CN117954321A - 一种基于激光退火工艺的氮化镓hemt及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种基于激光退火工艺的氮化镓HEMT及其制备方法。本发明使用激光选区退火，可以同时生长源极、漏极、栅极金属，防止源极和漏极退火后杂质被栅极覆盖导致欧姆性能下降，使氮化镓HEMT具有低成本、高可靠性等优势。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种基于激光退火工艺的氮化镓HEMT及其制备方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
硅(Si)基功率器件目前已进入性能平稳期，其性能的进一步提升往往伴随着成本的显著增加。与此同时,诸多新型应用，如高速铁路，5G通信，大功率电子电路线路等，对功率管理单元的体积、效率以及工作稳定性提出了更高要求。宽禁带半导体材料GaN具有禁带宽度宽、临界击穿电场强度大、饱和电子漂移速度高、介电常数小以及良好的化学稳定性等特点。
GaN不但具有优良的半导体性质，而且可以在其上外延生长铝镓氮（AlGaN），制成的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）由于两种材料的极化效应使得无需掺杂可以产生高密度的二维电子气（2DEG），同时也具有较高的电子迁移率，这较大程度地优化了导通电阻、开关响应速度和高频性能。AlGaN/GaN HEMT由于其优良的性能具有广阔的应用前景，目前已得到一定规模的商用。
AlGaN/GaN HEMT的局限性一部分在于工艺流程复杂，这增加了器件制造的时间成本、人力成本、设备使用成本等，同时降低了器件良率。AlGaN/GaN HEMT的源极、漏极为欧姆接触，需要在生长金属后退火处理；而栅极为肖特基接触，在生长金属后不能退火处理。这使得在AlGaN/GaN HEMT的制备过程中，源极、漏极和栅极需要分别光刻、生长金属，增加了工艺的复杂度，使得制备过程冗杂，两步分开生长金属也降低了工艺的稳定，可能导致金属生长不均匀而降低器件性能。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于激光退火工艺的氮化镓HEMT及其制备方法。本发明使用激光选区退火，可以同时生长源极、漏极、栅极金属，防止源极和漏极退火后杂质被栅极覆盖导致欧姆性能下降，使氮化镓HEMT具有低成本、高可靠性等优势。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，一种基于激光退火工艺的氮化镓HEMT的制备方法，包括以下步骤：
S1、在衬底上生长AlN成核层、GaN缓冲层、AlN插层、AlGaN势垒层、p-GaN帽层；
S2、通过干法刻蚀去除GaN缓冲层、AlN插层、AlGaN势垒层和p-GaN帽层的外侧，形成台面；
S3、通过干法刻蚀去除部分p-GaN帽层；
S4、在台面和p-GaN帽层的上方沉积钝化层；
S5、在钝化层的中心和外围开孔，暴露p-GaN帽层和AlGaN势垒层；
S6、在钝化层两侧分别生长漏极电极和源极电极并同时在p-GaN帽层上方依次生长栅极电极、栅场板；
S7、在漏极电极、源极电极区域采用激光退火，形成欧姆接触；
S8、在漏极电极、源极电极和栅场板上方沉积钝化层；
S9、漏极电极、源极电极上方钝化层开孔；
S10、在漏极电极和钝化层上方生长源场板。
优选的，步骤S1中，生长的方法包括金属有机化学气相沉积法或分子束外延法。
优选的，步骤S2、S3、S5和S9中，所述干法刻蚀和所述开孔的方法包括电感耦合等离子体刻蚀或反应离子刻蚀。
优选的，步骤S4和S8中，钝化层的沉积方法包括等离子体增强化学气相沉积、低压力化学气相沉积法。
优选的，步骤S6和S10中，漏极电极、源极电极、栅极电极、栅场板和源场板的生长方法包括磁控溅射法或电子束热蒸发法。
第二方面，本发明提供了一种基于激光退火工艺的氮化镓HEMT，通过如第一方面所述的制备方法获得，包括由下至上一次设置的衬底、AlN成核层、GaN缓冲层、AlN插层和AlGaN势垒层，所述AlGaN势垒层上方设置p-GaN帽层、钝化层、源极电极和漏极电极，所述源极电极和漏极电极分别设置于所述钝化层的两侧，所述p-GaN帽层上方依次设置栅极电极和栅场板，所述p-GaN帽层、栅极电极和栅场板设置于所述钝化层内部，所述源极电极和所述钝化层上方设置源场板。
