一种氮化镓基功率器件的新型制备方法
阅读说明：本技术 一种氮化镓基功率器件的新型制备方法 (Novel preparation method of gallium nitride-based power device ) 是由 郝惠莲 于 2020-11-19 设计创作，主要内容包括：本发明属于半导体的技术领域,公开了一种氮化镓基功率器件的新型制备方法,在衬底上生长氮化镓外延层,然后,在所述氮化镓外延层上依次生长第一氮化镓铝外延层、第二氮化镓铝外延层,再利用刻蚀停止工艺对第一氮化镓铝外延层进行刻蚀形成表面平整的栅极凹槽,刻蚀停止在第二氮化镓铝外延层上,最后,制备漏电极、源电极和栅电极,完成器件制备。本发明的制备方法优化的外延生长方案,同时搭配刻蚀停止技术,既能加快刻蚀过程,又能保证刻蚀深度均匀、一致,从而使整个晶圆上的器件得到均匀的阈值电压分布,对凹槽法的产业化应用提供了更好的选择。(The invention belongs to the technical field of semiconductors, and discloses a novel preparation method of a gallium nitride-based power device. The epitaxial growth scheme optimized by the preparation method is matched with the etching stopping technology, so that the etching process can be accelerated, and the uniform and consistent etching depth can be ensured, so that devices on the whole wafer can obtain uniform threshold voltage distribution, and a better choice is provided for the industrial application of the groove method.)
技术领域
本发明涉及半导体的技术领域，尤其涉及一种氮化镓基功率器件的新型制备方法。
背景技术
第三代半导体材料氮化镓GaN相比于硅Si材料具有更大的禁带宽度、更高的击穿场强，是第三代半导体材料中的杰出代表。不同于传统Si基半导体器件，基于GaN材料的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)，利用GaN异质结中的极化效应，在异质结界面可以获得高电子浓度、高电子迁移率、以及高饱和电子漂移速度，从而实现器件的导通。这些优异的电学特性决定了AlGaN/GaN HEMT器件在高频、高压、以及高功率密度的功率半导体领域存在巨大的产业潜力。
由于AlGaN/GaN异质结结构具有天然导通的二维电子气沟道，造成传统的AlGaN/GaN HEMT具有耗尽型的开关特性，而从应用的角度来说，只有增强型HEMT才能被传统的电力电子行业广泛接受。栅极凹槽刻蚀技术被认为是可以获得高阈值电压增强型功率器件的理想方案，目前的凹槽栅刻蚀技术以干法刻蚀及湿法氧化刻蚀为主，其目的都是为了将氮化镓GaN异质结结构中位于栅极区域的AlGaN势垒层刻蚀掉一部分，进而使处于该位置的二维电子气浓度足够低，在不施加栅极电压的条件下二维电子气浓度小到可以忽略，器件处于关断状态。施加正的栅压后导电沟道才可恢复，实现器件的导通，即实现增强型器件特性。