CN101276837A - 凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场板器件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体材料中微波功率器件技术领域，公开了一种凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场板器件，同时公开了一种制作凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场板器件的方法，该方法基于常规的AlGaN/GaNHEMT器件制作工艺，在形成源极和漏极的欧姆接触后，光刻栅图形，对栅图形部分的AlGaN外延层进行刻蚀，蒸发栅金属后，先制作栅连接场板，再制作源连接场板，形成凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场板器件。利用本发明，有效地提高了AlGaN/GaN HEMT器件的击穿特性、跨导和阈值电压，并在提高器件增益的同时，有效抑制了AlGaN/GaN HEMT器件的电流崩塌现象。

Description

凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场板器件及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体材料中微波功率器件技术领域，尤其涉及一种凹栅槽的铝镓氮/氮化镓高电子迁移率场效应管(AlGaN/GaN HEMT)多层场板器件及其制作方法。

背景技术

氮化镓(GaN)作为第三代宽禁带半导体材料，以其禁带宽度大(3.4eV)、击穿电压高(3.3MV/cm)、二维电子气浓度高(＞10¹³cm²)、饱和电子速度大(2.8×10⁷cm/s)等特性在国际上受到广泛关注。

目前，AlGaN/GaN HEMT器件的高频、高压、高温以及大功率特性使之在微波功率器件方面有着巨大的前景。

对于常规的AlGaN/GaN HEMT器件，通常的工艺步骤如图1所示，图1为目前制作常规AlGaN/GaN HEMT器件的方法流程图，该方法具体包括以下步骤：

步骤101：光学光刻，形成对准标记，蒸发标记金属；

步骤102：光学光刻源漏图形，并蒸发源漏金属；

步骤103：退火，使源漏金属与衬底材料形成良好的欧姆接触；

步骤104：有源区隔离；

步骤105：光学光刻制作栅线条；

步骤106：蒸发栅金属；

步骤107：金属布线；

步骤108：制作空气桥；

步骤109：测试分析。

但是，AlGaN/GaN HEMT微波功率器件中仍有很多问题没有解决，关键的两个问题是电流崩塌效应和过大的栅反向漏电，这不仅会导致击穿电压降低、跨导、截止频率和最大频率的降低；同时，由于引入了很大的噪声，会带来大的功率损耗以及效率的降低，影响器件的可靠性。

研究发现，这两个现象都和AlGaN的表面态有直接的关系。为了降低表面陷阱效应以达到抑制电流崩塌的作用，SiN被采用做为介质膜对器件进行钝化工艺处理。

钝化工艺的采用有效地抑制了电流崩塌效应，增大了器件微波功率输出的能力。但是，钝化工艺的采用同时也减小了器件的击穿电压。如何折衷处理电流崩塌与击穿电压的关系是使得AlGaN/GaN HEMT器件应用在高频高压大功率领域的重要课题。

为此，引入了栅连接场板的工艺。栅连接场板的引入起到了调制栅-漏间的表面态陷阱的作用，以起到抑制电流崩塌的作用；同时，场板的引入，使得栅-漏间的电场得到重新分布。未做场板前，栅-漏间电场强度最大点位于栅金属边缘，而栅-漏间的场板使得电场强度最大值区域向漏端扩张，峰值降低，大大提高了器件的击穿电压。但是，栅连接场板的加入增加了栅漏间的电容，同时也增加了耗尽区的长度，导致了增益的下降。

为了解决增益下降的问题，有以下两种改善措施：一种是，源连接场板的工艺的引进，在这种结构中，场板和沟道间的电容是漏-源电容，可以被输出匹配网络吸收，而栅场板场板结构带来的Miller反馈电容也不存在了，因此有效地同时提高了器件的输出功率和增益；另外一种则是凹栅槽工艺的引进，对栅图形部分的AlGaN外延层进行适当的刻蚀，减小AlGaN外延层的厚度，也可以有效地提高器件的增益。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的一个目的在于提供一种凹栅槽的AlGaN/GaNHEMT多层场板器件，以提高AlGaN/GaN HEMT器件的击穿特性，并在提高器件增益的同时，有效抑制AlGaN/GaN HEMT器件的电流崩塌现象。

