一种提高硅基GaNHEMT关态击穿电压的器件结构及实现方法与流程

本发明属于微电子技术领域，涉及gan基电力电子器件制作

背景技术：

近年来，宽禁带半导体gan以其高电子迁移率、高击穿场强等优越的材料特性而受到广泛关注。除此之外，由于强自发极化效应，在常规的algan/gan异质结界面天然存在高浓度的二维电子气。因此理论上来讲，algan/gan高电子迁移率晶体管(hemt)在高频、高压功率开关等领域有着极其广阔的应用前景。

gan器件的衬底材料一般为硅、碳化硅、蓝宝石三种，其中硅基algan/ganhemt因为其价格低、良好的晶圆尺寸可伸缩性而备受青睐。尽管良好的材料特性和异质结特性，但硅基ganhemt的关态击穿电压仍然远低于理论上的极限值，这极大的限制了其在高压开关领域中的应用。

硅基ganhemt中，由于衬底硅并非如碳化硅、蓝宝石那样完全绝缘，所以其关态击穿特性与常规的hemt器件不同：硅基ganhemt的关态击穿电压随着栅漏间距的增大会逐渐饱和而非逐渐增大。饱和关态击穿电压的大小在栅漏间距不是很大时，与垂直方向上的外延层厚度有直接关系。基于晶格失配以及大晶圆尺寸下弯曲度等的考量，外延层不能太厚，因此在提高硅基ganhemt的关态击穿电压方面具有一定的挑战。

目前提高硅基ganhemt关态击穿电压的方法主要有：1.局部移除源漏区域下的硅衬底；2.衬底转移技术：将原始的硅衬底全部移除后，让hemt结构转移到一个绝缘的载体晶圆上，该方法虽能完全消除硅衬底对ganhemt击穿电压的限制，但比较复杂繁琐且成本较高；3.一定程度上提高缓冲层的厚度也能控制垂直方向的漏电从而获得高的击穿电压，该法简单但提高程度有限。

技术实现要素：

本发明的目的在于用更简单的方法提高硅基ganhemt的关态击穿电压。在深入探索硅基ganhemt关态击穿机制的基础上，从器件结构设计的角度出发，在传统的硅基ganhemt结构上进行改进，在源端形成源端混合肖特基-欧姆电极结构，以实现高击穿电压的硅基ganhemt，满足gan基电力电子器件对高开关电压的应用需求。

本发明的技术思路如下：在利用漏注入测量技术研究硅基ganhemt关态击穿机制中发现，当栅漏间距较大时(例如10um)，关态击穿电压随着器件夹断立马跃升到一个很高的值，但随着栅压进一步负向移动，又慢慢减小到一个恒定的值，这与常规器件表现出来的夹断之后击穿电压立即饱和或者逐渐升高均不同。随之进行的两端击穿电压测试中发现，若欧姆电极旁边有一部分二维电子气(如附图1所示)，其击穿电压明显高于没有二维电子气的。由此可以说明二维电子气对高压起到了一定的屏蔽作用，也正因为如此，在三端器件耐压测试中，才会有着随栅压负向移动，二维电子气逐渐被耗尽，屏蔽作用减弱，关态击穿电压也就在夹断之后逐渐减小，直到耗尽到最大程度后，耐压饱和。这说明硅基ganhemt的关态击穿和源端的欧姆注入有关，源端欧姆接触形成过程中本就会产生损伤，在高压过程中，注入电流会很大，从而导致器件的击穿电压降低。沿着这一击穿机制，可以将硅基ganhemt的源端欧姆接触改进成源端肖特基-欧姆混合接触，即在欧姆接触的基础上，多加一段肖特基接触，该肖特基接触的金属起到了和二维电子气异曲同工的屏蔽作用，当器件加以高压，这段肖特基接触的金属屏蔽掉了一部分高压的影响，减少了源端欧姆接触的注入，从而提高了硅基ganhemt的关态击穿电压。

依据上述技术思路，为了提高硅基ganhemt关态击穿电压，一种利用源端肖特基-欧姆混合接触的新型器件结构，包括如下制备过程：

(1)在硅衬底上按照一定的生长条件依次生长碳掺杂的gan或aln缓冲层、本征gan沟道层、本征algan势垒层；

(2)对外延生长好的algan/gan材料进行有机清洗，用流动的去离子水清洗后放入hcl∶h2o＝1∶10的溶液中清洗1～2min，而后可利用pecvd、icpcvd或lpcvd在其表面形成一层薄的栅介质层；

(3)对形成栅介质层的algan/gan材料进行光刻，刻蚀出源漏欧姆接触区域，通过电子束蒸发或者磁控溅射制备欧姆接触金属并进行剥离，最后在氮气环境中快速热退火(800～900℃，30s)，形成欧姆接触；

