基於耗盡型AlGaN/GaNHEMT器件結構及其製作方法與流程

2023-09-18 18:42:30 1

基於耗盡型AlGaN/GaNHEMT器件結構及其製作方法技術領域本發明屬於微電子技術領域，涉及半導體器件製作，具體的說是一種基於耗盡型AlGaN/GaNHEMT器件結構及製作方法，可用於製作低導通電阻高頻率的耗盡型高電子遷移率電晶體。

背景技術：
近年來以SiC和GaN為代表的第三帶寬禁帶隙半導體以其禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導率高、飽和電子速度大和異質結界面二維電子氣濃度高等特性，使其受到廣泛關注。在理論上，利用這些材料製作的高電子遷移率電晶體HEMT、發光二極體LED、雷射二極體LD等器件比現有器件具有明顯的優越特性，因此近些年來國內外研究者對其進行了廣泛而深入的研究，並取得了令人矚目的研究成果。AlGaN/GaN異質結高電子遷移率電晶體HEMT在高溫器件及大功率微波器件方面已顯示出了得天獨厚的優勢，追求器件高頻率、高壓、高功率吸引了眾多的研究。近年來，製作更高頻率高壓AlGaN/GaNHEMT成為關注的又一研究熱點。由於AlGaN/GaN異質結生長完成後，異質結界面就存在大量二維電子氣2DEG，當界面處電阻率降低時，我們可以獲得更高的器件頻率特性。AlGaN/GaN異質結電子遷移率電晶體可以獲得很高的頻率，但往往要以犧牲耐高壓特性為代價。目前提高的AlGaN/GaN異質結電晶體頻率的方法如下：1.結合無電介質鈍化(dielectric-freepassivation)與重生長歐姆接觸來減小電阻率。參見YuanzhengYue，ZongyangHu，JiaGuo等InAlN/AlN/GaNHEMTsWithRegrownOhmicContactsandf_{T}of370GH。EDL.Vol33.NO.7，P1118-P1120。該方法採用了30納米柵長，並且結合無電介質鈍化(dielectric-freepassivation)與重生長歐姆接觸來減小源漏電阻率。頻率可以達到370GHz。還可以通過減少溝道長度繼續提高頻率到500GHz。2.重生長重摻雜源漏到近柵的二維電子氣溝道。參見Shinohara，K.Regan，D.Corrion，A.Brown等self-aligned-gateGaN-HEMTswithheavily-dopedn+-GaNohmiccontactsto2DEG；IEDM，IEEE；2012。過去重生長n+GaN歐姆接觸對減少溝道接觸電阻成效顯著，但是重摻雜源漏接觸直接到接近柵極下的二維電子氣溝道可以獲得更好的頻率特性和電流特性。文中報導的方法使頻率達到了fT/fmax＝342/518GHz。同時擊穿電壓14V。

技術實現要素：
本發明的目的在於針對以上高頻率器件的不足，提供一種基於矽化物對溝道產生應力的方法，以同時提高耗盡型AlGaN/GaN高遷移率電晶體的頻率特性，增強工藝的可控性和重複性，滿足GaN基電子器件對高頻率、低導通電阻的應用要求。本發明是這樣實現的：本發明的技術思路是：使用外延生長並刻蝕的方法在AlGaN之上生長薄絕緣層，在薄絕緣層上生長多個塊狀矽化物，矽化物塊間距小於塊寬度，由於矽化物的熱膨脹係數大於絕緣層與AlGaN的熱膨脹係數。當外延生長冷卻時，矽化物會對絕緣層以及AlGaN層引入壓應力，與此同時，位於矽化物之間的AlGaN層將會受到張應力。當AlGaN層受到壓應力的時候，位於AlGaN/GaN界面的2DEG濃度有所減小，而當AlGaN層受到張應力的時候，位於AlGaN/GaN界面的2DEG濃度有所增加。AlGaN層所受壓應力(張應力)的大小與矽化物(矽化物間距)的長度有關，這種關係並非是一種線性關係，而是當作用距離減小時AlGaN層所受到的應力對極化電荷的影響迅速增加(如下圖所示)，所以我們可以使矽化物的寬度、矽化物之間的間距不同來實現二維電子氣濃度的調節，從整體上來看2DEG濃度的增加還是減少則取決於二者的大小關係，在此發明中，我們選擇使二維電子氣濃度增加來降低溝道電阻。