一种氮化镓高线性高电子迁移率晶体管及其制备方法与流程

1.本发明涉及一种射频功率器件，尤其涉及一种氮化镓高线性高电子迁移率晶体管及其制备方法，属于射频功率器件技术领域。

背景技术：

2.基于algan/gan 的高电子迁移率晶体管（hemts）器件具有良好的频率特性、高功率密度和高可靠性，正在逐渐取代rf-ldmos和gaas功率器件，成为相控阵雷达中t/r组件的首选微波毫米波功率器件。此外，随着通信对海量数据宽带传输的迫切需求，在高频段且具有高功率密度优势的algan/gan hemts器件在无线通信中展现出巨大优势，但其在通信应用中也面临着高频调制信号的高线性传输等难点需要突破。
3.algan/gan hemts器件线性度差的主要原因在于：一是高密度的2deg被限制在极窄的量子阱中，源栅间的电流在很小栅压范围内就会饱和，导致跨导线性宽度差；二是器件在大电流密度下高结温使载流子迁移率降低，导致电流密度下降，从而引起跨导在大栅压时快速衰减。因此，研究人员分别从材料、器件与应用等方面，重点围绕algan/gan hemts器件，对高线性射频功率器件开展了深入的研究。在材料方面，通过变al组分形成复合沟道，或渐变al组分将沟道展宽以线性化跨导，但该方法会使载流子迁移率降低，导致器件功率密度和效率降低以及可靠性变差；在器件结构方面，研究人员也提出了基于finfet结构的algan/gan hemts新器件，以解决源栅间的电流饱和栅源电阻较大的问题，但该方法会导致栅阻和栅寄生变大以及可靠性变差，最终导致器件频率特性和射频功率性能退化。

