GaN基HEMT器件及其制备方法
阅读说明：本技术 GaN基HEMT器件及其制备方法 (GaN-based HEMT device and preparation method thereof ) 是由 王文博 程永健 李家辉 邹鹏辉 李哲 于 2021-11-15 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种GaN基HEMT器件及其制备方法,在衬底上先形成外延结构及SiN钝化保护层,而后形成源极区及漏极区,及对应的源电极及漏电极,之后去除SiN钝化保护层,并进行表面清洗后,再采用原子层沉积及等离子退火工艺形成单晶AlN势垒层,以调制GaN沟道内二维电子气,同时在AlGaN势垒层内形成区域性薄层附属沟道,以提高器件整体线性度,且在同一沉积腔内采用原子层沉积在单晶AlN势垒层上形成非晶AlN钝化保护层,由于采用连续原位原子层沉积单晶和非晶AlN层,可以提高晶体/非晶AlN的界面质量,以优化器件Pulse-IV特性,且AlN层的高热导率,较好的散热性,还可以提高器件整体散热性能。(The invention provides a GaN-based HEMT device and a preparation method thereof, an epitaxial structure and a SiN passivation protective layer are firstly formed on a substrate, then forming a source region and a drain region, and a corresponding source electrode and a corresponding drain electrode, then removing the SiN passivation protective layer, after surface cleaning, adopting atomic layer deposition and plasma annealing process to form a monocrystal AlN barrier layer to modulate two-dimensional electron gas in the GaN channel, meanwhile, a regional thin auxiliary channel is formed in the AlGaN barrier layer to improve the overall linearity of the device, and an amorphous AlN passivation protective layer is formed on the single crystal AlN barrier layer by adopting atomic layer deposition in the same deposition cavity, because the single crystal and the amorphous AlN layer are deposited by adopting the continuous in-situ atomic layer, the interface quality of the crystal/amorphous AlN can be improved, the device Pulse-IV characteristic is optimized, the AlN layer has high heat conductivity and good heat dissipation performance, and the overall heat dissipation performance of the device can be improved.)
技术领域
本发明属于半导体技术领域，涉及一种GaN基HEMT器件及其制备方法。
背景技术
氮化镓（Gallium Nitride，GaN）作为第三代半导体材料，由于其禁带宽度大（3.4eV）、击穿场强高、导热性优良、电子饱和速度大等特点，已成为被广泛深入研究和应用的半导体材料。基于AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率晶体管（High Electron MobilityTransistor，HEMT）由于具有自发极化和压电极化效应，无需掺杂即可产生高密度的二维电子气，且电子受到的散射小，迁移率高，可应用于性能优异的高频、大功率的电子器件。
