CN101252088A - 一种新型增强型A1GaN/GaN HEMT器件的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型增强型AlGaN/GaN HEMT器件的实现方法，它涉及微电子技术领域。该实现方法成本低，工艺简单，重复性好，可靠性高，对材料损伤小。可以获得高阈值电压以及纳米级有效沟道长度的增强型HEMT器件。本发明通过在AlN成核层和GaN外延层生长之后，在二次GaN外延层和AlGaN层生长之前，采用刻蚀台面的方法，使台面侧面上的异质结材料沿着非极化方向生长，从而极大的减弱了台面侧面上的异质结材料中的二维电子气密度。这样，将器件的栅极制作在台面的侧面上，当栅极上没有加电压时，导电沟道不会导通或者弱导通；当栅极上外加一定正偏压时，导电沟道导通。本发明可用于高温高频大功率场合、大功率开关以及数字电路中。

Description

一种新型增强型AlGaN/GaN HEMT器件的实现方法

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及半导体材料、器件制作工艺技术。具体地说是一种新型增强型AlGaN/GaN HEMT器件的实现方法，可用于高温高频大功率场合、大功率开关以及数字电路中。

背景技术

作为宽禁带半导体材料的典型代表，GaN基材料具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度高、击穿场强高和导热性能好等特点，可用于制作高温、高频及大功率电子器件。更重要的是，GaN基材料可以形成调制掺杂的AlGaN/GaN异质结构，该结构在室温下可以获得很高的电子迁移率，极高的峰值电子速度和饱和电子速度，并获得比第二代化合物半导体异质结构更高的二维电子气密度。因此，基于AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率晶体管HEMT在大功率微波器件方面具有非常好的应用前景。1994年至今，AlGaN/GaN异质结材料的生长和AlGaN/GaN HEMT器件的研制始终占据着GaN电子器件研究的主要地位。然而十几年来针对GaN基电子器件研究的大部分工作集中在耗尽型AlGaN/GaN HEMT器件上，这是因为与基于InP和GaAs的异质结构相比，AlGaN/GaN异质结构中较强极化电荷的存在，使得制造基于GaN的增强型器件变得十分困难，关于这一方面的报道也较少。

增强型AlGaN/GaN HEMT器件具有广阔的应用前景。首先增强型HEMT器件和耗尽型HEMT器件结合形成的倒相器在高温、抗辐射等数字电路中具有很大的应用前景。同时增强型AlGaN/GaN HEMT器件在微波大功率器件和电路也具有很大的应用潜力和很好的电路兼容性，因为目前的微波功率放大器大多采用的还是Si基和GaAs基增强型器件。而且作为功率开关应用，增强型AlGaN/GaN HEMT器件也备受关注。因而研究高性能增强型AlGaN/GaN HEMT器件具有非常重要的意义。

目前，不管是国内和国际上，很少有人采用传统的势垒层P型Mg掺杂技术来研制增强型AlGaN/GaN HEMT器件。这是因为，首先，Mg掺杂的工艺技术尚不成熟；其次，Mg在AlGaN中激活能很高，需要很高的退火温度将之激活。因此，当前国际上关于AlGaN/GaN增强型HEMT器件的报道也都是避开了P型重掺杂势垒层的方法，而是采用了一些新的方法。这些方法包括：

2001年，美国伊利诺伊大学的Kurnar等人采用凹栅技术也成功研制成了AlGaN/GaN增强型HEMT器件。他们在传统耗尽型AlGaN/GaN HEMT器件结构上做了稍微的改变，即在蓝宝石衬底上生长AlGaN/GaN异质结构后，并没有直接电子束蒸发形成栅极，而是先在预生长栅极区域通过在Cl₂/Ar等离子体中进行ICP-RIE刻蚀一个凹槽，快速热退火之后在凹栅窗口上制作Ni/Au肖特基接触栅极。通过凹槽深度的调整可以极大的耗尽沟道中的二维电子气。之后这种方法一直被采用。参见文献Kumar，V.，et al.：‘Recessed 0.25mm gateAlGaN＝GaN HEMTs on SiC with high gate-drain breakdown voltage using ICP-RIE’，Electron.Lett.2001，37，pp.1483-1485。2003年，他们又利用凹栅技术并通过结构优化，用MOCVD法在SiC衬底上成功制造了一微米栅长的高跨导增强型AlGaN/GaN HEMT。该器件的峰值本征跨导为248mS/mm，电流密度为470mA/mm，阈值电压为75mV，f_T为8GHz，f_Max为26 GHz。参见文献V.Kumar，A.Kuliev，T.Tanaka，Y.Otoki，and I.Adesida，“Hightransconductance enhancement-mode AlGaN/GaN HEMTs on SiC substrate，”Electron.Lett.，vol.39，no.24，pp.1758-1760，Nov.2003。

