CN101350311A - AlGaN/GaN MISHEMT器件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了AlGaN/GaN MISHEMT器件的制备方法，主要解决AlGaN外延层与Al2O3介质薄膜界面处过渡层较厚的问题。该制备方法包括：在AlGaN/GaN外延层上制备源漏欧姆接触；对AlGaN/GaN外延层进行刻蚀实现有源区电隔离；对AlGaN外延层进行表面处理；在基片表面进行Al2O3薄膜淀积；在源漏接触中间制备栅金属以及后续源、漏、栅电极的制作。其中，基片表面处理是对进行完有源区电隔离步骤后的基片表面进行酸性溶液腐蚀和N2等离子体的氮化，以去除氧化层，减小后续Al2O3薄膜淀积过程中形成的过渡层厚度。本发明可用于高温、高频大功率器件的制作，用本方法制作的器件具有AlGaN/GaN MISHEMT器件栅漏反向泄漏电流降低，击穿电压高的优点。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，涉及化合物半导体金属-绝缘层-半导体场效应管的制作方法，用于高温、高频大功率器件的制作。
背景技术
以氮化镓GaN为代表的第三代宽禁带半导体具有大禁带宽度、高临界场强、高热导率、高载流子饱和速率、异质结界面二维电子气浓度高等优良特性，使其倍受人们的关注。尤其利用这种材料制作的金属肖特基场效应管MESFET、AlGaN/GaN异质结金属-绝缘层-半导体高电子迁移率晶体管MISHEMT器件在微波大功率方面有着无法比拟的优异性能。
通过在AlGaN/GaN异质结表面淀积一层致密、绝缘性能优良的纳米级绝缘介质，如SiO2，SiN，Al2O3，制备得到AlGaN/GaN MISHEMT器件，与常规AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管HEMT相比较，该器件具有将栅极泄漏电流减小3-5个数量级；提高了器件的输入阻抗，易于构成功率放大器时的输入匹配；降低器件静态功耗，提高效率；提高了器件击穿电压，使该器件更适合高压工作；又可同时实现器件表面的钝化，抑制电流崩塌效应，提高器件的可靠性等优点。2004年P.D.Ye采用原子层淀积ALD法在AlGaN外延层表面淀积了3.5nm厚的Al2O3，在此基础上制备的AlGaN/GaN MISHEMT器件，通过测试发现AlGaN/GaNMISHEMT器件的栅极反向泄漏电流比AlGaN/GaN HEMT器件减小了2个数量级。
但是AlGaN外延层表面很容易在空气中形成自然氧化层，因此在AlGaN/GaN MISHEMT器件的制备工艺过程中，对该氧化层以及AlGaN外延层的适当处理必不可少，否则将会由于AlGaN外延层与Al2O3介质薄膜界面处疏松过渡层的存在，引起Al2O3薄膜绝缘性能的退化和介电常数的减小，最终造成AlGaN/GaN MISHEMT器件栅极反向泄漏电流的增加、击穿电压的降低、器件性能的退化以及寿命的大大降低。因此采用何种工艺流程实现AlGaN外延层与Al2O3薄膜界面处过渡层的有效控制进而减小栅极泄漏电流，是制备高性能AlGaN/GaN MISHEMT器件的关键问题，但到目前为止尚未有公开报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备AlGaN/GaN MISHEMT器件的工艺方法，以降低AlGaN/GaN MISHEMT器件栅漏反向泄漏电流，提高器件击穿电压，增强器件的工作稳定性和使用寿命。
