专利名称：AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管及其制作方法
技术领域：
本发明属于微电子技术领域，涉及半导体器件，具体的说是一种采用透明物质ZnO 作栅和源漏自对准技术的短沟道AIGaN/GaN高电子迁移率晶体管的结构及实现方法，主要 用于作为高速器件和高频器件。
背景技术：
与其他半导体材料的参数比较，GaN材料具有明显的优点，其禁带宽度最宽，饱和 电子速度也优于其他半导体材料，并具有很大的击穿场强和较高的热导率。电荷载流子速 度场特性是器件工作的基础，高饱和速度导致大电流和高频率，高的击穿场强对器件大功 率应用至关重要，同时，由于GaN基材料与生俱来的极化特性，AIGaN/GaN异质结本身就存 在高浓度二维电子气沟道，所以GaN材料是制造高温高频及大功率器件的优选材料。在GaN 材料适合制作的功率器件中，AIGaN/GaN高电子迁移率晶体管是最具代表性的典型器件。自 1993年人们制作出第一支HEMT样管至今，高电子迁移率晶体管已得到了很大的发展。2001 年 Vinayak Tilak 等人制造的 SiC 衬底 AIGaN/GaN HEMT 获得了 10. 7ff/mmilOGHz 和 6. 6W/ mmi20GHz 白勺贞$罾贞。Moon J S, Micovic M, Janke P, Hashimoto P, et al, "GaN/AlGaN HEMTs operating at20GHz with continuous-wave power density > 6ff/mm", Electron. Lett,2001,37 (8) :528 禾口 Kumar V，Lu ff,Khan F A,et al. "High performance 0. 25y m. gate-lengthAlGaN/GaN HEMTs on sapphire with transconductance of over 400mS/mm”，Electronics Letters, 2002, 38 (5) :252。后来人们研制出功率密度达到 11. 7W/ mmilOGHz的SiC衬底AIGaN/GaN HEMT器件。在HEMT发展过程中，人们发现AIGaN/GaN HEMT 特性的进一步提高紧密依赖于材料特性的改善和器件沟长及寄生电阻的减小。为了减小源漏寄生电阻，Ching-Hui Chen et al.对i_GaN源漏区域进行了 n+_GaN 的再生长，从而降低了源漏区域及欧姆接触电阻接触。参见文献Chen C H, Keller S， Parish G, et al, ‘‘High-transconductance self-aligned AIGaN/GaNmodulation-doped field-effect transistors with regrown ohmic contacts，，， AppliedPhysics Letters, 1998,73(21) :31470另一个减小寄生电阻的有效途径为减小沟道长度，同时沟道长度的减小对提高 HEMT器件的频率特性有着非常重要的意义。沟道长度越小，器件速度越快，相应频率越高。 短沟道器件在快速的数字电路以及高频大功率电路中都得到了广泛的应用，因此，人们希 望能进一步减小AIGaN/GaN高电子迁移率晶体管的沟道长度。在目前的工艺流程中，大部 分采用传统的套刻技术来研制短沟道的AIGaN/GaN高电子迁移率晶体管器件。虽然工艺 技术上较为成熟，但由于存在套刻精度低，栅长尺度低，很难在纳米尺度下应用并进一步提 升器件的高频特性。Lee J. at al.采用T型栅对源漏进行了自对准金属淀积，从而得到 0. 25pm栅长的AIGaN/GaN高电子迁移率晶体管。该器件表现出较好的关断特性，通过测量 得到跨导Gm为146mS/mm，器件截止频率fT为38. 8GHz，最大振荡频率fmax为130GHz。与截 止频率&为15GHz，最大振荡频率f-为35GHz的非自对准工艺器件相比，自对准工艺使器