本发明的另一个目的在于提供一种制作凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场板器件的方法，以提高AlGaN/GaN HEMT器件的击穿特性，并在提高器件增益的同时，有效抑制AlGaN/GaN HEMT器件的电流崩塌现象。

(二)技术方案

为达到上述一个目的，本发明提供了一种凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场板器件，该器件包括：

栅极，位于栅极两侧的源极和漏极；所述栅极、源极和漏极位于衬底材料顶层铝镓氮AlGaN外延层上；

在形成了栅极、源极和漏极的器件表面淀积的SiN介质膜；

在所述SiN介质膜上蒸发栅连接场板的图形；

在蒸发了栅连接场板的图形的器件表面二次淀积的SiN介质膜；

在二次淀积的SiN介质膜上蒸发源连接场板的图形。

优选地，所述源极、漏极分别与AlGaN外延层之间通过退火合金形成欧姆接触；所述栅极是通过在形成源极、漏极欧姆接触的AlGaN外延层上光刻栅图形，并对栅图形部分的AlGaN外延层进行刻蚀，然后蒸发栅金属形成的。

优选地，所述衬底材料由下至上依次包括蓝宝石衬底、氮化镓GaN和AlGaN外延层三层结构；

其中，所述蓝宝石衬底用于作为生长GaN外延层的衬底材料；所述AlGaN/GaN外延层结构中，AlGaN外延层和GaN外延层间形成异质结，产生高浓度的二维电子气，提供大的电流密度和功率输出。

为达到上述另一个目的，本发明提供了一种制作凹栅槽的AlGaN/GaNHEMT多层场板器件的方法，该方法基于常规的AlGaN/GaN HEMT器件制作工艺，在形成源极和漏极的欧姆接触后，光刻栅图形，对栅图形部分的AlGaN外延层进行刻蚀，蒸发栅金属后，先制作栅连接场板，再制作源连接场板，形成凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场板器件。

该方法具体包括：

A、在衬底材料上进行光学光刻，形成对准标记，蒸发标记金属；

B、在蒸发过标记金属后，在AlGaN外延层上光学光刻源漏图形，并蒸发源漏金属，然后高温快速热退火，在源漏金属与衬底材料之间形成欧姆接触，形成源极和漏极；

C、进行离子注入，对有源区进行隔离；

D、在衬底材料上源极和漏极之间的位置光学光刻栅线条图形，然后刻蚀栅图形部分AlGaN外延层，然后蒸发栅金属，形成栅极；

E、在制作有源极、漏极和栅极的衬底材料表面淀积SiN介质膜；

F、光学光刻栅场板图形，蒸发金属；

G、二次淀积SiN介质膜；

H、光学光刻源场板图形，蒸发金属；

I、光学光刻金属布线图形，蒸发金属；

J、制作空气桥。

优选地，步骤B中所述蒸发的源漏金属为Ti/Al/Ti/Au，所述高温快速热退火的条件为：在750℃至800℃的氮气氛围中退火30秒。

优选地，步骤C中所述进行离子注入，注入离子为高能的He⁺离子。

优选地，步骤D中所述刻蚀条件为：ICP设备刻蚀，同时使用Cl₂和BCl₃混合气体刻蚀，刻蚀深度为

优选地，步骤D中所述蒸发的栅金属为Ni/Au，步骤F中所述蒸发的金属为Ni/Au，步骤H中所述蒸发的金属为Ni/Au，步骤I中所述蒸发的金属为Ti/Au。

优选地，步骤E中所述淀积采用PECVD方法，淀积介质膜种类为Si₃N₄，淀积的介质膜的厚度为

步骤G中所述淀积采用PECVD方法，淀积介质膜种类为Si₃N₄，淀积的介质膜的厚度为

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、利用本发明提供的凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场板器件，由于进一步调制了栅-漏间的电场，该结构的击穿电压远比只采用栅连接场板或源连接场板结构的击穿电压大。

2、利用本发明提供的凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场板器件，在功率输出方面，基本完全消除了电流崩塌现象。而且，不同于常规结构的是，常规结构HEMT器件在二十几伏的漏压下功率就达到饱和，即使漏压可以加上去，输出功率基本不增加，而采用两层场板结构的HEMT器件，在大电压情况时，当漏压大于40伏，随着漏压的增加，输出功率仍然增加，证明这种结构的HEMT结构充分发挥了AlGaN/GaN材料体系在功率输出上的潜力。

