CN116666427A - 一种基于选区退火的高击穿电压增强型GaN器件及制备方法 - Google Patents
一种基于选区退火的高击穿电压增强型GaN器件及制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于选区退火的高击穿电压增强型GaN器件及制备方法，属于微电子器件领域，包括SiC衬底和生长在SiC衬底上的AlN成核层，AlN成核层上方依次为GaN缓冲层、AlN***层、AlGaN势垒层、p‑GaN帽层，p‑GaN帽层两侧分别为源电极和漏电极，p‑GaN帽层上方为SiO2钝化层和栅电极，SiO2钝化层上方为栅电极场板，栅电极场板上方为SiO2钝化层，SiO2钝化层上方为源电极场板。本发明通过对特定区域的p‑GaN进行激光快速热退火，可以对栅极下方的p‑GaN进行选区激活，从而可以通过更为简单的制备工艺得到击穿电压更高且稳定性更好的增强型GaN器件。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于选区退火的高击穿电压增强型GaN器件及制备方法，属于微电子器件技术领域。
背景技术
为了应对日益严重的全球变暖问题，实现碳中和的目标，功率器件需要进一步的技术创新，电源转换器必须比当前的更高效、更小、更可靠。功率晶体管用作电源转换模块的开关时，需要三方面性能提升：(1)低导通电阻；(2)高开关速度；(3)具备非破坏性击穿能力。对于主流的硅晶体管来说，这三种性能几乎已达到材料的极限，而以氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体，具有宽禁带、高的饱和漂移速度、大的临界击穿电场、抗辐射等材料特性，其GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)特别适合用于大功率、高速、低损耗的功率开关模块和电路，在光伏逆变器、消费性电子产品电源、电信和数据通讯、电动汽车等领域具有广阔的应用前景。
AlGaN/GaN HEMT也有其局限性，由于常规的AlGaN/GaN HEMT为耗尽性器件，无法直接应用在集成电路中，而凹槽栅和F基气体处理等方法虽然可以实现增强型功能，但其对工艺的精度要求较高，且器件的性能不够稳定。目前商用的增强型GaN HEMT器件普遍使用p-GaN帽层耗尽栅极下方沟道中的二维电子气(2DEG)，从而实现增强型的功能。但外延的p-GaN帽层需要很高的温度来激活掺杂的Mg离子，且在后续的器件制备工艺中需要只保留栅极下方的p-GaN，这就对p-GaN刻蚀深度的精确性提出了非常高的要求，增加了工艺的复杂度并且降低了器件良率。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于选区退火的高击穿电压增强型GaN器件及制备方法，通过对特定区域的p-GaN进行激光快速热退火，可以对栅极下方的p-GaN进行选区激活，从而可以通过更为简单的制备工艺得到击穿电压更高且稳定性更好的增强型GaN器件。
本发明采用如下技术方案：
一种基于选区退火的高击穿电压增强型GaN器件，包括SiC衬底和生长在SiC衬底上的AlN成核层，AlN成核层上方依次为GaN缓冲层、AlN***层、AlGaN势垒层、p-GaN帽层，p-GaN帽层两侧分别为欧姆接触金属源电极和欧姆接触金属漏电极，p-GaN帽层上方为SiO2钝化层和肖特基接触金属栅电极，SiO2钝化层上方为金属栅电极场板，金属栅电极场板上方为SiO2钝化层，SiO2钝化层上方为金属源电极场板；p-GaN帽层中，位于栅电极下方的区域被激光退火激活。上述所有结构共同构成增强型p-GaN/AlGaN/GaN HEMT。
