一种氮化镓HEMT器件及其制备方法

一种氮化镓hemt器件及其制备方法
技术领域
1.本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种氮化镓hemt器件及其制备方法。


背景技术：

2.氮化镓半导体材料具有高禁带宽度，高击穿场强，高电子迁移率，高耐压，耐热性能，用其所制成的hemt器件由于优异的开关特性和耐压能力非常适合应用于大功率的电力电子领域与微波射频领域。目前，随着第三代半导体各项技术领域的发展，gan hemt越来越被广泛关注，在通信、雷达、航空航天、新能源汽车，快速充电等热门领域得到广泛应用。虽然gan hemt有极大的应用前景和发展空间，但目前其存在的问题也不在少数，如界面层质量难以保证，栅电极处缺陷难以抑制等。
3.对于gan hemt器件来说，耐压能力不足、可靠性较差是其产业化过程中的主要制约因素，而上述问题的主要诱因就包括器件的栅极可靠性问题。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种氮化镓hemt器件及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
5.本发明提供了一种氮化镓hemt器件，包括：
6.自下而上依次层叠设置的衬底层、成核层、algan缓冲层、沟道层、势垒层和p-gan缓冲层；
7.第一绝缘介质层，位于所述势垒层和所述p-gan缓冲层上；
8.所述第一绝缘介质层中设置有栅极凹槽；
9.栅电极，位于在所述栅极凹槽中，所述栅电极的底部与所述p-gan缓冲层接触，形成肖特基接触，所述栅电极的上表面位于所述第一绝缘介质层的上方；
10.源电极和漏电极，分别设置在所述沟道层上，且位于所述势垒层的两侧；
11.第二绝缘介质层，位于所述第一绝缘介质层上；
12.其中，在所述栅电极制备过程中采用低温超临界流体工艺处理所述栅电极对应位置处的材料以及制备完成的所述栅电极。
13.在本发明的一个实施例中，所述衬底层为si衬底、蓝宝石衬底或氮化镓衬底。
14.在本发明的一个实施例中，所述成核层为aln层，所述沟道层为gan层，所述势垒层为algan层。
15.在本发明的一个实施例中，所述p-gan缓冲层为mg
+
离子注入gan层，其掺杂浓度的数量级大于109cm-3
。
16.在本发明的一个实施例中，所述第一绝缘介质层为hfo2介质层，所述第二绝缘介质层为sio2介质层。
17.本发明提供了一种氮化镓hemt器件的制备方法，包括：
18.步骤1：选取衬底层；
19.步骤2：在所述衬底层上依次层叠制备成核层、algan缓冲层、沟道层、势垒层和p-gan缓冲层；
20.步骤3：刻蚀两侧的所述p-gan缓冲层，在所述势垒层和所述p-gan缓冲层上制备第一绝缘介质层；
21.步骤4：刻蚀所述第一绝缘介质层形成栅极凹槽，所述栅极凹槽位于所述p-gan缓冲层上；
22.步骤5：采用低温超临界流体工艺处理所述栅极凹槽位置处的材料，在处理后的所述栅极凹槽内沉积金属，形成栅电极，采用低温超临界流体工艺处理所述栅电极，其中所述栅电极与所述p-gan缓冲层形成肖特基接触；
23.步骤6：在所述第一绝缘介质层上制备第二绝缘介质层；
24.步骤7：刻蚀所述势垒层形成源漏电极接触区域，在所述源漏电极接触区域制备源电极和漏电极。
25.在本发明的一个实施例中，所述低温超临界流体工艺为采用超临界流体在300～600k的温度下，3～8mpa的压力下对材料进行处理。
26.在本发明的一个实施例中，所述超临界流体为二氧化碳超临界流体、乙烷超临界流体、乙烯超临界流体，异丙醇超临界流体、丁酮超临界流体或丙酮超临界流体。
27.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
28.1.本发明的氮化镓hemt器件，在栅电极制备过程中，采用低温超临界流体工艺处理栅电极对应位置处的材料以及制备完成的栅电极，利用超临界流体的萃取能力对材料表面以及电极界面处的缺陷与悬挂键进行填补，修复了界面处的缺陷，减少接触的界面态，提高了高电子迁移率晶体管栅界面层的质量。