为实现上述目的，本发明提供了AlGaN/GaN MISHEMT器件的工艺流程，包括如下过程：
源漏欧姆接触制作步骤：在有AlGaN/GaN外延层的基片上涂光刻胶光刻出源、漏区域，再将光刻好的材料基片放入电子束蒸发反应室中蒸发四层或五层金属，然后通过剥离和退火，实现低阻欧姆接触；
有源区电隔离步骤：在制作完欧姆接触后的基片上涂光刻胶光刻出有源区区域，再放入ICP反应室中对没有光刻胶保护的区域进行AlGaN/GaN外延层的刻蚀，实现有源区的电隔离；
基片表面处理步骤：对进行完有源区电隔离步骤后的基片表面进行酸性溶液腐蚀和N2等离子体的氮化，以去除氧化层，减小后续Al2O3薄膜淀积过程中形成的过渡层厚度；
Al2O3薄膜淀积步骤：将表面处理后的基片放入原子层淀积反应室中淀积Al2O3介质薄膜；
栅金属制作步骤：在淀积Al2O3介质薄膜后的基片上涂光刻胶光刻出栅区域，再将光刻好的基片放入电子束蒸发反应室中蒸发Ni/Au两种金属，然后通过剥离实现栅金属接触；
电极制作步骤：在整个基片表面涂光刻胶光刻出电极区域，采用HF∶H2O＝1∶10的腐蚀溶液对电极区域的Al2O3薄膜进行腐蚀、并用去离子水冲洗吹干，再将腐蚀后的基片放入电子束蒸发反应室中蒸发Ti/Au两种金属，并通过剥离实现电极制备。
发明具有以下优点：
1.本发明由于在常规AlGaN/GaN MISHEMT器件有源区电隔离完成后加入基片表面处理步骤，抑制了AlGaN外延层与Al2O3介质薄膜界面处的过渡层厚度，保证了介质高绝缘性能以减小泄露电流。
2、采用本发明制备的AlGaN/GaN MISHEMT器件，由于在基片处理步骤中对N2等离子体的氮化工艺条件进行了优化，避免了AlGaN外延层表面的损伤及器件性能的退化。
3、由于本发明工艺流程简单，易于实施，耗材费用低廉，基片处理步骤中所用的感应耦合等离子体设备采用生产或研制GaN基器件必备的刻蚀设备，因此不需要添加额外的设备，即可提高AlGaN/GaN MISHEMT器件的性能，因此适用于工业化生产高性能的微波功率AlGaN/GaNMISHEMT器件。
实测表明，当栅漏反偏电压为20V，采用本工艺流程制备的AlGaN/GaN MISHEMT器件比未采用本工艺流程制备的AlGaN/GaNMISHEMT器件，栅漏反偏泄漏电流减小了1个数量级。
附图说明
图1为本发明AlGaN/GaN MISHEMT器件的制备工艺流程框图；
图2为采用本发明制备的AlGaN/GaN MISHEMT器件结构图；
图3为采用本发明制备的AlGaN/GaN MISHEMT器件与未采用本发明制备的AlGaN/GaN MISHEMT器件的栅漏反向泄漏电流的测试结果图。
具体实施方式
参照图1，本发明给出三种实施例：
实施例一，具体步骤如下：
步骤1，源漏欧姆接触的制备。
1a.将外延有AlGaN/GaN异质结材料的基片依次在丙酮、乙醇溶液中超声清洗3min；
1b.将清洗后的基片用流动的去离子水冲洗3min并用高纯N2吹干；
1c.在清洗好的材料基片上涂光刻胶并光刻出源、漏区域；
1d.将光刻好的材料基片放入电子束蒸发反应室中完成厚度为20nm/150nm/55nm/45nm的Ti/Al/Ni/Au金属欧姆接触金属的制备，然后将基片取出完成金属剥离，最后在870℃下进行40s的快速热退火，实现低阻欧姆接触。
