CN115498034B - 一种GaN HEMT器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种GaN HEMT器件及其制备方法。在一具体实施方式中，包括缓冲层；在缓冲层上方形成的GaN沟道层；在GaN沟道层上方形成的势垒层；在势垒层上方形成的栅极、源极和漏极；第一钝化层，其形成在栅极和漏极之间的区域以及栅极和源极之间的区域中；以及栅极场板，其电连接到栅极并形成在第一钝化层上方，该栅极场板上形成有图形化开孔。该实施方式通过图形化的场板结构，直接控制场板产生电场的强度大小、强度的均匀性和面积大小，能够平均峰值电场；同时也可以最大面积上抑制虚栅形成，有利于器件更稳定工作；而且可以有效提升场板金属的制程良率，也可以降低贵金属的使用量，降低生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及半导体领域。更具体地，涉及一种GaN HEMT器件及其制备方法。
背景技术
第三代半导体材料氮化镓(GaN)具有宽带隙、高电子饱和漂移速度和高击穿电场等优越的物理特性，已成为高温、高频、高压和高功率密度等方向的研究热点，并且以GaN为基本材料所形成的异质结，如AlGaN/GaN，在合适的外延生长、器件结构和生产工艺的条件下，可以获得高浓度和高迁移率的二维电子气。因此，以GaN为基本材料制作的氮化镓基高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor，HMET)电子器件具备了高温、高频、高压和高功率等工作特性，不但广泛应用于无线通信、航空航天和雷达等微波射频领域，而且也成功地应用于对功率和可靠性要求较高的电力电子领域，如新能源汽车、轨道交通以及智能快充等产业。
在实际产业化应用中，GaN HEMT器件的优越特性却受到一些实际情况的制约，导致器件性能难以达到理论值。其中，GaN HEMT器件的击穿电压和可靠性受到的影响尤为关键。而击穿电压不但是衡量GaN HEMT器件的关键性指标，也是衡量可靠性的关键指标。
一方面，GaN HEMT在高频高压状态下工作时，需要承受极高的漏极电压，电场线会聚集在器件漏极和栅极之间。然而，由于不可避免的HEMT器件原理的结构设计，使得电场在沟道中呈不均匀分布，栅极靠近漏极一侧边缘会累积极高的峰值电场。通常GaN HEMT栅极峰值电场大小决定了整个器件的击穿电压，这往往造成器件实际击穿电压远低于GaN材料理论击穿电压值，因此需要在器件结构设计的时候采取措施消除或抑制局部峰值电场，即需要抑制局部的高电场。
另一方面，GaN HEMT器件产生的电流崩塌效应，不仅限制了器件的输出功率，还直接制约了器件的应用。电流崩塌本质上是由材料中的陷阱导致的，虚栅模型对于其物理机制给出了普遍认同的解释。概括为陷阱俘获电子，使沟道2DEG减小，从而形成对沟道电流具有控制作用的“虚栅”，表面态、AlGaN势垒层陷阱及GaN缓冲层陷阱等均可起到虚栅的作用。器件表面生长钝化层可有效改变表面态能级，降低表面态对器件沟道电子密度的影响，达到抑制电流崩塌的目的。AlGaN势垒层厚度远小于GaN缓冲层，且在异质结界面处AlGaN势垒高度高于GaN，沟道2DEG进入AlGaN势垒层的浓度较小。相比GaN缓冲层陷阱，AlGaN势垒层陷阱对电流崩塌影响较小。对于GaN缓冲层陷阱引起的电流崩塌效应，难以从工艺上得到有效解决。因此在实际工艺中，需要对缓冲层进行人为掺杂来实现缓冲层的高阻特性，防止缓冲层漏电现象。因此，进一步研究缓冲层陷阱对电流崩塌的影响，提出新结构器件抑制电流崩塌是一个亟待解决的问题。特别是电力电子器件的运用领域所对应的电压和电流等级比较高，处理的功率较大，相应的器件面积也较大，由于材料成熟度发展较慢，在较大面积上一致性地保持较低的缺陷密度比较困难。
为了提高器件的击穿电压，并抑制了“虚栅”的形成，目前最常见的方法是采用场板结构。场板结构平缓了GaN HEMT器件的电极间电场峰值，并抑制了“虚栅”的形成，使得其击穿电压有显著提升。
