一種GaN增強耗盡型MOS?HEMT器件的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種GaN增強耗盡型MOS?HEMT器件，包括由下至上依次形成的襯底、SiN/AlN成核層、第一GaN緩沖層、AlN/GaN空間隔離層、第二GaN緩沖層、AlN勢壘層及GaN 帽層，第二GaN緩沖層與AlN勢壘層之間形成二維電子氣；還包括分別位于器件兩端的第一隔離區(qū)和第二隔離區(qū)，第一隔離區(qū)和第二隔離區(qū)分別從GaN 帽層的上表面開始刻蝕并向下延伸至第一GaN緩沖層內(nèi)部；還包括漏極、增強型柵極、第一源極、耗盡型柵極及第二源極；從GaN 帽層上表面刻蝕至AlN勢壘層形成窗口區(qū)域，增強型柵極浸入窗口區(qū)域內(nèi)，增強型柵極與窗口區(qū)域之間、耗盡型柵極與GaN 帽層之間生長有Al2O3修復層。本實用新型解決了現(xiàn)有器件短溝效應(yīng)明顯、成品率低、柵極泄露電流、成本高的問題。
【專利說明】
一種GaN増強耗盡型MOS-HEMT器件
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及半導體制造技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種GaN增強耗盡型MOS-HEMT器件。
【背景技術(shù)】
[0002]硅基芯片經(jīng)歷幾十年發(fā)展，隨著Si基CMOS尺寸不斷縮小，其頻率性能也不斷提高，預計特征尺寸達到25nm時，其f τ可達490GHz。但Si材料的Johnson優(yōu)值僅為0.5THzV，尺寸的縮小使Si基CMOS器件的擊穿電壓將遠小于IV，這極大地限制了硅基芯片在超高速數(shù)字領(lǐng)域的應(yīng)用。近年來，人們不斷地尋找其替代品，由于寬禁帶半導體氮化鎵(GaN)材料具有超高的Johnson優(yōu)值(5THzV)，當其器件溝道尺寸達到1nm量級時，擊穿電壓仍能保持10V左右，已逐漸的引起了國內(nèi)外廣泛的重視。在要求高轉(zhuǎn)換效率和精確閾值控制、寬帶、大動態(tài)范圍的電路(如超寬帶ADC、DAC)數(shù)字電子領(lǐng)域具有廣闊和特殊的應(yīng)用前景，支持國防通信、機載和空間系統(tǒng)。GaN基邏輯器件成為近幾年超高速半導體領(lǐng)域研究的熱點，正成為Si CMOS高速電路在數(shù)模和射頻電路領(lǐng)域的后續(xù)發(fā)展中的有力競爭者，是國家重點支持的尖端技術(shù)，堪稱信息產(chǎn)業(yè)的“心臟”。
[0003]采用GaN E/D HEMT形式的DCFL邏輯電路由于具有低功耗，單一電源，易于設(shè)計等優(yōu)點，在國際上引起了廣泛的關(guān)注，是制造LSI及VLSI電路的基礎(chǔ)。但是，由于氮化物半導體由于缺少P溝道器件，無法形成低功耗的互補邏輯，增強型HEMT能夠緩解缺少P溝道的問題，實現(xiàn)簡化的電路結(jié)構(gòu)，可以大大拓展該器件在低功耗數(shù)字電路中的應(yīng)用。
[0004]但是國內(nèi)增強型GaNHEMT制作工藝并不成熟，器件存在短溝效應(yīng)明顯、成品率低、棚■極泄露電流、成本尚等缺點。
【實用新型內(nèi)容】
[0005]本實用新型的目的在于提供一種GaN增強耗盡型MOS-HEMT器件，能夠解決現(xiàn)有器件短溝效應(yīng)明顯、成品率低、柵極泄露電流、成本高的問題。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本實用新型采用的一個技術(shù)方案是:提供一種GaN增強耗盡型MOS-HEMT器件，包括由下至上依次形成的襯底、SiN/AIN成核層、第一 GaN緩沖層、AlN/GaN空間隔離層、第二 GaN緩沖層、AlN勢皇層及GaN帽層，所述第二 GaN緩沖層與AlN勢皇層之間形成二維電子氣;還包括分別位于器件兩端的第一隔離區(qū)和第二隔離區(qū)，所述第一隔離區(qū)和第二隔離區(qū)分別從所述GaN帽層的上表面開始刻蝕并向下延伸至所述第一 GaN緩沖層內(nèi)部;還包括漏極、增強型柵極、第一源極、耗盡型柵極及第二源極，所述增強型柵極位于漏極和第一源極之間，所述第一源極位于增強型柵極和耗盡型柵極之間，所述耗盡型柵極位于第一源極和第二源極之間；從所述GaN帽層上表面刻蝕至AlN勢皇層形成窗口區(qū)域，所述增強型柵極浸入窗口區(qū)域內(nèi)，所述漏極、第一源極、耗盡型柵極及第二源極形成于GaN帽層上，所述增強型柵極與窗口區(qū)域之間、耗盡型柵極與GaN帽層之間生長有Al2O3修復層。
