Iii族氮化物增強型hemt及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種III族氮化物增強型HEMT及其制備方法。該制備方法包括：在襯底上生長形成主要由作為勢壘層的第一半導體層和作為溝道層的第二半導體層組成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中所述第一半導體層疊設在第二半導體層上；在第一半導體層上形成兼作鈍化層的掩膜層；對掩膜層的柵極區(qū)進行刻蝕，至暴露出第一半導體層；在所述掩膜層的柵極區(qū)內(nèi)生長p型層，所述p型層與第一半導體層組成PN結(jié)；在所述p型層上設置p型柵，且使所述p型柵與p型層之間形成歐姆接觸。本發(fā)明工藝極大降低了p型柵技術的實施難度，并有效解決增強型HEMT器件的可靠性問題，以及有效抑制電流崩塌效應，從而大幅提升HEMT器件的工作性能，實現(xiàn)真正意義上的增強型HEMT。
【專利說明】
I I I族氮化物增強型HEMT及其制備方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種高電子遷移率晶體管(High Electron Mobility Transistor,HEMT)的制備方法，特別涉及一種III族氮化物增強型HEMT的制備方法，屬于半導體技術領域。
【背景技術】
[0002]相比于傳統(tǒng)的硅基M0SFET，基于AGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的高電子迀移率晶體管(HEMT)具有低導通電阻、高擊穿電壓、高開關頻率等獨特優(yōu)勢，從而能夠在各類電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中作為核心器件使用，在節(jié)能減耗方面有重要的應用前景，因此受到學術界、工業(yè)界的極大重視。然而，由于III族氮化物材料體系的極化效應，一般而言，基于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的HEMT均是耗盡型(常開)，該類型的器件應用于電路級系統(tǒng)中時，需要設計專門的負極性電源供給電路，以實現(xiàn)對器件的開關控制，這極大增加了電路的復雜性與成本。此外，耗盡型器件在失效安全能力方面存在缺陷，因此，無法真正實現(xiàn)商業(yè)化應用。為解決該問題，幾種技術方案被提出以制備增強型(常關)器件。目前，常規(guī)技術主要包括氟離子注入技術、槽柵技術(Recessed Gate Technology)，其中前者利用含氟的等離子體(如CF4)對器件柵極區(qū)域進行處理，將帶負電荷的氟離子注入至AlGaN勢皇層，從而耗盡柵極下方的二維電子氣，其對氟離子在勢皇層中的穩(wěn)定性有很高要求，并且由于HEMT器件在導通狀態(tài)時要求大電流、高電壓，溝道處的局部高溫將會導致氟離子的熱移動，影響氟離子的空間分布，從而導致閾值電壓偏移，此外氟離子注入過程中，不可避免地會對勢皇層造成損傷，故而必須在完成柵極制備后進行低溫退火以對損傷進行恢復。后者主要通過干法刻蝕技術(主要是ICP、RIE)將柵極所在區(qū)域的AlGaN勢皇層刻薄，從而耗盡柵極下方的二維電子氣，參閱圖1，因過刻蝕或者欠刻蝕均無法實現(xiàn)增強型HEMT制備，故需要對刻蝕深度實現(xiàn)精確控制(一般在15nm左右)，此外刻蝕過程中不可避免會對勢皇層表面造成損傷從而影響肖特基勢皇，并且刻蝕過程中，在勢皇層中引入的雜質(zhì)、缺陷會加劇器件的柵極漏電(事實上，薄勢皇層本身就會引起較大的柵極漏電)。因此，上述兩種技術的缺點在于無法保證增強型HEMT的可靠性，無法實現(xiàn)商業(yè)化應用。
[0003]出于可靠性的考慮，目前大部分市售產(chǎn)品采用基于耗盡型HEMT的Cascode結(jié)構(gòu)，即將耗盡型HEMT與增強型硅MOSFET進行封裝集成，通過控制硅MOSET的導通，間接控制HEMT柵極(接地)與源極之間的電勢差，從而實現(xiàn)“贗常關型”HEMT，但其并非真正意義上的增強型HEMT，并且由于Cascode結(jié)構(gòu)要求與硅MOSFET進行集成，因此額外增加了封裝工藝的復雜性與成本。
