专利名称：凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场板器件及其制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体材料中微波功率器件技术领域，尤其涉及一种凹栅 槽的铝镓氮/氮化镓高电子迁移率场效应管(AlGaN/GaN HEMT)多层场 板器件及其制作方法。
背景技术：
氮化镓(GaN)作为第三代宽禁带半导体材料，以其禁带宽度大 (3.4eV)、击穿电压高(3.3MV/cm)、 二维电子气浓度高(>1013cm2)、饱 和电子速度大(2.8X107cm/s)等特性在国际上受到广泛关注。目前，AlGaN/GaN HEMT器件的高频、高压、高温以及大功率特性 使之在微波功率器件方面有着巨大的前景。对于常规的AlGaN/GaN HEMT器件，通常的工艺步骤如图1所示， 图1为目前制作常规AlGaN/GaN HEMT器件的方法流程图，该方法具体 包括以下步骤步骤101:光学光刻，形成对准标记，蒸发标记金属； 步骤102:光学光刻源漏图形，并蒸发源漏金属； 步骤103:退火，使源漏金属与衬底材料形成良好的欧姆接触； 步骤104:有源区隔离；步骤105:光学光刻制作栅线条； 步骤106:蒸发栅金属； 步骤107:金属布线； 步骤108:制作空气桥； 步骤109:测试分析。但是，AlGaN/GaNHEMT微波功率器件中仍有很多问题没有解决， 关键的两个问题是电流崩塌效应和过大的栅反向漏电，这不仅会导致击穿 电压降低、跨导、截止频率和最大频率的降低；同时，由于引入了很大的 噪声，会带来大的功率损耗以及效率的降低，影响器件的可靠性。研究发现，这两个现象都和AlGaN的表面态有直接的关系。为了降 低表面陷阱效应以达到抑制电流崩塌的作用，SiN被采用做为介质膜对器 件进行钝化工艺处理。钝化工艺的采用有效地抑制了电流崩塌效应，增大了器件微波功率输 出的能力。但是，钝化工艺的采用同时也减小了器件的击穿电压。如何折 衷处理电流崩塌与击穿电压的关系是使得AlGaN/GaNHEMT器件应用在高频高压大功率领域的重要课题。为此，引入了栅连接场板的工艺。栅连接场板的引入起到了调制栅-漏间的表面态陷阱的作用，以起到抑制电流崩塌的作用；同时，场板的引 入，使得栅一漏间的电场得到重新分布。未做场板前，栅-漏间电场强度最 大点位于栅金属边缘，而栅-漏间的场板使得电场强度最大值区域向漏端扩 张，峰值降低，大大提高了器件的击穿电压。但是，栅连接场板的加入增 加了栅漏间的电容，同时也增加了耗尽区的长度，导致了增益的下降。为了解决增益下降的问题，有以下两种改善措施 一种是，源连接场 板的工艺的引进，在这种结构中，场板和沟道间的电容是漏一源电容，可以被输出匹配网络吸收，而栅场板场板结构带来的Miller反馈电容也不存 在了，因此有效地同时提高了器件的输出功率和增益；另外一种则是凹栅 槽工艺的引进，对栅图形部分的AIGaN外延层进行适当的刻蚀，减小 AlGaN外延层的厚度，也可以有效地提高器件的增益。发明内容(一) 要解决的技术问题有鉴于此，本发明的一个目的在于提供一种凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场板器件，以提高AlGaN/GaNHEMT器件的击穿特性，并在 提高器件增益的同时，有效抑制AlGaN/GaNHEMT器件的电流崩塌现象。本发明的另一个目的在于提供一种制作凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT 多层场板器件的方法，以提高AlGaN/GaN HEMT器件的击穿特性，并在 提高器件增益的同时，有效抑制AlGaN/GaN HEMT器件的电流崩塌现象。(二) 技术方案为达到上述一个目的，本发明提供了一种凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT 多层场板器件，该器件包括栅极，位于栅极两侧的源极和漏极；所述栅极、源极和漏极位于衬底 材料顶层铝镓氮AlGaN外延层上；在形成了栅极、源极和漏极的器件表面淀积的SiN介质膜；在所述SiN介质膜上蒸发栅连接场板的图形；在蒸发了栅连接场板的图形的器件表面二次淀积的SiN介质膜；在二次淀积的SiN介质膜上蒸发源连接场板的图形。 优选地，所述源极、漏极分别与AlGaN外延层之间通过退火合金形 成欧姆接触；所述栅极是通过在形成源极、漏极欧姆接触的AlGaN外延 层上光刻栅图形，并对栅图形部分的AlGaN外延层进行刻蚀，然后蒸发 栅金属形成的。