专利名称：具有高热稳定性的AlGaN/GaN HEMT制造法的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种适合铝镓氮化合物/氮化镓高电子迁移率晶体管的具有高热稳定性的AlGaN/GaN HEMT制造方法。
背景技术：
铝镓氮化合物/氮化镓高电子迁移率晶体管作为第三代宽禁带化合物半导体器件具有输出功率大、工作频率高、耐高温等特点，适合毫米波及以下各个频段的大功率应用，这使得其成为近年来半导体微波功率器件研究的热点。输出功率方面，目前公开的小尺寸 AlGaN/GaN HEMT 的输出功率密度可达 30W/mm 以上(Wu et al.1EEE Electron DeviceLett.，Vol.25，N0.3，pp.117-119，2004.)，大尺寸器件单芯片连续波输出功率也已达到了 100W 以上(Nagy et al.1EEE MTT-S International Microwave Symposium Digest,pp.483-486, 2005.)，脉冲功率输出甚至达到了 368W (Therrien et al.1EEE IEDM Tech.Digest,pp.568- 571,2005.);工作频率方面，目前公开的AlGaN/GaN HEMT微波功率器件工作频率达到了 3mm 频段(M.Micovic et al., IEEE IMS Symp.Dig., pp.237-239,2006.)；耐高温特性方面，目前公开的AlGaN/GaN HEMT微波功率器件工作结温最高可达225°C(Donald A.Gajewski et al., 26th Annual JEDEC ROCS Workshop,pp.141-145,2011),远高于现有基于Si的BJT和LDMOS器件，也远高于GaAs pHEMT和HFET等器件。AlGaN/GaN HEMT器件的耐高温特性方面，一方面得益于于材料本身的耐高温特性，GaN材料的德拜温度高达700°C以上，远高于Si和GaAs材料，从而保证了器件在较高的温度下具有较低的背景载流子浓度，使得器件具有更高的可工作温度。当然仅仅具有良好的材料特性还是不够的，另外还需要器件中栅电极的热稳定性来保障，即在高温工作时，器件栅电极还能形成对沟道中载流子的有效控制。 目前AlGaN/GaN HEMT的栅电极形式主要有肖特基栅电极和金属-绝缘体-半导体(MIS)结构栅电极两种形式。肖特基栅电极形式中，栅电极金属与AlGaN/GaN HEMT器件的半导体层直接接触，金属与半导体形成肖特基整流接触，通过施加不同的栅压在栅电极上形成对器件沟道中载流子浓度的控制来实现器件的工作。AlGaN/GaN HEMT器件肖特基栅结构中，作为与器件半导体层形成肖特基整流接触的金属层目前最常用的是金属Ni，实验结果表明Ni与AlGaN/GaN HEMT器件形成的肖特基接触在400°C以下具有很好的热稳定性，但是当温度超过400°C时，由于Ni金属与AlGaN/GaN HEMT器件半导体层的反应或者是其他因素可引起肖特基势垒特性的退化，严重时还会导致器件失效。AlGaN/GaN HEMT器件栅电极的另外一种结构即金属-绝缘体-半导体结构中，器件栅金属电极下通过引入具有高击穿电场强度的绝缘层制成绝缘栅AlGaN/GaN HEMT，这样做的好处是栅金属与半导体不直接接触，不存在金属与半导体在高温下发生反应的危险。