CN116741635A - 基于无掩膜再生长低阻延伸层的hemt器件制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于无掩膜再生长低阻延伸层的HEMT器件制备方法，包括：在衬底上外延生长N面GaN/AlGaN异质结结构；在所述N面GaN/AlGaN异质结结构的表面定义HEMT器件的源区和漏区并形成源区沟槽和漏区沟槽；低温外延生长n+GaN材料或n+InGaN材料，形成无掩膜再生长低阻延伸层；制作器件隔离区；形成源电极和漏电极；形成钝化层；形成栅极凹槽；表面沉积介质层；基于所述栅极凹槽制作浮空T型栅，得到制备完成的HEMT器件。本发明制备出的HEMT器件能够用于6G太赫兹频段。
Description
技术领域
本发明属于半导体领域，具体涉及一种基于无掩膜再生长低阻延伸层的HEMT(High electron mobility transistor，高电子迁移率晶体管)器件制备方法。
背景技术
6G即第六代移动通信技术，采用太赫兹频段(100GHz-10THz)通信，与5G通信(低频频段为Sub-6GHz)相比，通信频段频率大幅提高，相应的网络容量也可得到大幅提升，其传输能力理论上可提升100倍，网络延迟相应地也可从毫秒降到微秒量级。
为了实现信息的海量化以及低延迟传输，需要不断提升通信频段的频率以向基于太赫兹频段通信的6G技术过渡。基于此，面向未来6G通信应用的射频功率器件需要具备良好的频率特性，以使得器件可工作在W波段下，同时器件也需要具备较高的效率来降低传输损耗。
近年来，第三代宽禁带半导体材料GaN凭借其具有的大禁带宽度、高击穿电场强度以及电子饱和速度的优势，已成为制备高频、大功率的射频功率器件的首选材料。其中，GaN基HEMT器件凭借GaN/AlGaN异质结界面处因极化诱导产生的高浓度、高迁移率的二维电子气，被广泛应用于5G基站、卫星和雷达等关键技术领域。但想要将GaN基HEMT器件应用到6G还需进一步提升此类器件的工作频率。
现有技术中，GaN基HEMT器件大多采用Ga面GaN材料制备GaN基HEMT器件。所谓Ga面GaN材料，是指材料中晶体原子排列沿C轴非中心对称，以平行于C轴的Ga-N键为参照，每个Ga-N键中的Ga原子更靠近衬底。提升此类HEMT器件工作频率的方法主要为缩短栅长至纳米量级和采用强极化InAlN、AlN等超薄势垒。但是在器件栅长逐渐缩短的过程中，会出现如栅极寄生电容占比增大、栅控能力差及短沟道效应等一系列恶化器件性能的特性。采用超薄势垒层虽对短沟道效应有一定的抑制作用，但会在一定程度上造成栅极漏电增加从而影响器件的效率。因此，如何制备出面向未来6G太赫兹频段通信的GaN基HEMT器件，是一项亟待解决的技术问题。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的上述问题，本发明提供了一种基于无掩膜再生长低阻延伸层的HEMT器件制备方法。
本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
第一方面，本发明提供了一种基于无掩膜再生长低阻延伸层的HEMT器件制备方法，包括：
在衬底上外延生长N面GaN/AlGaN异质结结构；
在所述N面GaN/AlGaN异质结结构的表面定义HEMT器件的源区和漏区，并对所述源区和漏区向下进行刻蚀，刻蚀深度延伸至所述N面GaN/AlGaN异质结结构的势垒层中，形成源区沟槽和漏区沟槽；
在当前样品的表面低温外延生长n+GaN材料或n+InGaN材料，使得所生长的材料填满所述源区沟槽、所述漏区沟槽并覆盖所述N面GaN/AlGaN异质结结构的表面，形成无掩膜再生长低阻延伸层；
制作器件的隔离区；
在所述源区沟槽和所述漏区沟槽正上方的无掩膜再生长低阻延伸层表面淀积欧姆金属，形成源电极和漏电极；
在当前样品的表面形成钝化层，并去除所述源电极和所述漏电极上覆盖的钝化层；
在所述源电极和所述漏电极之间的钝化层表面定义HEMT器件的栅区，并刻蚀掉所述栅区中的钝化层和无掩膜再生长低阻延伸层，形成栅极凹槽；
在当前样品的表面沉积介质层，并去除所述源电极和所述漏电极上覆盖的介质层；
基于所述栅极凹槽制作浮空T型栅，得到制备完成的HEMT器件。
在一个实施例中，本发明提供的衬底包括SiC衬底、Si衬底或蓝宝石衬底。
