带氮化镓插入层的氮化镓基增强型器件及其制备方法与流程

本发明属于半导体技术中的氮化镓基器件领域，具体涉及一种带氮化镓插入层的氮化镓基增强型器件及其制备方法。

背景技术：

以AlGaN/GaN、InGaN/GaN、InAlN/GaN等为材料基础的器件统称为氮化镓基器件，例如AlGaN/GaN异质结场效应管(heterostructure field effect transistors,HFET)，异质结双极晶体管(heterostructure bipolar transistor,HBT)等。氮化镓基器件具有击穿场强大、电子迁移率高、饱和速度大等优点，被认为是下一代功率开关器件的有力竞争者，近年来备受研究者青睐。

由于较强的自发极化和压电极化效应,氮化镓基器件一般为耗尽型器件。但是作为功率开关器件，为了能够降低功耗同时减小电路应用中的设计复杂度，对于氮化镓器件而言，能够实现增强型是非常有意义的。但是在现有的实现氮化镓基增强型器件的方法中，可控制性、可操作性和可重复性一般都比较差，因而不利于工业化生产。另外，对于增强型器件而言，可以在材料与器件制备过程中方便地控制阈值电压的大小也是很有价值的，而且大多栅凹槽制备技术都会明显对沟道造成不利影响。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种带氮化镓插入层的凹槽栅氮化镓基增强型器件的制备方法，由于在势垒层中插入氮化镓层，使凹槽栅结构的制备可以实现腐蚀自停止于氮化镓插入层，氮化镓层在势垒层中不同的插入位置可以方便地实现不同深度的凹槽腐蚀效果，从而完成在该结构基础上肖特基栅和MOS结构栅阈值电压的调控，而且氮化镓插入层下留有适当厚度的势垒层可以在凹槽刻蚀期间有效保护沟道防止器件性能退化，从而使本方案具有很高的可操作性和可重复性，更利于工业化生产。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

带氮化镓插入层的氮化镓基增强型器件，包括：衬底及其上生长的氮化镓基外延层，具有一层或多层氮化镓插入层的势垒层，源漏欧姆接触，栅金属，栅凹槽以及栅绝缘层，所述源漏欧姆接触分别位于器件有源区上的两边，所述栅金属位于源漏欧姆接触之间，所述栅绝 缘层位于氮化镓基材料和栅金属之间形成MOS结构，所述栅凹槽位于栅金属下且被栅绝缘层覆盖。

具体地，器件之间由ICP刻蚀等隔离方式隔离，源漏欧姆接触分别位于器件有源区上的两边，可以部分覆盖到有源区之外也可以完全位于有源区之内，栅金属位于源漏欧姆接触之间，栅源、栅漏间距和栅长可调，栅绝缘层位于栅金属和其下的氮化镓基材料之间形成MOS结构，栅凹槽位于栅下且被栅绝缘层覆盖，栅金属可以但不必须过覆盖栅凹槽。

上述带氮化镓插入层的氮化镓基增强型器件的制备方法，其步骤包括：

1)生长氮化镓基材料时，势垒层中生长单层或多层氮化镓插入层；

2)在氮化镓基材料表面光刻器件区域并刻蚀非器件区域；

3)在氮化镓基材料表面光刻凹槽栅区域；

4)刻蚀凹槽栅区域氮化镓盖帽层，并去除剩余光刻胶；

5)对所述凹槽栅区域在高温条件下进行氧化处理；

6)将氧化处理后的氮化镓基材料表面置于腐蚀性溶液中进行腐蚀，形成栅凹槽；

7)在氮化镓基材料表面淀积栅绝缘层并光刻源漏区域，刻蚀源漏区域的栅绝缘层，制备欧姆接触；然后制备栅金属。

进一步地，上述方法步骤3)还可以包括：在氮化镓基材料表面淀积保护层，在保护层上光刻凹槽栅区域。此时，步骤4)还包括刻蚀凹槽栅区域的保护层，步骤6)还包括形成凹槽后去除氮化镓基材料表面的保护层。

