GaN基HEMT器件制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及帶有絕緣柵的場效應(yīng)晶體管技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種GaN基HEMT器件制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]GaN 微波功率器件主要是指 AlGaN/GaN、InAlN/GaN、AlN/GaN 和 InAlGaN/GaN 等異質(zhì)結(jié)高電子迀移率晶體管(HEMT)，統(tǒng)稱為GaN HEMT。HEMT在能夠形成二維電子氣(2DEG)的異質(zhì)結(jié)上用類似于MESFET的工藝制成的一種場效應(yīng)晶體管，因此也稱為異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管(HFET)。該器件工作原理上不同于MESFET和M0SFET的主要處是:其源漏間導(dǎo)電溝道是器件結(jié)構(gòu)中自然形成的2DEG，而不是像MESFET那樣的摻雜薄層或M0SFET那樣的場致反型層，柵壓Vs的作用是改變2DEG的電子密度，從而控制器件的工作狀態(tài)。以AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)為例，因極化效應(yīng)很容易在AlGaN勢皇層中靠結(jié)的附近形成2DEG，是理想的HEMT器件。從本質(zhì)上說，HEMT只容易做成耗盡(常開)型，因AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)壓電極化和自發(fā)極化作用其Vs=0 V時已有2DEG存在。施加正柵壓使2DEG中電子密度升高，電阻減??；施加負柵壓使其電子密度下降，負柵壓升高到一定水平時溝道即被夾斷，因而其閾值電壓為負值(典型值為-4V)。增強(常關(guān))型GaN HEMT要用特殊工藝將閾值電壓變成正值來實現(xiàn)。
[0003]盡管GaN作為一種新型半導(dǎo)體材料，已在諸多領(lǐng)域取得了重要的突破和應(yīng)用，如GaN藍光LED和藍光激光器、GaN微波功率器件和MMIC、GaN深紫外探測器等，近年來，它在數(shù)字電路和功率開關(guān)上的應(yīng)用成為了國內(nèi)外研究熱點。GaN在數(shù)字電路和功率開關(guān)上的應(yīng)用都需要制備增強型的GaN HEMT器件(E模器件)，由于常規(guī)工藝制作的AlGaN/GaN HEMT均為耗盡型(閾值電壓Vth< 0 V，D模器件)，開發(fā)E模GaN HEMT成為關(guān)鍵。E模GaN HEMT器件是高速開關(guān)、高溫GaN數(shù)字電路和射頻集成電路(RFIC)的一個重要組成部分。從應(yīng)用的角度來說，E模HEMT有著D模HEMT無法比擬的優(yōu)勢，在微波功率放大器和低噪音功率放大器領(lǐng)域，E模HEMT不需要負電極電壓，降低了電路的復(fù)雜性和成本；在高功率開關(guān)領(lǐng)域，E模HEMT能夠提高電路的安全性和功耗，節(jié)省能源；在數(shù)字電路領(lǐng)域，氮化物半導(dǎo)體由于缺少P溝道器件，無法形成低功耗的互補邏輯，E模HEMT能夠緩解缺少p溝道的問題，實現(xiàn)簡化的數(shù)字電路結(jié)構(gòu)。
[0004]目前實現(xiàn)GaN增強型器件的技術(shù)包括柵下凹槽刻蝕、氟基等離子處理、柵下p型GaN蓋帽層等方法，這些技術(shù)中最有希望產(chǎn)品化產(chǎn)業(yè)化的是柵下凹槽刻蝕技術(shù)。柵下凹槽刻蝕實現(xiàn)增強型器件一般是采用反應(yīng)耦合離子刻蝕(ICP)刻蝕HEMT器件勢皇層；然后采用原子層沉積(ALD)技術(shù)在凹槽內(nèi)沉積一層介質(zhì)層，降低器件柵漏電，提高器件閾值電壓；最后電子束蒸發(fā)柵金屬，形成最終的增強型GaN HEMT器件。增強型器件的勢皇層材料可以是AlGaN、InAIN、A1N和InAlGaN材料，柵下介質(zhì)一般是A1203，也可以是AIN、Hf02、SiN等其它介質(zhì)，或以上多種介質(zhì)的復(fù)合層薄膜；柵金屬一般是Ni/Au，也可以是Ni/Pt/Au、Ti/Pt/Au、Pt/Au等金屬組合。
