阅读说明：本技术 一种GaN基HEMT多角度凹槽栅器件及其制作方法 (GaN-based HEMT multi-angle groove gate device and manufacturing method thereof ) 是由 张辉 林志东 邹鹏辉 刘胜厚 孙希国 蔡仙清 于 2020-03-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种GaN基HEMT多角度凹槽栅器件及其制作方法,包括依次层叠的衬底、外延层,外延层上还有单层栅介质层,在栅介质层中设置凹槽,所述凹槽有两侧壁,所述侧壁为多阶连贯斜面,深阶斜面相对于水平面的角度大于上阶斜面相对于水平面的角度；本发明公开的GaN基HEMT器件的多角度凹槽栅器件及其制作方法,可以有效改善栅槽边缘电场的尖峰效应,提高器件可靠性,而且该器件易于金属覆盖,更加提高器件的可靠性,该器件结构可根据需求灵活调整,改变刻蚀时的工艺参数功率、气体及气体流量即可以改变凹槽栅形状,具有较强的适应性。(The invention discloses a GaN-based HEMT multi-angle groove gate device and a manufacturing method thereof, and the GaN-based HEMT multi-angle groove gate device comprises a substrate and an epitaxial layer which are sequentially stacked, wherein a single-layer gate dielectric layer is arranged on the epitaxial layer, a groove is arranged in the gate dielectric layer, the groove is provided with two side walls, the side walls are multi-order coherent inclined planes, and the angle of a deep-order inclined plane relative to a horizontal plane is larger than the angle of an upper-order inclined plane relative; the multi-angle groove grid device of the GaN-based HEMT device and the manufacturing method thereof can effectively improve the peak effect of the electric field at the edge of the grid groove and improve the reliability of the device, the device is easy to be covered by metal, the reliability of the device is improved, the structure of the device can be flexibly adjusted according to requirements, the shape of the groove grid can be changed by changing the technological parameter power, gas and gas flow during etching, and the groove grid device has strong adaptability.)

一种GaN基HEMT多角度凹槽栅器件及其制作方法

技术领域

本发明涉及氮化镓器件的制作，尤其是一种GaN基HEMT多角度凹槽栅器件及其制作方法。

背景技术

当前发现，受材料生长质量、器件结构及制备等诸多因素的影响，栅极漏电流和材料表面(或界面)缺陷严重影响GaN基HEMT的整体性能，尤其是电学可靠性；在工作状态下的GaN基HEMT器件中，器件的最大电场出现在栅极的漏测边缘处，较高的栅极漏电流会影响器件长期工作的可靠性，如降低器件的击穿电压和功率附加效率，增加噪声系数，造成栅边缘结构损伤，产生漏电通道，栅漏很大，甚至出现电流崩塌。

目前，多采用单层/多层场板结构(FP)可一定程度上削弱电场峰，但单层FP结构削弱电场能力有限，栅边缘位置仍是易产生漏电通道位置；多层FP结构可降低绝大部分电场峰值，但同时增大寄生电容，限制了器件的频率特性，使得射频性能退化。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种新型的GaN基HEMT多角度凹槽栅器件及其制作方法，能够有效改善栅槽边缘电场的尖峰效应，提高器件可靠性。

本发明采用如下技术方案：

一种GaN基HEMT多角度凹槽栅器件，包括依次层叠的衬底、外延层，外延层上还有单层栅介质层，在栅介质层中设置凹槽，所述凹槽有两侧壁，所述侧壁为多阶连贯斜面，深阶斜面相对于水平面的角度大于上阶斜面相对于水平面的角度。