[0007]區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的情況，本實用新型的有益效果是:
[0008](I)該GaN M0S-HEMT器件結(jié)構(gòu)采用超薄AlN勢皇層與GaN帽層形成AlN/GaN異質(zhì)結(jié)，該異質(zhì)結(jié)與傳統(tǒng)的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)相比，在維持相同的功率時，薄的AlN勢皇層不僅能降低器件的短溝效應(yīng)，而且不用槽柵結(jié)構(gòu)就可獲得更高頻率的增強型器件性能和更好成品率，在高頻大功率器件和數(shù)字電路方面更具優(yōu)勢；
[0009](2)采用全新的超薄勢皇結(jié)構(gòu)，其AlN勢皇層厚度達到1.5nm，可滿足微波毫米波器件應(yīng)用等比例縮小的要求；
[0010](3)該GaN MOS-HEMT器件生產(chǎn)成本低，可把RF和混合信號電路的性能提升到更高層次，進一步推動下一代毫米波雷達收發(fā)組件技術(shù)的發(fā)展；
[0011](4)采用鈍化Al2O3修復層對AlN/GaN異質(zhì)結(jié)進行修復，形成MOS結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)超高開關(guān)態(tài)電流比的GaN器件，極大的改善柵極漏電流，提升器件擊穿電壓，減小E/D數(shù)字電路功耗。
【附圖說明】
[0012]圖1是本實用新型一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0013]下面將結(jié)合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本實用新型的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例，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，都屬于本實用新型保護的范圍。
[0014]如圖1所示，本實用新型提供的GaN增強耗盡型MOS-HEMT器件包括由下至上依次形成的襯底10、SiN/AIN成核層20、第一 GaN緩沖層30、AlN/GaN空間隔離層40、第二 GaN緩沖層50、A1N勢皇層60及GaN帽層70，所述第二 GaN緩沖層50與AlN勢皇層60之間形成二維電子氣83;還包括分別位于器件兩端的第一隔離區(qū)81和第二隔離區(qū)82，所述第一隔離區(qū)81和第二隔離區(qū)82分別從所述GaN帽層70的上表面開始刻蝕并向下延伸至所述第一 GaN緩沖層30內(nèi)部;還包括漏極91、增強型柵極93、第一源極94、耗盡型柵極95及第二源極96，所述增強型柵極93位于漏極91和第一源極94之間，所述第一源極94位于增強型柵極93和耗盡型柵極95之間，所述耗盡型柵極95位于第一源極94和第二源極96之間；從所述GaN帽層70上表面刻蝕至AlN勢皇層60形成窗口區(qū)域，所述增強型柵極93浸入窗口區(qū)域內(nèi)，所述漏極91、第一源極94、耗盡型柵極95及第二源極96形成于GaN帽層70上，所述增強型柵極93與窗口區(qū)域之間、耗盡型柵極95與GaN帽層70之間生長有Al2O3修復層92。
[0015]本實用新型采用超薄AlN勢皇層60與GaN帽層70形成AlN/GaN異質(zhì)結(jié)，該AlN/GaN異質(zhì)結(jié)一般采用MOCVD方法生長，其外延結(jié)構(gòu)從下至上定義如下:
[0016]襯底10，主要為晶面的Si襯底10，包含但不限于S1、SiC、GaN、藍寶石、Diamond，主要起支撐作用；
[0017]SiN/AIN成核層20，襯底10到第一 GaN緩沖層30之間的成核層，主要采用SiN/AIN結(jié)構(gòu)，不摻雜，用于吸收襯底10與后續(xù)外延層之間因為晶格失配產(chǎn)生的應(yīng)力，避免產(chǎn)生晶格馳豫；
[0018]第一GaN緩沖層30，襯底10到緩沖層50之間的緩沖層，主要采用Mg摻雜，可用于吸收襯底10與后續(xù)外延層之間因為晶格失配產(chǎn)生的應(yīng)力；
[0019]AlN/GaN空間隔離層40，在第一 GaN緩沖層30和第二 GaN緩沖層50結(jié)構(gòu)中插入的一層束縛層，主要用來對緩沖層的應(yīng)力進行調(diào)節(jié)，避免晶格弛豫；
[0020]第二 GaN緩沖層50，不摻雜，厚度Ium?2um，其與AlN勢皇層60接觸處大概10nm區(qū)域形成二維電子氣83;
