基於GaN的MIS柵增強型HEMT器件及製作方法

2023-07-10 03:24:26 1

專利名稱：基於GaN的MIS柵增強型HEMT器件及製作方法
技術領域：
本發明屬於微電子技術領域，涉及半導體器件及製作工藝，具體的說是一種基於GaN材料的金屬絕緣體半導體MIS柵增強型高電子遷移率電晶體HEMT器件以及製作方法，可用於高溫高頻大功率應用場合以及大功率開關和數字電路。
背景技術：
GaN是一種新型寬禁帶化合物半導體材料，具有許多矽基半導體材料所不具備的優良特性，如3. 14eV的寬禁帶寬度，高達3X 106V/cm的擊穿電場，以及較高的熱導率，且耐腐蝕，抗輻射。更重要的是，GaN材料可以形成AlGaN/GaN異質結結構，這種異質結結構在室溫下可以獲得高於1500cm2/Vs的電子遷移率，以及高達3X107cm/s的飽和電子速度和2 X IOWs的電子速度，而且可以獲得比第二代化合物半導體異質結器件更高的二維電子氣濃度。這些優勢使得AlGaN/GaN高電子遷移率電晶體HEMT在大功率、高頻率、低噪聲方面超過GaAs基HEMT和InP基HEMT。所以，基於AlGaN/GaN異質結的高電子遷移率電晶體在高溫器件及大功率微波器件方面有非常好的應用前景。由於AlGaN/GaN異質結得天獨厚的優勢，AlGaN/GaN異質結材料的生長和AlGaN/GaN HEMT器件的研製始終佔據著GaN電子器件研究的主要地位。然而十幾年來針對GaN基電子器件研究的大部分工作集中在耗盡型AlGaN/GaN HEMT器件上，這是因為AlGaN/GaN異質結構中較強極化電荷的存在，使得製造基於GaN的增強型器件變得十分困難，因此高性能AlGaN/GaN增強型HEMT的研究具有非常重要的意義。AlGaN/GaN增強型HEMT具有廣闊的應用前景。首先，GaN基材料被譽為是研製微波功率器件的理想材料，而增強型器件在微波功率放大器和低噪聲放大器等電路中由於減少了負電壓源，從而大大降低了電路的複雜性以及成本，且AlGaN/GaN增強型HEMT器件在微波大功率器件和電路具有很好的電路兼容性。同時，增強型器件的研製使單片集成耗盡型/增強型器件的數字電路成為可能。而且，在功率開光應用方面，AlGaN/GaN增強型HEMT也有很大的應用前景。因而高性能AlGaN/GaN增強型HEMT器件的研究得到了極大的重視。目前，不論是國內還是國際上，都有不少關於AlGaN/GaN增強型HEMT的報導。目前報導的主要有以下幾種技術I. F離子注入技術，即基於氟化物CF4的等離子體注入技術，香港科技大學的YongCai等人成功研製了基於F離子注入技術的增強型HEMT器件，該器件通過在AlGaN/GaNHEMT柵下的AlGaN勢壘層中注入F離子，由於F離子的強負電性，勢壘層中的F離子可以提供穩定的負電荷，因而可以有效的耗盡溝道區的強二維電子氣，當AlGaN勢壘層中的F離子數達到一定數量時，柵下溝道處的二維電子氣完全耗盡，從而實現增強型HEMT器件。但是F注入技術不可避免的會引入材料的損傷，且器件閾值電壓的可控性不高。該器件在室溫下薄層載流子濃度高達I. 3X 1013cm_2，遷移率為lOOOcmVVs，閾值電壓達到0. 9V，最大漏極電流達 310mA/mm。參見文獻 Yong Cai, Yugang Zhou, Kevin J. Chen and Kei May Lau,「High-performance enhancement-mode AlGaN/GaN HEMTs using fluoride-based plasmatreatment」，IEEE Electron Device Lett, Vol. 26, No. 7, JULY 2005。2.非極性或半極性GaN材料實現增強型器件，Masayuki Kuroda等人成功用r面(1102)藍寶石上的a面(1120)n-AlGaN/GaN HEMT實現了器件的增強，由於非極性或半極性材料由於缺少極化效應，因此其二維電子氣濃度很小甚至沒有，所以基於非極性或半極性材料的AlGaN/GaN HEMT器件具有增強特性。其報導的閾值電壓為-0. 5V，通過降低參雜濃度可進一步增大器件閾值電壓，但其器件特性並不好，其電子遷移率只有5. 14cm2/Vs，室溫下方塊電阻很大。且其柵漏電大小在Vgs =-IOV時達到了 I. lX10_5A/mm。參見文獻 Masayuki Kuroda, Hidetoshi Ishida, Tetsuzo Ueda, and Tsuyoshi Tanaka,「Nonpolar(11-20)plane AlGaN/GaN heterojunction field effect transistors on (1-102)plane sapphire」,Journal of Aplied Phisics, Vol. 102, No. 9,November2007。