阅读说明：本技术 具有Г型栅的GaN基MIS-HEMT器件及制备方法 (GaN-based MIS-HEMT device with Г type gate and preparation method thereof ) 是由 王洪 陈竟雄 刘晓艺 于 2019-08-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种具有Г型栅的GaN基MIS-HEMT器件及其制备方法,所述器件包括AlGaN/GaN异质结外延层等结构,所述器件还包括一Г型栅电极,所述Г型栅电极包括栅帽和栅脚,栅脚的一端和栅帽的部分下表面连接,另一端和第二开口处部分暴露的栅介质层上表面连接,栅帽的其余下表面和钝化层上表面连接。本发明利用G线、I线光刻包括接触式光刻和步进式光刻与金属剥离工艺或金属刻蚀工艺结合,通过在钝化层开口处通过对准的方式,使一部分的栅极金属与栅介质层接触,另一部分与钝化层接触,使栅足线宽在光刻的极限线宽下大大减小；所述Г栅结构,引入了场板,场板调制了栅靠漏侧导电沟道的电场强度分布,提高了器件的击穿电压。(the invention discloses a GaN-based MIS-HEMT device with Г type gates and a preparation method thereof, wherein the device comprises structures such as an AlGaN/GaN heterojunction epitaxial layer and the like, and further comprises a Г type gate electrode, the Г type gate electrode comprises a gate cap and a gate pin, one end of the gate pin is connected with part of the lower surface of the gate cap, the other end of the gate pin is connected with the upper surface of a gate dielectric layer exposed at a second opening, and the other lower surface of the gate cap is connected with the upper surface of a passivation layer.)

具有Г型栅的GaN基MIS-HEMT器件及制备方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种具有Г栅结构的GaN基MIS-HEMT器件及制备方法。

背景技术

以氮化镓（GaN）为代表的宽禁带III族氮化物材料其合金被称为第三代半导体材料，基于GaN的宽禁带半导体材料与器件发展的十分迅猛。GaN是III-V族直接带隙半导体，具有宽禁带、高击穿场强、高的饱和电子漂移速度和耐高温的特性，其中3.4ev的禁带宽度让GaN十分适合微波/毫米波大功率器件的应用。另外，GaN可以与AlGaN形成调制摻杂的AlGaN/GaN异质结结构，在室温下形成的二维电子气导电沟道具有高电子浓度与高电子迁移率的特性，相比于硅器件的体电子沟道而言，开关速率大大提高，并且相比于硅器件降温要求更低。因此氮化镓HEMT器件在微波功率领域具有广泛的应用前景。

近年来微波放大器领域迫切需要具有高频率和高功率密度的器件。由HEMT器件的小信号特性和大信号特性可知，栅长越短器件的截止频率和最大震荡频率越高，而器件的栅压摆幅和击穿电压越高，功率密度越高。这就要求在工艺的限制下，尽可能缩小栅长，并通过在栅电极和AlGaN势垒层之间***绝缘介质层形成MIS结构提高栅压摆幅，以及通过场板结构如Г栅结构调制沟道电场分布提高器件的击穿电压。

目前GaN基MIS-HEMT器件的栅极线宽由光刻决定，最常用的手段主要有G线、I线、波长更短的深紫外和极紫外光刻、以及电子束光刻技术。

G线和I线光刻技术具有工艺简单、成本低、效率高的优点。但其最小线宽被光源的波长所限制，一般的G线、I线光刻机只能做到0.5μm以上的栅线条。而0.5μm以下的栅线条则需要步进式光刻机或者一些特殊的技巧，工艺复杂，一致性不高，对掩膜的要求相比于接触式光刻机更高。

电子束直写的方法制作的栅长可以达到纳米水平，且一致性非常好。但生产效率低下，设备昂贵维护成本高，一般只能用于实验研究。另外深紫外或极紫外光刻机由于采用了波长更短的光源，分辨率更高可以达到0.05-0.25μm，但相比于G线、I线光刻技术成本更高、效率低。

因此，寻找一种工艺简单、高效率、低成本的深亚微米栅长的Г栅结构的GaN基MIS-HEMT器件制备方法是本行业亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服已有的GaN基MIS-HEMT器件栅极光刻工艺的限制和功率密度不高的不足，从栅极工艺与器件结构的角度提出一种具有Г栅结构的GaN基MIS-HEMT器件及其制备方法，可以有效的提高器件频率特性和功率特性，以满足高效率、高成品率的规模化生产的需求。