[0004]最近出現(xiàn)了基于P型柵的增強型HEMT制備技術，其有望實現(xiàn)真正意義上的增強型HEMT。該技術在傳統(tǒng)HEMT外延結(jié)構(gòu)基礎上，在AlGaN勢皇層(非故意摻雜η型)上外延生長P型層，并進行選區(qū)刻蝕實現(xiàn)P型柵制備，從而形成ρη結(jié)，空間電荷區(qū)(主要存在于勢皇層與溝道層中)對溝道處二維電子氣進行有效耗盡，如圖2所示。由于增強型HEMT僅要求柵極下方的電子被耗盡，選區(qū)刻蝕制備P型柵是必需的。但在進行選區(qū)刻蝕過程中，過刻蝕或者欠刻蝕均會導致器件柵源、柵漏之間區(qū)域的二維電子氣濃度降低，從而嚴重影響器件在工作時的導通電阻。因此，該P型柵技術要求對非柵極區(qū)域的P型層的刻蝕深度精確可控，這也極大增加了 P型柵技術的難度，并使得該技術的重復性(片與片之間)、均勻性(片內(nèi)不同區(qū)域之間)、穩(wěn)定性(不同輪工藝之間)難以保證，不適用于大規(guī)模生產(chǎn)。此外，選區(qū)刻蝕P型層會在非柵極區(qū)域不可避免地引入額外的表面態(tài)、缺陷態(tài)，使得器件的電流崩塌現(xiàn)象更為嚴重，從而嚴重影響器件的可靠性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的主要目的在于提供一種III族氮化物增強型HEMT及其制備方法，從而克服現(xiàn)有技術中的不足。
[0006]為實現(xiàn)前述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術方案包括:
[0007]—種III族氮化物增強型HEMT的制備方法，包括:
[0008](I)在襯底上生長形成主要由作為勢皇層的第一半導體層和作為溝道層的第二半導體層組成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中所述第一半導體層疊設在第二半導體層上；
[0009](2)在第一半導體層上形成兼作鈍化層的掩膜層；
[0010](3)對掩膜層的柵極區(qū)進行刻蝕，至暴露出第一半導體層；
[0011](4)在所述掩膜層的柵極區(qū)內(nèi)生長P型層，所述P型層與第一半導體層組成PN結(jié)；
[0012](5)在所述P型層上設置P型柵，且使所述P型柵與P型層之間形成歐姆接觸。
[0013]在一實施方案之中，所述異質(zhì)結(jié)構(gòu)與襯底之間還分布有高阻層。
[0014]其中，所述高阻層作用在于使有源區(qū)溝道與襯底之間形成良好的絕緣隔離，提高器件擊穿電壓。所述高阻層的材質(zhì)可以選自GaN、AlGaN或兩者的組合等，但不限于此。
[0015]在一實施方案之中，步驟(I)還可包括:依次在襯底上生長形成成核層、應力控制層、高阻層和所述異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
[0016]其中，所述成核層的作用在于使外延材料高質(zhì)量地生長在襯底上。所述成核層的材質(zhì)可以選自AlN、GaN或兩者的組合等，但不限于此。
[0017]其中，所述應力控制層的作用在于抵消材料外延生長過程中因晶格失配、熱膨脹系數(shù)失配等原因而累積產(chǎn)生的應力，從而有效抑制外延片翹曲、裂紋等現(xiàn)象。所述應力控制層的材質(zhì)可以選自單層AlGaN、雙層或雙層以上變鋁組分AlGaN等，但不限于此。
[0018]在一實施方案之中，所述異質(zhì)結(jié)構(gòu)還可包括分布在第一、第二半導體層之間的插入層。其中，所述插入層的作用在于使溝道處二維電子氣獲得更好的空間量子限域特性以及減小合金散射，提高電子迀移率。所述插入層的材質(zhì)可以選自與溝道層形成較高帶階差的材料，例如A1N、AlInN或AlInGaN等，但不限于此。
[0019]在一實施方案之中，步驟(3)可以包括:先在掩膜層上形成光刻膠層，并對光刻膠層的P型柵區(qū)光刻處理，至暴露出第一半導體層，而后以光刻膠層作為掩膜，對第一半導體層的柵極區(qū)進行刻蝕。其中，刻蝕方式可優(yōu)選為干法刻蝕方式，例如RIE、ICP刻蝕等。而濕法腐蝕工藝也可用于在某些特定條件下(如低溫等)生長的掩膜層。
