Iii族氮化物增强型hemt及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种III族氮化物增强型HEMT及其制备方法。该制备方法包括：在衬底上生长形成主要由作为势垒层的第一半导体层和作为沟道层的第二半导体层组成的异质结构，其中所述第一半导体层叠设在第二半导体层上；在第一半导体层上形成兼作钝化层的掩膜层；对掩膜层的栅极区进行刻蚀，至暴露出第一半导体层；在所述掩膜层的栅极区内生长p型层，所述p型层与第一半导体层组成PN结；在所述p型层上设置p型栅，且使所述p型栅与p型层之间形成欧姆接触。本发明工艺极大降低了p型栅技术的实施难度，并有效解决增强型HEMT器件的可靠性问题，以及有效抑制电流崩塌效应，从而大幅提升HEMT器件的工作性能，实现真正意义上的增强型HEMT。
【专利说明】
I I I族氮化物增强型HEMT及其制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor,HEMT)的制备方法，特别涉及一种III族氮化物增强型HEMT的制备方法，属于半导体技术领域。
【背景技术】
[0002]相比于传统的硅基M0SFET，基于AGaN/GaN异质结的高电子迀移率晶体管(HEMT)具有低导通电阻、高击穿电压、高开关频率等独特优势，从而能够在各类电力转换系统中作为核心器件使用，在节能减耗方面有重要的应用前景，因此受到学术界、工业界的极大重视。然而，由于III族氮化物材料体系的极化效应，一般而言，基于AlGaN/GaN异质结的HEMT均是耗尽型(常开)，该类型的器件应用于电路级系统中时，需要设计专门的负极性电源供给电路，以实现对器件的开关控制，这极大增加了电路的复杂性与成本。此外，耗尽型器件在失效安全能力方面存在缺陷，因此，无法真正实现商业化应用。为解决该问题，几种技术方案被提出以制备增强型(常关)器件。目前，常规技术主要包括氟离子注入技术、槽栅技术(Recessed Gate Technology)，其中前者利用含氟的等离子体(如CF4)对器件栅极区域进行处理，将带负电荷的氟离子注入至AlGaN势皇层，从而耗尽栅极下方的二维电子气，其对氟离子在势皇层中的稳定性有很高要求，并且由于HEMT器件在导通状态时要求大电流、高电压，沟道处的局部高温将会导致氟离子的热移动，影响氟离子的空间分布，从而导致阈值电压偏移，此外氟离子注入过程中，不可避免地会对势皇层造成损伤，故而必须在完成栅极制备后进行低温退火以对损伤进行恢复。后者主要通过干法刻蚀技术(主要是ICP、RIE)将栅极所在区域的AlGaN势皇层刻薄，从而耗尽栅极下方的二维电子气，参阅图1，因过刻蚀或者欠刻蚀均无法实现增强型HEMT制备，故需要对刻蚀深度实现精确控制(一般在15nm左右)，此外刻蚀过程中不可避免会对势皇层表面造成损伤从而影响肖特基势皇，并且刻蚀过程中，在势皇层中引入的杂质、缺陷会加剧器件的栅极漏电(事实上，薄势皇层本身就会引起较大的栅极漏电)。因此，上述两种技术的缺点在于无法保证增强型HEMT的可靠性，无法实现商业化应用。
[0003]出于可靠性的考虑，目前大部分市售产品采用基于耗尽型HEMT的Cascode结构，即将耗尽型HEMT与增强型硅MOSFET进行封装集成，通过控制硅MOSET的导通，间接控制HEMT栅极(接地)与源极之间的电势差，从而实现“赝常关型”HEMT，但其并非真正意义上的增强型HEMT，并且由于Cascode结构要求与硅MOSFET进行集成，因此额外增加了封装工艺的复杂性与成本。