GaN基HEMT器件普遍存在电流崩塌效应，会降低器件的工作性能，通常器件的电流崩塌效应可通过表面钝化处理的方式能够得到一定改善，其中，钝化处理包括采用原位沉积或者异位沉积形成SiN介质或者SiO2介质，或者采用ALD沉积Al2O3介质等，通过改变界面缺陷来缓和电流崩塌。虽说传统钝化技术可以在一定程度上改善表面缺陷，但仍需更有效的方式以改善界面缺陷。
另外，GaN基HEMT器件还存在散热问题，在大功率工作条件下，器件产生的热量难以及时疏散，从而也会影响器件的性能及可靠性。通常改善散热问题的方式包括在衬底背面键合金属热沉或采用键合金刚石的方式来改善器件散热，但该工艺步骤繁琐，且金刚石价格昂贵。
因此，提供一种GaN基HEMT器件及其制备方法，以提供更有效、更便宜的散热方式，实属必要。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种GaN基HEMT器件及其制备方法，用于解决现有技术中GaN基HEMT器件难以改善表面缺陷及器件散热的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种GaN基HEMT器件的制备方法，包括以下步骤：
提供衬底；
于所述衬底上形成外延结构，所述外延结构包括自下而上叠置的GaN层及AlGaN势垒层；
于所述AlGaN势垒层上形成覆盖所述AlGaN势垒层的SiN钝化保护层；
在所述外延结构中形成源极区及漏极区，所述源极区及所述漏极区贯穿所述AlGaN势垒层，且底部延伸至所述GaN层中；
图形化所述SiN钝化保护层，显露所述源极区及所述漏极区；
形成与所述源极区相接触的源电极及与所述漏极区相接触的漏电极；
去除所述SiN钝化保护层，显露所述AlGaN势垒层，并对所述AlGaN势垒层进行表面清洗；
采用原子层沉积及等离子退火工艺于显露的所述AlGaN势垒层上形成单晶AlN势垒层，且在同一沉积腔内，采用原子层沉积于所述单晶AlN势垒层上形成非晶AlN钝化保护层；
图形化所述单晶AlN势垒层及所述非晶AlN钝化保护层，显露所述源电极及所述漏电极。
可选地，形成所述单晶AlN势垒层的步骤包括：
采用原子层沉积在温度为260℃-320℃形成子AlN层；
采用Ar等离子进行等离子退火，将所述子AlN层转变为子单晶AlN势垒层；
循环制备所述子单晶AlN势垒层，形成由所述子单晶AlN势垒层堆叠设置的单晶AlN势垒层。
可选地，采用Ar等离子进行等离子退火的时间包括10s-30s，功率包括100W-300W。
可选地，形成的所述单晶AlN势垒层的厚度为7nm-9nm。
可选地，形成所述非晶AlN钝化保护层的步骤包括：
采用原子层沉积在温度为260℃-320℃形成子非晶AlN钝化保护层；
循环制备所述子非晶AlN钝化保护层，形成由所述子非晶AlN钝化保护层堆叠设置的非晶AlN钝化保护层。
可选地，形成所述源极区及漏极区的步骤包括离子注入的步骤及激活的步骤，其中，离子注入的能量包括40KeV-70KeV，离子注入的剂量包括1e15/cm2-3e15/cm2，激活温度包括1050℃-1250℃。
可选地，还包括形成栅电极的步骤，其中，形成所述栅电极的步骤包括刻蚀所述非晶AlN钝化保护层及所述单晶AlN势垒层形成贯穿所述非晶AlN钝化保护层及所述单晶AlN势垒层且与所述AlGaN势垒层相接触的栅电极；或在形成所述源电极及漏电极时形成所述栅电极。
可选地，形成的所述源电极及所述漏电极为采用退火工艺所形成的欧姆接触电极，其中，退火温度包括400℃-600℃。
本发明还提供一种GaN基HEMT器件，所述GaN基HEMT器件包括：
衬底；
外延结构，所述外延结构位于所述衬底上，所述外延结构包括自下而上叠置的GaN层及AlGaN势垒层；
源极区及漏极区，所述源极区及所述漏极区贯穿所述AlGaN势垒层，且底部延伸至所述GaN层中；
单晶AlN势垒层，所述单晶AlN势垒层位于所述AlGaN势垒层上；
非晶AlN钝化保护层，所述非晶AlN钝化保护层位于所述单晶AlN势垒层上；
源电极及漏电极，所述源电极及所述漏电极贯穿所述非晶AlN钝化保护层及所述单晶AlN势垒层，且分别与对应的所述源极区及所述漏极区相接触。
如上所述，本发明的GaN基HEMT器件及其制备方法，在衬底上先形成自下而上叠置的包括GaN层及AlGaN势垒层的外延结构，以及覆盖AlGaN势垒层的SiN钝化保护层，以通过SiN钝化保护层保护AlGaN势垒层的表面，避免在进行后续工艺中损伤AlGaN势垒层，而后在外延结构中形成源极区及漏极区，以及形成对应的源电极及漏电极，之后去除SiN钝化保护层，显露AlGaN势垒层，并对AlGaN势垒层进行表面清洗后，再采用原子层沉积及等离子退火工艺于显露的AlGaN势垒层上形成单晶AlN势垒层，使得低温沉积的非晶或多晶AlN层转变为外延单晶AlN层，从而可对AlGaN势垒层产生极化作用，以进一步调制沟道内二维电子气，同时在AlGaN势垒层内可形成区域性薄层附属沟道（除有电极部分的区域），也不影响栅电极到沟道的距离，以提高器件整体线性度，且在同一沉积腔内，采用原子层沉积在单晶AlN势垒层上形成非晶AlN钝化保护层，由于采用连续原位原子层沉积单晶和非晶AlN层，可以提高晶体AlN/非晶AlN的界面质量，以优化器件Pulse-IV特性，同时AlN层的热导率高，及具有较好的散热性，还可以提高器件整体散热性能。
