氮化镓高电子迁移率晶体管的制备方法与流程

文档序号:11179354阅读:647来源:国知局
氮化镓高电子迁移率晶体管的制备方法与流程

本发明涉及半导体技术领域,尤其涉及一种氮化镓高电子迁移率晶体管的制备方法。



背景技术:

氮化镓是第三代宽禁带半导体材料,由于其具有大禁带宽度、高电子饱和速率、高击穿电场、较高热导率、耐腐蚀以及抗辐射性能等优点,被认为是制作短波光电子器件和高压高频率大功率器件的最佳材料。

由于基于氮化镓的氮化镓/氮化镓铝结构具有更高的电子迁移率,氮化镓/氮化镓铝的高电子迁移率晶体管(high-electron-mobilitytransistors,简称hemts)已经成为研究热点。这是因为氮化镓/氮化镓铝的异质结处会形成高浓度、高迁移率的二维电子气(2deg),同时异质结对2deg具有良好的调节作用。

而由于氮化镓/氮化镓铝的异质结的二维电子气中电子浓度很高,如果只有栅场板和未掺杂的氮化镓/氮化镓铝,器件的栅极边缘电场密度很大,会发生绝缘层提前被击穿,导致器件失效。



技术实现要素:

本发明提供一种氮化镓高电子迁移率晶体管的制备方法,用于解决在现有的氮化镓高电子迁移率晶体管的制备中出现的晶体管的栅极边缘电场密度大,从而导致的绝缘层被提前被击穿而产生晶体管器件失效的问题。

本发明提供的氮化镓高电子迁移率晶体管的制备方法,包括:

在氮化镓外延片的表面沉淀介质层;

依次制备晶体管的欧姆接触电极和栅极;

在晶体管的表面上沉积绝缘层;

刻蚀所述绝缘层形成栅场板孔,淀积形成与所述栅极相连的栅场板。

进一步地,在上述制备方法中,所述刻蚀所述绝缘层形成与所述栅极接触的栅场板孔,淀积形成栅场板,包括:

对所述绝缘层进行干法刻蚀,形成所述栅场板孔,其中,所述栅场板孔与所述栅极的表面接触;

在所述栅场板孔内和所述绝缘层的表面淀积第一金属,形成第一金属层;

对所述第一金属层进行光刻和刻蚀,形成所述栅场板。

进一步地,在上述制备方法中,所述在所述栅场板孔内和所述绝缘层的表面淀积第一金属,形成第一金属层,包括:

采用磁控溅射镀膜工艺,在所述栅场板孔内和所述绝缘层的表面沉积金属铝硅铜,形成所述第一金属层。

进一步地,在上述制备方法中,所述在氮化镓外延片的表面沉淀介质层,包括:

在所述氮化镓外延片的表面沉积氧化铪,形成所述介质层。

进一步地,在上述制备方法中,所述制备晶体管的欧姆接触电极,包括:

刻蚀所述介质层,分别形成两个欧姆接触孔;

在两个所述欧姆接触孔内以及所述介质层的表面沉积第二金属,并形成第二金属层;

对所述第二金属层进行光刻,刻蚀和退火处理,形成所述欧姆接触电极。

进一步地,在上述制备方法中,所述制备晶体管的栅极,包括:

刻蚀所述介质层以及部分所述氮化镓外延片中的势垒层,形成栅极接触孔;

在所述栅极接触孔内,所述欧姆接触电极的表面以及所述介质层的表面沉积第三金属,形成第三金属层;

对所述第三金属层进行光刻和刻蚀,形成所述栅极。

进一步地,在上述制备方法中,所述势垒层被刻蚀的深度为所述势垒层的厚度的一半。

进一步地,在上述制备方法中,所述在晶体管的表面上沉积绝缘层,包括:

在所述欧姆接触电极的表面,所述介质层的表面以及所述栅极的表面沉积氮化硅,形成所述绝缘层。

进一步地,在上述制备方法中,所述在两个所述欧姆接触孔内以及所述介质层的表面沉积第二金属,并形成第二金属层之前,还包括:

对所述欧姆接触孔进行清洗。

进一步地,在上述制备方法中,所述退火处理包括在氮气的条件下,采用840℃的退火温度进行退火时间为30s的退火工艺。

本发明提供的一种氮化镓高电子迁移率晶体管的制备方法通过在氮化镓外延片的表面沉淀介质层;依次制备晶体管的欧姆接触电极和栅极;在晶体管的表面上沉积绝缘层;刻蚀所述绝缘层形成栅场板孔,淀积形成与所述栅极相连的栅场板。从而通过介质层有效地从栅极的表面传输和提取电通量,起到了降低晶体管表面电场的效果,还通过设置与栅极相连的栅场板,实现对电流崩塌的抑制作用,改善了晶体管器件的击穿特性,解决现有技术中由于绝缘层容易被提前击穿从而使得晶体管器件失效的问题。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的一种氮化镓高电子迁移率晶体管的制备方法的流程示意图;