优选的，深阶斜面相对于水平面的角度为70°-80°，上阶斜面相对于水平面的角度为30°-70°

优选的，深阶斜面对应的凹槽深度小于上阶斜面对应的凹槽深度。

优选的，栅介质层的厚度为50-200nm。

优选的，衬底为GaN、Si、SiC或Sapphire。

优选的，栅介质层为SiN、SiO₂、AlN、Al₂O₃任意一种。

优选的，多阶连贯斜面为三阶连贯斜面，可为二阶连贯斜面或四阶连贯斜面，不限于三阶连贯斜面。

本发明还提供一种GaN基HEMT多角度凹槽栅器件制作方法，包括如下步骤：

S1：栅介质层沉积：在GaN外延层上沉积一层栅介质层；

优选的，在GaN外延层上在50～500sccm二氯二氢硅(DCS)、20～500sccm NH₃、0～1000sccm N₂等气体在温度700～900℃，气压100～2000mTorr条件下沉积栅介质层；

优选的，栅介质层为SiN、SiO₂、AlN、Al₂O₃任意一种；栅介质层的沉积方法为常压化学气相沉积法(APCVD)、低压化学气相沉积法(LPCVD)或等离子增强化学气相沉积法(PECVD)；

优选的，栅介质层的厚度为50-100nm；

S2：光刻凹槽栅：在栅介质层上涂覆一层光阻，通过曝光、显影的方式完成凹槽栅的光刻；

S3：栅介质层刻蚀：通过感应耦合等离子体干法(ICP)，并调整刻蚀时所用的功率、气体及其流量，使得达到预设的刻蚀角度；

优选的，通过ICP使用5～100sccm CF₄、5～100sccm CHF₃、5～100sccm O₂、5～100sccm N₂等气体在功率20～500W，气压100～1000mTorr条件下，进行栅介质层的刻蚀；

优选的，刻蚀深度为20-40nm；

S4：光阻去除：采用有机溶剂去除光阻；

优选的，采用有机试剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)在70℃、1000PSI压力下去除光阻；

S5：重复步骤S2-S4，其中，光阻开口区位于前次刻蚀后的凹槽里面0-0.5μm，使得凹槽栅无平台，刻蚀后的角度较前一次刻蚀后的角度陡直。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提出的一种GaN基HEMT器件的多角度凹槽栅器件及其制作方法，采用了多角度凹槽栅的结构，能够削弱器件栅极的漏侧边缘尖峰电场，使得单一电场峰分布成多个电场峰，同时电场强度降低，抑制漏电通道的产生，GaN基HEMT器件的击穿电压与可靠性提高。而且该器件易于金属覆盖，更加提高器件的可靠性，该器件结构可根据需求灵活调整，改变刻蚀时的工艺参数功率、气体及气体流量即可以改变凹槽栅形状，具有较强的适应性。

附图说明

图1为GaN基HEMT多角度凹槽栅器件整体结构图；

图2为第一次刻蚀栅介质层后的结构图；

图3为第二次刻蚀栅介质层后的结构图；

图4为第三次刻蚀栅介质层后的结构图。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。

本发明实施例一方面公开了一种GaN基HEMT多角度凹槽栅器件，如图1所示，包括依次层叠的衬底1，GaN外延层2，外延层上还有SiN单层栅介质层3，栅介质层3的厚度为100nm，在栅介质层中设置凹槽，所述凹槽有两侧壁4，所述侧壁为三阶连贯斜面，第一阶斜面41，第二阶斜面42，第三阶斜面43，靠近外延层2的斜面为深阶斜面，其余斜面统称为上阶斜面，即这里的第一阶斜面41为深阶斜面，第二阶斜面42与第三阶斜面43统称为上阶斜面。其中第一阶斜面41相对于水平面的角度α范围为70°-80°，第二阶斜面42相对于水平面的角度β范围为30°-70°，第三阶斜面43相对于水平面的角度θ范围为30°-70°，其中α＞β＞θ，以保证深阶斜面相对于水平面的角度大于上阶斜面相对于水平面的角度。在本实施例中，栅凹槽的三阶连贯斜面，第一阶斜面41，第二阶斜面42，第三阶斜面43由下而上倾斜角度逐渐变缓，有利于降低栅极的漏侧边缘电场峰值，分散电场分布；此外，连贯斜面的结构设计，也确保了器件易于金属覆盖，更加提高器件的可靠性。