3.槽柵技術，W. B. Lanford等人通過MOCVD利用槽柵技術製得了閾值電壓達0. 47V的增強型器件，該器件結構自下而上包括=SiC襯底，成核層，2um厚的GaN，3nm厚的AlGaN，IOnm厚的n-AlGaN, IOnm厚的AlGaN。在歐姆退火之後，不直接蒸發柵金屬電極,而是先在預生長柵極區域用幹法ICP-RIE方法刻蝕一個凹槽，然後在700°C的氮氣氛圍下進行快速熱退火，之後在凹柵窗口上製作Ni/Au肖特基接觸柵電極。槽柵技術通過將柵下的勢壘層刻蝕一定深度，使得柵下勢壘層變薄，從而使柵下2DEG濃度降低，而源漏區的載流子濃度保持較大值不變，這樣既可實現器件的增強特性，又可保證一定的電流密度。利用槽柵技術實現的增強型器件其外延生長容易控制，但其調控性較差，且刻蝕過程會形成損傷。參見文獻 W. B. Lanford, T. Tanaka, Y. Otoki and I. Adesida, 「Recessed-gate enhancement-modeGaN HEMT with high threshold voltage，，，Electronics Letrers, Vol. 41, No. 7, March2005。4. AlGaN/GaN 刻槽 MIS 柵 HFET 結構，Tohru Oka 等人利用刻槽 MIS 柵 HFET 結構實現了高達5. 2V的閾值電壓，該外延層結構從下至上為Si襯底，緩衝層，SOOnm後的Al0.05Ga0.95N 緩衝層，40nm 厚的 GaN 溝道層，34nm 厚的 Al。. 25Ga0.75N，Inm 厚的 AlN 勢壘層，Inm厚的GaN帽層。該器件由於柵下區域無異質結結構，因而無二維電子氣，因此可以實現高閾值增強型，但這種結構也存在在一定的問題，由於柵下異質結被全部刻蝕掉了，導致器件遷移率低，電流密度較低，導通電阻大。參考文獻Tohru Oka, To mohiro Nozawa，「AlGaN/GaN Recessed MIS-Gate HFET With High~ThreshoId-VoItage Normally-Off Operationfor Power Electronics Applications，，, IEEE Electron Device Lett, VOL. 29,NO. 7, JULY2008。綜上所述，目前國際上AlGaN/GaN HEMT增強型器件主要採用基於槽柵技術和基於氟離子注入技術形成，其均存在如下不足一是閾值電壓的增大往往是以減小電流密度大小為代價的，難以做到高閾值電壓和高電流密度共存；二是無論刻蝕形成槽柵還是氟離子注入都會對材料造成損傷，雖然經過退火可以消除一定損傷，但是殘留的損傷仍然會對器件性能和可靠性造成影響，同時目前這種工藝的重複性還不高；三是製作短柵長的短溝道器件的工藝難度較大，導致器件可靠性低。

發明內容
本發明的目的在於針對上述已有技術的缺陷，從器件結構的優化角度提出一種基於GaN的MIS柵增強型HEMT器件及製作方法，以降低工藝難度，減少器件製造工藝過程中造成的損傷，增大器件的電流密度，提高器件的可靠性，滿足實際應用。為實現上述目的，本發明的器件的結構自下而上包括襯底、過渡層和GaN主緩衝層，其特徵在於，GaN主緩衝層的中間刻蝕有凹槽，該凹槽的底面為0001極性面，凹槽側面為非0001面，凹槽兩側的GaN主緩衝層上方為N型AlGaN主勢壘層，GaN主緩衝層和AlGaN主勢壘層界面上形成第一二維電子氣2DEG層；凹槽內壁上方和凹槽兩側的N型AlGaN主勢壘層表面上，依次設有GaN次緩衝層、N型AlGaN次勢壘層，凹槽底面上的GaN次緩衝層與AlGaN次勢壘層的界面上形成第三二維電子氣2DEG層，凹槽側面方向上外延的GaN次緩衝層與AlGaN次勢魚層為非0001面的AlGaN/GaN異質結,該異質結界面處形成增強型的二維電子氣2DEG層，凹槽兩側的GaN次緩衝層與AlGaN次勢壘層的界面上形成第二二維電子氣2DEG層；N型AlGaN次勢壘層的頂端兩側分別為源級和漏級，源級和漏級之外為介質層，介質層上設有柵級10，該柵級覆蓋整個凹槽區域。所述電子流經第二二維電子氣2DEG層、增強型二維電子氣2DEG層以及第三二維電子氣2DEG層形成第一導電溝道；電子流經第一二維電子氣2DEG層、增強型二維電子氣2DEG層以及第二二維電子氣2DEG層形成第二導電溝道。所述第三二維電子氣2DEG層的水平位置低於第一二維電子氣2DEG層的水平位置。