由于外延生长的p-GaN帽层需要在较高温度下退火才能激活其中的Mg离子，而普通的退火炉只能对全部区域进行退火，这就导致无法在器件制备的过程中进行退火激活，因为高温会对器件的其它结构造成损伤。而选择器件制备之前退火激活p-GaN帽层，就需要在制备工艺中仅保留栅极下方的p-GaN，其它区域的p-GaN使用干法刻蚀的方法完全去除，p-GaN刻蚀工艺的精度直接决定了器件的阈值电压、导通电阻以及饱和电流，这种需要精确控制的复杂工艺会降低器件的稳定性和良率。而激光具有光斑大小和能量均可调节的优势，可以在微米级尺度上实现特定区域的快速退火，因此，利用激光退火选区激活p-GaN帽层，不仅可以在器件制备的流程中只对栅极下方的p-GaN退火激活，还省去了刻蚀其它区域p-GaN的步骤，提高了器件的制备效率和可靠性。并且保留下来的p-GaN内部的空穴会平衡沟道中二维电子气(2DEG)的电场，可以有效提高器件的击穿电压。
一种基于选区退火的高击穿电压增强型GaN器件的制备方法，包括如下步骤：
S1、采用金属有机化学气相沉积法(MOCVD)在SiC衬底上依次生长AlN成核层、GaN缓冲层、AlN***层、AlGaN势垒层和p-GaN帽层；
S2、通过干法刻蚀法去除AlGaN势垒层上方需要蒸镀金属源电极和金属漏电极区域的p-GaN；
S3、在AlGaN势垒层上经过金属蒸镀、退火处理，形成p-GaN/AlGaN/GaN HEMT欧姆接触金属源电极和欧姆接触金属源电极漏电极；
S4、在p-GaN帽层、欧姆接触金属源电极和欧姆接触金属漏电极上方沉积SiO2钝化层；
S5、去除欧姆接触金属源电极、欧姆接触金属漏电极以及需要退火激活的p-GaN区域上方的SiO2钝化层，在SiO2钝化层上形成开孔区域；
S6、对SiO2钝化层开孔区域下方的p-GaN进行选区激光退火激活；
S7、在激光选区退火p-GaN区域的上方蒸镀p-GaN/AlGaN/GaN HEMT肖特基接触金属栅电极和金属栅电极场版；
S8、在金属栅电极场版、欧姆接触金属源电极和欧姆接触金属源电极漏电极上方沉积SiO2钝化层；
S9、去除欧姆接触金属源电极和欧姆接触金属漏电极上方的SiO2钝化层；
S10、在SiO2钝化层上方蒸镀金属源电极场版。
优选的，AlN成核层的厚度为1-300nm，优选为100nm；
所述GaN缓冲层为非故意掺杂的GaN缓冲层或掺杂的高阻GaN缓冲层；所述GaN缓冲层的厚度为1-3μm，优选为2μm。
优选的，所述AlN***层的厚度为0.5-1.5nm，优选为1nm；
所述AlGaN势垒层中Al组分的摩尔比为0.15-0.25，优选为0.2；AlGaN势垒层的厚度为15-25nm，优选为20nm。
优选的，所述p-GaN帽层的掺杂浓度为1×1018-1×1020cm-3，优选为1×1019cm-3；p-GaN帽层的厚度为60-100nm，优选为70nm；
所述欧姆接触金属源电极和欧姆接触金属漏电极的材料为Ti/Al/Ni/Au金属叠层、Ti/Al/Ti/Au金属叠层或Ti/Al/Mo/Au金属叠层；
所述肖特基接触金属栅电极、金属栅电极场板和金属源电极场板的材料为Ni/Au金属叠层、Pt/Au合金或Pd/Au金属叠层。
优选的，步骤S2中，采用电感耦合等离子体刻蚀(ICP)或反应离子刻蚀(RIE)刻蚀p-GaN帽层。
优选的，采用电感耦合等离子体刻蚀(ICP)刻蚀p-GaN帽层的具体过程为：
S2-1、在p-GaN帽层上涂覆光刻胶；
S2-2、利用光刻显影技术，在光刻胶上显露出需要刻蚀的p-GaN区域；
S2-3、使用电感耦合等离子体装置刻蚀p-GaN；
S2-4、去除涂覆的光刻胶，使得需要蒸镀金属源电极和金属漏电极区域的p-GaN被完全刻蚀。
优选的，步骤S4和S8中，采用低压化学气相沉积(LPCVD)或等离子体增强化学气相沉积(PECVD)生长SiO2钝化层。
优选的，步骤S5和S9中，采用电感耦合等离子体刻蚀(ICP)或氢氟酸水溶液腐蚀去除SiO2钝化层。
优选的，步骤S5中，采用电感耦合等离子体刻蚀(ICP)刻蚀SiO2钝化层的具体过程为：
S5-1、在SiO2钝化层上涂覆光刻胶；
S5-2、利用光刻显影技术，在光刻胶上显露出需要刻蚀的SiO2钝化层区域；
S5-3、使用电感耦合等离子体装置刻蚀SiO2；
S5-4、去除涂覆的光刻胶，使得欧姆接触金属源电极、欧姆接触金属漏电极以及需要退火激活的p-GaN区域上方的SiO2钝化层被完全刻蚀。
本发明采用外延生长的P-GaN，结合激光选区退火，既能耗尽栅下区域的电子浓度，实现器件增强型，其他未激活区域的GaN冒层亦能有效平衡沟道电场，提高器件击穿电压，具有生长制备工艺简单，良率高，可操作性强，击穿电压高等优势。