[0004]最近出现了基于P型栅的增强型HEMT制备技术，其有望实现真正意义上的增强型HEMT。该技术在传统HEMT外延结构基础上，在AlGaN势皇层(非故意掺杂η型)上外延生长P型层，并进行选区刻蚀实现P型栅制备，从而形成ρη结，空间电荷区(主要存在于势皇层与沟道层中)对沟道处二维电子气进行有效耗尽，如图2所示。由于增强型HEMT仅要求栅极下方的电子被耗尽，选区刻蚀制备P型栅是必需的。但在进行选区刻蚀过程中，过刻蚀或者欠刻蚀均会导致器件栅源、栅漏之间区域的二维电子气浓度降低，从而严重影响器件在工作时的导通电阻。因此，该P型栅技术要求对非栅极区域的P型层的刻蚀深度精确可控，这也极大增加了 P型栅技术的难度，并使得该技术的重复性(片与片之间)、均匀性(片内不同区域之间)、稳定性(不同轮工艺之间)难以保证，不适用于大规模生产。此外，选区刻蚀P型层会在非栅极区域不可避免地引入额外的表面态、缺陷态，使得器件的电流崩塌现象更为严重，从而严重影响器件的可靠性。
【发明内容】
[0005]本发明的主要目的在于提供一种III族氮化物增强型HEMT及其制备方法，从而克服现有技术中的不足。
[0006]为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括:
[0007]—种III族氮化物增强型HEMT的制备方法，包括:
[0008](I)在衬底上生长形成主要由作为势皇层的第一半导体层和作为沟道层的第二半导体层组成的异质结构，其中所述第一半导体层叠设在第二半导体层上；
[0009](2)在第一半导体层上形成兼作钝化层的掩膜层；
[0010](3)对掩膜层的栅极区进行刻蚀，至暴露出第一半导体层；
[0011](4)在所述掩膜层的栅极区内生长P型层，所述P型层与第一半导体层组成PN结；
[0012](5)在所述P型层上设置P型栅，且使所述P型栅与P型层之间形成欧姆接触。
[0013]在一实施方案之中，所述异质结构与衬底之间还分布有高阻层。
[0014]其中，所述高阻层作用在于使有源区沟道与衬底之间形成良好的绝缘隔离，提高器件击穿电压。所述高阻层的材质可以选自GaN、AlGaN或两者的组合等，但不限于此。
[0015]在一实施方案之中，步骤(I)还可包括:依次在衬底上生长形成成核层、应力控制层、高阻层和所述异质结构。
[0016]其中，所述成核层的作用在于使外延材料高质量地生长在衬底上。所述成核层的材质可以选自AlN、GaN或两者的组合等，但不限于此。
[0017]其中，所述应力控制层的作用在于抵消材料外延生长过程中因晶格失配、热膨胀系数失配等原因而累积产生的应力，从而有效抑制外延片翘曲、裂纹等现象。所述应力控制层的材质可以选自单层AlGaN、双层或双层以上变铝组分AlGaN等，但不限于此。
[0018]在一实施方案之中，所述异质结构还可包括分布在第一、第二半导体层之间的插入层。其中，所述插入层的作用在于使沟道处二维电子气获得更好的空间量子限域特性以及减小合金散射，提高电子迀移率。所述插入层的材质可以选自与沟道层形成较高带阶差的材料，例如A1N、AlInN或AlInGaN等，但不限于此。
[0019]在一实施方案之中，步骤(3)可以包括:先在掩膜层上形成光刻胶层，并对光刻胶层的P型栅区光刻处理，至暴露出第一半导体层，而后以光刻胶层作为掩膜，对第一半导体层的栅极区进行刻蚀。其中，刻蚀方式可优选为干法刻蚀方式，例如RIE、ICP刻蚀等。而湿法腐蚀工艺也可用于在某些特定条件下(如低温等)生长的掩膜层。
[0020]在一实施方案之中，该制备方法还可包括:
[0021](6)对步骤(5)所获器件进行刻蚀，实现有源区隔离。
[0022]在一实施方案之中，该制备方法还可包括:
[0023](7)对步骤(6)所获器件的源、漏极区进行刻蚀，至暴露出第二半导体层，以及在所述源、漏极区内分别设置源极和漏极，且使所述源极和漏极与第二半导体层形成欧姆接触。
