Ⅲ族氮化物增强型hemt器件及其制造方法
阅读说明：本技术 Ⅲ族氮化物增强型hemt器件及其制造方法 (III-nitride enhanced HEMT device and manufacturing method thereof ) 是由 宁殿华 蒋胜 柳永胜 程新 于 2021-08-05 设计创作，主要内容包括：本发明揭示了一种Ⅲ族氮化物增强型HEMT器件及其制造方法,所述制造方法包括：提供衬底；在衬底上外延生长沟道层；在沟道层上的栅极区域中形成掩膜；基于选择区域生长工艺在掩膜以外的沟道层上外延生长势垒层；去除掩膜；刻蚀Ⅲ族氮化物异质结,形成源极区域和漏极区域；在源极区域和漏极区域中分别形成源极和漏极；在栅极区域上外延生长绝缘介质层；在绝缘介质层上形成栅极。本发明基于选择区域生长工艺优先在栅极区域以外生长势垒层,而后形成绝缘介质层和栅极,从而一次性形成断开的二维电子气通道；本发明无需传统工艺中对栅极或势垒层表面进行的刻蚀或离子注入处理,有效避免了传统工艺带来的刻蚀损伤或晶格损伤。(The invention discloses a III-nitride enhanced HEMT device and a manufacturing method thereof, wherein the manufacturing method comprises the following steps: providing a substrate; epitaxially growing a channel layer on a substrate; forming a mask in a gate region on the channel layer; epitaxially growing a barrier layer on the channel layer outside the mask based on a selective area growth process; removing the mask; etching the III-nitride heterojunction to form a source region and a drain region; forming a source electrode and a drain electrode in the source electrode region and the drain electrode region, respectively; epitaxially growing an insulating medium layer on the gate region; and forming a grid electrode on the insulating medium layer. The invention grows the barrier layer outside the grid region based on the selective region growth process preferentially, and then forms the insulating medium layer and the grid, thereby forming the disconnected two-dimensional electron gas channel at one time; the invention does not need etching or ion implantation treatment on the surface of the grid or the barrier layer in the traditional process, and effectively avoids etching damage or lattice damage brought by the traditional process.)
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种半导体器件及其制造方法。
背景技术