技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有algan/gan hemts器件存在的上述缺陷，提出一种氮化镓高线性高电子迁移率晶体管及其制备方法。
5.本发明的技术解决方案：一种氮化镓高线性高电子迁移率晶体管及其制备方法，所述氮化镓高线性器件在包含衬底层、成核层、gan缓冲层和algan势垒层的样片上制作而成，该制备方法具体包括如下步骤：1）在algan势垒层的样片上制作源电极和漏电极，形成源电极欧姆接触和漏电极欧姆接触；2）在步骤1）制作的源电极、漏电极和algan势垒层上生长第一层介质材料，形成介质层；3）在步骤2）生长第一层介质后的样片上，通过离子注入隔离定义器件有源区，制作有源区的电隔离；4）在步骤3）注入隔离后的样片上光刻器件栅区域，通过刻蚀使栅脚区域暴露出algan势垒层；5）在步骤4）形成栅脚的样片上，通过光刻定义栅脚挖槽区域；其中栅脚挖槽区域占总栅宽的10%~90%，根据样片材料结构以及器件要求进行设计；可以是单根栅的任意一个
区域或者任意多个区域，也可以是多根栅中某一根或者某几根栅；6）刻蚀步骤5）栅脚挖槽区域，在algan势垒层上形成凹槽结构，凹槽结构的凹槽深度小于algan势垒层的厚度；7）在步骤6）形成凹槽结构的样片上制作器件栅电极，形成肖特基接触：对形成凹槽结构的样片先进行清洗并甩干，进行光刻栅帽；在上述样片上采用电子束蒸发栅金属，并进行剥离，清洗甩干；8）在步骤7）制作器件栅电极后的样片上生长第二层介质层材料，得到algan/gan高电子迁移率晶体管；9）在步骤8）制作的algan/gan高电子迁移率晶体管上制作互联金属层和金属加厚层，得到高线性化hemt：在第一保护层和第二保护层上光刻互联层开孔区和金属加厚区，刻蚀互联层开孔区和金属加厚区的第一保护层、介质层和第二保护层，形成开孔结构；蒸发开孔结构的互联和加厚金属，形成互联层和金属加厚层，完成gan高线性器件的正面工艺；10）完成器件背面工艺，得到gan高线性器件：对步骤9）完成正面工艺的gan高线性器件进行键合和衬底减薄；在减薄过的样片上进行光刻、背孔刻蚀以及背金电镀，完成gan高线性器件制备。
6.与现有技术相比，本发明的优点在于：可以在不增栅阻和栅寄生的情况下降低器件峰值结温，同时提高跨导线性度，获得高性能的射频功率器件。
附图说明
7.图1为本发明实施例提供的氮化镓基高线性hemt的制作方法流程图。
8.图2为本发明制作过程中第一层介质层生长后hemt剖面图。
9.图3为本发明制作过程中栅脚刻蚀后hemt剖面图。
10.图4为本发明制作过程中栅挖槽区域剖面图及俯视图。
11.图5为本发明hemt正面工艺完成后剖面图及俯视图。
12.图6为本发明hemt制备完成后剖面图及俯视图。
具体实施方式
13.下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
14.为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
15.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”“某些实施方式”“示意性实施方式”“示例”“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征结构材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述
术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征结构材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
16.本实施例中采用碳化硅衬底，外延层从衬底到顶部依次为aln成核层、氮化镓缓冲层、aln插入层和algan势垒层，对应各层的厚度分别为40nm、2000nm、1nm和25nm。其中algan势垒层铝组分为28%；图6是器件结构示意图，该实施例中器件采用4指结构，单指栅宽70um，栅源和栅漏间距分别为2um和0.5um，栅长为0.2um，衬底减薄后厚度为60um。
17.在本实施例中栅挖槽区域为每根栅等间隔的4个区域，单个区域宽度为10um，挖槽深度为10nm，如图4所示。
18.如图1所示，本实施例提供的高线性氮化镓射频hemt的制备方法步骤如下：s1. 在sic衬底上采用金属有机化合物化学气相沉淀法（mocvd）依次沉积aln成核层、氮化镓缓冲层、aln插入层和algan势垒层，得到器件制备所需的外延片。
19.s2. 采用光刻定义源漏区域，通过电子束蒸发ti/al/ni/au并剥离，在样片algan势垒层上制作源电极和漏电极，通过快速890度退火形成源电极欧姆接触和漏电极欧姆接触。
20.s3. 采用等离子体增强化学的气相沉积法（pecvd）在源电极、漏电极和algan势垒层上沉积第一层100nm氮化硅介质层材料，如图2所示。
21.s4. 在上述生长介质后的样片上，通过光刻定义器件有源区，采用离子注入隔离制作有源区的电隔离，然后进行去胶并清洗。
22.s5. 在上隔离后的样片上采用光刻定义器件栅脚区域，然后采用icp刻蚀台刻蚀使栅脚区域暴露出algan势垒层，去除光刻胶并清洗干净，如图3所示。
23.s6. 在形成栅脚的样片上，通过光刻定义栅挖槽区域，采用icp刻蚀台通过氯基刻蚀气体刻蚀上述栅脚挖槽区域，在algan势垒层上形成凹槽结构，去除光刻胶并清洗干净，如图4所示。
24.s7. 在上形成凹槽结构的样片上采用电子束蒸发沉积ni/au并剥离制作器件栅电极，然后进行450度5分钟热处理，形成肖特基接触。
25.s8. 在上述制作了器件栅电极后的样片上采用pecvd沉积第二层氮化硅介质层材料。
26.s9. 在上algan/gan高电子迁移率晶体管的第一保护层和第二保护层上光刻互联层开孔区，采用等离子刻蚀台刻蚀第一保护层和第二保护层，形成开孔结构，然后去胶并清洗干净。
27.s10. 在开孔结构的样片上光刻互联金属和加厚金属区，然后采用电子束蒸发沉积700nm的ti/au并进行剥离，形成互联金属层和金属加厚层，完成gan高线性器件正面工艺，器件结构如图5所示。
28.s11. 将完成正面结构的样片正面键合到氮化铝基板上，将碳化硅衬底厚度减薄至60um，并进行抛光。进行背孔光刻，刻蚀碳化硅衬底至氮化镓外延层，然后刻蚀掉氮化镓层停止在源电极金属上，去胶并清洗干净。
29.s12. 在上述刻蚀背孔的样片上，溅射电镀种子层并电镀。然后在电镀金层上光刻划片槽并腐蚀，形成划片槽结构。最后将样品与氮化铝基板分离并清洗干净，完成gan高线
性器件制备，器件结构如图6所示。
30.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：

