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CN105355557A - 一种基于GaN基HEMT器件的Fin-HEMT器件及其制备方法 - Google Patents

一种基于GaN基HEMT器件的Fin-HEMT器件及其制备方法 Download PDF

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CN105355557A
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gan
fin
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gate
sin
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张鹏
何云龙
宓珉翰
张濛
马晓华
郝跃
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Xidian University
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Abstract

本发明公开了一种基于GaN基HEMT器件的Fin-HEMT器件及其制备方法,首先在GaN基异质结表面生长SiN层作为掩蔽层,然后光刻出Fin图形,并依次刻蚀SiN层和GaN基异质结层,形成Fin结构,最后再在Fin结构的栅位置光刻形成金属栅图形,刻蚀掉未被光刻胶掩蔽的SiN,然后在Fin结构侧壁形成介质层,最后在栅槽位置光刻栅图形,在整个结构表面进行金属蒸发,并剥离掉光刻胶,形成金属栅;其中,刻蚀SiN层和GaN基异质结分别在不同的刻蚀工艺气体下进行。

Description

一种基于GaN基HEMT器件的Fin-HEMT器件及其制备方法
【技术领域】
本发明涉及一种半导体器件,特别涉及一种基于GaN基HEMT器件的Fin-HEMT器件及其制备方法。
【背景技术】
GaN基化合物作为第三代半导体材料,由于其突出的材料特性,已成为现代国际上研究的热点。GaN材料特有的异质结极化效应以及GaN材料的高电子饱和速度,使得GaN基HEMT器件成为良好的微波功率器件。而随着无线通信市场的快速发展以及传统军事应用的持续发展,微波器件在人类生活及工作的许多方面扮演着重要的角色。
GaN基HEMT器件的常规结构如图1所示,包括衬底1’、衬底上自下而上依次为GaN基异质结材料的缓冲层3’和势垒层5’,在所述势垒层上为源漏电极7’和栅电极9’,源漏电极为两个分别在栅电极的两侧,所述缓冲层通常为GaN,所述势垒层通常为AlGaN或InAlN,在源漏电极和栅电极之间的势垒层上还有钝化层。所述缓冲层和势垒层形成异质结结构,在异质结结构上,由于压电极化和自发极化效应,会在势垒层和缓冲层交接处,较靠近缓冲层的位置,形成一层带负电的二维电子气,由于能带的关系,二维电子气具有一定限域性。因此,当源漏电极存在电压差时,电子就会在该二维平面上根据电势方向移动,形成电流。同时,通过栅极施加一定负电压,能够耗尽电子,获得器件的开关控制。但是,传统的GaN基HEMT器件存在器件泄漏电流较大,无法获得成熟的增强型器件等问题。
目前,一种新的HEMT结构是引入硅基CMOS中的Fin-FET概念,构建GaN基HEMT器件的Fin-FET器件。由于加入了Fin-FET,能得到更好的栅控,降低器件的漏电流,得到更大的电流开关比,同时更好的栅控能力,有助于实现高质量的增强型GaN基HEMT器件。但是,这种Fin-FET器件,由于在工艺上,要首先刻蚀GaN/AlGaN基异质结材料形成Fin,刻蚀GaN的气体主要是氯基气体,如Cl2,而Fin的宽度需要在100nm以内,才能形成增强型的效果,而在该部工艺的光刻中,作为掩蔽的光刻胶对于氯基气体的刻蚀比往往很差,这样会形成刻蚀深宽比很低(即侧壁不陡直)的Fin,相当于减小了Fin的有效宽度,即损耗了器件的栅宽,降低了器件的饱和电流,栅控效果等性能。
【发明内容】
本发明提供了一种基于GaN基HEMT器件的Fin-HEMT器件及其制备方法,使用耐氯基气体刻蚀的SiN介质作为Fin的刻蚀掩蔽层,不但保证了Fin的有效宽度,而且能够形成侧壁陡直,形貌良好的Fin,同时SiN又是很好的GaN基异质结材料的钝化层,能够有效抑制GaN基HEMT器件的电流崩塌效应。