[0020]在一實施方案之中，該制備方法還可包括:
[0021](6)對步驟(5)所獲器件進行刻蝕，實現(xiàn)有源區(qū)隔離。
[0022]在一實施方案之中，該制備方法還可包括:
[0023](7)對步驟(6)所獲器件的源、漏極區(qū)進行刻蝕，至暴露出第二半導體層，以及在所述源、漏極區(qū)內(nèi)分別設置源極和漏極，且使所述源極和漏極與第二半導體層形成歐姆接觸。
[0024]在一實施方案之中，該制備方法還可包括:
[0025](8)在步驟(7)所獲器件上設置分別與源極和漏極電性連接的引出電極。
[0026]進一步的，所述襯底包括硅、藍寶石、碳化硅、氮化鋁或氮化鎵襯底，但不限于此。
[0027]進一步的，所述第一半導體層的材質(zhì)包括AlGaN、AInN或AlInGaN，所述第二半導體層的材質(zhì)包括GaN，但均不限于此。
[0028]進一步的，所述掩膜層的材質(zhì)包括無定形氮化娃、無定形氧化娃、無定形氮氧娃、無定形氮化鋁中的任一種或兩種以上的組合，但不限于此。
[0029]進一步的，該制備方法之中材料外延生長工藝可以選自MBE(Molecular BeamEpitaxy，分子束外延)、MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposit1n,金屬有機物化學氣相沉積)等，且不限于此。
[0030]進一步的，該制備方法之中掩膜層/鈍化層的沉積工藝可以選自PECVD(PlasmaEnhanced Chemical Vapor Deposit1n,等離子體增強化學氣相沉積)、M0CVD、LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposit1n，低壓化學氣相沉積)、ALD (Atom LayerDeposit1n，原子層沉積)、PLD (Pulsed Laser Deposit1n，脈沖激光沉積)等，且不限于此。
[0031]進一步的，所述P 型層的材質(zhì)包括 p-AlGaN、p_GaN、p-AlGaN、ρ-ΑΙΙηΝ、p-1nGaN、p-AIInGaN中的任一種或兩種以上的組合，但不限于此。
[0032]采用前述任一種工藝制備的III族氮化物增強型HEMT器件。
[0033]進一步的，在本發(fā)明中，HEMT的有源區(qū)結(jié)構(gòu)可不僅僅局限于AlGaN/AlN/GaN異質(zhì)結(jié)，也可以適用于具有其他有源區(qū)結(jié)構(gòu)的HEMT，如基于近晶格匹配的AlInN/AlN/GaN、AlInGaN/AlN/GaN異質(zhì)結(jié)HEMT、基于雙溝道異質(zhì)結(jié)的HEMT等。
[0034]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點包括:
[0035](I)較之增強型HEMT的常規(guī)制備技術，如氟離子注入技術、槽柵技術、Cascode結(jié)構(gòu)技術，本發(fā)明工藝可以有效解決器件的可靠性問題，實現(xiàn)真正意義上的增強型HEMT ;
[0036](2)較之基于選區(qū)刻蝕的P型柵技術，本發(fā)明工藝采取選區(qū)外延生長技術，在HEMT的外延生長層面直接解決P型柵的定位問題，從而省略了刻蝕非柵極區(qū)域的P型層的工藝步驟，極大降低了 P型柵技術的實施難度，確保了工藝的重復性、均勻性、穩(wěn)定性，適于大規(guī)模生產(chǎn)，同時，還避免了對柵源、柵漏之間區(qū)域的刻蝕，減小了引入額外的表面態(tài)的可能性，且采用的刻蝕掩膜層同時作為鈍化層，極好地保護了器件表面，可以有效抑制電流崩塌。
【附圖說明】
[0037]圖1是槽柵技術制備增強型HEMT器件的示意圖；
[0038]圖2是P型柵技術制備增強型HEMT器件的示意圖；
[0039]圖3是本發(fā)明一典型實施案例中一種增強型HEMT器件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0040]圖4是本發(fā)明一典型實施案例中一種增強型HEMT器件的制作工藝流程圖。
【具體實施方式】
