AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管及其制作方法

摘要

本发明公开了一种AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管及其制作方法，它涉及到微电子技术领域，主要解决器件工作频率低和抗辐照性能差的问题。该器件按生长顺序依次包括GaN缓冲层、本征GaN层、Al0.3Ga0.7N层、GaN冒层和源、漏、栅电极，其中栅电极采用透明的ZnO，该ZnO栅电极的下面蒸发有Ni金属粘合层，两侧有SiN保护层。该ZnO栅电极中掺杂有Al2O3，且ZnO栅电极的长度与源、漏电极之间的距离相等。本发明器件的制作过程依次是：先进行外延材料生长；再制作ZnO栅电极，最后利用自对准的方法在ZnO栅电极的两侧制作源漏电极。本发明具有频率特性高和抗辐照特性好的优点，可作为高频和高速电路中的电子元件。

权利要求

1.一种AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的制作方法，包括如下步骤：(1)在蓝宝石基片上，利用MOCVD工艺，依次生长GaN缓冲层、本征GaN层、Al0.3Ga0.7N层和GaN冒层；

(2)在生长的GaN冒层表面依次涂剥离胶和光刻胶，并光刻出栅区域；

(3)在栅极区域采用电子束蒸发Ni，形成10-30nm厚的Ni金属层；

(4)在Ni金属层上溅射出100-400nm厚的ZnO层，之后对其进行剥离，形成透明的ZnO栅条；

(5)在含有ZnO栅条的基片表面上，采用PECVD的工艺淀积SiN钝化层；

(6)采用RIE刻蚀工艺干法刻蚀ZnO栅条两侧外的SiN钝化层，形成ZnO栅条两侧的隔离侧墙保护层；

(7)以具有侧墙的ZnO栅电极为基准，采用自对准方法，对GaN冒层和Al0.3Ga0.7N层进

15 2 +

行剂量为1-9×10 /cm 的Si 注入，形成掺杂的源漏电极图形区域；

(8)采用电子束蒸发工艺，在掺杂的源漏电极图形区蒸发欧姆接触金属Ti/Al/Ni/Au，并进行500℃退火，形成源漏电极。

2.根据权利要求1所述的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的制作方法，其中步骤(4)所述的在Ni金属层上，溅射一层掺4％的Al2O3的ZnO薄膜，是采用磁控溅射的方法将靶材为掺有4％Al2O3的ZnO粉末，在压强为1-3Pa，衬底温度为220-270℃，溅射功率为30-80W的条件下，预溅射ZnO15分钟，以清洁靶材表面和使系统稳定；再在99.9999％的高纯氩气气氛中进行溅射，形成100-400nm厚的ZnO栅电极层。

说明书

AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管及其制作方法

技术领域

[0001] 本发明属于微电子技术领域，涉及半导体器件，具体的说是一种采用透明物质ZnO作栅和源漏自对准技术的短沟道AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的结构及实现方法，主要用于作为高速器件和高频器件。

背景技术

[0002] 与其他半导体材料的参数比较，GaN材料具有明显的优点，其禁带宽度最宽，饱和电子速度也优于其他半导体材料，并具有很大的击穿场强和较高的热导率。电荷载流子速度场特性是器件工作的基础，高饱和速度导致大电流和高频率，高的击穿场强对器件大功率应用至关重要，同时，由于GaN基材料与生俱来的极化特性，AlGaN/GaN异质结本身就存在高浓度二维电子气沟道，所以GaN材料是制造高温高频及大功率器件的优选材料。在GaN材料适合制作的功率器件中，AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管是最具代表性的典型器件。自1993年人们制作出第一支HEMT样管至今，高电子迁移率晶体管已得到了很大的发展。2001年Vinayak Tilak等人制造的SiC衬底AlGaN/GaN HEMT获得了10.7W/mm@10GHz和6.6W/mm@20GHz的功率密度。参见文献Moon J S，Micovic M，Janke P，Hashimoto P，et al，“GaN/AlGaN HEMTs operating at20GHz with continuous-wave power density＞6W/mm”，Electron.Lett，2001，37(8)：528和Kumar V，Lu W，Khan F A，et al.“High performance
0.25μm.gate-lengthAlGaN/GaN HEMTs on sapphire with transconductance of over
400mS/mm”，Electronics Letters，2002，38(5)：252。后来人们研制出功率密度达到11.7W/mm@10GHz的SiC衬底AlGaN/GaN HEMT器件。在HEMT发展过程中，人们发现AlGaN/GaN HEMT特性的进一步提高紧密依赖于材料特性的改善和器件沟长及寄生电阻的减小。

