一種制備自對(duì)準(zhǔn)柵GaN HEMT器件及方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種制備自對(duì)準(zhǔn)柵GaNHEMT器件及方法，其結(jié)構(gòu)包括GaNHEMT的溝道層、勢壘層、源漏金屬、Al2O3介質(zhì)、離子注入隔離區(qū)和柵金屬；其制備方法，1）在潔凈的GaN外延材料上沉積Si3N4介質(zhì)犧牲層；2）刻蝕Si3N4介質(zhì)犧牲層，漏出源漏區(qū)域；3）蒸發(fā)剝離源漏金屬5；4）淀積一層Al2O3介質(zhì)、刻蝕；5）獲得隔離圖形后進(jìn)行注入隔離；6）去除隔離掩模；7）掩?？涛gSi3N4介質(zhì)犧牲層，漏出柵區(qū)域；8）蒸發(fā)剝離柵金屬，形成自對(duì)準(zhǔn)柵；9）蒸發(fā)剝離金屬Au實(shí)現(xiàn)電極測試區(qū)域金屬加厚。優(yōu)點(diǎn)工藝兼容性高；無電子束刻寫工藝；降低源漏寄生電阻；不存在柵套準(zhǔn)的問題；Al2O3側(cè)墻介質(zhì)可抑制柵源和柵漏存在的漏電。
【專利說明】—種制備自對(duì)準(zhǔn)柵GaN HEMT器件及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種制備自對(duì)準(zhǔn)柵GaN HEMT器件及方法，通過犧牲層Si3N4介質(zhì)將源漏之間的柵區(qū)域圖形轉(zhuǎn)化到光刻膠上，利用常規(guī)正膠剝離工藝實(shí)現(xiàn)自對(duì)準(zhǔn)柵GaN HEMT器件制備的方法，屬于半導(dǎo)體器件制備的【技術(shù)領(lǐng)域】。
技術(shù)背景
[0002]GaN HEMT器件具有優(yōu)異的頻率特性、功率特性、擊穿特性、噪聲特性等特點(diǎn)，是新一代固態(tài)半導(dǎo)體器件。可以廣泛用于移動(dòng)通信、無線網(wǎng)絡(luò)、雷達(dá)、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域。目前，毫米波段以下頻段GaN HEMT器件以及低壓GaN HEMT功率電子器件已實(shí)現(xiàn)商品化。毫米波段GaN HEMT器件也已顯示出其具有的巨大潛力。從2006年HRL實(shí)驗(yàn)室報(bào)道第一款W波段GaN功率放大器開始，目前W波段GaN功率放大器已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)單芯片輸出功率2W以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了其他材料半導(dǎo)體器件。除了高性能功率放大器的研制，GaN HEMT器件電流增益截止頻率已達(dá)到400GHz以上。高頻率特性GaN HEMT器件不僅可以用于微波器件，還可以用于高性能數(shù)字電路的研制。
[0003]為了提高GaN HEMT器件的頻率特性不僅需要減小柵的長度，還需要減小器件的寄生參數(shù)，包括寄生電容、寄生電阻以及寄生電感。減小寄生電阻主要通過降低材料方阻以及減小源漏間距。然而，由于GaN HEMT器件的歐姆接觸需要通過高溫退火的方法來形成，器件的歐姆接觸和肖特基柵接觸需要分開制作。將源漏間距縮小之后，柵的套準(zhǔn)成為影響器件性能的關(guān)鍵。Si MOSFET器件自對(duì)準(zhǔn)柵的技術(shù)是有效減小寄生電阻的最佳辦法。然而，由于GaN HEMT器件的柵需要形成肖特基接觸，無法承受高的處理溫度。因此，不能將柵工藝一般在源漏之后。同時(shí)，由于GaN基材料是寬帶隙半導(dǎo)體材料，因此注入激活的溫度也非常高。因此，無法直接采用Si半導(dǎo)體工藝的方法來制作自對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提出的是一種制備自對(duì)準(zhǔn)柵GaN HEMT器件及方法，其目的旨在解決GaN歐姆接觸工藝高溫處理導(dǎo)致柵退化的問題，本發(fā)明引入了犧牲層工藝，利用犧牲層介質(zhì)在進(jìn)行GaN HEMT高溫歐姆退火的時(shí)候預(yù)定義柵的位置，通過犧牲層介質(zhì)圖形的轉(zhuǎn)移，結(jié)合常用的半導(dǎo)體剝離工藝實(shí)現(xiàn)自對(duì)準(zhǔn)柵。采用自對(duì)準(zhǔn)工藝可以有效降低柵和源漏之間的間距，從而提高器件的頻率特性。