优选地，所述衬底材料由下至上依次包括蓝宝石衬底、氮化镓GaN 和AlGaN外延层三层结构；其中，所述蓝宝石衬底用于作为生长GaN外延层的衬底材料；所述 AlGaN/GaN外延层结构中，AlGaN外延层和GaN外延层间形成异质结， 产生高浓度的二维电子气，提供大的电流密度和功率输出。为达到上述另一个目的，本发明提供了一种制作凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场板器件的方法，该方法基于常规的AlGaN/GaN HEMT器件 制作工艺，在形成源极和漏极的欧姆接触后，光刻栅图形，对栅图形部分 的AlGaN外延层进行刻蚀，蒸发栅金属后，先制作栅连接场板，再制作 源连接场板，形成凹栅槽的AlGaN/GaNHEMT多层场板器件。该方法具体包括A、 在衬底材料上进行光学光刻，形成对准标记，蒸发标记金属；B、 在蒸发过标记金属后，在AlGaN外延层上光学光刻源漏图形，并 蒸发源漏金属，然后高温快速热退火，在源漏金属与衬底材料之间形成欧 姆接触，形成源极和漏极；C、 进行离子注入，对有源区进行隔离；
D、 在衬底材料上源极和漏极之间的位置光学光刻栅线条图形，然后 刻蚀栅图形部分AlGaN外延层，然后蒸发栅金属，形成栅极；
E、 在制作有源极、漏极和栅极的衬底材料表面淀积SiN介质膜；
F、 光学光刻栅场板图形，蒸发金属；
G、 二次淀积SiN介质膜；
H、 光学光刻源场板图形，蒸发金属；
I、 光学光刻金属布线图形，蒸发金属；
J、制作空气桥。
优选地，步骤B中所述蒸发的源漏金属为Ti/Al/Ti/Au，所述高温快速 热退火的条件为在75(TC至SO(TC的氮气氛围中退火30秒。
优选地，步骤C中所述进行离子注入，注入离子为高能的He+离子。
优选地，步骤D中所述刻蚀条件为ICP设备刻蚀，同时使用Cl2和 BCV混合气体刻蚀，刻蚀深度为10A。
优选地，步骤D中所述蒸发的栅金属为Ni/Au，步骤F中所述蒸发的 金属为Ni/Au，步骤H中所述蒸发的金属为Ni/Au，步骤I中所述蒸发的 金属为Ti/Au。
优选地，步骤E中所述淀积采用PECVD方法，淀积介质膜种类为 Si3N4，淀积的介质膜的厚度为IOOOA;
步骤G中所述淀积采用PECVD方法，淀积介质膜种类为Si3N4，淀 积的介质膜的厚度为3000A。(三)有益效果 从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果
1、 利用本发明提供的凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场板器件，由 于进一步调制了栅-漏间.的电场，该结构的击穿电压远比只采用栅连接场板 或源连接场板结构的击穿电压大。
2、 利用本发明提供的凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场板器件，在 功率输出方面，基本完全消除了电流崩塌现象。而且，不同于常规结构的 是，常规结构HEMT器件在二十几伏的漏压下功率就达到饱和，即使漏压 可以加上去，输出功率基本不增加，而采用两层场板结构的HEMT器件， 在大电压情况时，当漏压大于40伏，随着漏压的增加，输出功率仍然增 加，证明这种结构的HEMT结构充分发挥了 AlGaN/GaN材料体系在功率 输出上的潜力。
3、 利用本发明提供的凹栅槽的AU3aN/GaNHEMT多层场板器件，由 于对AlGaN层进行了刻蚀，减小了 AlGaN层的厚度，有效地提高了器件 的阈值电压和跨导，增强了栅的调制能力。
4、 利用本发明提供的凹栅槽的AlGaN/GaNHEMT多层场板器件，由 于对AlGaN层进行了刻蚀，减小了 AlGaN层的厚度，有效地提高了器件 的增益。
5、 利用本发明提供的凹栅槽的AlGaN/GaNHEMT多层场板器件，有 效地提高了 AlGaN/GaN HEMT器件的击穿特性，并在提高器件增益的同 时，有效抑制了 AlGaN/GaNHEMT器件的电流崩塌现象。
图1为目前制作常规AlGaN/GaN HEMT器件的方法流程图； 图2为本发明提供的凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场板器件的结 构示意图3为本发明提供的制作凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场板器件 的方法流程图4为本发明提供的制作凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场板器件 的工艺流程图。
具体实施例方式
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，对本发明进一步详细说明。