场板材料为金属，它可与器件电极和互连金属的制备同步完成(即厚度和材料，可与电极或互联金属的相同)，其放置于源极和漏极之间，可以与源极、栅极或漏极其中的任意电极相连，也可以不连接，也可以放置多个场板与不同电极相连接。场板可以通过优化电极的电场分布，使得器件表面的电场分布更加均匀，同时也抑制了“虚栅”的形成，就可以显著地提高器件击穿电压和可靠性。
尽管如此，但目前常见的场板仍然存在明显的缺陷。一方面，不论是单场板和多场板的常规结构，还是倾斜场板和阶梯场板的非常规结构，特别是曲面场板，都是面积远超于HEMT栅源漏尺寸的整块结构，在实际产业化的实现场板的工艺流程中，这种情况明显降低了制造良率，增加了生产成本。另一方面，对于非常规结构的场板，特别是梯度场板，还有倾斜场板，需要增加一道或多道光刻工艺，与之也需增加一道或多道的蚀刻工艺和薄膜工艺，这样不但增加了工艺流程复杂性和工序步骤，还大大增加了生产成本。
因此，针对场板的作用和上述目前场板技术存在的明显缺陷，本发明提出了一种GaN HEMT器件及其制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种GaN HEMT器件及其制备方法，以解决现有技术存在的问题中的至少一个。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
本发明第一方面提供了一种GaN HEMT器件，包括
缓冲层；
在缓冲层上方形成的GaN沟道层；
在GaN沟道层上方形成的势垒层；
在势垒层上方形成的栅极、源极和漏极；
第一钝化层，其形成在栅极和漏极之间的区域以及栅极和源极之间的区域中；以及
栅极场板，其电连接到栅极并形成在第一钝化层上方，该栅极场板上形成有图形化开孔。
可选地，所述器件进一步包括
第二钝化层，其形成在所述栅极场板和第一钝化层上方，填充所述栅极场板的图形化开孔，以及
源极场板，其电连接到源极并形成在第二钝化层上方朝向栅极延伸超出栅极边缘；和/或
漏极场板，其电连接到漏极并在第二钝化层上方朝向栅极延伸，
其中所述源极场板和/或漏极场板上形成有图形化开孔。
可选地，图形化场板开孔的形状为正方形、长方形或菱形。
可选地，图形化场板的开孔具有相同的形状和大小。
可选地，图形化场板的开孔具有不同的大小或具有不同的排列密度。
可选地，靠近电极侧图形化场板开孔部分的面积小于远离电极侧开孔部分面积分布。
可选地，所述器件进一步包括
衬底；
形成在所述衬底和所述缓冲层之间的成核过渡层。
可选地，所述器件进一步包括
形成在所述沟道层和势垒层之间的隔离层；和
形成在所述势垒层上方的帽层。
本发明第二方面提供了一种GaN HEMT器件的制备方法，包括
在衬底上形成缓冲层；
在缓冲层上方形成GaN沟道层；
在GaN沟道层上方形成势垒层；
在势垒层上方形成的栅极、源极和漏极；
在栅极和漏极之间的区域以及栅极和源极之间的区域中形成第一钝化层；
在第一钝化层上方形成具有多个开孔的图形化栅极场板。
可选地，所述方法进一步包括
在所述栅极场板和所述第一钝化层上方形成第二钝化层，
在所述第二钝化层上形成具有多个开孔的图形化源极场板和/或形成有多个开孔的漏极场板。
可选地，形成图形化电极场板，例如栅极场板、源极场板或漏极场板的步骤包括
形成其厚度对应于电极场板厚度的钝化层，对钝化层进行图形化，在该钝化层中形成通孔，通孔形状对应于电极场板的形状，在通孔中淀积金属，得到图形化电极场板。
可选地，形成图形化电极场板，例如栅极场板、源极场板或漏极场板的步骤包括
形成电极场板金属层，对电极场板金属层进行图形化，得到其中形成通孔的电极场板。在得到的电极场板上形成钝化层。
本发明第三方面提供了一种GaN HEMT器件，包括
缓冲层；
在缓冲层上方形成的GaN沟道层；
在GaN沟道层上方形成的势垒层；
在势垒层上方形成的栅极、源极和漏极；
第一钝化层，其形成在栅极和漏极之间的区域以及栅极和源极之间的区域中；以及
源极场板，其电连接到源极并形成在第一钝化层上方朝向栅极延伸超出栅极边缘，该源极场板上形成有图形化开孔；和/或
漏极场板，其电连接到漏极并在第一钝化层上方朝向栅极延伸，
其中所述源极场板和/或漏极场板上形成有图形化开孔。
可选地，靠近电极侧图形化场板开孔部分的面积分布小于远离电极侧开孔部分面积分布。