进一步地，上述方法步骤4)所述刻蚀的方法包括但不限于：1)RIE(反应离子刻蚀，Reactive Ion Etching)处理；2)BOE(Buffer Oxide Etch，缓冲蚀刻液)溶液浸泡处理(保护层去除可用)；步骤7)所述刻蚀方法一般用酸性腐蚀液，包括但不限于：1)BOE(Buffer Oxide Etch，缓冲蚀刻液)溶液浸泡处理，可调整浓度范围；2)HF(氢氟酸)溶液浸泡处理，可调整浓度范围；3)HCl(盐酸)溶液浸泡处理，可调整浓度范围。

其中，上述方法中欧姆接触可以在步骤2)刻蚀非器件区域之后在器件区域制备，从而步骤7)源漏图形换成源漏接触孔图形，栅金属也可以放在步骤7)中光刻源漏接触孔图形之前制备，此种制备方法优选在氮化镓基材料表面淀积保护层作为掩膜。即：

带氮化镓插入层的氮化镓基增强型器件的制备方法，其步骤包括：

1)生长氮化镓基材料时，势垒层中生长单层或多层氮化镓插入层；

2)在氮化镓基材料表面光刻器件区域并刻蚀非器件区域，然后在该器件区域制备欧姆接触；

3)在氮化镓基材料表面淀积保护层，在所述保护层上光刻凹槽栅区域；

4)刻蚀凹槽栅区域的保护层和氮化镓盖帽层，并去除剩余光刻胶；

5)对所述凹槽栅区域在高温条件下进行氧化处理；

6)将氧化处理后的氮化镓基材料表面置于腐蚀性溶液中进行腐蚀，形成栅凹槽后去除氮化镓基材料表面的保护层；

7)在氮化镓基材料表面淀积栅绝缘层并制备栅金属；然后在氮化镓基材料表面光刻源漏端接触孔图形，腐蚀接触孔处绝缘层并去除光刻胶。

进一步地，上述方法步骤4)所述刻蚀的方法包括但不限于：1)RIE(反应离子刻蚀，Reactive Ion Etching)处理；2)BOE(Buffer Oxide Etch，缓冲蚀刻液)溶液浸泡处理(保护层去除可用)；步骤7)所述一般用酸性腐蚀液腐蚀的方法腐蚀接触孔处绝缘层，包括但不限于：1)BOE(Buffer Oxide Etch，缓冲蚀刻液)溶液浸泡处理，可调整浓度范围；2)HF(氢氟酸)溶液浸泡处理，可调整浓度范围；3)HCl(盐酸)溶液浸泡处理，可调整浓度范围。

进一步地，本发明方法中所述氮化镓基材料主要包括AlGaN/GaN、InGaN/GaN、InAlN/GaN等异质结材料；氮化镓插入层的插入厚度可调，且插入位置、插入层数和插入范围等也可调。

进一步地，本发明方法中采用的光刻方式为接触式光刻等，光刻胶采用AZ5214等材质；刻蚀非器件区域采用的方法主要为干法刻蚀，刻蚀深度在100～200nm之间，但不限于此。

进一步地，本发明方法中淀积保护层的方法包括但不限于：PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积)、ICP-CVD(Inductively Coupled Plasma Chemical Vapor Deposition,电感耦合等离子体化学气相淀积)、光学薄膜沉积；优选采用PECVD方法。所述保护层主要为SiO₂或SiN等。

进一步地，一般采用可腐蚀氮化物或氧化物等的酸性溶液去除氮化镓基材料表面的保护层，所述酸性溶液包括但不限于：1)BOE(Buffer Oxide Etch，缓冲蚀刻液)溶液浸泡处理，可调整浓度范围；2)HF(氢氟酸)溶液浸泡处理，可调整浓度范围。

进一步地，本发明方法中通过快速退火炉或管式退火炉等进行所述氧化处理，氧化温度为590～670℃，时间为40min～80min，但不限于此。

进一步地，本发明方法中用于腐蚀形成栅凹槽的腐蚀性溶液一般为强碱溶液(其他类溶液根据实际情况也可)：氢氧化钾溶液或氢氧化钠溶液等；质量浓度(即碱性固体物质在其溶液中的百分数(wt％))为10％～70％，其温度为50～90℃，腐蚀时间为25min～70min，但不限于此。