优选的，所述衬底的材料包括碳化硅、硅或蓝宝石。
优选的，所述AlN成核层的厚度为1-500 nm。
优选的，所述GaN缓冲层的厚度为0.2-10 µm。
优选的，所述AlN插层的厚度为0.5-2 nm。
优选的，所述AlGaN势垒层的厚度为10-35 nm，Al的摩尔比例为10-30%。
优选的，p-GaN帽层的厚度为1~2000 nm，掺杂浓度为 1×1017~1×1020cm-3。
优选的，所述漏极电极、源极电极、栅极电极、栅场板和源场板的材料包括Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/Ti/Au或Ti/Al/Mo/Au金属叠层。
优选的，所述钝化层的材料包括SiN或SiO2。
上述本发明的一种或多种技术方案取得的有益效果如下：
更低的制造成本在传统GaN HEMT的制造工艺中，由于源极和漏极需要进行退火处理而与下方的半导体形成欧姆接触，而栅极需要和下方的半导体形成肖特基接触不能进行退火处理，所以源极和漏极需要和栅极分两步制备。而每次制备金属电极需要经过清洗晶片、涂光刻胶、光刻、金属生长、金属剥离等工艺过程。这造成了器件制造成本的提升，增加了器件制造的时间、人力成本、生产设备的损耗。同时，在器件制备中，大部分的金属需要剥离去除，并且不易回收。
使用激光选区退火，可以同时生长源极、漏极、栅极金属，大幅减少了器件制造的工艺流程，从而降低了器件生产所需要的时间成本、直接人工成本。由于只生长一次金属，减少了剥离金属的损耗，降低了器件生产的直接材料成本。
更高的可靠性通常制备GaN HEMT的工艺中，源极和漏极与栅极分开生长，这会导致金属生长不均匀、厚度不一致等情况；在生长栅极时，通常源极和漏极也会覆盖一层栅极金属，这会导致源极漏极退火后的杂质等被覆盖在金属下，降低了欧姆接触性能。使用激光退火工艺简化GaN HEMT生产工艺后，源极漏极栅极金属同时生长，提高了电极金属生长的均匀性，源极漏极上也不会再覆盖栅极金属，这提升了GaN HEMT的可靠性。同时，由于减少了工艺流程，在器件生产中的失误和由于其他因素产生的良率下降问题也会减少，进一步提升了工艺的稳定性和可靠性。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的氮化镓HEMT的结构示意图；
图2为本发明的制备方法经步骤S1后获得的器件的结构示意图；
图3为本发明的制备方法经步骤S2后获得的器件的结构示意图；
图4为本发明的制备方法经步骤S3后获得的器件的结构示意图；
图5为本发明的制备方法经步骤S4后获得的器件的结构示意图；
图6为本发明的制备方法经步骤S5后获得的器件的结构示意图；
图7为本发明的制备方法经步骤S6后获得的器件的结构示意图；
图8为本发明的制备方法经步骤S7后获得的器件的结构示意图；
图9为本发明的制备方法经步骤S8后获得的器件的结构示意图；
图10为本发明的制备方法经步骤S9后获得的器件的结构示意图；
其中，101为衬底，102为AlN成核层，103为GaN缓冲层，104为AlN插层，105为AlGaN势垒层，106为p-GaN帽层，107为钝化层，108为漏极电极，109为栅极电极，110为源极电极，111为栅场板，112为源场板。
具体实施方式
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例与对比例详细说明本发明的技术方案。
实施例1
如图1所示，一种基于激光退火工艺的氮化镓HEMT，包括由下至上一次设置的衬底101、AlN成核层102、GaN缓冲层103、AlN插层104和AlGaN势垒层105，AlGaN势垒层105上方设置p-GaN帽层106、钝化层107、漏极电极108和源极电极110，漏极电极108和源极电极110分别设置于钝化层107的两侧，p-GaN帽层106上方依次设置栅极电极109和栅场板111，p-GaN帽层106、栅极电极109和栅场板111设置于所述钝化层107内部，源极电极110和钝化层107上方设置源场板112。