所述AlGaN主勢壘層和AlGaN次勢壘層為摻雜濃度為4 X IO19CnT3的N型AlGaN。為實現上述目的，本發明的基於GaN的金屬絕緣體半導體MIS柵增強型高電子遷移率電晶體HEMT器件及製作方法，包括以下步驟(I)在金屬有機物化學氣相澱積MOCVD反應室中對藍寶石或碳化矽襯底表面進行加熱和表面氮化的預處理；(2)在預處理後的襯底上外延生長厚度為I. 5um 3. 5um的GaN層，再在GaN層上外延生長厚度為16nm 36nm、Al元素的摩爾含量x為20% 35%的N型摻雜的AlxGai_xN層,形成AlGaN/GaN異質結外延片；(3)對外延片進行光刻，並採用反應離子刻蝕RIE方法，在AlGaN/GaN異質結外延片上刻蝕形成長為0. 5um,深度為40nm 140nm的凹槽；(4)將刻蝕凹槽後的外延片放入MOCVD反應室進行二次外延，依次外延20nm IOOnm厚的GaN層和16nm 36nm厚的N型AlxGa^xN層，其中Al元素的摩爾含量x為20% 35% ；(5)在二次外延後的外延片表面上，採用化學氣相澱積CVD或者物理氣相澱積PVD方法澱積厚度為2nm 15nm的柵介質層；(6)在柵介質層上，先光刻出源、漏區域，再刻蝕出源、漏窗口 ；(7)在刻蝕出源、漏窗口的外延片表面上，採用電子束蒸發技術蒸發歐姆接觸的金屬，並通過剝離、退火後，形成源、漏接 觸電極；(8)在已形成源、漏接觸電極的外延片上光刻出柵區域，並採用電子束蒸發技術蒸發柵極金屬，經剝離後，形成金屬絕緣體半導體MIS柵極；
(9)對已形成源、漏、柵極的外延片表面進行光刻，獲得加厚電極圖形，並採用電子束蒸發對電極進行加厚，完成器件製作。本發明具有如下優點I)具有雙溝道導電機制
本發明由於在GaN主緩衝層中間刻蝕有凹槽，且凹槽的底面為0001極性面，凹槽側面為非0001面，因此沿凹槽側面方向上外延的非0001面GaN次緩衝層與AlGaN次勢壘層形成的AlGaN/GaN異質結結構，該結構降低甚至消除了極化效應，使該異質結界面處形成的二維電子氣濃度很低，甚至沒有二維電子氣，使凹槽側壁異質結界面處形成了增強型的二維電子氣2DEG層；本發明由於在凹槽兩側的GaN主緩衝層和AlGaN主勢壘層界面上形成第一二維電子氣2DEG層，在凹槽兩側的GaN次緩衝層與AlGaN次勢壘層界面上形成第二二維電子氣2DEG層，在凹槽底面上的GaN次緩衝層與AlGaN次勢壘層界面上形成第三二維電子氣2DEG層，因而當電子流經第二二維電子氣2DEG層、凹槽側壁的增強型的二維電子氣2DEG層以及第三二維電子氣2DEG層形成第一導電溝道；當電子流經第一二維電子氣2DEG層、增強型的二維電子氣2DEG層以及第二二維電子氣2DEG層形成第二導電溝道。2)具有良好的增強型特性對於第一導電溝道，只有當柵極施加一定程度的正電壓時，凹槽側面的次緩衝層和次勢壘層界面的增強型的二維電子氣2DEG層才能形成二維電子氣溝道，從而實現第一導電通道的導通，即實現了器件的增強特性。對於第二導電通道，由於凹槽側面二次生長的次GaN緩衝層相當於一層隔離層，只有當柵極施加一定正電壓，在該GaN隔離層中形成較強水平漂移電場，在此漂移電場作用下溝道電子可以實現導通，從而形成電流。無論是第一導電溝道的導通還是第二導電溝道的導通都需要一定的柵極正電壓，因此本發明可以實現良好的增強型特性。3)具有高電流密度本發明由於器件的凹槽兩側的區域均為雙溝道結構，而且第二導電溝道上方的AlGaN勢壘層採用N型甚至N+型摻雜，不僅可減小器件的歐姆接觸電阻；而且降低器件源極和漏極的串聯電阻；同時，由於引入第二導電溝道的導電機制，使電子流經凹槽側壁的增強型的二維電子氣2DEG層的距離大大縮短，避免了凹槽側壁的增強型的二維電子氣2DEG層導電性較低對電流的限制，因而可以大大提高器件的電流密度。4)具有高的擊穿電壓本發明由於器件採用雙溝道導電機制，同時勢壘層採用N型摻雜，因此從柵電極發源的電力線可以終止於第一導電溝道、N型AlGaN主勢壘層、N型AlGaN次勢壘層以及第二導電通道，將柵極與溝道間的電力線分散，電場強度減弱，從而大大提高了器件的擊穿電壓。5)工藝簡單、成熟，重複性好，器件可靠性高。本發明器件製作方法中的工藝步驟均是目前國內外相對比較成熟的，而且工藝流程也相對簡單，成本低，能完全與成熟的耗盡型AlGaN/GaN HEMT器件製備工藝兼容。另外，本發明採用了幹法刻蝕方法和溼法刻蝕方法進行刻蝕，並且在後續的高溫二次生長中，可在一定程度上對刻蝕形成的表面損傷進行修復，以減少刻蝕損傷對器件性能和可靠性的影響。與目前國內外常用的槽柵刻蝕方法相比，本發明能更有效的避免了刻蝕引起的材料損傷，器件可靠性更高