1.一种氮化镓高线性高电子迁移率晶体管的制备方法，其特征在于：所述氮化镓高线性器件在包含衬底层、成核层、gan缓冲层和algan势垒层的样片上制作而成，该制备方法具体包括如下步骤：1）在algan势垒层的样片上制作源电极和漏电极，形成源电极欧姆接触和漏电极欧姆接触；2）在步骤1）制作的源电极、漏电极和algan势垒层上生长第一层介质材料，形成介质层；3）在步骤2）生长第一层介质后的样片上，通过离子注入隔离定义器件有源区，制作有源区的电隔离；4）在步骤3）注入隔离后的样片上光刻器件栅区域，通过刻蚀使栅脚区域暴露出algan势垒层；5）在步骤4）形成栅脚的样片上，通过光刻定义栅脚挖槽区域；6）刻蚀步骤5）栅脚挖槽区域，在algan势垒层上形成凹槽结构；7）在步骤6）形成凹槽结构的样片上制作器件栅电极，形成肖特基接触；8）在步骤7）制作器件栅电极后的样片上生长第二层介质层材料，得到algan/gan高电子迁移率晶体管；9）在步骤8）制作的algan/gan高电子迁移率晶体管上制作互联金属层和金属加厚层，得到高线性化hemt；10）完成器件背面工艺，得到gan高线性器件。2.根据权利要求1所述的一种氮化镓高线性高电子迁移率晶体管，其特征在于：所述步骤5）中的栅脚挖槽区域占总栅宽的10%~90%，根据样片材料结构以及器件要求进行设计；可以是单根栅的任意一个区域或者任意多个区域，也可以是多根栅中某一根或者某几根栅。3.根据权利要求1所述的一种氮化镓高线性高电子迁移率晶体管，其特征在于：所述步骤6）中在algan势垒层上形成凹槽结构的凹槽深度小于algan势垒层的厚度。4.根据权利要求1所述的一种氮化镓高线性高电子迁移率晶体管，其特征在于：所述步骤7）对形成凹槽结构的样片先进行清洗并甩干，进行光刻栅帽；在上述样片上采用电子束蒸发栅金属，并进行剥离，清洗甩干。5.根据权利要求1所述的一种氮化镓高线性高电子迁移率晶体管，其特征在于：所述步骤9）具体操作如下：在第一保护层和第二保护层上光刻互联层开孔区和金属加厚区，刻蚀互联层开孔区和金属加厚区的第一保护层、介质层和第二保护层，形成开孔结构；蒸发开孔结构的互联和加厚金属，形成互联层和金属加厚层，完成gan高线性器件的正面工艺。6.根据权利要求1所述的一种氮化镓高线性高电子迁移率晶体管，其特征在于：所述步骤10）具体操作如下：对步骤9）完成正面工艺的gan高线性器件进行键合和衬底减薄；在减薄过的样片上进行光刻、背孔刻蚀以及背金电镀，完成gan高线性器件制备。7.一种利用权利要求1-6中任意一项所述的一种氮化镓高线性高电子迁移率晶体管的制备方法所制备的氮化镓高线性高电子迁移率晶体管。

技术总结

本发明提出的是一种氮化镓高线性高电子迁移率晶体管及其制备方法，主要解决现有器件跨导的线性度差的问题，属于射频功率器件领域。本发明采用栅局域挖槽技术，将栅下势垒层局域减薄，通过调整挖槽宽度和挖槽深度来抑制栅源电流饱和，同时调整器件热场分布抑制降低峰值结温的同时，拓宽了器件跨导范围，提高了跨导的线性度。跨导的线性度。跨导的线性度。