CN207664047U - 一种高性能常关型的GaN场效应晶体管 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及半导体器件制备的技术领域，更具体地，涉及一种高性能常关型的GaN场效应晶体管。该器件包括衬底及生长在衬底上的外延层、栅介质层、栅极、漏极、源极。所述外延层包括一次外延生长的应力缓冲层及GaN沟道层，通过掩膜图形化及刻蚀工艺，仅在栅极区域保留掩膜，利用原位刻蚀去除接入区的掩膜残留及表面玷污后，选择区域生长AlGaN/GaN异质结结构形成凹槽沟道。栅极金属覆盖于凹槽沟道处，器件两端形成源极和漏极区并覆盖金属形成源极和漏极。本实用新型器件结构和制备工艺简单可靠，原位刻蚀接入区能减少掩膜制备过程中在器件接入区引入的缺陷杂质，得到高质量的接入区界面，保证二次外延AlGaN/GaN异质结构质量，从而提高常关型GaN场效应晶体管的导通性能。
Description
技术领域
本实用新型涉及半导体器件制备的技术领域，更具体地，涉及一种高性能常关型的GaN场效应晶体管。
背景技术
作为第三代半导体材料的代表，GaN具有禁带宽度大、临界击穿电场强度大、功率密度大和载流子饱和速度高等特点。GaN功率开关器件可以在保持金属半导体场效应管的低噪声性能和高额定功率的同时大幅度提高其上限工作频率，并且有着更高的工作电压、更高的功率密度和耐高温等优点，这使得GaN基器件在一些功率器件和高频电路中逐步取代原有的Si基、GaAs基器件。
传统的凹槽栅常关型GaN功率器件中凹槽的制备方法是一次外延生长AlGaN/GaN异质结构，然后在保持接入区二维电子气浓度不变的情况下降低栅极下区域二维电子气的浓度，一般有以下方法：等离子刻蚀凹槽结构、F等离子体注入、添加P型盖帽层等。然而这些方法都不可避免地使用了等离子体处理技术。等离子体刻蚀凹槽或注入处理对栅极下区域造成的晶格损伤，会增加器件的漏电流，降低栅控制能力；而P型盖帽层方案则会对接入区造成晶格损伤，影响二维电子气沟道的稳定性和器件的可靠性。与上述方法相比，选择区域生长(SAG)方法可以避免等离子体处理对器件有源层带来的损伤，提高栅极区域的界面质量，提高器件的稳定性和可靠性。但是在选择区域外延GaN槽栅结构场效应晶体管中，器件接入区AlGaN/GaN异质结结构通过二次外延形成，二次外延AlGaN/GaN异质结结构的质量直接决定了器件的性能。在二次生长AlGaN/GaN外延层之前，需要对覆盖有SiO2掩膜层的外延片进行深度清洗，这使得有GaN沟道层的衬底暴露在空气中，其表面存在空气氧化及C、Si杂质的玷污。同时，在使用金属有机化合物化学气相沉淀方法二次生长AlGaN/GaN外延层时，需要对Si衬底进行高温处理从而实现对Si衬底的清洁，但是在升温过程中仅使用H2作为载气，此升温条件会破坏GaN材料表面，因为GaN在H2环境下容易分解，其反应方程式为：
GaN与H2在高温情况下反应会产生Ga液滴和氨气。Ga液滴会导致二次外延生长界面的不平整从而劣化二次外延AlGaN/GaN异质结结构质量。更为严重的是，选择区域外延掩膜图形的制备需要在有GaN沟道层的衬底表面利用等离子增强化学气相沉积方法生长SiO2掩膜层，然后通过干/湿法腐蚀的方法去除接入区覆盖的SiO2掩膜，该工艺存在Si残留的风险。过多杂质的引入会劣化二次外延异质结构的质量，降低接入区导电沟道的二维电子气浓度，不利于器件导通性能的提升。因此有必要寻求一种常关型GaN场效应晶体管接入区界面质量优化方法，以克服由选择区域生长方法引起的对器件接入区引入缺陷杂质的缺点，从而获得高性能的常关型GaN场效应晶体管。
实用新型内容
本实用新型为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种高性能常关型的GaN场效应晶体管，通过原位刻蚀接入区的GaN沟道层，在生长二次外延层前，减少掩膜制备过程中在接入区界面引入的Si、C/O等杂质，并去除接入区的掩膜残留及表面玷污，提高器件的接入区二次生长界面质量，保持接入区沟道二维电子气浓度基本不变，从而制备一种高性能的常关型GaN场效应晶体管。
本实用新型的技术方案是：一种高性能常关型的GaN场效应晶体管，其中，包括由下往上依次包括衬底，应力缓冲层，GaN沟道层，原位刻蚀接入区的GaN沟道层后生长二次外延层，去除栅极掩膜形成凹槽栅结构并在表面沉积一层栅介质层，器件两端去除栅介质层并形成源极和漏极，凹槽栅极区域的栅介质层上覆盖有栅极。
