一种GaNMIS沟道HEMT器件及制备方法与流程

本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种ganmis沟道hemt器件及制备方法。

背景技术：

gan作为第三代宽禁带半导体材料的典型代表之一，与传统的半导体材料si、gaas相比，具有禁带宽度宽、击穿电场大、电子饱和漂移速度高、介电常数小以及良好的化学稳定性等特点。特别是基于gan材料的algan/gan异质结高电子迁移率晶体管(hemt)结构具有更高的电子迁移率(高于1800cm²v^-1s^-1)和二维电子气(2deg)面密度(约10¹³cm^-2)，使得基于gan材料器件在射频领域和电力电子领域都具有非常明显的优势。

作为增强型器件的一种，mis沟道hemt(mis-channelhemt)结合了misfet的特性和hemt的优势(当栅介质为sio2时即为mos沟道hemt)，即具有优异的增强型性能，即mis栅控制性能，又能在大部分区域保持hemt的二维电子气高电导性能，成为当前的研究热点。但是，通常的mis沟道hemt器件，由于凹槽的刻蚀会在gan表面引入缺陷，带来很大的问题，导致mis栅界面态密度高和沟道迁移率非常低，使得mis栅沟道的电阻成为hemt器件的主要电阻部分。同时刻蚀的均匀性也很难控制，导致器件性能的一致性差。因此，一方面通过设计和工艺减少mis栅的长度，另一方面改善工艺方法降低凹槽刻蚀对gan表面的损伤，是改进当前mis沟道hemt器件性能和可靠性的重要方法。

技术实现要素：

本发明为一种ganmis沟道hemt器件。在gan外延过程中在沟道层上插入aln薄层，既作为势垒层对二维电子气进行限域，又作为后续工艺中的刻蚀缓冲层。通过aln刻蚀缓冲层降低和消除了等离子体刻蚀栅凹槽时对gan表面的损伤，改善了ganmis界面的性能，从而减少了沟道电阻和总导通电阻。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种ganmis沟道hemt器件，所述hemt器件的材料结构包括衬底以及依次向上生长的aln成核层、gan缓冲层、gan沟道层、aln插入层、algan势垒层和gan帽层。

进一步，所述aln成核层的厚度为20-100nm；所述gan缓冲层的厚度为1-5μm；所述gan沟道层的厚度为50-1000nm；所述aln插入层的厚度小于20nm；所述algan势垒层的厚度为10-50nm；所述gan帽层的厚度小于10nm。

进一步，所述衬底为sic衬底、si衬底、gan衬底或al2o3衬底的任一种。

一种制备ganmis沟道hemt器件的方法，所述方法包括如下步骤：

1)在衬底材料上依次通过mocvd方法原位生长aln成核层、gan缓冲层、gan沟道层、aln插入层、algan势垒层和gan帽层；

2)使用传统工艺流程完成器件的隔离、源漏欧姆接触工艺后，进行栅槽的刻蚀；在凹槽的刻蚀过程中，在刻蚀接近algan势垒层的底部时，选择aln比algan刻蚀选择比高的工艺条件继续刻蚀，确保晶圆上各凹槽中algan已完全刻蚀干净，同时刻蚀掉部分aln层，剩余部分aln层；

3)用热磷酸进行腐蚀，以腐蚀掉晶圆上各凹槽中剩余部分的aln层；

4)用稀释的hf酸和hcl酸进行表面处理，去除表面的氧化物；之后淀积栅介质层；

5)淀积栅金属，栅金属完成后淀积钝化介质层进行钝化保护，然后在每个原胞的源漏极进行一次刻孔，淀积金属在源漏极上，并形成源场板；

6)最后淀积第二钝化介质层，进行二次刻孔，在源、漏、栅电极压块处刻蚀出介质窗口，在介质窗口区域淀积厚的金属，并形成介质桥的互连；淀积第三钝化层或聚酰亚胺，对整个芯片表面进行保护，并刻蚀出电极压块处的窗口。

进一步，步骤3)中热磷酸进行腐蚀的腐蚀温度为160-210℃。

进一步，步骤4)栅介质层为sio2、sin或al2o3。

本发明具有以下有益技术效果：

本发明在gan外延过程中在沟道层上插入aln薄层，既作为势垒层对二维电子气进行限域，又作为后续工艺中的刻蚀缓冲层。通过aln插入层降低和消除了等离子体刻蚀栅凹槽时对gan表面的损伤，改善了ganmis界面的性能，从而起到减少了沟道电阻和总导通电阻的作用。