附图说明
图1显示为本发明实施例中形成外延结构后的结构示意图。
图2显示为本发明实施例中形成SiN钝化保护层后的结构示意图。
图3显示为本发明实施例中形成源极区及漏极区后的结构示意图。
图4显示为本发明实施例中形成源电极及漏电极后的结构示意图。
图5显示为本发明实施例中去除SiN钝化保护层后的结构示意图。
图6显示为本发明实施例中形成单晶AlN势垒层及非晶AlN钝化保护层后的结构示意图。
图7显示为本发明实施例中形成栅电极后的结构示意图。
元件标号说明
110-GaN层；120-AlGaN势垒层；200-SiN钝化保护层；310-源极区；320-漏极区；410-源电极；420-漏电极；430-栅电极；500-单晶AlN势垒层；600-非晶AlN钝化保护层。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。本文使用的“介于……之间”表示包括两端点值。
在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征 “之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，其组件布局型态也可能更为复杂。
本实施例提供一种GaN基HEMT器件的制备方法，包括以下步骤：
S1：提供衬底；
S2：于所述衬底上形成外延结构，所述外延结构包括自下而上叠置的GaN层及AlGaN势垒层；
S3：于所述AlGaN势垒层上形成覆盖所述AlGaN势垒层的SiN钝化保护层；
S4：在所述外延结构中形成源极区及漏极区，所述源极区及所述漏极区贯穿所述AlGaN势垒层，且底部延伸至所述GaN层中；
S5：图形化所述SiN钝化保护层，显露所述源极区及所述漏极区；
S6：形成与所述源极区相接触的源电极及与所述漏极区相接触的漏电极；
S7：去除所述SiN钝化保护层，显露所述AlGaN势垒层，并对所述AlGaN势垒层进行表面清洗；
S8：采用原子层沉积及等离子退火工艺于显露的所述AlGaN势垒层上形成单晶AlN势垒层，且在同一沉积腔内，采用原子层沉积于所述单晶AlN势垒层上形成非晶AlN钝化保护层；
S9：图形化所述单晶AlN势垒层及所述非晶AlN钝化保护层，显露所述源电极及所述漏电极。
具体的，参阅图1~图7，显示为本实施例中在制备GaN基HEMT器件时，各步骤所呈现的结构示意图。
首先，执行步骤S1，提供衬底（未图示）。
具体的，所述衬底可包括Si衬底、SiC衬底及蓝宝石衬底中的一种，所述衬底的种类并非局限于此。其中，由于Si衬底具有大尺寸、价格便宜等特点，本实施例中，优选所述衬底采用Si（111）衬底，以满足节约成本的需求，以及基于晶格适应性，（111）取向的Si衬底有利于后续材料的生长。其中，所述衬底的尺寸可采用8吋晶圆、12吋晶圆等，此处不作过分限制。
接着，如图1，执行步骤S2，于所述衬底上形成外延结构，所述外延结构包括自下而上叠置的GaN层110及AlGaN势垒层120。
具体的，所述外延结构可包括位于所述衬底上的AlN成核层及缓冲层，以通过所述AlN成核层作为种子层，通过所述缓冲层缓解GaN层110与所述衬底的晶格不匹配及热膨胀系数不匹配的问题。其中，所述缓冲层可包括AlGaN缓冲层及GaN缓冲层中的一种或组合，所述AlGaN缓冲层可包括单层或AlxGa1-xN叠层，x的取值范围可包括0＜x＜1，且远离所述GaN层110的AlxGa1-xN层的x值大于临近所述GaN层110的AlxGa1-xN层的x值，以缓解所述衬底与所述GaN层110晶格不匹配及热膨胀系数不匹配的问题。在形成所述AlGaN缓冲层之后，还可形成高阻的所述GaN缓冲层，以形成具有良好的防漏电性能的GaN器件，且在形成高阻的所述GaN缓冲层后，还可形成AlN背势垒层，以通过所述AlN背势垒层的自极化能力，进一步的提高二维电子气浓度，从而制备具有良好的防漏电性能及较高的击穿电压的GaN器件。所述AlGaN势垒层120可包括AlxGa1-xN层，x的取值范围可为0＜x＜1，优选x=0.3，但并非局限于此。本实施例中，为简化结构，所述外延结构仅采用依次堆叠的所述GaN层110及AlGaN势垒层120，关于所述外延结构的具体设置，可根据需要进行选择，此处不作过分限制。