所以張應力要大於壓應力，於是矽化物寬度要大於矽化物間距。如圖2所示，如果矽化物的寬度為1mm，矽化物間距為0.25mm，.那麼矽化物間距(0.25mm)區域所經受的張力作用使極化電荷最終比矽化物區域(1mm)的極化電荷大兩個數量級，所以整體上的作用表現為AlGaN層受到張應力即極化電荷濃度有所增加，從而柵源與柵漏間2DEG的濃度也因為極化電荷的增加而呈現整體增加的結果。因此該區域的電阻有所減小。參見IEICETRANS.ELECTON，VOL.E93-C，NO.8AUGUST2010.AnalysisofPassivation-Film-InducedStressEffectsonElectricalPropertiesinAlGaN/GaNHEMTs.通過選擇使矽化物之間的間距小於矽化物的長度，使2DEG濃度的增長遠大於2DEG濃度的減小，從而使柵漏和柵源間的電阻有所減小，在不改變柵漏間距的情況下提高高遷移率電晶體的頻率特性。依據上述技術思路，本發明的耗盡型AlGaN/GaN高頻器件，包括襯底、本徵GaN層、AlN隔離層、AlGaN勢壘層(本徵AlGaN層)、AlGaN摻雜層、柵電極、源電極、漏電極、絕緣層、鈍化層以及用於調節二維電子氣濃度的矽化物。AlGaN摻雜層位於勢壘層之上，電極以及絕緣層位於AlGaN層之上，矽化物位於絕緣層之上。在襯底上外延生長耗盡型AlGaN/GaN異質結材料，並在該結構上形成柵極、源極和漏極，然後澱積一層絕緣層，絕緣層位於柵極與源極之間和柵極與漏極之間，絕緣層的厚度為5-10nm，在絕緣層上(柵漏區域以及柵源區域間)，形成矽化物，矽化物為塊狀，並且引入應力，塊間距小於塊寬度，矽化物會對下面的各層產生壓應力，塊之間將會產生向塊的壓力，通過使塊間距小於塊寬度，可以使下面各層總體獲得總體張應力，從而使溝道中2DEG得到增強，所述的矽化物包括NiSi，TiSi2或Co2Si。最後澱積鈍化層實現器件的鈍化。本發明中外延AlGaN/GaN材料的襯底材料是藍寶石、碳化矽、GaN或MgO，AlGaN勢壘層和AlGaN摻雜層中Al與Ga的組份可以調節，AlxGa1-xN中的x＝0～1，GaN溝道可以替換為AlyGal-yN溝道，而AlyGa1-yN中y的組份小於本徵AlGaN層和AlGaN摻雜層中的Al組份為了實現溝道中二維電子濃度的調節，絕緣層位於柵極與源極之間和柵極與漏極之間，厚度為5～10nm。如圖3所示，依據上述技術思路，利用金屬矽化物提高AlGaN/GaNHEMT器件性能的結構，包括如下步驟：(1)對外延生長的AlGaN/GaN材料進行有機清洗，用流動的去離子水清洗並放入HCl∶H2O＝1∶1體積比的溶液中進行腐蝕30-60s，最後用流動的去離子水清洗並用高純氮氣吹乾；(2)對清洗乾淨的AlGaN/GaN材料進行光刻和幹法刻蝕，形成有源區臺面；(3)對製備好臺面的AlGaN/GaN材料進行光刻，形成源漏區，放入電子束蒸發臺中澱積歐姆接觸金屬Ti/Al/Ni/Au＝(20/120/45/50nm)並進行剝離，最後在氮氣環境中進行850℃35s的快速熱退火，形成歐姆接觸；(4)將器件放入原子層澱積設備中，工藝條件為：生長溫度為300℃，壓力為2000Pa，H2O和TMAl的流量均為150sccm，澱積5-10nm厚的Al2O3介質；(5)然後將器件放入磁控濺射的反應室中同時濺射Ni和Si，工藝條件為：Ni靶的直流偏置電壓為100V，Si靶的射頻偏置電壓為450V，載氣Ar的流量為30sccm，共澱積100nm～150nm厚的混合金屬薄膜；(6)將澱積好薄膜的器件進行光刻，形成混合薄膜的刻蝕窗口區，並放入ICP幹法刻蝕反應室中，工藝條件為：上電極功率為200W，下電極功率為20W，反應室壓力為1.5Pa，CF4的流量為20sccm，Ar氣的流量為10sccm，刻蝕時間為5min，經過幹法刻蝕後在器件上留下來的矽化物為塊狀，並使得矽化物塊之間的間距小於矽化物塊寬度；；(7)將器件