一种基于偶级子层浮栅结构的增强型AlGaNGaNMISHEMT器件结构及其制作方法

摘要

本发明公开了一种基于偶级子层浮栅结构的增强型AlGaN/GaN MISHEMT器件结构及其制作方法，自下而上依次包括衬底，GaN缓冲层，AlN隔离层、GaN沟道层，AlGaN本征层和AlGaN掺杂层，所述AlGaN掺杂层上设有源电极、栅电极和漏电极，上述结构的顶层还间隔淀积有钝化层，所述栅电极与所述AlGaN掺杂层之间设有PTFE绝缘层。本发明采用PTFE和ITO所产生的偶极子层实现了对2DEG浓度的控制，成功的减少了所控制部分的2DEG的浓度；本发明没有采用将F负离子注入AlGaN势垒层的方法，一方面避免了对材料的晶格损伤，另一方面也避免了F离子在高温时发生移动造成器件阈值电压发生漂移。

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及半导体器件制作，具体的说是一种基于AlGaN/GaN的增强型器件结构及制作方法，对于高速低功耗电路有很高的使用价值。 

背景技术

近年来以SiC和GaN为代表的第三带宽禁带隙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迁移率晶体管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。 

AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管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，并且其迁移率很高，因此我们能够获得较高的器件频率特性。 

GaN HEMT器件由于其宽禁带特性，具有良好的高温特性和抗辐射特性，在恶劣环境下的GaN基集成电路中具有很好的应用前景。但是由于GaN中空穴和电子的迁移率差异很大，无论器件平面结构还是器件工作速度，以类似CMOS的方式制备互补对称GaN场效应管电路单元都还难以实现。一个可行的方法是研制需要加正电压才能开启沟道的n型GaN增强型HEMT(E-HEMT)器件，通 常又称为常关(normally off)器件。利用栅压的高低电平控制增强型器件的导通和关断，可实现GaN大功率开关器件和电路，以及增强/耗尽(E/D)模式的数字集成电路。 

通常AlGaN/GaN异质结在材料制备完成时，已经形成高密度的二维电子气导电沟道，这样的材料制备的GaN HEMT器件都是耗尽器件(D-HEMT)，在栅极加负电压时器件才能处于关断状态，是一种常开(normally on)器件。为了实现与耗尽型器件完全兼容的增强型器件，需要采用一些特殊的结构或特殊的工艺来实现，主要有薄膜势垒，槽珊(可结合MIS结构)，栅下pn结，栅下区域氟等离子体注入等方法。 

发明内容

本发明为了克服上述的不足，提供了一种基于偶级子层浮栅结构的增强型AlGaN/GaN MISHEMT器件结构结构及制作方法。 

本发明的技术方案如下： 

一种基于AlGaN/GaN的增强型器件，自下而上依次包括衬底，GaN缓冲层，AlN隔离层、GaN沟道层，AlGaN本征层和AlGaN掺杂层，所述AlGaN掺杂层上设有源电极、栅电极和漏电极，上述结构的顶层还间隔淀积有钝化层，所述栅电极与所述AlGaN掺杂层之间设有PTFE绝缘层。 

所述衬底为蓝宝石、碳化硅、GaN和MgO中的一种或多种。 

所述AlGaN掺杂层中Al的组分含量在0～1之间，Ga的组分含量与Al的组分含量之和为1。 

所述PTFE绝缘层的厚度为5～10nm。 

所述栅电极采用绝缘栅结构，减小栅漏电流。 

所述钝化层内包括SiN、Al₂O₃、HfO₂和HfSiO中的一种或多种 

上述基于偶级子层浮栅结构的增强型AlGaN/GaN MISHEMT器件结构的制作步骤如下： 

S1、对外延生长的AlGaN/GaN材料进行有机清洗； 

S2、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； 

S3、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，并进行剥离,最后在氮气环境中进行850℃35s的快速热退火，形成欧姆接触； 

S4、对完成合金的器件进行光刻，形成栅极金属区域，然后放入氧等离子处理室中对AlGaN表面进行轻度氧化处理，放入电子束蒸发台中，淀积5-10nm厚的PTFE薄膜，然后再蒸发200nm厚的ITO栅电极； 