氮化镓(GaN)基高电子迁移率晶体管(HEMT)因氮化镓材料具有禁带宽度大、击穿电场强度大、载流子饱和迁移率高等优点，已被广泛应用于高温、高频、高压、大功率等电力电子器件领域。铝镓氮/氮化镓(AlGaN/GaN)异质结构具有很强的自发极化和压电极化效应，在界面处会产生高浓度的载流子，即二维电子气(2DEG)，这种基于铝镓氮/氮化镓异质结构形成的高电子迁移率晶体管沟道调制机制属于耗尽型(D-mode)。然而，从应用的安全操作和低功耗角度考虑，增强型(E-mode)功率晶体管更受到电路设计人员的青睐，采用增强型功率晶体管可避免使用负压电源以简化栅极驱动电路的设计。
目前，主流的几种制作氮化镓增强型器件的技术包括栅极凹槽、氟离子注入和p型氮化镓栅极等。栅极凹槽技术需要用到刻蚀工艺，而刻蚀工艺带来的损伤会导致栅极漏电增加且阈值电压不均匀；采用氟离子注入技术会有高场和高温应力下阈值电压的稳定性差的问题；p型氮化镓栅极技术需要额外生长一层p型氮化镓外延，此技术成本较高，p型氮化镓的生长均匀性和镁(Mg)激活是该技术的难点，而且需要刻蚀去除栅极区域以外部分的p型氮化镓，该过程同样会带来刻蚀损伤，导致晶体管界面特性变差，同时，p型氮化镓栅极耐压较低，通常小于+7V，这增加了电路设计的难度。
选择区域生长(selective-area growth，SAG)技术已被用于p型氮化镓的生长，用此技术制作出的增强型晶体管也相继被报道出，该技术主要是利用金属有机化学气相沉积(Metal-Organic Chemical Vapour Deposition，MOCVD)系统以氧化硅为硬掩膜，选择性地在铝镓氮/氮化镓异质结构的栅极区域生长p型氮化镓。该技术的优势是无需常规p型氮化镓制作增强型晶体管技术路线中的刻蚀步骤，避免铝镓氮表面的刻蚀损伤，可以有效的减轻因表面缺陷带来的电流崩塌效应。此外，也有报道利用选择区域生长技术生长铝镓氮，但鲜有将此应用于增强型晶体管的制作。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种Ⅲ族氮化物增强型HEMT器件及其制造方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种Ⅲ族氮化物增强型HEMT器件及其制造方法。
为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：
一种Ⅲ族氮化物增强型HEMT器件的制造方法，所述制造方法包括：
提供衬底；
在衬底上外延生长沟道层，所述沟道层为Ⅲ族氮化物沟道层；
在沟道层上的栅极区域中形成掩膜；
基于选择区域生长工艺在掩膜以外的沟道层上外延生长势垒层，所述势垒层为Ⅲ族氮化物势垒层，沟道层和势垒层形成Ⅲ族氮化物异质结；
去除掩膜；
刻蚀Ⅲ族氮化物异质结，形成源极区域和漏极区域；
在源极区域和漏极区域中分别形成源极和漏极；
在栅极区域上外延生长绝缘介质层；
在绝缘介质层上形成栅极。
一实施例中，所述制造方法中，“在沟道层上的栅极区域中形成掩膜”具体为：采用在沟道层上的栅极区域中外延生长介质材料形成介质掩膜，“去除掩膜”具体为：采用干法刻蚀工艺或湿法刻蚀工艺去除介质掩膜；或，
“在沟道层上的栅极区域中形成掩膜”具体为：采用在沟道层上的栅极区域中沉积金属形成金属掩膜，“去除掩膜”具体为：采用剥离工艺去除金属掩膜；
其中，所述介质掩膜的材料为氮化硅、氧化硅中的一种或多种的组合；
所述金属掩膜的材料为钛、镍中的一种或多种的组合；
所述掩膜厚度为30～100nm。
一实施例中，所述制造方法还包括：
在栅极区域、势垒层及源极和漏极上外延生长绝缘介质层；
刻蚀源极和漏极上方的绝缘介质层，以露出源极和漏极。
一实施例中，所述衬底为硅衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底中的任意一种；和/或，
所述绝缘介质层为氮化硅层、氧化硅层、氧化铝层、氮化铝层、氧化镓层中的一种或多种的组合，绝缘介质层的厚度为5～20nm；和/或，
所述衬底上形成有缓冲层，缓冲层为氮化镓缓冲层、氮化铝缓冲层、铝镓氮缓冲层中的一种或多种的组合；和/或，
所述沟道层和势垒层中形成有隔离层，所述隔离层为氮化铝隔离层；和/或，
所述Ⅲ族氮化物异质结为AlGaN/GaN异质结；和/或，
