專利名稱：基于超級(jí)結(jié)的氮化鎵hemt器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于超級(jí)結(jié)的氮化鎵HEMT (高電子遷移率晶體管)器件及制備方法。
背景技術(shù)：
繼娃(Si )、神化嫁(GaAs)之后，具有優(yōu)良聞溫、聞壓及聞?lì)l特性的被稱為第二代半導(dǎo)體的氮化鎵(GaN)材料成為目前國(guó)際上研究的熱點(diǎn)。寬禁帶半導(dǎo)體氮化鎵(GaN)具有禁帶寬度大、臨界擊穿電場(chǎng)高、飽和電子漂移速度高、熱導(dǎo)率大、抗輻射能力強(qiáng)以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)，非常適合于制作抗輻射、高溫、高頻、大功率和高密度集成的電路，是電力電子、汽車電子、通訊、雷達(dá)、制導(dǎo)等現(xiàn)代化國(guó)防裝備的核心部件。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)Si和GaAs半導(dǎo)體器件性能已接近其材料本身決定的理論極限，寬禁帶半導(dǎo)體GaN材料其臨界擊穿電場(chǎng)比硅(Si)高近10倍，AlGaN/GaNHEMTs功率器件的導(dǎo)通電阻在耐壓超過350V的應(yīng)用中比Si器件低近三個(gè)數(shù)量級(jí)，因此其制作的功率器件突破了主流硅功率器件的理論極限，并可同步減小芯片面積和減輕驅(qū)動(dòng)電路的重量。在工作溫度高的(大于250°C)的功率電子應(yīng)用中，GaN功率電子因無少數(shù)載流子存儲(chǔ)效應(yīng)、具有優(yōu)良的高溫可靠性等優(yōu)點(diǎn)超越了硅基功率半導(dǎo)體工作的溫度上限150°C，GaN基功率電子將成為Si基功率器件的理想替代者，并在未來的智能電網(wǎng)、混合動(dòng)力汽車、航空航天以及高速鐵路等新型產(chǎn)業(yè)中扮演著舉足輕重的地位。然而,作為一種功率器件,氮化鎵HEMT在性能上仍然存在很大的問題。其中最關(guān)鍵的一個(gè)就是擊穿電壓和導(dǎo)通電子之間的制約關(guān)系，由于肖特基柵邊緣下方存在強(qiáng)電場(chǎng)，導(dǎo)致漂移區(qū)電場(chǎng)分布不均勻，使實(shí)現(xiàn)高擊穿電壓和低導(dǎo)通電阻難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)，因此器件在大電壓下工作時(shí)會(huì)有很大的能量損耗。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于超級(jí)結(jié)的氮化鎵HEMT器件，其能夠在低導(dǎo)通電阻的情況下提高器件擊穿電壓。為解決上述問題，本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:一種基于超級(jí)結(jié)的氮化鎵HEMT器件，其主要由藍(lán)寶石襯底、AlN層、GaN層、AlGaN層、源極、柵極和漏極組成；其中藍(lán)寶石襯底、AlN層、GaN層和AlGaN層自下而上依次疊放，源極、柵極和漏極則分布位于AlGaN層的上方；此外，所述柵極和漏極之間設(shè)有至少一個(gè)F離子處理形成的超級(jí)結(jié)區(qū)，該超級(jí)結(jié)區(qū)從AlGaN層的上表面一直嵌入延伸至AlGaN層的下部或GaN層的上部。該超級(jí)結(jié)區(qū)能使柵-漏極區(qū)域表面電場(chǎng)最初漂移區(qū)的一維分布擴(kuò)展為二維分布、電場(chǎng)分布更加均勻，并使HEMT器件的柵-漏間距和導(dǎo)通電阻得以縮短和降低，提高器件的擊穿電壓。上述超級(jí)結(jié)區(qū)最好分布在靠近柵極的一側(cè)。上述超級(jí)結(jié)區(qū)的橫向?qū)挾茸詈媒橛贗 3um之間。[0010]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn):1、本實(shí)用新型利用F離子在外延層中能夠捕獲其中的自由電子的特性，使柵-漏極區(qū)域F離子處理區(qū)域和未進(jìn)行F離子處理的區(qū)域形成超級(jí)結(jié)，解決GaN HEMT器件由于GaN材料特性的原因難以形成超級(jí)結(jié)的問題。2、通過在柵-漏極區(qū)域形成超級(jí)結(jié)，使柵-漏極區(qū)域表面電場(chǎng)最初漂移區(qū)的一維分布擴(kuò)展為二維分布、電場(chǎng)分布更加均勻，使HEMT器件的柵-漏間距和導(dǎo)通電阻得以縮短和降低，提高器件的擊穿電壓，為制備高壓、高功率GaN基HEMT器件制備提供一個(gè)新的實(shí)現(xiàn)方式。3、相比其他提供擊穿電源的方法，本實(shí)用新型可以充分利用成熟的硅工藝，制作工藝簡(jiǎn)單，有利于GaN材料和硅工藝平臺(tái)的功能和系統(tǒng)集成。