圖I是本發明基於GaN材料的MIS柵增強型HEMT器件結構圖；圖2是本發明製備基於GaN材料的MIS柵增強型HEMT器件工藝流程圖。
具體實施例方式參照圖1，本發明基於GaN材料的MIS柵增強型HEMT器件，包括襯底I、過渡層2、GaN主緩衝層3、N型AlGaN主勢壘層4、GaN次緩衝層5、N型AlGaN次勢壘層6、介質層7，源級8、漏級9、柵極10和凹槽11 ;襯底I上方為過渡層2，過渡層2上方為GaN主緩衝層3，其厚度為I. 5 3. 5um ；GaN主緩衝層3的中間刻蝕有凹槽11，凹槽深度為40nm 140nm,該凹槽11的底面為0001極性面，凹槽側面為非0001面，凹槽11兩側的GaN主緩衝層3上方為摻雜濃度為4 X IO19Cm'厚度為16nm 36nm的N型AlxGa^xN主勢壘層4，且
0.2彡X彡0. 35 ;凹槽內壁上方和凹槽兩側的N型AlGaN主勢壘層4上方為GaN次緩衝層5，該GaN次緩衝層5沿垂直向上方向上厚度為20nm IOOnm ；GaN次緩衝層5上方為N型AlGaN次勢壘層6，該N型AlGaN次勢壘層6沿垂直向上方向上厚度為16nm 36nm ；N型AlGaN次勢壘層6頂端兩側為源級8和漏級9，源級8和漏級9之外為介質層7，該介質層7的厚度為2nm 15nm ;柵級10位於介質層7上，且覆蓋整個凹槽11區域；GaN主緩衝層3和AlGaN主勢壘層4界面上形成第一二維電子氣2DEG層12，此2DEG層12位於凹槽11兩側；GaN次緩衝層5和AlGaN次勢壘層6界面上形成第二二維電子氣2DEG層13，該2DEG層13位於凹槽兩側，凹槽內外延的GaN次緩衝層5和AlGaN次勢壘層6界面上形成第三二維電子氣2DEG層14，且第三二維電子氣2DEG層14的水平位置低於第一二維電子氣2DEG層12的水平位置；凹槽11側面方向上外延的GaN次緩衝層5與AlGaN次勢壘層6為非0001面的AlGaN/GaN異質結結構，該異質結界面處形成增強型的二維電子氣2DEG層15 ;電子流經第二二維電子氣2DEG層13、增強型的二維電子氣溝道層15、以及第三二維電子氣2DEG層14形成第一導電溝道16，電子流經第一二維電子氣2DEG層12、增強型的二維電子氣溝道層以及第三二維電子氣2DEG層14形成第二導電溝道17。參照圖2，本發明製作基於GaN的MIS柵增強型HEMT器件的方法，給出以下三種實施例。實施例I製作成襯底為藍寶石，過渡層為A1N，GaN主緩衝層厚度為I. 5um，Ala35Gaa65N主勢壘層厚度為16nm，凹槽刻蝕深度為40nm，GaN次緩衝層厚度為20nm，Ala 35Gaa65N次勢壘層厚度為16nm，柵介質層厚度為2nm的基於GaN的MIS柵增強型HEMT器件，其步驟是步驟一,將C面藍寶石襯底置於金屬有機物化學氣相澱積MOCVD反應室中，將反應室的真空度抽至IXKT2Torr之下，在流量為1500sCCm的氫氣與流量為2000sCCm的氨氣的混合氣體保護下對藍寶石襯底進行熱處理和表面氮化，加熱溫度為1050°C，壓力為20Torro
步驟二，採用MOCVD技術，在溫度為1050°C，壓力為20Torr，氫氣流量為1500sccm，氨氣流量為2000SCCm，鋁源流量為30SCCm的工藝條件下，在藍寶石襯底上外延厚度為150nm的AlN過渡層，如圖2 (a)。步驟三，採用MOCVD技術，在溫度為1050°C，壓力為20Torr，氫氣流量為1500sccm，氨氣流量為6000SCCm，鎵源流量為220SCCm的工藝條件下，在過渡層上外延厚度為I. 5um的GaN主緩衝層，如圖2(b)。步驟四，採用MOCVD技術，在溫度為920°C，壓力為40Torr，氫氣流量為6000sccm，氨氣流量為5000SCCm，鋁源流量為lOsccm，鎵源流量為40sCCm的工藝條件下，在主緩衝層上外延厚度為16nm的N型摻雜Ala35Gaa65N主勢壘層，通過在生長過程中通入矽烷SiH4實現摻雜濃度為4 X IO19CnT3的N型摻雜，這樣在AlN過渡層上形成了 AlGaN/GaN異質結，在質結界面處形成了二維電子氣2DEG，形成的外延片結構如圖2(c)。步驟五，對外延片進行清洗後，採用電子束蒸發設備在外延片上澱積厚度為150nm的SiO2層，該SiO2層可以和光刻膠在表面形成共同起保護作用的雙層掩膜圖形，更有利於對未刻蝕區域表面的保護，如圖2(d)。步驟六，在澱積了 SiO2層的外延片表面上，進行甩正膠、軟烘，並通過曝光以及顯影形成刻蝕所需的凹槽窗口。步驟七，採用反應離子刻蝕RIE方法，在氯氣Cl2流量為15sccm，功率為200W，壓強為IOmT的工藝條件下刻蝕外延片，刻蝕深度為40nm，形成凹槽結構，如圖2(e)。