CN105355557A - 一种基于GaN基HEMT器件的Fin-HEMT器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于GaN基HEMT器件的Fin-HEMT器件及其制备方法，首先在GaN基异质结表面生长SiN层作为掩蔽层，然后光刻出Fin图形，并依次刻蚀SiN层和GaN基异质结层，形成Fin结构，最后再在Fin结构的栅位置光刻形成金属栅图形，刻蚀掉未被光刻胶掩蔽的SiN，然后在Fin结构侧壁形成介质层，最后在栅槽位置光刻栅图形，在整个结构表面进行金属蒸发，并剥离掉光刻胶，形成金属栅；其中，刻蚀SiN层和GaN基异质结分别在不同的刻蚀工艺气体下进行。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种半导体器件，特别涉及一种基于GaN基HEMT器件的Fin-HEMT器件及其制备方法。
【背景技术】
GaN基化合物作为第三代半导体材料，由于其突出的材料特性，已成为现代国际上研究的热点。GaN材料特有的异质结极化效应以及GaN材料的高电子饱和速度，使得GaN基HEMT器件成为良好的微波功率器件。而随着无线通信市场的快速发展以及传统军事应用的持续发展，微波器件在人类生活及工作的许多方面扮演着重要的角色。
GaN基HEMT器件的常规结构如图1所示，包括衬底1’、衬底上自下而上依次为GaN基异质结材料的缓冲层3’和势垒层5’，在所述势垒层上为源漏电极7’和栅电极9’，源漏电极为两个分别在栅电极的两侧，所述缓冲层通常为GaN，所述势垒层通常为AlGaN或InAlN，在源漏电极和栅电极之间的势垒层上还有钝化层。所述缓冲层和势垒层形成异质结结构，在异质结结构上，由于压电极化和自发极化效应，会在势垒层和缓冲层交接处，较靠近缓冲层的位置，形成一层带负电的二维电子气，由于能带的关系，二维电子气具有一定限域性。因此，当源漏电极存在电压差时，电子就会在该二维平面上根据电势方向移动，形成电流。同时，通过栅极施加一定负电压，能够耗尽电子，获得器件的开关控制。但是，传统的GaN基HEMT器件存在器件泄漏电流较大，无法获得成熟的增强型器件等问题。
目前，一种新的HEMT结构是引入硅基CMOS中的Fin-FET概念，构建GaN基HEMT器件的Fin-FET器件。由于加入了Fin-FET，能得到更好的栅控，降低器件的漏电流，得到更大的电流开关比，同时更好的栅控能力，有助于实现高质量的增强型GaN基HEMT器件。但是，这种Fin-FET器件，由于在工艺上，要首先刻蚀GaN/AlGaN基异质结材料形成Fin，刻蚀GaN的气体主要是氯基气体，如Cl2，而Fin的宽度需要在100nm以内，才能形成增强型的效果，而在该部工艺的光刻中，作为掩蔽的光刻胶对于氯基气体的刻蚀比往往很差，这样会形成刻蚀深宽比很低(即侧壁不陡直)的Fin，相当于减小了Fin的有效宽度，即损耗了器件的栅宽，降低了器件的饱和电流，栅控效果等性能。
【发明内容】
本发明提供了一种基于GaN基HEMT器件的Fin-HEMT器件及其制备方法，使用耐氯基气体刻蚀的SiN介质作为Fin的刻蚀掩蔽层，不但保证了Fin的有效宽度，而且能够形成侧壁陡直，形貌良好的Fin，同时SiN又是很好的GaN基异质结材料的钝化层，能够有效抑制GaN基HEMT器件的电流崩塌效应。
一种基于GaN基HEMT器件的Fin-HEMT器件的制备方法，首先在GaN基异质结表面生长SiN层作为掩蔽层，然后光刻出Fin图形，并依次刻蚀SiN层和GaN基异质结层，形成Fin结构，再在Fin结构的栅位置光刻形成栅图形，刻蚀掉未被光刻胶掩蔽的SiN，然后在Fin结构侧壁形成介质层，最后在栅槽位置光刻栅图形，在整个结构表面进行金属蒸发，并剥离掉光刻胶，形成金属栅；其中，刻蚀SiN层和GaN基异质结分别在不同的刻蚀工艺气体下进行。