3、利用本发明提供的凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场板器件，由于对AlGaN层进行了刻蚀，减小了AlGaN层的厚度，有效地提高了器件的阈值电压和跨导，增强了栅的调制能力。

4、利用本发明提供的凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场板器件，由于对AlGaN层进行了刻蚀，减小了AlGaN层的厚度，有效地提高了器件的增益。

5、利用本发明提供的凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场板器件，有效地提高了AlGaN/GaN HEMT器件的击穿特性，并在提高器件增益的同时，有效抑制了AlGaN/GaN HEMT器件的电流崩塌现象。

附图说明

图1为目前制作常规AlGaN/GaN HEMT器件的方法流程图；

图2为本发明提供的凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场板器件的结构示意图；

图3为本发明提供的制作凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场板器件的方法流程图；

图4为本发明提供的制作凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场板器件的工艺流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图2所示，图2为本发明提供的凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场板器件的结构示意图。该器件包括：

栅极，位于栅极两侧的源极和漏极；所述栅极、源极和漏极位于衬底材料顶层AlGaN外延层上；

在形成了栅极、源极和漏极的器件表面淀积的SiN介质膜；

在所述SiN介质膜上蒸发栅连接场板的图形；

在蒸发了栅连接场板的图形的器件表面二次淀积的SiN介质膜；

在二次淀积的SiN介质膜上蒸发源连接场板的图形。

所述源极、漏极分别与AlGaN外延层之间通过退火合金形成欧姆接触；

所述栅极是通过在形成源极、漏极欧姆接触的AlGaN外延层上光刻栅图形，并对栅图形部分的AlGaN外延层进行刻蚀，然后蒸发栅金属形成的。

所述衬底材料由下至上依次包括蓝宝石衬底、氮化镓GaN和AlGaN外延层三层结构；其中，所述蓝宝石衬底用于作为生长GaN外延层的衬底材料；所述AlGaN/GaN外延层结构中，AlGaN外延层和GaN外延层间形成异质结，产生高浓度的二维电子气，提供大的电流密度和功率输出能力。

基于图2所示的凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场板器件，图3示出了本发明提供的制作凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场板结构的方法流程图。该方法基于常规的AlGaN/GaN HEMT器件制作工艺，在形成源极和漏极的欧姆接触后，光刻栅图形，对栅图形部分的AlGaN外延层进行刻蚀，蒸发栅金属后，先制作栅连接场板，再制作源连接场板，形成凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场板器件。该方法具体包括以下步骤：

步骤301：在衬底材料上进行光学光刻，形成对准标记，蒸发标记金属；

步骤302：在蒸发过标记金属后，在AlGaN外延层上光学光刻源漏图形，并蒸发源漏金属Ti/Al/Ti/Au，然后高温快速热退火，在源漏金属与衬底材料之间形成欧姆接触，形成源极和漏极；

在本步骤中，所述高温快速热退火的条件为：在750℃至800℃的氮气氛围中退火30秒。与本步骤对应的工艺流程图如图4(a)所示。

步骤303：进行离子注入，对有源区进行隔离；

在本步骤中，注入条件为：使用高能He⁺离子对隔离区进行离子注入。与本步骤对应的工艺流程图如图4(b)所示。

步骤304：在衬底材料上源极和漏极之间的位置光学光刻栅线条图形，然后刻蚀栅图形部分AlGaN外延层，然后蒸发栅金属Ni/Au，形成栅极；

在本步骤中，刻蚀条件为：ICP设备刻蚀，同时使用Cl₂和BCl₃混合气体刻蚀，刻蚀深度约为

与本步骤对应的工艺流程图如图4(c)所示。

步骤305：在制作有源极、漏极和栅极的衬底材料表面淀积SiN介质膜，即一次淀积SiN介质膜；

在本步骤中，所述淀积采用PECVD方法，淀积介质膜种类为Si₃N₄，淀积的SiN介质膜的厚度为

与本步骤对应的工艺流程图如图4(d)所示。

步骤306：光学光刻栅场板图形，蒸发金属Ni/Au；与本步骤对应的工艺流程图如图4(e)所示。

步骤307：二次淀积SiN介质膜；

在本步骤中，所述淀积采用PECVD方法，淀积介质膜种类为Si₃N₄，淀积的SiN介质膜的厚度为

与本步骤对应的工艺流程图如图4(f)所示。

步骤308：光学光刻源场板图形，蒸发金属Ni/Au；

步骤309：光学光刻金属布线图形，蒸发金属Ti/Au；

步骤310：制作空气桥。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1. 一种凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场板器件，其特征在于，该器件包括：