本发明的目的是通过以下技术方案之一实现的。

本发明提供了一种具有Г型栅的GaN基MIS-HEMT器件，包括AlGaN/GaN异质结外延层，所述AlGaN/GaN异质结外延层为凸台结构，凸台上部分为有源区，有源区上表面的两端分别连接源漏电极，源漏电极上和有源区上表面连接源漏电极以外的区域从下到上依次覆盖有栅介质层和钝化层，栅介质层和钝化层在源漏电极的上表面均设有第一开口，分别暴露出源漏电极的部分上表面，钝化层在源漏电极之间的栅介质层上设有第二开口，暴露出栅介质层上表面，第二开口处还连接Г型栅电极，所述Г型栅电极包括栅帽和栅脚，Г型的竖边部分为栅脚，横边部分为栅帽，栅脚的一端和栅帽的部分下表面连接，另一端和第二开口处部分暴露的栅介质层上表面连接，栅帽的其余下表面和钝化层上表面连接。

优选地，栅电极的材料层为三层以上的金属层或金属氮化物层；顶层材料层为Ni、TiN、WN、Cr、TiW中的一种以上；中间层的材料层为Au或Al；底层材料层为TiN、WN、Cr、TiW中的一种以上； 栅电极的总厚度为200-300nm；栅脚的左右宽度为0.2-0.5μm；栅帽的左右宽度为0.4-1μm。

优选地，AlGaN/GaN异质结外延层的厚度为500-1000μm，有源区的厚度为100-300nm。

优选地，源漏电极为在有源区上表面从下到上依次沉积的Ti层、Al层、Ni层和Au层，源漏电极的厚度为200-300nm；Ti层、Al层、Ni层和Au层的厚度分别为10-30nm、80-120nm、5-15nm、80-120nm。

优选地，栅介质层为SiN；栅介质层的厚度为5-15nm；钝化层为SiN或SiO₂，钝化层的厚度为65-150nm。

优选地，第二开口的左右宽度为0.35-1μm。

本发明还提供了一种制备如上所述的具有Г型栅的GaN基MIS-HEMT器件的方法，包括以下步骤：

（1）AlGaN/GaN异质结外延层准备及清洗：通过金属有机气相沉积MOCVD 制备AlGaN/GaN异质结外延层，然后将AlGaN/GaN异质结外延层浸泡于酸性溶液中，去除表面氧化层，再采用有机溶剂去除AlGaN/GaN异质结外延层上的有机物；

（2）源漏电极退火形成欧姆接触：通过负胶光刻工艺实现隔离的有源区上界定源漏电极金属位置及图形，沉积源漏电极；在氮气氛围下，800℃以上的温度中退火30-90s，使源漏电极与AlGaN势垒层形成欧姆接触；

（3）沉积栅介质层及钝化层：在源漏电极和AlGaN/GaN异质结外延层上表面连接源漏电极以外的区域上沉积栅介质层；在栅介质层上沉积钝化层；

（4）去除源电极和漏电极间的部分钝化层：通过光刻方法曝光光刻胶，保护第二开口以外的区域，再通过物理刻蚀的方法去除60-140nm厚度的钝化层，剩余5-10nm的钝化层利用化学刻蚀的方法去除，暴露栅介质层上表面；

（5）通过光学光刻结合剥离或刻蚀制备栅电极：利用I线或G线光刻机，在第二开口处曝光栅电极图形，然后通过电子束蒸发或磁控溅射在源漏电极之间沉积栅电极的材料层，通过剥离的方式制备出Г型栅电极；或者先通过电子束蒸发或磁控溅射沉积栅电极的材料层，在第二开口处曝光栅电极图形区域，再通过各向异性刻蚀光刻胶缩小栅帽和栅脚的左右宽度及感应耦合等离子体刻蚀刻蚀栅电极图形区域外的栅电极材料层制备出Г型栅电极；

（6）源漏电极开口：通过光学光刻曝光光刻胶保护的第一开口以外的区域，通过感应耦合等离子体刻蚀去除掉源漏电极上的第一开口处钝化层和栅介质层；

（7）隔离刻蚀形成独立有源区：在AlGaN/GaN外延层上界定有源区，采用光刻胶对有源区进行覆盖保护；利用感应耦合等离子体刻蚀ICP或者反应离子刻蚀RIE对有源区以外的AlGaN/GaN异质结外延层进行去除，刻蚀深度为100-300nm。