[0021 ] AlN勢皇層60，厚度為1.5nm，用于和柵極成肖特基接觸；
[0022]GaN帽層70，不慘雜，厚度為Inm?3nm。
[0023]GaN增強耗盡型MOS-HEMT器件的具體器件制作方法如下:
[0024]步驟一、蒸發(fā)Ti/Al/Ni/Au形成源電極金屬和漏電極金屬，經(jīng)常規(guī)剝離工藝形成歐姆接觸的第一源極94、第二源極96及漏極91，通常這層是做在有源層最上邊的GaN帽層70上，用以降低接觸電阻率，再輔以高溫退火形成良好歐姆接觸，此處溫度可以為850°C;
[0025]步驟二、采用ICP干法刻蝕形成隔離臺面，采用C12氣體分別對器件兩端進行刻蝕隔離，刻蝕GaN帽層70、A1N勢皇層60、第二 GaN緩沖層50、AlN/GaN空間隔離層40及第一 GaN緩沖層30，形成兩個隔離區(qū)，以提供互相隔離的接近平面結(jié)構(gòu)的有源區(qū)；
[0026]步驟三、采用光刻膠作掩膜，露出增強型柵極93窗口區(qū)域，采用ICP干法刻蝕掉窗口區(qū)域的GaN帽層70;
[0027]步驟四、去掉光刻膠，采用ALD設(shè)備，鈍化生長A1203介質(zhì)實現(xiàn)MOS結(jié)構(gòu)，對AlN/GaN異質(zhì)結(jié)進行修復，減小器件柵極漏電流；
[0028]步驟五、采用分步柵工藝，首先光刻和蒸發(fā)Pt/Au并經(jīng)常規(guī)剝離工藝形成增強型柵極93，采用高于400度低溫退火工藝，驅(qū)動Pt金屬向外延內(nèi)部的擴散，實現(xiàn)柵浸入，形成Pt金屬層92，有效減小器件柵極到溝道的距離，實現(xiàn)性能良好的增強型器件;再光刻和蒸發(fā)Ni/Au并經(jīng)常規(guī)剝離工藝形成耗盡型柵極95，形成性能良好的耗盡型器件，實現(xiàn)E/D的單片集成。
[0029]以上所述僅為本實用新型的實施例，并非因此限制本實用新型的專利范圍，凡是利用本實用新型說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本實用新型的專利保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種GaN增強耗盡型MOS-HEMT器件，其特征在于，包括由下至上依次形成的襯底、SiN/AIN成核層、第一 GaN緩沖層、AlN/GaN空間隔離層、第二 GaN緩沖層、AlN勢皇層及GaN帽層，所述第二 GaN緩沖層與AlN勢皇層之間形成二維電子氣;還包括分別位于器件兩端的第一隔離區(qū)和第二隔離區(qū)，所述第一隔離區(qū)和第二隔離區(qū)分別從所述GaN帽層的上表面開始刻蝕并向下延伸至所述第一 GaN緩沖層內(nèi)部;還包括漏極、增強型柵極、第一源極、耗盡型柵極及第二源極，所述增強型柵極位于漏極和第一源極之間，所述第一源極位于增強型柵極和耗盡型柵極之間，所述耗盡型柵極位于第一源極和第二源極之間；從所述GaN帽層上表面刻蝕至AlN勢皇層形成窗口區(qū)域，所述增強型柵極浸入窗口區(qū)域內(nèi)，所述漏極、第一源極、耗盡型柵極及第二源極形成于GaN帽層上，所述增強型柵極與窗口區(qū)域之間、耗盡型柵極與GaN帽層之間生長有Al2O3修復層。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN增強耗盡型MOS-HEMT器件，其特征在于，所述襯底的材料為S1、SiC、GaN、藍寶石或金剛石。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN增強耗盡型MOS-HEMT器件，其特征在于，所述第二GaN緩沖層的厚度Ium?2um。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN增強耗盡型MOS-HEMT器件，其特征在于，所述AlN勢皇層的厚度為1.5nm05.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN增強耗盡型MOS-HEMT器件，其特征在于，所述GaN帽層的厚度為Inm?3nm。
【文檔編號】H01L29/778GK205680686SQ201620622824
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月22日 公開號201620622824.7, CN 201620622824, CN 205680686 U, CN 205680686U, CN-U-205680686, CN201620622824, CN201620622824.7, CN205680686 U, CN205680686U
【發(fā)明人】黎明
【申請人】成都海威華芯科技有限公司