进一步地，本发明方法中所述栅绝缘层为但不限于Al₂O₃、SiO₂、SiN等；所述栅绝缘层 淀积方法包括但不限于：ALD(原子层淀积，Atom Layer Deposition)、热氧化、PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积)、ICP-CVD(Inductively Coupled Plasma Chemical Vapor Deposition,电感耦合等离子体化学气相淀积)、光学薄膜沉积；优选采用ALD方法。

进一步地，本发明方法中制备欧姆接触时淀积金属包括但不限于钛铝镍金(Ti/Al/Ni/Au)或钛铝钼金(Ti/Al/Mo/Au)，退火温度在800～900℃，时间为30～35s，淀积欧姆接触方法为电子束蒸发或溅射，欧姆接触生长在本方案工艺流程的位置可以依需要调整，并不限于此。

进一步地，本发明方法中所述栅金属包括但不限于镍金(Ni/Au)或铂金(Pt/Au)，制备栅金属的方式包括但不限于电子束蒸发或溅射。

本发明制备的凹槽栅氮化镓基增强型器件，其凹槽深度不随设定的氧化时间和腐蚀时间变化，仅随氮化镓插入层的位置变化，可实现自停止刻蚀和阈值电压控制；插入层下保留一定厚度的势垒层，可以极大降低刻蚀过程对沟道的影响从而尽可能最大化器件的性能。这些优势使得本发明提供了一种具有很高的可操作性和可重复性并具有高性能且可控制阈值电压的氮化镓基增强型器件的制备方法，同时为实现氮化镓增强型器件的工业化生产提供了一种很好的方法。

附图说明

图1是本发明的在势垒层中插入氮化镓层的凹槽栅氮化镓基增强型器件的制备步骤流程图。

图2是本发明的利用盖帽层掩膜技术的在势垒层中插入氮化镓层的凹槽栅氮化镓基增强型器件的制备步骤流程图。

图3是本发明实施例制造出的氮化镓基增强型器件的结构示意图(势垒层中插入单层氮化镓薄层)，其中：1——蓝宝石衬底；2——GaN层；3——AlN插入层；4——GaN插入层；5——AlGaN层；6——GaN盖帽层。

具体实施方式

下面通过具体实施例并配合附图，对本发明做详细的说明。

本发明可实现基于自停止刻蚀的可控制阈值电压的高性能凹槽栅氮化镓基增强型器件的原理是：在AlGaN/GaN、InGaN/GaN、InAlN/GaN等氮化镓基材料中，由于GaN比AlGaN等其他材料层具有更高的抗氧化特性，在氧化处理时，使AlGaN等材料层被氧化而不影响GaN层(包括未刻蚀的盖帽层，插入层和势垒层下的GaN沟道层与缓冲层等)，形成的氧化 物容易被KOH等碱性溶液腐蚀，同时该碱性溶液对GaN层没有任何影响，腐蚀过程停止在GaN插入层，因而可以实现自停止凹槽栅结构。由于插入层下剩余的势垒层厚度很小，这种结构能够大大降低凹槽栅区域的二维电子气浓度，因而可以实现氮化镓基增强型器件。此外，材料生长时调整GaN插入层的位置可以实现不同的凹槽深度和凹槽区势垒层剩余厚度，从而可以方便地控制阈值电压，而且插入层及剩余的势垒层可以在凹槽刻蚀过程中对沟道进行有效保护，防止器件性能发生显著退化。

以氮化镓材料AlGaN(其中插入GaN薄层)/GaN为例，由于GaN比AlGaN具有更高的抗氧化特性，在温度为650℃时，只有暴露出的AlGaN层被氧化而不影响其下面的GaN插入层和表面未刻蚀的GaN盖帽层，在经过45min氧化后暴露出的AlGaN层已全部被氧化，形成的氧化物为Al₂O₃和Ga₂O₃，这些氧化物是很容易被70℃时的KOH溶液腐蚀的，同时KOH溶液对GaN层也没有任何影响，因而可以实现自停止凹槽栅结构。由于GaN插入层下剩余的AlGaN层厚度很小，这种结构能够大大降低凹槽栅区域的二维电子气浓度，因而可以实现氮化镓基增强型器件。此外，材料生长时调整GaN插入层的位置可以实现不同的凹槽深度和凹槽区AlGaN层剩余厚度，从而可以方便地控制阈值电压，而且GaN插入层及剩余的AlGaN层可以在凹槽刻蚀过程中对沟道进行有效保护，防止器件性能发生显著退化。