(4)形成欧姆接触之后，进一步光刻，定义出有源区，利用平面离子注入(一般为氟离子)或者刻蚀的方法实现器件的有源区隔离；

(5)隔离形成之后，光刻栅电极区域，用电子束蒸发或者测控溅射制备金属栅电极材料，随后对器件进行剥离工艺处理形成栅电极；

(6)栅电极形成后，光刻刻蚀形成源端肖特基接触区域，用电子束蒸发或者测控溅射制备源端肖特基接触金属材料，随后对器件进行剥离工艺处理形成源端肖特基-欧姆混合接触；

(7)器件初步完成后，利用pecvd、icpcvd或lpcvd在其表面形成一层厚的介质钝化层；

(8)介质钝化层形成后，光刻刻蚀出栅极、源极以及漏极的测试电极区域，最后在氮气环境下对整个晶圆进行退火处理，完成整体器件的制备。

本发明具有如下优点：

(1)本发明器件利用源端肖特基-欧姆混合接触结构，使得器件在关态击穿过程中，源端肖特基金属部分屏蔽了高压的影响，减小了源端欧姆接触的漏电流注入，从而提高了硅基ganhemt的关态击穿电压；

(2)本发明从器件结构设计的角度出发，为提高硅基ganhemt的关态击穿电压提供了一种新的思路，可以结合更多优良的工艺考量，研制出高性能的硅基ganhemt电力电子器件；

(3)本发明的实现方法较之于其它提高硅基ganhemt耐压的方法更为简单，易于实现，通过调控源端肖特基接触金属在横向上的长度，可以调控硅基ganhemt耐压的范围。

附图说明

通过参照附图能更加详尽地阐明本发明器件的原理及其结构，并进一步描述本发明的示例性实施例，在附图中：

图1是两端耐压测试结构(欧姆接触电极处有二维电子气)，帮助更好地阐明本发明的设计思路；

图2是本发明器件的整体剖面结构示意图；

图3～图8是本发明中的新型结构硅基ganhemt每一步制造工艺后的剖面结构示意图，反映了本发明的工艺制造流程。

具体实施方式

在下文中，将参照附图更充分地描述本发明，在附图中示出了实施例及其实现过程，所描述的实施例仅仅是本发明中的一种实现形式，即本发明不应该解释为局限于在此阐述的实施例。基于该实施例，将本发明的范围充分地传达给本领域技术人员。

在下文中，将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。

参照图2，该器件结构自下而上的顺序依次包括硅基衬底、碳掺杂的gan或aln缓冲层、本征gan沟道层、本征algan势垒层、绝缘栅介质层、栅电极、介质钝化层、源端肖特基-欧姆混合电极以及漏端欧姆电极。其制备方法包括以下具体步骤：

(1)如图3所示，首先在硅基衬底上，用mocvd生长一层碳掺杂的gan或aln缓冲层，然后再生长一层本征gan沟道层，在其之上生长本征algan势垒层，至此完成硅基algan/gan材料的外延生长；

(2)对(1)中外延生长好的algan/gan材料进行有机清洗，用流动的去离子水清洗后放入hcl∶h2o＝1∶10的溶液中清洗1～2min，而后可利用pecvd、icpcvd或lpcvd在其表面形成一层20nm的si3n4栅介质层，如图4所示；

(3)在图4所示结构基础上进行光刻，刻蚀出源漏欧姆接触区域，通过电子束蒸发制备欧姆接触金属(ti/al/ni/au＝20nm/150nm/50nm/80nm)并进行剥离，最后在氮气环境中快速热退火(850℃，30s)，形成欧姆接触，如图5所示；

(4)形成图5所示结构之后，进一步光刻，定义出有源区，用氟离子注入形成器件之间的隔离，氟离子分三次能量注入(80kev、40kev、20kev)，剂量均为1e14；

(5)隔离形成之后，光刻栅电极区域，用电子束蒸发制备栅极金属(ni/au＝50nm/250nm)并进行剥离，形成栅金属之后的器件横截面图如图6所示；

(6)栅电极形成后，光刻定义出源端肖特基接触区域，首先用rie干法刻蚀(2)中淀积形成的si3n4，然后用电子束蒸发制备源端肖特基接触金属(ni/au＝50nm/150nm)并进行剥离，至此形成的器件横截面图如图7所示；

(7)在如图7所示的结构基础上，用pecvd在其表面形成200nm的si3n4介质钝化层，如图8所示；

(8)在图8所示的结构上，rie刻蚀出栅极、源极以及漏极的测试电极，最后在氮气环境下对整个晶圆进行退火(400℃，10min)处理；

(9)通过以上步骤制备出的新型结构硅基ganhemt器件相比于常规结构而言，耐压提高不少。