一種GaNMIS溝道HEMT器件及制備方法與流程

本發明屬于半導體器件技術領域，具體涉及一種ganmis溝道hemt器件及制備方法。

背景技術：

gan作為第三代寬禁帶半導體材料的典型代表之一，與傳統的半導體材料si、gaas相比，具有禁帶寬度寬、擊穿電場大、電子飽和漂移速度高、介電常數小以及良好的化學穩定性等特點。特別是基于gan材料的algan/gan異質結高電子遷移率晶體管(hemt)結構具有更高的電子遷移率(高于1800cm²v^-1s^-1)和二維電子氣(2deg)面密度(約10¹³cm^-2)，使得基于gan材料器件在射頻領域和電力電子領域都具有非常明顯的優勢。

作為增強型器件的一種，mis溝道hemt(mis-channelhemt)結合了misfet的特性和hemt的優勢(當柵介質為sio2時即為mos溝道hemt)，即具有優異的增強型性能，即mis柵控制性能，又能在大部分區域保持hemt的二維電子氣高電導性能，成為當前的研究熱點。但是，通常的mis溝道hemt器件，由于凹槽的刻蝕會在gan表面引入缺陷，帶來很大的問題，導致mis柵界面態密度高和溝道遷移率非常低，使得mis柵溝道的電阻成為hemt器件的主要電阻部分。同時刻蝕的均勻性也很難控制，導致器件性能的一致性差。因此，一方面通過設計和工藝減少mis柵的長度，另一方面改善工藝方法降低凹槽刻蝕對gan表面的損傷，是改進當前mis溝道hemt器件性能和可靠性的重要方法。

技術實現要素：

本發明為一種ganmis溝道hemt器件。在gan外延過程中在溝道層上插入aln薄層，既作為勢壘層對二維電子氣進行限域，又作為后續工藝中的刻蝕緩沖層。通過aln刻蝕緩沖層降低和消除了等離子體刻蝕柵凹槽時對gan表面的損傷，改善了ganmis界面的性能，從而減少了溝道電阻和總導通電阻。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種ganmis溝道hemt器件，所述hemt器件的材料結構包括襯底以及依次向上生長的aln成核層、gan緩沖層、gan溝道層、aln插入層、algan勢壘層和gan帽層。

進一步，所述aln成核層的厚度為20-100nm；所述gan緩沖層的厚度為1-5μm；所述gan溝道層的厚度為50-1000nm；所述aln插入層的厚度小于20nm；所述algan勢壘層的厚度為10-50nm；所述gan帽層的厚度小于10nm。

進一步，所述襯底為sic襯底、si襯底、gan襯底或al2o3襯底的任一種。

一種制備ganmis溝道hemt器件的方法，所述方法包括如下步驟：

1)在襯底材料上依次通過mocvd方法原位生長aln成核層、gan緩沖層、gan溝道層、aln插入層、algan勢壘層和gan帽層；

2)使用傳統工藝流程完成器件的隔離、源漏歐姆接觸工藝后，進行柵槽的刻蝕；在凹槽的刻蝕過程中，在刻蝕接近algan勢壘層的底部時，選擇aln比algan刻蝕選擇比高的工藝條件繼續刻蝕，確保晶圓上各凹槽中algan已完全刻蝕干凈，同時刻蝕掉部分aln層，剩余部分aln層；

3)用熱磷酸進行腐蝕，以腐蝕掉晶圓上各凹槽中剩余部分的aln層；

4)用稀釋的hf酸和hcl酸進行表面處理，去除表面的氧化物；之后淀積柵介質層；

5)淀積柵金屬，柵金屬完成后淀積鈍化介質層進行鈍化保護，然后在每個原胞的源漏極進行一次刻孔，淀積金屬在源漏極上，并形成源場板；

6)最后淀積第二鈍化介質層，進行二次刻孔，在源、漏、柵電極壓塊處刻蝕出介質窗口，在介質窗口區域淀積厚的金屬，并形成介質橋的互連；淀積第三鈍化層或聚酰亞胺，對整個芯片表面進行保護，并刻蝕出電極壓塊處的窗口。

進一步，步驟3)中熱磷酸進行腐蝕的腐蝕溫度為160-210℃。

進一步，步驟4)柵介質層為sio2、sin或al2o3。

本發明具有以下有益技術效果：

本發明在gan外延過程中在溝道層上插入aln薄層，既作為勢壘層對二維電子氣進行限域，又作為后續工藝中的刻蝕緩沖層。通過aln插入層降低和消除了等離子體刻蝕柵凹槽時對gan表面的損傷，改善了ganmis界面的性能，從而起到減少了溝道電阻和總導通電阻的作用。

