氮化鎵基高電子遷移率晶體管的柵電極的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高電子迀移率晶體管器件領(lǐng)域，特別是涉及一種氮化鎵基高電子迀移率晶體管的柵電極。
【背景技術(shù)】
[0002]以氮化鎵(GaN)為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料，是繼以硅(Si)為代表的第一代半導(dǎo)體材料和以砷化鎵(GaAs)為代表的第二代半導(dǎo)體材料之后，在近十年迅速發(fā)展起來(lái)的新型半導(dǎo)體材料。GaN材料具有寬帶隙、大電子漂移速度、高熱導(dǎo)率、耐高電壓、耐高溫、抗腐蝕、耐輻照等突出優(yōu)點(diǎn)，特別適合制作高頻、高效率、耐高溫、耐高電壓的大功率微波器件，基于GaN的AlGaN/GaN高電子迀移率晶體管(HEMT)具有輸出功率密度大、耐高溫、耐輻照等特點(diǎn)，能滿足下一代電子裝備對(duì)微波功率器件更大功率、更高頻率、更小體積和更惡劣條件(更高溫度)下工作的要求，可廣泛應(yīng)用于微波毫米波頻段尖端電子裝備，且在民用通信基站等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用，越來(lái)越受到高度重視。GaN器件是目前全球半導(dǎo)體研究的前沿和熱點(diǎn)，是各國(guó)競(jìng)相占領(lǐng)的戰(zhàn)略技術(shù)制高點(diǎn)。盡管GaN基HEMT器件日趨成熟，但隨著各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對(duì)器件可靠性提出了更高的要求。
[0003]HEMT器件的肖特基接觸結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，勢(shì)皇層和與勢(shì)皇層直接接觸的肖特基接觸金屬層(以下簡(jiǎn)稱勢(shì)皇金屬層)中的張應(yīng)力導(dǎo)致的勢(shì)皇層裂紋是器件出現(xiàn)永久性退化的主要失效機(jī)理之一，降低勢(shì)皇層和與勢(shì)皇金屬層中的張應(yīng)力是提升器件可靠性的關(guān)鍵。其中張應(yīng)力來(lái)源包括=AlGaN勢(shì)皇層與GaN溝道層晶格失配導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力，逆壓電效應(yīng)導(dǎo)致在峰值電場(chǎng)處出現(xiàn)的張應(yīng)力，以及柵帽金屬材料與勢(shì)皇層金屬以及AlGaN勢(shì)皇層熱失配導(dǎo)致的張應(yīng)力等。
[0004]GaN基HEMT器件基本幾何結(jié)構(gòu)和工藝結(jié)構(gòu)如圖2所示，AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)是目前最為廣泛使用也是最為成熟的材料外延結(jié)構(gòu)，由于晶格失配，AlGaN勢(shì)皇層中存在張應(yīng)力，應(yīng)力的存在是形成溝道二維電子氣的關(guān)鍵，但晶格失配也是導(dǎo)致器件勢(shì)皇層裂紋的一個(gè)重要原因；采用晶格匹配的AlInN材料作為勢(shì)皇層是降低勢(shì)皇層應(yīng)力的一個(gè)方法，但AlInN材料生長(zhǎng)困難，均勻性較差，降低了二維電子氣的迀移率，同時(shí)也增加了制造低接觸電阻的歐姆接觸的難度，因此，目前GaN基HEMT器件產(chǎn)品仍以AlGaN作為勢(shì)皇層。
