形成结，提高栅极性能，抑制漏电流。。
2)与传统的p型GaN增强型器件相比，该AlGaN盖帽层不仅与p-GaN层形成结，而且还作为阻挡层阻挡了载流子注入行为，并且较高的势垒高度可以增加栅极工作电压。由于双结栅减少了泄漏并扩大了栅极击穿电压，进而提高了器件的可靠性。
附图说明
图1是本发明的外延片清洗时的工件结构示意图；
图2是本发明的台面隔离时的工件结构示意图；
图3是本发明的AlGaN与p-GaN的结叠层刻蚀的工件结构示意图；
图4是本发明的欧姆接触时的工件结构示意图；
图5是本发明的栅极制备的工件结构示意图；
图6是本发明的钝化层沉积时的工件结构示意图；
图7是本发明的开孔及互联金属沉积时的工件结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明的技术方案进行说明。
实施例1，见图1至图7：
本发明提供一种p-GaN HEMT中的新结构，由如下步骤制备而成：
1)外延生长：在硅衬底上通过金属有机化学气相沉积，依次生成未掺杂GaN缓冲层、未掺杂GaN沟道层、AlN插入层、Al0.23Ga0.77N势垒层得到硅基GaN外延晶片；
2)AlGaN与p-GaN形成结：通过金属有机化学气相沉积继续生长AlN插入层、Mg掺杂的p-GaN层，最后在p-GaN层上生长Al0.2Ga0.8N层，试图在那里形成结；
3)对外延生长的AlGaN/p-GaN/AlGaN/GaN材料进行清洗：首先，把外延片浸泡在丙酮溶液中进行超声处理，再用流动的去离子水清洗样片并用N2吹干；其次，将外延片放入HCl：H20＝1：1的溶液中1分钟，最后用流动的去离子水清洗并用N2吹干；
4)光刻隔离区：通过紫外光刻、显影、定影，形成腐蚀窗口；
5)有源区台面隔离：采用感应耦合等离子(ICP)刻蚀实现有源区台面隔离，刻蚀到部分GaN缓冲层，隔断异质结二维电子气，分离不同的器件使相邻器件之间形成电学隔离；
6)刻蚀AlGaN与p-GaN的结叠层:台面隔离后进行光刻，然后使用感应耦合等离子刻蚀，并采用AlN层作为刻蚀停止层；
7)欧姆接触：对完成刻蚀的材料进行光刻，形成源漏区，然后采用电子束蒸发法，并依次淀积Ti/Al/Ni/Au，然后，在N2环境下，采用RTA系统在850℃下退火30s；
8)栅极制备：对完成刻蚀的器件进行光刻，形成栅极区域，然后放入电子书蒸发台中淀积Ni/Au，并进行剥离，完成栅电极的制备；
9)钝化层沉积：将完成栅极制备的器件通过等离子体增强化学气相沉积法制备SiO2钝化层，N2O的流量是1450sccm，SiH4的流量是140sccm，N2的流量是398sccm，温度是300℃，腔室压力为0.9Torr，射频功率为40W，淀积100nm厚的SiO2钝化层；
10)开孔及金属互联：通过紫外光刻、显影和定影形成光刻窗口；最后利用ICP刻蚀技术将欧姆接触电极和肖特基栅电极表面覆盖的SiO2钝化层材料移除，刻蚀反应气体采用CF4和O2，射频功率为50W完成开孔；互联金属采用Ti/Au，利用电子束蒸发和剥离工艺完成整体器件的制备。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的相关技术人员应当理解：可以对本发明进行修改或者同等替换，但不脱离本发明精神和范围的任何修改和局部替换均应涵盖在本发明的权利要求范围内。
Claims (8)
1.一种p-GaN HEMT中的新结构，其特征在于，由如下步骤制备而成：
1)外延生长：在硅衬底上通过金属有机化学气相沉积，依次生成未掺杂GaN缓冲层、未掺杂GaN沟道层、AlN插入层、Al0.23Ga0.77N势垒层得到硅基GaN外延晶片；