本发明第四方面提供了一种GaN HEMT器件的制备方法，包括
在衬底上形成缓冲层；
在缓冲层上方形成GaN沟道层；
在GaN沟道层上方形成势垒层；
在势垒层上方形成的栅极、源极和漏极；
在栅极和漏极之间的区域以及栅极和源极之间的区域中形成第一钝化层；
在所述栅极和第一钝化层上方形成第二钝化层；
在所述第二钝化层上形成源极漏极电极层；
图形化所述源极漏极电极层，得到其中形成有开孔的源极场板和/或形成有开孔的漏极场板。
本发明的有益效果如下：
本发明公开的一种GaN HEMT器件及其制备方法，可以通过图形化的场板结构，直接控制场板产生电场的强度大小、强度的均匀性和面积大小，能够平均峰值电场；同时也可以最大面积上抑制虚栅形成，有利于器件更稳定工作；而且可以有效提升场板金属的制程良率，也可以降低贵金属的使用量，降低生产成本。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出本发明实施例提供的GaN HEMT器件的外延晶圆平面结构示意图。
图2示出本发明实施例提供的GaN HEMT器件的外延晶圆立体结构示意图。
图3示出本发明实施例提供的GaN HEMT器件的源极和漏极平面结构示意图。
图4示出本发明实施例提供的GaN HEMT器件的源极和漏极立体结构示意图。
图5示出本发明实施例提供的GaN HEMT器件的电学隔离区域平面结构示意图。
图6示出本发明实施例提供的GaN HEMT器件的电学隔离区域立体结构示意图。
图7示出本发明实施例提供的GaN HEMT器件的一次钝化层平面结构示意图。
图8示出本发明实施例提供的GaN HEMT器件的一次钝化层立体结构示意图。
图9示出本发明实施例提供的GaN HEMT器件的栅极平面结构示意图。
图10示出本发明实施例提供的GaN HEMT器件的栅极立体结构示意图。
图11示出本发明实施例提供的GaN HEMT器件的二次钝化层平面结构示意图。
图12示出本发明实施例提供的GaN HEMT器件的图形化源极场板、图形化漏极场板和图形化栅极场板平面结构示意图。
图13示出本发明实施例提供的GaN HEMT器件的图形化源极场板、图形化漏极场板和图形化栅极场板立体结构示意图。
图14示出本发明实施例提供的GaN HEMT器件的几种图形化场板的俯视图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
本发明的第一个实施例提供了一种GaN HEMT器件，包括缓冲层；在缓冲层上方形成的GaN沟道层；在GaN沟道层上方形成的势垒层；在势垒层上方形成的栅极、源极和漏极；第一钝化层，其形成在栅极和漏极之间的区域以及栅极和源极之间的区域中；以及栅极场板，其电连接到栅极并形成在第一钝化层上方，该栅极场板上形成有图形化开孔。
在一种可能的实现方式中，所述器件进一步包括第二钝化层，其形成在所述栅极场板和第一钝化层上方，填充所述栅极场板的图形化开孔，以及源极场板，其电连接到源极并形成在第二钝化层上方朝向栅极延伸超出栅极边缘；和/或漏极场板，其电连接到漏极并在第二钝化层上方朝向栅极延伸，其中所述源极场板和/或漏极场板上形成有图形化开孔。
在一种可能的实现方式中，图形化场板开孔的形状为正方形、长方形或菱形。
本实施例可以通过设计场板开孔的大小和分布，明显地简化和降低非常规结构场板(如倾斜场板、梯度场板和曲面场板)的工艺流程和工艺难度；可以通过设计场板开孔的大小和分布，明显地简化常规场板和非常规场板的场板的工艺流程，降低贵金属的使用量，节约生产成本。可以通过设计场板开孔的大小和分布，明显地提升常规场板和非常规场板的剥离工艺的良率，场板与剥离溶液的接触区域更大，而且场板的面积也更小了，因此所需的剥离时间可以缩短了，从而解决了比如剥离不净和金属刮伤等问题。
在一种可能的实现方式中，图形化场板的开孔具有相同的形状和大小。
本实施例中开孔大小的尺寸在0.5um～2.4um，相当于正方形的边长或圆形的直径。选取栅极场板的长度为3.4um，开孔边长取值为1.0um～2.4um，并假设栅极场板是正方形以及开孔也是正方形。当只考虑一个开孔时，对于开孔大小一致且均匀分布的栅极场板，边长是2.4um时，开孔占场板的面积比最大为70.6％；边长是1.0um时，开孔占场板的面积比最大为29.4％。
