技术领域
[0001] 本
发明是关于
半导体技术的氮化镓基器件领域，具体涉及一种基于氮化镓盖帽层为掩模的自停止凹槽栅氮化镓基增强型器件的制备方法。
背景技术
[0002] 以AlGaN/GaN为材料
基础的器件统称为氮化镓基器件，例如AlGaN/GaN
异质结场效应管(heterostructure field effect transistors,HFET)，
异质结双极晶体管(heterostructure bipolar transistor,HBT)等。氮化镓基器件具有击穿场强大、
电子迁移率高、饱和速度大等优点，被认为是下一代功率
开关器件的有
力竞争者，近年来备受研究者青睐。
[0003] 由于较强的自发极化和压
电极化效应，氮化镓基器件一般为耗尽型器件。但是作为功率开关器件，为了能够减低功耗同时减小
电路应用中的设计复杂度，对于氮化镓器件而言，能够实现增强型是非常有意义的。但是在现有的实现氮化镓基器件增强型的方法中，可控制性、可操作性和可重复性一般都比较差，因而不利于工业化生产。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供一种基于氮化镓盖帽层为掩模的自停止凹槽栅氮化镓基增强型器件的制备方法，由于采用氮化镓盖帽层为掩模，简化了制备工艺，降低了制备成本，同时凹槽栅结构的制备过程可以实现自停止，从而具有很高的可操作性和可重复性，更利于工业化生产。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0006] 一种基于氮化镓盖帽层掩模的自停止凹槽栅氮化镓基增强型器件的制备方法，其步骤如图1所示，包括：
[0007] 1)在氮化镓基表面
光刻器件区域，
刻蚀非器件区域；
[0008] 2)在上述氮化镓基表面涂敷
光刻胶，并光刻凹槽栅区域图形；
[0009] 3)刻蚀凹槽栅区域的氮化镓盖帽层并去除剩余光刻胶；
[0010] 4)对所述氮化镓基表面在高温条件下进行
氧化处理；
[0011] 5)将氧化处理后的氮化镓基表面置于
腐蚀性溶液中进行腐蚀；
[0012] 6)对氮化镓基表面淀积栅绝缘层；
[0013] 7)在上述栅绝缘层上涂敷光刻胶光刻源漏区域，刻蚀源漏区域的栅绝缘层并制备欧姆
接触；
[0014] 8)制备栅金属。
[0015] 进一步地，步骤1)中采用的氮化镓基材料主要包括表面具有氮化镓盖帽层的AlGaN/GaN、InGaN/GaN、InAlGa/GaN等异质结材料。
[0016] 进一步地，步骤1)所述光刻采用AZ5214等材质的光刻胶，光刻方式为接触式光刻等。所述刻蚀非器件区域的方法主要为
干法刻蚀，刻蚀深度在150到200纳米之间。所述刻蚀的方法包括但不限于：RIE(反应离子刻蚀，Reactive Ion Etching)处理。
[0017] 进一步地，步骤2)所述光刻胶可以采用AZ5214等材质；所述光刻采用接触式光刻等方式。
[0018] 进一步地，步骤3)所述刻蚀方法包括但不限于：RIE(反应离子刻蚀，Reactive Ion Etching)处理。
[0019] 进一步地，步骤4)通过快速
退火炉或管式
退火炉进行所述氧化处理，氧化
温度为590-650℃，时间为40min-80min不等。
[0020] 进一步地，步骤5)所述腐蚀性溶液为
碱性溶液：氢氧化
钾溶液或氢氧化钠溶液：其
质量浓度为10％-70％，其温度为50-90℃，腐蚀时间为45min-60min不等；
[0021] 进一步地，步骤6)所述绝缘层为但不限于Al2O3、SiO2、SiN等。
[0022] 进一步地，步骤6)所述绝缘层淀积方法包括但不限于：ALD(
原子层淀积，Atom Layer Deposition)；热氧化；PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，
等离子体增强
化学气相沉积)、ICP-CVD(Inductively Coupled Plasma Chemical Vapor Deposition,电感耦合等离子体化学气相淀积)、光学
薄膜沉积；优选采用ALD方法。
[0023] 进一步地，步骤7)所述光刻胶为AZ5214等材质，采用接触式光刻方式；所述刻蚀方法包括但不限于：1)BOE(Buffer Oxide Etch，缓冲蚀刻液)溶液浸泡处理，可调整浓度范围；2)HF(
氢氟酸)溶液浸泡处理，可调整浓度范围；3)HCl(