绝缘栅AlGaN/GaN HEMT中的绝缘层可由多种形式的材料担当，如Khan等人(Khan etal.Appl.Phys.Letters，Vol.77，ρ.1339，2000)公开了绝缘层为 SiO2 的绝缘栅 AlGaN/GaN ΗΕΜΤ，其中SiO2绝缘层采用PECVD淀积方法得到；Hu等人(Hu et al.Appl.Phys.Letters, Vol.79, p.2832，2000)则公开了绝缘层为氮化硅(SiN)的绝缘栅AlGaN/GaN HEMT,其中SiN绝缘层采用PECVD淀积方法得到；Ye等人(Ye et al.Appl.Phys.Letters,Vol.86，p.2832,2005)公开了绝缘层为采用原子层淀积技术制作的三氧化二铝(Al2O3)的绝缘栅 AlGaN/GaN HEMT。绝缘栅AlGaN/GaN HEMT器件中虽然避免了栅金属与半导体接触后在高温下发生反应的可能，但是AlGaN/GaN HEMT器件表面存在较高密度的表面态，这是引起AlGaN/GaNHEMT 器件电流崩塌的主要原因之一(R.Vetury et al.1EEE.Trans Electron Devices,Vol.48，N0.3，pp.560-566, 2001 )0 AlGaN/GaN HEMT半导体层上淀积一绝缘层后，半导体层表面的表面态将在半导体与绝缘体层之间势引入一个高密度的界面态，这会引起器件工作过程中阈值电压的飘移，同时引发其他可靠性问题，因此到目前为止AlGaN/GaN HEMT产品所采用的栅电极全部采用了肖特基栅的形式而不是绝缘栅的形式。鉴于绝缘栅结构AlGaN/GaN HEMT中存在的诸多问题，要想进一步提高AlGaN/GaNHEMT的热稳定性，只有对肖特基栅结构AlGaN/GaN HEMT中的肖特基接触金属层作出改进，以使得其与半导体层的热稳定性得到进一步的提升。GaAs pHEMT器件制造过程中，为提升器件的热稳定性，通常采用金属W作为器件的肖特基接触金属(F.Benkhelifa et al.GaAs Manufacturing Technology Conference, 2001.)。由于 W 的溶点高达 3410°C,相比金属Ni的熔点1453°C高得多，其与半导体发生反应的几率也将会得到大大降低，因此可以作为AlGaN/GaN HEMT的肖特基接触金属来进一步提升器件的热稳定性。W还可以通过与气体N2反应生成WN合金，WN合金在半导体制造工艺中最简单的实现方法是通过磁控溅射获取。通过溅射进行金属层淀积的原理是利用电离的Ar气体轰击金属靶源，将金属靶源中的原子轰击出来后淀积到半导体表面形成所需要的金属层，磁控的目的是为了增加有效的Ar离子源来达到加快淀积速率的目的。对于WN合金的获取可以在Ar气体中加入N2气体组分，在Ar气体电离的过程中N2气体也得到了电离，Ar其他轰击W靶源后产生的W原子与电离后的N2气体结合淀积在半导体表面就可以获得WN合金金属层。WN与W—样不易与AlGaN/GaN HEMT中的半导体层发生反应，同时实验表明，WN与AlGaN/GaN HEMT形成的 肖特基势垒高度比W与AlGaN/GaN HEMT形成的肖特基势垒高度来的更高。根据半导体理论，高的肖特基势垒高度有助于降低肖特基结的漏电流，从而有助于提高器件击穿电压等电特性。WN合金不利的一方面是相比W金属其更易与碱性化学物质发生反应，而在AlGaN/GaN HEMT制造过程中所用的显影液等化学物质具有较强的碱性，WN合金很可能在制造过程中受到显影液等化学物质的腐蚀，对制造的器件可靠性产生不利影响。因此需要发明一种方法，充分利用WN合金和W两种金属的优势，来获得高可靠、高热稳定性的AlGaN/GaN HEMT器件。
发明内容