[0024]在一实施方案之中，该制备方法还可包括:
[0025](8)在步骤(7)所获器件上设置分别与源极和漏极电性连接的引出电极。
[0026]进一步的，所述衬底包括硅、蓝宝石、碳化硅、氮化铝或氮化镓衬底，但不限于此。
[0027]进一步的，所述第一半导体层的材质包括AlGaN、AInN或AlInGaN，所述第二半导体层的材质包括GaN，但均不限于此。
[0028]进一步的，所述掩膜层的材质包括无定形氮化娃、无定形氧化娃、无定形氮氧娃、无定形氮化铝中的任一种或两种以上的组合，但不限于此。
[0029]进一步的，该制备方法之中材料外延生长工艺可以选自MBE(Molecular BeamEpitaxy，分子束外延)、MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposit1n,金属有机物化学气相沉积)等，且不限于此。
[0030]进一步的，该制备方法之中掩膜层/钝化层的沉积工艺可以选自PECVD(PlasmaEnhanced Chemical Vapor Deposit1n,等离子体增强化学气相沉积)、M0CVD、LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposit1n，低压化学气相沉积)、ALD (Atom LayerDeposit1n，原子层沉积)、PLD (Pulsed Laser Deposit1n，脉冲激光沉积)等，且不限于此。
[0031]进一步的，所述P 型层的材质包括 p-AlGaN、p_GaN、p-AlGaN、ρ-ΑΙΙηΝ、p-1nGaN、p-AIInGaN中的任一种或两种以上的组合，但不限于此。
[0032]采用前述任一种工艺制备的III族氮化物增强型HEMT器件。
[0033]进一步的，在本发明中，HEMT的有源区结构可不仅仅局限于AlGaN/AlN/GaN异质结，也可以适用于具有其他有源区结构的HEMT，如基于近晶格匹配的AlInN/AlN/GaN、AlInGaN/AlN/GaN异质结HEMT、基于双沟道异质结的HEMT等。
[0034]与现有技术相比，本发明的优点包括:
[0035](I)较之增强型HEMT的常规制备技术，如氟离子注入技术、槽栅技术、Cascode结构技术，本发明工艺可以有效解决器件的可靠性问题，实现真正意义上的增强型HEMT ;
[0036](2)较之基于选区刻蚀的P型栅技术，本发明工艺采取选区外延生长技术，在HEMT的外延生长层面直接解决P型栅的定位问题，从而省略了刻蚀非栅极区域的P型层的工艺步骤，极大降低了 P型栅技术的实施难度，确保了工艺的重复性、均匀性、稳定性，适于大规模生产，同时，还避免了对栅源、栅漏之间区域的刻蚀，减小了引入额外的表面态的可能性，且采用的刻蚀掩膜层同时作为钝化层，极好地保护了器件表面，可以有效抑制电流崩塌。
【附图说明】
[0037]图1是槽栅技术制备增强型HEMT器件的示意图；
[0038]图2是P型栅技术制备增强型HEMT器件的示意图；
[0039]图3是本发明一典型实施案例中一种增强型HEMT器件的结构示意图；
[0040]图4是本发明一典型实施案例中一种增强型HEMT器件的制作工艺流程图。
【具体实施方式】
[0041]如前所述，鉴于现有技术的诸多缺陷，例如常规P型栅技术采取选区刻蚀的方案要求对非栅极区域的P型层的刻蚀深度精确可控，故而存在实施难度较大等缺陷。本案发明人经长期研究和大量实践，提出了本发明的技术方案，其是基于选区外延生长的新型P型栅技术，可在HEMT的外延生长过程中直接解决P型栅的定位问题，从而避开了刻蚀非栅极区域的P型层的工艺步骤，极大降低了 P型栅技术的实施难度，确保了工艺的重复性、均匀性、稳定性，同时还能够有效抑制电流崩塌，从而提高器件的可靠性。