[0003] 为了减小源漏寄生电阻，Ching-Hui Chen et al.对i-GaN源漏区域进行了n+-GaN的再生长，从而降低了源漏区域及欧姆接触电阻接触。参见文献Chen C H，Keller S，Parish G，et al，“High-transconductance self-aligned AlGaN/GaNmodulation-doped field-effect transistors with regrown ohmic contacts”，AppliedPhysics Letters，1998，73(21)：3147。

[0004] 另一个减小寄生电阻的有效途径为减小沟道长度，同时沟道长度的减小对提高HEMT器件的频率特性有着非常重要的意义。沟道长度越小，器件速度越快，相应频率越高。短沟道器件在快速的数字电路以及高频大功率电路中都得到了广泛的应用，因此，人们希望能进一步减小AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的沟道长度。在目前的工艺流程中，大部分采用传统的套刻技术来研制短沟道的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管器件。虽然工艺技术上较为成熟，但由于存在套刻精度低，栅长尺度低，很难在纳米尺度下应用并进一步提升器件的高频特性。Lee J.at al.采用T型栅对源漏进行了自对准金属淀积，从而得到
0.25μm栅长的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管。该器件表现出较好的关断特性，通过测量得到跨导Gm为146mS/mm，器件截止频率fT为38.8GHz，最大振荡频率fmax为130GHz。与截止频率fT为15GHz，最大振荡频率fmax为35GHz的非自对准工艺器件相比，自对准工艺使器件频率特性得到大幅提高。参见文献Lee J，Liu D，Kim H，et al.“Self-aligned AlGaN/GaN high electron mobility transistors”，Electronics Letters，2004，40(19)。

[0005] 然而，这种再生长的方法在器件的生成过程中引入了多个附加工艺步骤，将器件的生长工艺复杂化，且在原生长与再生长材料界面易形成缺陷。因此，可以采用源漏注入掺杂杂质的方法来代替再生长掺杂材料。而对于T型栅的源漏自对准方法采用的先栅后源漏的制作顺序，是以750℃的高温应力来改善肖特基栅特性为基础的。然而，其很多研究者发现，欧姆接触的高温退火会严重影响肖特基栅特性，甚至会使栅金属最终形成欧姆接触，从而造成器件工艺的完全实效。

[0006] 采用ZnO来作为栅电极的高电子迁移率晶体管，可以解决欧姆接触高温退火与肖特基栅特性退化相矛盾这个问题。同时，又能采用自对准源漏注入的制作方法，对源漏区域注入高剂量的Si，形成n型AlGaN，由于源漏区域的重掺杂，可以适当降低退火温度，而同样形成高质量的欧姆接触。较低的退火温度不会影响肖特基栅的质量，从而使肖特基栅系统具有更大的调节空间。此时重掺杂的源漏区域和源漏电极可以看作一个导电整体，从而得到的实际沟长与栅电极长度基本相等，提高了器件的频率特性，改善了器件的抗辐照特性。

发明内容

[0007] 本发明目的在于克服上述已有技术的缺点，提出一种AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管及其制作方法，以减小沟道长度，提高器件频率特性，改善器件的抗辐照特性，使器件更易进行缺陷分析。

[0008] 为实现上述目的，本发明的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管包括GaN缓冲层、本征GaN层、20nm的Al0.3Ga0.7N层、2nm的GaN冒层和源、漏、栅电极，其中栅电极采用透明的ZnO，该ZnO栅电极的下面蒸发有Ni金属粘合层，两侧有SiN保护层。