[0005]原子層沉積(ALD)是一種可以將物質(zhì)以單原子膜形式一層一層的鍍在基底表面的方法。在ALD進行薄膜生長時，將適當?shù)那膀?qū)反應(yīng)氣體以脈沖方式通入反應(yīng)器中，隨后再通入惰性氣體進行清洗，對隨后的每一沉積層都重復(fù)這樣的程序。ALD的優(yōu)點包括可以通過控制反應(yīng)周期數(shù)簡單精確地控制薄膜的厚度，形成達到原子層厚度精度的薄膜；不需要控制反應(yīng)物流量的均一性；前驅(qū)體是飽和化學(xué)吸附，保證生成大面積均勻性的薄膜；可生成極好的三維保形性化學(xué)計量薄膜，作為臺階覆蓋和納米孔材料的涂層；可以沉積多組分納米薄層和混合氧化物；薄膜生長可在低溫(室溫到400°C)下進行；可廣泛適用于各種形狀的襯底。原子層沉積技術(shù)可以沉積A1203、A1N、N1、Ti02、SiN, Si02等化合物介質(zhì)材料，也可沉積N1、Cu、Pt、T1、Mo、Au等單質(zhì)金屬，而且重復(fù)性、均勾性均好于電子束蒸發(fā)工藝。
[0006]影響GaN增強型器件特性的一種重要因素是器件肖特基勢皇的導(dǎo)體/介質(zhì)/金屬界面，界面質(zhì)量決定著器件的閾值電壓、漏電等特性。現(xiàn)有工藝是采用ALD生長A1203等介質(zhì)形成柵下介質(zhì)層，然后電子束蒸發(fā)Ni/Au等柵金屬形成肖特基勢皇。此工藝中的GaN與A1203、A1203與金屬Ni形成復(fù)雜界面，而且在不同設(shè)備之間進行工藝，不可避免接觸外界物質(zhì)，容易引入界面陷阱或缺陷。界面與陷阱態(tài)對增強型GaN器件的漏電、電流崩塌、閾值電壓和輸出電流等影響很大，而且影響器件的長期可靠性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種GaN基HEMT器件制備方法，所述方法能大大降低界面缺陷和陷阱密度，進一步提高器件性能和可靠性，且所沉積薄膜具有極好均勻性和可控性，并可實現(xiàn)低損傷薄膜沉積。
[0008]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是:一種GaN基HEMT器件制備方法，其特征在于包括如下步驟:
1)對GaN基HEMT材料進行臺面刻蝕；
2)在臺面刻蝕后的器件上表面的漏源區(qū)域進行源漏金屬蒸發(fā)，形成源極和漏極；
3)在上述器件的上表面生長掩膜層；
4)刻蝕上述器件的柵極區(qū)域，分別形成增強型GaN基HEMT器件的柵極圖形和耗盡型GaN基HEMT器件的柵極圖形；
5)采用等離子體模式刻蝕上述器件的表面；
6)生長柵下介質(zhì)層；
7)在柵下介質(zhì)層的上表面生長柵金屬種子層；
8)刻蝕柵區(qū)域外的金屬種子層；
9)在步驟8)中器件的柵區(qū)域形成柵極；
上述步驟依次在原子層沉積ALD設(shè)備的反應(yīng)腔體內(nèi)完成，每完成某一工藝，即抽空腔體內(nèi)空氣，達到真空環(huán)境，然后再通入下一工藝的反應(yīng)氣體進行反應(yīng)，如此反復(fù)。
[0009]進一步的技術(shù)方案在于:所述方法還包括在步驟1)之前進行的器件清洗步驟。
[0010]進一步的技術(shù)方案在于:所述GaN基HEMT材料包括襯底層、GaN緩沖層、A1N層和勢皇層。
[0011]進一步的技術(shù)方案在于:所述勢皇層材料為AlGaN、InAlN、AlN或InAlGaN，厚度為3nm_30nmo
[0012]進一步的技術(shù)方案在于:在所述的生長柵下介質(zhì)層前，所述方法還包括:在ALD設(shè)備的反應(yīng)腔體內(nèi)采用等離子體模式對材料表面進行清洗或處理的步驟，所用等離子體氣體包括采用隊/U混合氣體作為源的氮等離子體、采用氬氣作為源的氬等離子體以及采用去離子水或臭氧氣體作為源的氧等離子體，等離子體處理功率50W-150W。
[0013]進一步的技術(shù)方案在于:通過ALD設(shè)備生長的柵下介質(zhì)層包括A1203、A1N、SiN和/或Si02;生長模式為熱生長或等尚子體模式生長，生長時反應(yīng)腔體溫度為20°C _400°C。
[0014]進一步的技術(shù)方案在于:采用ALD設(shè)備生長的金屬種子層和柵極的制作材料包括N1、T1、N1、T1、Pt 和 / 或 Au。