在一种可能的实现方式中，图形化场板的开孔具有不同的大小或具有不同的排列密度。
本实施例考虑到加了电压的电极自身或电极侧壁本来就是电场集中的区域，另外场板或金属板的边缘也是电场集中的区域，所以图形化场板的开孔必定是非均匀性的最优。而且相对源电极、漏电极、栅电极的大小来说，场板的有限性大小已经说明了有个非均匀性特性的需求。
本实施例中非均匀性开孔的排布，对于栅极场板来说，是距离电极近的地方疏，远的地方密，漏极场板也是如此，即距离加压的电极，越近就越疏；非均匀性开孔的大小，对于栅极场板来说，是距离电极近的地方小，远的地方大，漏极场板也是如此，即距离加压的电极，越近就越小；对于场板自身来说，越靠近场板边缘，开孔的排布越密；考虑到虚栅的效应，场板在源电极和漏电极之间，特别是靠近栅极，不开孔最好；总体来说越靠近加压电极开孔的排布越疏。
在一种可能的实现方式中，靠近电极侧图形化场板开孔部分的面积小于远离电极侧开孔部分面积分布。
本实施例可以通过设计场板开孔的大小和分布，一方面可以获得更精细的场强分布，另一方面，也可以直接平面形式来控制场板产生电场的强度、均匀性和面积，而不像Γ型、T型或V型，以及倾斜、阶梯、立体或曲面的场板，需要更多的工艺步骤和更难的工艺来形成空间结构的场板，才能达到所需强度、均匀性和面积的电场强度。
而且本实施例最大面积地的实现了常规结构场板和非常规结构场板的作用，即可以降低和平均电极间或局部的峰值电场而降低了击穿电压，以提高器件的工作电压，也可以抑制虚栅形成和电流崩塌效应产生，以提高器件的可靠性，而更利于器件稳定工作。
在一种可能的实现方式中，所述器件进一步包括衬底；形成在所述衬底和所述缓冲层之间的成核过渡层。
在一种可能的实现方式中，所述器件进一步包括形成在所述沟道层和势垒层之间的隔离层；和形成在所述势垒层上方的帽层。
本发明第二个实施例提供了一种GaN HEMT器件的制备方法，包括在衬底上形成缓冲层；在缓冲层上方形成GaN沟道层；在GaN沟道层上方形成势垒层；在势垒层上方形成的栅极、源极和漏极；在栅极和漏极之间的区域以及栅极和源极之间的区域中形成第一钝化层；在第一钝化层上方形成具有多个开孔的图形化栅极场板。
在一种可能的实现方式中，所述方法进一步包括在所述栅极场板和所述第一钝化层上方形成第二钝化层，在所述第二钝化层上形成具有多个开孔的图形化源极场板和/或形成有多个开孔的漏极场板。
在一种可能的实现方式中，形成图形化电极场板，例如栅极场板、源极场板或漏极场板的步骤包括形成其厚度对应于电极场板厚度的钝化层，对钝化层进行图形化，在该钝化层中形成通孔，通孔形状对应于电极场板图形化的形状，在通孔中淀积金属，得到图形化电极场板。
在一种可能的实现方式中，形成图形化电极场板，例如栅极场板、源极场板或漏极场板的步骤包括形成电极场板金属层，对电极场板金属层进行图形化，得到其中形成通孔的电极场板。在得到的电极场板上形成钝化层。
本发明第三个实施例提供了一种GaN HEMT器件，包括缓冲层；在缓冲层上方形成的GaN沟道层；在GaN沟道层上方形成的势垒层；在势垒层上方形成的栅极、源极和漏极；第一钝化层，其形成在栅极和漏极之间的区域以及栅极和源极之间的区域中；以及源极场板，其电连接到源极并形成在第一钝化层上方朝向栅极延伸超出栅极边缘，该源极场板上形成有图形化开孔；和/或漏极场板，其电连接到漏极并在第一钝化层上方朝向栅极延伸，其中所述源极场板和/或漏极场板上形成有图形化开孔。
在一种可能的实现方式中，靠近电极侧图形化场板开孔部分的面积分布小于远离电极侧开孔部分面积分布。
本发明第四个实施例提供了一种GaN HEMT器件的制备方法，包括在衬底上形成缓冲层；在缓冲层上方形成GaN沟道层；在GaN沟道层上方形成势垒层；在势垒层上方形成的栅极、源极和漏极；在栅极和漏极之间的区域以及栅极和源极之间的区域中形成第一钝化层；在所述栅极和第一钝化层上方形成第二钝化层；在所述第二钝化层上形成源极漏极电极层；图形化所述源极漏极电极层，得到其中形成有开孔的源极场板和/或形成有开孔的漏极场板。
