復合階梯場板槽柵AlGaN/GaN HEMT高壓器件結構及其制作方法
【專利說明】復合階梯場板槽柵AlGaN/GaN HEMT高壓器件結構及其制作方法
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于微電子技術領域，涉及半導體器件制作，具體的說是一種復合階梯場板槽柵AIGaN/GaN HEMT器件結構及制作方法，可用于制作高擊穿電壓、低導通電阻和高頻率特性的AlGaN/GaN高電子迀移率晶體管。
技術背景
[0002]近年來以SiC和GaN為代表的第三帶寬禁帶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，利用這些材料制作的高電子迀移率晶體管HEMT、發(fā)光二極管LED、激光二極管LD等器件比現(xiàn)有器件具有明顯的優(yōu)越特性，因此近些年來國內(nèi)外研究者對其進行了廣泛而深入的研究，并取得了令人矚目的研究成果。
[0003]AlGaN/GaN異質結高電子迀移率晶體管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(yōu)勢，追求器件高頻率、高壓、高功率吸引了眾多的研究。近年來，制作更高頻率高壓AlGaN/GaN HEMT成為關注的又一研究熱點。由于AlGaN/GaN異質結生長完成后，異質結界面就存在大量二維電子氣2DEG，并且其迀移率很高。在提高AlGaN/GaN異質結電子迀移率晶體管擊穿電壓方面，人們進行了大量的研究，發(fā)現(xiàn)AlGaN/GaN HEMT器件的擊穿主要發(fā)生在柵極靠近漏極一側，因此要提高器件的擊穿電壓，必須使柵漏區(qū)域的電場重新分布，尤其是降低柵極邊緣的電場，為此，人們提出了采用場板結構的方法；在提高AlGaN/GaN異質結電子迀移率晶體管頻率特性方面，使用槽柵結構，讓柵電極對2DEG有更好的控制效果。
[0004](I)場板結構具體參見Yuji Ando, Ak1 ffakejima,Yasuhiro Okamoto等的NovelAlGaN/GaN dual-f ield-plate FET with high gain, increased linearity andstability, IEDM 2005，pp.576-579，2005。在 AlGaN/GaN HEMT 器件中采用場板結構，可以將器件的擊穿電壓大幅度的提高，并且能降低柵漏電容，提高了器件的線性度和穩(wěn)定性。
[0005](2)槽棚.結構具體參見W.B.Lanford, T.Tanaka, Y.0toki等的Recessed-gateenhancement-mode GaN HEMT with high threshold voltage,ELECTR0NICSLETTERS2005,Vol.41，N0.7，2005。在AlGaN/GaN HEMT器件中采用槽柵結構能夠有效的增加器件的頻率特性。
[0006]但是，目前的AlGaN/GaN HEMT器件在耐壓、導通電阻和頻率特性等方面性能還不能滿足實際應用的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種復合階梯場板槽柵AlGaN/GaNHEMT器件，實現(xiàn)高壓、低導通電阻和高頻率特性器件結構及其制作方法。
[0008]本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的: 一種復合階梯場板槽柵AlGaN/GaN HEMT器件結構，其特征在于，包括從下至上依次復合的襯底、GaN緩沖層、AlN隔離層、GaN溝道層、本征AlGaN層和AlGaN摻雜層，在AlGaN摻雜層之上的兩端分別設有源電極和漏電極，在靠近漏電極的AlGaN摻雜層上設有LiF層，在該LiF層上設有漏場板;在該LiF層與源電極之間的AlGaN摻雜層上設有有機絕緣介質層，該有機絕緣介質層由三層階梯組成，階梯自柵極至漏極方向依次升高，在該有機絕緣介質層的最低一級階梯旁邊的AlGaN摻雜層上設有柵極槽，在該柵極槽內(nèi)和有機絕緣介質層的上面設有階梯場板;在AlGaN摻雜層上面的裸露區(qū)域設有鈍化層。
[0009]所述的襯底的材質包括藍寶石、SiC、GaN或MgO。
[0010]所述的AlGaN摻雜層中Al與Ga的組分范圍依據(jù)AlxGapxN進行調(diào)節(jié)，其中x=0?I。
[0011]所述的有機絕緣介質層為PTFE。
[0012]所述的鈍化層的材質包括SiN、Al203或Η??2。
[0013]在所述的階梯場板和AlGaN勢皇層之間使用PTFE材料作為介質層，以降低器件的2DEG濃度。
[0014]在所述的漏場板和AlGaN勢皇層之間使用LiF材料作為介質層，以增加器件的2DEG濃度。
[0015]一種所述的復合階梯場板槽柵AlGaN/GaN HEMT器件的制作方法，其特征在于，包括以下工藝步驟:(I)清洗；(2)刻蝕有源區(qū)臺面:(3)制備源、漏電極；(4)刻蝕柵極凹槽；(5)制備有機絕緣介質層；(6)制備階梯場板；(7)LiF層的制備；(8)制備漏場板:(9)制備鈍化層;(10)加厚電極。
[0016]依據(jù)上述技術思路，復合階梯場板槽柵AlGaN/GaNHEMT高壓、高頻器件的制作工藝，包括如下步驟:
(1)清洗: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并放入HCl: H2O=1:1的溶液中進行腐蝕30?60s，最后用流動的去離子水清洗并用高純氮氣吹干；
(2)刻蝕有源區(qū)臺面:對清洗干凈的AlGaN/GaN材料進行光刻和干法刻蝕，形成有源區(qū)臺面；
⑶制備源、漏電極:對制備好臺面的AlGaN/GaN材料進行光刻，形成源漏區(qū)，放入電子束蒸發(fā)臺中淀積歐姆接觸金屬Ti/Al/Ni/Au=(20/120/45/50nm)并進行剝離，最后在氮氣環(huán)境中進行850°C 35s的快速熱退火，形成歐姆接觸；
(4)刻蝕柵極凹槽:對完成歐姆接觸的器件進行光刻，形成柵極刻蝕區(qū)域，放入ICP干法刻蝕反應室中，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，Cl2的流量為10sccm，N2的流量為lOsccm，將AlGaN勢皇層刻蝕掉5?10nm，然后將器件放入HCl:H2O=1:1溶液中處理30s，去除刻蝕殘留物；
(5)制備有機絕緣介質層:對完成槽柵刻蝕的器件進行光刻，形成有機絕緣介質PTFE淀積區(qū)域，然后放入氧等離子處理室中對AlGaN表面進行輕度氧化處理，然后放入電子束蒸發(fā)臺中，反應室真空抽至4.0 X 10—3帕，緩慢加電壓使控制PTFE蒸發(fā)速率為0.lnm/s，淀積10nm厚的PTFE薄膜，將淀積好PTFE介質的器件放入丙酮溶液中浸泡30?60min，進行超聲剝離;將本步驟重復兩次，形成三層階梯型的PTFE層；
(6)制備階梯場板:對完成PTFE剝離的器件進行光刻，形成柵以及階梯場板區(qū)，放入電子束蒸發(fā)臺中淀積400nm厚的ITO柵金屬，將淀積好柵電極和階梯場板的器件放入丙酮溶液中浸泡30?60min，進行超聲剝離，形成階梯場板結構；
(7)LiF層的制備:將完成柵極制備的器件進行光刻，形成絕緣介質LiF的淀積區(qū)域，然后放入電子束反應室真空抽至4.0 X 10—3帕，緩慢加電壓使控制LiF蒸發(fā)速率為0.5nm/s，淀積100?200nm厚的LiF薄膜，將淀積好LiF介質的器件放入丙酮溶液中浸泡30?60min，進行超聲剝離，形成LiF層；
(8)制備漏場板:再次對完成LiF制備的器件進行光刻，形成漏場板區(qū)，放入電子束蒸發(fā)臺中淀積200nm厚的Al金屬，將淀積好Al金屬的器件放入丙酮溶液中浸泡30?60min，進行超聲剝離，形成漏場板結構；
(9)制備鈍化層:將完成的器件放入PECVD反應室淀積SiN鈍化膜，具體工藝條件為:SiH4的流量為40sccm，NH3的流量為lOsccm，反應室壓力為I?2Pa，射頻功率為40W，淀積200nm?300nm厚的SiN鈍化膜，將器件再次進行清洗、光刻顯影，形成SiN薄膜的刻蝕區(qū)，并放入ICP干法刻蝕反應室中，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lOsccm，刻蝕時間為lOmin，將源極、漏極上面覆蓋的SiN薄膜刻蝕掉；
(10)加厚電極:將器件進行清洗、光刻顯影，并放入電子束蒸發(fā)臺中淀積Ti/Au=20/200nm的加厚電極，完成整體器件的制備。
[0017]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點是:
(1)本器件使用了PTFE和ITO形成的偶極子層，降低了該區(qū)域正下方2DEG的濃度，改變了柵漏區(qū)域的電場分布，提高了器件的擊穿電壓；
(2)本器件使用了LiF和Al形成的偶極子層，提高了該區(qū)域正下方的2DEG濃度，減小了器件柵漏之間的導通電阻；
(3)本器件使用了槽柵結構，增加了柵電極對柵下的2DEG濃度的控制能力，提高了器件的頻率特性。
[0018](4)本器件同時采用ITO和Al分別形成階梯場板和漏場板，在柵極附近引入三個電場峰值，在漏極附近引入一個電場峰值，提高了器件的擊穿電壓。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明器件的剖面結構示意圖；
圖2是本發(fā)明器件的制作工藝流程示意圖。
【具體實施方式】
[0020]參照圖1，本發(fā)明的一種復合階梯場板槽柵AlGaN/GaNHEMT器件結構，包括襯底1、GaN緩沖層2、A1N隔離層3、GaN溝道層4、本征AlGaN層5、AlGaN摻雜層6、PTFE有機絕緣介質層1和LiF層8、ITO階梯場板12、Al漏場板9、鈍化層13、漏電極7和源電極14。器件結構從下往上分別是:襯底1、GaN緩沖層2、AlN隔離層3、GaN溝道層4、本征AlGaN層5、AlGaN摻雜層6，在AlGaN摻雜層6之上設有源電極14、漏電極7、有機絕緣介質層10、LiF層8、ITO階梯場板12和鈍化層13，源電極14和漏電極7設在AlGaN摻雜層6之上的兩端，LiF層8緊鄰漏電極7，在LiF層8與源電極14之間設有機絕緣介質層10，在緊鄰有機絕緣介質層10的旁邊的AlGaN摻雜層6的上面設有柵極凹槽11，在該柵極凹槽11內(nèi)和有機絕緣介質層10的上面設有ITO階梯場板12，IT0階梯場板12相當于常規(guī)柵極延伸到有機絕緣介質層10的上面，在工藝中與柵電極制作在一起。ITO階梯場板12的階梯自柵極至漏極方向依次升高，