一种场板下方具有蜂窝凹槽势垒层结构的常关型HEMT器件及
其制备方法
技术领域
背景技术
[0002] 随着近年来无线电通讯市场和传统军事应用领域的稳定发展，晶体管在很多方面都起着重要作用。同时随着半导体技术的快速发展，对晶体管的要求也越来越严格。第三代半导体材料由于具有高击穿
电场、高饱和
电子速率、高热导率、高电子
密度和高迁移率等特点，所以其应用非常广泛。以氮化镓(GaN)为代表的III-V族
异质结构(典型如AlGaN/GaN)由于极化效应而存在高浓度(1013cm-2)、高迁移率(2000cm2/(V·s))的二维电子气(2DEG)，会在AlGaN/GaN异质结的界面下方形成导电通道。由于2DEG这种优异的性能使得具有AlGaN/GaN这种异质结的GaN基功率电子器件具有低导通
电阻、大
电流密度、小器件体积和良好的高温工作能
力等优势，相比传统的Si基功率器件，利用此异质结制作的功率器件优势更大、性能更好，未来有望可以代替Si基功率器件。
[0003] 近年，随着GaN材料在民用和军用方面的应用越来越广泛，多个研究团队开展了对GaN材料及其器件
电路的各项研究。对于具有AlGaN/GaN异质结的GaN基功率电子器件的研究，目前常开型器件的研究较为成熟，已经可以基本满足控制电路的需求。但在高速
开关、射频集成电路、数字电路领域往往需要常关型的HEMT器件。常关型是功率电子器件安全工作的重要保障，它可以使器件即使在高压工作失去栅控能力的状态下保持芯片系统安全。这就要求器件在具有低导通电阻的同时
阈值电压要大于0V，同时器件的
击穿电压要足够大。
[0004] GaN和SiC作为第三代半导体材料的代表具有禁带宽度大、击穿电场高、电子饱和速率大等优势。其中GaN材料较为明显的优势在于它的
异质结构(例如AlGaN/GaN)界面由于极化效应会产生高浓度、高迁移率的2DEG。目前，实现常关型HEMT器件的方法主要有三种，分别是栅槽结构、在栅下的势垒层注入具有很强电负性的离子以及栅下插入P-GaN层。栅槽结构是对势垒层进行
刻蚀从而实现阈值电压为正的操作，势垒层刻蚀的深浅和制作器件的阈值电压的大小有一定的关系，如果势垒层的刻蚀较浅则阈值电压很难实现为正，如果势垒层刻蚀较深会实现阈值电压为正，但是同时也会对2DEG的
沟道造成严重的损伤导致器件的沟道被破坏，使得器件导通电
阻变大、输出电流变小，所以如何能够保证器件阈值电压为正的前提下还能使制作的器件具有较大的输出电流是这种方法所面临的一个问题。同时对于大面积器件而言，刻蚀的均匀性难以保证。势垒层注入氟离子的方法，由于氟离子的热
稳定性问题，使得利用该种方法制作的器件在高温下使用时不稳定，器件的高温可靠性是一个严重的问题。同时对于大面积器件而言，
离子注入的均匀性同样难以保证。栅下插入P-GaN层的方法，由于P型的高浓度掺杂较难实现，所以利用这种方法制作的器件很难达到较大的阈值电压。至于新型的纵向栅结构的器件，它可以避免上述中的离子注入问题，且不存在由于过宽栅极尺寸刻蚀造成严重的沟道损伤以及工艺均匀性引起的器件阈值电压不稳定和导通电阻过大等问题，同时由于栅区的2DEG沟道被完全刻断，器件能够达到较大的且稳定的阈值电压。此结构器件目前存在的主要问题是关态下器件的漏电相对较大，同时器件的击穿电压较低，因此需要设计有效的场板结构来减小栅极边缘的峰值电场，提高器件耐压能力。
[0005] 栅槽结构通过刻蚀掉AlGaN势垒层耗尽栅下2DEG从而实现常关型操作，刻蚀深度和阈值电压的大小存在一定的关系，如何保证大阈值电压的前提下只刻蚀掉较浅的势垒层是该方法存在的一个问题。同时刻蚀的均匀性难以保证，这就造成大面积器件中部分器件阈值电压较低甚至是不能实现常关型。将氟离子注入AlGaN势垒层的方法利用氟离子较强的电负性排斥栅下沟道中的电子从而切断沟道，这种方法不会破坏势垒层，但由于氟离子的