放入快速退火爐中，在氮氣環境下進行450℃，30s的快速熱退火，形成NiSi合金，矽化物會對下面各層產生壓應力，矽化物塊之間將會產生向塊的應力，通過使矽化物塊間距小於矽化物塊寬度，可以使下面各層獲得總體張應力，從而使溝道中電場得到增強；(8)對完成合金的器件進行光刻，形成柵極金屬區域，並將器件放入HF∶H2O＝1：10體積比的溶液中將柵區域的Al2O3完全腐蝕形成柵電極窗口，然後放入電子束蒸發臺中澱積Ni/Au＝20/200nm並進行剝離，完成柵電極的製備(9)將完成柵極製備的器件放入PECVD反應室澱積SiN鈍化膜，具體工藝條件為：SiH4的流量為40sccm，NH3的流量為10sccm，反應室壓力為1～2Pa，射頻功率為40W，澱積200nm～300nm厚的SiN鈍化膜；(10)將器件再次進行清洗、光刻顯影，形成SiN薄膜的刻蝕區，並放入ICP幹法刻蝕反應室中，工藝條件為：上電極功率為200W，下電極功率為20W，反應室壓力為1.5Pa，CF4的流量為20sccm，Ar氣的流量為10sccm，刻蝕時間為10min，將源極、柵極、漏極上面覆蓋的SiN和Al2O3薄膜刻蝕掉；(11)將器件進行清洗、光刻顯影，並放入電子束蒸發臺中澱積Ti/Au＝20/200nm的加厚電極，完成整體器件的製備。本發明具有如下優點：(1)本發明的器件採用澱積絕緣層與矽化物的方法，對AlGaN產生應力作用，調節溝道內電子氣濃度和電場強度。提高器件頻率特性。(2)本發明中所製備矽化物位於柵漏與柵源之間，提高頻率特性的同時不需要減少柵漏距離，從而無需犧牲耐高壓特性。(3)本發明中由於可以在柵漏與柵源之間根據需要調節矽化物的大小以及間距，從而調節應力作用大小。柵源間與柵漏間電子氣濃度以及頻率特性可以根據需要調節。附圖說明通過參照附圖更詳細地描述本發明的示例性實施例，本發明的以上和其它方面及優點將變得更加易於清楚，在附圖中：圖1是本發明器件的剖面結構示意圖；圖2是物理原理說明圖(極化電荷隨矽化物寬度的變化)；圖3是本發明器件的製作工藝流程示意圖。具體實施方式在下文中，現在將參照附圖更充分地描述本發明，在附圖中示出了各種實施例。然而，本發明可以以許多不同的形式來實施，且不應該解釋為局限於在此闡述的實施例。相反，提供這些實施例使得本公開將是徹底和完全的，並將本發明的範圍充分地傳達給本領域技術人員。在下文中，將參照附圖更詳細地描述本發明的示例性實施例。參照圖1，本發明器件包括襯底、本徵GaN層、AlN隔離層、AlGaN勢壘層(本徵AlGaN層)、AlGaN摻雜層、柵電極、源電極、漏電極、絕緣層、鈍化層以及用於調節二維電子氣濃度的矽化物。AlGaN摻雜層位於勢壘層之上，電極以及絕緣層位於AlGaN層之上，矽化物位於絕緣層之上。在襯底上外延生長耗盡型AlGaN/GaN異質結材料，並在該結構上形成柵極、源極和漏極，然後澱積一層絕緣層，絕緣層位於柵極與源極之間和柵極與漏極之間，絕緣層的厚度為5-10nm，在絕緣層上(柵漏區域以及柵源區域間)，形成矽化物，矽化物為塊狀，並且引入應力，塊間距小於塊寬度，矽化物會對下面的各層產生壓應力，塊之間將會產生向塊的壓力，通過使塊間距小於塊寬度，可以使下面各層總體獲得總體張應力，從而使溝道中二維電子氣濃度得到增強，所述的矽化物包括NiSi，TiSi2或Co2Si，最後澱積鈍化層實現器件的鈍化。本發明中外延AlGaN/GaN材料的襯底材料是藍寶石、碳化矽、GaN或MgO，AlGaN勢壘層和AlGaN摻雜層中Al與Ga的組份可以調節，AlxGal-xN中的x＝0～1，GaN溝道可以替換為AlyGa1-yN溝道，而AlyGa1-yN中y的組份小於本徵AlGaN層和AlGaN摻雜層中的Al組份，99999為了實現溝道中二維電子濃度的調節，絕緣層位於柵極與源極之間和柵極與漏極之間，厚度為5～10nm。以上所述僅為本發明的實施例而已，並不用於限制本發明。本發明可以有各種合適的更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。