干法刻蚀方案普遍采用ICP或RIE刻蚀栅极下方的AlGaN层从而形成凹槽，此方法刻蚀速度快，但存在整片晶圆wafer刻蚀深度不均匀的情况，造成整片晶圆wafer上器件的阈值电压分布离散的问题；湿法氧化刻蚀是先将栅极下方AlGaN层表面氧化，然后用酸性或碱性溶液除去此氧化层，从而形成凹槽，此方法形成的凹槽仍然存在刻蚀深度不均匀的问题，而且刻蚀速度极慢，不利于产业化应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中由于栅极凹槽的刻蚀深度不均，易造成整片晶圆上器件的阈值电压分布离散的缺陷，提供一种氮化镓基功率器件的新型制备方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种氮化镓基功率器件的新型制备方法，在衬底上生长氮化镓外延层，然后，在所述氮化镓外延层上依次生长第一氮化镓铝外延层、第二氮化镓铝外延层，再利用刻蚀停止工艺对第一氮化镓铝外延层进行刻蚀形成表面平整的栅极凹槽，刻蚀停止在第二氮化镓铝外延层上，最后，制备漏电极、源电极和栅电极，完成器件制备。
进一步，所述第一氮化镓铝外延层的铝组分含量小于第二氮化镓铝外延层的铝组分含量，所述刻蚀停止工艺设置为采用以氯气、氧气和氩气的气体组合气体为刻蚀气体的干法刻蚀工艺对第一氮化镓铝外延层进行刻蚀，形成栅极凹槽，刻蚀停止在第二氮化镓铝外延层上。
进一步，所述第二氮化镓铝外延层的铝组分含量大于20％，其厚度设置为1-30nm；所述第一氮化镓铝外延层的铝组分含量小于20％，其厚度设置为1-100nm。
进一步，在所述栅极凹槽上先覆盖一层栅介质层后，再制备栅电极。
进一步，包括以下步骤：
步骤一、在衬底上依次外延生长氮化镓外延层、第一氮化镓铝外延层和第二氮化镓铝外延层，再进行光刻，然后刻蚀第一氮化镓铝外延层和第二氮化镓铝外延层的边缘部分至氮化镓外延层；
步骤二、利用刻蚀停止工艺对第一氮化镓铝外延层进行刻蚀形成栅极凹槽，刻蚀停在第二氮化镓铝外延层上；
步骤三、制备源电极、漏电极和栅电极；
步骤四、沉积钝化层，然后进行光刻，再刻蚀去处掉源电极、漏电极和栅电极上的钝化层，完成器件制备。
进一步，采用以氯气、氧气和氩气的气体组合气体为刻蚀气体的干法刻蚀工艺对第一氮化镓铝外延层进行刻蚀，形成表面平整的栅极凹槽，刻蚀停止在第二氮化镓铝外延层上。
进一步，所述衬底采用Si、蓝宝石或者SiC材料制成。
进一步，所述源电极、漏电极和栅电极均利用电子束蒸发设备蒸镀制成，所述源电极、漏电极设置为欧姆接触电极，均采用Ti/Al/Ti/Au或者Ti/Al/Ni/Au金属材料制成，所述栅电极设置为肖特基接触电极，采用Ni/Au或者Ni/Pt/Au金属材料制成。
本发明有益的技术效果在于：
先在衬底上生长两层氮化镓铝外延层，为后续的刻蚀停止工艺做准备，然后利用刻蚀停止工艺在第二氮化镓铝外延层上刻蚀形成表面平整的栅极凹槽，保证刻蚀深度均匀、一致，从而得到均匀的阈值电压分布，确保整片晶圆上器件的阈值电压分布均匀，对凹槽法的产业化应用提供了更好的选择。本发明的制备方法操作简单，成本低廉，效率高，适应性强，极具应用前景。
附图说明
图1为本发明的总体流程示意图；
图2为本发明的制备方法的具体图示示意图。
具体实施方式
下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。
本发明结合干法刻蚀和湿法刻蚀的优缺点，提出了一种氮化镓基功率器件的新型制备方法，如图1所示，在衬底上生长氮化镓外延层，然后，在氮化镓外延层上依次生长第一氮化镓铝外延层、第二氮化镓铝外延层，再利用刻蚀停止工艺对第一氮化镓铝外延层进行刻蚀形成表面平整的栅极凹槽，刻蚀停止在第二氮化镓铝外延层上，最后，制备漏电极、源电极和栅电极，完成器件制备。这样，通过优化外延生长方法，在衬底上生长两层氮化镓铝外延层，为后续的刻蚀停止工艺做准备，然后利用刻蚀停止工艺在第二氮化镓铝外延层上刻蚀形成表面平整的栅极凹槽，保证刻蚀深度均匀、一致，从而得到均匀的阈值电压分布，确保整片晶圆上器件的阈值电压分布均匀，对凹槽法的产业化应用提供了更好的选择，极具应用前景。
