基于增強型AlGaN/GaNHEMT器件結構及其制作方法與流程

基于增強型AlGaN/GaNHEMT器件結構及其制作方法技術領域本發明屬于微電子技術領域，涉及半導體器件制作，具體的說是一種基于增強型AlGaN/GaNHEMT器件結構及制作方法，可用于制作低導通電阻高頻率的增強型高電子遷移率晶體管。

背景技術：
近年來以SiC和GaN為代表的第三帶寬禁帶隙半導體以其禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導率高、飽和電子速度大和異質結界面二維電子氣濃度高等特性，使其受到廣泛關注。在理論上，利用這些材料制作的高電子遷移率晶體管HEMT、發光二極管LED、激光二極管LD等器件比現有器件具有明顯的優越特性，因此近些年來國內外研究者對其進行了廣泛而深入的研究，并取得了令人矚目的研究成果。AlGaN/GaN異質結高電子遷移率晶體管HEMT在高溫器件及大功率微波器件方面已顯示出了得天獨厚的優勢，追求器件高頻率、高壓、高功率吸引了眾多的研究。近年來，制作更高頻率高壓AlGaN/GaNHEMT成為關注的又一研究熱點。由于AlGaN/GaN異質結生長完成后，異質結界面就存在大量二維電子氣2DEG，當界面處電阻率降低時，我們可以獲得更高的器件頻率特性。AlGaN/GaN異質結電子遷移率晶體管可以獲得很高的頻率，但往往要以犧牲耐高壓特性為代價。目前提高的AlGaN/GaN異質結晶體管頻率的方法如下：1.結合無電介質鈍化(dielectric-freepassivation)與重生長歐姆接觸來減小電阻率。參見YuanzhengYue，ZongyangHu，JiaGuo等InAlN/AlN/GaNHEMTsWithRegrownOhmicContactsandfTof370GH。EDL.Vol33.NO.7，P1118-P1120。該方法采用了30納米柵長，并且結合無電介質鈍化(dielectric-freepassivation)與重生長歐姆接觸來減小源漏電阻率。頻率可以達到370GHz。還可以通過減少溝道長度繼續提高頻率到500GHz。2.重生長重摻雜源漏到近柵的二維電子氣溝道。參見Shinohara，K.Regan，D.Corrion，A.Brown等self-aligned-gateGaN-HEMTswithheavily-dopedn+-GaNohmiccontactsto2DEG；IEDM，IEEE；2012。過去重生長n+GaN歐姆接觸對減少溝道接觸電阻成效顯著，但是重摻雜源漏接觸直接到接近柵電極下的二維電子氣溝道可以獲得更好的頻率特性和電流特性。文中報道的方法使頻率達到了fT/fmax＝342/518GHz。同時擊穿電壓14V。

技術實現要素：
本發明的目的在于針對以上高頻率器件的不足，提供一種基于硅化物對溝道產生應力的方法，以同時提高增強型AlGaN/GaN高遷移率晶體管的頻率特性，增強工藝的可控性和重復性，滿足GaN基電子器件對高頻率、低導通電阻的應用要求。本發明是這樣實現的：本發明的技術思路是：使用外延生長并刻蝕的方法在AlGaN之上生長薄絕緣層，在薄絕緣層上生長多個塊狀硅化物，硅化物塊間距小于塊寬度，由于硅化物的熱膨脹系數大于絕緣層與AlGaN的熱膨脹系數。當外延生長冷卻時，硅化物會對絕緣層以及AlGaN層引入壓應力，與此同時，位于硅化物之間的AlGaN層將會受到張應力。當AlGaN層受到壓應力的時候，位于AlGaN/GaN界面的2DEG濃度有所減小，而當AlGaN層受到張應力的時候，位于AlGaN/GaN界面的2DEG濃度有所增加。AlGaN層所受壓應力(張應力)的大小與硅化物(硅化物間距)的長度有關，這種關系并非是一種線性關系，而是當作用距離減小時AlGaN層所受到的應力對極化電荷的影響迅速增加(如下圖所示)，所以我們可以使硅化物的寬度、硅化物之間的間距不同來實現二維電子氣濃度的調節，從整體上來看2DEG濃度的增加還是減少則取決于二者的大小關系，在此發明中，我們選擇使二維電子氣濃度增加來降低溝道電阻。所以張應力要大于壓應力，于是硅化物寬度要大于硅化物間距。如圖2所示，如果硅化物的寬度為1μm，硅化物間距為0.25μm，.