热稳定性较弱，导致制作的器件在高温的情况下不稳定。这两种方法在器件制作过程中采用的技术对于大面积器件而言均匀性较差，同时，为了提高器件的阈值电压都会损害到势垒层，造成制作器件的导通电阻变大。栅下插入P-GaN层的方法由于高浓度的P型掺杂较难实现，所以制作的器件阈值电压较小且不稳定。因此。常关型HEMT器件的制作中面对的问题是如何能保证器件在具有稳定的、大的阈值电压的前提下还能保证器件具有低导通电阻、低漏电和高的击穿电压。
发明内容
[0006] 为了解决上述
现有技术中存在的问题，本发明提出一种场板下方具有蜂窝凹槽势垒层结构的常关型HEMT器件及其制备方法，能够实现HEMT器件稳定的、大的阈值电压和低导通电阻的常关型操作，同时有效降低器件的关态漏电和提高器件的击穿电压。
[0007] 技术方案如下：
[0008] 一种场板下方具有蜂窝凹槽势垒层结构的常关型HEMT器件，在半导体衬底上依次生长
缓冲层、i-GaN层、插入层、势垒层和栅介质层，所述势垒层局部区域刻蚀有若干蜂窝凹槽，所述i-GaN层一侧刻蚀成阶梯层，在所述阶梯层上设置源
电极，所述i-GaN层另一侧设置漏电极，所述势垒层上方设置栅介质层，所述栅介质层一端与所述漏电极
接触连接、另一端
覆盖并生长到所述蜂窝凹槽中、并且延伸至所述源电极，所述栅介质层上方、在所述蜂窝凹槽对应区域设置栅电极，所述栅电极向所述源电极方向延伸。
[0009] 进一步的，所述衬底为Si，所述缓冲层为GaN，所述插入层为AlN或者Al组分的AlGaN，所述势垒层为AlGaN，所述栅介质层为Al2O3或Si3N4。
[0010] 进一步的，所述蜂窝凹槽区宽度为2.5um，每个方形凹槽边长为300nm，间距200nm。
[0011] 进一步的，所述源电极和漏电极为Ti/Al/Ni/Au复
合金属结构，所述栅电极为Ni/Au复合金属结构。
[0012] 本发明还包括一种场板下方具有蜂窝凹槽势垒层结构的常关型HEMT器件制备方法，步骤如下：
[0013] S1、在衬底上依次生长缓冲层、i-GaN层、插入层和势垒层；
[0014] S2、采用ICP刻蚀法或离子注入法对器件进行隔离；
[0015] S3、采用ICP设备，利用Cl基气体对源区进行深刻蚀、对场板下方蜂窝凹槽进行浅刻蚀；
[0016] S4、采用
电子束蒸发法沉积金属结构形成源电极和漏电极，在氮气中进行
退火处理，形成
欧姆接触；
[0017] S5、采用ALD或PECVD的方法生长Al2O3或Si3N4介质层；
[0018] S6、采用
电子束蒸发法沉积金属结构形成栅电极，栅电极覆盖蜂窝凹槽后向漏极方向延伸形成场板；
[0019] S7、采用PECVD的方法沉积
钝化层，对各电极区域
腐蚀钝化层开窗口引线。
[0020] 进一步的，步骤S3中，源区刻蚀深度为300nm-800nm，场板下方凹槽区域刻蚀深度为5nm-20nm。
[0021] 进一步的，步骤S4中，所述金属结构为Ti/Al/Ni/Au复合金属结构。
[0022] 进一步的，步骤S5中，所述介质层的厚度为10nm-50nm。
[0023] 进一步的，步骤S6中，所述金属结构为Ni/Au复合金属结构。
[0024] 本发明的有益效果是：
[0025] 本发明所述的场板下方具有蜂窝凹槽势垒层结构的常关型HEMT器件及其制备方法中，由于场板下方刻蚀形成的多个蜂窝凹槽结构会减小凹槽下方的二维电子气浓度，在器件关态下可形成局部高阻区，从而削弱栅极边缘峰值电场、分担器件压降，最后提高器件耐压能力；同时由于蜂窝凹槽刻蚀深度较浅，对二维电子气沟道界面的损伤很小，因此可以使器件同时保持较低的通态导通电阻。