本发明提供了一种采用适合铝镓氮化合物/氮化镓高电子迁移率晶体管的具有高热稳定性的AlGaN/GaN HEMT制造方法，具体的讲是一种采用了 WN/W势垒金属层肖特基栅结构AlGaN/GaN HEMT器件制造方法。本发明的技术解决方案:一种具有高热稳定性的AlGaN/GaN HEMT制造方法，其特征在于:在AlGaN/GaN HEMT采用的外延材料的势垒层上淀积金属层作为器件源电极和漏电极，通过高温合金使得源电极和漏电极与半导体外延材料形成欧姆接触；源电极、漏电极以及势垒层的表面上淀积介质层；介质层上涂覆光刻胶层并通过光刻的方法在器件源电极和漏电极之间的光刻胶层中定义一窗口 ；利用光刻胶层作为掩膜去除窗口中的介质层并去除光刻胶层得到介质层中通向势垒层表面的栅脚窗口 ；在介质层、栅脚窗口的侧壁以及栅脚窗口底部中势垒层的表面依次淀积WN金属层和W金属层得到势垒金属层；在势垒金属层上涂覆光刻胶层，通过光刻、显影在刻胶层中定义完全覆盖栅脚窗口的栅帽窗口 ；蒸发栅帽金属层到栅帽窗口的底部、侧壁以及光刻胶层的表面；剥离去除光刻胶层及其上的金属层，只留下窗口中的栅帽金属层；利用所述的栅帽金属层作为掩膜大面积刻蚀去除除前述留下的栅帽金属层下面的势垒金属层以外的势垒金属层。本发明的优点:容易制造实现，所制造的器件具有更好的耐温度特性，耐温度性能比现有常规工艺制造的器件高100°c以上；满足更高温度工作的需要，最高工作结温可达225°C以上。
图1是AlGaN/GaN HEMT所采用外延材料的一般结构示意图。图2-图10是本发明的实施例1的实施步骤。图11-图13表示可能存在的栅帽窗口套不准情况。图14-图19是本发明实施例2的实施步骤。
具体实施例
对照图1，是AlGaN/GaN HEMT所采用外延材料的一般结构，包括了衬底1、GaN缓冲层2以及AlGaN势垒层3。关于AlGaN/GaN HEMT中衬底I所用的材料、GaN缓冲层2和AlGaN势垒层3形成可参考相关文献报道；另外图1是AlGaN/GaN HEMT所采用外延材料的一般结构示意图，表明还存在其它形式的外延材料结构，其它的结构形式可参考相关文献，不再进一步描述。实施例1
对照图2-图10，其实施步骤，首先如图2所示在AlGaN势垒层3上淀积金属层形成具有一定间隔距离的源电极4和漏电极5,源电极4和漏电极5可米用包括但不仅限于Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/Mo/Au等多层金属体系,源电极和漏电极的金属层一般需要通过高温合金方能与其下的半导体外延层形成良好的欧姆接触，关于源电极4和漏电极5可采用的金属体系和为获得最佳欧姆接触所要采取的合金条件有众多文献报道，此处不再赘述。在源电极4、漏电极5以及势鱼层3上淀积一介质层6,对源电极4、漏电极5以及势垒层3起到保护或者钝化作用，介质层6可选择的材料包括但不仅限于SiN、Si02等，优选的为SiN，优选的厚度为50nm-300nm。如图3所示。在介质层6上涂覆光刻胶层7，并经过光刻、显影等步骤在源电极4和漏电极5之间的光刻胶层中形成窗口 8，窗口 8在源电极4和漏电极5之间的宽度根据所要研制的器件栅长确定。如图4所示。以光刻胶层7为掩膜，采用干法等离子体刻蚀的方法将窗口 8中的介质层6去除，并去除介质层6上的光刻胶后在介质层6上得到如图5中所示称之为栅脚的窗口 9，干法等离子体去除SiN、Si02等介质材料的方法在本领域内是众所周知的，可参考相关文献报道，此处不再赘述。在介质层6、栅脚窗口 9的侧壁和底部淀积依次淀积WN金属层和W金属层得到势垒金属层10，WN和W金属层淀积的方法包括但不限于化学气相淀积和溅射。