步骤2，ICP干法刻蚀实现有源区电隔离。
2a.将完成欧姆接触制备的基片依次在丙酮、乙醇溶液中分别超声清洗3min；
2b.将清洗后的基片用流动的去离子水冲洗3min并用高纯N2吹干；
2c.在清洗好的材料基片上涂光刻胶并光刻出有源区区域；
2d.将光刻好的材料基片放入ICP反应室中对未有光刻胶保护的区域进行AlGaN/GaN外延层的刻蚀，采用的工艺条件为：ICP上电极功率为500W，下电极功率为40W，Cl2流量为30sccm，N2流量为10sccm，刻蚀深度约为200nm。
步骤3，基片表面处理步骤。
3a.将完成有源区电隔离的基片依次在丙酮、乙醇溶液中分别超声3min
3b.将清洗后的基片用流动的去离子水冲洗3min并用高纯N2吹干；
3c将吹干后的基片放入HCl∶HF∶H2O＝1∶1∶8的溶液中进行40s的腐蚀；
3d将腐蚀后的基片用流动的去离子水冲洗清洗3min并用高纯氮气吹干；
3e.调整感应耦合等离子体干法刻蚀机的上电极功率为200W，下电极功率为30W；
3f.将吹干后的基片立即放入该刻蚀机的反应室中，并调整反应室的N2流量为15sccm，压力为2.0Pa，对基片进行3min的表面氮化。
步骤4，Al2O3薄膜淀积步骤。
将完成表面处理的基片立即放入原子层淀积ALD反应室中，调整反应室TMA的流量为50sccm，H2O的流量为500sccm，并对基片加热至300℃，在基片表面淀积5nm厚的Al2O3介质薄膜；
步骤5，栅金属制作步骤
5a.将完成有源区电隔离的基片依次在丙酮、乙醇溶液中分别超声3min
5b.将清洗后的基片用流动的去离子水冲洗3min并用高纯N2吹干；
5c.在清洗好的材料基片上涂光刻胶并光刻出栅区域；
5d.将光刻好的材料基片先放入电子束蒸发反应室中完成厚度为20nm/300nm的Ni/Au栅接触金属的制备，然后将基片取出实现金属剥离，此时形成绝缘栅器件结构。
步骤6，电极制作步骤。
6a.将完成有源区电隔离的基片依次在丙酮、乙醇溶液中分别超声3min；
6b.将清洗后的基片用流动的去离子水冲洗3min并用高纯N2吹干；
6c.在清洗好的材料基片上涂光刻胶并光刻出电极区域；
6d.将光刻好的材料基片先放入HF∶H2O＝1∶10的溶液中腐蚀20s，然后用流动的去离子水冲洗基片3min并用高纯N2吹干；
6e.将腐蚀后的材料基片放入电子束蒸发反应室中完成厚度为20nm/200nm的电极金属Ti/Au的制备，然后将基片取出实现金属剥离形成电极。
实施例二，具体步骤如下：
步骤1，源漏欧姆接触的制备。
1a.将外延有AlGaN/GaN异质结材料的基片依次在丙酮、乙醇溶液中超声清洗4min；
1b.将清洗后的基片用流动的去离子水冲洗4min并用高纯N2吹干；
1c.在清洗好的材料基片上涂光刻胶并光刻出源、漏区域；
1d.将光刻好的材料基片先放入电子束蒸发反应室中完成厚度为10nm/20nm/120nm/55nm/45nm的Ta/Ti/Al/Ni/Au欧姆接触金属的制备，然后将基片取出完成金属剥离，最后在870℃下进行40s的快速热退火，实现低阻欧姆接触。
步骤2，ICP干法刻蚀实现有源区电隔离。
2a.将完成欧姆接触制备的基片依次在丙酮、乙醇溶液中分别超声4min；
2b.将清洗后的基片用流动的去离子水冲洗4min并用高纯N2吹干；
2c.在清洗好的材料基片上涂光刻胶并光刻出有源区区域；
