[实用新型]一种GaNMIS沟道HEMT器件

说明书

技术领域

本实用新型属于半导体器件技术领域，具体涉及一种GaN MIS沟道HEMT器件。

背景技术

GaN作为第三代宽禁带半导体材料的典型代表之一，与传统的半导体材料Si、GaAs相比，具有禁带宽度宽、击穿电场大、电子饱和漂移速度高、介电常数小以及良好的化学稳定性等特点。特别是基于GaN材料的AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管(HEMT)结构具有更高的电子迁移率(高于1800cm²V^-1s^-1)和二维电子气(2DEG)面密度(约10¹³cm^-2)，使得基于GaN材料器件在射频领域和电力电子领域都具有非常明显的优势。

作为增强型器件的一种，MIS沟道HEMT(MIS-channel HEMT)结合了MISFET的特性和HEMT的优势(当栅介质为SiO₂时即为MOS沟道HEMT)，即具有优异的增强型性能，即MIS栅控制性能，又能在大部分区域保持HEMT的二维电子气高电导性能，成为当前的研究热点。但是，通常的MIS沟道HEMT器件，由于凹槽的刻蚀会在GaN表面引入缺陷，带来很大的问题，导致MIS栅界面态密度高和沟道迁移率非常低，使得MIS栅沟道的电阻成为HEMT器件的主要电阻部分。同时刻蚀的均匀性也很难控制，导致器件性能的一致性差。因此，一方面通过设计和工艺减少MIS栅的长度，另一方面改善工艺方法降低凹槽刻蚀对GaN表面的损伤，是改进当前MIS沟道HEMT器件性能和可靠性的重要方法。

实用新型内容

本实用新型为一种GaN MIS沟道HEMT器件。在GaN外延过程中在沟道层上插入AlN薄层，既作为势垒层对二维电子气进行限域，又作为后续工艺中的刻蚀缓冲层。通过AlN刻蚀缓冲层降低和消除了等离子体刻蚀栅凹槽时对GaN表面的损伤，改善了GaN MIS界面的性能，从而减少了沟道电阻和总导通电阻。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种GaN MIS沟道HEMT器件，所述HEMT器件的材料结构包括衬底以及依次向上生长的AlN成核层、GaN缓冲层、GaN沟道层、AlN插入层、AlGaN势垒层和GaN帽层。

进一步，所述AlN成核层的厚度为20-100nm；所述GaN缓冲层的厚度为1-5μm；所述GaN沟道层的厚度为50-1000nm；所述AlN插入层的厚度小于20nm；所述AlGaN势垒层的厚度为10-50nm；所述GaN帽层的厚度小于10nm。

进一步，所述衬底为SiC衬底、Si衬底、GaN衬底或Al₂O₃衬底的任一种。

一种制备GaN MIS沟道HEMT器件的方法，所述方法包括如下步骤：

1)在衬底材料上依次通过MOCVD方法原位生长AlN成核层、GaN缓冲层、GaN沟道层、AlN插入层、AlGaN势垒层和GaN帽层；

2)使用传统工艺流程完成器件的隔离、源漏欧姆接触工艺后，进行栅槽的刻蚀；在凹槽的刻蚀过程中，在刻蚀接近AlGaN势垒层的底部时，选择AlN比AlGaN刻蚀选择比高的工艺条件继续刻蚀，确保晶圆上各凹槽中AlGaN已完全刻蚀干净，同时刻蚀掉部分AlN层，剩余部分AlN层；

3)用热磷酸进行腐蚀，以腐蚀掉晶圆上各凹槽中剩余部分的AlN层；

4)用稀释的HF酸和HCl酸进行表面处理，去除表面的氧化物；之后淀积栅介质层；

5)淀积栅金属，栅金属完成后淀积钝化介质层进行钝化保护，然后在每个原胞的源漏极进行一次刻孔，淀积金属在源漏极上，并形成源场板；

6)最后淀积第二钝化介质层，进行二次刻孔，在源、漏、栅电极压块处刻蚀出介质窗口，在介质窗口区域淀积厚的金属，并形成介质桥的互连；淀积第三钝化层或聚酰亚胺，对整个芯片表面进行保护，并刻蚀出电极压块处的窗口。

进一步，步骤3)中热磷酸进行腐蚀的腐蚀温度为160-210℃。

进一步，步骤4)栅介质层为SiO₂、SiN或Al₂O₃。

本实用新型具有以下有益技术效果：

本实用新型在GaN外延过程中在沟道层上插入AlN薄层，既作为势垒层对二维电子气进行限域，又作为后续工艺中的刻蚀缓冲层。通过AlN插入层降低和消除了等离子体刻蚀栅凹槽时对GaN表面的损伤，改善了GaN MIS界面的性能，从而起到减少了沟道电阻和总导通电阻的作用。