29.2.本发明的氮化镓hemt器件，利用低温超临界流体工艺代替传统退火工艺处理栅电极，一方面由于低温超临界流体工艺处理温度相对较低，可以避免传统退火技术中高温再氧化和材料降解的问题，另一方面提高了肖特基接触界面的可靠性和栅极的耐压能力。
30.3.由于gan hemt器件的高电场应力和热应力作用区域都位于栅边缘，因此，影响其耐压能力和可靠性的主要因素也是栅极的退化和失效，本发明的氮化镓hemt器件，通过超临界流体工艺提高了栅极的可靠性，从而提高了gan hemt器件的可靠性。
31.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
32.图1是本发明实施例提供的一种氮化镓hemt器件的结构示意图；
33.图2是本发明实施例提供的一种氮化镓hemt器件的制备方法流程图；
34.图3是本发明实施例提供的一种氮化镓hemt器件的制备工艺示意图。
具体实施方式
35.为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种氮化镓hemt器件及其制备方法进行详细说
明。
36.有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
37.实施例一
38.请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种氮化镓hemt器件的结构示意图，如图所示，本实施例的氮化镓hemt器件，包括：衬底层1、成核层2、缓冲层3、沟道层4、势垒层5、p-gan缓冲层6、第一绝缘介质层7、栅电极8、第二绝缘介质层9、源电极10和漏电极11。
39.其中，衬底层1、成核层2、缓冲层3、沟道层4、势垒层5、p-gan缓冲层6，自下而上依次层叠设置。第一绝缘介质层7位于势垒层5和p-gan缓冲层6上。第一绝缘介质层7中设置有栅极凹槽。栅电极8位于在栅极凹槽中，栅电极8的底部与p-gan缓冲层6接触，形成肖特基接触，栅电极8的上表面位于第一绝缘介质层7的上方。源电极10和漏电极11分别设置在沟道层4上，且位于势垒层5的两侧。第二绝缘介质层9位于第一绝缘介质层7上。
40.可选地，衬底层1为si衬底、蓝宝石衬底或氮化镓衬底。
41.在本实施例中，衬底层1为si衬底。
42.在本实施例中，成核层2为aln层，沟道层4为gan层，势垒层5为algan层。
43.具体地，algan缓冲层3为al组分为73％的algan层，势垒层5为al组分为20％的algan层。
44.在本实施例中，利用aln层可以生长高结晶质量的gan沟道层，并且有效地抑制掩埋电荷层、即衬底中的杂质向缓冲层的扩散。势垒层5提供异质结势垒，使二维电子气密度饱和，具有良好的迁移率。
45.在本实施例中，p-gan缓冲层6为mg
+
离子注入gan层，其掺杂浓度的数量级大于109cm-3
。
46.进一步地，第一绝缘介质层7为hfo2介质层，第二绝缘介质层9为sio2介质层。hfo2介质层为高介电常数材料，可以提高氧化层的电容、增强器件的耐压能力，sio2介质层作为钝化层，起到钝化作用。
47.在本实施例中，源电极10和漏电极11均采用ti/al叠层金属，栅电极8采用tin/ti/al/tin叠层金属。
48.需要说明的是，在本实施例中，在栅电极制备过程中采用低温超临界流体工艺处理栅电极对应位置处的材料以及制备完成的栅电极。具体地，低温超临界流体工艺为采用超临界流体在300～600k的温度下，3～8mpa的压力下对材料进行处理。
49.可选地，超临界流体为二氧化碳超临界流体、乙烷超临界流体、乙烯超临界流体，异丙醇超临界流体、丁酮超临界流体或丙酮超临界流体。
50.由于gan hemt器件的高电场应力和热应力作用区域都位于栅边缘，因此，影响其耐压能力和可靠性的主要因素也是栅极的退化和失效，本实施例的氮化镓hemt器件，通过超临界流体工艺提高了栅电极的耐压和可靠性，从而提高了gan hemt器件的可靠性。