为了提高刻蚀效率和工艺执行的便捷性，本发明以干法刻蚀为基础，干法刻蚀加快刻蚀速度，但是存在等离子体轰击，使得表面粗糙，引入界面态缺陷，破坏器件的电学性能，因此，通过调整干法刻蚀工艺，可以实现刻蚀停止技术，即将第一氮化镓铝外延层刻掉，停止在第二氮化镓铝外延层的表面，同时，还要确保刻蚀形成的栅极凹槽表面平整。举例来说，设置第一氮化镓铝外延层的铝组分含量小于第二氮化镓铝外延层的铝组分含量，选用氯气Cl2、氧气O2和氩气Ar的气体组合作为刻蚀气体，刻蚀第一氮化镓铝外延层，当刻蚀到第二氮化镓铝外延层表面时，由于其中的铝组分高，在高铝组分的第二氮化镓铝外延层表面会形成Al2O3以及AlGaO，阻止等离子体继续向下刻蚀，因此，刻蚀可以停止在高铝组分的第二氮化镓铝外延层表面，这样，可以使整片晶圆wafer上的器件，凹槽深度一致，确保整片晶圆wafer上的器件阈值电压分布均匀，而且，由于凹槽制备仅采用干法刻蚀，速度快，适合产业化生产。
参见附图2，本发明的氮化镓基功率器件的新型制备方法，包括以下步骤：
步骤一、在衬底上依次外延生长氮化镓层、第一氮化镓铝外延层和第二氮化镓铝外延层，可借用MOCVD设备进行外延生长，再进行光刻，然后再利用ICP设备刻蚀第一氮化镓铝外延层和第二氮化镓铝外延层的边缘部分至氮化镓层，以阻断二维电子气；该衬底可采用Si、蓝宝石或者SiC材料制成。
步骤二、利用刻蚀停止工艺对第一氮化镓铝外延层进行刻蚀形成表面平整的栅极凹槽，刻蚀停在第二氮化镓铝外延层上；
具体地，通过调整干法刻蚀工艺，可以实现刻蚀停止技术，即将第一氮化镓铝外延层刻掉，停止在第二氮化镓铝外延层的表面。可以设置第二氮化镓铝外延层的铝组分含量高，大于20％，其厚度设置为1-30nm；第一氮化镓铝外延层的铝组分含量低，小于20％，其厚度设置为1-100nm，然后，选用以氯气Cl2、氧气O2、氩气Ar的组合气体为刻蚀气体来刻蚀低铝组分的第一氮化镓铝外延层，当刻蚀到高铝组分的第二氮化镓铝外延层表面时，由于铝组分高，在高铝组分的第二氮化镓铝外延层表面会形成金属氧化物Al2O3以及AlGaO，阻止等离子体继续向下刻蚀，因此，刻蚀可以停止在高铝组分的第二氮化镓铝外延层表面，这样可以使整片晶圆wafer上的器件，凹槽深度一致，确保整片晶圆wafer上的器件阈值电压分布均匀。而且，由于凹槽制备采用干法刻蚀，速度快，适合产业化生产。
步骤三、制备源电极、漏电极和栅电极。
进行光刻，再刻蚀去处掉源极区域和漏极区域的第一氮化镓铝外延层、第二氮化镓铝外延层，然后在源极区域和漏极区域制备源电极和漏电极，两者均为欧姆接触电极，可利用电子束蒸发设备蒸镀源、漏电极，无论源电极还是漏电极都采用多层金属组成，可以是Ti/Al/Ti/Au，也可以是Ti/Al/Ni/Au等金属组合。
然后，再进行光刻，在栅极凹槽区域，利用电子束蒸发设备蒸镀栅电极，栅电极为肖特基接触电极，也设置为多层金属，可以是Ni/Au，也可以是Ni/Pt/Au等金属组合。当然，还可以在凹槽结构上先覆盖一层栅介质层后，再制备栅电极。
步骤四、利用PECVD工艺在器件表面沉积一层钝化层，并将源电极、漏电极和栅电极表面的钝化层刻蚀掉，只留下电极之间区域的钝化层，完成器件制备。
以上所述仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用于限制本发明的保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明所附权利要求的保护范围内。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：锑化物高电子迁移率晶体管及制备方法