近些年来，国外在研制增强型AlGaN/GaN HEMT器件中发现了一种新技术，即基于氟化物的等离子体注入技术。研究中发现，在AlGaN势垒层中注入氟离子由于F离子强的电负性，势垒层中的F离子将提供稳定的负电荷，从而可以有效的耗尽沟道区的强二维电子气。当注入的F离子数量达到一定数量后，沟道中的二维电子气完全耗尽，原来耗尽型的AlGaN/GaN HEMT被转换为增强型HEMT。2005年，香港科技大学电子工程部Y.CAI等人利用基于氟化物的等离子体处理技术成功研制了高性能的增强型AlGaN/GaN HEMT器件。据报道，室温下薄层载流子浓度为1.3×10¹³cm^-2，迁移率为1000cm²/Vs，器件的阈值电压为0.9V，最大漏极电流为310mA/mm，峰值跨导为148mS/mm，截止频率f_T为10.1GHz，最大谐振频率f_max为34.3GHz。参见文献Y.Cai，Y.G.Zhou，K.J.Chen，and K.M.Lau，“High-performance enhancement-mode AlGaN/GaN HEMTs using fluoride-based plasmatreatment，”IEEE Electron Device Lett.，vol.26，no.7，pp.435-437。

之后，关于增强型AlGaN/GaN HEMT器件的报道均是基于凹栅技术和基于氟化物的等离子体注入技术，其性能也不断刷新。2006年美国加里福尼亚大学PALACOS等人将这两种技术有效结合，研制出了一种高性能的增强型AlGaN/GaN HEMT器件。这个器件的栅长为160nm，阈值电压为0.1V，峰值跨导超过了400mS/mm，最大漏极电流达到了1.2A/mm，截止频率f_T竟也达到85GHz，最大谐振频率f_max为150GHz。参见文献T.Palacios，A.Chakraborty，S.Keller，S.P.DenBaars，“High-performance E-mode AlGaN/GaN HEMT，”IEEE Electron Device Lett.vol.27，no.6，JUNE 2006。

综上所述，当前，国际上增强型AlGaN/GaN HEMT器件的制作主要采用凹栅技术和基于氟化物的等离子体注入技术。现有技术目前还存在很大缺点，一是阈值电压不高，目前最高报道的只有0.9V，对于开关应用该阈值电压远远不够；二是无论刻蚀形成凹槽还是氟离子注入都会对材料造成损伤，虽然经过退火可以消除一定损伤，但是残留的损伤仍然会对器件性能和可靠性造成影响，同时目前这种工艺的重复性还不高；三是形成面向微波应用的短沟道器件时需要采用电子束直写等高档工艺设备来制作短栅长，工艺难度较大。

发明的内容

本发明的目的是：为了克服现有技术的缺点，提出了一种新型增强型AlGaN/GaNHEMT器件的实现方法。该实现方法成本低，工艺简单，重复性好，可靠性高，不会对材料造成损伤。可以获得高阈值电压以及纳米级有效沟道长度的增强型HEMT器件。

本发明的目的是这样实现的：本发明运用外延生长工艺，在AlN成核层和GaN外延层生长之后，在二次GaN外延层和AlGaN层生长之前，采用刻蚀台面的方法，使台面侧面上的异质结材料沿着非极化方向生长，从而极大的减弱了台面侧面上的异质结材料中的二维电子气密度。这样，将器件的栅极制作在台面的侧面上，当栅极上没有加电压时，导电沟道不会导通或者弱导通；当栅极上外加一定正偏压时，导电沟道导通。该增强型AlGaN/GaN HEMT器件的制备按如下几个步骤进行：

