复合阶梯场板槽栅AlGaN/GaN HEMT高压器件结构及其制作方法
【专利说明】复合阶梯场板槽栅AlGaN/GaN HEMT高压器件结构及其制作方法
技术领域
[0001]本发明属于微电子技术领域，涉及半导体器件制作，具体的说是一种复合阶梯场板槽栅AIGaN/GaN HEMT器件结构及制作方法，可用于制作高击穿电压、低导通电阻和高频率特性的AlGaN/GaN高电子迀移率晶体管。
技术背景
[0002]近年来以SiC和GaN为代表的第三带宽禁带半导体以其禁带宽度大、击穿电场高、热导率高、饱和电子速度大和异质结界面二维电子气浓度高等特性，使其受到广泛关注。在理论上，利用这些材料制作的高电子迀移率晶体管HEMT、发光二极管LED、激光二极管LD等器件比现有器件具有明显的优越特性，因此近些年来国内外研究者对其进行了广泛而深入的研究，并取得了令人瞩目的研究成果。
[0003]AlGaN/GaN异质结高电子迀移率晶体管HEMT在高温器件及大功率微波器件方面已显示出了得天独厚的优势，追求器件高频率、高压、高功率吸引了众多的研究。近年来，制作更高频率高压AlGaN/GaN HEMT成为关注的又一研究热点。由于AlGaN/GaN异质结生长完成后，异质结界面就存在大量二维电子气2DEG，并且其迀移率很高。在提高AlGaN/GaN异质结电子迀移率晶体管击穿电压方面，人们进行了大量的研究，发现AlGaN/GaN HEMT器件的击穿主要发生在栅极靠近漏极一侧，因此要提高器件的击穿电压，必须使栅漏区域的电场重新分布，尤其是降低栅极边缘的电场，为此，人们提出了采用场板结构的方法；在提高AlGaN/GaN异质结电子迀移率晶体管频率特性方面，使用槽栅结构，让栅电极对2DEG有更好的控制效果。
[0004](I)场板结构具体参见Yuji Ando, Ak1 ffakejima,Yasuhiro Okamoto等的NovelAlGaN/GaN dual-f ield-plate FET with high gain, increased linearity andstability, IEDM 2005，pp.576-579，2005。在 AlGaN/GaN HEMT 器件中采用场板结构，可以将器件的击穿电压大幅度的提高，并且能降低栅漏电容，提高了器件的线性度和稳定性。
[0005](2)槽棚.结构具体参见W.B.Lanford, T.Tanaka, Y.0toki等的Recessed-gateenhancement-mode GaN HEMT with high threshold voltage,ELECTR0NICSLETTERS2005,Vol.41，N0.7，2005。在AlGaN/GaN HEMT器件中采用槽栅结构能够有效的增加器件的频率特性。
[0006]但是，目前的AlGaN/GaN HEMT器件在耐压、导通电阻和频率特性等方面性能还不能满足实际应用的需要。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种复合阶梯场板槽栅AlGaN/GaNHEMT器件，实现高压、低导通电阻和高频率特性器件结构及其制作方法。
[0008]本发明是这样实现的: 一种复合阶梯场板槽栅AlGaN/GaN HEMT器件结构，其特征在于，包括从下至上依次复合的衬底、GaN缓冲层、AlN隔离层、GaN沟道层、本征AlGaN层和AlGaN掺杂层，在AlGaN掺杂层之上的两端分别设有源电极和漏电极，在靠近漏电极的AlGaN掺杂层上设有LiF层，在该LiF层上设有漏场板;在该LiF层与源电极之间的AlGaN掺杂层上设有有机绝缘介质层，该有机绝缘介质层由三层阶梯组成，阶梯自栅极至漏极方向依次升高，在该有机绝缘介质层的最低一级阶梯旁边的AlGaN掺杂层上设有栅极槽，在该栅极槽内和有机绝缘介质层的上面设有阶梯场板;在AlGaN掺杂层上面的裸露区域设有钝化层。
[0009]所述的衬底的材质包括蓝宝石、SiC、GaN或MgO。
[0010]所述的AlGaN掺杂层中Al与Ga的组分范围依据AlxGapxN进行调节，其中x=0?I。
[0011]所述的有机绝缘介质层为PTFE。
[0012]所述的钝化层的材质包括SiN、Al203或Η??2。
[0013]在所述的阶梯场板和AlGaN势皇层之间使用PTFE材料作为介质层，以降低器件的2DEG浓度。
[0014]在所述的漏场板和AlGaN势皇层之间使用LiF材料作为介质层，以增加器件的2DEG浓度。
[0015]一种所述的复合阶梯场板槽栅AlGaN/GaN HEMT器件的制作方法，其特征在于，包括以下工艺步骤:(I)清洗；(2)刻蚀有源区台面:(3)制备源、漏电极；(4)刻蚀栅极凹槽；(5)制备有机绝缘介质层；(6)制备阶梯场板；(7)LiF层的制备；(8)制备漏场板:(9)制备钝化层;(10)加厚电极。
[0016]依据上述技术思路，复合阶梯场板槽栅AlGaN/GaNHEMT高压、高频器件的制作工艺，包括如下步骤:
(1)清洗:对外延生长的AlGaN/GaN材料进行有机清洗，用流动的去离子水清洗并放入HCl: H2O=1:1的溶液中进行腐蚀30?60s，最后用流动的去离子水清洗并用高纯氮气吹干；
(2)刻蚀有源区台面:对清洗干净的AlGaN/GaN材料进行光刻和干法刻蚀，形成有源区台面；
⑶制备源、漏电极:对制备好台面的AlGaN/GaN材料进行光刻，形成源漏区，放入电子束蒸发台中淀积欧姆接触金属Ti/Al/Ni/Au=(20/120/45/50nm)并进行剥离，最后在氮气环境中进行850°C 35s的快速热退火，形成欧姆接触；
(4)刻蚀栅极凹槽:对完成欧姆接触的器件进行光刻，形成栅极刻蚀区域，放入ICP干法刻蚀反应室中，工艺条件为:上电极功率为200W，下电极功率为20W，反应室压力为1.5Pa，Cl2的流量为10sccm，N2的流量为lOsccm，将AlGaN势皇层刻蚀掉5?10nm，然后将器件放入HCl:H2O=1:1溶液中处理30s，去除刻蚀残留物；
(5)制备有机绝缘介质层:对完成槽栅刻蚀的器件进行光刻，形成有机绝缘介质PTFE淀积区域，然后放入氧等离子处理室中对AlGaN表面进行轻度氧化处理，然后放入电子束蒸发台中，反应室真空抽至4.0 X 10—3帕，缓慢加电压使控制PTFE蒸发速率为0.lnm/s，淀积10nm厚的PTFE薄膜，将淀积好PTFE介质的器件放入丙酮溶液中浸泡30?60min，进行超声剥离;将本步骤重复两次，形成三层阶梯型的PTFE层；
(6)制备阶梯场板:对完成PTFE剥离的器件进行光刻，形成栅以及阶梯场板区，放入电子束蒸发台中淀积400nm厚的ITO栅金属，将淀积好栅电极和阶梯场板的器件放入丙酮溶液中浸泡30?60min，进行超声剥离，形成阶梯场板结构；
(7)LiF层的制备:将完成栅极制备的器件进行光刻，形成绝缘介质LiF的淀积区域，然后放入电子束反应室真空抽至4.0 X 10—3帕，缓慢加电压使控制LiF蒸发速率为0.5nm/s，淀积100?200nm厚的LiF薄膜，将淀积好LiF介质的器件放入丙酮溶液中浸泡30?60min，进行超声剥离，形成LiF层；
(8)制备漏场板:再次对完成LiF制备的器件进行光刻，形成漏场板区，放入电子束蒸发台中淀积200nm厚的Al金属，将淀积好Al金属的器件放入丙酮溶液中浸泡30?60min，进行超声剥离，形成漏场板结构；
(9)制备钝化层:将完成的器件放入PECVD反应室淀积SiN钝化膜，具体工艺条件为:SiH4的流量为40sccm，NH3的流量为lOsccm，反应室压力为I?2Pa，射频功率为40W，淀积200nm?300nm厚的SiN钝化膜，将器件再次进行清洗、光刻显影，形成SiN薄膜的刻蚀区，并放入ICP干法刻蚀反应室中，工艺条件为:上电极功率为200W，下电极功率为20W，反应室压力为1.5Pa，CF4的流量为20sccm，Ar气的流量为lOsccm，刻蚀时间为lOmin，将源极、漏极上面覆盖的SiN薄膜刻蚀掉；
(10)加厚电极:将器件进行清洗、光刻显影，并放入电子束蒸发台中淀积Ti/Au=20/200nm的加厚电极，完成整体器件的制备。
[0017]与现有技术相比，本发明的优点是:
(1)本器件使用了PTFE和ITO形成的偶极子层，降低了该区域正下方2DEG的浓度，改变了栅漏区域的电场分布，提高了器件的击穿电压；
(2)本器件使用了LiF和Al形成的偶极子层，提高了该区域正下方的2DEG浓度，减小了器件栅漏之间的导通电阻；
(3)本器件使用了槽栅结构，增加了栅电极对栅下的2DEG浓度的控制能力，提高了器件的频率特性。
[0018](4)本器件同时采用ITO和Al分别形成阶梯场板和漏场板，在栅极附近引入三个电场峰值，在漏极附近引入一个电场峰值，提高了器件的击穿电压。
【附图说明】
[0019]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。
【具体实施方式】
[0020]参照图1，本发明的一种复合阶梯场板槽栅AlGaN/GaNHEMT器件结构，包括衬底1、GaN缓冲层2、A1N隔离层3、GaN沟道层4、本征AlGaN层5、AlGaN掺杂层6、PTFE有机绝缘介质层1和LiF层8、ITO阶梯场板12、Al漏场板9、钝化层13、漏电极7和源电极14。器件结构从下往上分别是:衬底1、GaN缓冲层2、AlN隔离层3、GaN沟道层4、本征AlGaN层5、AlGaN掺杂层6，在AlGaN掺杂层6之上设有源电极14、漏电极7、有机绝缘介质层10、LiF层8、ITO阶梯场板12和钝化层13，源电极14和漏电极7设在AlGaN掺杂层6之上的两端，LiF层8紧邻漏电极7，在LiF层8与源电极14之间设有机绝缘介质层10，在紧邻有机绝缘介质层10的旁边的AlGaN掺杂层6的上面设有栅极凹槽11，在该栅极凹槽11内和有机绝缘介质层10的上面设有ITO阶梯场板12，IT0阶梯场板12相当于常规栅极延伸到有机绝缘介质层10的上面，在工艺中与栅电极制作在一起。ITO阶梯场板12的阶梯自栅极至漏极方向依次升高，