附圖說明

圖1為本發明ganmis溝道hemt器件材料結構示意圖；

圖2為本發明ganmis溝道hemt器件制備過程中柵凹槽刻蝕后剩余部分aln層的器件結構示意圖；

圖3為本發明ganmis溝道hemt器件制備過程中完成柵凹槽后的器件結構示意圖；

圖4為本發明ganmis溝道hemt器件制備過程中淀積柵介質層后的器件結構示意圖；

圖5為本發明ganmis溝道hemt器件制備過程中完成源場板后的器件結構示意圖。

具體實施方式

下面，參考附圖，對本發明進行更全面的說明，附圖中示出了本發明的示例性實施例。然而，本發明可以體現為多種不同形式，并不應理解為局限于這里敘述的示例性實施例。而是，提供這些實施例，從而使本發明全面和完整，并將本發明的范圍完全地傳達給本領域的普通技術人員。

如圖1所示，本發明提供了一種ganmis溝道hemt器件，該hemt器件的材料結構包括襯底1以及依次向上生長的aln成核層2、gan緩沖層3、gan溝道層4、aln插入層5、algan勢壘層6和gan帽層7。本發明在gan外延過程中在溝道層上插入aln薄層，既作為勢壘層對二維電子氣10進行限域，又作為后續工藝中的刻蝕緩沖層。

aln成核層2的厚度為20-100nm；gan緩沖層3的厚度為1-5μm；gan溝道層4的厚度為50-1000nm；aln插入層5的厚度小于20nm；algan勢壘層6的厚度為10-50nm；gan帽層7的厚度小于10nm。

襯底1為sic襯底、si襯底、gan襯底或al2o3襯底的任一種。

本發明還提供了一種制備ganmis溝道hemt器件的方法，該方法包括如下步驟：

步驟1：在襯底材料上依次通過mocvd方法原位生長aln成核層2、gan緩沖層3、gan溝道層4、aln插入層5、algan勢壘層6和gan帽層7；

步驟2：如圖2所示，與一般的工藝流程一樣，在完成器件的隔離、源漏歐姆接觸9的工藝后，進行柵槽8的刻蝕；用光刻膠作掩膜采用cl基氣氛直接刻蝕gan，或者可以用sio2作為掩膜，先刻蝕sio2的圖形。在凹槽的刻蝕過程中，在刻蝕接近algan勢壘層6的底部時，選擇aln比algan刻蝕選擇比高的工藝條件繼續刻蝕，確保晶圓上各凹槽中algan已完全刻蝕干凈，同時刻蝕掉部分aln層，剩余部分aln層；由于algan刻蝕一致性差，因此各凹槽中aln剩余的厚度都是不同的。

步驟3：如圖3所示，用熱磷酸進行腐蝕腐蝕溫度為160-210℃。由于mocvd方法在gan上長的aln層質量不是非常好，同時又被等離子體進行了刻蝕，因此熱磷酸能快速腐蝕aln，但是不腐蝕gan。aln刻蝕緩沖層很好的保護了gan的表面不受等離子體刻蝕的影響。

步驟4：如圖4所示，腐蝕干凈各凹槽中的aln剩余薄層后，用稀釋的hf酸和hcl酸進行表面處理，去除表面的氧化物。淀積柵介質層11，柵介質層11可以是sio2、sin、al2o3等(當柵介質為sio2時即為mos溝道hemt)，可以用cvd方法或ald方法。柵介質層11的厚度在10-100nm之間，根據閾值電壓和工作電壓的要求而設計。

步驟5：如圖5所示，淀積柵金屬12，進行刻蝕。或者用光刻剝離的方法形成柵金屬12。柵金屬12可以是tiniau、tiptau、tial、al等。柵金屬12完成后淀積鈍化介質層進行鈍化保護，鈍化介質可以是sio2、sin，或者是一層或多層等。然后在每個原胞的源漏極進行一次刻孔，淀積金屬在源漏極上，圖中13為漏極金屬；并形成源場板14。同時金屬也做在了芯片的源漏壓塊(pad)處。源漏極上加厚的金屬可以減少器件中各原胞互連的導通電阻。

步驟6：最后淀積第二鈍化介質層，進行二次刻孔，在源、漏、柵電極壓塊處刻蝕出介質窗口，在介質窗口區域淀積厚的金屬，并形成介質橋的互連；淀積第三鈍化層或聚酰亞胺，對整個芯片表面進行保護，并刻蝕出電極壓塊處的窗口。

上面所述只是為了說明本發明，應該理解為本發明并不局限于以上實施例，符合本發明思想的各種變通形式均在本發明的保護范圍之內。