步驟八，用丙酮溶液去除刻蝕後殘餘的正膠，然後在HF溶液中腐蝕步驟五中澱積的SiO2掩膜，最後用超純水清洗並用氮氣吹乾。步驟九，將反應室的真空度抽至IX 10_2Torr之下，在流量為1500sccm的氫氣與流量為2000sCCm的氨氣的混合氣體保護下對清洗後的外延片進行熱處理，加熱溫度為1000°C，壓力為 20Torr。步驟十，利用MOCVD技術，在溫度為1050°C，壓力為20Torr，氫氣流量為1500sccm，氨氣流量為3000SCCm，鎵源流量為150SCCm的工藝條件下，在外延片上外延厚度為20nm的GaN次緩衝層，如圖2(f)。步驟十一，利用MOCVD技術，在溫度為920 °C，壓力為40Torr，氫氣流量為6000sccm,氨氣流量為5000sccm,招源流量為IOsccm,鎵源流量為40sccm的工藝條件下，在GaN次緩衝層上外延厚度為16nm的N型摻雜Ala35Gaa65N次勢壘層，通過在生長過程中通入矽烷SiH4實現摻雜濃度為4X IO19CnT3的N型摻雜，這樣在凹槽底面上和凹槽兩側的Ala35Gaa65N次勢壘層和GaN次緩衝層形成了 AlGaN/GaN異質結，該異質結界面處形成有二維電子氣2DEG，外延後形成的外延片結構如圖2(g)。、
步驟十二，利用等離子增強化學氣相澱積PECVD方法，在氨氣流量為2. 5sccm,氮氣流量為900sccm，矽烷流量為200sccm，溫度為300°C，壓力為900mT，功率為25W的工藝條件下，澱積厚度為2nm的SiN介質層，該介質層覆蓋整個凹槽，如圖2(h)。步驟十三，通過甩正膠、軟烘、曝光以及顯影，形成源、漏窗口，並採用溼法刻蝕方法去除源漏區域下的SiN介質薄層。步驟十四，通過甩正膠、軟烘、曝光以及顯影獲得源、漏窗口。步驟十五，利用等離子去膠機去除窗口區域未顯影乾淨的光刻膠薄層，以提高金屬剝離的成品率。步驟十六，採用電子束蒸發儀器，在真空度小於2. 0 X 10_6Pa，功率範圍為600W，蒸發速率不大於3埃/秒的工藝條件下澱積Ti、Al、Ni、Au四層歐姆接觸金屬，Ti、Al、Ni、Au的厚度分別為 30nm、180nm、40nm、60nm。步驟十七，首先將蒸發完歐姆接觸金屬的外延片在丙酮溶液中浸泡20min，然後進行超聲清洗，最後用超純水衝洗和氮氣吹乾，以 實現金屬的剝離。步驟十八，在氮氣氣氛中且溫度為850°C下進行30s的歐姆接觸退火，形成源、漏接觸電極，如圖2(i)。步驟十九，在退火後的外延片上通過甩正膠、軟烘、曝光以及顯影獲得柵區域窗□。步驟二十,採用電子束蒸發儀器澱積Ni、Au兩層金屬，Ni、Au的厚度分別為30nm、200nm，隨後將器件浸泡在剝離液中進行金屬剝離，用超純水衝洗2min，再用氮氣吹乾，最終獲得柵電極，如圖2 (j)。步驟二十一，對已形成源、漏、柵極的外延片表面進行光刻，獲得加厚電極圖形，並採用電子束蒸發對電極進行加厚，完成如圖I所示的器件製作。實施例2製作成襯底為碳化矽SiC，過渡層為A1N，GaN主緩衝層厚度為2. 5um, Ala27Gaa73N主勢壘層厚度為24nm，凹槽刻蝕深度為90nm，GaN次緩衝層厚度為60nm，Ala27Gaa73N次勢壘層厚度為24nm，柵介質層厚度為8nm的基於GaN的MIS柵增強型HEMT器件，其步驟是步驟1，將碳化矽SiC襯底置於金屬有機物化學氣相澱積MOCVD反應室中進行熱處理和表面氮化，工藝條件為反應室的真空度在I X KT2Torr之下，氫氣流量為1500sCCm，氨氣流量為3500sccm，加熱溫度為950°C，壓力為40Torr。步驟2，採用MOCVD技術，在碳化矽SiC襯底上外延厚度為150nm的AlN過渡層，如圖2 (a)，外延過渡層的工藝條件為溫度為950°C，壓力為40Torr，氫氣流量為1500sCCm，氨氣流量為3500sccm,招源流量為30sccm。步驟3，採用MOCVD技術，在過渡層上外延厚度為2. 5um的GaN主緩衝層，如圖2(b)，外延GaN主緩衝層的工藝條件為在溫度為920°C，壓力為40Torr，氫氣流量為5000sccm,氨氣流量為5000sccm,嫁源流量為220sccm。步驟4，採用MOCVD技術，在主緩衝層上外延厚度為24nm的N型摻雜Ala27Gaa73N主勢壘層，通過在生長過程中通入矽烷SiH4實現摻雜濃度為4 X IO19CnT3的N型摻雜，這樣在AlN過渡層上形成了 AlGaN/GaN異質結,在質結界面處形成了二維電子氣2DEG,形成的外延片結構如圖2 (C)，外延Ala27Gaa73N主勢壘層的工藝條件為溫度為920°C，壓力為40Torr，氫氣流量為5000sccm,氨氣流量為5000sccm,招源流量為IOsccm,鎵源流量為40sccm。步驟5，對外延片進行清洗後，採用電子束蒸發設備在外延片上澱積厚度為150nm的SiO2層，該SiO2層可以和光刻膠在表面形成共同起保護作用的雙層掩膜圖形，更有利於對未刻蝕區域表面的保護，如圖2(d)。步驟6，在澱積了 SiO2層的外延片表面上，進行甩正膠、軟烘，並通過曝光以及顯影形成刻蝕所需的凹槽窗口。步驟7，採用反應離子刻蝕RIE方法，在氯氣Cl2流量為15sccm，功率為200W，壓強為IOmT的工藝條件下刻蝕外延片，刻蝕深度為90nm，形成凹槽結構，如圖2(e)。