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案:一種制備自對(duì)準(zhǔn)柵GaN HEMT器件，其結(jié)構(gòu)包括GaN HEMT的溝道層、勢壘層、源漏金屬、Al2O3介質(zhì)、離子注入隔離區(qū)和柵金屬，其中GaN HEMT的溝道層和勢壘層的界面形成二維電子氣，源漏金屬在柵兩側(cè)對(duì)稱分布，Al2O3介質(zhì)防止源漏和柵之間產(chǎn)生漏電，柵金屬在勢壘層2上形成肖特基接觸，離子注入隔離區(qū)用于實(shí)現(xiàn)器件有源區(qū)的隔離。
[0006]其制備方法，包括如下工藝步驟:
本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)I)工藝兼容性高，所用工藝均為GaN HEMT器件制備中通用的工藝，和常規(guī)GaN HEMT器件工藝兼容，滿足GaN HEMT器件工藝集成的要求；2)無需采用高精度的電子束刻寫工藝即可實(shí)現(xiàn)深亞微米柵；3)可以有效降低源漏寄生電阻，提高器件的頻率特性；4)不存在柵套準(zhǔn)的問題，解決了柵套準(zhǔn)過程中偏差帶來的問題；5) Al2O3側(cè)墻介質(zhì)可以有效抑制柵源和柵漏存在的漏電。
[0007]采用Si3N4犧牲介質(zhì)層解決自對(duì)準(zhǔn)柵位置定義的問題。采用柵區(qū)域Si3N4犧牲介質(zhì)層和源漏的間隙控制來控制柵源和柵漏之間的間距。采用Al2O3介質(zhì)形成側(cè)墻來抑制柵源和柵漏之間的漏電。采用將Si3N4犧牲介質(zhì)層圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠的方法，實(shí)現(xiàn)自對(duì)準(zhǔn)柵的定義。采用本方法可以實(shí)現(xiàn)自對(duì)準(zhǔn)柵GaN HEMT器件的研制，可以有效降低寄生電阻對(duì)GaNHEMT器件頻率特性的影響。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是自對(duì)準(zhǔn)柵GaN HEMT器件剖面結(jié)構(gòu)圖。
[0009]圖2是自對(duì)準(zhǔn)柵GaN HEMT器件制備的工藝流程圖；其中
圖2-1是自對(duì)準(zhǔn)柵GaN HEMT器件表面沉積Si3N4犧牲層后樣品結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010]圖2-2是自對(duì)準(zhǔn)柵GaN HEMT器件利用光刻膠定義源漏區(qū)域的示意圖。
[0011]圖2-3是自對(duì)準(zhǔn)柵GaN HEMT器件犧牲層Si3N4介質(zhì)刻蝕后漏出源漏區(qū)域的示意圖。
[0012]圖2-4是自對(duì)準(zhǔn)柵GaN HEMT器件源漏金屬蒸發(fā)后的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖2-5是自對(duì)準(zhǔn)柵GaN HEMT器件源漏金屬剝離后的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖2-6是自對(duì)準(zhǔn)柵GaN HEMT器件樣品表面整體淀積了 Al2O3介質(zhì)后的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖2-7是自對(duì)準(zhǔn)柵GaN HEMT器件Al2O3介質(zhì)無掩模大面積刻蝕后形成側(cè)墻的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2-8是自對(duì)準(zhǔn)柵GaN HEMT器件通過光刻形成隔離掩模后刻蝕掉犧牲層，并用離子注入形成隔離后的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2-9是自對(duì)準(zhǔn)柵GaN HEMT器件去除隔離的光刻膠掩模后，重新大面積涂覆光刻膠，然后采用氧等離子體大面積刻蝕后的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2-10是自對(duì)準(zhǔn)柵GaN