本实施例可以通过图形化的场板结构，直接控制场板产生电场的强度大小、强度的均匀性和面积大小，能够平均峰值电场；同时也可以最大面积上抑制虚栅形成，有利于器件更稳定工作；而且可以有效提升场板金属的制程良率，也可以降低贵金属的使用量，降低生产成本。
在一个具体示例中，GaN HEMT器件的图形化场板技术的制备过程包括：
S1：获取外延晶圆并进行清洗，所述外延晶圆自下而上依次包括衬底100、成核过渡层200、缓冲层300、沟道层400、隔离层500、势垒层600和帽层700。其平面结构示意图和立体结构示意图分别如图1和图2所示。
一般而言，GaN HEMT的基本结构是衬底100、沟道层400、势垒层600。本实施例的器件是在已含有衬底100、成核过渡层200、缓冲层300、沟道层400、隔离层500、势垒层600和帽层700的外延晶圆上进行制备的。其中，衬底100、成核过渡层200、缓冲层300、沟道层400、隔离层500、势垒层600和帽层700从下到上依次设置，衬底100为Si或Sapphire或GaN或SiC或金刚石等，成核过渡层200为AlGaN或GaN等，缓冲层300为GaN或AlGaN等，沟道层400为GaN等，隔离层500为AlN等，势垒层600为AlGaN等和帽层700为GaN等。
将该外延晶圆先用ACE溶液和超声波进行清洗，再用剥离液清洗，然后再用ACE溶液和超声波清洗后，再用IPA和超声波进行清洗，之后用高纯DIW清洗，最后，使用HF溶液清洗，再分别使用高纯DIW和热PN2进行清洗吹干。
S2：在所述帽层700上形成源电极810和漏电极820。其平面结构示意图和立体结构示意图分别如图3和图4所示。
实际工作中，有的GaN HEMT器件的源电极810和漏电极820，会把电极下面的帽层700去除掉而将源电极810和漏电极820与势垒层600相接触形成电极。进一步地，所述S2包括：
S21：在所述GaN帽层700上进行光刻胶涂布、曝光和显影而得到源电极图形和漏电极图形。
首先用光刻胶涂布机将所述外延晶圆的正表面全部涂布好光刻胶，然后再用光刻板和光刻机对涂布光刻胶后的外延晶圆进行曝光，最后再用显影机得到源电极图形和漏电极图形。
S22：在所述源电极图形区域和所述漏电极图形区域的上方沉积多层金属，以作源电极810和漏电极820。
在本实施例中，采用电子束蒸发工艺进行多层金属沉积，也可以采用热蒸发工艺或磁控溅射工艺进行多层金属沉积。进一步地，所述S22包括：
S221：去除残留光刻胶。
将完成源电极区域和漏电极区域的光刻的外延晶圆用等离子体去胶机去除图形区未显影干净的光刻胶残留，该工序将显著提高了S2中的金属去除的良率。
S222：电子束蒸发源电极810和漏电极820的多层金属。
将完成等离子体去胶的外延晶圆放入电子束蒸发设备中，对晶圆全部正表面进行多层金属的沉积，其中，晶圆源电极和漏电极区域获得金属层，该金属层由下而上依次是Ti势垒层金属、Al覆盖层金属、Ni隔离层金属和Au帽层金属。其中，所述势垒层600金属还可以选择为Ti、Ta、Zr或Co，所述隔离层500金属还可以选择为Ti、Pa、Ni、Cr、Pt、Pd、Ta、W或Mo，所述帽层700金属还可以选择为TiN、TiW、W或TiC。
S223：剥离金属。
将完成源电极810和漏电极820的金属蒸发的外延晶圆，分别通过剥离液浸泡、剥离液剥离、ACE清洗和IPA清洗后，获得了源电极和漏电极的多层金属而得到源电极810和漏电极820。
S3：在所述外延晶圆有源区边缘表面通过离子注入工艺而至缓冲层300，形成有源区域电学隔离，也可以采用刻蚀工艺，比如电感耦合等离子(Inductive Coupled Plasma，ICP)。在本实施例中，采用离子注入设备进行隔离。其平面结构示意图和立体结构示意图分别如图5和图6所示。
进一步地，所述S3包括：
S31：在所述外延晶圆的帽层700上进行光刻而形成电学隔离区域900。
首先，用光刻胶涂布机将所述外延晶圆的正表面全部涂布好光刻胶，然后再用光刻板和光刻机对涂布光刻胶后的外延晶圆进行曝光，最后再用显影机得到源电极图形和漏电极图形。
S32：在所述GaN帽层700上进行离子注入形成所述电学隔离区域900。