3件频率特性得到大幅提高。参见文献Lee J, Liu D，Kim H，et al. "Self-aligned AlGaN/ GaN high electron mobility transistors，，，Electronics Letters, 2004,40 (19)。然而，这种再生长的方法在器件的生成过程中引入了多个附加工艺步骤，将器件 的生长工艺复杂化，且在原生长与再生长材料界面易形成缺陷。因此，可以采用源漏注入掺 杂杂质的方法来代替再生长掺杂材料。而对于T型栅的源漏自对准方法采用的先栅后源漏 的制作顺序，是以750°C的高温应力来改善肖特基栅特性为基础的。然而，其很多研究者发 现，欧姆接触的高温退火会严重影响肖特基栅特性，甚至会使栅金属最终形成欧姆接触，从 而造成器件工艺的完全实效。采用ZnO来作为栅电极的高电子迁移率晶体管，可以解决欧姆接触高温退火与肖 特基栅特性退化相矛盾这个问题。同时，又能采用自对准源漏注入的制作方法，对源漏区域 注入高剂量的Si，形成n型AlGaN，由于源漏区域的重掺杂，可以适当降低退火温度，而同样 形成高质量的欧姆接触。较低的退火温度不会影响肖特基栅的质量，从而使肖特基栅系统 具有更大的调节空间。此时重掺杂的源漏区域和源漏电极可以看作一个导电整体，从而得 到的实际沟长与栅电极长度基本相等，提高了器件的频率特性，改善了器件的抗辐照特性。
发明内容
本发明目的在于克服上述已有技术的缺点，提出一种AlGaN/GaN高电子迁移率晶 体管及其制作方法，以减小沟道长度，提高器件频率特性，改善器件的抗辐照特性，使器件 更易进行缺陷分析。为实现上述目的，本发明的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管包括GaN缓冲层、本征 GaN层、20nm的Ala 3Ga0.7N层、2nm的GaN冒层和源、漏、栅电极，其中栅电极采用透明的ZnO， 该ZnO栅电极的下面蒸发有M金属粘合层，两侧有SiN保护层。所述的ZnO栅电极中掺杂有A1203。所述的ZnO栅电极的长度与源、漏电极之间的距离相等。为实现上述目的，本发明的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管制作方法，包括如下 步骤(1)在蓝宝石基片上，利用M0CVD工艺，依次生长低温GaN层、本征GaN层、 Al0.3GaQ.7N 层和 GaN 层;(2)在生长的GaN材料表面依次涂剥离胶和光刻胶，并光刻出栅区域；(3)在栅极区域采用电子束蒸发Ni，形成10-30nm厚的Ni金属层；(4)在Ni金属层上溅射出100-300nm厚的ZnO层，之后对其进行剥离，形成透明的 ZnO栅条；(5)在含有ZnO栅条的基片表面上，采用PECVD的工艺淀积SiN钝化层；(6)采用RIE刻蚀工艺干法刻蚀ZnO栅条两侧外的SiN钝化层，形成ZnO栅条两侧 的隔离侧墙；(7)以具有侧墙的ZnO栅电极为基准，采用自对准方法，对GaN和AlQ.3Ga(1.7N层进 行Si注入，形成掺杂的源漏电极图形区域；(8)采用电子束蒸发工艺，在掺杂的源漏电极图形区蒸发欧姆接触金属Ti/Al/ Ni/Au，并进行500°C退火，形成源漏电极。
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本发明与现有技术相比具有如下优点(1)本发明的器件由于采用了透明的ZnO作为栅电极，因而能够有效的减少沟道 的长度，提高了器件的频率特性，改善了器件的抗辐照特性。(2)本发明的器件由于对ZnO栅电极进行A1掺杂，进一步提高了 ZnO栅电极的导电率。(3)本发明由于采用ZnO作为栅电极，因此能够对源漏区域实现自对准，有效实现 工艺控制的精度，使器件沟道长度与栅长基本相等，提高器件的可靠性。