本发明未详尽之处，均可参见现有技术。
本发明的有益效果为：
1.简化了器件制备流程，提高工艺稳定性。目前常规的增强型p-GaN/AlGaN/GaNHEMT均在器件制备之前退火激活p-GaN帽层，这就需要在制备工艺中仅保留栅极下方的p-GaN，其它区域的p-GaN使用干法刻蚀的方法完全去除，p-GaN刻蚀工艺的精度直接决定了器件的阈值电压、导通电阻以及饱和电流。精度要求较高的工艺会降低器件制备的效率和良率，而激光选区退火可以实现在器件制备流程中对p-GaN帽层进行激活，不需要去除栅极下方以外区域的p-GaN，极大简化了器件的制备工艺，可以有效提高器件的制备效率和稳定性。
2.高击穿电压。通过激光选区退火激活保留下来的p-GaN，其与AlGaN势垒层之间由于应变极化，会产生二维空穴气，这种二维空穴气会平衡沟道中二维电子气(2DEG)的横向电场，从而有效提高器件的击穿电压。
3.高输出电流和低漏电特性。通过激光选区退火，可以实现栅下区域的P-GaN材料中的空穴激活，其他区域的P-GaN未发生激活，故不会耗尽沟道中的二维电子气，因此不需要进行栅源、栅漏区域P-GaN的刻蚀，从而避免了P-GaN刻蚀工艺引起的表面损伤，降低了器件的表面漏电，提高了器件的沟道电子迁移率，从而提高了器件的输出电流。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为SiC衬底结构示意图。
图2为经过步骤S1得到的结构示意图。
图3为经过步骤S2得到的结构示意图。
图4为经过步骤S3得到的结构示意图。
图5为经过步骤S4得到的结构示意图。
图6为经过步骤S5得到的结构示意图。
图7为经过步骤S6得到的结构示意图。
图8为经过步骤S7得到的结构示意图。
图9为经过步骤S8得到的结构示意图。
图10为经过步骤S9得到的结构示意图。
图11为经过步骤S10得到的结构示意图。
具体实施方式：
为了使本技术领域的人员更好的理解本说明书中的技术方案，下面结合本说明书实施中的附图，对本发明书实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。
实施例1
一种基于选区退火的高击穿电压增强型GaN器件，包括SiC衬底和生长在SiC衬底上的AlN成核层，AlN成核层上方依次为GaN缓冲层、AlN***层、AlGaN势垒层、p-GaN帽层，p-GaN帽层两侧分别为欧姆接触金属源电极和欧姆接触金属漏电极，p-GaN帽层上方为SiO2钝化层和肖特基接触金属栅电极，SiO2钝化层上方为金属栅电极场板，金属栅电极场板上方为SiO2钝化层，SiO2钝化层上方为金属源电极场板；p-GaN帽层中，位于栅电极下方的区域被激光退火激活。上述所有结构共同构成增强型p-GaN/AlGaN/GaN HEMT。
由于外延生长的p-GaN帽层需要在较高温度下退火才能激活其中的Mg离子，而普通的退火炉只能对全部区域进行退火，这就导致无法在器件制备的过程中进行退火激活，因为高温会对器件的其它结构造成损伤。而选择器件制备之前退火激活p-GaN帽层，就需要在制备工艺中仅保留栅极下方的p-GaN，其它区域的p-GaN使用干法刻蚀的方法完全去除，p-GaN刻蚀工艺的精度直接决定了器件的阈值电压、导通电阻以及饱和电流，这种需要精确控制的复杂工艺会降低器件的稳定性和良率。而激光具有光斑大小和能量均可调节的优势，可以在微米级尺度上实现特定区域的快速退火，因此，利用激光退火选区激活p-GaN帽层，不仅可以在器件制备的流程中只对栅极下方的p-GaN退火激活，还省去了刻蚀其它区域p-GaN的步骤，提高了器件的制备效率和可靠性。并且保留下来的p-GaN内部的空穴会平衡沟道中二维电子气(2DEG)的电场，可以有效提高器件的击穿电压。
实施例2
一种基于选区退火的高击穿电压增强型GaN器件的制备方法，包括如下步骤：
S1、采用金属有机化学气相沉积法(MOCVD)在SiC衬底上依次生长AlN成核层、GaN缓冲层、AlN***层、AlGaN势垒层和p-GaN帽层；