在一个实施例中，所述N面GaN/AlGaN异质结结构自下而上包括：GaN缓冲层、势垒层、GaN沟道层和AlGaN帽层。
在一个实施例中，所述无掩膜再生长低阻延伸层中n+GaN或n+InGaN的掺杂浓度为5×1019cm-3到5×1020cm-3。
在一个实施例中，所述制作器件的隔离区，包括：在所述N面GaN/AlGaN异质结结构的两侧注入N、B或Ar离子，形成所述器件的隔离区。
在一个实施例中，所述欧姆金属为Ti、Al、Ni和Au依次层叠形成的金属堆栈结构。
在一个实施例中，所述钝化层包括：SiN钝化层。
在一个实施例中，所述介质层包括：SiN介质层。
第二方面，本发明提供了一种基于无掩膜再生长低阻延伸层的HEMT器件，所述基于无掩膜再生长低阻延伸层的HEMT器件由上述任一项制备方法制备得到。
本发明提供的基于无掩膜再生长低阻延伸层的HEMT器件制备方法具有以下有益效果：
(1)本发明中在衬底上外延生长N面GaN/AlGaN异质结结构，然后基于该异质结结构制备出了HEMT器件。因此，本发明制备的是一种N面GaN基HEMT器件。由于N面GaN基HEMT的栅极金属可以直接沉积在GaN沟道层上并与沟道层形成金半接触来增加栅控能力。同时由于不用考虑势垒层厚度问题，可以通过控制GaN沟道层的厚度来进一步调制栅对沟道层的控制能力，且AlGaN层作为天然的背势垒层，可以进一步提高二维电子气的限域性以抑制短沟道效应。因此，利用本发明所制备的HEMT器件的栅控能力较强，短沟道效应较小或不存在短沟道效应。且N面GaN/AlGaN异质结结构中势垒层位于沟道层之下，可以使栅长更短，得到更高的截止频率。因此本发明制备出的HEMT器件能够用于6G太赫兹频段。
(2)本发明中在N面GaN/AlGaN异质结结构中制备了无掩膜再生长低阻延伸层，由此可以在N面GaN基HEMT器件中实现超短源漏间距，而超短源漏间距可以增加电子的运动路径从而有效降低器件的导通电阻及寄生电阻。
(3)本发明中在制作浮空T型栅之前，在样品表面淀积了介质层，介质层具有较高电阻率，故可防止栅电极与源漏电极间的短路。同时高电阻率介质层不利于电子通过，可以减小栅漏电。而更小的栅漏电可以提高器件的击穿电压、可以改善器件的关态特性与亚阈值特性及可以改善器件的饱和漏电流以提高器件的直流特性。
(4)本发明中采用浮空T型栅可以降低栅电容，而降低栅电容可以提高器件的工作频率，同时浮空T型栅的制作工艺成熟，较容易制作。
综上，利用本发明的方法所制备的基于无掩膜再生长低阻延伸层的HEMT器件，具有更高的工作频率、改善了短沟道效应、降低了器件的导通电阻及寄生电阻，且制备工艺简单。
以下将结合附图及对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于无掩膜再生长低阻延伸层的HEMT器件制备方法的流程图；
图2至图10是本发明实施例提供的一种基于无掩膜再生长低阻延伸层的HEMT器件的制备过程分解图；
图11是本发明实施例提供的一种基于无掩膜再生长低阻延伸层的HEMT器件的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
GaN基HEMT器件的电流增益截止频率fT一般要大于器件工作频率，决定器件工作频率的上限。因此，欲提高器件的工作频率，需提高fT参数，其公式如下：
其中，gm,int表示本征跨导，Cgs和Cgd分别是栅源电容和栅漏电容。若提高器件的gm,int参数，同时降低栅极寄生电容，那么fT参数会有明显的提升。gm,int参数的公式为：
其中，Ids为漏源间电流，Vg表示器件栅电极所施加的电压，Vds＝cons表示固定漏源间电压为常数，表示漏源间电压为常数时，漏源间电流随栅电极电压变化而变化的情况，μ表示沟道区域内电子的迁移率，ε0表示真空介电常数，εr表示势垒层的相对介电常数，Wg表示器件栅宽，Lg表示器件栅长，d表示势垒层厚度，Vth表示器件的阈值电压，νs沟道区域内电子的饱和速度。
故一般在GaN基HEMT器件中，会通过降低器件栅长Lg来提升器件gm,int参数以至提升器件工作频率。可是随着器件栅长减小至纳米量级，会产生短沟道效应等一系列不好的影响，这源于栅对沟道内二维电子气控制能力的减弱。