HEMT器件刻蝕完柵區(qū)域犧牲層Si3N4介質(zhì)后的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2-11是自對(duì)準(zhǔn)柵GaN HEMT器件蒸發(fā)柵金屬后的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖2-12采用正膠剝離法剝離柵金屬后的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖中的I是GaN HEMT的溝道層，2是GaN HEMT的勢壘層，3是犧牲層Si3N4介質(zhì)，4是光刻膠,5是源漏金屬,6是Al2O3介質(zhì),7是離子注入形成的隔離區(qū),8是柵金屬。
【具體實(shí)施方式】
[0022]對(duì)照?qǐng)D1，采用犧牲層介質(zhì)實(shí)現(xiàn)自對(duì)準(zhǔn)GaN HEMT器件，其結(jié)構(gòu)包括GaN HEMT的溝道層1、勢壘層2、源漏金屬5、A1203介質(zhì)6、離子注入隔離區(qū)7和柵金屬8，其中GaN HEMT的溝道層I和勢壘層2的界面形成二維電子氣，源漏金屬5在柵兩側(cè)對(duì)稱分布，Al2O3介質(zhì)6防止源漏和柵之間產(chǎn)生漏電，柵金屬8在勢壘層2上形成肖特基接觸，離子注入隔離區(qū)7用于實(shí)現(xiàn)器件有源區(qū)的隔離。
[0023]所述的GaN HEMT的溝道層I和勢壘層2是含Ga、N元素的半導(dǎo)體材料，在溝道層I和勢壘層2的界面可以產(chǎn)生導(dǎo)電的二維電子氣；
所述的源漏金屬5通過合金形成歐姆接觸用于形成自對(duì)準(zhǔn)GaN HEMT的源和漏；所述的Al2O3介質(zhì)6采用原子層沉積的方法形成的高質(zhì)量薄膜介質(zhì)，用于降低源漏和柵之間的漏電；
所述的柵金屬8在勢壘層2上行成肖特基接觸，用來作為GaN HEMT器件的柵，用來控制器件的溝道電流。
[0024]對(duì)照?qǐng)D2，自對(duì)準(zhǔn)柵GaN HEMT器件制備方法，包括如下工藝步驟:
1)在潔凈的GaN外延材料上沉積Si3N4介質(zhì)犧牲層，如圖2-1中Si3N43所示，然后利用常規(guī)半導(dǎo)體工藝，通過甩正膠、曝光、顯影在樣品上定義源漏區(qū)域，如圖2-2所示；
2)利用光刻膠形成的圖形作為掩模通過干法刻蝕Si3N4介質(zhì)犧牲層，漏出源漏區(qū)域，如圖2-3所示；
3)蒸發(fā)源漏金屬，如圖2-4中源漏金屬5所示，采用丙酮浸泡以及丙酮/乙醇超聲的方法獲得源漏金屬圖形，如圖2-5所示，通過合金化處理形成歐姆接觸；
4)利用原子層沉積方法淀積一層Al2O3介質(zhì)，如圖2-6所示，然后通過干法刻蝕工藝進(jìn)行無掩模大面積刻蝕，結(jié)果如圖2-7所示；
5)通過甩正膠、曝光、顯影獲得隔離圖形，刻蝕有源區(qū)以外的Si3N4介質(zhì)犧牲層，然后通過離子注入方法進(jìn)行器件隔離，結(jié)果如圖2-8所示；
6)采用丙酮/乙醇通過超聲的方法去除光刻膠形成的隔離掩模，然后通過涂膠的方法在樣品上再涂一層光刻膠，通過無掩模大面積刻蝕工藝，漏出Si3N4介質(zhì)犧牲層，結(jié)果如圖2-9所示；
7)利用光刻膠作為掩?？涛gSi3N4介質(zhì)犧牲層，漏出柵區(qū)域，結(jié)果如圖2-10所示；
8)在表面蒸發(fā)一層?xùn)沤饘?，如圖2-11所示，利用正膠剝離的方法形成自對(duì)準(zhǔn)柵，如圖2-12所示；
9)使用常規(guī)光刻技術(shù)，通過甩正膠、曝光、顯影獲得測試壓塊圖形，通過蒸發(fā)剝離金屬Au實(shí)現(xiàn)電極測試區(qū)域金屬加厚。
實(shí)施例
[0025]I)先將藍(lán)寶石襯底上生長的AlGaN/GaN樣品進(jìn)行表面清潔，分別在丙酮和乙醇溶液中超聲清洗5分鐘，在去離子水中漂洗后氮?dú)獯蹈桑?br> 2)利用PECVD設(shè)備，在清潔的AlGaN/GaN樣品上淀積300nm的Si3N4介質(zhì)；
3)用AZ7908正型光刻膠作為掩膜，用旋轉(zhuǎn)涂覆的方法制備光刻膠層，勻膠轉(zhuǎn)數(shù)為5000rpm，勻膠時(shí)間為20秒，勻膠后在110°C熱板前烘150秒對(duì)光刻膠進(jìn)行固化；使用光刻機(jī)將所需掩膜圖形曝光，使用RZX-3038正膠顯影液顯影；顯影后在90°C烘箱堅(jiān)膜10分鐘；利用RIE刻蝕設(shè)備，采用CF4/Ar的混合氣體進(jìn)行Si3N4介質(zhì)的刻蝕，刻蝕功率50W，刻蝕120sec ；