图1是本发明的在势垒层中插入氮化镓层的凹槽栅氮化镓基增强型器件的制备步骤流程图。图2是本发明的利用盖帽层掩膜技术的在势垒层中插入氮化镓层的凹槽栅氮化镓基增强型器件的制备步骤流程图。下面以AlGaN/GaN金属氧化物半导体高电子迁移率晶体管(MOSHEMT)为例，对图1方法进行具体说明。该凹槽栅的制备步骤包括：

1)生长AlGaN/GaN材料过程中，在距离AlGaN/GaN界面2-4nm处的AlGaN层中生长一层1～2nm厚的GaN插入层。

2)在GaN基表面涂敷光刻胶，光刻有源区图形。

本实施例采用的是隔离版图，采用的光刻胶是AZ5214；采用接触式光刻方法进行光刻。

3)在所述GaN基表面刻蚀非有源区，刻蚀深度在100nm-200nm。

本实施例的目的是形成隔离岛，使得各个器件之间不相互影响。

4)除去剩余光刻胶。采用有机清洗的方法去除光刻胶，溶剂为丙酮、异丙醇等有机溶剂。

5)在所述GaN基表面涂敷光刻胶，光刻欧姆接触图形。

本实施例采用的是欧姆接触版图，采用的光刻胶是AZ5214/LOR10A；采用接触式光刻方法进行光刻。

6)在所述GaN基表面淀积金属Ti/Al/Ni/Au(20/160/50/100nm)，剥离、退火后形成欧姆接触。

本步骤的目的是淀积欧姆接触金属，形成源漏欧姆接触；退火温度为880℃，时间为30秒。

7)在所述GaN基表面采用PECVD方法制备厚度为400nm的SiO₂保护层。

该步骤制备SiO₂层的目的是保护非凹槽区域，即其他区域在高温氧气环境下不被氧化和损坏。

8)在所述SiO₂层上涂敷光刻胶，并光刻待做凹槽栅结构图形。

本实施例采用的版图是凹槽栅结构版图，采用的光刻胶是AZ5214；采用接触式光刻方法进行光刻。

9)刻蚀待做凹槽栅区域的SiO₂保护层和GaN盖帽层。

该步骤的目的是刻蚀掉待做凹槽栅部分的SiO₂保护层和GaN盖帽层，使待做凹槽栅部分的AlGaN暴露，便于后续的氧化，而非凹槽区域的SiO₂保护层和GaN盖帽层由于有光刻胶的保护，不会被刻蚀掉。该步骤采用RIE(反应离子刻蚀)方法进行刻蚀。

10)除去剩余光刻胶。采用有机清洗的方法去除光刻胶，溶剂为丙酮、异丙醇等有机溶剂。

11)将步骤10)所得氮化镓基表面放于纯氧气环境下的管式退火炉中进行氧化处理。

前面十步的目的是在样片氧化前，将不需要氧化的区域用SiO₂保护层保护起来，需要氧化的区域的AlGaN层裸露出来，在该步骤中进行氧化。氧化的温度设定为650℃，时间为45min。

12)将氧化处理后的氮化镓基表面浸泡于氢氧化钾溶液进行腐蚀，形成凹槽。

该步骤中，氢氧化钾溶液的温度用水浴锅恒定为70℃；其中饱和氢氧化钾溶液和水的体积比例为1:4，换算成质量浓度为19.7％；腐蚀时间为45分钟。由于氧化腐蚀过程只对凹槽部分暴露的AlGaN部分起作用，对凹槽部分AlGaN下面的GaN插入层没有影响，因而可以实现凹槽栅结构的自停止刻蚀。另外，凹槽部分的GaN插入层及其下的剩余AlGaN层可以在凹槽制备过程中有效保护沟道，尽可能减少器件性能的退化，而且通过生长材料时调整GaN插入层的位置即剩余AlGaN层厚度可以控制器件的阈值电压大小。