所述沟道层为GaN沟道层，厚度为50nm～2μm；和/或，
所述势垒层为AlxGaN1-x势垒层，厚度为10nm～30nm，其中，x＝0.1～0.3。
一实施例中，所述制造方法还包括：
在势垒层上外延生长若干钝化层；及，
在钝化层上形成若干电极场板。
一实施例中，所述制造方法还包括：
在绝缘介质层上方外延生长第一钝化层；
刻蚀第一钝化层，以露出栅极区域的绝缘介质层；
刻蚀第一钝化层及绝缘介质层，以露出源极和漏极；
在第一钝化层上形成与栅极电性连接的栅场板；
在第一钝化层及栅场板上外延生长第二介质层；
刻蚀第二钝化层，以露出源极和漏极；
在第二钝化层上形成与源极电性连接的源场板和/或与漏极电性连接的漏场板；
在第二钝化层及源场板和/或漏场板上外延生长第三介质层；
刻蚀第三介质层，以露出全部或部分源场板和/或漏场板；
其中，所述栅极、源极、漏极、栅场板、栅场板、源场板和/或漏场板的材质为金属和/或金属化合物，金属包括金、铂、镍、钛、铝、钯、钽、钨中的一种或多种的组合，金属化合物包括氮化钛、氮化钽中的一种或多种的组合；和/或，
所述第一钝化层为氮化硅钝化层、氧化硅钝化层、氧化铝钝化层中的一种或多种的组合；和/或，
所述第二钝化层为氮化硅钝化层、氧化硅钝化层、氧化铝钝化层中的一种或多种的组合；和/或，
所述第三钝化层为氮化硅钝化层、氧化硅钝化层、聚酰亚胺钝化层中的一种或多种的组合。
一实施例中，所述制造方法中，第一钝化层、和/或第二钝化层、和/或第三钝化层采用干法刻蚀工艺和/或湿法刻蚀工艺进行刻蚀；
其中，干法刻蚀工艺采用等离子进行刻蚀，湿法刻蚀工艺采用酸性溶液或碱性溶液进行刻蚀。
一实施例中，所述制造方法中，“刻蚀Ⅲ族氮化物异质结，形成源极区域和漏极区域”具体为：
刻蚀全部或部分势垒层，形成源极区域和漏极区域；或，
刻蚀全部势垒层及部分沟道层，形成源极区域和漏极区域。
一实施例中，所述制造方法还包括：
采用离子注入工艺或刻蚀工艺，对源极和/或漏极旁侧的Ⅲ族氮化物异质结中进行无源区隔离，形成隔离区；
其中，离子注入工艺中的离子为O离子或F离子，刻蚀工艺中的刻蚀气体为BCl3或Cl2。
本发明另一实施例提供的技术方案如下：
一种Ⅲ族氮化物增强型HEMT器件，所述Ⅲ族氮化物增强型HEMT器件采用上述的制造方法制造而得，Ⅲ族氮化物增强型HEMT器件包括：
衬底；
位于衬底上的沟道层，所述沟道层为Ⅲ族氮化物沟道层；
位于栅极区域以外的沟道层上的势垒层，所述势垒层为Ⅲ族氮化物势垒层，沟道层和势垒层形成Ⅲ族氮化物异质结；
源极区域和漏极区域，形成于Ⅲ族氮化物异质结中；
源极和漏极，位于源极区域和漏极区域中；
位于沟道层上栅极区域中、及全部或部分势垒层上的绝缘介质层；
位于栅极区域中绝缘介质层上的栅极。
本发明具有以下有益效果：
本发明基于选择区域生长工艺优先在栅极区域以外生长势垒层，而后形成绝缘介质层和栅极，从而一次性形成断开的二维电子气通道；
本发明无需传统工艺中对栅极或势垒层表面进行的刻蚀或离子注入处理，有效避免了传统工艺带来的刻蚀损伤或晶格损伤。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一具体实施例中Ⅲ族氮化物增强型HEMT器件的结构示意图；
图2～图9为本发明一具体实施例中Ⅲ族氮化物增强型HEMT器件制造方法的工艺流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
参图1所示，本发明一具体实施例中的Ⅲ族氮化物增强型HEMT器件包括：
衬底10；
缓冲层20，位于衬底10上；
位于缓冲层20上的沟道层30，沟道层30为Ⅲ族氮化物沟道层；
位于栅极区域以外的沟道层30上的势垒层40，势垒层40为Ⅲ族氮化物势垒层，沟道层和势垒层形成Ⅲ族氮化物异质结，沟道层30中形成有二维电子气2DEG；
源极区域和漏极区域，形成于Ⅲ族氮化物异质结中，本实施例中的源极区域和漏极区域形成于全部势垒层40及部分沟道层30中，在其他实施例中也可以仅形成于全部或部分势垒层40中；
源极61和漏极62，位于源极区域和漏极区域中；
位于沟道层30上栅极区域中、及全部势垒层40上的绝缘介质层70；
位于绝缘介质层上的栅极63；
第一钝化层51，位于绝缘介质层70上方；
栅场板631，位于第一钝化层51上方，且与栅极63电性连接；