优选地，沉积源漏电极的方法为电子束蒸发或磁控溅射。

优选地，栅介质层沉积的方法为金属有机化学气相沉积MOCVD或低压化学气相沉积法LPCVD。

优选地，钝化层的沉积方法为等离子体增强化学的气相沉积法PECVD。

和现有技术相比，本发明具有以下有益效果和优点：

1）本发明栅介质层采用低压化学气相沉积LPCVD生长的SiN，致密性高，且化学性质上相比于等离子增强型化学气相沉积PECVD生长的SiN与氢氟酸反应慢的多，使之可以通过物理刻蚀和化学刻蚀结合的方法对钝化层开口，降低物理刻蚀对栅介质层的损伤，从而降低栅极漏电，提高器件性能；

2）低压化学气相沉积LPCVD或金属有机化学气相沉积MOCVD均属于半导体工业化生产的成熟工艺，可用于规模化生产中，另外这种方法可以引入栅介质层，改善器件的性能；

3）本发明通过引入Г栅结构，第一个优点在于可以利用G线、I线光刻包括接触式光刻和步进式光刻与金属剥离工艺或金属刻蚀工艺结合，通过在钝化层开口处通过对准的方式，使一部分的栅极金属与栅介质层接触，另一部分与钝化层接触，使栅足线宽在光刻的极限线宽下大大减小；第二个优点在于通过这种Г栅结构，引入了场板，调制了栅靠漏侧导电沟道的电场强度分布。

附图说明

图1是实施例提供的具有Г栅结构的GaN基MIS-HEMT器件制备方法流程图；

图2-图10是实施例提供的具有Г栅结构的GaN基MIS-HEMT器件的制备过程中的示意图；

图中示出：1-AlGaN/GaN异质结外延层；2-有源区；3-源漏电极；4-栅介质层；5-钝化层；6-栅电极；7-光刻胶层；8-栅电极材料层。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明实施和保护不限于此，需要指出的是，以下若有为特别详细说明的过程或工艺参数均属本领域技术人员可参照现有技术实现的。

实施例1

本实施例提供了一种具有Г型栅的GaN基MIS-HEMT器件，如图10所示，包括AlGaN/GaN异质结外延层1，所述AlGaN/GaN异质结外延层1为凸台结构，凸台上部分为有源区2，有源区2上表面的两端分别连接源漏电极3，源漏电极3上和有源区2上表面连接源漏电极3以外的区域从下到上依次覆盖有栅介质层4和钝化层5，栅介质层4和钝化层5在源漏电极3的上表面均设有第一开口，分别暴露出源漏电极3的部分上表面，钝化层5在源漏电极3之间的栅介质层4上设有第二开口，暴露出栅介质层4上表面，第二开口处还连接Г型栅电极6，所述Г型栅电极6包括栅帽和栅脚，Г型的竖边部分为栅脚，横边部分为栅帽，栅脚的一端和栅帽的部分下表面连接，另一端和第二开口处部分暴露的栅介质层4上表面连接，栅帽的其余下表面和钝化层5上表面连接。

栅介质层4与AlGaN/GaN异质结外延层1形成MIS结构。

栅电极6的材料层为下层的TiN金属层、中层的Au金属层和上层的TiN金金属层，上层TiN金属层和下层TiN金属层的厚度为50nm，中层Au金属层的厚度为200nm，栅电极6的总厚度为300nm；栅脚的左右宽度为0.5μm；栅帽的左右宽度为1μm。

AlGaN/GaN异质结外延层1的厚度为500μm。

有源区2的厚度为300nm。

源漏电极3为在有源区2上表面从下到上依次沉积的Ti层、Al层、Ni层和Au层，Ti层、Al层、Ni层和Au层的厚度分别为20 nm、100 nm、10 nm和100nm。

栅介质层4为SiN；栅介质层4的厚度为10nm；钝化层5为SiO₂，钝化层5的厚度为100nm。

第二开口的左右宽度为0.7μm。

本实施例提供了一种制备如上所述的具有Г型栅的GaN基MIS-HEMT器件的方法，如图1所示，包括以下步骤：

（1）AlGaN/GaN异质结外延层准备及清洗：通过金属有机气相沉积MOCVD 制备AlGaN/GaN异质结外延层1，然后将AlGaN/GaN异质结外延层1浸泡于H₂SO₄:H₂O₂=6：1（质量比）溶液中20分钟（H₂SO₄和H₂O₂均为市售），去除表面氧化层，再采用丙酮和异丙醇去除AlGaN/GaN异质结外延层1上的有机物，如图2所示；