[0026] 通过对场板下方势垒层进行浅刻蚀从而耗尽其下方2DEG，有效减小器件的漏电，同时由于介质层的插入可以分担一部分栅区压降使得器件的击穿电压能够提升。保留纵向栅结构能够保证器件具有稳定阈值电压和低导通电阻的常关型操作。对比传统的横向HEMT器件，该器件可以实现常关型操作，且具有稳定的阈值电压。由于阈值电压大小的控制不是由源区势垒层刻蚀深度所控制，所以对刻蚀工艺稳定性的要求较低，受刻蚀不均匀引起的影响很小。由于该器件蜂窝凹槽刻蚀深度较浅，对2DEG的沟道的影响很小，所以器件的输出电流不会受到影响，同时该器件的制作工艺稳定且可控，有利于实现低漏电、高击穿电压的纵向栅结构的常关型特性，有效减小了器件的
开关损耗。
附图说明
[0027] 图1是本发明提出的一种场板下方具有蜂窝凹槽势垒层结构的常关型HEMT器件截面示意图；
[0028] 图2是本发明提出的一种场板下方具有蜂窝凹槽势垒层结构的常关型HEMT器件俯视示意图；
[0029] 图3是本发明具体
实施例工艺流程示意图；
[0030] 图4是本发明器件转移特性曲线示意图；
[0031] 图5是本发明器件击穿特性曲线示意图。
具体实施方式
[0032] 下面结合附图1-5对场板下方具有蜂窝凹槽势垒层结构的常关型HEMT器件及其制备方法做进一步说明。
[0033] 实施例1
[0034] 一种场板下方具有蜂窝凹槽势垒层结构的常关型HEMT器件，在半导体衬底上依次生长缓冲层、i-GaN层、插入层、势垒层和栅介质层，所述势垒层局部区域刻蚀有若干蜂窝凹槽，所述i-GaN层一侧刻蚀成阶梯层，在所述阶梯层上设置源电极，所述i-GaN层另一侧设置漏电极，所述势垒层上方设置栅介质层，所述栅介质层一端与所述漏电极接触连接、另一端覆盖并生长到所述蜂窝凹槽中、并且延伸至所述源电极，所述栅介质层上方、在所述蜂窝凹槽对应区域设置栅电极，所述栅电极向所述源电极方向延伸。
[0035] 所述衬底为Si，所述缓冲层为GaN，所述插入层为AlN或者Al组分的AlGaN，所述势垒层为AlGaN，所述栅介质层为Al2O3或Si3N4。所述蜂窝凹槽区宽度为2.5um，每个方形凹槽边长为300nm，间距为200nm。所述源电极和漏电极为Ti/Al/Ni/Au复合金属结构，所述栅电极为Ni/Au复合金属结构。
[0036] 本发明提出了一种场板下方具有蜂窝凹槽势垒层结构的常关型HEMT器件新方案。器件结构示意图如图1、2所示，其中图1为器件的截面示意图，图2为器件介质层沉积之前的俯视示意图。图1中Drain为漏极，Source为源极，Gate为栅极。
[0037] 在不损害沟道的可控范围内通过刻蚀场板下方势垒层区域(刻蚀深度为5-20nm)，将介质层生长到孔洞中，起到耗尽场板下方二维电子气的作用，有效的减小了器件的漏电，同时介质层的插入能够分担一部分电压，提高器件的击穿电压。本方案的重点在于场板下方势垒层的刻蚀区域是蜂窝凹槽结构且刻蚀深度较浅，不会对2DEG的沟道造成损伤以保证器件的输出电流不受到影响，而且对刻蚀的工艺要求较低，只需起到减薄势垒层的作用即可。相对于常规的常关型HEMT器件，本方案制作的器件工艺简单且稳定。因此，本方案制作的常关型HEMT器件在具有稳定大的阈值电压和低导通电阻的前提下，还具有较低的关态漏电和较高的击穿电压。
[0038] 本
专利申请目标器件的实现过程说明如下：
[0039] a)
外延生长：在Si片上外延生长AlGaN/GaN外延层。
[0040] b)器件隔离：采用ICP刻蚀或离子注入的方式对器件进行隔离。
[0041] c)源区和场板区刻蚀：采用ICP设备，利用Cl基气体对源区进行深刻蚀、对场板下方蜂窝凹槽进行浅刻蚀。其中源区刻蚀300-800nm的深度，场板下方凹槽刻蚀5-20nm的深度，不刻透势垒层。
[0042] d)源漏极欧姆接触制作：采用电子束蒸发沉积Ti/Al/Ni/Au等复合金属结构，在氮气中进行退火处理，形成良好的欧姆接触，同时退火处理可以对栅下刻蚀区域进行一定的修复。
[0043] e)栅介质层沉积：采用ALD或PECVD的方法生长高
质量Al2O3或Si3N4介质层，介质层厚度为10～50nm。
