HEMT器件及其制作方法与流程

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种hemt器件及其制作方法。

背景技术：

5g通信比4g具有更高的传输数据量和更快的传输速率。这无疑对射频前端带来前所未有的技术挑战，特别是在发送端，主要包括高功率效率和线性度、高输出功率、大带宽等。高电子迁移率晶体管(hemt，high-electronmobilitytransistor)是一种异质结场效应晶体管，具有高载流子速度和较大的击穿电场的优点，广泛应用于无线通信系统中的功率放大器。尤其是以gan(氮化镓)为代表的第三代半导体材料，是当代半导体科学技术的研究前沿，其电子器件具有击穿场强大、截止频率高、功率密度大、热导率高等优点，是未来高频大功率及微波通讯领域的首选。目前实验室报道的ganhemt频率已经达到580ghz，但仅为实验室研究水平，尚未进入产品推广阶段。制作成本高，工艺稳定性差，产品良率低依然是限制其商用的主要因素。

在射频应用领域，频率性能是器件应用的一个重要指标。缩小器件的尺寸、缩小栅长是降低源漏电阻提高器件频率的主要方法。目前电子束曝光多层胶是实现t型栅的主要技术方案。但通常受限于电子束胶的敏感度以及曝光精度，t型栅难以实现50纳米以内的栅足。对于小于50nm的t栅，通常只能采用侧墙工艺。然而，无论电子束曝光t栅工艺还是侧墙t栅工艺，其工艺均较为复杂，稳定性较差，并且电子束曝光扫描速度有限，不适用大批量进行hemt器件的制备。另一方面，除了缩短栅长，尽可能的缩短栅源间距和栅漏间距是降低沟道电阻，也是改善器件频率特性的主要因素。现有技术中，受限于光刻套刻精度，器件的源漏间距较大，通常在1微米以上，使得hemt器件的沟道串联电阻较大，从而降低了器件的频率性能。除此之外，降低源漏电极的欧姆接触电阻是提高器件频率的第三点主要措施。传统工艺中通常采用高温退火形成合金欧姆接触。然而高温退火存在接触不均匀的问题，且金属容易在高温退火中溢出，降低了器件的可靠性和良率。再生长低电阻的源漏区材料是目前高频hemt器件降低欧姆接触电阻率的主要技术路线。然而，欧姆电极的制作中，受限于光刻套刻精度，金属电极与再生长的源漏材料之间存在较大的套刻间距，导致源漏沟道间距增加，器件沟道电阻增加，不利于提高器件频率。据报道，美国hrl实验室在提高了光刻精度后，欧姆电极与再生长源漏材料的间距依然达到800纳米，远大于再生长源区与再生长漏区的沟道距离。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种hemt器件及其制作方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括：

作为本发明的一个方面，提供一种hemt器件的制作方法，以外延片为基底，所述外延片由上到下依次包括势垒层和沟道层，包括如下步骤：

步骤1：在所述外延片上形成介质掩膜；

步骤2：利用光刻技术，在所述介质掩膜上形成具有裸露区域的光刻胶，定义裸露区域为栅电极的栅足窗口；

步骤3：去除栅足窗口内的介质掩膜，使外延片裸露，去除光刻胶；

步骤4：在外延片的裸露区域形成栅电极的栅足并在介质掩膜上形成金属掩膜；

步骤5：利用光刻技术，在所述金属掩膜上形成具有裸露区域的光刻胶，定义非裸露区域为源漏沟道区；

步骤6：去除源漏沟道区以外的金属掩膜、介质掩膜、势垒层和部分沟道层，去除光刻胶；以剩余的金属掩膜作为栅电极的栅帽，完成栅电极的制备；

步骤7：进行再生长，在沟道层的源漏沟道区以外的区域分别形成再生长源区和再生长漏区；

步骤8：沉积金属，在所述再生长源区和再生长漏区上分别形成源电极和漏电极，完成hemt器件的制备。

作为本发明的另一个方面，还提供一种采用如上述的制作方法制备得到的hemt器件，所述hemt器件包括栅电极，所述栅电极包括栅足和栅帽，所述栅足的宽度为10～200nm；所述栅帽的宽度为200～2000nm。