[0005]GaN基材料體系存在的極化效應(yīng)是在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處形成溝道二維電子氣的關(guān)鍵，也是構(gòu)建AlGaN/GaN器件的關(guān)鍵；但極化效應(yīng)也是一把雙刃劍，逆壓電效應(yīng)導(dǎo)致的張應(yīng)力是導(dǎo)致器件退化的重要機(jī)理之一，具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)器件的漏極加上較高的漏極電壓時(shí)，勢(shì)必在柵靠漏邊沿形成高的峰值電場(chǎng)，由于逆壓電效應(yīng)，柵靠漏邊沿的峰值電場(chǎng)處的勢(shì)皇中將產(chǎn)生較大的張應(yīng)力，從而導(dǎo)致勢(shì)皇層出現(xiàn)裂紋等結(jié)構(gòu)損傷，最終導(dǎo)致器件輸出特性的顯著退化。通常，場(chǎng)板技術(shù)被用來(lái)降低峰值電場(chǎng)的大小，當(dāng)柵帽金屬層寬度大于柵腳尺寸時(shí)，可以形成柵極場(chǎng)板，降低柵腳處的峰值電場(chǎng)。制作柵場(chǎng)板和柵帽層的材料優(yōu)選為金(Au)，因?yàn)榫邆涞妥?、良好的化學(xué)穩(wěn)定性以及工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)，但由于Au材料(Au的熱膨脹系數(shù)為14.2x10 6/K)和GaN材料(GaN材料的a軸熱膨脹系數(shù)為5.59x10 6/K)以及勢(shì)皇金屬層(例如勢(shì)皇金屬鎢的熱膨脹系數(shù)為4.5x10 6/K)的熱膨脹系數(shù)存在較大的差異，當(dāng)器件高溫工作時(shí)，勢(shì)必在勢(shì)皇層和勢(shì)皇金屬層產(chǎn)生張應(yīng)力，這個(gè)張應(yīng)力是柵金屬下方出現(xiàn)裂紋等結(jié)構(gòu)損傷的重要原因。如圖3所示，高溫工作產(chǎn)生張應(yīng)力后柵金屬與半導(dǎo)體層熱失配導(dǎo)致柵下方勢(shì)皇層出現(xiàn)微裂紋。另外，如圖4所示，金屬擴(kuò)散至裂紋中，導(dǎo)致裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展；當(dāng)裂紋擴(kuò)展至溝道的二維電子氣處時(shí)，導(dǎo)致溝道開(kāi)路，輸出電流下降；當(dāng)金屬繼續(xù)往下擴(kuò)散，與二維電子氣短路時(shí)，柵上電流急劇增加，導(dǎo)致器件出現(xiàn)災(zāi)難性燒毀。圖5所示，擴(kuò)散至裂紋中的金屬是柵帽金屬Au，這與Au的擴(kuò)散系數(shù)較大有關(guān)，Au的擴(kuò)散也是導(dǎo)致裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展的重要原因。
[0006]綜上所述，現(xiàn)有的GaN基HEMT雖然具有輸出功率密度大、耐高溫、耐輻照等優(yōu)點(diǎn)，但其可靠性存在不足，不能滿足微波毫米波頻段尖端電子裝備或民用通信基站等領(lǐng)域的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]基于此，為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種氮化鎵基高電子迀移率晶體管的柵電極結(jié)構(gòu)，在勢(shì)皇金屬層和柵帽金屬間增加應(yīng)力緩沖層，降低勢(shì)皇層和勢(shì)皇金屬層的張應(yīng)力，避免出現(xiàn)裂紋，提升器件的可靠性，滿足各領(lǐng)域的使用需求。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實(shí)施例中采用如下技術(shù)方案:
[0009]一種氮化鎵基高電子迀移率晶體管的柵電極，包括依次連接的氮化鎵層、勢(shì)皇層、勢(shì)皇金屬層、柵帽金屬層，以及設(shè)于所述勢(shì)皇金屬層和所述柵帽金屬層之間的應(yīng)力緩沖層；所述應(yīng)力緩沖層包括緩沖金屬層，所述緩沖金屬層的熱膨脹系數(shù)與所述勢(shì)皇層以及勢(shì)皇金屬層的熱膨脹系數(shù)相差在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)。