化学气相淀积WN金属层的方法可参见T.Nakajima等人(T.Nakajima et al.J.Electrochem.Soc., Vol.134，p.3175, 1987.)的报道，溅射淀积WN的方法可参见N.Uchitomi等人(N.Uchitomi et al.J.Vac.Sc1.Technol.B, Vol.4, N0.6, p.1392, 1986)或者A.E.Gisserger 等人(A.E.Gisserger et al.J.Vac.Technol.A, Vol.4, N0.6, p.3091,1986)或者 L.Boukhris 等人(L.Boukhris et al.Thin Solid Films, Vol.310, p.222,1997)的报道；化学气相淀积W金属层的方法可参见Y.T.Kim等人(Y.T.Kim et al.Appl.Phys.Lett., Vol.58，N0.8, p.330, 1993)的报道，溅射W金属层的方法在本领域内是一种常规的加工方法，此处不再赘述。本发明中优选的WN和W金属层淀积方法为溅射的方式，在本领域内溅射淀积金属薄膜的设备往往还会加入磁场控制溅射过程中形成的等离子体以增强有效等离子体的密度，这种设备中进行的溅射被称之为磁控溅射，另外根据溅射过程中所采用的电源的区别分为直流溅射和射频溅射，溅射过程中采用直流电源时称之为直流溅射，而采用射频电源时则称之为射频溅射，本发明中WN和W金属层优选的采用直流磁控溅射的方式淀积。势垒金属层10优选的厚度为50nm-300nm，其中WN金属层的优选厚度为30nm-100nm, W金属层的优选厚度为20nm-200nm。在势垒金属层10之上涂覆光刻胶层11，并经过光刻、显影等操作之后在前述的栅脚窗口 9之上的光刻胶层11中形成如图7中所示的窗口 12，窗口 12也可称之为栅帽窗口。栅帽窗口 12的设计以及形成过程中必须保证栅脚窗口 9完全被栅帽窗口 12所覆盖，栅脚窗口 9部分或者全部没有被栅帽窗口 12所覆盖的情形在本发明中是必须要避免的。如图11-图13所示，栅脚窗口 9部分没有被栅帽窗口 12所覆盖情形的举例，图11中栅脚窗口 9的右侧有部分没有被栅帽窗口 12所覆盖，图12中栅脚窗口 9的左侧有部分没有被栅帽窗口 12所覆盖，图13中栅脚窗口 9全部没有被栅帽窗口 12所覆盖，图11-图13只是栅脚窗口 9部分 或者全部没有被栅帽窗口 12所覆盖的举例，当然还存在其他栅脚窗口 9部分或者全部没有被栅帽窗口 12所覆盖的情形，这里就不再一一列举。要避免出现栅脚窗口 9部分或者全部没有被栅帽窗口 12所覆盖的问题，首先栅帽窗口 12设计上要保证比窗口 9来的大，在此基础上采用具有更高套准精度的光刻设备就可以避免出现栅脚窗口9部分或者全部没有被栅帽窗口 12所覆盖的问题。在光刻胶层11以及栅帽窗口 12中的势垒金属层10上淀积栅帽金属层13，栅帽金属层13的目的，一个方面为后续刻蚀势垒金属层10起到掩膜作用，另外一个作用是降低器件的栅阻，提升器件的频率特性。栅帽金属层优选采用蒸发的方式进行淀积，可采用的金属包括但不限于Ti/Pt/Au/Ti或者Ti/Pt/Au/Pt/Ti或则Ti/Pt/Au/Ni等多层金属体系，其中金属Ti的作用是起到增强势垒金属层10与栅帽金属层13之间的粘附性，其厚度优选的为20nm-100nm ；Ti与Au之间的Pt金属是起到隔离Ti与Au的作用，避免Au与Ti发生反应，其优选的厚度为30nm-50nm ；Au的主要起到降低器件栅阻的作用，其优选的厚度为400nm-600nm ；Au上的Ti或者Pt/Ti或者Ni等金属层主要是后续刻蚀势垒金属层10起到掩膜作用，厚度的选择与势垒金属层10的厚度相关，要保证除栅帽金属层13下面的势垒金属层10以外的势垒金属层被刻蚀去除的情况下，Au上的Ti或者Pt/Ti或者Ni等金属层仍然有剩余，如图8所示。