S2、通过干法刻蚀法去除AlGaN势垒层上方需要蒸镀金属源电极和金属漏电极区域的p-GaN；
S3、在AlGaN势垒层上经过金属蒸镀、退火处理，形成p-GaN/AlGaN/GaN HEMT欧姆接触金属源电极和欧姆接触金属源电极漏电极；
S4、在p-GaN帽层、欧姆接触金属源电极和欧姆接触金属漏电极上方沉积SiO2钝化层；
S5、去除欧姆接触金属源电极、欧姆接触金属漏电极以及需要退火激活的p-GaN区域上方的SiO2钝化层，在SiO2钝化层上形成开孔区域；
S6、对SiO2钝化层开孔区域下方的p-GaN进行选区激光退火激活；
S7、在激光选区退火p-GaN区域的上方蒸镀p-GaN/AlGaN/GaN HEMT肖特基接触金属栅电极和金属栅电极场版；
S8、在金属栅电极场版、欧姆接触金属源电极和欧姆接触金属源电极漏电极上方沉积SiO2钝化层；
S9、去除欧姆接触金属源电极和欧姆接触金属漏电极上方的SiO2钝化层；
S10、在SiO2钝化层上方蒸镀金属源电极场版。
实施例3
一种基于选区退火的高击穿电压增强型GaN器件的制备方法，如实施例2所述，所不同的是，AlN成核层的厚度为100nm；
GaN缓冲层为非故意掺杂的GaN缓冲层，GaN缓冲层的厚度为2μm。
AlN***层的厚度为1nm；
AlGaN势垒层中Al组分的摩尔比为0.2；AlGaN势垒层的厚度为20nm。
p-GaN帽层的掺杂浓度为1×1019cm-3；p-GaN帽层的厚度为70nm；
欧姆接触金属源电极和欧姆接触金属漏电极的材料为Ti/Al/Ni/Au金属叠层、；
肖特基接触金属栅电极、金属栅电极场板和金属源电极场板的材料为Ni/Au金属叠层。
实施例4
一种基于选区退火的高击穿电压增强型GaN器件的制备方法，如实施例3所述，所不同的是，步骤S2中，采用电感耦合等离子体刻蚀(ICP)刻蚀p-GaN帽层。
采用电感耦合等离子体刻蚀(ICP)刻蚀p-GaN帽层的具体过程为：
S2-1、在p-GaN帽层上涂覆光刻胶；
S2-2、利用光刻显影技术，在光刻胶上显露出需要刻蚀的p-GaN区域；
S2-3、使用电感耦合等离子体装置刻蚀p-GaN；
S2-4、去除涂覆的光刻胶，使得需要蒸镀金属源电极和金属漏电极区域的p-GaN被完全刻蚀。
实施例5
一种基于选区退火的高击穿电压增强型GaN器件的制备方法，如实施例4所述，所不同的是，步骤S4和S8中，采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)生长SiO2钝化层。
步骤S5和S9中，采用电感耦合等离子体刻蚀(ICP)去除SiO2钝化层。
步骤S5中，采用电感耦合等离子体刻蚀(ICP)刻蚀SiO2钝化层的具体过程为：
S5-1、在SiO2钝化层上涂覆光刻胶；
S5-2、利用光刻显影技术，在光刻胶上显露出需要刻蚀的SiO2钝化层区域；
S5-3、使用电感耦合等离子体装置刻蚀SiO2；
S5-4、去除涂覆的光刻胶，使得欧姆接触金属源电极、欧姆接触金属漏电极以及需要退火激活的p-GaN区域上方的SiO2钝化层被完全刻蚀。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于选区退火的高击穿电压增强型GaN器件，其特征在于，包括SiC衬底和生长在SiC衬底上的AlN成核层，AlN成核层上方依次为GaN缓冲层、AlN***层、AlGaN势垒层、p-GaN帽层，p-GaN帽层两侧分别为欧姆接触金属源电极和欧姆接触金属漏电极，p-GaN帽层上方为SiO2钝化层和肖特基接触金属栅电极，SiO2钝化层上方为金属栅电极场板，金属栅电极场板上方为SiO2钝化层，SiO2钝化层上方为金属源电极场板；p-GaN帽层中，位于栅电极下方的区域被激光退火激活。
2.一种权利要求1所述的基于选区退火的高击穿电压增强型GaN器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、采用金属有机化学气相沉积法在SiC衬底上依次生长AlN成核层、GaN缓冲层、AlN***层、AlGaN势垒层和p-GaN帽层；
S2、通过干法刻蚀法去除AlGaN势垒层上方需要蒸镀金属源电极和金属漏电极区域的p-GaN；