[0010]本發(fā)明充分考慮了熱失配對(duì)GaN基HEMT的影響，在柵電極勢(shì)皇金屬層和柵帽金屬層間插入應(yīng)力緩沖層，該應(yīng)力緩沖層中的金屬緩沖層的熱膨脹系數(shù)與勢(shì)皇層以及勢(shì)皇金屬層相接近，使應(yīng)力緩沖層能夠承受熱失配導(dǎo)致的張應(yīng)力，從而大幅度降低勢(shì)皇層和勢(shì)皇金屬層中的張應(yīng)力，避免因熱失配產(chǎn)生的裂紋，提升GaN基HEMT器件的可靠性。
【附圖說(shuō)明】
[0011 ] 圖1為HEMT器件的肖特基接觸結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012]圖2為GaN基HEMT器件基本幾何結(jié)構(gòu)和工藝結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖3為傳統(tǒng)GaN基HEMT器件高溫工作產(chǎn)生應(yīng)力后柵金屬與半導(dǎo)體熱失配導(dǎo)致柵下方勢(shì)皇層出現(xiàn)微裂紋的示意圖；
[0014]圖4為傳統(tǒng)GaN基HEMT器件高溫工作產(chǎn)生應(yīng)力后柵金屬與半導(dǎo)體熱失配導(dǎo)致柵下方勢(shì)皇層出現(xiàn)裂紋的另一示意圖；
[0015]圖5為傳統(tǒng)GaN基HEMT器件勢(shì)皇層裂紋處的EDAX能譜分析；
[0016]圖6為本發(fā)明實(shí)施例中GaN基HEMT柵電極的幾何結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖7為傳統(tǒng)的GaN基HEMT柵電極金屬結(jié)構(gòu)在300°C時(shí)應(yīng)力的分布狀態(tài)圖；
[0018]圖8為本發(fā)明實(shí)施例中在Ti層和柵帽金屬層Au之間插入40nm的Mo層后柵電極金屬結(jié)構(gòu)在300°C時(shí)應(yīng)力的分布狀態(tài)圖；
[0019]圖9為本發(fā)明實(shí)施例中進(jìn)一步在柵帽金屬層與應(yīng)力緩沖層之間插入一層Ti層后的柵電極金屬結(jié)構(gòu)在300°C時(shí)應(yīng)力的分布狀態(tài)圖；
[0020]圖10為本發(fā)明實(shí)施例中加入具備周期性復(fù)合結(jié)構(gòu)的應(yīng)力緩沖層的柵電極金屬結(jié)構(gòu)在300 °C時(shí)應(yīng)力的分布狀態(tài)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021 ] 下面結(jié)合較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0022]如圖6所示，本實(shí)施例提供一種氮化鎵基高電子迀移率晶體管的柵電極，包括依次連接的氮化鎵層、勢(shì)皇層、勢(shì)皇金屬層、柵帽金屬層，以及設(shè)于勢(shì)皇金屬層和柵帽金屬層之間的應(yīng)力緩沖層；應(yīng)力緩沖層包括緩沖金屬層，緩沖金屬層的熱膨脹系數(shù)與勢(shì)皇層以及勢(shì)皇金屬層的熱膨脹系數(shù)相差在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)。
[0023]在本實(shí)施例中，GaN基HEMT的柵電極的勢(shì)皇金屬層與柵帽金屬層之間插入應(yīng)力緩沖層，即GaN基HEMT的柵電極從勢(shì)皇層(勢(shì)皇層為AlGaN)上表面依次為勢(shì)皇金屬層、應(yīng)力緩沖層、柵帽金屬層，勢(shì)皇金屬層與半導(dǎo)體形成肖特基接觸，通過(guò)施加不同的柵壓來(lái)調(diào)制溝道中的電子濃度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溝道導(dǎo)通能力的控制。勢(shì)皇金屬層的選取原則主要考慮金屬的功函數(shù)、化學(xué)穩(wěn)定性以及制造工藝的難度，例如，勢(shì)皇金屬層可采用鎢(W)、鎢氮(WN)、鎳(Ni)、鉑(Pt)、鉬(Mo)等金屬。而柵帽金屬層則可選用Au，因?yàn)锳u具備低阻的特點(diǎn)，而且其化學(xué)穩(wěn)定性良好，目前工藝也較為成熟等，是制作柵帽金屬層的優(yōu)選材料