采用剥离工艺去除光刻胶层11及其上的栅帽金属层13后得到如图9所示的图形，关于剥离工艺在本领域内是众所周知的，此处不再赘述。利用图9中的栅帽金属层13为掩膜，采用干法等离子体刻蚀的方法去除除栅帽金属层13下面的势垒金属层10以外的势垒金属层得到如图10所示的器件。可以采用的干法等离子体刻蚀方法包括反应离子刻蚀以及电感耦合等离子体刻蚀等，本发明中优选的干法等离子体刻蚀方法为电感耦合等离子体刻蚀。干法等离子体刻蚀过程中可选用的反应气体包括六氟化硫(SF6)、四氟化碳(CF4)、氯气(Cl2)、三氯化硼(BCl3)等，本发明中优选的气体为BCl3,因此本发明优选的采用基于BCl3反应气体的电感耦合等离子体刻蚀去除除栅帽金属层13下面的势垒金属层10以外的势垒金属层。实施例2
对照图14-图19，其实施步骤，首先同实施例1中图2所示，在势垒层3上形成源电极4和漏电极5 ;之后如图3所示淀积保护介质层6，优选的介质层材料及厚度同实施例1 ;在介质层6上涂覆光刻胶层7并经过显影、曝光等工艺在光刻胶层7中得到如图4中所示的窗口 8 ;采用干法等离子体刻蚀的方法将窗口 8中的介质层6去除，并去除介质层6上的光刻胶层7后在介质层6中得到如图5中所示的栅脚窗口 9。如图14所示，在以介质层6为掩膜，在栅脚窗口 9下的势垒层3上提供一凹槽14。凹槽14的形成可采用干法等离子体或者湿法刻蚀的方法，优选的刻蚀方法为干法等离子体刻蚀，包括反应离子刻蚀(RIE)和电感耦合等离子体刻蚀，对于干法等离子体刻蚀III族氮化物的方法和原理是众所周知的，这里不再赘述，具体可参见Egawa等人的文献(Egawaet al.Appl.Phys.Lett., vol.76, pp.121 - 123, 2000)或者 Coffie 等人的文献(Coffie et al.Applied Physics Letters Vol.83, p.4779, 2003)。形成凹槽14后在凹槽14的底部和侧壁以及介质层6的表面和介质层6中的栅脚窗口 9的侧壁依次淀积WN金属层和W金属层得到图15所示的势垒金属层10，势垒金属层10优选的淀积方式和厚度同实施例1，WN金属层和W金属层优选的厚度同实施例1。在势垒金属层10之上涂覆光刻胶层11，并经过光刻、显影等操作之后在前述的栅脚窗口 9或者说是凹槽14之上的光刻胶层11中形成如图16中所示的窗口 12，窗口 12也可称之为栅帽窗口。同实施例1，栅帽窗口 12的设计以及形成过程中必须保证栅脚窗口 9完全被栅帽窗口 12所覆盖，栅脚窗口 9部分或者全部没有被栅帽窗口 12所覆盖的情形在本发明中是必须要避免的。要避免出现栅脚窗口 9部分或者全部没有被栅帽窗口 12所覆盖的问题，首先栅帽窗口 12设计上要保证比栅脚窗口 9来的大，在此基础上采用具有更高套准精度的光刻设备就可以避免出现栅脚窗口 9部分或者全部没有被栅帽窗口 12所覆盖的问题。如图17所示，在光刻胶层11以及栅帽窗口 12中的势垒金属层10上淀积栅帽金属层13，栅帽金属层的作用、所采用的金属体系以及优选的淀积方式同实施例1。采用剥离工艺去除光刻胶层11及其上的栅帽金属层13后得到如图16所示的图形。 利用图16中的栅帽金属层13为掩膜，采用干法等离子体刻蚀的方法去除除栅帽金属层13下面的势垒层以外的势垒金属层10得到如图17所示的器件，势垒金属层10优选的刻蚀方式同实施例1。
权利要求