目前研究较多的GaN基HEMT器件均采用Ga面GaN材料，而Ga面GaN基HEMT器件的栅极与沟道间隔着一层AlGaN势垒层，不好改善栅极到沟道的距离以提升栅控能力，且在器件栅长逐渐缩短的过程中，可能会出现如栅极寄生电容占比增大、跨导线性度恶化及短沟道效应等一系列恶化器件性能的特性。采用超薄势垒层虽对短沟道效应有一定的抑制作用，但会在一定程度上造成栅极漏电增加从而影响器件的效率。
受制于Ga面GaN基HEMT器件制约频率特性和效率提升的因素，缩短器件栅长的同时保持较好的栅控能力以提高器件的工作频率和降低器件的寄生电阻以提高工作效率便显得格外重要。
为了达到上述目的，本发明实施例提供了一种基于无掩膜再生长低阻延伸层的HEMT器件制备方法，该方法中采用N面GaN材料制备出了N面GaN基HEMT器件。该N面GaN基HEMT器件的极性与Ga面GaN基HEMT器件相反，存在一些天然的优势，如：N面GaN基HEMT的欧姆接触可以直接沉积在禁带宽度与AlGaN相比较小的GaN材料上，这有助于实现较小的欧姆接触电阻；栅极金属可以直接沉积在GaN沟道层上并与沟道层形成金半接触来增加栅控能力，同时由于不用考虑势垒层厚度问题，可以通过控制GaN沟道层的厚度来进一步调制栅对沟道层的控制能力，且AlGaN层作为天然的背势垒层，可以进一步提高二维电子气的限域性以抑制短沟道效应。
下面对本发明实施例提供的一种基于无掩膜再生长低阻延伸层的HEMT器件制备方法进行详细说明。
参见图1所示，该方法包括以下步骤：
S1：在衬底上外延生长N面GaN/AlGaN异质结结构。
其中，衬底可以包括SiC衬底、Si衬底或蓝宝石衬底。SiC衬底散热性能好，可提高射频大功率器件的性能；Si衬底工艺成熟，晶圆片尺寸大，可降低工艺设备以及单个器件的成本；蓝宝石衬底可获得更好的晶格匹配，降低位错缺陷等密度。
参见图2所示，N面GaN/AlGaN异质结结构自下而上包括：GaN缓冲层、势垒层、GaN沟道层和AlGaN帽层。GaN沟道层中虚线所示为二维电子气(Two-Dimensional Electron Gas，2DEG)所在的地方，即电子从源极到漏极的主要途径。
具体的，在衬底上外延生长N面GaN/AlGaN异质结结构，包括：利用金属有机化合物化学气相沉淀(Metal-organic Chemical Vapor Deposition,MOCVD)设备在衬底上依次外延生长GaN缓冲层、势垒层、GaN沟道层和AlGaN帽层。
可选地，GaN缓冲层自下而上包括：Fe或C掺杂的高阻GaN层以及Si掺杂的n型GaN层。
可选地，势垒层包括自下而上叠加设置的AlxGa1-xN层和UID-AlGaN层，其中，AlxGa1-xN层是n型Si掺杂且Al组分渐变的AlGaN材质的层结构，UID表示非故意掺杂(unintentionally doped)。
其中，优选地，势垒层的Si掺杂浓度可以为3.5×1018cm-3左右，以提高沟道中2DEG的面密度；Al组分在5％-40％的范围内渐变。UID-AlGaN层采用非故意掺杂工艺，将掺入的n型Si杂质与沟道中的2DEG隔离开，以降低Si杂质对2DEG中载流子的电离杂质散射。
S2：在N面GaN/AlGaN异质结结构的表面定义HEMT器件的源区和漏区，并对源区和漏区向下进行刻蚀，刻蚀深度延伸至N面GaN/AlGaN异质结结构的势垒层中，形成源区沟槽和漏区沟槽。
具体的：采用光刻法在N面GaN/AlGaN异质结结构的表面定义HEMT器件的源区和漏区；利用电感耦合等离子光谱发生仪(Inductive Coupled Plasma EmissionSpectrometer，ICP)，采用干法刻蚀工艺对GaN基异质结结构表面上的源区和漏区向下进行刻蚀，刻蚀深度延伸至N面GaN/AlGaN异质结结构的势垒层中。例如刻蚀到势垒层界面以下至少20nm处，形成源区沟槽和漏区沟槽，参见图3所示，其中301为源区沟槽，302为漏区沟槽。
S3：在当前样品表面低温外延生长n+GaN材料或n+InGaN材料，使得所生长的材料填满源区沟槽、漏区沟槽并覆盖N面GaN/AlGaN异质结结构的表面，形成无掩膜再生长低阻延伸层。
具体的：在当前样品表面利用分子束外延(Molecular beam epitaxy,MBE)设备低温外延生长n+GaN材料或n+InGaN材料，使得所生长的材料填满源区沟槽、漏区沟槽并覆盖所述N面GaN/AlGaN异质结结构的表面，形成无掩膜再生长低阻延伸层，如图4所示。