2d.将光刻好的材料基片放入ICP反应室中对未有光刻胶保护的区域进行AlGaN/GaN外延层的刻蚀，采用的工艺条件为，ICP上电极功率为500W，下电极功率为40W，Cl2流量为30sccm，N2流量为10sccm，刻蚀深度约为200nm。
步骤3，基片表面处理步骤。
3a.将完成有源区电隔离的基片依次在丙酮、乙醇溶液中分别超声4min；
3b.将清洗后的基片用流动的去离子水冲洗4min并用高纯N2吹干；
3c将吹干后的基片放入HCl∶HF∶H2O＝1∶1∶8的溶液中进行20s的腐蚀；
3d将腐蚀后的基片用流动的去离子水清洗并用高纯氮气吹干；
3e.调整感应耦合等离子体干法刻蚀机的上电极功率为400W，下电极功率为10W；
3f.将吹干后的基片立即放入该刻蚀机的反应室中，并调整反应室的N2流量为5sccm，压力为1.0Pa，对基片进行6min的表面氮化。
步骤4，Al2O3薄膜淀积步骤。
将完成表面处理的基片立即放入原子层淀积(ALD)反应室中，调整反应室TMA的流量为50sccm，H2O的流量为500sccm，并对基片加热至300℃，在基片表面淀积5nm厚的Al2O3介质薄膜；
步骤5，栅金属制作步骤
5a.将完成有源区电隔离的基片依次在丙酮、乙醇溶液中分别超声4min
5b.将清洗后的基片用流动的去离子水冲洗4min并用高纯N2吹干；
5c.在清洗好的材料基片上涂光刻胶并光刻出栅区域；
5d.将光刻好的材料基片放入电子束蒸发反应室中完成厚度为20nm/300nm的Ni/Au栅接触金属的制备，然后将基片取出实现金属剥离，此时形成绝缘栅器件结构。
步骤6，电极制作步骤。
6a.将完成有源区电隔离的基片依次在丙酮、乙醇溶液中分别超声4min；
6b.将清洗后的基片用流动的去离子水冲洗4min并用高纯N2吹干；
6c.在清洗好的材料基片上涂光刻胶并光刻出电极区域；
6d.将光刻好的材料基片先放入HF∶H2O＝1∶10的溶液中腐蚀25s，然后用流动的去离子水冲洗基片4min并用高纯N2吹干；
6e.将腐蚀后的材料基片放入电子束蒸发反应室中完成厚度为20nm/200nm的电极金属Ti/Au的制备，然后将基片取出实现金属剥离形成电极。
实施例三，具体步骤如下：
步骤1，源漏欧姆接触的制备。
1a.将外延有AlGaN/GaN异质结材料的基片依次在丙酮、乙醇溶液中超声清洗6min；
1b.将清洗后的基片用流动的去离子水冲洗6min并用高纯N2吹干；
1c.在清洗好的材料基片上涂光刻胶并光刻出源、漏区域；
1d.将光刻好的材料基片先放入电子束蒸发反应室中完成厚度为20nm/150nm/55nm/45nm的Ti/Al/Ni/Au金属欧姆接触金属的制备，然后将基片取出完成金属剥离，最后在870℃下进行40s的快速热退火，实现低阻欧姆接触。
步骤2，ICP干法刻蚀实现有源区电隔离。
2a.将完成欧姆接触制备的基片依次在丙酮、乙醇溶液中分别超声6min；
2b.将清洗后的基片用流动的去离子水冲洗6min并用高纯N2吹干；
2c.在清洗好的材料基片上涂光刻胶并光刻出有源区区域；
2d.将光刻好的材料基片放入ICP反应室中对未有光刻胶保护的区域进行AlGaN/GaN外延层的刻蚀，采用的工艺条件为：ICP上电极功率为500W，下电极功率为40W，Cl2流量为30sccm，N2流量为10sccm，刻蚀深度约为200nm。
步骤3，基片表面处理步骤。
3a.将完成有源区电隔离的基片依次在丙酮、乙醇溶液中分别超声6min；