13)将腐蚀后的氮化镓基表面上的SiO₂保护层去除，即得凹槽栅结构。

本实施例采用缓冲氧化物腐蚀液(BOE)去除SiO₂。

14)在样品表面采用ALD的方法淀积厚度为30nm的Al₂O₃。

本实施例的目的是为增强型器件做栅绝缘层。

15)在样品表面涂敷光刻胶，并光刻栅金属图形。

本实施例采用的版图是栅金属版图，采用的光刻胶为AZ5214；采用接触式光刻方法。

16)在上述样品上淀积Ni/Au(50/100nm)，剥离后形成栅金属。

本实施例的目的是形成栅金属。

17)在上述样品上涂敷光刻胶，并光刻源漏接触孔图形。

本实施例采用的版图是接触孔版图，采用的光刻胶为AZ5214；采用接触式光刻方法。

18)将上述样品置于氟化铵腐蚀液中，浸泡30秒。

本实施例的目的是去除源漏接触上的Al₂O₃，开出接触孔。

19)除去剩余光刻胶。采用有机清洗的方法去除光刻胶，溶剂为丙酮、异丙醇等有机溶剂。

图3为本实施例制造出的氮化镓基增强型器件的结构示意图，包括蓝宝石衬底1，蓝宝石衬底上1上生长的外延层，该外延层从上到下依次包括GaN盖帽层6，AlGaN层5，AlGaN层5中的GaN插入层4，AlN插入层3以及GaN层2，源漏欧姆接触和栅金属，栅凹槽以及栅绝缘层。GaN插入层的氧化腐蚀自停止有效性可以通过已经实现的GaN盖帽层掩膜凹槽栅氮化镓基增强型器件得以证明：1～2nm厚的GaN盖帽层可以有效地作为自停止栅凹槽工艺的氧化腐蚀掩膜，说明1～2nm厚的GaN层在本工艺中所用的氧化和腐蚀条件下不会受到影响，那么1～2nm的GaN插入层自然可以作为氧化腐蚀工艺的自停止层。

上述实例中使用的是用保护层做掩膜的氧化腐蚀自停止工艺，在其他实例中还可以使用盖帽层掩膜的氧化腐蚀自停止工艺等。

上述实施例中氮化镓基材料为AlGaN/GaN，在其他实施例中还可以采用InGaN/GaN、InAlN/GaN等氮化镓基材料。

上述实施例中，所淀积的欧姆接触金属Ti/Al/Ni/Au(20/160/50/100nm)，厚度可以适当改变，另外金属也可以为Ti/Al/Mo/Au等；退火温度和时间也可以适当调整；淀积欧姆接触金属的方法除了电子束蒸发外，还可以采用溅射等方法。

上述实施例中，所述保护层除采用SiO₂外，还可以采用SiN等材料。

上述实施例中，步骤9)除采用RIE方法进行刻蚀外，还可以采用BOE(Buffer Oxide Etch，缓冲蚀刻液)等溶液进行浸泡处理或者其他干法刻蚀方法，完成刻蚀。

上述实施例中，淀积保护层的方法除采用PECVD方法外，还可以采用ICP-CVD、光学薄膜沉积等方法。

上述实施例中，通过氧化炉进行氧化处理时，温度可在590-670℃范围内调整，时间为40min-80min。

上述实施例中，步骤12)除氢氧化钾溶液外，还可以采用氢氧化钠溶液等，进行腐蚀处理的参数可以在如下范围内调整：溶液质量浓度为10％-70％，其温度为50-90℃，腐蚀时间 为25min-70min。

上述实施例中，所述栅绝缘层除了Al₂O₃外，还可以采用SiO₂、SiN等。

上述实施例中，淀积栅绝缘层的方法除了ALD外，还可以采用热氧化方法、光学薄膜沉积等方法。

上述实施例中，所述栅金属Ni/Au(50/100nm)的厚度可以适当改变，同时可以采用Pt/Au等；淀积栅金属的方法除了电子束蒸发外，还可以采用溅射等方法。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。