[0042]如下结合附图及一较佳实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
[0043]如下实施例涉及一种基于硅衬底及AlGaN/AlN/GaN异质结的HEMT器件，其中采用p-AlGaN作为P型层。
[0044]参阅图4，该HEMT器件的制备工艺可以包括:
[0045]S1:基于硅衬底的HEMT外延结构的制作；
[0046]S2:在HEMT外延结构上通过PECVD等工艺生长氮化硅作为掩膜层(钝化层)；
[0047]S3:光刻P型栅区域；
[0048]S4:RIE刻蚀栅极区域氮化硅掩膜层；
[0049]S5:M0CVD 选区外延生长 p-AlGaN ；
[0050]S6:p型栅欧姆接触；
[0051]S7:有源区隔离；
[0052]S8:源、漏欧姆接触；
[0053]S9:引线电极制备。
[0054]更为具体的，该HEMT器件的制备工艺包括如下具体步骤:
[0055]1.MOCVD外延生长基于AlGaN/GaN异质结的HEMT。其中，AlGaN势皇层Al组分x为10%?30%，厚度为10?25nm ；A1N插入层约为Inm ；GaN沟道层为50?200nm，完整的基于硅衬底的HEMT外延结构如图4中SI所示。
[0056]2.PECVD生长氮化硅作为掩膜层，同时，氮化硅又作为钝化层，可以有效抑制电流崩塌效应。生长条件:衬底温度为100?350°C，反应腔室压强为1700mtorr，量为13?45sccm，順3流量为10?90sccm，N 2吹扫流量为lOOOsccm，RF功率为67W，LF功率为53ff0氮化硅掩膜层厚度为50 - 300nm，如图4中S2所示。
[0057]3.光刻P型栅区域。光刻条件:光刻胶AZ5214厚度1.5μπι，硬接触模式下曝光
6.5s，JZX3038显影45s, 110°C下坚膜5min。p型栅区域尺寸为3 μ mX 104 μ m，如图4中S3所示。在这一步工艺中，同时完成套刻标记的光刻。
[0058]4.利用光刻胶AZ5214作为掩膜，RIE刻蚀栅极区域氮化硅掩膜层。刻蚀条件:衬底温度为室温，腔室压强为1500mtorr，反应气体SF6流量为8Sccm，反应气体CHF 3流量为lOsccm，载气He流量为150sccm，RF功率为200W。如图4中S4所示。在这一步工艺中，同时完成套刻标记区域的氮化硅掩膜层刻蚀。
[0059]5.1?)00)选区外延生长？416&1生长条件:生长温度500?1100°C，反应室压强55?500mbar，p-AlGaN镁掺杂浓度范围为3X 17?5X 19cm 3，生长厚度为50?200nm。如图4中S5所示。
[0060]6.P型栅欧姆接触制备。制备条件:金属Pd/Pt/Au，厚度为30nm/30nm/50nm，退火条件为550°C，90s，氮气气氛。如图4中S6所示
[0061]7.采用RIE、ICP刻蚀，进行有源区隔离，其中，RIE刻蚀第2步生长的氮化硅掩膜层(钝化层)，ICP刻蚀至高阻层GaN或AlGaN。刻蚀条件:RIE刻蚀条件同4，确保氮化硅全部刻蚀；ICP刻蚀，衬底温度为室温，腔室压强为6mtorr，反应气体Cl2流量为30sCCm，反应气体BCl3流量为30sccm，RF功率为100W，ICP功率为3001如图4中S7所示。
[0062]8.采用RIE刻蚀，进行源漏欧姆接触开窗。刻蚀条件同4，确保氮化硅全部刻蚀，AlGaN势皇层可以略微刻蚀一些(?Inm)。
[0063]9.源漏欧姆接触制备。制备条件:金属Ti/Al/Ni/Au，厚度为20nm/130nm/50nm/150nm，退火条件为890°C，30s，氮气气氛。如图4中S8所示。