对完成光刻的外延晶圆，采用离子注入工艺将离子沿着GaN帽层700表面的隔离区域，由上到下注入到从GaN帽层700到GaN缓冲层300的垂直区域中，即实现有源区的电学隔离。
S33：退火。
完成离子注入后，将外延晶圆放入快速退火炉中，在氮气或真空环境下进行高温退火，以完成离子注入的激活，同时使源电极810和漏电极820上方的势垒层金属和AlGaN势垒层相互扩散，形成欧姆接触特性的源电极810和漏电极820。
S34：去除光刻胶。
将依次完成电学隔离区域900离子注入和退火后的的外延晶圆，用剥离机去除光刻胶后，再用等离子体去胶机将残留的光刻胶去除干净。
S4：在GaN帽层700上使用等离子增强化学气相沉积工艺(PECVD)生长Si3N4膜层，以形成一次Si3N4钝化层1000。其平面结构示意图和立体结构示意图分别如图7和图8所示。
进一步地，所述S4包括：
S41：对完成源、漏欧姆接触电极的外延晶圆进行清洗。
S42：在包括GaN帽层700、源电极810和漏电极820的整个外延晶圆表面上，使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺生长一次Si3N4钝化层1000。
S5：在源电极810与漏电极820之间的GaN帽层700上形成栅电极830。其平面结构示意图和立体结构示意图分别如图9和图10所示。
进一步地，所述S5包括：
S51：在Si3N4钝化层1000上涂布光刻胶光刻出栅槽图形，利用干法刻蚀设备去除曝光区域。进一步地，所述S51包括：
S511：在钝化层1000上光刻栅槽区域。
首先，用光刻胶涂布机将所述外延晶圆的正表面全部涂布好光刻胶，然后再用光刻板和光刻机对涂布光刻胶后的外延晶圆进行曝光，最后再用显影机得到源电极图形和漏电极图形。
S512：干法刻蚀产生栅槽。
利用干法刻蚀设备，比如反应离子刻蚀(RIE，Reaction Ion Etch)设备干法刻蚀去除栅电极所在位置处的钝化层1000，以暴露GaN帽层700，并形成栅槽。
S513：去除残留光刻胶。
将完成栅电极区域的光刻的外延晶圆用等离子体去胶机去除图形区未显影干净的光刻胶残留，该工序将显著提高了S5中的金属去除的良率。
S52：采用电子束蒸发工艺，在外延晶圆所有的正表面上沉积多层金属，在栅槽上方形成栅电极金属层，然后再去除光刻胶和不需要的金属层，即可得到栅电极830。进一步地，所述S52包括：
S521：电子束蒸发栅电极金属。
将完成槽栅开孔的外延晶圆放入电子束蒸发设备中，对晶圆全部正表面进行多层金属的沉积，晶圆栅电极区域即获得栅电极金属层，该栅金属层由下向上依次是作为附着层的Ni金属层和用来增强肖特基栅导电性的帽层Au金属层。其中，该栅电极830的接触层还可以选择为Ir、Ti、Ta，帽层700还可以选择为TiN、Pt、TiW、W、TiC、Pd或TaN。
S522：剥离金属。
将完成栅电极的金属蒸发的外延晶圆，分别通过剥离液浸泡、剥离液剥离、ACE清洗和IPA清洗后，获得了栅电极的多层金属而得到栅电极830。
S6：在完成栅电极830后对外延晶圆全部正面使用等离子增强化学气相沉积工艺(PECVD)生长Si3N4膜层，以形成二次Si3N4钝化层1100。其平面结构示意图如图11所示。
进一步地，所述S6包括：
S61：对完成栅电极830的外延晶圆进行清洗。
S62：在包括栅电极830的整个外延晶圆表面上，使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺生长二次Si3N4钝化层1100。
S7：在所述二次Si3N4钝化层1100上形成与所述源电极810或所述漏电极820或所述栅电极830互联或不互联的图形化的场板，即图形化源极场板8100、图形化漏极场板8200和图形化栅极场板8300。其平面结构示意图和立体结构示意图分别如图12和图13所示。
实际这一步是和GaN HEMT器件结构中的一次互联金属层同步完成的。
进一步地，所述S7包括：
S71：在二次Si3N4钝化层1100上涂布光刻胶光刻出与所述源电极810或所述漏电极820或所述栅电极830互联或不互联的图形化的场板的图形，利用干法刻蚀设备去除曝光区域。
S711：在二次Si3N4钝化层1100上光刻图形化的场板的区域。