那么硅化物間距(0.25μm)區域所經受的張力作用使極化電荷最終比硅化物區域(1μm)的極化電荷大兩個數量級，所以整體上的作用表現為AlGaN層受到張應力即極化電荷濃度有所增加，從而柵源間與柵漏間2DEG的濃度也因為極化電荷的增加而呈現整體增加的結果。因此該區域的電阻有有所減小。參見IEICETRANS.ELECTON，VOL.E93-C，NO.8AUGUST2010.AnalysisofPassivation-Film-InducedStressEffectsonElectricalPropertiesinAlGaN/GaNHEMTs.通過選擇使硅化物之間的間距小于硅化物的長度，使2DEG濃度的增長遠大于2DEG濃度的減小的，從而使柵漏和柵源間的電阻有所減小，在不改變柵漏間距的情況下提高高遷移率晶體管的頻率特性。依據上述技術思路，本發明器件包括襯底、本征GaN層、AlN隔離層、AlGaN勢壘層(本征AlGaN層)、AlGaN摻雜層、p型GaN層、柵電極、源電極、漏電極、絕緣層、鈍化層以及用于調節二維電子氣濃度的硅化物。AlGaN摻雜層位于本征 AlGaN層之上，p型GaN層位于AlGaN摻雜層之上，源漏電極以及絕緣層位于AlGaN摻雜層之上，柵電極位于p型GaN層之上，硅化物位于絕緣層之上。在襯底上外延生長有增強型AlGaN/GaN異質結材料，并在該結構上形成有源電極和漏電極，然后淀積一層絕緣層，絕緣層的厚度為5～10nm，在絕緣層上(柵漏區域以及柵源區域間)，形成有硅化物，硅化物為塊狀，會對絕緣層和AlGaN層引入壓應力，位于硅化物之間的AlGaN層會受到張應力，通過使塊間距小于塊寬度，使得AlGaN層總體獲得張應力，從而使溝道中2DEG得到增強，所述的硅化物包括NiSi，TiSi2或Co2Si，柵電極下方存在p-GaN外延層，形成增強型器件。最后淀積鈍化層實現器件的鈍化。本發明中的襯底材料是藍寶石、碳化硅、GaN或MgO，本征AlGaN層和AlGaN摻雜層中Al與Ga的組份能夠調節，AlxGa1-xN中的x＝0～1，本征GaN層能夠替換為AlGaN層，而該AlGaN中Al組份小于本征AlGaN層和AlGaN摻雜層中的Al組份，p型GaN材料能夠替換為p型AlGaN材料或者p型InGaN材料。如圖3所示，依據上述技術思路，利用金屬硅化物提高增強型AlGaN/GaNHEMT器件性能的結構，包括如下步驟：(1)對外延生長的p-GaN/AlGaN/GaN材料進行有機清洗，用流動的去離子水清洗并放入HCl∶H2O＝1∶1體積比的溶液中進行腐蝕30-60s，最后用流動的去離子水清洗并用高純氮氣吹干；(2)對清洗干凈的p-GaN/AlGaN/GaN材料進行光刻和干法刻蝕，形成有源區臺面；(3)對制備好臺面的p-GaN/AlGaN/GaN材料進行光刻，形成p-GaN的刻蝕區域；(4)并將材料放入ICP干法刻蝕反應室中，工藝條件為：上電極功率為200W，下電極功率為20W，反應室壓力為1.5Pa，Cl2的流量為10sccm，Ar氣的流量為10sccm，刻蝕時間為10min，刻蝕掉柵電極區域外的p-GaN外延層；(5)對完成刻蝕的p-GaN/AlGaN/GaN材料進行光刻，形成源漏歐姆接觸區，放入電子束蒸發臺中淀積歐姆接觸金屬Ti/Al/Ni/Au＝20/120/45/50nm并進行剝離，最后在氮氣環境中進行850℃、35s的快速熱退火，形成歐姆接觸；(6)將器件放入原子層淀積設備中，工藝條件為：生長溫度為300℃，壓力為2000Pa，H2O和TMAl的流量均為150sccm，淀積5-10nm厚的Al2O3介質；(7)然后將器件放入磁控濺射的反應室中同時濺射Ni和Si，工藝條件為：Ni靶的直流偏置電壓為100V，Si靶的射頻偏置電壓為450V，載氣Ar的流量為30sccm，共淀積100nm～150nm厚的混合金屬薄膜；(8)將淀積好薄膜的器件進行光刻，形成混合薄膜的刻蝕窗口區，并放入ICP干法刻蝕反應室中，工藝條件為：上電極功率為200W，下電極功率為20W，反應室壓力為1.5Pa，CF4的流量為20sccm，Ar氣的流量為10sccm，刻蝕時間為5min，經