[0044] f)栅电极制备：采用电子束蒸发沉积Ni/Au制作栅电极，栅电极覆盖蜂窝凹槽后向漏极方向延伸0.2-1um形成场板，蜂窝凹槽区宽度为0.5-5um，方形凹槽边长为100-500nm，间距50-500nm。
[0045] g)器件钝化层沉积与电极窗口开启：采用PECVD沉积100-500nm钝化层，对各电极区域腐蚀钝化层开窗口引线。
[0046] 实施例2
[0047] 本实施例目标器件的具体实施例制作流程说明如下：
[0048] a)外延生长：在Si衬底上外延生长AlGaN/GaN外延层，所述外延层从下向上依次是GaN缓冲层、i-GaN层、AlN插入层和AlGaN势垒层。
[0049] b)器件隔离：样品
光刻显影后，采用ICP设备利用Cl基气体对样品进行800nm深度的刻蚀。
[0050] c)源极区域的刻蚀：样品光刻显影后，采用ICP设备利用Cl基气体对源区进行500nm深度的刻蚀，在此过程中通过优化ICP刻蚀功率和气体流量来保证刻蚀台阶
侧壁相对光滑。
[0051] d)场板区域浅刻蚀：样品光刻显影后，采用ICP设备，利用Cl基气体对场板区域蜂窝凹槽进行15nm深度的浅刻蚀，在此过程中通过优化刻蚀工艺的参数减小刻蚀损伤。
[0052] e)源漏极欧姆接触制作：样品光刻显影后，采用电子束蒸发沉积Ti/Al/Ni/Au(20/120/45/55nm)复合金属结构，在850℃氮气中退火30s，形成欧姆接触。
[0053] f)栅介质层沉积：采用ALD方法生长高质量Al2O3介质层，介质层厚度为30nm。
[0054] g)栅电极和场板制备：采用电子束蒸发沉积Ni/Au(100/55nm)制作栅电极，栅电极覆盖蜂窝凹槽后向漏极方向延伸0.5um形成场板，蜂窝凹槽区宽度为2.5um，方形凹槽边长为300nm，间距200nm。
[0055] h)器件钝化层沉积与电极窗口开启：采用PECVD的方法沉积500nm SiO2钝化层，通过光刻显影，对各电极区域腐蚀钝化层开窗口、引线制作焊盘。
[0056] 实施例中器件结构尺寸如下：漏电极和场板之间的距离为8um，宽度为1000um，i-GaN层的厚度为4um，势垒层为AlGaN，厚度为20nm，Al组分为0.25。图4和图5分别给出了本专利实施例中器件结构的转移特性曲线和关态击穿特性曲线。从中可以看出本发明实施例中器件能够保持大的阈值电压和开启电流，同时获得更大的关态击穿电压。
[0057] 本发明技术的关键点在于栅极相连场板区域的设计，蜂窝凹槽场板结构不仅对其下2DEG有耗尽作用，能够减小关态下的漏电，同时介质层的插入又能起到分压的作用，提高器件的击穿电压。同时本方案中场板下方势垒层的刻蚀深度较浅，刻蚀带来的损伤对2DEG沟道的破坏作用很小，不会影响器件的输出电流。由于该器件的制作对源区刻蚀工艺的要求很低，整体器件制作的工艺稳定且可控，所以在制作大面积器件时器件的均匀性很好。
[0058] 以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉
本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明技术方案对现有的功率器件制作是个重要的技术补充。本发明所述的实施例并非对本发明内容进行限定，其他具有2DEG的异质结HEMT器件都适用于本发明提案涉及范围。任何其他欧姆接触电极制作工艺(包括不同的金属选择、沉积方法、退火条件)、
台面刻蚀工艺或者势垒层浅刻蚀工艺，在基于实现本发明所述保持良好电流导通能力并减小关态漏
电能力和提高击穿电压功能目的下，都适用于本发明提案设计范围。场板下方势垒层的刻蚀也可以是条形、圆形孔洞或其他形状。同样的，材料结构参数和电极尺寸的改变或等同替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