[0041]如前所述，鑒于現(xiàn)有技術的諸多缺陷，例如常規(guī)P型柵技術采取選區(qū)刻蝕的方案要求對非柵極區(qū)域的P型層的刻蝕深度精確可控，故而存在實施難度較大等缺陷。本案發(fā)明人經(jīng)長期研究和大量實踐，提出了本發(fā)明的技術方案，其是基于選區(qū)外延生長的新型P型柵技術，可在HEMT的外延生長過程中直接解決P型柵的定位問題，從而避開了刻蝕非柵極區(qū)域的P型層的工藝步驟，極大降低了 P型柵技術的實施難度，確保了工藝的重復性、均勻性、穩(wěn)定性，同時還能夠有效抑制電流崩塌，從而提高器件的可靠性。
[0042]如下結(jié)合附圖及一較佳實施例對本發(fā)明的技術方案作進一步的說明。
[0043]如下實施例涉及一種基于硅襯底及AlGaN/AlN/GaN異質(zhì)結(jié)的HEMT器件，其中采用p-AlGaN作為P型層。
[0044]參閱圖4，該HEMT器件的制備工藝可以包括:
[0045]S1:基于硅襯底的HEMT外延結(jié)構(gòu)的制作；
[0046]S2:在HEMT外延結(jié)構(gòu)上通過PECVD等工藝生長氮化硅作為掩膜層(鈍化層)；
[0047]S3:光刻P型柵區(qū)域；
[0048]S4:RIE刻蝕柵極區(qū)域氮化硅掩膜層；
[0049]S5:M0CVD 選區(qū)外延生長 p-AlGaN ；
[0050]S6:p型柵歐姆接觸；
[0051]S7:有源區(qū)隔離；
[0052]S8:源、漏歐姆接觸；
[0053]S9:引線電極制備。
[0054]更為具體的，該HEMT器件的制備工藝包括如下具體步驟:
[0055]1.MOCVD外延生長基于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的HEMT。其中，AlGaN勢皇層Al組分x為10%?30%，厚度為10?25nm ；A1N插入層約為Inm ；GaN溝道層為50?200nm，完整的基于硅襯底的HEMT外延結(jié)構(gòu)如圖4中SI所示。
[0056]2.PECVD生長氮化硅作為掩膜層，同時，氮化硅又作為鈍化層，可以有效抑制電流崩塌效應。生長條件:襯底溫度為100?350°C，反應腔室壓強為1700mtorr，量為13?45sccm，順3流量為10?90sccm，N 2吹掃流量為lOOOsccm，RF功率為67W，LF功率為53ff0氮化硅掩膜層厚度為50 - 300nm，如圖4中S2所示。
[0057]3.光刻P型柵區(qū)域。光刻條件:光刻膠AZ5214厚度1.5μπι，硬接觸模式下曝光
6.5s，JZX3038顯影45s, 110°C下堅膜5min。p型柵區(qū)域尺寸為3 μ mX 104 μ m，如圖4中S3所示。在這一步工藝中，同時完成套刻標記的光刻。
[0058]4.利用光刻膠AZ5214作為掩膜，RIE刻蝕柵極區(qū)域氮化硅掩膜層?？涛g條件:襯底溫度為室溫，腔室壓強為1500mtorr，反應氣體SF6流量為8Sccm，反應氣體CHF 3流量為lOsccm，載氣He流量為150sccm，RF功率為200W。如圖4中S4所示。在這一步工藝中，同時完成套刻標記區(qū)域的氮化硅掩膜層刻蝕。
[0059]5.1?)00)選區(qū)外延生長？416&1生長條件:生長溫度500?1100°C，反應室壓強55?500mbar，p-AlGaN鎂摻雜濃度范圍為3X 17?5X 19cm 3，生長厚度為50?200nm。如圖4中S5所示。
[0060]6.P型柵歐姆接觸制備。制備條件:金屬Pd/Pt/Au，厚度為30nm/30nm/50nm，退火條件為550°C，90s，氮氣氣氛。如圖4中S6所示
[0061]7.采用RIE、ICP刻蝕，進行有源區(qū)隔離，其中，RIE刻蝕第2步生長的氮化硅掩膜層(鈍化層)，ICP刻蝕至高阻層GaN或AlGaN?？涛g條件:RIE刻蝕條件同4，確保氮化硅全部刻蝕；ICP刻蝕，襯底溫度為室溫，腔室壓強為6mtorr，反應氣體Cl2流量為30sCCm，反應氣體BCl3流量為30sccm，RF功率為100W，ICP功率為3001如圖4中S7所示。
[0062]8.采用RIE刻蝕，進行源漏歐姆接觸開窗?？涛g條件同4，確保氮化硅全部刻蝕，AlGaN勢皇層可以略微刻蝕一些(?Inm)。