步驟8，用丙酮溶液去除刻蝕後殘餘的正膠，然後在HF溶液中腐蝕步驟5中澱積的SiO2掩膜，最後用超純水清洗並用氮氣吹乾。步驟9，將反應室的真空度抽至I X 10_2Torr之下，在流量為1500sccm的氫氣與流量為3500sCCm的氨氣的混合氣體保護下對清洗後的外延片進行熱處理，加熱溫度為950 °C，壓力為 40Torr。 步驟10，利用MOCVD技術，在外延片上外延厚度為60nm的GaN次緩衝層，如圖2(f)，外延GaN次緩衝層的工藝條件為溫度為920°C，壓力為40Torr，氫氣流量為5000sccm,氨氣流量為3000sccm,嫁源流量為150sccm。步驟11，利用MOCVD技術，在GaN次緩衝層上外延厚度為24nm的N型摻雜Al0.27Ga0.73N次勢壘層，通過在生長過程中通入矽烷SiH4實現摻雜濃度為4X IO19CnT3的N型摻雜，這樣在凹槽底面上和凹槽兩側的Ala27Gaa73N次勢壘層和GaN次緩衝層形成了AlGaN/GaN異質結,該異質結界面處形成有二維電子氣2DEG,外延後形成的外延片結構如圖2(g)，外延Ala27Gaa73N次勢壘層的工藝條件為溫度為920°C，壓力為40Torr，氫氣流量為5000sccm,氨氣流量為5000sccm,招源流量為IOsccm,鎵源流量為40sccm。步驟12，利用等離子增強化學氣相澱積PECVD方法，澱積厚度為8nm的SiN介質層，該介質層覆蓋次勢壘層和整個凹槽，如圖2 (h)，澱積SiN介質層的工藝條件為氨氣流量為2. 5sccm,氮氣流量為900sccm，矽烷流量為200sccm，溫度為300°C，壓力為900mT，功率為 25W。步驟13，通過甩正膠、軟烘、曝光以及顯影，形成源、漏窗口，並採用溼法刻蝕方法去除源漏區域下的SiN介質薄層。步驟14，通過甩正膠、軟烘、曝光以及顯影獲得源、漏窗口。步驟15，利用等離子去膠機去除窗口區域未顯影乾淨的光刻膠薄層，以提高金屬剝離的成品率。步驟16，採用電子束蒸發儀器，澱積Ti、Al、Ni、Au四層歐姆接觸金屬，澱積金屬的工藝條件為真空度小於2.0X10_6Pa，功率範圍為600W，蒸發速率小於等於3埃/秒，Ti、Al、Ni、Au 的厚度分別為 30nm、180nm、40nm、60nm。步驟17，進行金屬的剝離，首先將蒸發完歐姆接觸金屬的外延片在丙酮溶液中浸泡20min，然後進行超聲清洗，最後用超純水衝洗和氮氣吹乾。步驟18，在氮氣氣氛中且溫度為850°C下進行30s的歐姆接觸退火，形成源、漏接觸電極，如圖2⑴。步驟19，在退火後的外延片上通過甩正膠、軟烘、曝光以及顯影獲得柵區域窗口。步驟20,採用電子束蒸發儀器澱積Ni、Au兩層金屬，Ni、Au的厚度分別為30nm、200nm，隨後將器件浸泡在剝離液中進行金屬剝離，用超純水衝洗2min，再用氮氣吹乾，最終獲得柵電極，如圖2 (j)。步驟21，對已形成源、漏、柵極的外延片表面進行光刻，獲得加厚電極圖形，並採用電子束蒸發對電極進行加厚，完成如圖I所示的器件製作。實施例3製作成襯底為藍寶石，過渡層為A1N，GaN主緩衝層厚度為3. 5um, Ala2Gaa8N主勢壘層厚度為36nm，凹槽刻蝕深度為140nm，GaN次緩衝層厚度為lOOnm，Ala2Gaa8N次勢壘層厚度為36nm，柵介質層厚度為15nm的基於GaN的MIS柵增強型HEMT器件，其步驟是步驟A，將藍寶石襯底置於金屬有機物化學氣相澱積MOCVD反應室中，在氨氣和氫氣混合氣體保護下對藍寶石襯底進行熱處理和表面氮化，將反應室的真空度抽至I X KT2Torr之下，氫氣流量為1500sccm，氨氣流量為2000sccm，加熱溫度為1050°C，壓力為 20Torro步驟B，採用MOCVD技術，在溫度為1050°C，壓力為20Torr，氫氣流量為1500sccm，氨氣流量為2000SCCm，鋁源流量為30SCCm的工藝條件下，在藍寶石襯底上外延厚度為150nm的AlN過渡層，如圖2(a)。