第二钝化层52，位于栅场板631及第一钝化层51上方；
源场板611，位于第二钝化层52上方，且与源极61电性连接；
第三钝化层53，位于源场板611及第二钝化层52上方。
以下结合附图对本实施例中Ⅲ族氮化物增强型HEMT器件及其制造方法进行详细说明。
参图2所示，首先在在衬底10上外延生长缓冲层20及沟道层30，并在沟道层上的栅极区域中形成掩膜90。
其中，衬底10为硅(Si)衬底、蓝宝石(Al2O3)衬底、碳化硅(SiC)衬底等中的任意一种；缓冲层20为GaN缓冲层、AlN缓冲层、AlGaN缓冲层等中的一种或多种的组合；沟道层30为Ⅲ族氮化物，本实施例中为GaN沟道层，厚度为50nm～2μm。
优选地，沟道层30上还可进一步生长隔离层(未图示)，隔离层可以为氮化物隔离层，如氮化铝隔离层(AlN spacer)。
本发明中可以采用在沟道层上外延生长介质材料形成介质掩膜，而后采用干法刻蚀工艺或湿法刻蚀工艺去除栅极区域以外的介质掩膜；也可以采用在沟道层上沉积金属形成金属掩膜，而后采用剥离工艺去除栅极区域以外的金属掩膜。
其中，介质掩膜可以为氮化硅、氧化硅等介质材料中的一种或多种的组合；金属掩膜可以为钛、镍等高熔点金属中的一种或多种的组合；掩膜厚度为30～100nm。
参图3所示，基于选择区域生长工艺在掩膜90以外的沟道层30上外延生长势垒层40，势垒层为Ⅲ族氮化物势垒层，沟道层和势垒层形成Ⅲ族氮化物异质结。
本实施例中的势垒层40为AlxGaN1-x势垒层，厚度为10nm～30nm，其中，x＝0.1～0.3。沟道层30和势垒层40形成AlGaN/GaN异质结。
此时，掩膜90以外区域生长的AlxGaN1-x势垒层直接与GaN沟道层接触，AlGaN/GaN异质结结构由于自发极化和压电极化效应会在沟道层30中产生二维电子气2DEG，而栅极区域(后续形成的绝缘介质层和栅极)难以形成或形成少量不规则形状的AlGaN，其下方不会产生二维电子气，总体上，实现了在耗尽型(D-mode)外延上自然形成增强型(E-mode)的效果。对比传统的栅极凹槽、氟离子注入和p型氮化镓栅极等制作增强型(E-mode)方法，该方法避免了生产工艺带来的刻蚀损伤或晶格损伤。
参图4所示，去除掩膜90。
不同的掩膜去除方式不同，去除方式可以为干法低损伤刻蚀或湿法酸碱溶液刻蚀等。对比传统的栅极凹槽、氟离子注入和p型氮化镓栅极等制作E-mdoe方法，该方法避免了生产工艺带来的刻蚀损伤或晶格损伤。
参图5所示，刻蚀Ⅲ族氮化物异质结，形成源极区域601和漏极区域602。
该步骤可以为：
对部分势垒层40进行预刻蚀，预刻蚀的深度为0～10nm；
对其余势垒层40及部分沟道层30进行欧姆刻蚀，形成源极区域601和漏极区域602，欧姆刻蚀的深度为沟道层和势垒层(AlGaN/GaN)的界面处下方0～30nm。
本实施例中的欧姆刻蚀与预刻蚀有助于降低欧姆金属退火温度、减少退火时间，能够使欧姆金属和半导体层更好的形成欧姆接触。当然，在其他实施例中也可以不进行欧姆刻蚀或预刻蚀步骤，相应的会需要更高的退火温度或更长的退火时间。
参图6所示，在源极区域601和漏极区域602中分别形成源极61和漏极62。
源漏金属材质可以包括金(Au)、铂(Pt)、镍(Ni)、钛(Ti)、铝(Al)、钯(Pd)、钽(Ta)、钨(W)、钼(Mo)等，也可以包括氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)等金属化合物。金属形成方式可以为蒸发或溅射，形成后可以采用剥离的方式去除光刻胶及多余金属，也可以采用金属刻蚀的方式去除源漏以外区域的金属。
参图7所示，在栅极区域、势垒层40及源极61和漏极62上外延生长绝缘介质层70。
绝缘介质层可以为氮化硅(SiN)层、氧化硅(SiO2)层、氧化铝(Al2O3)层、氮化铝(AlN)层、氧化镓(Ga2O3)层等中的一种或多种绝缘介质组成的复合介质层，绝缘介质层的厚度为5～20nm。
参图8所示，在绝缘介质层70上方外延生长第一钝化层51。
第一钝化层的材质可以为氮化硅、氧化硅及氧化铝等绝缘介质或者不同绝缘介质组成的复合介质。第一钝化层生长完以后可以用化学机械抛光(CMP)对其进行平坦化处理。