首先用光刻胶涂布机将所述外延晶圆的正表面全部涂布好光刻胶，然后再用光刻板和光刻机对涂布光刻胶后的外延晶圆进行曝光，最后再用显影机得到源电极图形和漏电极图形。
S712：干法刻蚀产生图形化的场板的区域。
利用干法刻蚀设备，比如反应离子刻蚀设备干法刻蚀去除图形化的场板，所在位置处的二次Si3N4钝化层1100。
S713：去除残留光刻胶。
将完成图形化的场板的区域的光刻的外延晶圆用等离子体去胶机去除图形区未显影干净的光刻胶残留，该工序将显著提高了S7中的金属去除的良率。
S72：采用电子束蒸发工艺，或者热蒸发工艺或磁控溅射工艺，在外延晶圆所有的正表面上沉积多层金属，在图形化的场板区域形成图形化的场板金属层，然后再去除光刻胶和不需要的金属层，即可得到图形化的场板，即图形化源极场板8100、图形化漏极场板8200和图形化栅极场板8300。进一步地，所述S72包括：
S721：电子束蒸发图形化的场板金属。
将完成等离子体去胶的外延晶圆放入电子束蒸发设备中，对晶圆全部正表面进行多层金属的沉积，晶圆图形化的场板区域形成图形化的场板金属层，该金属层由下而上依次是Ti附着层金属和Au帽层金属。其中所述势垒层600金属还可以选择为Ta、Zr、Ir、Ta或Co，所述帽层700金属还可以选择为TiN、Pt、TiW、W、Pd、TaN或TiC。
S722：剥离金属。
将完成栅电极830的金属蒸发的外延晶圆，分别通过剥离液浸泡、剥离液剥离、ACE清洗和IPA清洗后，获得了栅电极的多层金属而得到栅电极830。
图中Si衬底100的厚度一般为675um，Sapphire衬底100的厚度一般为450um，SiC衬底100的厚度一般为500um，成核过渡层200的厚度一般为30nm，缓冲层300的厚度一般为300nm，沟道层400的厚度一般为1.5um，隔离层500的厚度一般为2nm，势垒层600的厚度一般为25nm，帽层700的厚度一般为1.5nm，Si3N4钝化层1的厚度一般为120nm，Si3N4钝化层2的厚度一般为120nm，图形化源极场板8100的厚度一般为420nm，图像化漏极场板8200的厚度一般为420nm，图形化栅极场板8300的厚度一般为420nm。
如图14所示为本发明实施例提供的GaN HEMT器件的几种图形化场板的俯视图。图中包括大小一致的正方形的平均分布的图形化场板示意图、大小一致的菱形的平均分布的图形化场板示意图、大小一致的正方形的非平均分布的图形化场板示意图和大小不一致的正方形的非平均分布的图形化场板示意图，其中大小不一致的正方形的非平均分布的图形化场板示意图的开孔的尺寸可设在0.5um～2.4um之间。
本实施例可以通过图形化的场板结构，直接控制场板产生电场的强度大小、强度的均匀性和面积大小，能够平均峰值电场；同时也可以最大面积上抑制虚栅形成，有利于器件更稳定工作；而且可以有效提升场板金属的制程良率，也可以降低贵金属的使用量，降低生产成本。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于本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，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (10)
1.一种GaN HEMT器件，包括
缓冲层；
在缓冲层上方形成的GaN沟道层；
在GaN沟道层上方形成的势垒层；
在势垒层上方形成的栅极、源极和漏极；
第一钝化层，其形成在栅极和漏极之间的区域以及栅极和源极之间的区域中；以及
栅极场板，其电连接到栅极并形成在第一钝化层上方，该栅极场板上形成有图形化开孔；
所述缓冲层为GaN缓冲层；
所述图形化开孔包括非均匀性开孔；
所述栅极场板中的非均匀性开孔在距离栅极近的地方疏，在距离栅极远的地方密；所述栅极场板中的非均匀性开孔在距离栅极近的地方小，在距离栅极远的地方大。
2.根据权利要求1所述的GaN HEMT器件，其特征在于，所述器件进一步包括
第二钝化层，其形成在所述栅极场板和第一钝化层上方，填充所述栅极场板的图形化开孔，以及