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；图3是本发明器件的栅电极制作工艺流程图；图4是本发明器件的源漏电极制作工艺流程图。参照图1，本发明器件的最下层为蓝宝石衬底，蓝宝石衬底上为GaN缓冲层、本征 GaN层、20nm的Al0.3Ga0.7N层和2nm的GaN冒层，本征GaN层和Al0.3Ga0.7N层间形成二维电 子气。GaN冒层上蒸发有金属Ni层，Ni金属层上溅射有A1掺杂的透明ZnO栅电极，栅电极 的两侧有SiN保护层，该两侧SiN的外侧分别蒸发形成源漏电极。该ZnO栅电极的长度与 源、漏电极之间的距离相等。参照图2，本发明器件的制作给出以下三种实施例。实施例1，本发明器件的制作，包括如下步骤步骤1.外延材料生长。参照图1和图2，本步骤的具体实现如下(101)在蓝宝石衬底基片上，利用M0CVD工艺，生长GaN缓冲层；(102)在GaN缓冲层上，生长本征GaN层；(103)在本征GaN层上，生长20nm厚的△1(1.#3(1.小层；(104)在 Ala3GaQ.7N 层上，生长 2nm 厚的 GaN 冒层。步骤2.栅电极制作。参照图1和图3，本步骤的具体实现如下(201)在生长的GaN材料表面光刻出栅电极图形。为了更好地剥离金属，首先在样 片上甩黏附剂，转速为8000转/min，时间为30s，在温度为160°C的高温烘箱中烘20min ；然 后再在该样片上甩正胶，转速为5000转/min，最后在温度为80°C的高温烘箱中烘lOmin，光 刻获得栅电极图形；(202)采用DQ-500等离子体去胶机去除栅电极图形区未显影干净的光刻胶薄层， 以提高剥离的成品率；再利用VPC-1000电子束蒸发设备淀积30nm的Ni金属层；采用磁控 溅射的方法将靶材为掺有4%的A1203的ZnO粉末进行ZnO栅电极的淀积。在压强为3Pa， 衬底温度为270°C，溅射功率为80W的条件下，预溅射ZnO电极15分钟，以清洁靶材表面和 使系统稳定，再在99. 9999%的高纯氩气气氛中进行溅射，形成lOOnm的ZnO栅电极层；(203)将样片放入到丙酮中浸泡40min以上后进行超声处理，去除了非栅区域的 金属层，然后用氮气吹干；
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(204)采用PECVD设备对器件进行表面SiN钝化；首先，将样片放入丙酮超声2min，其后在乙醇中超声lmin，再在超纯水中冲洗 lmin，而后用氮气吹干；接着，采用DQ-500等离子体去胶机对样片进行底膜处理，氧气流量为3L/min，射 频功率为150W，辉光时间为10秒，再用稀盐酸对样片表面进行处理，最后用超纯水冲洗，用 氮气吹干；最后，将样品放入到PECVD的腔体中，通入含量为2%的SiH4气体200sCCm，氨气 3sccm，氦气200sccm，在压强为600mT，温度为250°C的条件下，淀积厚度为200nm的氮化硅 钝化层；(205)采用RIE干法刻蚀，刻蚀SiN钝化层，刻蚀时采用的电极功率为50W，压强为 5mT，采用CF4/02 = 10 1的气体比例进行刻蚀，形成ZnO栅条及两侧的隔离侧墙保护层， 以达到对ZnO栅电极的侧墙保护，完成栅电极的制作。步骤3.源漏电极制作。