复合阶梯场板槽栅hemt高压器件及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微电子技术领域，涉及半导体器件制作，具体的说是一种复合阶梯栅浮空场板AlGaN/GaN HEMT器件结构及制作方法，可用于制作耐高温、高击穿电压、低导通电阻和高频率特性的AlGaN/GaN高电子迀移率晶体管。
技术背景
[0002]近年来以SiC和GaN为代表的第三带宽禁带半导体以其禁带宽度大、击穿电场高、热导率高、饱和电子速度大和异质结界面二维电子气浓度高等特性，使其受到广泛关注。在理论上，利用这些材料制作的高电子迀移率晶体管HEMT、发光二极管LED、激光二极管LD等器件比现有器件具有明显的优越特性，因此近些年来国内外研究者对其进行了广泛而深入的研究，并取得了令人瞩目的研究成果。
[0003]AlGaN/GaN异质结高电子迀移率晶体管HEMT在高温器件及大功率微波器件方面已显示出了得天独厚的优势，追求器件高频率、高压、高功率吸引了众多的研究。近年来，制作更高频率高压AlGaN/GaN HEMT成为关注的又一研究热点。由于AlGaN/GaN异质结生长完成后，异质结界面就存在大量二维电子气2DEG，并且其迀移率很高。在提高AlGaN/GaN异质结电子迀移率晶体管击穿电压方面，人们进行了大量的研究，发现AlGaN/GaN HEMT器件的击穿主要发生在栅极靠近漏极一侧，因此要提高器件的击穿电压，必须使栅漏区域的电场重新分布，尤其是降低栅极边缘的电场，为此，人们提出了采用场板结构的方法；在提高AlGaN/GaN异质结电子迀移率晶体管频率特性方面，使用槽栅结构，让栅电极对2DEG有更好的控制效果。
[0004](1)场板结构具体参见Yuji Ando, Ak1 Wakejima,Yasuhiro Okamoto等的NovelAlGaN/GaN dual-f ield-plate FET with high gain, increased linearity andstability, IEDM 2005，pp.576-579，2005。在 AlGaN/GaN HEMT 器件中采用场板结构，可以将器件的击穿电压大幅度的提高，并且能降低栅漏电容，提高了器件的线性度和稳定性。
[0005](2)槽棚.结构具体参见W.B.Lanford, T.Tanaka, Y.0toki等的Recessed-gateenhancement-mode GaN HEMT with high threshold voltage,ELECTR0NICSLETTERS2005,Vol.41，N0.7，2005。在AlGaN/GaN HEMT器件中采用槽栅结构能够有效的增加器件的频率特性。
[0006]但是，目前的AlGaN/GaN HEMT器件在耐压、导通电阻和频率特性等方面性能还不能满足实际应用的需要，并且距离GaN材料的理想物理极限。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种复合阶梯栅浮空场板AlGaN/GaNHEMT器件，实现高压、低导通电阻和高频率特性器件结构及其制作方法。
[0008]本发明是这样实现的:一种复合阶梯场板槽栅HEMT高压器件，其特征在于，包括从下至上依次复合的衬底、GaN缓冲层、A1N隔离层、GaN沟道层、AlGaN本征层和AlGaN掺杂层，在AlGaN掺杂层之上设有漏电极、源电极、有机绝缘介质层、LiF阶梯层、I TO阶梯场板和钝化层，在掺杂层之上的两端分别设有源电极和漏电极，在漏电极与源电极之间设有有机绝缘介质层，在有机绝缘介质层与源电极之间的有机绝缘介质层的旁边的AlGaN掺杂层的上面设有栅极凹槽，在该栅极凹槽内和有机绝缘介质层的上面设有IT0场板;在靠近漏电极处设有LiF阶梯层，LiF阶梯场板的阶梯自源电极至漏电极的方向依次升高，在LiF阶梯场板的上面设有浮空阶梯栅场板;在AlGaN掺杂层上面的其余区域淀积有钝化层。
[0009]所述的衬底的材质包括蓝宝石、SiC、GaN或MgO。
[0010]所述的AlGaN掺杂层中A1与Ga的组分范围依据AlxGal-xN进行调节，其中χ=0~1。
[0011]所述的有机绝缘介质层为PTFE。
[0012]所述的钝化层的材质包括SiN、A1203或Hf02。
[0013]所述的有机绝缘介质层采用PTFE材料，以降低器件的2DEG浓度。
[0014]一种所述的复合阶梯栅浮空场板槽栅HEMT器件的制作方法，其特征在于，包括以下工艺步骤:(1)清洗；(2)刻蚀有源区台面:(3)制备源、漏电极；(4)刻蚀栅极凹槽；(5)制备有机绝缘介质层；(6)制备栅场板；(7)阶梯LiF层的制备；(8)制备阶梯浮空场板；(9)制备SiN钝化膜;(10 )刻蚀SiN薄膜;(11)加厚电极。
[0015]具体工艺如下:
(1)清洗:对外延生长的AlGaN/GaN材料进行有机清洗，用流动的去离子水清洗并放入HC1: H20=l:l的溶液中进行腐蚀30?60s，最后用流动的去离子水清洗并用高纯氮气吹干；