附图说明

图1为本发明ganmis沟道hemt器件材料结构示意图；

图2为本发明ganmis沟道hemt器件制备过程中栅凹槽刻蚀后剩余部分aln层的器件结构示意图；

图3为本发明ganmis沟道hemt器件制备过程中完成栅凹槽后的器件结构示意图；

图4为本发明ganmis沟道hemt器件制备过程中淀积栅介质层后的器件结构示意图；

图5为本发明ganmis沟道hemt器件制备过程中完成源场板后的器件结构示意图。

具体实施方式

下面，参考附图，对本发明进行更全面的说明，附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。而是，提供这些实施例，从而使本发明全面和完整，并将本发明的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。

如图1所示，本发明提供了一种ganmis沟道hemt器件，该hemt器件的材料结构包括衬底1以及依次向上生长的aln成核层2、gan缓冲层3、gan沟道层4、aln插入层5、algan势垒层6和gan帽层7。本发明在gan外延过程中在沟道层上插入aln薄层，既作为势垒层对二维电子气10进行限域，又作为后续工艺中的刻蚀缓冲层。

aln成核层2的厚度为20-100nm；gan缓冲层3的厚度为1-5μm；gan沟道层4的厚度为50-1000nm；aln插入层5的厚度小于20nm；algan势垒层6的厚度为10-50nm；gan帽层7的厚度小于10nm。

衬底1为sic衬底、si衬底、gan衬底或al2o3衬底的任一种。

本发明还提供了一种制备ganmis沟道hemt器件的方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：在衬底材料上依次通过mocvd方法原位生长aln成核层2、gan缓冲层3、gan沟道层4、aln插入层5、algan势垒层6和gan帽层7；

步骤2：如图2所示，与一般的工艺流程一样，在完成器件的隔离、源漏欧姆接触9的工艺后，进行栅槽8的刻蚀；用光刻胶作掩膜采用cl基气氛直接刻蚀gan，或者可以用sio2作为掩膜，先刻蚀sio2的图形。在凹槽的刻蚀过程中，在刻蚀接近algan势垒层6的底部时，选择aln比algan刻蚀选择比高的工艺条件继续刻蚀，确保晶圆上各凹槽中algan已完全刻蚀干净，同时刻蚀掉部分aln层，剩余部分aln层；由于algan刻蚀一致性差，因此各凹槽中aln剩余的厚度都是不同的。

步骤3：如图3所示，用热磷酸进行腐蚀腐蚀温度为160-210℃。由于mocvd方法在gan上长的aln层质量不是非常好，同时又被等离子体进行了刻蚀，因此热磷酸能快速腐蚀aln，但是不腐蚀gan。aln刻蚀缓冲层很好的保护了gan的表面不受等离子体刻蚀的影响。

步骤4：如图4所示，腐蚀干净各凹槽中的aln剩余薄层后，用稀释的hf酸和hcl酸进行表面处理，去除表面的氧化物。淀积栅介质层11，栅介质层11可以是sio2、sin、al2o3等(当栅介质为sio2时即为mos沟道hemt)，可以用cvd方法或ald方法。栅介质层11的厚度在10-100nm之间，根据阈值电压和工作电压的要求而设计。

步骤5：如图5所示，淀积栅金属12，进行刻蚀。或者用光刻剥离的方法形成栅金属12。栅金属12可以是tiniau、tiptau、tial、al等。栅金属12完成后淀积钝化介质层进行钝化保护，钝化介质可以是sio2、sin，或者是一层或多层等。然后在每个原胞的源漏极进行一次刻孔，淀积金属在源漏极上，图中13为漏极金属；并形成源场板14。同时金属也做在了芯片的源漏压块(pad)处。源漏极上加厚的金属可以减少器件中各原胞互连的导通电阻。

步骤6：最后淀积第二钝化介质层，进行二次刻孔，在源、漏、栅电极压块处刻蚀出介质窗口，在介质窗口区域淀积厚的金属，并形成介质桥的互连；淀积第三钝化层或聚酰亚胺，对整个芯片表面进行保护，并刻蚀出电极压块处的窗口。

上面所述只是为了说明本发明，应该理解为本发明并不局限于以上实施例，符合本发明思想的各种变通形式均在本发明的保护范围之内。