一种基于GaN基HEMT器件的Fin-HEMT器件的制备方法,首先在GaN基异质结表面生长SiN层作为掩蔽层,然后光刻出Fin图形,并依次刻蚀SiN层和GaN基异质结层,形成Fin结构,再在Fin结构的栅位置光刻形成栅图形,刻蚀掉未被光刻胶掩蔽的SiN,然后在Fin结构侧壁形成介质层,最后在栅槽位置光刻栅图形,在整个结构表面进行金属蒸发,并剥离掉光刻胶,形成金属栅;其中,刻蚀SiN层和GaN基异质结分别在不同的刻蚀工艺气体下进行。
刻蚀SiN层采用氟基气体作为刻蚀的工艺气体,刻蚀GaN基异质结层采用氯基气体作为刻蚀的工艺气体。
所述氟基气体包括CF4、SF6,所述氯基气体包括BCl3或Cl2
在Fin结构的栅位置形成金属栅的工艺步骤为:首先在栅位置光刻形成栅图形,再采用氟基气体作为刻蚀的工艺气体,刻蚀掉未被光刻胶掩蔽的SiN,形成栅槽,然后在栅槽位置光刻栅图形并进行金属蒸发,形成金属栅。
所述介质层的相对介电常数K大于SiO2或SiN的相对介电常数。
所述介质层为Al2O3,AlN,HfO2等相对介电常数高于SiN材料的介质层,相对介电常数范围在7以上。
一种基于GaN基HEMT器件的Fin-HEMT器件,包括衬底、生长在衬底上的GaN基异质结、形成在GaN基异质结上的Fin结构以及位于Fin结构上的栅金属,其中,所述Fin结构包括GaN以及设置在GaN上表面的SiN层;且Fin结构的侧面生长有与SiN相同材质或不同材质的介质层。
所述介质层的相对介电常数大于SiO2或SiN的相对介电常数。
所述介质层的相对介电常数大于7。
与现有技术相比,本发明至少具有以下有益效果:本发明使用耐氯基气体刻蚀的SiN介质作为Fin的刻蚀掩蔽层,不但保证了Fin的有效宽度,而且能够形成侧壁陡直,形貌良好的Fin,以提高器件性能,同时SiN又是很好的GaN基异质结的钝化层,能够有效抑制GaN基HEMT器件的电流崩塌效应。
【附图说明】
图1为GaN基HEMT器件的常规结构示意图。
图2为本发明提出的一种基于GaN基HEMT器件的Fin-HEMT器件的结构图。
图3为本发明器件的制备方法流程图,其中,包括有介质层。
图4为本发明器件的制备方法流程图,其中,不包括介质层。
【具体实施方式】
本专利的发明内容如图2所示,在GaN基HEMT器件的Fin-HEMT器件中,通过在表面使用耐Cl2刻蚀的SiN介质作为Fin的刻蚀掩蔽层,能够形成侧壁陡直,形貌良好的Fin,以提高器件性能,同时SiN又是很好的GaN基异质结的钝化层,能够有效抑制GaN基HEMT器件的电流崩塌效应(已有研究表明,SiN介质是目前GaN基HEMT器件领域最稳定,最能够抑制电流崩塌的钝化材料),因此在刻蚀后SiN层无需去除,可直接作为Fin-HEMT器件的上表面钝化层,同时可以在侧面采用其他相对于SiN具有更高的相对介电常数的材料作为栅介质层(简称高K介质,相对介电常数在7以上),如Al2O3,AlN,HfO2等,栅介质层能够修复材料刻蚀损伤,同时采用高相对介电常数的材料作为栅介质,其可以在相同等效电容的情况下,获得更厚的物理厚度,从而能进一步抑制栅漏电;或者,在相同的物理厚度的情况下,获得更高的等效电容,从而增强栅极的控制能力,相对常规的单介质材料HEMT器件,这种双材料介质层同时具有两种介质材料的优势,进而获得更好的器件性能。
本专利的工艺步骤如图3和图4所示:
1.在异质结表面生长SiN层,工艺方法可为PECVD淀积技术;
2.在wafer表面(即SiN层),通过光刻技术形成Fin的光刻胶图形,主要步骤为涂胶、曝光、显影;
3.刻蚀掉SiN层,其中没有光刻胶掩蔽的SiN表面被刻蚀掉,刻蚀可采用ICP技术或RIE技术,光刻采用氟基气体作为刻蚀的工艺气体,如CF4、SF6
4.变换刻蚀工艺气体和其他刻蚀条件,继续刻蚀GaN基异质结层,形成Fin结构,光刻可采用Cl基气体作为刻蚀的工艺气体,如BCl3或Cl2等,刻蚀完成后如有残留的光刻胶,可在去胶液中去除;
5.在Fin上,栅位置处光刻形成栅图形,并刻蚀掉未被光刻胶掩蔽的SiN(可采用ICP或RIE技术,采用F基气体作为刻蚀的工艺气体,如CF4、SF6);
6.选择性地,在Fin结构侧面生长高K介质,形成侧面的介质层。
7.在栅槽位置光刻栅图形,并在wafer整个表面进行金属蒸发,并剥离掉光刻胶,形成金属栅。
本发明先生长SiN,再利用SiN做掩蔽层,来刻蚀出GaN材料Fin结构,SiN具有高的抗Cl2刻蚀性,能够获得良好的Fin形貌,同时SiN层无需去除,可直接作为HEMT器件的钝化层,提高器件性能。其次,本发明在Fin结构的侧壁生长其他高K介质层,可以降低器件漏电,相对平面HEMT器件,这种双材料介质层同时具有两种介质材料的优势,能够获得更好的器件性能。