[0009] 所述的ZnO栅电极中掺杂有Al2O3。

[0010] 所述的ZnO栅电极的长度与源、漏电极之间的距离相等。

[0011] 为实现上述目的，本发明的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管制作方法，包括如下步骤：

[0012] (1)在蓝宝石基片上，利用MOCVD工艺，依次生长低温GaN层、本征GaN层、Al0.3Ga0.7N层和GaN层；

[0013] (2)在生长的GaN材料表面依次涂剥离胶和光刻胶，并光刻出栅区域；

[0014] (3)在栅极区域采用电子束蒸发Ni，形成10-30nm厚的Ni金属层；

[0015] (4)在Ni金属层上溅射出100-300nm厚的ZnO层，之后对其进行剥离，形成透明的ZnO栅条；

[0016] (5)在含有ZnO栅条的基片表面上，采用PECVD的工艺淀积SiN钝化层；

[0017] (6)采用RIE刻蚀工艺干法刻蚀ZnO栅条两侧外的SiN钝化层，形成ZnO栅条两侧的隔离侧墙；

[0018] (7)以具有侧墙的ZnO栅电极为基准，采用自对准方法，对GaN和Al0.3Ga0.7N层进行Si注入，形成掺杂的源漏电极图形区域；

[0019] (8)采用电子束蒸发工艺，在掺杂的源漏电极图形区蒸发欧姆接触金属Ti/Al/Ni/Au，并进行500℃退火，形成源漏电极。

[0020] 本发明与现有技术相比具有如下优点：

[0021] (1)本发明的器件由于采用了透明的ZnO作为栅电极，因而能够有效的减少沟道的长度，提高了器件的频率特性，改善了器件的抗辐照特性。

[0022] (2)本发明的器件由于对ZnO栅电极进行Al掺杂，进一步提高了ZnO栅电极的导电率。

[0023] (3)本发明由于采用ZnO作为栅电极，因此能够对源漏区域实现自对准，有效实现工艺控制的精度，使器件沟道长度与栅长基本相等，提高器件的可靠性。

附图说明

[0024] 图1是本发明器件的剖面结构示意图；

[0025] 图2是本发明器件的制作工艺流程示意图；

[0026] 图3是本发明器件的栅电极制作工艺流程图；

[0027] 图4是本发明器件的源漏电极制作工艺流程图。

[0028] 参照图1，本发明器件的最下层为蓝宝石衬底，蓝宝石衬底上为GaN缓冲层、本征GaN层、20nm的Al0.3Ga0.7N层和2nm的GaN冒层，本征GaN层和Al0.3Ga0.7N层间形成二维电子气。GaN冒层上蒸发有金属Ni层，Ni金属层上溅射有Al掺杂的透明ZnO栅电极，栅电极的两侧有SiN保护层，该两侧SiN的外侧分别蒸发形成源漏电极。该ZnO栅电极的长度与源、漏电极之间的距离相等。

[0029] 参照图2，本发明器件的制作给出以下三种实施例。

[0030] 实施例1，本发明器件的制作，包括如下步骤：

[0031] 步骤1.外延材料生长。

[0032] 参照图1和图2，本步骤的具体实现如下：

[0033] (101)在蓝宝石衬底基片上，利用MOCVD工艺，生长GaN缓冲层；

[0034] (102)在GaN缓冲层上，生长本征GaN层；

[0035] (103)在本征GaN层上，生长20nm厚的Al0.3Ga0.7N层；

[0036] (104)在Al0.3Ga0.7N层上，生长2nm厚的GaN冒层。

[0037] 步骤2.栅电极制作。

[0038] 参照图1和图3，本步骤的具体实现如下：

[0039] (201)在生长的GaN材料表面光刻出栅电极图形。为了更好地剥离金属，首先在样片上甩黏附剂，转速为8000转/min，时间为30s，在温度为160℃的高温烘箱中烘20min；然后再在该样片上甩正胶，转速为5000转/min，最后在温度为80℃的高温烘箱中烘10min，光刻获得栅电极图形；