生长完成后，刻蚀第一钝化层51，以露出栅极区域的绝缘介质层70，并刻蚀第一钝化层51及绝缘介质层70，以露出源极61和漏极62。
刻蚀方式可以为干法等离子刻蚀或者湿法腐蚀，也可以利用干法刻蚀和湿法腐蚀结合的方式。
值得注意的是，靠近绝缘介质层表面的介质层可以优先选用湿法腐蚀或低损伤刻蚀的方式去除，以减小对栅极区域绝缘介质层表面造成的损伤。接下来，再对源极、漏极窗口中的绝缘介质层进行去除，去除方式可以为干法等离子刻蚀，或者根据绝缘介质层材质利用酸性或碱性溶液进行湿法腐蚀。
而后，在绝缘介质层70上的栅极区域中形成栅极63，并在第一钝化层51上方形成与栅极63电性连接的栅场板631。
栅极及栅场板的材质可以包括铂(Pt)、镍(Ni)、钛(Ti)、钯(Pd)、钽(Ta)、钨(W)、钼(Mo)等高熔点金属，也可以包括一些金属化合物或合金，如氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)、钨钛(WTi)等。栅极及栅场板形成方式可以为蒸发或溅射，形成后可以采用剥离的方式去除光刻胶及多余金属，也可以采用金属刻蚀的方式去除栅极区域以外的金属。此时，栅极与其下方的绝缘介质层及半导体层形成金属-绝缘层-半导体(Metal-Insulator-Semiconductor，MIS)结构。
本实施例中的栅极与栅场板通过一次蒸发或溅射工艺形成，在其他实施例中也可以通过两次工艺分步形成。
而后，采用离子注入工艺或刻蚀工艺，对源极61和漏极62旁侧的Ⅲ族氮化物异质结中进行无源区隔离，形成隔离区80。
对无源区进行隔离步骤，隔离可以采用离子注入工艺注入强负电性O离子或F离子等，也可以采用刻蚀工艺，刻蚀气体可以为BCl3、Cl2等。
如果隔离方式采用刻蚀工艺，该步骤也可以在源漏金属形成前进行，此时，还未形成第一钝化层，可以减少刻蚀深度及缩短刻蚀时间。
而后，在第一钝化层51及栅场板631上外延生长第二介质层52，并刻蚀第二钝化层52，以露出源极61和漏极62。
第二钝化层的材质可以为氮化硅、氧化硅等绝缘介质或者不同绝缘介质组成的复合介质。第二钝化层生长完以后可以用化学机械抛光(CMP)对其进行平坦化处理。
接下来，在源极、漏极区域形成窗口，窗口形成方式可以为干法等离子刻蚀，或者利用酸性溶液进行湿法腐蚀，也可以利用干法刻蚀和湿法腐蚀结合的方式。
而后，在第二钝化层52上形成与源极61电性连接的源场板611。
源场板材质可以包括金(Au)、铂(Pt)、镍(Ni)、钛(Ti)、铝(Al)、钯(Pd)、钽(Ta)、钨(W)等，也可以包括氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)等金属化合物。源场板金属形成方式可以为蒸发或溅射，形成后可以采用剥离的方式去除光刻胶及多余金属，也可以采用金属刻蚀的方式去除源场板及漏极以外区域的金属。
最后，在第二钝化层52及源场板上外延生长第三介质层53，并刻蚀第三介质层，以露出源场板和漏极。
第三钝化层的材质可以为氮化硅、氧化硅、聚酰亚胺(PI)等绝缘介质或者不同绝缘介质组成的复合介质。第三钝化层生长完以后可以用化学机械抛光(CMP)对其进行平坦化处理。
接下来，在源极、漏极区域形成窗口，窗口形成方式可以为干法等离子刻蚀，或者根据介质层材质选择酸性溶液进行湿法腐蚀，也可以利用干法刻蚀和湿法腐蚀结合的方式。
最终形成的增强型HEMT器件结构如图9所示。
应当理解的是，上述实施例中以设置栅场板和源场板为例进行说明，对应需在第一钝化层上继续外延第二钝化层及第三钝化层，在其他实施例中也可以不设置栅场板和源场板，或者增加漏场板，均属于本发明所保护的范围。
由以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明基于选择区域生长工艺优先在栅极区域以外生长势垒层，而后形成绝缘介质层和栅极，从而一次性形成断开的二维电子气通道；
本发明无需传统工艺中对栅极或势垒层表面进行的刻蚀或离子注入处理，有效避免了传统工艺带来的刻蚀损伤或晶格损伤。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
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