（2）源漏电极退火形成欧姆接触：通过负胶光刻工艺实现隔离的有源区2上界定源漏电极金属位置及图形，通过电子束蒸发从下到上依次沉积Ti/Al/Ni/Au，通过剥离工艺形成源漏电极3；在氮气氛围下，830℃的温度中退火60s，使源漏电极3与AlGaN势垒层形成欧姆接触，如图3所示；

（3）沉积栅介质层及钝化层：在源漏电极3和AlGaN/GaN异质结外延层1上表面连接源漏电极3以外的区域上通过低压化学气相沉积法LPCVD沉积栅介质层4；在栅介质层4上采用等离子体增强化学的气相沉积法PECVD沉积钝化层5；如图4所示；

（4）去除源电极和漏电极间的部分钝化层：通过光刻方法曝光光刻胶，保护第二开口以外的区域，再通过感应耦合等离子刻蚀ICP工艺刻蚀掉90nm厚的SiO₂，再用氢氟酸（市售）腐蚀掉剩下的10nm厚的SiO₂，暴露栅介质层4上表面；如图5所示；

（5）通过光学光刻结合剥离制备栅电极：如图6所示，在钝化层5的上表面和暴露的栅介质层上表面沉积一层光刻胶层7，通过光刻工艺定义在第二开口处曝光栅电极图形，然后通过磁控溅射沉积TiN，电子束蒸发Au，通过剥离的方式制备出Г型栅电极6，如图8所示；

（6）源漏电极开口：通过光学光刻曝光光刻胶保护的第一开口以外的区域，通过感应耦合等离子体刻蚀去除掉源漏电极上的第一开口处钝化层5和栅介质层4，如图9所示；

（7）隔离刻蚀形成独立有源区：通过正胶光刻工艺在AlGaN/GaN外延层上界定有源区2，采用光刻胶对有源区2进行覆盖保护；利用感应耦合等离子体刻蚀ICP或者反应离子刻蚀RIE对有源区以外的AlGaN/GaN异质结外延层进行去除，刻蚀深度为300nm，如图10所示。

该器件通过采用低压化学气相沉积LPCVD形成栅介质层SiN，并在栅介质层上采用等离子体增强化学的气相沉积法PECVD沉积SiO2钝化层，利用两者与氢氟酸反应快慢的差异，通过物理刻蚀和化学刻蚀结合的办法，对钝化层开口并大大减小了物理刻蚀对栅介质层造成的离子损伤。接着在钝化层开口处通过光刻对准和剥离栅金属的办法实现了Г栅结构的GaN基MIS-HEMT器件，这种结构使得栅足线宽突破G线或I线光刻的极限，线宽大大减小，并调制了栅靠漏侧导电沟道的电场强度分布，提高了器件的击穿电压。等离子增强型化学气相沉积PECVD和低压化学气相沉积LPCVD均属于半导体工业化生产的成熟工艺，上述Г栅结构的GaN基MIS-HEMT器件适用于规模化生产中，减小器件的栅漏电，提高器件的击穿特性、频率及功率特性。

实施例2

本实施例提供了一种具有Г型栅的GaN基MIS-HEMT器件，如图10所示，包括AlGaN/GaN异质结外延层1，所述AlGaN/GaN异质结外延层1为凸台结构，凸台上部分为有源区2，有源区2上表面的两端分别连接源漏电极3，源漏电极3上和有源区2上表面连接源漏电极3以外的区域从下到上依次覆盖有栅介质层4和钝化层5，栅介质层4和钝化层5在源漏电极3的上表面均设有第一开口，分别暴露出源漏电极3的部分上表面，钝化层5在源漏电极3之间的栅介质层4上设有第二开口，暴露出栅介质层4上表面，第二开口处还连接Г型栅电极6，所述Г型栅电极6包括栅帽和栅脚，Г型的竖边部分为栅脚，横边部分为栅帽，栅脚的一端和栅帽的部分下表面连接，另一端和第二开口处部分暴露的栅介质层4上表面连接，栅帽的其余下表面和钝化层5上表面连接。