[0040] (202)采用DQ-500等离子体去胶机去除栅电极图形区未显影干净的光刻胶薄层，以提高剥离的成品率；再利用VPC-1000电子束蒸发设备淀积30nm的Ni金属层；采用磁控溅射的方法将靶材为掺有4％的Al2O3的ZnO粉末进行ZnO栅电极的淀积。在压强为3Pa，衬底温度为270℃，溅射功率为80W的条件下，预溅射ZnO电极15分钟，以清洁靶材表面和使系统稳定，再在99.9999％的高纯氩气气氛中进行溅射，形成100nm的ZnO栅电极层；

[0041] (203)将样片放入到丙酮中浸泡40min以上后进行超声处理，去除了非栅区域的金属层，然后用氮气吹干；

[0042] (204)采用PECVD设备对器件进行表面SiN钝化；

[0043] 首先，将样片放入丙酮超声2min，其后在乙醇中超声1min，再在超纯水中冲洗1min，而后用氮气吹干；

[0044] 接着，采用DQ-500等离子体去胶机对样片进行底膜处理，氧气流量为3L/min，射频功率为150W，辉光时间为10秒，再用稀盐酸对样片表面进行处理，最后用超纯水冲洗，用氮气吹干；

[0045] 最后，将样品放入到PECVD的腔体中，通入含量为2％的SiH4气体200sccm，氨气3sccm，氦气200sccm，在压强为600mT，温度为250℃的条件下，淀积厚度为200nm的氮化硅钝化层；

[0046] (205)采用RIE干法刻蚀，刻蚀SiN钝化层，刻蚀时采用的电极功率为50W，压强为5mT，采用CF4/O2＝10∶1的气体比例进行刻蚀，形成ZnO栅条及两侧的隔离侧墙保护层，以达到对ZnO栅电极的侧墙保护，完成栅电极的制作。

[0047] 步骤3.源漏电极制作。

[0048] 参照图1和图4，本步骤的具体实现如下：

[0049] (301)以具有隔离侧墙的ZnO栅电极为基准，采用自对准方法，对本征GaN和+ 15 2Al0.3Ga0.7N层进行Si 注入，基板温度为40℃，注入剂量为1×10 /cm，注入的离子能量为
50keV；

[0050] (302)采用电子束蒸发源漏欧姆电极：

[0051] 首先，在样片上甩黏附剂，甩胶台的转速为8000转/min，时间为30s，将其放入温度为160℃的高温烘箱中烘20min；之后再在该样片上甩正胶，甩胶台的转速为5000转/min，放入温度为80℃的高温烘箱中烘10min，光刻获得源漏电极图形；

[0052] 接着，采用DQ-500等离子体去胶机去除图形区未显影干净的光刻胶薄层，在源漏电极图形上采用VPC-1100电子束蒸发设备蒸发Ti/Al/Ni/Au作为源漏电极；

[0053] 最后，将蒸发完源漏金属的样片放入丙酮中浸泡20min以上后进行超声处理，然后用氮气吹干，之后再将该样片放入到快速退火炉中，在空气气氛下，温度为500℃的条件下进行10min的高温退火，形成源漏欧姆接触，得到与栅电极长度相等的源漏沟道，完成器件制作。

[0054] 实施例2，本发明器件的制作，包括如下步骤：

[0055] 步骤1.外延材料生长。

[0056] 参照图1和图2，本步骤的具体实现如下：

[0057] (101)在蓝宝石衬底基片上，利用MOCVD工艺，生长GaN缓冲层；

[0058] (102)在GaN缓冲层上，生长本征GaN层；

[0059] (103)在本征GaN层上，生长20nm厚的Al0.3Ga0.7N层；

[0060] (104)在Al0.3Ga0.7N层上，生长2nm厚的GaN冒层。

[0061] 步骤2.制作栅电极。

[0062] 参照图1和图3，本步骤的具体实现如下：

[0063] (201)在生长的GaN材料表面光刻出栅电极图形。为了更好地剥离金属，首先在样片上甩黏附剂，转速为8000转/min，时间为30s，在温度为160℃的高温烘箱中烘20min；然后再在该样片上甩正胶，转速为5000转/min，最后在温度为80℃的高温烘箱中烘10min，光刻获得栅电极图形；