(1)在蓝宝石或碳化硅衬底基片上，利用MOCVD或者MBE工艺，生长AlN成核层；

(2)在AlN成核层上，生长GaN外延层；

(3)在GaN外延层上采用ICP或者RIE工艺刻蚀台面；

(4)刻蚀台面后，将上述制成的样品放入反应室内，二次生长GaN外延层；

(5)二次生长GaN外延层之后，外延生长AlGaN势垒层；

(6)在AlGaN势垒层上，采用LPCVD或者PECVD工艺淀积栅介质层，栅介质层可以是SiO₂或者SiN_x；

(7)栅介质层形成后，光刻源、漏区，获得源、漏区窗口；

(8)采用电子束蒸发工艺，在源、漏区窗口上蒸发欧姆接触金属，形成源、漏电极；

(9)源、漏电极形成后，在栅介质层上光刻栅极区域窗口，并在该栅极窗口上采用电子束蒸发工艺蒸发栅极金属，形成栅极；

(10)栅极形成后，光刻获得加厚电极图形。之后采用电子束蒸发工艺，加厚电极，完成器件制造。

上述的一种新型增强型AlGaN/GaN HEMT器件的实现方法，所说的生长AlN成核层其生长条件是：反应室的温度控制在450℃～550℃之间，反应速率小于5nm/分钟，厚度为20nm～40nm。

上述的一种新型增强型AlGaN/GaN HEMT器件的实现方法，所说的生长GaN外延层，其生长条件是：反应室的温度控制在900℃～1050℃之间，反应速率小于20nm/分钟，外延层厚度可以控制，一般在1～3μm。

上述的一种新型增强型AlGaN/GaN HEMT器件的实现方法，所说的在GaN外延层上刻蚀台面，在刻蚀台面的过程中，刻蚀的深度视器件所需要的栅长而定。刻蚀台面的目的是为了改变之后生长在其上的处于栅极下方的AlGaN/GaN异质结材料的生长方向，使该区域的异质结材料沿着非极化的方向生长。从而极大的减弱了栅极下方异质结中的二维电子气密度。

上述的一种新型增强型AlGaN/GaN HEMT器件的实现方法，所说的二次生长GaN外延层，它不仅有效地改善了台面刻蚀后的材料表面质量，更重要的是，通过二次GaN外延层厚度的调整，可以改变非极化面的倾斜角度，从而获得具有不同阈值电压的增强型HEMT器件，因为倾斜角度直接影响非极化面区域的二维电子气密度。

上述的一种新型增强型AlGaN/GaN HEMT器件的实现方法，所说的在栅介质层上光刻栅极区域窗口，栅极区域窗口选择在栅介质层的侧面上。由于栅极区域下方的异质结中只有极弱的二维电子气密度，当栅极上没有加电压时，导电沟道不会导通或者弱导通；当栅极上外加一定正偏压时，导电沟道导通。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明提出的方法，是通过在异质结材料生长之前进行台面刻蚀，使台面侧面上的异质结材料沿着非极化方向生长，从而极大的减弱了台面侧面上的异质结材料中的二维电子气，因而二维电子气耗尽率高，形成的增强型器件阈值电压较高，可达到1V以上。

(2)本发明实现中的工艺步骤均是当前国内相对比较成熟的，工艺过程也比较简单，成本较低，完全和成熟的耗尽型GaN基HEMT器件制备工艺兼容。特别是可以采用微米级光刻工具可以形成纳米级的有效沟道长度，大大降低了短沟道长度器件的工艺难度。

(3)本发明提出的方法，是使用外延生长工艺直接生长得到的。该方法与目前国外常用的凹槽刻蚀和离子注入技术相比，有效避免了刻蚀和离子注入引起的材料损伤，因此工艺重复性更好，器件可靠性更高。

(4)本发明第一次在国内提出了一种新型增强型AlGaN/GaN HEMT器件的实现方法，并给出了单片集成增强型和耗尽型HEMT反相器的实现方法，这将极大地扩展GaN基HEMT器件的应用领域。

附图说明

图1是本发明实施例1完成的单栅增强型AlGaN/GaN HEMT器件剖面结构示意图

图2是本发明实施例2完成的双栅增强型AlGaN/GaN HEMT器件剖面结构示意图

图3是本发明实施例3完成的单片集成增强型和耗尽型AlGaN/GaN HEMT反相器剖面结构示意图

具体实施方式

参见图1，它是本发明中实施例1完成的单栅增强型AlGaN/GaN HEMT器件剖面结构示意图。本实施例中生长衬底选用0001面蓝宝石衬底，按照如下过程制备单栅增强型AlGaN/GaN HEMT器件：

