一种增强型GaNHEMT环形栅下刻蚀器件及其制备方法

本发明涉及一种增强型ganhemt环形栅下刻蚀器件及其制备方法，属于半导体微电子领域。

背景技术：

氮化镓(gan)材料作为第三代半导体具有非常优越的材料特性，其具有宽禁带宽度，可以使其在高温下正常工作，可应用于恶劣的环境中。由于其自发极化和压电极化的双重作用，在ganhemt的异质结界面处可形成非掺杂产生的高浓度的二维电子气(2deg)，使其具有高迁移率和高饱和漂移速度。此外，gan还有较高的击穿电压，使得gan器件在相同材料长度情况下可以承受更高的外加电压。因此利用其高频，大功率密度以及低开关损耗的特性非常适合来制作功率型开关器件。

功率型开关器件通常在工作时，要求开态时器件的特征导通电阻要低，关态时器件的击穿电压要高。故击穿电压vbr和特征导通电阻ron是功率器件的两个重要参数。

在通常情况下，ganhemt器件是耗尽型器件，但是由于耗尽型ganhemt器件要关断器件，必须外加负栅压，这意味着一旦电路中存在耗尽型ganhemt结构，就会增加栅极驱动设计的复杂性，且容易发生误导通，有直通的潜在威胁，故增强型hemt器件在实际应用中更具有优势。此外，传统的hemt器件的栅极通常是条状栅极，电场集边效应严重，击穿电压降低，容易发生器件击穿现象。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明目的在于改善器件结构，提供一种提高器件的击穿电压和导通电阻的增强型ganhemt环形栅下刻蚀器件及其制备方法。

本发明所述的一种增强型ganhemt环形栅下刻蚀器件。参见图1，从器件的俯视图看，从内到外共分为10个区域，器件源端开孔区域101，淀积的源极电极102，源极下刻蚀的凹槽103，刻蚀后留下的p-gan104,淀积的环形栅电极105，漏极下刻蚀的凹槽106，淀积的漏极电极107，生长的sio2保护层108,漏端开孔区域109，栅极开孔区域110。器件剖面图结构如图2所示，自底向上结构为si衬底201、algan缓冲层202、gan沟道层203、algan势垒层204、gan帽层205、p-gan层206，sio2保护层108，溅射的源电极102，溅射的漏电极107，溅射的栅电极105,sio2钝化层207。其外延结构如图3所示。

本发明所述的一种增强型ganhemt环形栅下刻蚀器件，其内容包括：gan外延生长；进行器件隔离；生长sio2保护有源区台面；所述器件结构源漏区域下刻蚀并减薄algan势垒层；溅射源漏电极，退火形成欧姆接触；溅射环形栅电极，形成肖特基接触；生长sio2钝化层；进行开孔。

本发明所述的一种增强型ganhemt环形栅下刻蚀器件相比于传统的ganhemt器件由一些重要的优越性，体现为：

1.降低了导通电阻ron

相比于传统的ganhemt器件，本发明所述器件对源漏区域进行刻蚀，将algan势垒层减薄并不完全刻穿。传统的ganhemt器件金属合金与异质结欧姆接触的电子运输机制有两种，一种是借助氮空位的的隧穿机制，另一种是tin低阻岛的直接接触机制。本发明将源漏下刻蚀之后，algan层被减薄，缩短了隧穿距离，降低了金属与势垒之间的有效势垒高度，使电子更容易隧穿而形成良好的欧姆接触。其次，在源漏下刻蚀之后，欧姆金属区域与二维电子气(2deg)沟道距离减小，大量的tin低阻岛扩散到gan缓冲层，与2deg沟道连接，形成新的通道。在双重机制的作用下，使得器件的电子运输效率得到提高，器件的欧姆接触性能进一步提高。

2、提高了击穿电压vbr

传统gan器件为条状栅电极，本发明所述器件为环形栅电极，其由于环形结构没有末端，因此可以避免常规条状栅的边缘效应，提高击穿电压。另外，环形栅由于其环状结构，相比于同等大小的传统条状栅器件，其栅长大大增加，可以获得更大的输出功率。

附图说明

图1：增强型ganhemt环形栅下刻蚀器件俯视图

图2：增强型ganhemt环形栅下刻蚀器件剖面图

图3：增强型ganhemt环形栅下刻蚀器件外延结构

图4：增强型ganhemt环形栅下刻蚀器件制备方法步骤示意图一

图5：增强型ganhemt环形栅下刻蚀器件制备方法步骤示意图二

图6：增强型ganhemt环形栅下刻蚀器件制备方法步骤示意图三

图7：增强型ganhemt环形栅下刻蚀器件制备方法步骤示意图四

图8：增强型ganhemt环形栅下刻蚀器件制备方法步骤示意图五

图9：增强型ganhemt环形栅下刻蚀器件制备方法步骤示意图六

附图标记：si衬底201、algan缓冲层202、gan沟道层203、algan势垒层204、gan帽层205、p-gan层206，sio2钝化层207。源端开孔区域101、漏端开孔区域109、栅极开孔区域110，源电极102，源极下刻蚀103，刻蚀后留下的p-gan104,环形栅电极105，漏极下刻蚀106，漏极电极107，sio2保护层108。