[0064] (202)采用DQ-500等离子体去胶机去除栅电极图形区未显影干净的光刻胶薄层，以提高剥离的成品率；再利用VPC-1000电子束蒸发设备淀积20nm的Ni金属层；采用磁控溅射的方法将靶材为掺有4％的Al2O3的ZnO粉末进行ZnO栅电极的淀积。在压强为1.5Pa，衬底温度为240℃，溅射功率为50W的条件下，预溅射ZnO电极15分钟，以清洁靶材表面和使系统稳定；再在99.9999％的高纯氩气气氛中进行溅射，形成200nm的ZnO栅电极层；

[0065] (203)将样片放入到丙酮中浸泡40min以上后进行超声处理，去除了非栅区域的金属层，然后用氮气吹干；

[0066] (204)采用PECVD设备对器件进行表面SiN钝化；

[0067] 首先，将样片放入丙酮超声2min，其后在乙醇中超声1min，再在超纯水中冲洗1min，而后用氮气吹干；

[0068] 接着，采用DQ-500等离子体去胶机对样片进行底膜处理，氧气流量为3L/min，射频功率为150W，辉光时间为10秒，再用稀盐酸对样片表面进行处理，最后用超纯水冲洗，用氮气吹干；

[0069] 最后，将样品放入到PECVD的腔体中，通入含量为2％的SiH4气体200sccm，氨气3sccm，氦气200sccm，在压强为600mT，温度为250℃的条件下，淀积厚度为200nm的氮化硅钝化层；

[0070] (205)采用RIE干法刻蚀，刻蚀SiN钝化层，刻蚀时采用的电极功率为50W，压强为5mT，采用CF4/O2＝10∶1的气体比例进行刻蚀，形成ZnO栅条及两侧的隔离侧墙保护层，以达到对ZnO栅电极的侧墙保护，完成栅电极的制作。

[0071] 步骤3.源漏电极制作。

[0072] 参照图1和图4，本步骤的具体实现如下：

[0073] (301)以具有隔离侧墙的ZnO栅电极为基准，采用自对准方法，对本征GaN和+ 15 2Al0.3Ga0.7N层进行Si 注入，基板温度为40℃，注入剂量为5×10 /cm，注入的离子能量为
50keV；

[0074] (302)采用电子束蒸发源漏欧姆电极；

[0075] 首先，在样片上甩黏附剂，甩胶台的转速为8000转/min，时间为30s，将其放入温度为160℃的高温烘箱中烘20min；之后再在该样片上甩正胶，甩胶台的转速为5000转/min，放入温度为80℃的高温烘箱中烘10min，光刻获得源漏电极图形；

[0076] 接着，采用DQ-500等离子体去胶机去除图形区未显影干净的光刻胶薄层，在源漏电极图形上采用VPC-1100电子束蒸发设备蒸发Ti/Al/Ni/Au作为源漏电极；

[0077] 最后，将蒸发完源漏金属的样片放入丙酮中浸泡20min以上后进行超声处理，然后用氮气吹干，之后再将该样片放入到快速退火炉中，在空气气氛下，温度为500℃的条件下进行10min的高温退火，形成源漏欧姆接触，得到与栅电极长度相等的源漏沟道，完成器件制作。