圖1a 圖1j為一種基于超級(jí)結(jié)的氮化鎵HEMT器件的制作流程圖。圖2為一種基于超級(jí)結(jié)的氮化鎵HEMT器件的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
一種基于超級(jí)結(jié)的氮化鎵HEMT器件的制備方法，包括如下步驟:步驟1.清洗已激活Mg元素的藍(lán)寶石襯底1，并在藍(lán)寶石襯底片I上按順序外延生長(zhǎng)不摻雜的AlN層2、不摻雜的GaN層3 ;不摻雜的AlGaN層4，如圖1a所示。其中，AlN層的生長(zhǎng)厚度為350 450nm，GaN層的生長(zhǎng)厚度為2 2.5um, AlGaN層的生長(zhǎng)厚度為30 40nmo步驟2.淀積5102層10作為刻蝕掩膜層，如圖1b所示。在本實(shí)施中，采用PECVD (等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法)進(jìn)行淀積，溫度控制在275+10°C以內(nèi)，高低頻率13.56MHz/384KHz交替生長(zhǎng)總厚度為400 500nm的SiO2層10。步驟3.刻蝕形成臺(tái)階9和器件有源區(qū)，如圖1c和2d所示。3.1.使用IPA (超聲波)、丙酮和去離子水清洗外延片；3.2.涂光刻膠11、曝光、顯影出有源區(qū)圖形；HF (氟化氫)酸溶液漂去有源區(qū)以外區(qū)域的SiO2層10，如圖1c ;再去掉外延片上光刻膠11。3.3.使用SiO2層10作為掩蔽層，在Cl2 (氯氣)和He (氦氣)混合氣體環(huán)境下，干法刻蝕AlGaN層4和部分GaN層3，并與藍(lán)寶石襯底I形成陡直的臺(tái)階9，臺(tái)階9高度為200 250nm，如圖1d。3.4.HF酸溶液漂去有源區(qū)殘余SiO2層10。步驟4.形成源漏基歐姆接觸金屬極，如圖1e和2f所示。4.1.清洗外延片，涂光刻膠11、曝光、顯影出源漏基歐姆接觸金屬極圖形，如圖1e ；4.2.采用電子束蒸發(fā)設(shè)備蒸發(fā)歐姆接觸金屬，其電子束蒸發(fā)設(shè)備腔體中真空為lE-6Pa。其中歐姆接觸金屬為Ti/Al/Pt/Au，蒸發(fā)的金屬厚度為200A/1500A/500A/800A，上述“/”代表不同金屬層的順序。剝離金屬，形成源金屬極5和漏金屬極6。如圖1f。在N2氣氛中，退火溫度750 800度，退火時(shí)間50 80秒，形成歐姆接觸。[0027]步驟5.形成金屬柵極，如圖1g和2h所示。步驟5.1.清洗外延片，涂光刻膠11、曝光、顯影出金屬柵極圖形，如圖1g ;步驟5.2.采用電子束蒸發(fā)設(shè)備蒸發(fā)金屬，其腔體中真空為lE_6Pa，柵極金屬為Ni/Au，蒸發(fā)金屬厚度為500A/3000A，上述“/”代表不同金屬層的順序。剝離金屬，形成金屬柵極7，如圖lh。步驟6.形成超級(jí)結(jié)，如圖1i和Ij所示。步驟6.1.依次使用丙酮、超聲波和去離子水清洗外延片，涂光刻膠11、曝光、顯影出柵極和漏極之間超級(jí)結(jié)8圖形，如圖li。在靠近柵極處F離子處理形成超級(jí)結(jié)8，可以根據(jù)器件性能的要求，在柵-漏極區(qū)域形成一個(gè)或幾個(gè)超級(jí)結(jié)8。超級(jí)結(jié)8圖形與金屬柵極7寬度的方向平行。F離子處理技術(shù)采用RIE設(shè)備，所用氣源為CF4 (氟化碳)和N2, RIE設(shè)備的功率為200 350W，離子處理時(shí)間為120 200秒。柵-漏極之間F離子處理區(qū)域的寬度為I 3um,形成超級(jí)結(jié)8,如圖lj。 步驟7.為了修復(fù)由于F離子處理引起的晶格損傷，通過快速退火修復(fù)(RTA)，采用溫度為400 450°C，修復(fù)時(shí)間為5 IOmin。