51.本实施例的氮化镓hemt器件，在栅电极制备过程中，采用低温超临界流体工艺处理栅电极对应位置处的材料以及制备完成的栅电极，利用超临界流体的萃取能力对材料表
面以及电极界面处的缺陷与悬挂键进行填补，修复了界面处的缺陷，减少接触的界面态，提高了高电子迁移率晶体管栅界面层的质量。而且，利用低温超临界流体工艺代替传统退火工艺处理栅电极，一方面由于低温超临界流体工艺处理温度相对较低，可以避免传统退火技术中高温再氧化和材料降解的问题，另一方面提高了肖特基接触界面的可靠性和栅极的耐压能力。
52.实施例二
53.本实施例提供了一种氮化镓hemt器件的制备方法，请参见图2所示的氮化镓hemt器件的制备方法流程图，如图所示，本实施例的氮化镓hemt器件的制备方法包括：
54.步骤1：选取衬底层；
55.可选地，衬底层为si衬底、蓝宝石衬底或氮化镓衬底。
56.步骤2：在衬底层上依次层叠制备成核层、algan缓冲层、沟道层、势垒层和p-gan缓冲层；
57.在本实施例中，成核层2为aln层，沟道层4为gan层，势垒层5为algan层。
58.步骤3：刻蚀两侧的p-gan缓冲层，在势垒层和p-gan缓冲层上制备第一绝缘介质层；
59.在本实施例中，第一绝缘介质层为hfo2介质层。
60.步骤4：刻蚀第一绝缘介质层形成栅极凹槽，栅极凹槽位于p-gan缓冲层上；
61.步骤5：采用低温超临界流体工艺处理栅极凹槽位置处的材料，在处理后的栅极凹槽内沉积金属，形成栅电极，采用低温超临界流体工艺处理栅电极，其中栅电极与p-gan缓冲层形成肖特基接触；
62.具体地，低温超临界流体工艺为采用超临界流体在300～600k的温度下，3～8mpa的压力下对材料进行处理。
63.可选地，超临界流体为二氧化碳超临界流体、乙烷超临界流体、乙烯超临界流体，异丙醇超临界流体、丁酮超临界流体或丙酮超临界流体。
64.步骤6：在第一绝缘介质层上制备第二绝缘介质层；
65.在本实施例中，第二绝缘介质层为sio2介质层。
66.步骤7：刻蚀势垒层形成源漏电极接触区域，在源漏电极接触区域制备源电极和漏电极。
67.进一步地，结合参见图3所示的氮化镓hemt器件的制备工艺示意图，对本实施例的氮化镓hemt器件的制备方法进行具体说明。该方法包括以下步骤：
68.步骤1，选取si衬底层，在si衬底层上淀积aln成核层，如(a)图所示。
69.具体的，将选取的硅衬底置于设备生长室，采用mocvd技术，设置温度为600℃淀积厚度为20nm的低温aln成核层，再继续升高温度到1000℃并控制v/ⅲ比的值较高，生长120nm高温aln成核层。
70.步骤2，淀积渐变al
x
ga
1-x
n缓冲层，如(b)图所示。
71.具体地，使用mocvd技术在aln成核层上淀积厚度为700nm，al组分为73％的algan缓冲层。
72.选用mocvd工艺，采用三甲基铝(tmal)作为铝源，三甲基镓(tmga)作为镓源，nh3作为氮源，生长厚度为700nm，al组分为73％的algan渐变缓冲层。
73.值得注意的是，algan渐变缓冲层制备过程中使缓冲层均匀生长，可以降低层间应力，使其不会因为吸附了杂质从而引出寄生漏电通道。
74.步骤3，淀积gan沟道层，如(c)图所示。
75.继续采用mocvd技术在algan渐变缓冲层上淀积gan沟道层，厚度为800nm。
76.步骤4，淀积algan势垒层，如(d)图所示。
77.继续使用mocvd技术在gan沟道层上方淀积厚度为22nm的al组分为20％的algan势垒层。
78.步骤5，淀积p-gan缓冲层，得到gan hemt器件的外延片，如(e)图所示。
79.使用mocvd技术在algan势垒层上方淀积gan层，并用mg
+
离子注入形成p型gan层，mg
+
离子的掺杂浓度数量级大于109cm-3
，p-gan缓冲层的厚度为7nm。
80.步骤6，生长sin层，如(f)图所示。