基于上述技术方案，本发明相较于现有技术，至少具有以下有益效果的其中之一或其中一部分：

本发明提供的hemt器件的制作方法，在制作低电阻的再生长源区和再生长漏区的生长掩膜时就同时制作形成了栅电极，本发明中通过采用介质掩膜和金属掩膜作为再生长的双层掩膜，并且在制作再生长的掩膜的时候，通过在第一层的介质掩膜上光刻制作出栅足窗口，然后在其上制作第二层导电的金属掩膜，形成导电的栅电极；

优势之一是，在第一层的介质掩膜上制作极小尺寸的栅足时，可采用单层电子束胶进行电子束曝光细线条即可，相比在形成了其他器件结构如源电极和漏电极后再进行多层胶工艺制作t型栅，显然在光滑的平面上电子束曝光细线条工艺更为简单稳定，重复性好，且可达到t型栅难以实现的极小尺寸；

优势之二是，在形成了导电的第二层的金属掩膜后，可通过接触式光刻或者步进式光刻即可获得大尺寸的栅帽，另一方面，传统t栅工艺中栅帽厚度受到电子束胶厚度的限制，通常只能到达三百多纳米，而本发明中可通过第二层掩膜的厚度极容易的获得较厚的栅帽，可显著降低器件的电阻；

优势之三是，可通过调整在第二层的金属掩膜上的光刻对准即可获得不对称栅，满足器件性能的需求；同时还可通过在第一层的介质掩膜上刻蚀栅足的多少实现“π”型栅甚至多栅足的栅；

优势之四是，在第一层的介质掩膜上光刻形成栅足时，可通过调控刻蚀介质掩膜的横纵速率，实现一定角度的“v”型栅足，从而利用大尺寸光刻实现电子束曝光难以实现的极小尺寸栅足；

优势之五是，在通常进行低电阻的源区和漏区的选区再生长时，由于纵向生长速率比横向生长速率快，因此再生长源区和再生长漏区呈现正梯形形貌，利用此特征，并利用栅电极做遮挡，可实现源电极和漏电极的自对准，最大程度的缩短源电极和漏电极之间的间距，降低器件电阻；

优势之六是，在介质掩膜上光刻栅足时，可采用步进式光刻，大批量的进行大尺寸外延片的器件制作，极大的提高了hemt器件的制作效率，降低成本；

优势之七是，可以应用于多种材料的hemt器件中，包括gaas基hemt、inp基hemt以及gan基hemt器件等。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的hemt器件制作方法流程图；

图2a为本发明实施例一的外延片的结构截面示意图；

图2b为本发明实施例一的形成了介质掩膜的结构截面示意图；

图2c为本发明实施例一的形成了光刻胶的窗口的结构截面示意图；

图2d为本发明实施例一的形成了介质掩膜窗口的结构截面示意图；

图2e为本发明实施例一的形成了金属掩膜的结构截面示意图；

图2f为本发明实施例一的形成了源漏沟道区的结构截面示意图；

图2g为本发明实施例一的暴露出沟道层的结构截面示意图；

图2h-1、2h-2、2h-3分别为本发明实施例一的形成了再生长源区和再生长漏区的三种不同结构截面示意图；

图2i-1、2i-2、2i-3分别为本发明实施例一的去除了介质掩膜的三种不同结构截面示意图；

图2j-1、2j-2、2j-3分别为本发明实施例一的形成“t”型栅电极的hemt器件的三种不同结构截面示意图；

图3a为本发明实施例二的形成了源漏沟道区的结构截面示意图；

图3b-1、3b-2、3b-3分别为本发明实施例二的形成“γ”型栅电极的hemt器件的三种不同结构截面示意图；

图4a为本发明实施例三的形成了两个光刻胶的窗口的结构截面示意图；

图4b为本发明实施例三的形成了两个介质掩膜窗口的结构截面示意图；

图4c-1、4c-2、4c-3分别为本发明实施例三的形成“π”型栅电极的hemt器件的三种不同结构截面示意图；

图5a为本发明实施例四的形成了“v”字形介质掩膜窗口的结构截面示意图；

图5b-1、5b-2、5b-3分别为本发明实施例四的形成“v”型栅电极的hemt器件的三种不同结构截面示意图。

以上附图中，附图标记含义如下：

1、沟道层；2、势垒层；3、介质掩膜；301、介质掩膜窗口；302、介质掩膜窗口；401、光刻胶；4011、窗口；4012、窗口；402、源漏沟道区；5、金属掩膜；601、再生长源区；602、再生长漏区；701、源电极；702、漏电极。