1.把蓝宝石衬底置于金属有机物化学气相淀积MOCVD设备的反应室中，将反应室的真空度抽至1×10^-2Torr之下，在氢气与氨气的混合气体保护下对蓝宝石衬底进行高温热处理和表面氮化，加热温度为1050℃，加热时间为5min，反应室压力为40Torr，通入氢气流量为1500sccm，氨气流量为1500sccm；

2.将衬底温度降低为500℃，保持生长压力为40Torr，氢气流量为1500sccm，氨气流量为1500sccm，向反应室通入流量为30μmol/min的铝源，以生长厚度为30nm的低温AlN成核层；

3.将生长温度升高为1000℃，保持生长压力为40Torr，氢气流量为1500sccm，氨气流量为1500sccm，向反应室通入流量为50μmol/min的镓源，以生长厚度为2000nm的GaN外延层；

4.淀积二氧化硅SiO₂：采用电子蒸发设备淀积厚度约为150nm的SiO₂层。增加该步骤是为了在样品上形成SiO₂和光刻胶共同起保护作用的双层掩模图形，更有利于保护未刻蚀区域表面；

5.光刻台面：对样品进行甩正胶，转速为5000转/min，然后再在温度为80℃的烘箱中烘10min，通过光刻以及显影形成刻蚀所需的窗口；

6.ICP刻蚀：采用ICP干法刻蚀GaN层，形成台面。刻蚀时采用的电极功率为600W，偏压为120V，压力为1Pa，刻蚀时间为200s；

7.除刻蚀后的掩模：采用丙酮去除刻蚀后的正胶，然后在BOE中浸泡1min去除SiO₂掩模，最后用去离子水清洗干净并用氮气吹干；

8.把样品再次置于金属有机物化学气相淀积MOCVD设备的反应室中，将反应室的真空度抽至1×10^-2Torr之下，在氢气与氨气的混合气体保护下对样品进行热处理，加热温度为1000℃，加热时间为5min，反应室压力为40Torr，通入氢气流量为1500sccm，氨气流量为1500sccm；

9.重复步骤3，二次生长100nm厚的GaN外延层；

10.向反应室同时通入铝源和镓源，控制好流量以及反应温度，依次生长3nm未掺杂AlGaN隔离层，15nmSi掺杂AlGaN势垒层和5nm未掺杂AlGaN帽层。势垒层掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3；

11.形成氮化硅SiN栅介质层：采用PECVD设备淀积厚度约为5nm的SiN层，然后采用步骤5相同方法在源漏区域形成窗口，采用湿法刻蚀去除源漏区域的SiN介质薄膜；

12.光刻源、漏区域：为了更好地剥离金属，首先在样品上甩黏附剂，转速为8000转/min，时间为30s，在温度为160℃的高温烘箱中烘20min；然后再在该样品上甩正胶，转速为5000转/min，最后在温度为80℃的高温烘箱中烘10min，光刻获得源、漏区域窗口；

13.打底膜：采用DQ-500等离子体去胶机去除窗口区未显影干净的光刻胶薄层，该步骤大大提高了剥离的成品率；

14.蒸发源、漏金属：采用VPC-1100电子束蒸发设备淀积Ti/Al/Ni/Au四层金属；

15.剥离金属及退火：在丙酮中浸泡20min以上后进行超声处理，然后用氮气吹干。将样品放入到快速退火炉中进行退火：首先向退火炉内通入氮气大约7分钟左右，然后在氮气气氛下，温度为850℃条件下进行30s的高温退火；

16.光刻栅极区域窗口：在样品上甩黏附剂，转速为8000转/min，时间为30s；在温度为160℃的高温烘箱内烘20min；然后再在该样品上甩正胶，转速为5000转/min，最后在温度为80℃的高温烘箱中烘10min，光刻获得栅极窗口；

17.蒸发栅金属：采用VPC-1100电子束蒸发设备蒸发Ni/Au两层金属，随后将样品浸泡在剥离液中2分钟，获得栅极；

18.光刻加厚电极：对样品进行甩正胶，转速为5000转/min，然后在温度为80℃的高温烘箱中烘10min，随后光刻获得加厚电极图形；

19.蒸发加厚电极及剥离：采用VPC-1100电子束蒸发设备蒸发Ti/Au两层金属，然后采用剥离工艺得到加厚电极。至此完成器件制造。

参见图2，它是本发明中实施例2完成的双栅增强型AlGaN/GaN HEMT器件剖面结构示意图。双栅增强型AlGaN/GaN HEMT器件的制造过程与实施例1其本相同。双栅增强型AlGaN/GaN HEMT器件共用一个源极，两个栅、漏极及AlGaN势垒层相对于源极为左右对称的结构。该器件的源、漏金属通过电子束蒸发Ti/Al/Ni/Au一次完成，之后两个栅极通过电子束蒸发Ti/Au一次完成。