[0064]10.引线电极制备。制备条件:金属Ni/Au，厚度为50nm/400nm。如图4中S9所不O
[0065]该HEMT器件成品的结构请参阅图3，其较之采用氟离子注入技术、槽栅技术、Cascode结构技术制备的同类器件，可靠性有大幅提升，而较之采用现有P型栅技术制备的同类器件，制作成本大幅降低，良品率有显著提升，在工作过程中亦较少出现电流崩塌现象，能长时间稳定工作。
[0066]应当理解的是，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术构思做出其他各种相应的改变与变形，而所有这些改变与变形都应属于本发明权利要求的保护范围。
【主权项】
1.一种III族氮化物增强型HEMT的制备方法，其特征在于包括: (1)在衬底上生长形成主要由作为势皇层的第一半导体层和作为沟道层的第二半导体层组成的异质结构，其中所述第一半导体层叠设在第二半导体层上； (2)在第一半导体层上形成兼作钝化层的掩膜层； (3)对掩膜层的栅极区进行刻蚀，至暴露出第一半导体层； (4)在所述掩膜层的栅极区内生长P型层，所述P型层与第一半导体层组成PN结； (5)在所述P型层上设置P型栅，且使所述P型栅与P型层之间形成欧姆接触。2.根据权利要求1所述III族氮化物增强型HEMT的制备方法，其特征在于所述异质结构与衬底之间还分布有高阻层。3.根据权利要求2所述III族氮化物增强型HEMT的制备方法，其特征在于步骤(I)包括:依次在衬底上生长形成成核层、应力控制层、高阻层和所述异质结构。4.根据权利要求1所述III族氮化物增强型HEMT的制备方法，其特征在于所述异质结构还包括分布在第一、第二半导体层之间的插入层，所述插入层的材质包括能与沟道层形成较高带阶差的材料。5.根据权利要求1所述III族氮化物增强型HEMT的制备方法，其特征在于步骤(3)包括:先在掩膜层上形成光刻胶层，并对光刻胶层的P型栅区光刻处理，至暴露出第一半导体层，而后以光刻胶层作为掩膜，对第一半导体层的栅极区进行刻蚀。6.根据权利要求1所述III族氮化物增强型HEMT的制备方法，其特征在于还包括: (6 )对步骤(5 )所获器件进行刻蚀，实现有源区隔离。7.根据权利要求6所述III族氮化物增强型HEMT的制备方法，其特征在于还包括: (7)对步骤(6)所获器件的源、漏极区进行刻蚀，至暴露出第二半导体层，以及在所述源、漏极区内分别设置源极和漏极，且使所述源极和漏极与第二半导体层形成欧姆接触。8.根据权利要求7所述III族氮化物增强型HEMT的制备方法，其特征在于还包括: (8)在步骤(7)所获器件上设置分别与源极和漏极电性连接的引出电极。9.根据权利要求1-8中任一项所述III族氮化物增强型HEMT的制备方法，其特征在于所述衬底包括硅、蓝宝石、碳化硅、氮化铝或氮化镓衬底，所述第一半导体层的材质包括AlGaN、AlInN或AlInGaN，所述第二半导体层的材质包括GaN，所述掩膜层的材质包括氮化硅、氧化硅、氮氧硅、氮化铝中的任一种或两种以上的组合，所述P型层的材质包括p-AlGaN、P-GaNN p-AlGaN、ρ-Α1ΙηΝ、p-1nGaN、p-AIInGaN 中的任一种或两种以上的组合。10.采用权利要求1-9中任一项所述方法制备的III族氮化物增强型HEMT器件。
【文档编号】H01L29/423GK106033724SQ201510102490
【公开日】2016年10月19日
【申请日】2015年3月9日
【发明人】孙钱, 周宇, 李水明, 戴淑君, 高宏伟, 杨辉
【申请人】中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所