具体实施方式

本发明提供一种hemt器件制作方法，拟解决以下几个问题：(1)高频hemt器件中，t栅工艺是难点。目前t栅工艺通常采用双层光刻胶或者三层光刻胶电子束曝光工艺，受限于光刻胶的精度和设备精度，目前t型栅很难小于50nm。对于小于50nm的t栅，通常只能采用侧墙工艺。然而，无论电子束曝光t栅工艺还是侧墙t栅工艺，其工艺均较为复杂，稳定性较差，并且电子束曝光扫描速度有限，不适用大批量进行hemt器件的制备。(2)受限于光刻精度，源漏沟道间距难以缩短到百纳米尺寸，导致器件导通电阻大，限制了器件频率的继续提高。(3)欧姆电极的制作中，受限于光刻套刻精度，金属电极与再生长的源漏材料之间存在较大的套刻间距，导致源漏沟道间距增加，器件沟道电阻增加，限制了器件频率的提高。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

一种hemt器件的制作方法，以外延片为基底，外延片由上到下依次包括势垒层和沟道层，包括如下步骤：

步骤1：在外延片上形成介质掩膜；

步骤2：利用光刻技术，在介质掩膜上形成具有裸露区域的光刻胶，定义裸露区域为栅电极的栅足窗口；

步骤3：去除栅足窗口内的介质掩膜，使外延片裸露，去除光刻胶；

步骤4：在外延片的裸露区域形成栅电极的栅足并在介质掩膜上形成金属掩膜；

步骤5：利用光刻技术，在金属掩膜上形成具有裸露区域的光刻胶，定义非裸露区域为源漏沟道区；

步骤6：去除源漏沟道区以外的金属掩膜、介质掩膜、势垒层和部分沟道层，去除光刻胶；以剩余的金属掩膜作为栅电极的栅帽，完成栅电极的制备；

步骤7：进行再生长，在沟道层的源漏沟道区以外的区域分别形成再生长源区和再生长漏区；

步骤8：沉积金属，在再生长源区和再生长漏区上分别形成源电极和漏电极，完成hemt器件的制备。

在本发明的实施例中，hemt器件的外延片的材料可以是gan基材料、gaas基材料或者inp基材料。

在本发明的实施例中，步骤1中，介质掩膜的材顾包括sin或者sio2；

在本发明的实施例中，介质掩膜的厚度为50nm～500nm；

在本发明的实施例中，介质掩膜的形成方法包括气相沉积、蒸镀或者原子层沉积的方法。

在本发明的实施例中，步骤2中，光刻技术包括电子束曝光、接触式光刻或者步进式光刻；

在本发明的实施例中，栅足窗口包括一个或多个。

在本发明的实施例中，步骤3中，介质掩膜的去除方法包括干法等离子刻蚀、湿法腐蚀或者反应离子刻蚀。

在本发明的实施例中，步骤4中，金属掩膜的厚度为50nm～500nm；

在本发明的实施例中，金属掩膜的材质包括组中材料、组中材料的氮化物、组中材料的合金、组中材料中的多种材料交替生长形成的叠层中的一种或多种，其中，组中材料包括钨、钼、钽、钛、铬；