81.具体地，清洗外延片，用丙酮超声清洗5min，再用异丙醇超声清洗5min，再重复丙酮+异丙醇超声清洗各3min，再用去离子水冲洗，n2吹干。
82.选用pecvd在p-gan缓冲层上方淀积sin层，厚度为100nm，所选用工艺条件为：sih4：13.5sccm、nh3：10sccm、n2：1000sccm，压强2200mtoor，等离子体射频功率67w，温度350℃。
83.步骤7，刻蚀p-gan缓冲层，如(g)图所示。
84.首先，光刻所需刻蚀位置，甩涂光刻胶az6112，甩涂工艺参数为：600r，5s；4000r，30s，烘胶100℃，2min。使用ma6光刻机曝光，曝光时间1.9s，显影时间42s，后烘110℃，2min。
85.其次，选用rie设备刻蚀sin层，刻蚀工艺条件为：chf3：72sccm、sf6：10sccm、ar：10sccm、等离子体射频功率100w、压强35mtoor。刻蚀深度100nm。
86.最后，选用icp刻蚀p-gan缓冲层，刻蚀工艺条件为：bcl3：25sccm、he：15sccm，等离子体射频功率55w，压强6mtoor，刻蚀深度7nm。
87.步骤8，湿法刻蚀sin层，如(h)图所示。
88.具体地，选用浓度40％-42％的hf酸溶液，浸泡180s，再用去离子水反复冲洗5遍以上，n2吹干。
89.步骤9，生长hfo2介质层，如(i)图所示。
90.具体地，利用磁控溅射技术生长厚度为200nm的hfo2介质层，靶材为高纯度hfo2热压陶瓷，氧气纯度99.999％。
91.步骤10，栅电极制备，如(j)图所示。
92.首先，制备台面隔离，采用光刻工艺选定刻蚀台面的区域，曝光参数同步骤7的曝光参数。刻蚀hfo2，深度200nm，所选工艺条件为：chf3：72sccm、sf6：12sscm、ar：5sccm，压强20mtoor，射频功率100w；再刻蚀gan，深度150nm，所选工艺条件为：cl2：10sccm、bcl3：25sccm，射频功率300w，垂直功率100w，压强10mtoor。
93.其次，采用丙酮+异丙醇清洗各5min，再丙酮+异丙醇清洗3min，去离子水冲洗，然后n2吹干。
94.再次，采用光刻工艺选定栅极淀积区域，曝光参数同步骤7的曝光参数，刻蚀所选区域，刻蚀hfo2，工艺参数同上述，刻蚀深度为200nm。然后再次清洗，操作同上述清洗操作步骤。
95.最后，在栅极淀积区域淀积tin/ti/al/tin叠层金属形成栅电极。
96.需要说明的是，在栅极淀积区域沉积金属前采用超临界流体(二氧化碳、乙烷、乙烯等非极性流体或者超临界异丙醇、丁酮、丙酮等极性流体)的处理栅电极对应位置处的材料，沉积金属后采用同样的方法处理栅电极肖特基接触。
97.由于超临界流体状态具备较高的渗透性(如气体)和较高的溶解性(如液态)，几乎沒有界面张力，因此，将超临界流体引进界面，以改善界面质量，减少缺陷。
98.步骤11，生长sio2介质层，如(k)图所示。
99.具体地，生长厚度为200nm的sio2介质层，生长工艺条件为：n2o：710sccm、n2：180scm、sih4：4sccm，压强2000mtoor，射频功率21w，温度350℃。
100.步骤12，制备源电极和漏电极，如(l)图所示。
101.首先，采用光刻技术，以与步骤7所述的曝光参数相同的曝光参数选定源漏电极接触区域，蚀刻所选区域，蚀刻hfo2介质层，蚀刻深度为200nm，蚀刻参数与步骤10刻蚀参数相同。
102.然后，采用电子束沉积技术在源漏电极接触区域沉积ti/al叠层金属，厚度为40/200nm。
103.最后，用丙酮超声波剥离至金属脱落，用正胶剥离液以75℃水浴加热10min，用异丙醇各洗涤5min，丙酮异丙醇洗涤3min，用去离子水洗涤后n2吹塑干燥，得到gan hemt器件。
104.应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
105.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。