参照图1和图4，本步骤的具体实现如下(301)以具有隔离侧墙的ZnO栅电极为基准，采用自对准方法，对本征GaN和 Al0.3Ga0.7N层进行Si+注入，基板温度为40°C，注入剂量为1 X 1015/cm2,注入的离子能量为 50keV ；(302)采用电子束蒸发源漏欧姆电极首先，在样片上甩黏附剂，甩胶台的转速为8000转/min，时间为30s，将其放入温 度为160°C的高温烘箱中烘20min;之后再在该样片上甩正胶，甩胶台的转速为5000转/ min，放入温度为80°C的高温烘箱中烘lOmin，光刻获得源漏电极图形；接着，采用DQ-500等离子体去胶机去除图形区未显影干净的光刻胶薄层，在源漏 电极图形上采用VPC-1100电子束蒸发设备蒸发Ti/Al/Ni/Au作为源漏电极；最后，将蒸发完源漏金属的样片放入丙酮中浸泡20min以上后进行超声处理，然 后用氮气吹干，之后再将该样片放入到快速退火炉中，在空气气氛下，温度为500°C的条件 下进行lOmin的高温退火，形成源漏欧姆接触，得到与栅电极长度相等的源漏沟道，完成器 件制作。实施例2，本发明器件的制作，包括如下步骤步骤1.外延材料生长。参照图1和图2，本步骤的具体实现如下(101)在蓝宝石衬底基片上，利用M0CVD工艺，生长GaN缓冲层；(102)在GaN缓冲层上，生长本征GaN层；(103)在本征GaN层上，生长20nm厚的△1(1.#3(1.小层；(104)在 Ala3GaQ.7N 层上，生长 2nm 厚的 GaN 冒层。步骤2.制作栅电极。参照图1和图3，本步骤的具体实现如下(201)在生长的GaN材料表面光刻出栅电极图形。为了更好地剥离金属，首先在样 片上甩黏附剂，转速为8000转/min，时间为30s，在温度为160°C的高温烘箱中烘20min ；然 后再在该样片上甩正胶，转速为5000转/min，最后在温度为80°C的高温烘箱中烘lOmin，光
6刻获得栅电极图形；(202)采用DQ-500等离子体去胶机去除栅电极图形区未显影干净的光刻胶薄层， 以提高剥离的成品率；再利用VPC-1000电子束蒸发设备淀积20nm的Ni金属层；采用磁控 溅射的方法将靶材为掺有4 %的A1203的ZnO粉末进行ZnO栅电极的淀积。在压强为1. 5Pa, 衬底温度为240°C，溅射功率为50W的条件下，预溅射ZnO电极15分钟，以清洁靶材表面和 使系统稳定；再在99. 9999%的高纯氩气气氛中进行溅射，形成200nm的ZnO栅电极层；(203)将样片放入到丙酮中浸泡40min以上后进行超声处理，去除了非栅区域的 金属层，然后用氮气吹干；(204)采用PECVD设备对器件进行表面SiN钝化；首先，将样片放入丙酮超声2min，其后在乙醇中超声lmin，再在超纯水中冲洗 lmin，而后用氮气吹干；接着，采用DQ-500等离子体去胶机对样片进行底膜处理，氧气流量为3L/min，射 频功率为150W，辉光时间为10秒，再用稀盐酸对样片表面进行处理，最后用超纯水冲洗，用 氮气吹干；最后，将样品放入到PECVD的腔体中，通入含量为2%的SiH4气体200sCCm，氨气 3sccm，氦气200sccm，在压强为600mT，温度为250°C的条件下，淀积厚度为200nm的氮化硅 钝化层；(205)采用RIE干法刻蚀，刻蚀SiN钝化层，刻蚀时采用的电极功率为50W，压强为 5mT，采用CF4/02 = 10 1的气体比例进行刻蚀，形成ZnO栅条及两侧的隔离侧墙保护层， 以达到对ZnO栅电极的侧墙保护，完成栅电极的制作。步骤3.源漏电极制作。参照图1和图4，本步骤的具体实现如下(301)以具有隔离侧墙的ZnO栅电极为基准，采用自对准方法，对本征GaN和 AlQ.3GaQ.7N层进行Si+注入，基板温度为40°C，注入剂量为5X1015/cm2，注入的离子能量为 50keV ；(302)采用电子束蒸发源漏欧姆电极；首先，在样片上甩黏附剂，甩胶台的转速为8000转/min，时间为30s，将其放入温 度为160°C的高温烘箱中烘20min;之后再在该样片上甩正胶，甩胶台的转速为5000转/ min，放入温度为80°C的高温烘箱中烘lOmin，光刻获得源漏电极图形；接着，采用DQ-500等离子体去胶机去除图形区未显影干净的光刻胶薄层，在源漏 电极图形上采用VPC-1100电子束蒸发设备蒸发Ti/Al/Ni/Au作为源漏电极；最后，将蒸发完源漏金属的样片放入丙酮中浸泡20min以上后进行超声处理，然 后用氮气吹干，之后再将该样片放入到快速退火炉中，在空气气氛下，温度为500°C的条件 下进行lOmin的高温退火，形成源漏欧姆接触，得到与栅电极长度相等的源漏沟道，完成器 件制作。