接着，如图2，执行步骤S3，于所述AlGaN势垒层120上形成覆盖所述AlGaN势垒层120的SiN钝化保护层200。
具体的，可采用LPCVD法或PECVD法沉积所述SiN钝化保护层200，以通过形成的所述SiN钝化保护层200保护所述AlGaN势垒层120的表面，避免后续工艺对所述AlGaN势垒层120造成损伤。
接着，如图3，执行步骤S4，在所述外延结构中形成源极区310及漏极区320，所述源极区310及所述漏极区320贯穿所述AlGaN势垒层120，且底部延伸至所述GaN层110中。
作为示例，形成所述源极区310及所述漏极区320的步骤包括离子注入的步骤及激活的步骤，其中，离子注入的能量包括40KeV-70KeV，离子注入的剂量包括1e15/cm2-3e15/cm2，激活温度包括1050℃-1250℃。
具体的，本实施例中，所述源极区310及所述漏极区320为n+高掺杂区，以便于后续形成较低的欧姆接触电阻，其中，离子注入的能量可包括40KeV-70KeV，如40KeV、50KeV、60KeV、70KeV等，离子注入的剂量可包括1e15/cm2-3e15/cm2，如1e15/cm2、2e15/cm2、3e15/cm2等，激活温度可包括1050℃-1250℃，如1050℃、1100℃、1150℃、1200℃、1250℃等，从而所述SiN钝化保护层200可在高的激活温度下有效的保护所述AlGaN势垒层120，避免高温解离所述AlGaN势垒层120。
接着，如图4，执行步骤S5，图形化所述SiN钝化保护层200，显露所述源极区310及漏极区320，以及执行步骤S6，形成与所述源极区310相接触的源电极410及与所述漏极区320相接触的漏电极420。
作为示例，形成的所述源电极410及所述漏电极420为采用退火工艺所形成的欧姆接触电极，其中，退火温度包括400℃-600℃。
具体的，本实施例中，采用干法ICP去除部分所述SiN钝化保护层200，以显露所述源极区310及所述漏极区320，之后采用沉积法形成与所述源极区310相接触的所述源电极410及与所述漏极区320相接触的所述漏电极420，其中，优选所述源电极410及所述漏电极420为金属材质，且采用退火工艺形成与对应的所述源极区310及所述漏极区320相接触的欧姆接触电极。其中，退火温度可包括400℃、500℃、600℃等，具体可根据需要进行选择。
接着，如图5，执行步骤S7，去除所述SiN钝化保护层200，显露所述AlGaN势垒层120，并对所述AlGaN势垒层120的表面进行清洗。
具体的，可采用湿法BOE腐蚀工艺去除所述SiN钝化保护层200，然后利用TMAH清洗所述AlGaN势垒层120的表面，以去除杂质，之后送入原子层沉积（PEALD）的沉积腔内。
接着，如图6，执行步骤S8，采用原子层沉积及等离子退火工艺于显露的所述AlGaN势垒层120上形成单晶AlN势垒层500，且在同一沉积腔内，采用原子层沉积于所述单晶AlN势垒层500上形成非晶AlN钝化保护层600。
作为示例，形成所述单晶AlN势垒层500的步骤可包括：
采用PEALD法在温度为260℃-320℃形成子AlN层；
采用Ar等离子进行等离子退火，将所述子AlN层转变为子单晶AlN势垒层；
循环制备所述子单晶AlN势垒层，形成由所述子单晶AlN势垒层堆叠设置的所述单晶AlN势垒层500。
具体的，形成所述单晶AlN势垒层500可包含多个循环操作，每个循环操作均包含以下步骤：
第一步，通入TMA气体，作为Al气源；
第二步，通入Ar进行杂质清除；
第三步，通入H2/N2等离子体，作为N气源；
第四步，通入Ar进行杂质清除；
第五步，通入Ar等离子体进行等离子退火。
如此循环，以形成所述单晶AlN势垒层500，其中，在沉积前，在PEALD内先原位清洗所述AlGaN势垒层120的表面，如可利用NH3、Ar、N2依次对所述AlGaN势垒层120的表面进行清洁，时间可分别为30s-1min，功率可为100W-300W，然后沉积AlN，形成子AlN层，之后进行循环步骤。每个循环步骤中均包含Ar等离子体退火，时间为10s-30s，如10s、20s、30s等，功率为100W-300W，如100W、200W、300W等，之所以在每个循环步骤中利用Ar等离子进行退火，是为了使低温ALD沉积的非晶或多晶AlN层转变为子单晶AlN势垒层，以最终形成所述单晶AlN势垒层500，从而对所述AlGaN势垒层120产生极化作用，以进一步调制所述GaN层110内的二维电子气，同时在所述AlGaN势垒层120区域性形成薄层附属沟道，可以提高器件整体线性度。