(2)刻蚀有源区台面:对清洗干净的AlGaN/GaN材料进行光刻和干法刻蚀，形成有源区台面；
(3)制备源、漏电极:对制备好有源区台面的AlGaN/GaN材料进行光刻，形成源漏区，放入电子束蒸发台中淀积欧姆接触金属Ti/Al/Ni/Au=(20/120/45/50nm)并进行剥离，最后在氮气环境中进行850°C 35s的快速热退火，形成欧姆接触；
(4)刻蚀栅极凹槽:对完成欧姆接触的器件进行光刻，形成栅极刻蚀区域，放入ICP干法刻蚀反应室中，工艺条件为:上电极功率为200W，下电极功率为20W，反应室压力为1.5Pa，C12的流量为10sccm，N2的流量为lOsccm，将AlGaN势皇层刻蚀掉5?10nm，然后将器件放入HC1:H20=1:1溶液中处理30s，去除刻蚀残留物；
(5)制备有机绝缘介质层:对完成槽栅刻蚀的器件进行光刻，形成有机绝缘介质PTFE淀积区域，然后放入氧等离子处理室中对AlGaN表面进行轻度氧化处理，然后放入电子束蒸发台中:反应室真空抽至4.0X10-3帕，缓慢加电压使控制PTFE蒸发速率为0.lnm/s，淀积lOOnm厚的PTFE薄膜，将淀积好PTFE介质的器件放入丙酮溶液中浸泡30?60min，进行超声剥离(意义)；
(6)制备栅场板:对完成PTFE剥离的器件进行光刻，形成栅以及栅场板区，放入电子束蒸发台中淀积200nm厚的IT0栅金属，将淀积好栅电极和栅场板的器件放入丙酮溶液中浸泡30?60min，进行超声剥离，形成栅场板结构；
(7)阶梯LiF层的制备:将完成栅极制备的器件进行光刻，光刻分三次进行，从栅极到漏极方向依次按照长度200nm、150nm、lOOnm进行递减，形成绝缘介质LiF层的阶梯淀积区域，然后放入电子束反应室真空抽至4.0 X 10-3帕，缓慢加电压使控制LiF蒸发速率为0.5nm/s，淀积100?200nm厚的LiF薄膜，将淀积好LiF薄膜的器件放入丙酮溶液中浸泡30?60min，进行超声剥离，形成阶梯LiF层；
(8)阶梯浮空场板的制备:将完成LiF层制备的器件放入电子束蒸发台中淀积200nm厚的A1金属，将淀积好A1金属的器件放入丙酮溶液中浸泡30?60min，进行超声剥离，形成阶梯栅浮空场板结构；
(9 ) S iN钝化膜的制备:将完成的器件放入PECVD反应室淀积S iN钝化膜，具体工艺条件为:SiH4的流量为40sccm，NH3的流量为lOsccm，反应室压力为1?2Pa，射频功率为40W，淀积200nm~300nm厚的SiN钝化膜；
(10)SiN薄膜的刻蚀:将器件再次进行清洗、光刻显影，形成SiN薄膜的刻蚀区，并放入ICP干法刻蚀反应室中，工艺条件为:上电极功率为200W，下电极功率为20W，反应室压力为1.5Pa，CF4的流量为20sccm，Ar气的流量为lOsccm，刻蚀时间为lOmin，将源极、漏极上面覆盖的SiN薄膜刻蚀掉；
(11)加厚电极:将器件进行清洗、光刻显影，并放入电子束蒸发台中淀积Ti/Au=20/200nm的加厚电极，完成整体器件的制备。
[0016]与现有技术相比，本发明的优点是:
(1)本器件使用了PTFE和ITO形成的偶极子层，降低了该区域正下方2DEG的浓度，改变了栅漏区域的电场分布，提高了器件的击穿电压；
(2)本器件使用了阶梯LiF和A1形成的偶极子层，提高了该区域正下方的2DEG浓度，减小了器件正常导通时栅漏之间的导通电阻，并且调制了沟道电场分布，在耐压时形成三个电场峰值，进一步提高期间的击穿电压。
[0017](3)本器件使用了槽栅结构，增加了栅电极对栅下的2DEG浓度的控制能力，提高了器件的频率特性。
【附图说明】
[0018]图1是本发明器件的剖面结构示意图；
图2是本发明器件的制作工艺流程示意图。
【具体实施方式】
[0019]参照图1，本发明的一种复合阶梯栅浮空场板AlGaN/GaNHEMT器件结构，包括衬底
1、GaN缓冲层2、A1N隔离层3、GaN沟道层4、AlGaN本征层5、AlGaN掺杂层6、PTFE有机绝缘介质层7、LiF阶梯层8、IT0场板9、钝化层10、A1浮空阶梯栅场板11、漏电极12、源电极13。器件结构从下往上分别是:衬底l、GaN缓冲层2、A1N隔离层3、GaN沟道层4、AlGaN本征层5、AlGaN掺杂层6，在AlGaN掺杂层6之上设有漏电极12、源电极13、有机绝缘介质层7、LiF阶梯层8、IT0阶梯场板9和钝化层10，漏电极12和源电极13设在AlGaN掺杂层6之上的两端，有机绝缘介质层7设在漏电极12与源电极13之间(大约在中部)，在紧邻有机绝缘介质层7的旁边(与源电极13之间)的AlGaN掺杂层6的上面设有栅极凹槽14，在该栅极凹槽14内和有机绝缘介质层7的上面设有ΙΤ0场板9，ΙΤ0场板9相当于常规栅极延伸到有机绝缘介质层7的上面(呈Γ形)，在工艺中与栅电极制作在一起;在靠近漏电极12处设有LiF阶梯层8，LiF阶梯场板8的阶梯自源电极13至漏电极12的方向依次升高，在