盐酸)溶液浸泡处理，可调整浓度范围。
[0024] 进一步地，步骤7)所述
欧姆接触淀积金属为但不限于
钛铝镍金，退火温度在850-900℃，时间为30-35秒，淀积欧姆接触的方法为但不限于
电子束蒸发。
[0025] 进一步地，步骤8)首先涂敷光刻胶，并光刻栅金属图形，然后淀积栅金属；所述光刻胶为AZ5214等材质，采用接触式光刻方式。所述栅金属为但不限于镍金，淀积栅金属的方式为但不限于
电子束蒸发。
[0026] 本发明的凹槽栅氮化镓基增强型器件，凹槽栅制备中以氮化镓盖帽层为掩模，简化了氮化镓增强型器件的制备工艺，降低了制备成本，同时凹槽栅结构的制备过程可以实现自停止，提供了一种简单且具有很高的可操作性和可重复性氮化镓增强型器件的制备方法，为实现氮化镓增强型器件的工业化生产提供了一种很好的方法。该方法制备的氮化镓基增强型器件性能优异，
阈值电压为4.4V，最大
电流为135mA/mm，更利于工业化生产。
附图说明
[0027] 图1是本发明的凹槽栅增强型氮化镓基器件的制备步骤
流程图。
[0028] 图2是
实施例中凹槽栅增强型氮化镓基器件的制备步骤流程图。
[0029] 图3是实施例中未经过氧化腐蚀过程的氮化镓盖帽层表面形貌图。
[0030] 图4是实施例中经过氧化腐蚀过程的氮化镓盖帽层表面形貌图。
[0031] 图5是实施例中增强型器件的转移特性曲线图。
[0032] 图6是实施例中增强型器件的输出特性曲线图。
具体实施方式
[0033] 下面通过具体实施例并配合附图，对本发明做详细的说明。
[0034] 本发明可实现基于氮化镓盖帽层掩模自停止刻蚀的凹槽栅氮化镓基增强型器件的原理是：在AlGaN/GaN、InGaN/GaN、InAlGa/GaN等氮化镓基材料中，由于GaN比AlGaN等其他材料层具有更高的抗氧化特性，在氧化处理时，以GaN盖帽层为掩模，使暴露出的AlGaN等材料层被氧化而不影响其其他区域的AlGaN以及AlGaN下面的GaN层，形成的氧化物容易被KOH等碱性溶液腐蚀，同时该碱性溶液对GaN层没有任何影响，因而可以使GaN盖帽层起到很好的掩模作用，同时实现自停止刻蚀凹槽栅结构。这种结构能够大大降低凹槽栅区域的二维电子气浓度，因而可以实现氮化镓基增强型器件。
[0035] 以具有GaN盖帽层的氮化镓材料AlGaN/GaN为例，由于GaN比AlGaN的具有更高的抗氧化特性，在温度为650℃时，以GaN盖帽层为掩模，只有暴露的AlGaN层被氧化而不影响其他被GaN盖帽层保护的AlGaN以及AlGaN层下面的GaN层，在经过45min氧化后AlGaN层已全部被氧化，形成的氧化物为Al2O3和Ga2O3，这些氧化物是很容易被70℃时的KOH溶液腐蚀的，同时KOH溶液对GaN层也没有任何影响，因而可以使GaN盖帽层起到很好的掩模作用，同时实现自停止刻蚀凹槽栅结构。这种结构能够大大降低凹槽栅区域的二维电子气浓度，因而可以实现氮化镓基增强型器件。
[0036] 图1是本实施例的氮化镓基器件凹槽栅结构的步骤流程图。下面以AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HMET)为例，对该方法进行具体说明。该凹槽栅的制备步骤包括：
[0037] 1)在GaN基表面涂敷光刻胶，光刻有源区图形。
[0038] 本实施例采用的是隔离版图，采用的光刻胶是AZ5214；采用接触式光刻方法进行光刻。
[0039] 2)在所述GaN表面刻蚀非有源区，刻蚀深度在150nm-200nm。
[0040] 本实施例的目的是形成隔离岛，使得各个器件之间不相互影响。
[0041] 3)除去剩余光刻胶。采用有机清洗的方法去除光刻胶，
溶剂为丙
酮、异丙醇等
有机溶剂。
[0042] 4)在整个GaN表面上涂敷光刻胶(包括有源区和非有源区)，并光刻待做凹槽栅结构图形。
[0043] 本实施例采用的版图是凹槽栅结构版图，采用的光刻胶是AZ5214；采用接触式光刻方法进行光刻。
[0044] 5)刻蚀待做凹槽栅区域表面的GaN盖帽层。
[0045] 该步骤的目的是刻蚀掉待做凹槽栅部分GaN盖帽层掩模层，使待做凹槽栅部分的AlGaN暴露，便于后续的氧化，而非凹槽区域的GaN盖帽层由于有光刻胶的保护，不会被刻蚀掉。该步骤采用RIE(反应离子刻蚀)方法进行刻蚀。
[0046] 6)除去剩余光刻胶。采用有机清洗的方法去除光刻胶，溶剂为丙酮、异丙醇等有机溶剂。
[0047] 7)将步骤6)所得GaN基表面放于纯氧气环境下的管式退火炉中进行氧化处理。