需要指出的是，常规低温ALD沉积的是非晶或多晶AlN层，因此不能对所述AlGaN势垒层120产生极化作用，等离子退火可使非晶或多晶AlN层转化成单晶薄膜，此单晶AlN薄膜可作为势垒层，从而形成具有第1势垒层的所述AlGaN势垒层120及第2势垒层的所述单晶AlN势垒层500的叠层势垒结构，可以进一步对GaN器件内的二维电子气进行调制。
作为示例，可通过完成100次循环步骤后，形成厚度为7nm-9nm的所述单晶AlN势垒层500，如厚度可为7nm、8nm、9nm等，具体厚度可根据循环步骤的次数的选择进行设置。
作为示例，形成所述非晶AlN钝化保护层600的步骤包括：
采用PEALD法在温度为260℃-320℃形成子非晶AlN钝化保护层；
循环制备所述子非晶AlN钝化保护层，形成由所述子非晶AlN钝化保护层堆叠设置的所述非晶AlN钝化保护层600。
具体的，在完成100次的循环步骤以制备所述单晶AlN势垒层500之后，优选在同一沉积腔内形成所述非晶AlN钝化保护层600，如继续进行200次的循环沉积，在这200次的循环沉积过程中，不进行Ar等离子退火，从而可形成非晶的AlN介质层，以作为表面钝化保护层，即所述非晶AlN钝化保护层600。其中，所述非晶AlN钝化保护层600作为表面钝化层可以提高晶体AlN/非晶AlN界面质量，进一步的，由于PEALD沉积过程为连续原位过程，从而可以优化GaN器件的PIV特性，同时AlN层的热导率高，较好的散热性，还可以提高GaN器件整体散热性能。
需要强调的是，当采用PEALD沉积所述单晶AlN势垒层500和所述非晶AlN钝化保护层600以及在同一沉积腔内完成时，中间样品由于不离开沉积腔，因此形成的AlN/AlN界面缺陷可以最大程度的得到改善，从而可降低缺陷造成的电流崩塌效应，而且非晶AlN作为钝化层，由于其高热导性，可以提高GaN器件的表面散热。
接着，如图6，执行步骤S9，图形化所述单晶AlN势垒层及所述非晶AlN钝化保护层600，显露所述源电极410及所述漏电极420。
进一步的，如图7，还包括形成栅电极430的步骤，其中，形成所述栅电极430的步骤包括刻蚀所述非晶AlN钝化保护层600及所述单晶AlN势垒层500形成贯穿所述非晶AlN钝化保护层600及所述单晶AlN势垒层500的所述栅电极430，但并非局限于此，还可在形成所述源电极410及所述漏电极420时形成所述栅电极430，即先制备所述栅电极430，然后再进行AlN的沉积，其中，所述栅电极430的材质可为金属材质，且由于AlN的沉积温度较低，因此也不会损坏金属材质的所述栅电极430，关于所述栅电极430的制备可根据需要进行选择。
如图7，本实施例还提供一种GaN基HEMT器件，所述GaN基HEMT器件包括衬底、外延结构、源极区310、漏极区320、单晶AlN势垒层500及非晶AlN钝化保护层600。其中，所述外延结构位于所述衬底上，所述外延结构包括自下而上叠置的GaN层110及AlGaN势垒层120，所述源极区310及所述漏极区320贯穿所述AlGaN势垒层120，且底部延伸至所述GaN层110中，所述单晶AlN势垒层500位于所述AlGaN势垒层120上，所述非晶AlN钝化保护层600位于所述单晶AlN势垒层500上，所述源电极410及所述漏电极420贯穿所述非晶AlN钝化保护层600及所述单晶AlN势垒层500，且分别与对应的所述源极区310及所述漏极区320相接触。其中，关于所述GaN基HEMT器件的材质、制备方法等均可参阅上述制备工艺，此处不作赘述。
综上所述，本发明的GaN基HEMT器件及其制备方法，在衬底上先形成自下而上叠置的包括GaN层及AlGaN势垒层的外延结构，以及覆盖AlGaN势垒层的SiN钝化保护层，以通过SiN钝化保护层保护AlGaN势垒层的表面，避免在进行后续工艺中损伤AlGaN势垒层，而后在外延结构中形成源极区及漏极区，以及形成对应的源电极及漏电极，之后去除SiN钝化保护层，显露AlGaN势垒层，并对AlGaN势垒层进行表面清洗后，再采用原子层沉积及等离子退火工艺于显露的AlGaN势垒层上形成单晶AlN势垒层，使得低温沉积的非晶或多晶AlN层转变为外延单晶AlN层，从而可对AlGaN势垒层产生极化作用，以进一步调制沟道内二维电子气，同时在AlGaN势垒层内可形成区域性薄层附属沟道（除有电极部分的区域），也不影响栅电极到沟道的距离，以提高器件整体线性度，且在同一沉积腔内，采用原子层沉积在单晶AlN势垒层上形成非晶AlN钝化保护层，由于采用连续原位原子层沉积单晶和非晶AlN层，可以提高晶体AlN/非晶AlN的界面质量，以优化器件Pulse-IV特性，同时AlN层的热导率高，及具有较好的散热性，还可以提高器件整体散热性能。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
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