在本发明的实施例中，金属掩膜和栅足采用磁控溅射法、电子束沉积法、化学气相沉积法或者原子层沉积法形成。

在本发明的实施例中，步骤5中，具有源漏沟道区的光刻胶的宽度包括0.3μm～3μm，由此定义沟道长度即源漏间距lds；

在本发明的实施例中，光刻技术包括电子束曝光、步进式光刻或者接触式光刻。

在本发明的实施例中，步骤6中，分步去除源漏沟道区以外的金属掩膜、介质掩膜、势垒层和部分沟道层；

在本发明的实施例中，第一步采用湿法腐蚀或者干法刻蚀去除金属掩膜和介质掩膜；

在本发明的实施例中，第二步采用干法刻蚀去除势垒层和部分沟道层。

在本发明的实施例中，步骤7中，再生长的方法包括金属有机化合物化学气相沉淀法、分子束外延法或者氢化物气相外延法；

其中，再生长包括横向生长和纵向生长，其中纵向生长速率大于横向生长速率；

其中，再生长源区和再生长漏区包括掺杂si和/或ge施主杂质的n型层；

在本发明的实施例中，再生长源区和再生长漏区的n型层为低电阻的n型层，其施主杂质的掺杂浓度为1*10¹⁷/cm³～1*10²⁰/cm³。

在本发明的实施例中，在步骤7之后步骤8之前，还包括去除介质掩膜的步骤，去除介质掩膜的方法包括侧壁湿法腐蚀。

在本发明的实施例中，步骤8中，沉积金属的具体操作包括：以栅帽为掩膜在再生长源区和再生长漏区自对准沉积金属，分别形成源电极和漏电极；

其中，源电极和漏电极均呈正梯形；

源电极和漏电极包括ti、tin、al、au中的多种材料交替生长形成的叠层。

作为本发明的另一个方面，还提供一种采用如上述的制作方法制备得到的hemt器件，hemt器件包括栅电极，栅电极包括栅足和栅帽，栅足的宽度为10nm～200nm；栅帽的宽度为200nm～2000nm。

在本发明的实施例中，栅足的个数包括1个或多个；

栅极为对称栅结构或者不对称栅结构；

栅足的形状包括矩形或v形。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明，但需要注意的是，下述的实施例仅用于说明本发明的技术方案，但本发明并不限于此。

实施例一

本发明公开了一种hemt器件的制作方法。图1示出了本发明实施例一提供的hemt器件制作方法流程图。如图1所示，本发明提供的hemt器件的制作方法包括以下步骤：

步骤s1：在hemt外延结构的势垒层2上制作介质掩膜3；

步骤s2：在介质掩膜3上涂敷光刻胶401并通过光刻的方法定义一个窗口4011；

步骤s3：用光刻胶做掩膜去除窗口4011内的介质掩膜3，形成介质掩膜窗口301，然后去除光刻胶；

步骤s4：在图形化的介质掩膜3上制作金属掩膜5；

步骤s5：在金属掩膜5上涂敷光刻胶并通过光刻的方法定义一个非裸露区域源漏沟道区402，源漏沟道区402须完全覆盖住窗口301；

步骤s6：用光刻胶做掩膜分别去除源漏沟道区402以外的金属掩膜5、介质掩膜3以及hemt外延结构中的势垒层2和部分沟道层1，然后去除光刻胶；

步骤s7：将具有掩膜图形的hemt外延片重新放进生长设备中进行源区和漏区材料的再生长，获得再生长源区601和再生长漏区602；

步骤s8：再生长结束后，去除掉介质掩膜3，形成独立的金属栅电极；

步骤s9：以金属栅电极为遮挡，沉积金属，形成源电极701和漏电极702。

图2a-2j示出的是根据本发明实施例一提供的hemt器件的制作方法各步骤对应的结构截面示意图。

如图2a所示，提供hemt外延片，外延片表面是势垒层2，其下是沟道层1。其中hemt外延片的材料可以是gan基材料、gaas基材料或者inp基材料。

如图2b所示，在hemt外延片的势垒层2上制作的介质掩膜3，介质掩膜3的材料可以但不限于sin以及sio2，厚度50nm～500nm，其制作方法可以是气相沉积、蒸镀以及原子层沉积。这里优先选择使用等离子体化学气相沉积法沉积的sio2作为介质掩膜3。

如图2c所示，在介质掩膜3上涂敷光刻胶401，并通过曝光显影的光刻方法形成一个没有光刻胶的窗口4011。其中光刻的方法可以是电子束曝光、接触式光刻以及步进式光刻，窗口4011的尺寸10nm～1μm，具体根据器件性能对栅长的要求决定。