衬底101的材料为碳化硅，AlN成核层102的厚度为100 nm，GaN缓冲层103的厚度为1.5 µm，AlN插层104的厚度为1 nm，AlGaN势垒层105的厚度为20 nm，Al的摩尔比例为20%。p-GaN帽层106的厚度为100 nm，掺杂浓度为1×1019cm-3。漏极电极108、源极电极110、栅极电极109、栅场板111和源场板112的材料为Ti/Al/Ni/Au金属叠层。钝化层107的材料为SiO2。
基于激光退火工艺的氮化镓HEMT的制备包括以下步骤：
S1、在衬底101上通过金属有机化学气相沉积法（MOCVD）生长AlN成核层102、GaN缓冲层103、AlN插层104、AlGaN势垒层105、p-GaN帽层106，得到如图2所示的器件；
S2、通过电感耦合等离子体刻蚀（ICP）去除GaN缓冲层103、AlN插层104、AlGaN势垒层105和p-GaN帽层106的外侧，形成台面，得到如图3所示的器件；
S3、通过电感耦合等离子体刻蚀（ICP）去除部分p-GaN帽层106，得到如图4所示的器件；
S4、在台面和p-GaN帽层106的上方通过低压力化学气相沉积法(LPCVD)沉积钝化层107，得到如图5所示的器件；
S5、通过电感耦合等离子体刻蚀（ICP）在钝化层107的中心和外围开孔，暴露p-GaN帽层106和AlGaN势垒层105，得到如图6所示的器件；
S6、在钝化层107两侧分别生长漏极电极108和源极电极110并同时在p-GaN帽层106上方依次生长栅极电极109、栅场板111，得到如图7所示的器件；
S7、在漏极电极108、源极电极110区域采用激光退火，形成欧姆接触，得到如图8所示的器件；
S8、在漏极电极108、源极电极110和栅场板111上方通过低压力化学气相沉积法(LPCVD)沉积钝化层107，得到如图9所示的器件；
S9、漏极电极108、源极电极110上方钝化层107通过电感耦合等离子体刻蚀（ICP）开孔，得到如图10所示的器件；
S10、在漏极电极108和钝化层107上方生长源场板112，即得如图1所示的氮化镓HEMT。
实施例2
与实施例1不同的是，衬底101的材料为硅，AlN成核层102的厚度为1 nm，GaN缓冲层103的厚度为0.2 µm，AlN插层104的厚度为0.5 nm，AlGaN势垒层105的厚度为10 nm，Al的摩尔比例为10%。p-GaN帽层106的厚度为1 nm，掺杂浓度为1×1017cm-3。漏极电极108、源极电极110、栅极电极109、栅场板111和源场板112的材料为Ti/Al/Ti/Au金属叠层。钝化层107的材料为SiN。
实施例3
与实施例1不同的是，衬底101的材料为蓝宝石，AlN成核层102的厚度为500 nm，GaN缓冲层103的厚度为10 µm，AlN插层104的厚度为2 nm，AlGaN势垒层105的厚度为35 nm，Al的摩尔比例为30%。p-GaN帽层106的厚度为2000 nm，掺杂浓度为1×1020cm-3。漏极电极108、源极电极110、栅极电极109、栅场板111和源场板112的材料为Ti/Al/Mo/Au金属叠层。
实施例4
与实施例1不同的是，基于激光退火工艺的氮化镓HEMT的制备包括以下步骤：
S1、在衬底101上通过分子束外延法（MBE）生长AlN成核层102、GaN缓冲层103、AlN插层104、AlGaN势垒层105、p-GaN帽层106，得到如图2所示的器件；
S2、通过反应离子刻蚀（RIE）去除GaN缓冲层103、AlN插层104、AlGaN势垒层105和p-GaN帽层106的外侧，形成台面，得到如图3所示的器件；
S3、通过反应离子刻蚀（RIE）去除部分p-GaN帽层106，得到如图4所示的器件；
S4、在台面和p-GaN帽层106的上方通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）沉积钝化层107，得到如图5所示的器件；
S5、通过反应离子刻蚀（RIE）在钝化层107的中心和外围开孔，暴露p-GaN帽层106和AlGaN势垒层105，得到如图6所示的器件；