图2为本发明实施例二提供的一种氮化家高电子迁移率晶体管的制备方法的流程示意图;

图3为执行实施例二的步骤201后的氮化镓高电子迁移率晶体管的剖面结构示意图;

图4为执行实施例二的步骤202后的氮化镓高电子迁移率晶体管的剖面结构示意图;

图5为执行实施例二的步骤203后的氮化镓高电子迁移率晶体管的剖面结构示意图;

图6为执行实施例二的步骤204后的氮化镓高电子迁移率晶体管的剖面结构示意图;

图7为执行实施例二的步骤205后的氮化镓高电子迁移率晶体管的剖面结构示意图;

图8为执行实施例二的步骤206后的氮化镓高电子迁移率晶体管的剖面结构示意图;

图9为执行实施例二的步骤207后的氮化镓高电子迁移率晶体管的剖面结构示意图;

图10为执行实施例二的步骤208后的氮化镓高电子迁移率晶体管的剖面结构示意图;

图11为执行实施例二的步骤209后的氮化镓高电子迁移率晶体管的剖面结构示意图;

图12为执行实施例二的步骤210后的氮化镓高电子迁移率晶体管的剖面结构示意图;

图13为执行实施例二的步骤211后的氮化镓高电子迁移率晶体管的剖面结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例一提供的一种氮化镓高电子迁移率晶体管的制备方法的流程示意图,如图1所示,该制备方法包括如下步骤:

步骤101、在氮化镓外延片的表面沉淀介质层。

需要说明的是,本发明各实施例中所使用的氮化镓外延片可通过采用沉积的工艺制备,具体包括由下自上依次制备氮化镓外延片中的衬底,缓冲层和势垒层,其中,衬底的材质可采用硅元素,其厚度可采用625微米;缓冲层的材质可采用化合物氮化镓,其厚度可采用3微米;势垒层的材质可采用化合物氮化镓铝,其厚度可采用25微米。

在氮化镓外延片的势垒层的表面,通过沉积工艺形成介质层。具体的, 在氮化镓外延片的表面沉积化合物氧化铪,形成介质层,例如,采用低压力化学气相沉积法在氮化镓外延片的表面沉积氧化铪,从而形成介质层。其中,该介质层的厚度可采用30纳米。

步骤102、依次制备晶体管的欧姆接触电极和栅极。

在完成对介质层的制备之后,在介质层表面依次制备晶体管的欧姆接触电极和栅极,对欧姆接触电极和栅极的制备工艺可以采用目前的成熟制备工艺,本领域技术人员可根据实际情况自行选择,本发明对此不进行限定。

步骤103、在晶体管的表面上沉积绝缘层。

在晶体管的表面上沉积绝缘层。具体的,在欧姆接触电极的表面,栅极的表面和介质层的表面,通过沉积工艺形成绝缘层。例如,采用低压力化学气相沉积法在欧姆接触电极的表面,栅极的表面和介质层的表面沉积化合物氮化硅,形成绝缘层。其中,该绝缘层的厚度可采用500纳米。

步骤104、刻蚀绝缘层形成栅场板孔,淀积形成与栅极相连的栅场板。

通过刻蚀步骤103得到的绝缘层,形成栅场板孔,淀积形成与栅极相连的栅场板。具体的,可通过干法刻蚀工艺对绝缘层进行刻蚀,形成栅场板孔,其中,栅场板孔与栅极的表面接触。在栅场板孔内和绝缘层的表面淀积第一金属,形成第一金属层,例如,可采用磁控溅射镀膜工艺,在栅场板孔内和绝缘层的表面沉积金属铝硅铜,形成第一金属层。对第一金属层进行光刻和刻蚀,形成栅场板,光刻工艺可包括涂胶,曝光和显影等流程。

本发明实施例一提供的一种氮化镓高电子迁移率晶体管的制备方法,通过在氮化镓外延片的表面沉淀介质层;依次制备晶体管的欧姆接触电极和栅极;在晶体管的表面上沉积绝缘层;刻蚀绝缘层形成栅场板孔,淀积形成与栅极相连的栅场板。从而通过介质层有效地从栅极的表面传输和提取电通量,起到了降低晶体管表面电场的效果,还通过设置与栅极相连的栅场板,实现对电流崩塌的抑制作用,改善了晶体管器件的击穿特性,解决现有技术中由于绝缘层容易被提前击穿从而使得晶体管器件失效的问题。