栅介质层4与AlGaN/GaN异质结外延层1形成MIS结构。

栅电极6的材料层为从下到上依次沉积的Cr、Al和Cr三层金属层，金属层的厚度依次为50nm、200nm和50nm，总厚度300nm；栅脚的左右宽度为0.5μm；栅帽的左右宽度为1μm。

AlGaN/GaN异质结外延层1的厚度为500μm，有源区2的厚度为300nm。

源漏电极3为在有源区2上表面从下到上依次沉积的Ti层、Al层、Ni层和Au层，Ti层、Al层、Ni层和Au层的厚度分别为20 nm、100 nm、10 nm和100nm。

栅介质层4为SiN；栅介质层4的厚度为10nm；钝化层5为SiO₂，钝化层5的厚度为100nm。

第二开口的左右宽度为0.7μm。

本实施例提供了一种制备如上所述的具有Г型栅的GaN基MIS-HEMT器件的方法，如图1所示，包括以下步骤：

（1）AlGaN/GaN异质结外延层准备及清洗：通过金属有机气相沉积MOCVD 制备AlGaN/GaN异质结外延层1，然后将AlGaN/GaN异质结外延层1浸泡于H₂SO₄:H₂O₂=6：1（质量比）溶液中20分钟（H₂SO₄和H₂O₂均为市售），去除表面氧化层，再采用丙酮和异丙醇去除AlGaN/GaN异质结外延层1上的有机物，如图2所示；

（2）源漏电极退火形成欧姆接触：通过负胶光刻工艺实现隔离的有源区2上界定源漏电极金属位置及图形，通过电子束蒸发从下到上依次沉积Ti/Al/Ni/Au，通过剥离工艺形成源漏电极3；在氮气氛围下，830℃的温度中退火60s，使源漏电极3与AlGaN势垒层形成欧姆接触，如图3所示；

（3）沉积栅介质层及钝化层：在源漏电极3和AlGaN/GaN异质结外延层1上表面连接源漏电极3以外的区域上通过金属有机化学气相沉积法MOCVD沉积栅介质层4；在栅介质层4上采用等离子体增强化学的气相沉积法PECVD沉积钝化层5；如图4所示；

（4）去除源电极和漏电极间的部分钝化层：通过光刻方法曝光光刻胶，保护第二开口以外的区域，再通过感应耦合等离子刻蚀ICP工艺刻蚀掉90nm厚的SiO₂，再用氢氟酸（市售）腐蚀掉剩下的10nm厚的 SiO₂，暴露栅介质层4上表面；如图5所示；

（5）通过光学光刻结合刻蚀制备栅电极：如图7所示，通过电子束蒸发工艺在钝化层5的上表面和暴露的栅介质层上表面从下到上依次沉积依次沉积铬Cr、铝Al、铬Cr金属，这三层金属的厚度依次为50nm、100nm和50nm，通过光刻工艺定义在第二开口处曝光栅电极6图形区域，在栅电极6图形区域上覆盖一层光刻胶层7，再通过各向异性刻蚀光刻胶缩小栅帽和栅脚的左右宽度及氯基等离子体刻去除掉栅电极图形区域外的栅电极材料层制备出Г型栅电极，如图8所示；

（6）源漏电极开口：通过光学光刻曝光光刻胶保护的第一开口以外的区域，通过感应耦合等离子体刻蚀去除掉源漏电极上的第一开口处钝化层5和栅介质层4，如图9所示；

（7）隔离刻蚀形成独立有源区：通过正胶光刻工艺在AlGaN/GaN外延层上界定有源区2，采用光刻胶对有源区2进行覆盖保护；利用感应耦合等离子体刻蚀ICP或者反应离子刻蚀RIE对有源区以外的AlGaN/GaN异质结外延层进行去除，刻蚀深度为300nm，如图10所示。

该实例相比于实例1，栅介质层采用了金属有机气相沉积MOCVD沉积SiN栅介质薄膜，特别的栅极工艺采用刻蚀工艺而非剥离工艺。栅极刻蚀工艺的优点在于相比于剥离工艺，成品率更高，并且能够通过各向异性刻蚀光刻胶进一步缩小栅极线宽。在同样的光学光刻刻精度下，栅极刻蚀工艺能实现更小的栅极线宽并且效率更高、一致性更好。

上述实施例仅为本发明的优选实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解本发明的内容及原理后，能够在不背离本发明的原理和范围的情况下，根据本发明的方法进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围内。