刻蚀SiN层采用氟基气体作为刻蚀的工艺气体，刻蚀GaN基异质结层采用氯基气体作为刻蚀的工艺气体。
所述氟基气体包括CF4、SF6，所述氯基气体包括BCl3或Cl2。
在Fin结构的栅位置形成金属栅的工艺步骤为：首先在栅位置光刻形成栅图形，再采用氟基气体作为刻蚀的工艺气体，刻蚀掉未被光刻胶掩蔽的SiN，形成栅槽，然后在栅槽位置光刻栅图形并进行金属蒸发，形成金属栅。
所述介质层的相对介电常数K大于SiO2或SiN的相对介电常数。
所述介质层为Al2O3，AlN，HfO2等相对介电常数高于SiN材料的介质层，相对介电常数范围在7以上。
一种基于GaN基HEMT器件的Fin-HEMT器件，包括衬底、生长在衬底上的GaN基异质结、形成在GaN基异质结上的Fin结构以及位于Fin结构上的栅金属，其中，所述Fin结构包括GaN以及设置在GaN上表面的SiN层；且Fin结构的侧面生长有与SiN相同材质或不同材质的介质层。
所述介质层的相对介电常数大于SiO2或SiN的相对介电常数。
所述介质层的相对介电常数大于7。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明使用耐氯基气体刻蚀的SiN介质作为Fin的刻蚀掩蔽层，不但保证了Fin的有效宽度，而且能够形成侧壁陡直，形貌良好的Fin，以提高器件性能，同时SiN又是很好的GaN基异质结的钝化层，能够有效抑制GaN基HEMT器件的电流崩塌效应。
【附图说明】
图1为GaN基HEMT器件的常规结构示意图。
图2为本发明提出的一种基于GaN基HEMT器件的Fin-HEMT器件的结构图。
图3为本发明器件的制备方法流程图，其中，包括有介质层。
图4为本发明器件的制备方法流程图，其中，不包括介质层。
【具体实施方式】
本专利的发明内容如图2所示，在GaN基HEMT器件的Fin-HEMT器件中，通过在表面使用耐Cl2刻蚀的SiN介质作为Fin的刻蚀掩蔽层，能够形成侧壁陡直，形貌良好的Fin，以提高器件性能，同时SiN又是很好的GaN基异质结的钝化层，能够有效抑制GaN基HEMT器件的电流崩塌效应(已有研究表明，SiN介质是目前GaN基HEMT器件领域最稳定，最能够抑制电流崩塌的钝化材料)，因此在刻蚀后SiN层无需去除，可直接作为Fin-HEMT器件的上表面钝化层，同时可以在侧面采用其他相对于SiN具有更高的相对介电常数的材料作为栅介质层(简称高K介质，相对介电常数在7以上)，如Al2O3，AlN，HfO2等，栅介质层能够修复材料刻蚀损伤，同时采用高相对介电常数的材料作为栅介质，其可以在相同等效电容的情况下，获得更厚的物理厚度，从而能进一步抑制栅漏电；或者，在相同的物理厚度的情况下，获得更高的等效电容，从而增强栅极的控制能力，相对常规的单介质材料HEMT器件，这种双材料介质层同时具有两种介质材料的优势，进而获得更好的器件性能。
本专利的工艺步骤如图3和图4所示：
1.在异质结表面生长SiN层，工艺方法可为PECVD淀积技术；
2.在wafer表面(即SiN层)，通过光刻技术形成Fin的光刻胶图形，主要步骤为涂胶、曝光、显影；
3.刻蚀掉SiN层，其中没有光刻胶掩蔽的SiN表面被刻蚀掉，刻蚀可采用ICP技术或RIE技术，光刻采用氟基气体作为刻蚀的工艺气体，如CF4、SF6；
4.变换刻蚀工艺气体和其他刻蚀条件，继续刻蚀GaN基异质结层，形成Fin结构，光刻可采用Cl基气体作为刻蚀的工艺气体，如BCl3或Cl2等，刻蚀完成后如有残留的光刻胶，可在去胶液中去除；