进一步的，所述的衬底为蓝宝石衬底、碳化硅衬底、硅衬底、氮化镓自支撑衬底中的任一种。
所述的应力缓冲层为AlGaN、GaN、AlN的任一种或组合；应力缓冲层厚度为100nm～10μm。
所述的GaN沟道层为非故意掺杂的GaN沟道层或掺杂的高阻GaN沟道层，所述掺杂高阻层的掺杂元素为碳或铁；在凹槽区域下的GaN沟道层厚度为100nm～20μm，相比较下接入区下的GaN沟道层厚度减少10～50nm。
所述的二次外延层为AlGaN/GaN异质结，AlGaN层厚度为10～50nm，其中铝组分的浓度可变化，GaN层厚度为10～500nm。
所述的凹槽栅结构通过原位刻蚀接入区的GaN沟道层去除表面玷污并生长二次外延层来形成，呈现U型或梯形结构。原位刻蚀接入区的方法作用在于，接入区的GaN沟道层在形成栅极掩膜层时存在掩膜残留及杂质引入，原位刻蚀接入区的GaN沟道层可去除接入区表面缺陷态，同时减少环境杂质的引入，得到高质量的二次外延界面。
所述的栅介质层为Al2O3或Si3N4化合物，厚度为10～100nm。
所述的源极和漏极材料包括但不限于Ti/Al/Ni/Au合金、Ti/Al/Ti/Au合金、Ti/Al/Mo/Au合金或Ti/Al/Ti/TiN合金，其它能够实现欧姆接触的各种金属或合金均可作为源极和漏极材料；栅极材料包括但不限于Ni/Au合金、Pt/Al合金、Pd/Au合金或TiN/Ti/Al/Ti/TiN合金，其他能够实现高阈值电压的各种金属或合金均可作为栅极材料。
一种高性能常关型的GaN场效应晶体管的制备方法，其中：包括以下步骤：
S1、在衬底上生长应力缓冲层；
S2、在应力缓冲层上生长GaN沟道层；
S3、在GaN沟道层上沉积一层SiO2，作为掩膜层；
S4、通过光刻并结合干法或湿法刻蚀方法，保留栅极区域之上的掩膜层；
S5、原位刻蚀接入区的GaN沟道层，刻蚀深度为10～50nm；
S6、选择区域生长二次外延层，形成凹槽型栅极结构；
S7、去除栅极区域之上的掩膜层；
S8、沉积形成栅介质层；
S9、干法刻蚀完成器件的台面隔离，同时刻蚀出源极和漏极欧姆接触区域；
S10、在源极和漏极区域蒸镀上源极和漏极金属，并通过欧姆合金退火形成欧姆接触；
S11、在凹槽处栅介质层上的栅极区域蒸镀栅极金属。
所述步骤S1中的应力缓冲层和步骤S2中的GaN沟道层及步骤S6中的二次外延层的生长方法为金属有机化学气相沉积法、分子束外延法等高质量成膜方法；所述步骤S3中掩膜层的生长方法为等离子体增强化学气相沉积法、原子层沉积法、物理气相沉积法或磁控溅射法；所述步骤S5中的原位刻蚀方法为干法刻蚀，刻蚀气体环境为N2、NH3的任一种或组合；所述步骤S8中的栅介质层的生长方法为低压化学气相沉积法。
与现有技术相比，有益效果是：本实用新型提高了器件接入区二次生长界面的质量，保持接入区沟道二维电子气浓度基本不变，从而提高了器件的导通性能。本实用新型在常规的选择区域生长方法上增加了一个步骤，在生长二次外延层AlGaN/GaN异质结结构前，对无SiO2掩膜层覆盖的GaN沟道层进行原位刻蚀，将接入区上的SiO2掩膜残留和含有较多C、Si施主杂质的界面去除，同时减少在二次生长外延层前的准备阶段引入的环境杂质，进而提高二次外延异质结结构的质量，保持接入区沟道二维电子气浓度基本不变，使器件导通性能得到提升。本实用新型器件结构简单，工艺重复性和可靠性高，在保持器件栅极区域下界面高质量的同时，提高了器件接入区界面的质量，从而提供了一种制备高性能常关型GaN场效应晶体管器件的技术。
附图说明
图1-11为本实用新型实施例1的器件制备方法工艺示意图。
图12-14为本实用新型实施例2的制备栅极区域上掩膜层的工艺示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
实施例1
如图11所示为本实施例的器件结构示意图，其结构由下往上依次包括衬底1，应力缓冲层2，GaN沟道层3，原位刻蚀接入区的GaN沟道层3后生长二次外延层4，去除栅极掩膜形成凹槽栅结构并在表面沉积一层栅介质层5，器件两端去除栅介质层形成源极6和漏极7，凹槽栅极区域的栅介质层上覆盖有栅极8。
上述的一种高性能常关型GaN场效应晶体管的制备方法如图1-图10所示，包括以下步骤：
S1、利用金属有机化学气相沉积方法，在Si衬底1上生长一层应力缓冲层2，如图1所示；
S2、利用金属有机化学气相沉积方法，在应力缓冲层2上生长GaN沟道层3，如图2所示；