S3、在AlGaN势垒层上经过金属蒸镀、退火处理，形成欧姆接触金属源电极和欧姆接触金属源电极漏电极；
S4、在p-GaN帽层、欧姆接触金属源电极和欧姆接触金属漏电极上方沉积SiO2钝化层；
S5、去除欧姆接触金属源电极、欧姆接触金属漏电极以及需要退火激活的p-GaN区域上方的SiO2钝化层，在SiO2钝化层上形成开孔区域；
S6、对SiO2钝化层开孔区域下方的p-GaN进行选区激光退火激活；
S7、在激光选区退火p-GaN区域的上方蒸镀肖特基接触金属栅电极和金属栅电极场版；
S8、在金属栅电极场版、欧姆接触金属源电极和欧姆接触金属源电极漏电极上方沉积SiO2钝化层；
S9、去除欧姆接触金属源电极和欧姆接触金属漏电极上方的SiO2钝化层；
S10、在SiO2钝化层上方蒸镀金属源电极场版。
3.根据权利要求2所述的基于选区退火的高击穿电压增强型GaN器件的制备方法，其特征在于，AlN成核层的厚度为1-300nm，优选为100nm；
所述GaN缓冲层为非故意掺杂的GaN缓冲层或掺杂的高阻GaN缓冲层；所述GaN缓冲层的厚度为1-3μm，优选为2μm。
4.根据权利要求3所述的基于选区退火的高击穿电压增强型GaN器件的制备方法，其特征在于，所述AlN***层的厚度为0.5-1.5nm，优选为1nm；
所述AlGaN势垒层中Al组分的摩尔比为0.15-0.25，优选为0.2；AlGaN势垒层的厚度为15-25nm，优选为20nm。
5.根据权利要求4所述的基于选区退火的高击穿电压增强型GaN器件的制备方法，其特征在于，所述p-GaN帽层的掺杂浓度为1×1018-1×1020cm-3，优选为1×1019cm-3；p-GaN帽层的厚度为60-100nm，优选为70nm；
所述欧姆接触金属源电极和欧姆接触金属漏电极的材料为Ti/Al/Ni/Au金属叠层、Ti/Al/Ti/Au金属叠层或Ti/Al/Mo/Au金属叠层；
所述肖特基接触金属栅电极、金属栅电极场板和金属源电极场板的材料为Ni/Au金属叠层、Pt/Au合金或Pd/Au金属叠层。
6.根据权利要求5所述的基于选区退火的高击穿电压增强型GaN器件的制备方法，其特征在于，步骤S2中，采用电感耦合等离子体刻蚀或反应离子刻蚀刻蚀p-GaN帽层。
7.根据权利要求6所述的基于选区退火的高击穿电压增强型GaN器件的制备方法，其特征在于，采用电感耦合等离子体刻蚀刻蚀p-GaN帽层的具体过程为：
S2-1、在p-GaN帽层上涂覆光刻胶；
S2-2、利用光刻显影技术，在光刻胶上显露出需要刻蚀的p-GaN区域；
S2-3、使用电感耦合等离子体装置刻蚀p-GaN；
S2-4、去除涂覆的光刻胶，使得需要蒸镀金属源电极和金属漏电极区域的p-GaN被完全刻蚀。
8.根据权利要求7所述的基于选区退火的高击穿电压增强型GaN器件的制备方法，其特征在于，步骤S4和S8中，采用低压化学气相沉积或等离子体增强化学气相沉积生长SiO2钝化层。
9.根据权利要求8所述的基于选区退火的高击穿电压增强型GaN器件的制备方法，其特征在于，步骤S5和S9中，采用电感耦合等离子体刻蚀或氢氟酸水溶液腐蚀去除SiO2钝化层。
10.根据权利要求9所述的基于选区退火的高击穿电压增强型GaN器件的制备方法，其特征在于，步骤S5中，采用电感耦合等离子体刻蚀刻蚀SiO2钝化层的具体过程为：
S5-1、在SiO2钝化层上涂覆光刻胶；
S5-2、利用光刻显影技术，在光刻胶上显露出需要刻蚀的SiO2钝化层区域；
S5-3、使用电感耦合等离子体装置刻蚀SiO2；
S5-4、去除涂覆的光刻胶，使得欧姆接触金属源电极、欧姆接触金属漏电极以及需要退火激活的p-GaN区域上方的SiO2钝化层被完全刻蚀。
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|---|---|---|---|---|
| CN117954321A (zh) * | 2024-03-26 | 2024-04-30 | 山东大学 | 一种基于激光退火工艺的氮化镓hemt及其制备方法 |
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