5.在Fin上，栅位置处光刻形成栅图形，并刻蚀掉未被光刻胶掩蔽的SiN(可采用ICP或RIE技术，采用F基气体作为刻蚀的工艺气体，如CF4、SF6)；
6.选择性地，在Fin结构侧面生长高K介质，形成侧面的介质层。
7.在栅槽位置光刻栅图形，并在wafer整个表面进行金属蒸发，并剥离掉光刻胶，形成金属栅。
本发明先生长SiN，再利用SiN做掩蔽层，来刻蚀出GaN材料Fin结构，SiN具有高的抗Cl2刻蚀性，能够获得良好的Fin形貌，同时SiN层无需去除，可直接作为HEMT器件的钝化层，提高器件性能。其次，本发明在Fin结构的侧壁生长其他高K介质层，可以降低器件漏电，相对平面HEMT器件，这种双材料介质层同时具有两种介质材料的优势，能够获得更好的器件性能。
Claims (10)
1.一种基于GaN基HEMT器件的Fin-HEMT器件的制备方法，其特征在于：首先在GaN基异质结表面生长SiN层作为掩蔽层，然后光刻出Fin图形，并依次刻蚀SiN层和GaN基异质结GaN基异质结，形成Fin结构，再在Fin结构的栅位置光刻形成栅图形，刻蚀掉未被光刻胶掩蔽的SiN，然后在Fin结构侧壁形成介质层，最后在栅槽位置光刻栅图形，在整个结构表面进行金属蒸发，并剥离掉光刻胶，形成金属栅；其中，刻蚀SiN层和GaN基异质结GaN基异质结分别在不同的刻蚀工艺气体下进行。
2.根据权利要求1所述的一种基于GaN基HEMT器件的Fin-HEMT器件的制备方法，其特征在于：刻蚀SiN层采用氟基气体作为刻蚀的工艺气体，刻蚀GaN基异质结采用氯基气体作为刻蚀的工艺气体。
3.根据权利要求2所述的一种基于GaN基HEMT器件的Fin-HEMT器件的制备方法，其特征在于：所述氟基气体包括CF4、SF6，所述氯基气体包括BCl3或Cl2。
4.根据权利要求1所述的一种基于GaN基HEMT器件的Fin-HEMT器件的制备方法，其特征在于：在Fin结构的栅位置形成金属栅的工艺步骤为：首先在栅位置光刻形成栅图形，再采用氟基气体作为刻蚀的工艺气体，刻蚀掉未被光刻胶掩蔽的SiN，形成栅槽，然后在栅槽位置光刻栅图形并进行金属蒸发，形成金属栅。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的一种基于GaN基HEMT器件的Fin-HEMT器件的制备方法，其特征在于：所述介质层的相对介电常数K大于SiO2或SiN的相对介电常数。
6.根据权利要求5所述的一种基于GaN基HEMT器件的Fin-HEMT器件的制备方法，其特征在于：所述介质层为Al2O3或AlN或HfO2。
7.一种基于GaN基HEMT器件的Fin-HEMT器件，其特征在于：包括衬底、外延生长在衬底上的GaN基异质结、形成在GaN基异质结上的Fin结构以及位于Fin结构上的栅金属，其中，所述Fin结构包括GaN以及设置在GaN上表面的SiN层，且Fin结构的侧面生长有与SiN相同材质或不同材质的介质层。
8.根据权利要求7所述的一种基于GaN基HEMT器件的Fin-HEMT器件，其特征在于：所述介质层的相对介电常数大于SiO2或SiN的相对介电常数。
9.根据权利要求7所述的一种基于GaN基HEMT器件的Fin-HEMT器件，其特征在于：所述介质层的相对介电常数大于7。
10.根据权利要求7所述的一种基于GaN基HEMT器件的Fin-HEMT器件，其特征在于：所述介质层为Al2O3或AlN或HfO2。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20160224 |