S3、利用等离子体增强化学气相方法沉积一层SiO2，作为掩膜层9，如图3所示；
S4、利用光刻结合反应耦合等离子体刻蚀方法，保留栅极区域之上的掩膜层9，如图4所示；
S5、利用干法刻蚀方法在N2气体环境中对接入区进行原位刻蚀，如图5所示；
S6、利用金属有机化学气相沉积方法，在有掩膜层9的衬底上选择区域生长二次外延AlGaN/GaN层4，形成凹槽结构，如图6所示；
S7、采用湿法腐蚀方法，去除栅极区域之上的掩膜层9，如图7所示；
S8、利用低压化学气相沉积方法生长一层栅介质层5，如图8所示；
S9、利用反应耦合等离子体刻蚀完成器件的台面隔离，同时刻蚀出源极和漏极欧姆接触区域，如图9所示；
S10、在源极和漏极区域蒸镀上Ti/Al/Ni/Au合金作为源极6和漏极7的欧姆接触金属，并通过欧姆合金退火形成欧姆接触，如图10所示；
S11、在凹槽栅极区域的栅介质层上蒸镀Ni/Au合金作为栅极9金属，如图11所示。
至此，即完成了整个器件的制备过程。图11即为实施例1的器件结构示意图。
实施例2
图12-14为本实用新型实施例2的制备栅极区域上SiO2掩膜层的工艺示意图，其与实施例1中栅极区域上SiO2掩膜层的制备方法区别仅在于：实施例1中采用的是反应耦合等离子体刻蚀形成栅极区域上的掩膜图形，而实施例2采用的是剥离方法来形成栅极区域上的掩膜图形。具体的过程包括以下步骤：
S1、在二次外延层3上部分形成图形化结构的光刻胶保护层10，如图12所示；
S2、在有光刻胶保护层10的衬底上利用等离子体增强化学气相方法沉积一层SiO2，作为掩膜层9，如图13所示；
S3、使用光刻胶剥离液去除光刻胶保护层10，同时去除保护层上的掩膜层9，保留栅极区域上的掩膜层，使得掩膜层图形化，如图14所示。
采用剥离工艺来制备栅极区域上的SiO2掩膜，可以很好地解决传统光刻和腐蚀工艺制作掩膜层时容易损伤生长界面的问题。但是由于在生长二次外延层4前，GaN沟道层3暴露在空气中，其表面存在空气氧化及C、Si杂质的玷污，因此采用剥离工艺仍然无法完全解决器件接入区界面的缺陷问题，而使用本专利提供的制备方法则可以得到更高质量的接入区二次外延生长界面。
此外，需要说明的是，以上实施例的附图仅是为了示意的目的，因此没有必要按比例绘制。
显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种高性能常关型的GaN场效应晶体管，其特征在于，包括由下往上依次包括衬底（1），应力缓冲层（2），GaN沟道层（3），原位刻蚀接入区的GaN沟道层后生长二次外延层（4），去除栅极掩膜形成凹槽栅结构并在表面沉积一层栅介质层（5），器件两端去除栅介质层（5）并形成源极（6）和漏极（7），凹槽栅极区域的栅介质层（5）上覆盖有栅极（8）。
2.根据权利要求1所述的一种高性能常关型的GaN场效应晶体管，其特征在于：所述的衬底（1）为蓝宝石衬底、碳化硅衬底、硅衬底、氮化镓自支撑衬底中的任一种。
3.根据权利要求1所述的一种高性能常关型的GaN场效应晶体管，其特征在于：所述的应力缓冲层（2）厚度为100nm~10μm。
4.根据权利要求1所述的一种高性能常关型的GaN场效应晶体管，其特征在于：所述的GaN沟道层（3）为非故意掺杂的GaN沟道层或掺杂的高阻GaN沟道层，在凹槽区域下的GaN沟道层厚度为100nm~20μm，相比较下接入区下的GaN沟道层厚度减少10~50nm。
5.根据权利要求1所述的一种高性能常关型的GaN场效应晶体管，其特征在于：所述的二次外延层（4）为AlGaN/GaN异质结，AlGaN层厚度为10~50nm，GaN层厚度为10~500nm。
6.根据权利要求1所述的一种高性能常关型的GaN场效应晶体管，其特征在于：所述的凹槽栅结构通过原位刻蚀接入区的GaN沟道层（3）去除表面玷污并生长二次外延层（4）来形成，呈现U型或梯形结构。
7.根据权利要求1所述的一种高性能常关型的GaN场效应晶体管，其特征在于：所述的栅介质层（5）厚度为10~100nm；
所述的源极（6）和漏极（7）材料为Ti/Al/Ni/Au合金、Ti/Al/Ti/Au合金、Ti/Al/Mo/Au合金或Ti/Al/Ti/TiN合金；栅极（8）材料为Ni/Au合金、Pt/Al合金、Pd/Au合金或TiN/Ti/Al/Ti/TiN合金。
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