具体实施方式

如图2所示，本发明所述的一种增强型ganhemt环形栅下刻蚀器件，包括si衬底201、algan缓冲层202、gan沟道层203、algan势垒层204、gan帽层205、p-gan层206、sio2钝化层207、源极电极102、漏极电极107、栅极电极105、sio2保护层108；所述的缓冲层202、沟道层203、algan势垒层204、gan帽层205和p-gan层206由下至上依次层叠后组成p-ganhemt异质结结构；p-ganhemt异质结结构纵向刻蚀隔离出有源区，由于器件单元之间距离紧密，沟道的中二维电子气(2-deg)或其他载流子容易产生相互流动的情况，影响器件单元各自的工作，所以需要将各个器件单元独自的隔离开，成为相对独立的个体。在隔离后的gan沟道203上生长sio2保护层108用作保护台面，防止不同器件间二维电子气进行融合，影响器件输出电流；所述有源区的p-gan层206、gan帽层205、algan势垒层204上方部分纵向刻蚀去除；所述algan势垒层204上方设有源极电极102和漏极电极107；所述源极电极102和漏极电极107分别与algan势垒层204形成欧姆接触；所述p-gan层206上方设有环形栅电极105；所述环形栅电极105与p-gan层206形成肖特基接触；所述sio2钝化层207可采用等离子体增强化学气相沉积法(pecvd)生长；

如图3-9所示，提供一种发明所述的增强型ganhemt环形栅下刻蚀器件的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、制造器件的晶圆片：如图3所示，在si衬底201上依次生长algan缓冲层202、gan沟道层203、algan势垒层204、gan帽层205、p-gan层206，生成p-ganhemt外延结构。

步骤二、清洗外延片：先用丙酮，乙醇分别煮沸两遍，然后用超声清洗3min,再用去离子水冲洗30遍，最后用氮气枪吹干。

步骤三、器件隔离：将清洗好的外延片放入100℃的烘片机里烘干5min。然后进行光刻工艺,光刻完成后进行坚膜，将p-gan206部分区域用光刻胶遮挡住，然后利用等离子电感耦合刻蚀(icp)工艺进行刻蚀，纵向局部去除p-gan206、gan帽层205、algan势垒层204、以及gan沟道层203上部。刻蚀深度为350nm，使得刻蚀深度到二维电子气以下，之后清洗光刻胶。示意图如图4所示。

步骤四、生长sio2保护台面：将等离子电感耦合刻蚀(icp)工艺之后的器件清洗好，进行第二次光刻，将有源区用光刻胶遮挡住，利用电感耦合等离子体化学气相沉(icpcvd)法生长200nmsio2,然后放入剥离液中进行剥离，将有源区sio2剥离掉露出有源区部分，保留沟道处及有源区边缘的sio2108，此处生长的sio2对有源区台面有保护，防止不同器件间二维电子气进行融合，影响器件输出电流，而且对后续生长的源漏电极进行保护防止电极漏电产生影响器件性能。示意图如图5所示。

步骤五、进行源漏下刻蚀：将步骤三之后的器件进行光刻工艺，将p-gan206上部分区域用光刻胶遮挡住，然后利用等离子电感耦合刻蚀(icp)技术进行刻蚀，减薄algan势垒层204但并不刻穿，残留厚度为5nm。然后清洗光刻胶。此处刻蚀减薄algan势垒层是为了缩短隧穿距离，降低了金属与势垒之间的有效势垒高度，使电子更容易隧穿，而且由于减薄了势垒层，在淀积源漏电极时ti金属与局部势垒层中的algan发生替位反应形成tin。大量的tin低阻岛扩散到gan缓冲层，与2deg沟道连接，形成导电沟道，提高了欧姆性能。示意图如图6所示。

步骤六、淀积源漏电极：在刻蚀之后的algan薄势垒层204上沉积金属，如ti/al/ni/au，使源极102金属和漏极107金属与algan势垒层204形成欧姆接触。示意图如图7所示。

步骤七、生长栅电极：在icp刻蚀之后形成的环形p-gan206上淀积栅极金属，如ni/au，形成环形栅105电极，环形栅105电极与p-gan206形成肖特基接触。环形栅结构可以在器件同等面积下达到更长的有效栅长，且由于其环形结构，使其击穿时可以避免边缘效应击穿，大大提高器件的击穿电压。示意图如图8所示。

步骤八、进行钝化：利用等离子体增强化学气相沉积法(pecvd)在步骤六完成的器件上生长一层sio2207钝化层，对器件表面进行钝化保护，示意图如图9所示。

步骤九、开孔：对器件进行开孔工艺，露出源电极101，漏电极109，栅电极110部分，形成最终成品。示意图如图2所示。