步驟C，採用MOCVD技術，在溫度為1050°C，壓力為20Torr，氫氣流量為1500sccm，氨氣流量為6000SCCm，鎵源流量為220SCCm的工藝條件下，在過渡層上外延厚度為3. 5um的GaN主緩衝層，如圖2(b)。步驟D，採用MOCVD技術，在溫度為920°C，壓力為40Torr，氫氣流量為6000sccm，氨氣流量為5000SCCm，鋁源流量為lOsccm，鎵源流量為40sCCm的工藝條件下，在主緩衝層上外延厚度為36nm的N型摻雜Ala2Gaa8N主勢壘層，通過在生長過程中通入矽烷SiH4實現摻雜濃度為4 X IO19CnT3的N型摻雜，這樣在AlN過渡層上形成了 AlGaN/GaN異質結，在質結界面處形成了二維電子氣2DEG，形成的外延片結構如圖2(c)。步驟E，對外延片進行清洗後，採用電子束蒸發設備在外延片上澱積厚度為150nm的SiO2層，該SiO2層可以和光刻膠在表面形成共同起保護作用的雙層掩膜圖形，更有利於對未刻蝕區域表面的保護，如圖2(d)。步驟F，光刻凹槽窗口並進行凹槽刻蝕在澱積了 SiO2層的外延片表面上，通過甩正膠、軟烘、曝光以及顯影形成刻蝕所需的凹槽窗口。採用反應離子刻蝕RIE方法，在氯氣Cl2流量為15sccm，功率為200W，壓強為IOmT的工藝條件下刻蝕外延片，刻蝕深度為140nm，形成凹槽結構，如圖2(e)。步驟G，用丙酮溶液去除刻蝕後殘餘的正膠，然後在HF溶液中腐蝕步驟五中澱積的SiO2掩膜，最後用超純水清洗並用氮氣吹乾。步驟H，將反應室的真空度抽至lX10_2Torr之下，在流量為1500sccm的氫氣與流量為2000sCCm的氨氣的混合氣體保護下對清洗後的外延片進行熱處理，加熱溫度為1000°C，壓力為 20Torr。步驟I，利用MOCVD技術，在溫度為1050°C，壓力為20Torr，氫氣流量為1500sccm，氨氣流量為3000sCCm，鎵源流量為150SCCm的工藝條件下，在外延片上外延厚度為IOOnm的GaN次緩衝層，如圖2(f)。步驟J，利用MOCVD技術，在溫度為920°C，壓力為40Torr，氫氣流量為6000sccm，氨氣流量為5000sccm，鋁源流量為lOsccm，鎵源流量為40sccm的工藝條件下，在GaN次緩衝層上外延厚度為36nm的N型摻雜Ala2Gaa8N次勢壘層，通過在生長過程中通入矽烷SiH4實現摻雜濃度為4X IO19CnT3的N型摻雜，這樣在凹槽底面上和凹槽兩側的Ala2Gaa8N次勢壘層和GaN次緩衝層形成了 AlGaN/GaN異質結，該異質結界面處形成有二維電子氣2DEG，夕卜延後形成的外延片結構如圖2(g)。
步驟K，利用等離子增強化學氣相澱積PECVD方法，在氨氣流量為2. 5sCCm，氮氣流量為900sccm，矽烷流量為200sccm，溫度為300°C，壓力為900mT，功率為25W的工藝條件下，澱積厚度為15nm的SiN介質層，該介質層覆蓋次勢壘層和整個凹槽，如圖2(h)。步驟L，通過甩正膠、軟烘、曝光以及顯影，形成源、漏窗口，並採用溼法刻蝕方法去除源漏區域下的SiN介質薄層。步驟M，通過甩正膠、軟烘、曝光以及顯影獲得源、漏窗口。步驟N，利用等離子去膠機去除窗口區域未顯影乾淨的光刻膠薄層，以提高金屬剝離的成品率。步驟0，採用電子束蒸發儀器，在真空度小於2. 0 X 10_6Pa，功率範圍為600W，蒸發速率不大於3埃/秒的工藝條件下澱積Ti、Al、Ni、Au四層歐姆接觸金屬，Ti、Al、Ni、Au的厚度分別為 30nm、180nm、40nm、60nm。步驟P，歐姆金屬玻璃並進行歐姆退火首先，將蒸發完歐姆接觸金屬的外延片在丙酮溶液中浸泡20min ；然後，進行超聲清洗，最後用超純水衝洗和氮氣吹乾，以實現金屬的剝離；最後，在氮氣氣氛中且溫度為850°C下進行30s的歐姆接觸退火，形成源、漏接觸電極，如圖2(i)。步驟Q，在退火後的外延片上通過甩正膠、軟烘、曝光以及顯影獲得柵區域窗口。步驟R,採用電子束蒸發儀器澱積Ni、Au兩層金屬，Ni、Au的厚度分別為30nm、200nm，隨後將器件浸泡在剝離液中進行金屬剝離，用超純水衝洗2min，再用氮氣吹乾，最終獲得柵電極，如圖2 (j)。步驟S，對已形成源、漏、柵極的外延片表面進行光刻，獲得加厚電極圖形，並採用電子束蒸發對電極進行加厚，完成如圖I所示的器件製作。上述實施例僅為本發明的幾個優選實例，不構成對本發明的任何限制，顯然對於本領域的專業人員來說，在了解了本發明內容和原理後，能夠在不背離本發明的原理和範圍的情況下，根據本發明的方法進行形式和細節上的各種修正和改變，但是這些基於本發明的修正和改變仍在本發明的權利要求保護範圍之內。
權利要求