S5、将淀积好栅电极的器件放入丙酮溶液中浸泡30-60min，进行超声剥离，形成绝缘栅电极结构； 

S6、将完成栅极制备的器件放入PECVD反应室中淀积200nm～300nm厚的SiN钝化膜； 

S7、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，将源极、漏极上面覆盖的SiN薄膜刻蚀掉。 

S8、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的加厚电极，完成整体器件的制备。 

其中，步骤S1中采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； 

步骤S3中Ti/Al/Ni/Au＝20/120/45/50nm； 

步骤S4中在电子束蒸发台中的工艺条件为：反应室真空抽至4.0*10^-3帕，缓慢加电压使控制PTFE蒸发速率为0.1nm/s； 

步骤S6中PECVD反应室中的工艺条件为：SiH₄的流量为40sccm，NH₃的流量为10sccm，反应室压力为1～2Pa,射频功率为40W。 

步骤S7中ICP干法刻蚀反应室中的工艺条件为：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10sccm，刻蚀时间为10min。 

步骤S8中Ti/Au＝20/200nm。 

本发明的有益效果如下： 

1、本发明采用PTFE和ITO所产生的偶极子层实现了对2DEG浓度的控制，成功的减少了所控制部分的2DEG的浓度。 

2、本发明没有采用将F负离子注入AlGaN势垒层的方法，一方面避免了对材料的晶格损伤，另一方面也避免了F离子在高温时发生移动造成器件阈值电压发生漂移。 

附图说明

图1是本发明实施例一种基于偶级子层浮栅结构的增强型AlGaN/GaN MISHEMT器件结构； 

图2是本发明的制作流程图。 

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 

如图1所示的一种基于偶级子层浮栅结构的增强型AlGaN/GaNMISHEMT器件结构，自下而上依次包括衬底1，GaN缓冲层2，AlN隔离层3、GaN沟道层4，AlGaN本征层5和AlGaN掺杂层6，所述AlGaN掺杂层6上设有源电极7、栅电极10和漏电极9，上述结构的顶层还间隔淀积有钝化层8，所述栅电极10与所述AlGaN掺杂层6之间设有PTFE绝缘层11。 

所述衬底1为蓝宝石、碳化硅、GaN和MgO中的一种或多种。 

所述AlGaN掺杂层6中Al的组分含量在0～1之间，Ga的组分含量与Al的组分含量之和为1。 

所述PTFE绝缘层11的厚度为5～10nm。 

所述栅电极10采用绝缘栅结构，减小栅漏电流。 

所述钝化层8内包括SiN、Al₂O₃、HfO₂和HfSiO中的一种或多种。 

如图2所示，上述基于偶级子层浮栅结构的增强型AlGaN/GaN MISHEMT器件结构的制作步骤如下： 

S1、对外延生长的AlGaN/GaN材料进行有机清洗； 

S2、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； 

S3、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，并进行剥离,最后在氮气环境中进行850℃35s的快速热退火，形成欧姆接触； 

S4、对完成合金的器件进行光刻，形成栅极金属区域，然后放入氧等离子处理室中对AlGaN表面进行轻度氧化处理，放入电子束蒸发台中，淀积5-10nm厚的PTFE薄膜，然后再蒸发200nm厚的ITO栅电极； 

S5、将淀积好栅电极的器件放入丙酮溶液中浸泡30-60min，进行超声剥离，形成绝缘栅电极结构； 

S6、将完成栅极制备的器件放入PECVD反应室中淀积200nm～300nm厚的SiN钝化膜； 

S7、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，将源极、漏极上面覆盖的SiN薄膜刻蚀掉。 

S8、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的加厚电极，完成整体器件的制备。 

其中，步骤S1中采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； 

步骤S3中Ti/Al/Ni/Au＝20/120/45/50nm； 

步骤S4中在电子束蒸发台中的工艺条件为：反应室真空抽至4.0*10^-3帕，缓慢加电压使控制PTFE蒸发速率为0.1nm/s； 

步骤S6中PECVD反应室中的工艺条件为：SiH₄的流量为40sccm，NH₃的流 量为10sccm，反应室压力为1～2Pa,射频功率为40W。 

步骤S7中ICP干法刻蚀反应室中的工艺条件为：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10sccm，刻蚀时间为10min。 

步骤S8中Ti/Au＝20/200nm。 

本发明的原理是：在PTFE结构上淀积ITO栅电极会在PTFE表面产生偶极子层。PTFE与ITO一侧会产生正离子，PTFE与AlGaN一侧会产生负离子，从而对正下方的2DEG浓度产生了耗尽作用，导致了2DEG浓度的减小，从而可以形成增强型AlGaN/GaNMISHEMT的器件结构。 

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。