[0063]9.源漏歐姆接觸制備。制備條件:金屬Ti/Al/Ni/Au，厚度為20nm/130nm/50nm/150nm，退火條件為890°C，30s，氮氣氣氛。如圖4中S8所示。
[0064]10.引線電極制備。制備條件:金屬Ni/Au，厚度為50nm/400nm。如圖4中S9所不O
[0065]該HEMT器件成品的結(jié)構(gòu)請參閱圖3，其較之采用氟離子注入技術、槽柵技術、Cascode結(jié)構(gòu)技術制備的同類器件，可靠性有大幅提升，而較之采用現(xiàn)有P型柵技術制備的同類器件，制作成本大幅降低，良品率有顯著提升，在工作過程中亦較少出現(xiàn)電流崩塌現(xiàn)象，能長時間穩(wěn)定工作。
[0066]應當理解的是，對于本領域的普通技術人員來說，可以根據(jù)本發(fā)明的技術構(gòu)思做出其他各種相應的改變與變形，而所有這些改變與變形都應屬于本發(fā)明權利要求的保護范圍。
【主權項】
1.一種III族氮化物增強型HEMT的制備方法，其特征在于包括: (1)在襯底上生長形成主要由作為勢皇層的第一半導體層和作為溝道層的第二半導體層組成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中所述第一半導體層疊設在第二半導體層上； (2)在第一半導體層上形成兼作鈍化層的掩膜層； (3)對掩膜層的柵極區(qū)進行刻蝕，至暴露出第一半導體層； (4)在所述掩膜層的柵極區(qū)內(nèi)生長P型層，所述P型層與第一半導體層組成PN結(jié)； (5)在所述P型層上設置P型柵，且使所述P型柵與P型層之間形成歐姆接觸。2.根據(jù)權利要求1所述III族氮化物增強型HEMT的制備方法，其特征在于所述異質(zhì)結(jié)構(gòu)與襯底之間還分布有高阻層。3.根據(jù)權利要求2所述III族氮化物增強型HEMT的制備方法，其特征在于步驟(I)包括:依次在襯底上生長形成成核層、應力控制層、高阻層和所述異質(zhì)結(jié)構(gòu)。4.根據(jù)權利要求1所述III族氮化物增強型HEMT的制備方法，其特征在于所述異質(zhì)結(jié)構(gòu)還包括分布在第一、第二半導體層之間的插入層，所述插入層的材質(zhì)包括能與溝道層形成較高帶階差的材料。5.根據(jù)權利要求1所述III族氮化物增強型HEMT的制備方法，其特征在于步驟(3)包括:先在掩膜層上形成光刻膠層，并對光刻膠層的P型柵區(qū)光刻處理，至暴露出第一半導體層，而后以光刻膠層作為掩膜，對第一半導體層的柵極區(qū)進行刻蝕。6.根據(jù)權利要求1所述III族氮化物增強型HEMT的制備方法，其特征在于還包括: (6 )對步驟(5 )所獲器件進行刻蝕，實現(xiàn)有源區(qū)隔離。7.根據(jù)權利要求6所述III族氮化物增強型HEMT的制備方法，其特征在于還包括: (7)對步驟(6)所獲器件的源、漏極區(qū)進行刻蝕，至暴露出第二半導體層，以及在所述源、漏極區(qū)內(nèi)分別設置源極和漏極，且使所述源極和漏極與第二半導體層形成歐姆接觸。8.根據(jù)權利要求7所述III族氮化物增強型HEMT的制備方法，其特征在于還包括: (8)在步驟(7)所獲器件上設置分別與源極和漏極電性連接的引出電極。9.根據(jù)權利要求1-8中任一項所述III族氮化物增強型HEMT的制備方法，其特征在于所述襯底包括硅、藍寶石、碳化硅、氮化鋁或氮化鎵襯底，所述第一半導體層的材質(zhì)包括AlGaN、AlInN或AlInGaN，所述第二半導體層的材質(zhì)包括GaN，所述掩膜層的材質(zhì)包括氮化硅、氧化硅、氮氧硅、氮化鋁中的任一種或兩種以上的組合，所述P型層的材質(zhì)包括p-AlGaN、P-GaNN p-AlGaN、ρ-Α1ΙηΝ、p-1nGaN、p-AIInGaN 中的任一種或兩種以上的組合。10.采用權利要求1-9中任一項所述方法制備的III族氮化物增強型HEMT器件。
【文檔編號】H01L29/423GK106033724SQ201510102490
【公開日】2016年10月19日
【申請日】2015年3月9日
【發(fā)明人】孫錢, 周宇, 李水明, 戴淑君, 高宏偉, 楊輝
【申請人】中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所