1.一種基於GaN的金屬絕緣體半導體MIS柵增強型高電子遷移率電晶體HEMT器件，自下而上包括襯底(I)、過渡層(2)和GaN主緩衝層(3)，其特徵在於，GaN主緩衝層(3)的中間刻蝕有凹槽(11)，該凹槽(11)的底面為OOOl極性面，凹槽(11)側面為非0001面，凹槽(11)兩側的GaN主緩衝層(3)上方為N型AlGaN主勢壘層(4)，GaN主緩衝層(3)和AlGaN主勢壘層(4)界面上形成第一二維電子氣2DEG層(12);凹槽內壁上方和凹槽兩側的N型AlGaN主勢壘層(4)表面上，依次設有GaN次緩衝層(5)、N型AlGaN次勢壘層(6)，凹槽底面上的GaN次緩衝層(5)與AlGaN次勢壘層(6)的界面上形成第三二維電子氣2DEG層(14)，凹槽側面方向上外延的GaN次緩衝層(5)與AlGaN次勢壘層(6)為非0001面的AlGaN/GaN異質結，該異質結界面處形成增強型的二維電子氣2DEG層(15)，凹槽兩側的GaN次緩衝層(5)與AlGaN次勢壘層￠)的界面上形成第二二維電子氣2DEG層(13) #型AlGaN次勢壘層(6)的頂端兩側分別為源級(8)和漏級(9)，源級(8)和漏級(9)之外為介質層(7)，介質層(7)上設有柵級(10)，該柵級覆蓋整個凹槽區域。
2.根據權利要求I所述的HEMT器件，其特徵在於，電子流經第二二維電子氣2DEG層、增強型二維電子氣層(15)以及第三二維電子氣2DEG層(14)形成第一導電溝道(16);電子流經第一二維電子氣2DEG層(12)、增強型二維電子氣層(15)以及第二二維電子氣2DEG層(14)形成第二導電溝道(17)。
3.根據權利要求I所述的HEMT器件，其特徵在於，第三二維電子氣2DEG層(14)的水平位置低於第一二維電子氣2DEG層(12)的水平位置。
4.根據權利要求I所述的HEMT器件，其特徵在於，AlGaN主勢壘層(4)和AlGaN次勢壘層(6)為摻雜濃度為4 X IO19CnT3的N型AlGaN。
5.一種基於GaN的金屬絕緣體半導體MIS柵增強型高電子遷移率電晶體HEMT器件的製作方法，包括以下步驟 (1)在金屬有機物化學氣相澱積MOCVD反應室中對藍寶石或碳化矽襯底表面進行加熱和表面氮化的預處理； (2)在預處理後的襯底上外延生長厚度為I.5um 3. 5um的GaN層，再在GaN層上外延生長厚度為16nm 36nm、Al元素的摩爾含量χ為20% 35%的N型摻雜的AlxGa^xN層，形成AlGaN/GaN異質結外延片； (3)對外延片進行光刻，並採用反應離子刻蝕RIE方法，在AlGaN/GaN異質結外延片上刻蝕形成長為O. 5um,深度為40nm 140nm的凹槽； (4)將刻蝕凹槽後的外延片放入MOCVD反應室進行二次外延，依次外延20nm IOOnm厚的GaN層和16nm 36nm厚的N型AlxGa1J層，其中Al元素的摩爾含量χ為20 % 35% ； (5)在二次外延後的外延片表面上，採用化學氣相澱積CVD或者物理氣相澱積PVD方法澱積厚度為2nm 15nm的柵介質層； (6)在柵介質層上，先光刻出源、漏區域，再刻蝕出源、漏窗口； (7)在刻蝕出源、漏窗口的外延片表面上，採用電子束蒸發技術蒸發歐姆接觸的金屬，並通過剝離、退火後，形成源、漏接觸電極； (8)在已形成源、漏接觸電極的外延片上光刻出柵區域，並採用電子束蒸發技術蒸發柵極金屬，經剝離後，形成金屬絕緣體半導體MIS柵極；(9)對已形成源、漏、柵極的外延片表面進行光刻，獲得加厚電極圖形，並採用電子束蒸 發對電極進行加厚，完成器件製作。
全文摘要
本發明公開了一種基於GaN的MIS柵增強型HEMT器件及製作方法，主要解決現有GaN基增強型器件電流密度低及可靠性低的問題。該器件結構為襯底(1)上依次設有過渡層(2)和GaN主緩衝層(3)，GaN主緩衝層(3)的中間設有凹槽(11)，凹槽兩側的GaN主緩衝層上方為AlGaN主勢壘層(4)，凹槽內壁上方和凹槽兩側的AlGaN主勢壘層(4)表面上，依次設有GaN次緩衝層(5)和AlGaN次勢壘層(6)，AlGaN次勢壘層(6)的頂端兩側分別為源級(8)和漏級(9)，源級和漏級之外為介質層(7)，介質層(7)上設有柵級(10)，該柵級(10)覆蓋整個凹槽區域，整個器件的製作採用成熟的工藝流程。本發明具有增強型特性好，電流密度高，擊穿電壓高，器件可靠性高的優勢，可用於高溫高頻大功率器件方面以及大功率開關和數字電路。
文檔編號H01L29/778GK102629624SQ20121013104
公開日2012年8月8日 申請日期2012年4月29日 優先權日2012年4月29日
發明者黨李莎, 姜騰, 孟凡娜, 張琳霞, 張進成, 王衝, 艾姍, 趙勝雷, 郝躍, 霍晶, 馬曉華 申請人:西安電子科技大學