3b.将清洗后的基片用流动的去离子水冲洗6min并用高纯N2吹干；
3c将吹干后的基片放入HCl∶HF∶H2O＝1∶1∶8的溶液中进行30s的腐蚀；
3d将腐蚀后的基片用流动的去离子水清洗并用高纯氮气吹干；
3e.调整感应耦合等离子体干法刻蚀机的上电极功率为300W，下电极功率为20W；
3f.将吹干后的基片立即放入该刻蚀机的反应室中，并调整反应室的N2流量为10sccm，压力为1.2Pa，对基片进行5min的表面氮化。
步骤4，Al2O3薄膜淀积步骤。
将完成表面处理的基片立即放入原子层淀积ALD反应室中，调整反应室TMA的流量为50sccm，H2O的流量为500sccm，并对基片加热至300℃，在基片表面淀积5nm厚的Al2O3介质薄膜。
步骤5，栅金属制作步骤。
5a.将完成有源区电隔离的基片依次在丙酮、乙醇溶液中分别超声6min；
5b.将清洗后的基片用流动的去离子水冲洗6min并用高纯N2吹干；
5c.在清洗好的材料基片上涂光刻胶并光刻出栅区域；
5d.将光刻好的材料基片先放入电子束蒸发反应室中完成厚度为20nm/300nm的Ni/Au栅接触金属的制备，然后将基片取出实现金属剥离，此时形成绝缘栅器件结构。
步骤6，电极制作步骤。
6a.将完成有源区电隔离的基片依次在丙酮、乙醇溶液中分别超声6min；
6b.将清洗后的基片用流动的去离子水冲洗6min并用高纯N2吹干；
6c.在清洗好的材料基片上涂光刻胶并光刻出电极区域；
6d.将光刻好的材料基片先放入HF∶H2O＝1∶10的溶液中腐蚀30s，然后用流动的去离子水冲洗基片6min并用高纯N2吹干；
6e.将腐蚀后的材料基片先放入电子束蒸发反应室中完成厚度为20nm/200nm的电极金属Ti/Au的制备，然后将基片取出实现金属剥离形成电极。
本发明实施例一、实施例二、实施例三制备的器件结构如图2所示。图2中最底层为衬底，该衬底为蓝宝石或者硅或者碳化硅；衬底上依次为GaN和AlGaN外延层，该外延层上淀积的Al2O3介质薄膜厚度为5nm，在AlGaN外延层上分别制备有源电极S、漏电极D和栅电极G。
本发明的效果可以通过实测结果进一步说明：
测试过程：
对图3采用本发明制备的AlGaN/GaN MISHEMT器件和未采用本发明制备的AlGaN/GaN MISHEMT器件同时进行栅漏反向泄漏电流测试，当栅漏反偏电压为20V时，采用本发明制备的AlGaN/GaN MISHEMT器件泄漏电流为3.34×10-8A，未采用本发明制备的AlGaN/GaNMISHEMT器件泄漏电流为2.03×10-9A。
可见采用本发明制备的AlGaN/GaN MISHEMT器件栅漏反相当泄漏电流减小了约1个数量级。
Claims (9)
1.一种AlGaN/GaN MISHEMT器件的制备方法，包括以下步骤：
源漏欧姆接触制作步骤：在有AlGaN/GaN外延层的基片上涂光刻胶光刻出源、漏区域，再将光刻好的材料基片放入电子束蒸发反应室中蒸发四层或五层金属，然后通过剥离和退火，实现低阻欧姆接触；
有源区电隔离步骤：在制作完欧姆接触后的基片上涂光刻胶光刻出有源区区域，再放入ICP反应室中对没有光刻胶保护的区域进行AlGaN/GaN外延层的刻蚀，实现有源区的电隔离；
基片表面处理步骤：对进行完有源区电隔离步骤后的基片表面进行酸性溶液腐蚀和N2等离子体的氮化，以去除氧化层，减小后续Al2O3薄膜淀积过程中形成的过渡层厚度；