4)在電子束蒸發(fā)臺(tái)中淀積多層金屬Ti/Al/Ni/Au，總厚度120nm;淀積完后在丙酮中浸泡4小時(shí)，然后在丙酮/乙醇中分別進(jìn)行3分鐘的超聲處理，使用去離子水清洗，N2吹干，獲得的金屬電極如圖2-5中的源漏金屬；
5)用原子層沉積設(shè)備在樣品表面沉積一層Al2O3介質(zhì)，厚度15nm，淀積溫度200攝氏度，然后利用RIE設(shè)備刻蝕Al2O3介質(zhì)，刻蝕氣體Cl2，刻蝕功率50W，刻蝕時(shí)間150sec ；
6)用AZ7220正型光刻膠作為掩膜，勻膠轉(zhuǎn)數(shù)為3000rpm，勻膠時(shí)間為20秒，勻膠后在110°C熱板前烘150秒對(duì)光刻膠進(jìn)行固化；使用光刻機(jī)將所需掩膜圖形曝光，使用RZX-3038正膠顯影液顯影；顯影后在90°C烘箱堅(jiān)膜10分鐘；利用離子注入設(shè)備，注入B+離子進(jìn)行器件隔離，注入能量80Kev，劑量6E14 cm—2 ;
7)在丙酮/乙醇中分別進(jìn)行5分鐘的超聲處理，使用去離子水清洗，N2吹干，去除注入隔離掩模；用AZ7908正型光刻膠作為掩模，勻膠轉(zhuǎn)數(shù)為5000rpm，勻膠時(shí)間為20秒，勻膠后在110°C熱板前烘150秒對(duì)光刻膠進(jìn)行固化；使用氧等離子體打膠機(jī)，在氧氣氛下40W功率下打膠5分鐘；
8)利用RIE刻蝕設(shè)備，采用CF4/Ar的混合氣體進(jìn)行Si3N4介質(zhì)的刻蝕，刻蝕功率30W，刻蝕 160sec ；
9)通過電子束蒸發(fā)設(shè)備蒸發(fā)Ni/Au，總厚度80nm，然后將樣品放入丙酮溶液浸泡4小時(shí)，然后在丙酮/乙醇中分別進(jìn)行3分鐘的超聲處理，使用去離子水清洗，N2吹干，獲得的柵金屬電極如圖2-12中的柵金屬8 ；
10)用AZ7908正型光刻膠作為掩模，勻膠轉(zhuǎn)數(shù)為5000rpm，勻膠時(shí)間為20秒，勻膠后在110°C熱板前烘150秒對(duì)光刻膠進(jìn)行固化；使用光刻機(jī)將所需掩膜圖形曝光，使用RZX-3038正膠顯影液顯影；顯影后在90°C烘箱堅(jiān)膜10分鐘，得到測試電極圖形掩模；
11)通過電子束蒸發(fā)設(shè)備蒸發(fā)300nm的Au金屬，然后將樣品放入丙酮溶液浸泡4小時(shí)，然后在丙酮/乙醇中分別進(jìn)行3分鐘的超聲處理，使用去離子水清洗，N2吹干，完成對(duì)測試電極的金屬加厚。
【權(quán)利要求】
1.一種制備自對(duì)準(zhǔn)柵GaN HEMT器件，其特征是包括GaN HEMT的溝道層、勢壘層、源漏金屬、Al2O3介質(zhì)、離子注入隔離區(qū)和柵金屬，其中GaN HEMT的溝道層和勢壘層的界面形成二維電子氣，源漏金屬在柵兩側(cè)對(duì)稱分布，Al2O3介質(zhì)防止源漏和柵之間產(chǎn)生漏電，柵金屬在勢壘層上形成肖特基接觸，離子注入隔離區(qū)用于實(shí)現(xiàn)器件有源區(qū)的隔離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備自對(duì)準(zhǔn)柵GaNHEMT器件，其特征是所述的GaN HEMT的溝道層和勢壘層是含Ga、N元素的半導(dǎo)體材料，在溝道層和勢壘層的界面可以產(chǎn)生導(dǎo)電的二維電子氣；所述的源漏金屬通過合金形成歐姆接觸用于形成自對(duì)準(zhǔn)GaN HEMT的源和漏；所述的Al2O3介質(zhì)采用原子層沉積的方法形成的高質(zhì)量薄膜介質(zhì)，用于降低源漏和柵之間的漏電；所述的柵金屬在勢壘層上行成肖特基接觸，用來作為GaN HEMT器件的柵，用來控制器件的溝道電流。