优选地：外延生长的n+GaN或n+InGaN层的掺杂浓度可以为5×1019cm-3～5×1020cm-3。
S4：制作器件的隔离区。
具体的，利用离子注入设备，在N面GaN/AlGaN异质结结构的两侧注入N、B或Ar离子，形成器件的隔离区，如图5所示。
S5：在源区沟槽和漏区沟槽正上方的无掩膜再生长低阻延伸层表面淀积欧姆金属，形成源电极和漏电极。
具体的：例用电子束蒸发工艺，在当前样品的源区沟槽和漏区沟槽正上方的无掩膜再生长低阻延伸层表面均依次淀积Ti、Al、Ni和Au，形成源电极和漏电极，参见图6所示。
S6：在当前样品的表面形成钝化层，并去除源电极和漏电极上覆盖的钝化层。
具体的：利用等离子体增强化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapordeposition，PECVD)设备在当前样品的表面沉积一层厚度为20nm～40nm的SiN，然后利用ICP刻蚀设备采用干法刻蚀工艺去除源电极和漏电极上覆盖的钝化层，如图7所示。
S7：在源电极和漏电极之间的钝化层表面定义HEMT器件的栅区，并刻蚀掉栅区中的钝化层和无掩膜再生长低阻延伸层，形成栅极凹槽。
具体的：利用电子束光刻(electron-blocking layer,EBL)设备在源电极和漏电极之间的钝化层表面定义HEMT器件的栅区；栅区下方为需要进行刻蚀的栅脚区域，在栅脚区域利用ICP刻蚀设备采用干法刻蚀工艺刻蚀掉其中的钝化层和无掩膜再生长低阻延伸层，形成栅极凹槽，如图8所示，其中801为器件栅极凹槽。
其中，刻蚀气体可以优选为SF6和BCl3的混合气体，这样便可以在栅脚区域中进行自终止刻蚀。因为该种刻蚀气体无法刻蚀含Al的帽层材料，因此刻蚀到AlGaN帽层时会自终止。
示例性的，在利用SF6和BCl3的混合气体进行自终止刻蚀时，气体SF6的流量为10sccm，气体BCl3的流量为30sccm，压力可以为5mTorr，ICP上电极功率可以为200W，下电极功率可以为30W。
S8：在当前样品的表面沉积介质层，并去除源电极和漏电极上覆盖的介质层。
具体的：利用PECVD设备在当前样品的表面沉积一层厚度为5nm的SiN，然后利用ICP刻蚀设备采用干法刻蚀工艺去除源电极和漏电极上覆盖的介质层，参见图9所示。
S9；基于栅极凹槽制作浮空T型栅，得到制备完成的HEMT器件。
具体的，在器件表面淀积两层光刻胶，并进行两次曝光，在栅极区域形成T型栅凹槽。在栅极凹槽内淀积欧姆金属后通过光刻胶剥离来实现浮空T型栅的制备。制备完成的HEMT器件参见图10所示。
本发明实施例提供的基于无掩膜再生长低阻延伸层的HEMT器件制备方法具有以下有益效果：
(1)本发明实施例中在衬底上外延生长N面GaN/AlGaN异质结结构，然后基于该异质结结构制备出了HEMT器件。因此，本发明实施例制备的是一种N面GaN基HEMT器件。由于N面GaN基HEMT的栅极金属可以直接沉积在GaN沟道层上并与沟道层形成金半接触来增加栅控能力。同时由于不用考虑势垒层厚度问题，可以通过控制GaN沟道层的厚度来进一步调制栅对沟道层的控制能力，且AlGaN层作为天然的背势垒层，可以进一步提高二维电子气的限域性以抑制短沟道效应。因此，利用本发明实施例所制备的HEMT器件的栅控能力较强，短沟道效应较小或不存在短沟道效应。且N面GaN/AlGaN异质结结构中势垒层位于沟道层之下，可以使栅长更短，得到更高的截止频率。因此本发明制备出的HEMT器件能够用于6G太赫兹频段。
(2)本发明实施例中在N面GaN/AlGaN异质结结构中制备了无掩膜再生长低阻延伸层，由此可以在N面GaN基HEMT器件中实现超短源漏间距，而超短源漏间距可以增加电子的运动路径从而有效降低器件的导通电阻及寄生电阻。
(3)本发明实施例中在制作浮空T型栅之前，在样品表面淀积了介质层，介质层具有较高电阻率，故可防止栅电极与源漏电极间的短路。同时高电阻率介质层不利于电子通过，可以减小栅漏电。而更小的栅漏电可以提高器件的击穿电压、可以改善器件的关态特性与亚阈值特性及可以改善器件的饱和漏电流以提高器件的直流特性。
(4)本发明实施例中采用浮空T型栅可以降低栅电容，而降低栅电容可以提高器件的工作频率，同时浮空T型栅的制作工艺成熟，较容易制作。