源极场板，其电连接到源极并形成在第二钝化层上方朝向栅极延伸超出栅极边缘；或
漏极场板，其电连接到漏极并在第二钝化层上方朝向栅极延伸，
其中所述源极场板或漏极场板上形成有图形化开孔。
3.根据权利要求1或2所述的GaN HEMT器件，其特征在于，所述图形化开孔的形状为正方形、长方形或菱形。
4.根据权利要求1或2所述的GaN HEMT器件，其特征在于，所述图形化开孔具有相同的形状。
5.根据权利要求4所述的GaN HEMT器件，其特征在于，靠近栅极侧图形化开孔部分的面积小于远离栅极侧图形化开孔部分的面积。
6.一种GaN HEMT器件的制备方法，其特征在于，该方法包括
在衬底上形成缓冲层；
在缓冲层上方形成GaN沟道层；
在GaN沟道层上方形成势垒层；
在势垒层上方形成的栅极、源极和漏极；
在栅极和漏极之间的区域以及栅极和源极之间的区域中形成第一钝化层；
在第一钝化层上方形成具有多个开孔的图形化栅极场板；
所述缓冲层为GaN缓冲层；
所述图形化栅极场板包括非均匀性开孔；
所述栅极场板中的非均匀性开孔在距离栅极近的地方疏，在距离栅极远的地方密；所述栅极场板中的非均匀性开孔在距离栅极近的地方小，在距离栅极远的地方大。
7.根据权利要求6所述的GaN HEMT器件的制备方法，其特征在于，所述方法进一步包括
在所述栅极场板和所述第一钝化层上方形成第二钝化层，
在所述第二钝化层上形成具有多个开孔的图形化源极场板和/或形成有多个开孔的漏极场板。
8.一种GaN HEMT器件，包括
缓冲层；
在缓冲层上方形成的GaN沟道层；
在GaN沟道层上方形成的势垒层；
在势垒层上方形成的栅极、源极和漏极；
第一钝化层，其形成在栅极和漏极之间的区域以及栅极和源极之间的区域中；以及
源极场板，其电连接到源极并形成在第一钝化层上方朝向栅极延伸超出栅极边缘，该源极场板上形成有源极场板图形化开孔，所述源极场板图形化开孔包括非均匀性开孔，所述源极场板中的非均匀性开孔在距离源极近的地方疏，在距离源极远的地方密，所述源极场板中的非均匀性开孔在距离源极近的地方小，在距离源极远的地方大；或
漏极场板，其电连接到漏极并在第一钝化层上方朝向栅极延伸，该漏极场板上形成有漏极场板图形化开孔，所述漏极场板图形化开孔包括非均匀性开孔，所述漏极场板中的非均匀性开孔在距离漏极近的地方疏，在距离漏极远的地方密；所述漏极场板中的非均匀性开孔在距离漏极近的地方小，在距离漏极远的地方大；
所述缓冲层为GaN缓冲层。
9.根据权利要求8所述的GaN HEMT器件，其特征在于，靠近源极侧的源极场板图形化开孔部分的面积小于远离源极侧的源极场板图形化开孔部分的面积；
靠近漏极侧的漏极场板图形化开孔部分的面积小于远离漏极侧的漏极场板图形化开孔部分的面积。
10.一种GaN HEMT器件的制备方法，其特征在于，该方法包括
在衬底上形成缓冲层；
在缓冲层上方形成GaN沟道层；
在GaN沟道层上方形成势垒层；
在势垒层上方形成的栅极、源极和漏极；
在栅极和漏极之间的区域以及栅极和源极之间的区域中形成第一钝化层；
在所述栅极和第一钝化层上方形成第二钝化层；
在所述第二钝化层上形成源极漏极电极层；
图形化所述源极漏极电极层，得到其中形成有开孔的源极场板和/或形成有开孔的漏极场板；
所述缓冲层为GaN缓冲层；
所述有开孔的源极场板包括源极场板非均匀性开孔，所述源极场板非均匀性开孔在距离源极近的地方疏，在距离源极远的地方密；所述源极场板非均匀性开孔在距离源极近的地方小，在距离源极近远的地方大；
所述有开孔的漏极场板包括漏极场板非均匀性开孔，所述漏极场板非均匀性开孔在距离漏极近的地方疏，在距离漏极远的地方密；所述漏极场板非均匀性开孔在距离漏极近的地方小，在距离漏极近远的地方大。
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| CN115498034A (zh) | 2022-12-20 |
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| PB01 | Publication | ||
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