[0015]進一步的技術(shù)方案在于:所述的步驟4)中:首先，在臺面一側(cè)的柵極區(qū)域，使用RIE刻蝕增強型器件的掩膜層，并使用ICP刻蝕增強型器件的勢皇層，形成增強型GaN基HEMT器件的柵極圖形；然后，在臺面另一側(cè)的柵極區(qū)域，使用RIE刻蝕耗盡型器件的掩膜層，形成耗盡型GaN基HEMT器件的柵極圖形。
[0016]進一步的技術(shù)方案在于:所述掩膜層的制作材料為SiN。
[0017]本發(fā)明還公開了一種GaN基HEMT器件，其特征在于:包括GaN基HEMT材料，所述GaN基HEMT材料的上表面設(shè)有漏極和源極，上述器件的柵極以外的區(qū)域設(shè)有掩膜層，在掩膜層的上表面以及柵極區(qū)域設(shè)有柵下介質(zhì)層，在柵極區(qū)域的柵下介質(zhì)層的上表面設(shè)有金屬種子層，所述金屬種子層上設(shè)有柵極。
[0018]采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于:通過所述方法制備的GaN基HEMT器件可應(yīng)用到電力電子和數(shù)字電路領(lǐng)域，所述方法通過ALD沉積工藝可通過控制反應(yīng)循環(huán)次數(shù)簡單而精確地控制薄膜厚度，形成可達到原子層厚度精度的納米級薄膜；所沉積薄膜具有極好均勻性和可控性，并可實現(xiàn)低損傷薄膜沉積。此外本發(fā)明可以在ALD設(shè)備的真空腔體內(nèi)對GaN表面進行RIE清洗、柵下氧化物介質(zhì)沉積和柵金屬沉積等操作，避免了空氣和光刻膠對GaN/氧化物、氧化物/金屬兩個界面的影響，能大大降低界面缺陷和陷阱密度，進一步提高器件性能和可靠性。
【附圖說明】
[0019]圖1-10是本發(fā)明實施例一所述方法制作的GaN基HEMT器件的過程圖；
圖11是本發(fā)明實施例二中ALD生長Al203/Ni復(fù)合介質(zhì)層示意圖；
圖12是本發(fā)明實施例三中ALD生長Al203/Ni0復(fù)合介質(zhì)層示意圖；
圖13是本發(fā)明實施例四中ALD生長Al203/Ni0復(fù)合介質(zhì)層示意圖；
其中:1、襯底層2、GaN緩沖層3、A1N層4、勢皇層5、源極6、漏極7、掩膜層8、柵下介質(zhì)層9、金屬種子層10、柵極。
【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0021]在下面的描述中闡述了很多具體細節(jié)以便于充分理解本發(fā)明，但是本發(fā)明還可以采用其他不同于在此描述的其它方式來實施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類似推廣，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實施例的限制。
[0022]實施例一
本發(fā)明公開了一種GaN基HEMT器件制備方法，包括如下步驟:
1)通過反應(yīng)耦合離子刻蝕ICP對GaN基HEMT材料(如圖1所示)進行臺面刻蝕，如圖2所示，圖1中所述GaN基HEMT材料從下到上為，襯底層1、GaN緩沖層2、A1N層3和AlGaN層。
[0023]2)在臺面刻蝕后的器件上表面的漏源區(qū)域進行源漏金屬蒸發(fā)，形成源極5和漏極6，如圖3所示；
3)在上述器件的上表面生長掩膜層7，如圖4所示；
4)刻蝕上述器件的柵極區(qū)域，分別形成增強型GaN基HEMT器件的柵極圖形和耗盡型GaN基HEMT器件的柵極圖形，如圖5、圖6所示；
5)采用等離子體模式刻蝕上述器件的表面；
6)生長柵下介質(zhì)層8，如圖7所示；
7)在柵下介質(zhì)層8的上表面生長柵金屬種子層9，如圖8所示；
8)刻蝕柵區(qū)域外的金屬種子層9，如圖9所示；
9)在步驟8)中器件的柵區(qū)域形成柵極10，如圖10所示；
上述步驟依次在原子層沉積ALD設(shè)備的反應(yīng)腔體內(nèi)完成，每完成某一工藝，即抽空腔體內(nèi)空氣，達到真空環(huán)境，然后再通入下一工藝的反應(yīng)氣體進行反應(yīng)，如此反復(fù)。
[0024]實施例二
本發(fā)明公開了一種GaN基HEMT器件制備方法，包括如下步驟:
1)GaN HEMT材料表面清洗；
2)光刻標記圖形；
3)電子束蒸發(fā)Ti/Pt/Au金屬標記；
4)光刻源漏金屬圖形；
5)電子束蒸發(fā)Ti/Al/Ni/Au源漏金屬；
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