Al2O3薄膜淀积步骤：将表面处理后的基片放入原子层淀积反应室中淀积Al2O3介质薄膜；
栅金属制作步骤：在淀积Al2O3介质薄膜后的基片上涂光刻胶光刻出栅区域，再将光刻好的基片放入电子束蒸发反应室中蒸发Ni/Au两种金属，然后通过剥离实现栅金属接触；
电极制作步骤：在整个基片表面涂光刻胶光刻出电极区域，采用HF∶H2O＝1∶10的腐蚀溶液对电极区域的Al2O3薄膜进行腐蚀、冲洗吹干，再将腐蚀后的基片放入电子束蒸发反应室中蒸发Ti/Au两种金属，并通过剥离实现电极制备。
2.根据权利要求1所述的AlGaN/GaN MISHEMT器件制备方法，其中，在源漏欧姆接触制作步骤、有源区电隔离步骤、栅金属制作步骤和电极制作步骤之前均要进行清洗步骤，即将基片依次在丙酮、乙醇溶液中分别超声清洗1次，并用流动的去离子水冲洗吹干。
3.根据权利要求1所述的AlGaN/GaN MISHEMT器件制备方法，其中，基片表面处理步骤中所述的对进行完有源区电隔离步骤后的基片表面进行酸性溶液腐蚀以及N2等离子体的低能量氮化处理，具体过程如下，
3a对完成有源区电隔离的基片进行有机超声清洗；
3b将清洗后的基片用流动的去离子水冲洗并用高纯氮气吹干；
3c将吹干后的基片放入HCl∶HF∶H2O＝1∶1∶8的溶液中进行20～40s的腐蚀；
3d将腐蚀后的基片用流动的去离子水清洗并用高纯氮气吹干；
3e.调整感应耦合等离子体干法刻蚀机的上电极功率为200W～400W，下电极功率为10W～30W；
3f.将吹干后的基片立即放入该刻蚀机的反应室中，并调整反应室的N2流量为5～15sccm，压力为1～2Pa，对基片进行3～6min的表面氮化。
4.根据权利要求1所述的AlGaN/GaN MISHEMT器件制备方法，其中，源漏欧姆接触制备步骤中所述的在基片上蒸发四层金属为厚度为20nm/150nm/55nm/45nm的Ti/Al/Ni/Au金属。
5.根据权利要求1所述的AlGaN/GaN MISHEMT器件制备方法，其中，源漏欧姆接触制备步骤中所述的在基片上蒸发五层金属为厚度为10nm/20nm/120nm/55nm/45nm的Ta/Ti/Al/Ni/Au金属。
6.根据权利要求1所述的AlGaN/GaN MISHEMT器件制备方法，其中，有源区电隔离步骤中所述的对没有光刻胶保护的区域进行AlGaN/GaN外延层刻蚀，采用的工艺条件为，ICP上电极功率为500W，下电极功率为40W，Cl2流量为30sccm，N2流量为10sccm，反应室压力为1.5Pa，刻蚀深度为200nm。
7.根据权利要求1所述的AlGaN/GaN MISHEMT器件制备方法，其中，Al2O3薄膜淀积步骤中所述的淀积Al2O3介质薄膜，采用的工艺条件为：淀积温度为300℃，TMA的流量为50sccm，H2O的流量为500sccm。
8.根据权利要求1所述的AlGaN/GaN MISHEMT器件制备方法，其中，栅金属制备步骤中所述的蒸发Ni/Au两种金属，设定厚度为20nm/300nm。
9.根据权利要求1所述的AlGaN/GaN MISHEMT器件制备方法，其中电极制备步骤中所述的蒸发Ti/Au两种金属，采用的工艺条件为：反应室真空度为1.6×10-3Pa，蒸发速率为0.3nm/s，设定厚度为20nm/200nm。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20090121 |