如图2d所示，以光刻胶401为掩膜，去除窗口4011内的介质掩膜3，形成介质掩膜窗口301，然后去除光刻胶401。去除介质掩膜3的方法可采用干法等离子刻蚀的方法、湿法腐蚀的方法以及反应离子刻蚀的方法等。这里优先选择等离子体干法刻蚀的方法。

如图2e所示，在形成介质掩膜窗口301的介质掩膜3上制作金属掩膜5，厚度50nm～500nm。金属掩膜5要求是难熔材料的导体，材质包括组中材料、组中材料的氮化物、组中材料的合金、组中材料中的多种材料交替生长形成的叠层中的一种或多种，其中，所述组中材料包括钨、钼、钽、钛、铬；制作方法可以是磁控溅射法、电子束沉积法、化学气相沉积法或者原子层沉积法。

如图2f所示，在金属掩膜5上涂敷光刻胶并通过曝光显影的光刻方法形成具有光刻胶的源漏沟道区402，宽度0.3μm～3μm，此宽度用于定义源漏间距lds；光刻的方法可以是接触式光刻，或者是步进式光刻，或者是电子束曝光。源漏沟道区402须完全覆盖住窗口4011。

以源漏沟道区402的光刻胶为掩膜，依次去除金属掩膜5、介质掩膜3，去除方法可以是湿法腐蚀，或者是干法刻蚀；然后继续采用干法刻蚀的方法去除势垒层2和部分沟道层1，形成如图2g所示的结构，然后去除光刻胶。

将暴露出沟道层1且具有掩膜的外延片放入生长设备中进行再次生长形成高导电的再生长源区601和再生长漏区602。其中再生长源区601和再生长漏区602具有施主掺杂粒子，掺杂粒子可以但不限于si、ge等施主杂质。再生长源区601和再生长漏区602的生长方法可以是金属有机化合物化学气相沉淀(mocvd)，或者是分子束外延(mbe)、氢化物气相外延(hvpe)。再生长源区601和再生长漏区602必须满足再生长的材料与沟道层1的侧壁完全接触，厚度可以低于金属掩膜5，如图2h-1、2h-2所示；也可以高于金属掩膜5，如图2h-3所示。这是因为通常iii-v族材料外延是纵向生长速率高于横向生长速率，所以再生长源区601和再生长漏区602横截面呈现正梯形状，所以即使再生长源区601和再生长漏区602的厚度高于第二层掩膜5，也不会造成与介质掩膜3和金属掩膜5接触。

如图2i-1、2i-2、2i-3所示，再生长源区601和再生长漏区602形成后，采用湿法腐蚀的方法去除介质掩膜3。这是因为再生长源区601和再生长漏区602侧壁是正梯形，所以介质掩膜3虽然被金属掩膜5覆盖在下面，但是其侧壁可暴露在外面的，所以湿法腐蚀液可以通过侧壁去除掉介质掩膜3。去除介质掩膜3的原因是介质掩膜会带来较高的栅电容，影响hemt器件的频率性能。另一方面，对于某些低频率器件，介质掩膜3也可以不去除。

如图2j-1、2j-2、2j-3所示，以栅金属为掩膜在源漏区域自对准沉积金属，形成源电极701和漏电极702；沉积的金属可以但不限于ti、tin、al、au等材料的叠层。