本发明实施例还提供了一种基于无掩膜再生长低阻延伸层的HEMT器件，该器件采用上述任一种基于无掩膜再生长低阻延伸层的HEMT器件制备方法制备得到。请参见图11，图11是利用本发明实施例提供的制备方法所制备的HEMT器件的结构示意图。如图11所示，本发明实施例提供的基于无掩膜再生长低阻延伸层的HEMT器件包括：衬底、GaN缓冲层、势垒层、GaN沟道层、AlGaN帽层、n+GaN材料或n+InGaN材料形成的无掩膜再生长低阻延伸层、源电极、漏电极、栅电极、钝化层、介质层和隔离区。
其中，衬底、GaN缓冲层、势垒层、GaN沟道层、AlGaN帽层自下而上依次层叠设置；n+GaN材料或n+InGaN材料形成的无掩膜再生长低阻延伸层设置在AlGaN势垒层之上，源电极与漏电极之下，并延伸至栅电极侧；源电极和漏电极分别设置在无掩膜再生长低阻延伸层上；栅电极，设置在介质层之上且位于源电极和漏电极之间；钝化层覆盖在无掩膜再生长低阻延伸层与隔离区之上；介质层覆盖于AlGaN帽层、无掩膜再生长低阻延伸层及钝化层之上；隔离区位于器件的两侧。
本发明实施例提供的基于无掩膜再生长低阻延伸层的HEMT器件，通过在N面GaN/AlGaN异质结结构中设置无掩膜再生长低阻延伸层，可实现在大幅降低器件寄生电阻的同时有效提高器件的工作频率，可以应用于在6G太赫兹频段。
以上，尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图以及公开内容，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于无掩膜再生长低阻延伸层的HEMT器件制备方法，其特征在于，包括：
在衬底上外延生长N面GaN/AlGaN异质结结构；
在所述N面GaN/AlGaN异质结结构的表面定义HEMT器件的源区和漏区，并对所述源区和漏区向下进行刻蚀，刻蚀深度延伸至所述N面GaN/AlGaN异质结结构的势垒层中，形成源区沟槽和漏区沟槽；
在当前样品的表面低温外延生长n+GaN材料或n+InGaN材料，使得所生长的材料填满所述源区沟槽、所述漏区沟槽并覆盖所述N面GaN/AlGaN异质结结构的表面，形成无掩膜再生长低阻延伸层；
制作器件的隔离区；
在所述源区沟槽和所述漏区沟槽正上方的无掩膜再生长低阻延伸层表面淀积欧姆金属，形成源电极和漏电极；
在当前样品的表面形成钝化层，并去除所述源电极和所述漏电极上覆盖的钝化层；
在所述源电极和所述漏电极之间的钝化层表面定义HEMT器件的栅区，并刻蚀掉所述栅区中的钝化层和无掩膜再生长低阻延伸层，形成栅极凹槽；
在当前样品的表面沉积介质层，并去除所述源电极和所述漏电极上覆盖的介质层；
基于所述栅极凹槽制作浮空T型栅，得到制备完成的HEMT器件。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述衬底包括SiC衬底、Si衬底或蓝宝石衬底。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述N面GaN/AlGaN异质结结构自下而上包括：GaN缓冲层、势垒层、GaN沟道层和AlGaN帽层。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述无掩膜再生长低阻延伸层中n+GaN或n+InGaN的掺杂浓度为5×1019cm-3到5×1020cm-3。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述制作器件的隔离区，包括：
在所述N面GaN/AlGaN异质结结构的两侧注入N、B或Ar离子，形成所述器件的隔离区。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述欧姆金属为Ti、Al、Ni和Au依次层叠形成的金属堆栈结构。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述钝化层包括：SiN钝化层。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述介质层包括：SiN介质层。
9.一种基于无掩膜再生长低阻延伸层的HEMT器件，其特征在于，采用如权利要求1-8任一项所述基于无掩膜再生长低阻延伸层的HEMT器件制备方法制备得到。
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