[0078] 实施例3，本发明器件的制作，包括如下步骤：

[0079] 步骤1.外延材料生长。

[0080] 参照图1和图2，本步骤的具体实现如下：

[0081] (101)在蓝宝石衬底基片上，利用MOCVD工艺，生长GaN缓冲层；

[0082] (102)在GaN缓冲层上，生长本征GaN层；

[0083] (103)在本征GaN层上，生长20nm厚的Al0.3Ga0.7N层；

[0084] (104)在Al0.3Ga0.7N层上，生长2nm厚的GaN冒层。

[0085] 步骤2.栅电极制作。

[0086] 参照图1和图3，本步骤的具体实现如下：

[0087] (201)在生长的GaN材料表面光刻出栅电极图形。为了更好地剥离金属，首先在样片上甩黏附剂，转速为8000转/min，时间为30s，在温度为160℃的高温烘箱中烘20min；然后再在该样片上甩正胶，转速为5000转/min，最后在温度为80℃的高温烘箱中烘10min，光刻获得栅电极图形；

[0088] (202)采用DQ-500等离子体去胶机去除栅电极图形区未显影干净的光刻胶薄层，以提高剥离的成品率；再利用VPC-1000电子束蒸发设备淀积10nm的Ni金属层；采用磁控溅射的方法将靶材为掺有4％的Al2O3的ZnO粉末进行ZnO栅电极的淀积。在压强为1Pa，衬底温度为220℃，溅射功率为30W的条件下，预溅射ZnO电极15分钟，以清洁靶材表面和使系统稳定，再在99.9999％的高纯氩气气氛中进行溅射，形成400nm的ZnO栅电极层；

[0089] (203)将样片放入到丙酮中浸泡40min以上后进行超声处理，去除了非栅区域的金属层，然后用氮气吹干；

[0090] (204)采用PECVD设备对器件进行表面SiN钝化；

[0091] 首先，将样片放入丙酮超声2min，其后在乙醇中超声1min，再在超纯水中冲洗1min，而后用氮气吹干；

[0092] 接着，采用DQ-500等离子体去胶机对样片进行底膜处理，氧气流量为3L/min，射频功率为150W，辉光时间为10秒，再用稀盐酸对样片表面进行处理，最后用超纯水冲洗，用氮气吹干；

[0093] 最后，将样品放入到PECVD的腔体中，通入含量为2％的SiH4气体200sccm，氨气3sccm，氦气200sccm，在压强为600mT，温度为250℃的条件下，淀积厚度为200nm的氮化硅钝化层；

[0094] (205)采用RIE干法刻蚀，刻蚀SiN钝化层，刻蚀时采用的电极功率为50W，压强为5mT，采用CF4/O2＝10∶1的气体比例进行刻蚀，形成ZnO栅条及两侧的隔离侧墙保护层，以达到对ZnO栅电极的侧墙保护，完成栅电极的制作。

[0095] 步骤3.源漏电极制作。

[0096] 参照图1和图4，本步骤的具体实现如下：

[0097] (301)以具有隔离侧墙的ZnO栅电极为基准，采用自对准方法，对本征GaN和+ 15 2Al0.3Ga0.7N层进行Si 注入，基板温度为40℃，注入剂量为9×10 /cm，注入的离子能量为
50keV；

[0098] (302)采用电子束蒸发源漏欧姆电极；

[0099] 首先，在样片上甩黏附剂，甩胶台的转速为8000转/min，时间为30s，将其放入温度为160℃的高温烘箱中烘20min；之后再在该样片上甩正胶，甩胶台的转速为5000转/min，放入温度为80℃的高温烘箱中烘10min，光刻获得源漏电极图形；

[0100] 接着，采用DQ-500等离子体去胶机去除图形区未显影干净的光刻胶薄层，在源漏电极图形上采用VPC-1100电子束蒸发设备蒸发Ti/Al/Ni/Au作为源漏电极；

[0101] 最后，将蒸发完源漏金属的样片放入丙酮中浸泡20min以上后进行超声处理，然后用氮气吹干，之后再将该样片放入到快速退火炉中，在空气气氛下，温度为500℃的条件下进行10min的高温退火，形成源漏欧姆接触，得到与栅电极长度相等的源漏沟道，完成器件制作。