为了进一步说明本发明提供的氮化镓高电子迁移率晶体管的制备方法,在图1所示制备方法的基础上,图2为本发明实施例二提供的一种氮化家高 电子迁移率晶体管的制备方法的流程示意图,图2所示的实施例二将对氮化镓高电子迁移率晶体管的制备方法进行详细的描述。

步骤201、在氮化镓外延片的表面沉淀介质层。

图3为执行实施例二的步骤201后的氮化镓高电子迁移率晶体管的剖面结构示意图,如图3所示,实施例二中的氮化镓外延片自下至上分别为衬底11,缓冲层12和势垒层13,其中,衬底的材质可采用硅元素,其厚度可采用625微米;缓冲层的材质可采用化合物氮化镓,其厚度可采用3微米;势垒层的材质可采用化合物氮化镓铝,其厚度可采用25微米。在氮化镓外延片的势垒层13的表面,通过沉积工艺对氧化铪进行沉积,形成介质层14,介质层14的厚度可采用300纳米。步骤201的执行方法与图1中的步骤101相同,在此不做赘述。

步骤202、刻蚀介质层,分别形成两个欧姆接触孔。

步骤203、在两个欧姆接触孔内以及介质层的表面沉积第二金属,并形成第二金属层。

步骤204、对第二金属层进行光刻,刻蚀和退火处理,形成欧姆接触电极。

上述图1所示方法中的步骤102中的制备晶体管的欧姆接触电极,具体可包括步骤202-204。图4为执行实施例二的步骤202后的氮化镓高电子迁移率晶体管的剖面结构示意图,如图4所示,通过采用干法刻蚀的工艺,在氮化镓高电子迁移率晶体管的介质层14的边缘处,对介质层14进行刻蚀并形成两个中心对称的欧姆接触孔15,而每个欧姆接触孔15的直径可采用5微米。

图5为执行实施例二的步骤203后的氮化镓高电子迁移率晶体管的剖面结构示意图,如图5所示,首先在两个欧姆接触孔15内和介质层14的表面沉积第二金属,形成第二金属层16。具体的,可采用磁控溅射镀膜工艺,在两个欧姆接触孔15内和介质层14的表面依次沉积金属钛,金属铝,金属钛和化合物氮化钛,以形成第二金属层16。

进一步地,在步骤203之前,还包括:对欧姆接触孔进行清洗。具体的,在两个欧姆接触孔15内以及介质层14的表面沉积第二金属,并形成第二金属层16之前,还对欧姆接触孔15进行清洗。在对介质层14进行干 法刻蚀并形成欧姆接触孔15之后,欧姆接触孔15内和介质层14的表面会存在杂质、颗粒等杂质物,通过对晶体管器件的清洗可实现去除晶体管器件上的杂质物的效果。例如,可采用dff+sc1+sc2的方法,去除器件上的杂质物,具体来说,通过采用稀释后的氢氟酸溶液进行第一步清洗,然后采用稀释后的氨水和双氧水的混合溶液进行再次清洗,最后采用稀释后的盐酸和双氧水的混合溶液进行进一步清洗,进而去除欧姆接触孔15内及其介质层14的表面上存在的杂质物。

图6为执行实施例二的步骤204后的氮化镓高电子迁移率晶体管的剖面结构示意图,如图6所示,在形成第二金属层16之后,对第二金属层16采用光刻,刻蚀和退火处理的工艺,形成欧姆接触电极17。具体的,通过对第二金属层16进行光刻和刻蚀,使仅有欧姆接触孔15内及其边缘部分的第二金属层16被保留,再通过进行退火处理,使形成钛,铝和氮化钛的合金,而第二金属层16与势垒层13中的氮化镓铝进行反应之后也可以在其接触面上形成合金,从而得到具有较低欧姆接触电阻的欧姆接触电极17。其中,光刻的程序包括了涂胶、曝光和显影,而退火处理具体可采用在氮气的条件下,采用840℃的退火温度进行退火时间为30s的退火工艺。

步骤205、刻蚀介质层以及部分氮化镓外延片中的势垒层,形成栅极接触孔。

步骤206、在栅极接触孔内,欧姆接触电极的表面以及介质层的表面沉积第三金属,形成第三金属层。

步骤207、对第三金属层进行光刻和刻蚀,形成栅极。

上述图1所示方法中的步骤102中的制备晶体管的栅极,具体可包括步骤205-207。图7为执行实施例二的步骤205后的氮化镓高电子迁移率晶体管的剖面结构示意图,如图7所示,在完成欧姆接触电极17的制备之后,在介质层14的中心处,对该介质层14以及部分氮化镓外延片中的势垒层13进行干法刻蚀,形成深至势垒层13的栅极接触孔18。其中,该栅极接触孔18的直径可采用2微米。进一步地,势垒层13被刻蚀的深度为势垒层13的厚度的一半。