如图2所示，图2为本发明提供的凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层 场板器件的结构示意图。该器件包括
栅极，位于栅极两侧的源极和漏极；所述栅极、源极和漏极位于衬底 材料顶层AlGaN外延层上；
在形成了栅极、源极和漏极的器件表面淀积的SiN介质膜；
在所述SiN介质膜上蒸发栅连接场板的图形；
在蒸发了栅连接场板的图形的器件表面二次淀积的SiN介质膜；
在二次淀积的SiN介质膜上蒸发源连接场板的图形。
所述源极、漏极分别与AlGaN外延层之间通过退火合金形成欧姆接
触；所述栅极是通过在形成源极、漏极欧姆接触的AlGaN外延层上光刻 栅图形，并对栅图形部分的AlGaN外延层进行刻蚀，然后蒸发栅金属形 成的。
所述衬底材料由下至上依次包括蓝宝石衬底、氮化镓GaN和AlGaN 外延层三层结构；其中，所述蓝宝石衬底用于作为生长GaN外延层的衬 底材料；所述AlGaN/GaN外延层结构中，AlGaN外延层和GaN外延层间 形成异质结，产生高浓度的二维电子气，提供大的电流密度和功率输出能 力。
基于图2所示的凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场板器件，图3示 出了本发明提供的制作凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场板结构的方法 流程图。该方法基于常规的AlGaN/GaN HEMT器件制作工艺，在形成源 极和漏极的欧姆接触后，光刻栅图形，对栅图形部分的AlGaN外延层进 行刻蚀，蒸发栅金属后，先制作栅连接场板，再制作源连接场板，形成凹 栅槽的AiGaN/GaNHEMT多层场板器件。该方法具体包括以下步骤
步骤301:在衬底材料上进行光学光刻，形成对准标记，蒸发标记金
属；
步骤302:在蒸发过标记金属后，在AlGaN外延层上光学光刻源漏图 形，并蒸发源漏金属Ti/Al/Ti/Au，然后高温快速热退火，在源漏金属与衬 底材料之间形成欧姆接触，形成源极和漏极；
在本步骤中，所述高温快速热退火的条件为在75(TC至80(TC的氮 气氛围中退火30秒。与本步骤对应的工艺流程图如图4 (a)所示。
步骤303:进行离子注入，对有源区进行隔离；在本步骤中，注入条件为使用高能He+离子对隔离区进行离子注入。 与本步骤对应的工艺流程图如图4 (b)所示。
步骤304:在衬底材料上源极和漏极之间的位置光学光刻栅线条图形，
然后刻蚀栅图形部分AlGaN外延层，然后蒸发栅金属Ni/Au，形成栅极； 在本步骤中，刻蚀条件为ICP设备刻蚀，同时使用Cl2和BCV混合 气体刻蚀，刻蚀深度约为IOA。与本步骤对应的工艺流程图如图4 (c)所示。
步骤305:在制作有源极、漏极和栅极的衬底材料表面淀积SiN介质
膜，即一次淀积SiN介质膜；
在本步骤中，所述淀积采用PECVD方法，淀积介质膜种类为Si3N4， 淀积的SiN介质膜的厚度为1000 A。与本步骤对应的工艺流程图如图4(d) 所示。
步骤306:光学光刻栅场板图形，蒸发金属Ni/Au;与本步骤对应的 工艺流程图如图4 (e)所示。
步骤307: 二次淀积SiN介质膜；
在本步骤中，所述淀积采用PECVD方法，淀积介质膜种类为Si3N4， 淀积的SiN介质膜的厚度为3000 A;与本步骤对应的工艺流程图如图4(f) 所示。
步骤308:光学光刻源场板图形，蒸发金属Ni/Au; 步骤309:光学光刻金属布线图形，蒸发金属Ti/Au;
步骤310:制作空气桥。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，所应理解的是，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。
权利要求
1. 一种凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场板器件，其特征在于，该器件包括栅极，位于栅极两侧的源极和漏极；所述栅极、源极和漏极位于衬底材料顶层铝镓氮AlGaN外延层上；在形成了栅极、源极和漏极的器件表面淀积的SiN介质膜；在所述SiN介质膜上蒸发栅连接场板的图形；在蒸发了栅连接场板的图形的器件表面二次淀积的SiN介质膜；在二次淀积的SiN介质膜上蒸发源连接场板的图形。
2、 根据权利要求1所述的凹栅槽的AlGaN/GaNHEMT多层场板器件， 其特征在于，所述源极、漏极分别与AlGaN外延层之间通过退火合金形成欧姆接触，所述栅极是通过在形成源极、漏极欧姆接触的AlGaN外延层上光刻 栅图形，并对栅图形部分的AlGaN外延层进行刻蚀，然后蒸发栅金属形 成的。