栅极，位于栅极两侧的源极和漏极；所述栅极、源极和漏极位于衬底材料顶层铝镓氮AlGaN外延层上；

在形成了栅极、源极和漏极的器件表面淀积的SiN介质膜；

在所述SiN介质膜上蒸发栅连接场板的图形；

在蒸发了栅连接场板的图形的器件表面二次淀积的SiN介质膜；

在二次淀积的SiN介质膜上蒸发源连接场板的图形。

2. 根据权利要求1所述的凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场板器件，其特征在于，

所述源极、漏极分别与AlGaN外延层之间通过退火合金形成欧姆接触，

所述栅极是通过在形成源极、漏极欧姆接触的AlGaN外延层上光刻栅图形，并对栅图形部分的AlGaN外延层进行刻蚀，然后蒸发栅金属形成的。

3. 根据权利要求1所述的凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场板器件，其特征在于，所述衬底材料由下至上依次包括蓝宝石衬底、氮化镓GaN和AlGaN外延层三层结构；

其中，所述蓝宝石衬底用于作为生长GaN外延层的衬底材料；所述AlGaN/GaN外延层结构中，AlGaN外延层和GaN外延层间形成异质结，产生高浓度的二维电子气，提供大的电流密度和功率输出。

4. 一种制作凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场板器件的方法，其特征在于，该方法基于常规的AlGaN/GaN HEMT器件制作工艺，在形成源极和漏极的欧姆接触后，光刻栅图形，对栅图形部分的AlGaN外延层进行刻蚀，蒸发栅金属后，先制作栅连接场板，再制作源连接场板，形成凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场板器件。

5. 根据权利要求4所述的制作凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场板器件的方法，其特征在于，该方法具体包括：

A、在衬底材料上进行光学光刻，形成对准标记，蒸发标记金属；

B、在蒸发过标记金属后，在AlGaN外延层上光学光刻源漏图形，并蒸发源漏金属，然后高温快速热退火，在源漏金属与衬底材料之间形成欧姆接触，形成源极和漏极；

C、进行离子注入，对有源区进行隔离；

D、在衬底材料上源极和漏极之间的位置光学光刻栅线条图形，然后刻蚀栅图形部分AlGaN外延层，然后蒸发栅金属，形成栅极；

E、在制作有源极、漏极和栅极的衬底材料表面淀积SiN介质膜；

F、光学光刻栅场板图形，蒸发金属；

G、二次淀积SiN介质膜；

H、光学光刻源场板图形，蒸发金属；

I、光学光刻金属布线图形，蒸发金属；

J、制作空气桥。

6. 根据权利要求4所述的制作凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场板器件的方法，其特征在于，步骤B中所述蒸发的源漏金属为Ti/Al/Ti/Au，所述高温快速热退火的条件为：在750℃至800℃的氮气氛围中退火30秒。

7. 根据权利要求4所述的制作凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场板器件的方法，其特征在于，步骤C中所述进行离子注入，注入离子为高能的He⁺离子。

8. 根据权利要求4所述的制作凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场板器件的方法，其特征在于，步骤D中所述刻蚀条件为：ICP设备刻蚀，同时使用Cl₂和BCl₃混合气体刻蚀，刻蚀深度为

9. 根据权利要求4所述的制作凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场板器件的方法，其特征在于，步骤D中所述蒸发的栅金属为Ni/Au，步骤F中所述蒸发的金属为Ni/Au，步骤H中所述蒸发的金属为Ni/Au，步骤I中所述蒸发的金属为Ti/Au。

10. 根据权利要求4所述的制作凹栅槽的AlGaN/GaN HEMT多层场板器件的方法，其特征在于，

步骤E中所述淀积采用PECVD方法，淀积介质膜种类为Si₃N₄，淀积的介质膜的厚度为

步骤G中所述淀积采用PECVD方法，淀积介质膜种类为Si₃N₄，淀积的介质膜的厚度为

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