实施例3，本发明器件的制作，包括如下步骤步骤1.外延材料生长。参照图1和图2，本步骤的具体实现如下(101)在蓝宝石衬底基片上，利用M0CVD工艺，生长GaN缓冲层；
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(102)在GaN缓冲层上，生长本征GaN层；(103)在本征GaN层上，生长20nm厚的△1(1.#3(1.小层；(104)在 Ala3GaQ.7N 层上，生长 2nm 厚的 GaN 冒层。步骤2.栅电极制作。参照图1和图3，本步骤的具体实现如下(201)在生长的GaN材料表面光刻出栅电极图形。为了更好地剥离金属，首先在样 片上甩黏附剂，转速为8000转/min，时间为30s，在温度为160°C的高温烘箱中烘20min ；然 后再在该样片上甩正胶，转速为5000转/min，最后在温度为80°C的高温烘箱中烘lOmin，光 刻获得栅电极图形；(202)采用DQ-500等离子体去胶机去除栅电极图形区未显影干净的光刻胶薄层， 以提高剥离的成品率；再利用VPC-1000电子束蒸发设备淀积lOnm的Ni金属层；采用磁控 溅射的方法将靶材为掺有4%的A1203的ZnO粉末进行ZnO栅电极的淀积。在压强为lPa， 衬底温度为220°C，溅射功率为30W的条件下，预溅射ZnO电极15分钟，以清洁靶材表面和 使系统稳定，再在99. 9999%的高纯氩气气氛中进行溅射，形成400nm的ZnO栅电极层；(203)将样片放入到丙酮中浸泡40min以上后进行超声处理，去除了非栅区域的 金属层，然后用氮气吹干；(204)采用PECVD设备对器件进行表面SiN钝化；首先，将样片放入丙酮超声2min，其后在乙醇中超声lmin，再在超纯水中冲洗 lmin，而后用氮气吹干；接着，采用DQ-500等离子体去胶机对样片进行底膜处理，氧气流量为3L/min，射 频功率为150W，辉光时间为10秒，再用稀盐酸对样片表面进行处理，最后用超纯水冲洗，用 氮气吹干；最后，将样品放入到PECVD的腔体中，通入含量为2%的SiH4气体200sCCm，氨气 3sccm，氦气200sccm，在压强为600mT，温度为250°C的条件下，淀积厚度为200nm的氮化硅 钝化层；(205)采用RIE干法刻蚀，刻蚀SiN钝化层，刻蚀时采用的电极功率为50W，压强为 5mT，采用CF4/02 = 10 1的气体比例进行刻蚀，形成ZnO栅条及两侧的隔离侧墙保护层， 以达到对ZnO栅电极的侧墙保护，完成栅电极的制作。步骤3.源漏电极制作。参照图1和图4，本步骤的具体实现如下(301)以具有隔离侧墙的ZnO栅电极为基准，采用自对准方法，对本征GaN和 Ala3GaQ.7N层进行Si+注入，基板温度为40°C，注入剂量为9X 1015/cm2，注入的离子能量为 50keV ；(302)采用电子束蒸发源漏欧姆电极；首先，在样片上甩黏附剂，甩胶台的转速为8000转/min，时间为30s，将其放入温 度为160°C的高温烘箱中烘20min;之后再在该样片上甩正胶，甩胶台的转速为5000转/ min，放入温度为80°C的高温烘箱中烘lOmin，光刻获得源漏电极图形；接着，采用DQ-500等离子体去胶机去除图形区未显影干净的光刻胶薄层，在源漏 电极图形上采用VPC-1100电子束蒸发设备蒸发Ti/Al/Ni/Au作为源漏电极；