[0048] 前面六步的目的是在样片氧化前，将不需要氧化的区域用GaN盖帽层保护起来，需要氧化的区域裸露出来，在该步骤中进行氧化。氧化的温度设定为650℃，时间为45min。
[0049] 8)将氧化处理后的GaN基表面浸泡于氢氧化钾溶液进行腐蚀，形成凹槽。
[0050] 该步骤中，氢氧化钾溶液的温度恒定为70℃；其中饱和氢氧化钾溶液和
水的体积比例为1:4，换算成质量浓度为19.7％；腐蚀时间为45分钟。由于氧化腐蚀过程只对凹槽部分暴露的AlGaN部分起作用，对凹槽部分AlGaN下面的GaN以及非凹槽区域的AlGaN上面的GaN盖帽层没有影响，因而可以实现凹槽栅结构的自停止刻蚀。
[0051] 9)在整个GaN基表面采用ALD(原子层淀积)的方法淀积厚度为15nm的Al2O3。
[0052] 本步骤的目的是为增强型器件做栅绝缘层。
[0053] 10)在整个GaN基表面涂敷光刻胶，光刻源漏欧姆接触图形。
[0054] 本实施例采用的是欧姆接触版图，采用的光刻胶是AZ5214/LOR10A；采用接触式光刻方法进行光刻。
[0055] 11)刻蚀所述源漏欧姆接触下的Al2O3。
[0056] 本步骤的目的是为做欧姆接触做准备。
[0057] 12)在 所 述GaN基 表 面的 源 漏 欧 姆 接触 区 域 淀 积 金属 Ti/Al/Ni/Au(20/160/50/100nm),剥离退火后形成欧姆接触。
[0058] 本步骤的目的是淀积欧姆接触金属，形成源漏欧姆接触；退火温度为880度，时间为30秒。
[0059] 13)在整个GaN基表面涂敷光刻胶，并光刻栅金属图形。
[0060] 本实施例采用的版图是栅金属版图，采用的光刻胶为AZ5214；采用接触式光刻方法。
[0061] 14)在上述表面上淀积Ni/Au(50/100nm)，剥离后形成栅金属。
[0062] 本步骤的目的是形成栅金属。
[0063] 氮化镓盖帽层掩模的有效性可以从以下两方面可以验证：一是在经过了步骤7)中650℃，45min热氧化和步骤8)中70℃，45min KOH腐蚀后，氮化镓盖帽层表面的形貌没有发生明显变化，图3是未经过氧化腐蚀过程的氮化镓盖帽层表面形貌，图4是经过氧化腐蚀过程的氮化镓盖帽层表面形貌；二是在经过了650℃45min热氧化和70℃45min KOH腐蚀后，氮化镓盖帽层下的二维电子气的
方块电阻没有明显退化。
[0064] 图5为所得增强型器件的转移特性曲线，其横坐标为栅源电压(Vgs)，左边纵坐标为
漏电流(Id)，右边纵坐标为跨导(gm)。图6为所得增强型器件的输出特性曲线，其横坐标为漏源电压(Vds)，纵坐标为漏电流(Id)。从图5、6可以看出，本实施例中的器件阈值电压为4.4V，最大电流为135mA/mm，证明氮化镓盖帽层可以有效作为制作氮化镓增强型器件的掩模。
[0065] 上述实施例中氮化镓基材料为AlGaN/GaN，在其他实施例中还可以采用InGaN/GaN、InAlGa/GaN等氮化镓基材料。
[0066] 上述实施例中，步骤7)通过氧化炉进行氧化处理时，温度可在590-650℃范围内调整，时间为40min-80min。
[0067] 上述实施例中，步骤8)除氢氧化钾溶液外，还可以采用氢氧化钠溶液等，进行腐蚀处理的参数可以在如下范围内调整：溶液质量浓度为10％-70％，其温度为50-90℃，腐蚀时间为45min-60min。
[0068] 上述实施例中，步骤9)所述淀积栅绝缘层除了Al2O3外，还可以采用SiO2、SiN等。所述淀积方法除了ALD外，还可以采用热氧化方法、光学薄膜沉积等方法。
[0069] 上 述 实 施 例 中，步 骤 12) 所 淀 积 的 欧 姆 接 触 金 属 Ti/Al/Ni/Au(20/160/50/100nm)，厚度可以适当改变，另外金属也可以为Ti/Al/Mo/Au等。退火温度和时间也可以适当调整。
[0070] 上述实施例中，步骤14)所述金属Ni/Au(50/100nm)，厚度可以适当改变，同时可以采用Pt/Au等。
[0071] 上述实施例中，步骤12)和步骤14)所述淀积方法除了电子束蒸发外，还可以采用溅射等方法。
[0072] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行
修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以
权利要求所述为准。