3、 根据权利要求1所述的凹栅槽的AlGaN/GaNHEMT多层场板器件， 其特征在于，所述衬底材料由下至上依次包括蓝宝石衬底、氮化镓GaN 和AlGaN外延层三层结构；其中，所述蓝宝石衬底用于作为生长GaN外延层的衬底材料；所述 AlGaN/GaN外延层结构中，AlGaN外延层和GaN外延层间形成异质结，产生高浓度的二维电子气，提供大的电流密度和功率输出。
4、 一种制作凹栅槽的AlGaN/GaNHEMT多层场板器件的方法，其特 征在于，该方法基于常规的AlGaN/GaN HEMT器件制作工艺，在形成源 极和漏极的欧姆接触后，光刻栅图形，对栅图形部分的AlGaN外延层进 行刻蚀，蒸发栅金属后，先制作栅连接场板，再制作源连接场板，形成凹 栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场板器件。
5、 根据权利要求4所述的制作凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场板 器件的方法，其特征在于，该方法具体包括A、 在衬底材料上进行光学光刻，形成对准标记，蒸发标记金属；B、 在蒸发过标记金属后，在AlGaN外延层上光学光刻源漏图形，并 蒸发源漏金属，然后高温快速热退火，在源漏金属与衬底材料之间形成欧 姆接触，形成源极和漏极；C、 进行离子注入，对有源区进行隔离；D、 在衬底材料上源极和漏极之间的位置光学光刻栅线条图形，然后 刻蚀栅图形部分AlGaN外延层，然后蒸发栅金属，形成栅极；E、 在制作有源极、漏极和栅极的衬底材料表面淀积SiN介质膜；F、 光学光刻栅场板图形，蒸发金属；G、 二次淀积SiN介质膜；H、 光学光刻源场板图形，蒸发金属；I、 光学光刻金属布线图形，蒸发金属； J、制作空气桥。
6、 根据权利要求4所述的制作凹栅槽的AlGaN/GaNHEMT多层场板器件的方法，其特征在于，步骤B中所述蒸发的源漏金属为Ti/Al/Ti/Au， 所述高温快速热退火的条件为在75(rC至80(TC的氮气氛围中退火30秒。
7、 根据权利要求4所述的制作凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场板 器件的方法，其特征在于，步骤C中所述进行离子注入，注入离子为高能 的He+离子。
8、 根据权利要求4所述的制作凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场板 器件的方法，其特征在于，步骤D中所述刻蚀条件为ICP设备刻蚀，同 时使用Cl2和BCl3混合气体刻蚀，刻蚀深度为IOA。
9、 根据权利要求4所述的制作凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场板 器件的方法，其特征在于，步骤D中所述蒸发的栅金属为Ni/Au，步骤F 中所述蒸发的金属为Ni/Au，步骤H中所述蒸发的金属为Ni/Au，步骤I 中所述蒸发的金属为Ti/Au。
10、 根据权利要求4所述的制作凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场 板器件的方法，其特征在于，步骤E中所述淀积采用PECVD方法，淀积介质膜种类为Si3N4，淀积 的介质膜的厚度为1000 A;步骤G中所述淀积采用PECVD方法，淀积介质膜种类为Si3N4，淀 积的介质膜的厚度为3000 A。
全文摘要
本发明涉及半导体材料中微波功率器件技术领域，公开了一种凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场板器件，同时公开了一种制作凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场板器件的方法，该方法基于常规的AlGaN/GaNHEMT器件制作工艺，在形成源极和漏极的欧姆接触后，光刻栅图形，对栅图形部分的AlGaN外延层进行刻蚀，蒸发栅金属后，先制作栅连接场板，再制作源连接场板，形成凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场板器件。利用本发明，有效地提高了AlGaN/GaN HEMT器件的击穿特性、跨导和阈值电压，并在提高器件增益的同时，有效抑制了AlGaN/GaN HEMT器件的电流崩塌现象。
文档编号H01L29/778GK101276837SQ20071006486
公开日2008年10月1日 申请日期2007年3月28日 优先权日2007年3月28日
发明者刘新宇, 刘果果, 郑英奎 申请人:中国科学院微电子研究所