参见图3，它是本发明中实施例3完成的单片集成增强型和耗尽型AlGaN/GaN HEMT反相器剖面结构示意图。生长衬底仍选用蓝宝石衬底，前续制备过程与实施例1基本相同，只是后续工艺有些变化。

后续工艺的主要变化是：一是耗尽型和增强型HEMT器件共用一个漏极，它们的源、漏电极通过电子束蒸发Ti/Al/Ni/Au一次完成；二是对于耗尽型HEMT器件，在上述的步骤11中同时将源、漏金属区域和栅金属区域的SiN介质去除，耗尽型器件采用Ni/Au双层金属肖特基栅，而增强型HEMT器件采用介质栅。

对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，能够在不背离本发明的原理和范围的情况下，根据本发明的方法进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1. 一种新型增强型AlGaN/GaN HEMT器件的实现方法，其实现步骤如下：

(1)在蓝宝石或碳化硅衬底基片上，利用MOCVD或者MBE工艺，生长AlN成核层；

(2)在AlN成核层上，生长GaN外延层；

(3)在GaN外延层上采用ICP或者RIE工艺刻蚀台面；

(4)刻蚀台面后，将上述制成的样品放入反应室内，二次生长GaN外延层；

(5)二次生长GaN外延层之后，外延生长AlGaN势垒层；

(6)在AlGaN势垒层上，采用LPCVD或者PECVD工艺淀积栅介质层，栅介质层可以是SiO₂或者SiN_x；

(7)栅介质层形成后，光刻源、漏区，获得源、漏区窗口；

(8)采用电子束蒸发工艺，在源、漏区窗口上蒸发欧姆接触金属，形成源、漏电极；

(9)源、漏电极形成后，在栅介质层上光刻栅极区域窗口，并在该栅极窗口上采用电子束蒸发工艺蒸发栅极金属，形成栅极；

(10)栅极形成后，光刻获得加厚电极图形，之后采用电子束蒸发工艺，加厚电极，完成器件制造。

2. 根据权利要求1所述的一种增强型AlGaN/GaN HEMT器件的制造方法，所说的生长AlN成核层其生长条件是：反应室的温度控制在450℃～550℃之间，反应速率小于5nm/分钟，厚度为20nm～40nm。

3. 根据权利要求1所述的增强型AlGaN/GaN HEMT器件的制造方法，所说的生长GaN外延层，其生长条件是：反应室的温度控制在900℃～1050℃之间，反应速率小于20nm/分钟，外延层厚度可以控制，一般在1～3μm。

4. 根据权利要求1所述的增强型AlGaN/GaN HEMT器件的制造方法，所说的在GaN外延层上刻蚀台面，在刻蚀台面的过程中，刻蚀的深度视器件所需要的栅长而定，台面刻蚀的目的是为了改变之后生长在其上的处于栅极下方的AlGaN/GaN异质结材料的生长方向，使该区域的异质结材料沿着非极化的方向生长，从而极大的减弱了栅极下方异质结中的二维电子气密度。

5. 根据权利要求1所述的增强型AlGaN/GaN HEMT器件的制造方法，所说的二次生长GaN外延层，它不仅有效地改善了台面刻蚀后的材料表面质量，更重要的是，通过二次GaN外延层厚度的调整，可以改变非极化面的倾斜角度，从而获得具有不同闽值电压的增强型HEMT器件，因为倾斜角度直接影响非极化面区域的二维电子气密度。

6. 根据权利要求1所述的增强型AlGaN/GaN HEMT器件的制造方法，所说的在栅介质层上光刻栅极区域窗口，栅极区域窗口选择在栅介质层的侧面上，由于栅极区域下方的异质结中只有极弱的二维电子气密度，当栅极上没有加电压时，导电沟道不会导通或者弱导通；当栅极上外加一定正偏压时，导电沟道导通。

Images