采用上述方法制備的基于超級(jí)結(jié)的氮化鎵HEMT器件，如圖2所示，其主要由藍(lán)寶石襯底1、AlN層2、GaN層3、AlGaN層4、源極5、漏極6、柵極7和超級(jí)結(jié)區(qū)8組成。其中藍(lán)寶石襯底1、AlN層2、GaN層3、AlGaN層4、源極5、漏極6、柵極7結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有技術(shù)大體相同，即藍(lán)寶石襯底1、AlN層2、GaN層3和AlGaN層4自下而上依次疊放，源極5、漏極6和柵極7則分布位于AlGaN層4的上方。所述超級(jí)結(jié)區(qū)8位于漏極6和柵極7之間，并由F離子處理形成。該超級(jí)結(jié)區(qū)8從AlGaN層4的上表面一直嵌入延伸至AlGaN層4的下部或GaN層3的上部。根據(jù)器件性能的要求，在柵-漏極區(qū)域形成一個(gè)或幾個(gè)超級(jí)結(jié)。超級(jí)結(jié)區(qū)8分布在靠近柵極7的一側(cè)，且超級(jí)結(jié)區(qū)8的橫向?qū)挾葹镮 3um。相對(duì)于常規(guī)的氮化鎵HEMT器件，本實(shí)用新型具有導(dǎo)通電阻低、擊穿電壓高、開關(guān)反應(yīng)速度快、功耗低和緩沖層漏電小的特點(diǎn)，可用于大功率電力電子開關(guān)、汽車電子、太陽(yáng)能模塊、電動(dòng)車、雷達(dá)和制導(dǎo)等方面。上述本實(shí)用新型一種基于超級(jí)結(jié)的氮化鎵HE MT器件及其制備方法中，未提及的技術(shù)方案，均為本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)，在此不做詳述。
權(quán)利要求1.基于超級(jí)結(jié)的氮化鎵HEMT器件，其主要由藍(lán)寶石襯底(I)、AlN層(2)、GaN層(3)、AlGaN層(4)、源極(5)、漏極(6)和柵極(7)組成；其中藍(lán)寶石襯底(I)、AlN層(2)、GaN層(3)和AlGaN層(4)自下而上依次疊放，源極(5)、漏極(6)和柵極(7)則分布位于AlGaN層(4)的上方；其特征在于:所述漏極(6)和柵極(7)之間設(shè)有至少一個(gè)F離子處理形成的超級(jí)結(jié)區(qū)(8)，該超級(jí)結(jié)區(qū)(8)從AlGaN層(4)的上表面一直嵌入延伸至AlGaN層(4)的下部或GaN層(3 )的上部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于超級(jí)結(jié)的氮化鎵HEMT器件，其特征在于:超級(jí)結(jié)區(qū)(8)分布在靠近柵極(7)的一側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于超級(jí)結(jié)的氮化鎵HEMT器件，其特征在于:超級(jí)結(jié)區(qū)(8)的橫向?qū)挾葹?I 3um。
專利摘要本實(shí)用新型公開一種基于超級(jí)結(jié)的氮化鎵HEMT器件，其能夠在低導(dǎo)通電阻的情況下提高器件擊穿電壓。所述基于超級(jí)結(jié)的氮化鎵HEMT器件包括藍(lán)寶石HEMT外延片、不摻雜AlN層、不摻雜GaN層、不摻雜AlGaN層、源極、柵極、漏極、柵漏極之間基于F離子處理技術(shù)形成的超級(jí)結(jié)區(qū)。所述方法采用干法ICP刻蝕出Mesa隔離結(jié)構(gòu)，分別蒸發(fā)源漏極金屬和柵極金屬形成源、漏和柵極；采用基于F離子處理技術(shù)在柵極-漏極區(qū)域形成的超級(jí)結(jié)。本實(shí)用新型相對(duì)于常規(guī)的氮化鎵HEMT器件具有導(dǎo)通電阻低、擊穿電壓高、開關(guān)反應(yīng)速度快、功耗低和緩沖層漏電小的特點(diǎn)，可用于大功率電力電子開關(guān)、汽車電子、太陽(yáng)能模塊、電動(dòng)車、雷達(dá)和制導(dǎo)等方面。
文檔編號(hào)H01L29/06GK203118954SQ20132003030
公開日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2013年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月21日
發(fā)明者李海鷗, 黃偉, 吳笑峰, 李思敏, 首照宇, 于宗光, 李琦, 胡仕剛, 鄧洪高 申請(qǐng)人:桂林電子科技大學(xué)