本发明实施例一提供的hemt器件的制作方法，在制作低电阻的再生长源漏的生长掩膜时就同时制作形成了栅电极。本发明中通过采用介质掩膜和导电的金属掩膜作为源漏再生长的双层掩膜。并且在制作生长掩膜的时候，通过在第一层的介质掩膜上光刻制作出栅足窗口，然后在其上制作第二层导电的金属掩膜，形成导电的栅电极。这样做的最大优势之一是，在第一层的介质掩膜上制作极小尺寸的栅足时，可采用单层电子束胶进行电子束曝光细线条即可。相比在形成了其他器件结构如源漏电极后再进行多层胶工艺制作t型栅，显然在光滑的平面上电子束曝光细线条工艺更为简单稳定，重复性好，且可达到t型栅难以实现的极小尺寸。本发明实施例一提供的hemt器件制作方法优势之二是，在形成了导电的金属掩膜后，可通过接触式光刻或者步进式光刻即可获得大尺寸的栅帽，另一方面，传统t栅工艺中栅帽厚度受到电子束胶厚度的限制，通常只能到达三百多纳米。本发明实施例一中可通过第二层的金属掩膜的厚度极容易的获得较厚的栅帽，可显著降低器件的电阻。本发明提供的hemt器件制作方法优势之三是，在通常进行低电阻的源区和漏区的选区再生长时，由于纵向生长速率比横向生长速率快，因此再生长源区和再生长漏区呈现正梯形形貌。利用此特征，并利用栅电极做遮挡，可实现源漏电极的自对准，最大程度的缩短源漏电极之间的间距，降低器件电阻。本发明实施例一提供的hemt器件制作方法优势之四是，在介质掩膜上光刻栅足时，可采用步进式光刻，大批量的进行大尺寸外延片的器件制作，极大的提高了hemt器件的制作效率，降低成本。

实施例二

本发明实施例二提供了一种hemt器件的制作方法，本发明实施例二与本发明实施例一在制作方法上的不同之处在于步骤s5。本发明实施例二中，在金属掩膜5上涂敷光刻胶并通过曝光显影的光刻方法形成具有光刻胶的源漏沟道区402，宽度0.3μm～3μm；光刻的方法可以是接触式光刻，或者是步进式光刻，或者是电子束曝光。源漏沟道区402须完全覆盖住窗口4011，但是窗口4011的位置可以在源漏沟道区402的一侧，如图3a所示，形成“γ”型栅电极。本发明实施例二最终形成的hemt器件截面图如图3b-1、3b-2和3b-3所示。

在常规hemt器件制作方法中，通常采用多层电子束胶曝光制作“γ”型栅，或者采用多步光刻的方法制作“γ”型栅，不仅对曝光工艺参数要求极为精准，而且工艺复杂、重复性较差，使得器件良率较低。另一方面，采用电子束曝光工艺受到曝光时间的限制，无法大批量进行大尺寸外延片上器件的制作，因此导致器件制作成本高，无法量产。本发明实施例二所提供的hemt器件的制作方法，可以通过普通接触式光刻或者步进式光刻即可获得特定尺寸的“γ”型栅电极，工艺简单稳定，重复性较好，且最为重要的是，本发明提供的hemt器件的制作方法便于大批量的进行大尺寸外延片上的器件制作，可大幅提高器件制作效率，提高器件良率，降低成本。

实施例三

本发明实施例三提供了一种hemt器件的制作方法，本发明实施例三与本发明实施例一的不同之处在于，本发明实施例三的步骤s2中通过光刻的方法形成的窗口为两个，窗口4011和窗口4012，如图4a所示。相应的，本发明实施例三的步骤s3中以光刻胶为掩膜，去除窗口4011和窗口4012内的介质掩膜3，形成的介质掩膜窗口也为两个，分别为介质掩膜窗口301和介质掩膜窗口302，如图4b所示。这样处理的好处是形成“π”型栅，如图4c-1、4c-2和4c-3所示。

实施例四

本发明实施例四提供了一种hemt器件的制作方法，本发明实施例四与本发明实施例一的不同之处在于，本发明实施例四的步骤s3中，以光刻胶为掩膜去除窗口区的介质掩膜3时，通过工艺优化，使得去除介质掩膜3时的横向去除速率比纵向去除速率慢，导致介质掩膜窗口301侧壁形成斜坡，窗口横截面呈现“v”字形，如图5a所示。这样处理的好处是，通过接触式光刻或者步进式光刻形成一个较大尺寸的窗口，然后通过控制介质掩膜3的去除工艺的条件参数等，使得介质掩膜在hemt外延结构的势垒层2上的开口可以实现几十纳米甚至十纳米以内尺寸，达到常规电子束曝光难以实现的尺寸。图5b-1、5b-2和5b-3分别是根据本发明实施例四提供的hemt器件的制作方法最终形成的“v”型栅器件截面图。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。