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最后，将蒸发完源漏金属的样片放入丙酮中浸泡20min以上后进行超声处理，然 后用氮气吹干，之后再将该样片放入到快速退火炉中，在空气气氛下，温度为500°C的条件 下进行lOmin的高温退火，形成源漏欧姆接触，得到与栅电极长度相等的源漏沟道，完成器 件制作。
权利要求
一种AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，包括GaN缓冲层、本征GaN层、Al0.3Ga0.7N层、GaN冒层和源、漏、栅电极，其特征在于栅电极采用透明的ZnO，该ZnO栅电极的下面蒸发有Ni金属粘合层，两侧有SiN保护层。
2.根据权利要求1所述的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，其特征在于ZnO栅电极中 掺杂有ai2O3。
3.根据权利要求1所述的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，其特征在于ZnO栅电极的 长度与源、漏电极之间的距离相等。
4.一种AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的制作方法，包括如下步骤(1)在蓝宝石基片上，利用MOCVD工艺，依次生长GaN缓冲层、本征GaN层、Altl.3Ga0.7N层 和GaN冒层；(2)在生长的GaN冒层表面依次涂剥离胶和光刻胶，并光刻出栅区域；(3)在栅极区域采用电子束蒸发Ni，形成10-30nm厚的Ni金属层；(4)在Ni金属层上溅射出100-400nm厚的ZnO层，之后对其进行剥离，形成透明的ZnO 栅条；(5)在含有ZnO栅条的基片表面上，采用PECVD的工艺淀积SiN钝化层；(6)采用RIE刻蚀工艺干法刻蚀ZnO栅条两侧外的SiN钝化层，形成ZnO栅条两侧的隔 离侧墙保护层；(7)以具有侧墙的ZnO栅电极为基准，采用自对准方法，对GaN冒层和Ala3GaQ.7N层进 行剂量为l-9X1015/cm2的Si+注入，形成掺杂的源漏电极图形区域；(8)采用电子束蒸发工艺，在掺杂的源漏电极图形区蒸发欧姆接触金属Ti/Al/Ni/Au， 并进行500°C退火，形成源漏电极。
5.根据权利要求4所述的AlGaN/GaN绝缘栅电子迁移率晶体管制作方法，其中步骤 (4)所述的在Ni金属层上，溅射一层掺4%的Al2O3的ZnO薄膜，是采用磁控溅射的方法将 靶材为掺有2% Al2O3的的ZnO粉末，在压强为l_3Pa，衬底温度为220-270°C，溅射功率为 30-80W的条件下，预溅射Zn015分钟，以清洁靶材表面和使系统稳定；再在99. 9999%的高 纯氩气气氛中进行溅射，形成100-400nm厚的ZnO栅电极层。
全文摘要
本发明公开了一种AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管及其制作方法，它涉及到微电子技术领域，主要解决器件工作频率低和抗辐照性能差的问题。该器件按生长顺序依次包括GaN缓冲层、本征GaN层、Al0.3Ga0.7N层、GaN冒层和源、漏、栅电极，其中栅电极采用透明的ZnO，该ZnO栅电极的下面蒸发有Ni金属粘合层，两侧有SiN保护层。该ZnO栅电极中掺杂有Al2O3，且ZnO栅电极的长度与源、漏电极之间的距离相等。本发明器件的制作过程依次是先进行外延材料生长；再制作ZnO栅电极，最后利用自对准的方法在ZnO栅电极的两侧制作源漏电极。本发明具有频率特性高和抗辐照特性好的优点，可作为高频和高速电路中的电子元件。
文档编号H01L21/335GK101853880SQ20101012073
公开日2010年10月6日 申请日期2010年3月9日 优先权日2010年3月9日
发明者曹艳荣, 杨凌, 王冲, 郝跃, 马晓华, 高海霞 申请人:西安电子科技大学