過干法刻蝕后在器件上留下來的硅化物為塊狀，并使得硅化物塊之間的間距小于硅化物塊寬度；(9)將器件放入快速退火爐中，在氮氣環境下進行450℃，30s的快速熱退火，形成NiSi合金，硅化物會對絕緣層和AlGaN層引入壓應力，位于硅化物之間的AlGaN層會受到張應力，塊間距小于塊寬度使得AlGaN層總體獲得張應力，從而使溝道中2DEG得到增強；(10)對完成合金的器件進行光刻，形成柵電極區域，并將器件放入HF∶H2O＝1∶1體積比的溶液中將柵電極區域的Al2O3完全腐蝕形成柵電極窗口，然后放入電子束蒸發臺中淀積Ni/Au＝20/200nm并進行剝離，完成柵電極的制備；(11)將完成柵電極制備的器件放入PECVD反應室淀積SiN鈍化膜，具體工藝條件為：SiH4的流量為40sccm，NH3的流量為10sccm，反應室壓力為1～2Pa，射頻功率為40W，淀積200nm～300nm厚的SiN鈍化膜；(12)將器件再次進行清洗、光刻顯影，形成SiN薄膜的刻蝕區，并放入ICP干法刻蝕反應室中，工藝條件為：上電極功率為200W，下電極功率為20W，反應室壓力為1.5Pa，CF4的流量為20sccm，Ar氣的流量為10sccm，刻蝕時間為10min，將源電極、漏電極和柵電極上面覆蓋的SiN和Al2O3薄膜刻蝕掉；(13)將器件進行清洗、光刻顯影，并放入電子束蒸發臺中淀積Ti/Au＝20/200nm的加厚電極，完成整體器件的制備。本發明具有如下優點：(1)本發明的器件采用淀積絕緣層與硅化物的方法，對AlGaN產生應力作用，調節溝道內電子氣濃度和電場強度。提高器件頻率特性。(2)本發明中所制備硅化物位于柵漏與柵源之間，提高頻率特性的同時不需要減少柵漏距離，從而無需犧牲耐高壓特性。(3)本發明中由于可以在柵漏與柵源之間根據需要調節硅化物的大小以及間距，從而調節應力作用大小。柵源間與柵漏間電子氣濃度以及頻率特性可以根據需要調節。附圖說明通過參照附圖更詳細地描述本發明的示例性實施例，本發明的以上和其它方面及優點將變得更加易于清楚，在附圖中：圖1是本發明器件的剖面結構示意圖；圖2是物理原理說明圖(極化電荷隨硅化物寬度的變化)；圖3是本發明器件的制作工藝流程示意圖。具體實施方式在下文中，現在將參照附圖更充分地描述本發明，在附圖中示出了各種實施例。然而，本發明可以以許多不同的形式來實施，且不應該解釋為局限于在此闡述的實施例。相反，提供這些實施例使得本公開將是徹底和完全的，并將本發明的范圍充分地傳達給本領域技術人員。在下文中，將參照附圖更詳細地描述本發明的示例性實施例。參照圖1，本發明器件包括襯底、本征GaN層、AlN隔離層、AlGaN勢壘層(本征AlGaN層)、AlGaN摻雜層、p型GaN層、柵電極、源電極、漏電極、絕緣層、鈍化層以及用于調節二維電子氣濃度的硅化物。AlGaN摻雜層位于本征AlGaN層之上，p型GaN層位于AlGaN摻雜層之上，源漏電極以及絕緣層位于AlGaN摻雜層之上，柵電極位于p型GaN層之上，硅化物位于絕緣層之上。在襯底上外延生長有增強型AlGaN/GaN異質結材料，并在該結構上形成有源電極和漏電極，然后淀積一層絕緣層，絕緣層的厚度為5～10nm，在絕緣層上(柵漏區域以及柵源區域間)，形成有硅化物，硅化物會對絕緣層和AlGaN層引入壓應力，位于硅化物之間的AlGaN層會受到張應力，塊間距小于塊寬度使得AlGaN層總體獲得張應力，從而使溝道中2DEG得到增強，所述的硅化物包括NiSi，TiSi2或Co2Si，柵電極下方存在p-GaN外延層，形成增強型器件。最后淀積鈍化層實現器件的鈍化。本發明中的襯底材料是藍寶石、碳化硅、GaN或MgO，本征AlGaN層和AlGaN摻雜層中Al與Ga的組份能夠調節，AlxGa1-xN中的x＝0～1，本征GaN層能夠替換為AlGaN層，而該AlGaN中Al組份小 于本征AlGaN層和AlGaN摻雜層中的Al組份，p型GaN材料能夠替換為p型AlGaN材料或者p型InGaN材料。以上所述僅為本發明的實施例而已，并不用于限制本發明。本發明可以有各種合適的更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。