3.如權(quán)利要求1的自對(duì)準(zhǔn)柵GaNHEMT器件的制備方法，其特征是包括如下工藝步驟: 1)在潔凈的GaN外延材料上沉積Si3N4介質(zhì)犧牲層，如圖2-1中Si3N4所示，然后利用常規(guī)半導(dǎo)體工藝，通過甩正膠、曝光、顯影在樣品上定義源漏區(qū)域； 2)利用光刻膠形成的圖形作為掩模通過干法刻蝕Si3N4介質(zhì)犧牲層，漏出源漏區(qū)域； 3)蒸發(fā)源漏金屬，采用丙酮浸泡以及丙酮/乙醇超聲的方法獲得源漏金屬圖形，通過合金化處理形成歐姆接觸； 4)利用原子層沉積方法淀積一層Al2O3介質(zhì)，然后通過干法刻蝕工藝進(jìn)行無掩模大面積刻蝕； 5)通過甩正膠、曝光、顯影獲得隔離圖形，刻蝕有源區(qū)以外的Si3N4介質(zhì)犧牲層，然后通過離子注入方法進(jìn)行器件隔離； 6)采用丙酮/乙醇通過超聲的方法去除光刻膠形成的隔離掩模，然后通過涂膠的方法在樣品上再涂一層光刻膠，通過無掩模大面積刻蝕工藝，漏出Si3N4介質(zhì)犧牲層； 7)利用光刻膠作為掩模刻蝕Si3N4介質(zhì)犧牲層，漏出柵區(qū)域； 8)在表面蒸發(fā)一層?xùn)沤饘伲谜z剝離的方法形成自對(duì)準(zhǔn)柵； 9)使用常規(guī)光刻技術(shù)，通過甩正膠、曝光、顯影獲得測試壓塊圖形，通過蒸發(fā)剝離金屬Au實(shí)現(xiàn)電極測試區(qū)域金屬加厚。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的自對(duì)準(zhǔn)柵GaNHEMT器件的制備方法，其特征在于所述的工藝步驟I)中的GaN外延材料是存在二維電子氣的GaN基異質(zhì)結(jié)材料，如AlGaN/GaN或InAlN/GaN異質(zhì)結(jié)材料；犧牲層介質(zhì)Si3N4的厚度10(T500nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的自對(duì)準(zhǔn)柵GaNHEMT器件的制備方法，其特征在于所述的工藝步驟2)、步驟5)和步驟7)中犧牲層介質(zhì)Si3N4刻蝕氣體基于氟基等離子體，刻蝕功率2(Tl00W ;工藝步驟2)中，通過刻蝕工藝在柵區(qū)域犧牲層Si3N4介質(zhì)相對(duì)于光刻膠掩模內(nèi)縮30~300nmo
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的自對(duì)準(zhǔn)柵GaNHEMT器件的制備方法，其特征在于所述的工藝步驟 3)中的源漏金屬選自 T1、Al、Ti/Al、Ti/Al/Mo/Au、Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/W、Ti/Al/ff/T1、Ti/Au、Si/Ti/Al/Ni/Au、Al/Au和Al/W中的單層或多層金屬，厚度50~150 nm，合金化處理在氮?dú)夥障逻M(jìn)行，處理溫度在500到950攝氏度之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的自對(duì)準(zhǔn)柵GaNHEMT器件的制備方法，其特征在于所述的工藝步驟4)中的原子層沉積方法中Al2O3介質(zhì)淀積溫度在100攝氏度到300攝氏度范圍內(nèi)，厚度在10到20nm范圍。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的自對(duì)準(zhǔn)柵GaNHEMT器件的制備方法，其特征在于所述的工藝步驟5)中的用于注入的離子包含硼或氮元素，采用20KeV到IOOKeV的能量進(jìn)行注入隔離。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的自對(duì)準(zhǔn)柵GaNHEMT器件的制備方法，其特征在于所述的工藝步驟6)中的涂覆的光刻膠厚度超過犧牲層Si3N4介質(zhì)材料厚度5(Tl00nm，大面積無掩?？涛g工藝采用氧等離子體進(jìn)行大面積刻蝕，刻蝕完成后犧牲層Si3N4介質(zhì)材料漏出高度10~20nm。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的自對(duì)準(zhǔn)柵GaNHEMT器件的制備方法，其特征在于所述的工藝步驟 7)中的柵金屬選自 N1、Ni/Au、Pt、Pt/Au、Ni/Pt/Au、Ni/Al 或 Pt/Al，厚度 50~200nm。
【文檔編號(hào)】H01L21/335GK103715255SQ201310641375
【公開日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2013年12月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月4日
【發(fā)明者】周建軍, 孔岑, 陳堂勝 申請(qǐng)人:中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所