1.一种具有高热稳定性的AlGaN/GaN HEMT制造方法，其特征在于:在AlGaN/GaN HEMT采用的外延材料的势垒层上淀积金属层作为器件源电极和漏电极，通过高温合金使得源电极和漏电极与半导体外延材料形成欧姆接触；源电极、漏电极以及势垒层的表面上淀积介质层；该介质层上涂覆光刻胶层并通过光刻的方法在器件源电极和漏电极之间的光刻胶层中定义一窗口 ；利用光刻胶层作为掩膜去除窗口中的介质层并去除光刻胶层得到介质层中通向势垒层表面的栅脚窗口 ；在介质层、栅脚窗口的侧壁以及栅脚窗口底部中势垒层的表面依次淀积WN金属层和W金属层得到势垒金属层；在势垒金属层上涂覆光刻胶层，通过光亥IJ、显影在刻胶层中定义完全覆盖栅脚窗口的栅帽窗口 ；蒸发栅帽金属层到栅帽窗口的底部、侧壁以及光刻胶层的表面；剥离去除光刻胶层及其上的金属层，只留下窗口中的栅帽金属层；利用所述的栅帽金属层作为掩膜大面积刻蚀去除除前述留下的栅帽金属层下面的势垒金属层以外的势垒金属层。
2.根据权利要求1所述的一种具有高热稳定性的AlGaN/GaNHEMT制造方法，其特征在于介质层选择的材料包括SiN或SiO2,厚度为50nm-300nm。
3.根据权利要求1所述的一种具有高热稳定性的AlGaN/GaNHEMT制造方法，其特征在利用光刻胶层作为掩膜去除窗口中的介质层的去除方法是采用干法等离子体刻蚀的方式。
4.根据权利要求1所述的一种具有高热稳定性的AlGaN/GaNHEMT制造方法，其特征在于WN金属层淀积方法为直流磁控溅射的方式。
5.根据权利要求1所述的一种具有高热稳定性的AlGaN/GaNHEMT制造方法，其特征在于W金属层淀积方法为直流磁控溅射的方式。
6.根据权利要求1所述的一种具有高热稳定性的AlGaN/GaNHEMT制造方法，其特征在于势鱼金属层的厚度为50nm-300nm,其中WN金属层的厚度为30nm-100nm,W金属层的厚度为 20nm-200nm。
7.根据权利要求1所述的一种具有高热稳定性的AlGaN/GaNHEMT制造方法，其特征在于栅帽金属层采用蒸发的方式淀积得到，栅帽金属层包括但不限于Ti/Pt/Au/Ti或者Ti/Pt/Au/Pt/Ti 或者 Ti/Pt/Au/Ni 多层金属。
8.根据权利要求1所述的一种具有高热稳定性的AlGaN/GaNHEMT制造方法，其特征在于势垒金属层的刻蚀去除方法为采用电感耦合等离子体刻蚀的方式，刻蚀采用的气体为用BCl3O
9.根据权利要求1的AlGaN/GaNHEMT制造方法，其特征在于在势垒金属层淀积前，是以介质层为掩膜，在栅脚窗口下的势垒层上提供一凹槽。
10.根据权利要求9的AlGaN/GaNHEMT制造方法，其特征在于凹槽由干法等离子体刻蚀的方式提供。
全文摘要
本发明是一种具有高热稳定性的AlGaN/GaNHEMT制造方法，其特征是AlGaN/GaNHEMT的栅电极采用了肖特基栅结构，其肖特基栅电极由势垒金属层和栅帽金属层构成，其中势垒金属层从势垒层表面开始依次由WN金属层和W金属层构成，栅帽金属层包括Ti/Pt/Au/Ti、Ti/Pt/Au/Pt/Ti和Ti/Pt/Au/Ni多层金属体系；栅电极还采用凹槽栅形式的肖特基栅结构，其肖特基栅电极同样由势垒金属层和栅帽金属层构成，其不同点在于与势垒金属层接触的势垒层的部分被去除后在势垒层中形成了一个凹槽。优点在于容易制造实现，所制造的器件具有更好的耐温度特性，满足更高温度工作的需要。
文档编号H01L21/338GK103219239SQ20131009982
公开日2013年7月24日 申请日期2013年3月27日 优先权日2013年3月27日
发明者任春江, 陈堂胜 申请人:中国电子科技集团公司第五十五研究所