图8为执行实施例二的步骤206后的氮化镓高电子迁移率晶体管的剖面结构示意图,如图8所示,在栅极接触孔18内,欧姆接触电极17的表面 以及介质层14的表面沉积第三金属,形成第三金属层19。具体的,可采用磁控溅射镀膜工艺,在栅极接触孔18内,欧姆接触电极17的表面以及介质层14的表面依次沉积金属镍和金属铜,以形成第三金属层19。

图9为执行实施例二的步骤207后的氮化镓高电子迁移率晶体管的剖面结构示意图,如图9所示,对第三金属层19进行光刻和刻蚀,形成栅极20。具体的,对该第三金属层19采用光刻和刻蚀的工艺,使仅保留位于栅极接触孔18处及其边缘的第三金属层19,并形成栅极20。需要说明的是,形成的栅极20与分别与势垒层13和介质层14接触,使晶体管器件表面的电通量能够很好通过栅极20传递至介质层14,从而实现降低晶体管器件表面电场的效果。

步骤208、在晶体管的表面上沉积绝缘层。

图10为执行实施例二的步骤208后的氮化镓高电子迁移率晶体管的剖面结构示意图,如图10所示,在欧姆接触电极17的表面,栅极20的表面和介质层14的表面沉积绝缘层21。具体的,可采用低压力化学气相沉积法的沉积工艺形成绝缘层21,绝缘层21的厚度可采用500纳米。步骤208的执行方法与图1中的步骤103相同,在此不做赘述。

步骤209、对绝缘层进行干法刻蚀,形成栅场板孔,其中,栅场板孔与栅极的表面接触。

步骤210、在栅场板孔内和绝缘层的表面淀积第一金属,形成第一金属层。

步骤211、对第一金属层进行光刻和刻蚀,形成栅场板。

上述图1所示方法中的步骤104,具体可包括步骤209-211。图11为执行实施例二的步骤209后的氮化镓高电子迁移率晶体管的剖面结构示意图,如图11所示,在制备绝缘层21之后,对绝缘层21进行干法刻蚀,形成栅场板孔22,其中,栅场板孔22与栅极20的表面接触。具体的,栅场板孔22位于栅极20的正上方,其栅场板孔22与栅极20的表面接触,栅场板孔22的直径可与栅极接触孔18的直径相同,例如2微米。

图12为执行实施例二的步骤210后的氮化镓高电子迁移率晶体管的剖面结构示意图,如图12所示,在栅场板孔22内和绝缘层21的表面淀积第一金属,形成第一金属层23。具体的,可采用磁控溅射镀膜工艺,在栅场 板孔22内和绝缘层21的表面沉积金属铝硅铜,形成第一金属层23。

图13为执行实施例二的步骤211后的氮化镓高电子迁移率晶体管的剖面结构示意图,如图13所示,在形成第一金属层23之后,对第一金属层23进行光刻和刻蚀,形成栅场板24。具体的,通过对第一金属层23的光刻和刻蚀,使仅有栅场板孔22内及其边缘部分的第一金属层23被保留,并形成栅场板24,其中,光刻的程序包括了涂胶、曝光和显影。需要说明的是,栅场板24的底面与栅极20的表面接触,从而抑制了晶体管器件的电流崩塌,改善了击穿特性,避免晶体管器件失效。

本发明实施例二提供的一种氮化镓高电子迁移率晶体管的制备方法,通过在氮化镓外延片的表面沉淀介质层;刻蚀介质层,分别形成两个欧姆接触孔;在两个欧姆接触孔内以及介质层的表面沉积第二金属,并形成第二金属层;对第二金属层进行光刻,刻蚀和退火处理,形成欧姆接触电极;刻蚀介质层以及部分氮化镓外延片中的势垒层,形成栅极接触孔;在栅极接触孔内,欧姆接触电极的表面以及介质层的表面沉积第三金属,形成第三金属层;对第三金属层进行光刻和刻蚀,形成栅极;在晶体管的表面上沉积绝缘层;对绝缘层进行干法刻蚀,形成栅场板孔,其中,栅场板孔与栅极的表面接触;在栅场板孔内和绝缘层的表面淀积第一金属,形成第一金属层;对第一金属层进行光刻和刻蚀,形成栅场板。通过介质层与栅极的接触以及栅极与栅场板的接触,一方面,使得介质层能够有效地将晶体管表面的电通量进行疏散和导通,起到了降低栅极附近电场的有益效果,另一方面,使得栅场板能够抑制晶体管器件的电流崩塌,起到了避免绝缘层被提前击穿的有益效果,进而克服了现有的氮化镓高电子迁移率晶体管的制备方法中,容易使晶体管器件被击穿而导致失效的问题。

最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

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