第一阶斜面41对应的凹槽深度为20nm，第二阶斜面42对应的凹槽深度为40nm，第三阶斜面43对应的凹槽深度为40nm。本实施例中，还可利用栅介质层3以起到保护外延层2，优化界面损伤，改善界面质量以减少界面态缺陷的作用。因此，第一阶斜面41对应的凹槽深度相较于第二阶斜面42对应的凹槽深度以及第三阶斜面43对应的凹槽深度而言，第一阶斜面41对应的凹槽深度可小于第二阶斜面42或第三阶斜面43对应的凹槽深度。

衬底1可为GaN、Si、SiC或Sapphire，斜面也可为二阶连贯斜面或四阶连贯斜面，不限于三阶连贯斜面。

本发明实施例另一方面公开了一种GaN基HEMT多角度凹槽栅器件的制作方法，具体包括以下步骤：

S1：栅介质层沉积：

在GaN外延层上通过LPCVD在50～500sccm DCS、20～500sccm NH₃、0～1000sccm N₂等气体在温度700～900℃，气压100～2000mTorr条件下沉积厚度100nm的SiN；

S2：第一次光刻凹槽栅：在SiN栅介质层上涂覆一层光阻，曝光、显影完成第一次凹槽栅光刻；

S3：第一次栅介质层刻蚀：通过ICP使用5～100sccm CF₄、5～100sccm CHF₃、5～100sccm O₂、5～100sccm N₂等气体在功率20～500W，气压100～1000mTorr条件，进行第一次SiN刻蚀，刻蚀深度20nm；

S4：光阻去除：采用有机试剂NMP在70℃、1000PSI压力下去除光阻，形成图2所示凹槽栅结构；

S5：第二次光刻凹槽栅：在SiN栅介质层上涂覆一层光阻，曝光、显影完成第二次凹槽栅光刻，光刻区域位于第一次刻蚀后的凹槽里面0～0.5μm；

S6：第二次栅介质层刻蚀：通过ICP使用5～100sccm CF₄、5～100sccm CHF₃、5～100sccm O₂、5～100sccm N₂等气体在功率20～500W，气压100～1000mTorr条件，进行第二次SiN刻蚀，刻蚀深度40nm，刻蚀后的角度较前一次刻蚀后的角度陡直；

S7：光阻去除：采用有机试剂NMP在70℃、1000PSI压力下去除光阻，形成图3所示凹槽栅结构；

S8：第三次光刻凹槽栅：在SiN栅介质层上涂覆一层光阻，曝光、显影完成第三次凹槽栅光刻，光刻区域位于第二次刻蚀后的凹槽里面0～0.5μm；

S9：第三次栅介质层刻蚀：通过ICP使用5～100sccm CF₄、5～100sccm CHF₃、5～100sccm O₂、5～100sccm N₂等气体在功率20～500W，气压100～1000mTorr条件，进行第三次SiN刻蚀，刻蚀深度40nm，刻蚀后的角度较第二次刻蚀后的角度陡直；

S10：光阻去除：采用有机试剂NMP在70℃、1000PSI压力下去除光阻，形成图4所示凹槽栅结构。

本发明提出的一种GaN基HEMT器件的多角度凹槽栅器件及其制作方法，采用了多角度凹槽栅的结构，能够削弱器件栅极的漏侧边缘尖峰电场，使得单一电场峰分布成多个电场峰，同时电场强度降低，抑制漏电通道的产生，GaN基HEMT器件的击穿电压与可靠性提高，而且，该器件易于金属覆盖，更加提高器件的可靠性，该器件结构可根据需求灵活调整，改变刻蚀时的工艺参数功率、气体及气体流量即可以改变凹槽栅形状，具有较强的适应性。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。