2)AlGaN与p-GaN形成结：通过金属有机化学气相沉积继续生长AlN插入层、Mg掺杂的p-GaN层，最后在p-GaN层上生长Al0.2Ga0.8N层，试图在那里形成结；
3)对外延生长的AlGaN/p-GaN/AlGaN/GaN材料进行清洗：首先，把外延片浸泡在丙酮溶液中进行超声处理，再用流动的去离子水清洗样片并用N2吹干；其次，将外延片放入HCl：H20＝1：1的溶液中1分钟，最后用流动的去离子水清洗并用N2吹干；
4)光刻隔离区：通过紫外光刻、显影、定影，形成腐蚀窗口；
5)有源区台面隔离：采用感应耦合等离子(ICP)刻蚀实现有源区台面隔离，刻蚀到部分GaN缓冲层，隔断异质结二维电子气，分离不同的器件使相邻器件之间形成电学隔离；
6)刻蚀AlGaN与p-GaN的结叠层:台面隔离后进行光刻，然后使用感应耦合等离子刻蚀，并采用AlN层作为刻蚀停止层；
7)欧姆接触：对完成刻蚀的材料进行光刻，形成源漏区，然后采用电子束蒸发法，并依次淀积Ti/Al/Ni/Au，然后，在N2环境下，采用RTA系统在850℃下退火30s；
8)栅极制备：对完成刻蚀的器件进行光刻，形成栅极区域，然后放入电子书蒸发台中淀积Ni/Au，并进行剥离，完成栅电极的制备；
9)钝化层沉积：将完成栅极制备的器件通过等离子体增强化学气相沉积法制备SiO2钝化层，N2O的流量是1450sccm，SiH4的流量是140sccm，N2的流量是398sccm，温度是300℃，腔室压力为0.9Torr，射频功率为40W，淀积100nm厚的SiO2钝化层；
10)开孔及金属互联：通过紫外光刻、显影和定影形成光刻窗口；最后利用ICP刻蚀技术将欧姆接触电极和肖特基栅电极表面覆盖的SiO2钝化层材料移除，刻蚀反应气体采用CF4和O2，射频功率为50W完成开孔；互联金属采用Ti/Au，利用电子束蒸发和剥离工艺完成整体器件的制备。
2.根据权利要求1所述的一种p-GaN HEMT中的新结构，其特征在于，所述步骤1)中GaN缓冲层的厚度为5μm、GaN沟道层的厚度为290nm、AlN插入层的厚度为1nm、Al0.23Ga0.77N势垒层的厚度为15nm。
3.根据权利要求1所述的一种p-GaN HEMT中的新结构，其特征在于，所述步骤2)AlN插入层的厚度为1nm、p-GaN层的厚度为110nm，Al0.2Ga0.8N层的厚度为12nm。
4.根据权利要求1所述的一种p-GaN HEMT中的新结构，其特征在于，所述步骤2)中的p型GaN层掺杂杂质为Mg，掺杂浓度为1.9×1019cm-3。
5.根据权利要求1所述的一种p-GaN HEMT中的新结构，其特征在于，所述步骤7)和8)中栅极宽度为4μm，源极与栅极的间距为3μm，漏极与栅极间距为9μm。
6.根据权利要求1所述的一种p-GaN HEMT中的新结构，其特征在于，所述步骤7)所述欧姆接触淀积金属Ti/Al/Ni/Au，厚度依次为30nm、125nm、30nm、140nm。
7.根据权利要求1所述的一种p-GaN HEMT中的新结构，其特征在于，所述步骤8)所述栅金属电极选用的材料Ni/Au，厚度依次为30nm、125nm。
8.根据权利要求1所述的一种p-GaN HEMT中的新结构，其特征在于，所述步骤5)中感应耦合等离子体刻蚀采用的气体是Cl2；所述步骤6)中感应耦合等离子体刻蚀采用BCl3、Cl2、SF6混合气体；所述步骤9)中采用气体为N20、N2、SiH4；所述步骤10)中采用的刻蚀反应气体为CF4、O2。
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