S6、在钝化层107两侧分别生长漏极电极108和源极电极110并同时在p-GaN帽层106上方依次生长栅极电极109、栅场板111，得到如图7所示的器件；
S7、在漏极电极108、源极电极110区域采用激光退火，形成欧姆接触，得到如图8所示的器件；
S8、在漏极电极108、源极电极110和栅场板111上方通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）沉积钝化层107，得到如图9所示的器件；
S9、漏极电极108、源极电极110上方钝化层107通过反应离子刻蚀（RIE）开孔，得到如图10所示的器件；
S10、在漏极电极108和钝化层107上方生长源场板112，即得如图1所示的氮化镓HEMT。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于激光退火工艺的氮化镓HEMT的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在衬底上生长AlN成核层、GaN缓冲层、AlN插层、AlGaN势垒层、p-GaN帽层；
S2、通过干法刻蚀去除GaN缓冲层、AlN插层、AlGaN势垒层和p-GaN帽层的外侧，形成台面；
S3、通过干法刻蚀去除部分p-GaN帽层；
S4、在台面和p-GaN帽层的上方沉积钝化层；
S5、在钝化层的中心和外围开孔，暴露p-GaN帽层和AlGaN势垒层；
S6、在钝化层两侧分别生长漏极电极和源极电极并同时在p-GaN帽层上方依次生长栅极电极、栅场板；
S7、在漏极电极、源极电极区域采用激光退火，形成欧姆接触；
S8、在漏极电极、源极电极和栅场板上方沉积钝化层；
S9、漏极电极、源极电极上方钝化层开孔；
S10、在漏极电极和钝化层上方生长源场板。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，生长的方法包括金属有机化学气相沉积法或分子束外延法；
步骤S2、S3、S5和S9中，所述干法刻蚀和所述开孔的方法包括电感耦合等离子体刻蚀或反应离子刻蚀。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S4和S8中，钝化层的沉积方法包括等离子体增强化学气相沉积、低压力化学气相沉积法；
步骤S6和S10中，漏极电极、源极电极、栅极电极、栅场板和源场板的生长方法包括磁控溅射法或电子束热蒸发法。
4.一种基于激光退火工艺的氮化镓HEMT，其特征在于，通过如权利要求1-3任一项所述的制备方法获得，包括由下至上一次设置的衬底、AlN成核层、GaN缓冲层、AlN插层和AlGaN势垒层，所述AlGaN势垒层上方设置p-GaN帽层、钝化层、漏极电极和源极电极，所述漏极电极和源极电极分别设置于所述钝化层的两侧，所述p-GaN帽层上方依次设置栅极电极和栅场板，所述p-GaN帽层、栅极电极和栅场板设置于所述钝化层内部，所述源极电极和所述钝化层上方设置源场板。
5.如权利要求4所述的氮化镓HEMT，其特征在于，所述衬底的材料包括碳化硅、硅或蓝宝石。
6.如权利要求4所述的氮化镓HEMT，其特征在于，所述AlN成核层的厚度为1-500 nm；
所述GaN缓冲层的厚度为0.2-10 µm；
所述AlN插层的厚度为0.5-2 nm。
7.如权利要求4所述的氮化镓HEMT，其特征在于，所述AlGaN势垒层的厚度为10-35 nm，Al的摩尔比例为10-30%。
8.如权利要求4所述的氮化镓HEMT，其特征在于，p-GaN帽层的厚度为1~2000 nm，掺杂浓度为 1×1017~1×1020cm-3。
9.如权利要求4所述的氮化镓HEMT，其特征在于，所述漏极电极、源极电极、栅极电极、栅场板和源场板的材料包括Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/Ti/Au或Ti/Al/Mo/Au金属叠层。
10.如权利要求4所述的氮化镓HEMT，其特征在于，所述钝化层的材料包括SiN或SiO2。
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2024
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