Claims (10)

1.一种基于GaN基HEMT器件的Fin-HEMT器件的制备方法,其特征在于:首先在GaN基异质结表面生长SiN层作为掩蔽层,然后光刻出Fin图形,并依次刻蚀SiN层和GaN基异质结GaN基异质结,形成Fin结构,再在Fin结构的栅位置光刻形成栅图形,刻蚀掉未被光刻胶掩蔽的SiN,然后在Fin结构侧壁形成介质层,最后在栅槽位置光刻栅图形,在整个结构表面进行金属蒸发,并剥离掉光刻胶,形成金属栅;其中,刻蚀SiN层和GaN基异质结GaN基异质结分别在不同的刻蚀工艺气体下进行。
2.根据权利要求1所述的一种基于GaN基HEMT器件的Fin-HEMT器件的制备方法,其特征在于:刻蚀SiN层采用氟基气体作为刻蚀的工艺气体,刻蚀GaN基异质结采用氯基气体作为刻蚀的工艺气体。
3.根据权利要求2所述的一种基于GaN基HEMT器件的Fin-HEMT器件的制备方法,其特征在于:所述氟基气体包括CF4、SF6,所述氯基气体包括BCl3或Cl2
4.根据权利要求1所述的一种基于GaN基HEMT器件的Fin-HEMT器件的制备方法,其特征在于:在Fin结构的栅位置形成金属栅的工艺步骤为:首先在栅位置光刻形成栅图形,再采用氟基气体作为刻蚀的工艺气体,刻蚀掉未被光刻胶掩蔽的SiN,形成栅槽,然后在栅槽位置光刻栅图形并进行金属蒸发,形成金属栅。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的一种基于GaN基HEMT器件的Fin-HEMT器件的制备方法,其特征在于:所述介质层的相对介电常数K大于SiO2或SiN的相对介电常数。
6.根据权利要求5所述的一种基于GaN基HEMT器件的Fin-HEMT器件的制备方法,其特征在于:所述介质层为Al2O3或AlN或HfO2。
7.一种基于GaN基HEMT器件的Fin-HEMT器件,其特征在于:包括衬底、外延生长在衬底上的GaN基异质结、形成在GaN基异质结上的Fin结构以及位于Fin结构上的栅金属,其中,所述Fin结构包括GaN以及设置在GaN上表面的SiN层,且Fin结构的侧面生长有与SiN相同材质或不同材质的介质层。
8.根据权利要求7所述的一种基于GaN基HEMT器件的Fin-HEMT器件,其特征在于:所述介质层的相对介电常数大于SiO2或SiN的相对介电常数。
9.根据权利要求7所述的一种基于GaN基HEMT器件的Fin-HEMT器件,其特征在于:所述介质层的相对介电常数大于7。
10.根据权利要求7所述的一种基于GaN基HEMT器件的Fin-HEMT器件,其特征在于:所述介质层为Al2O3或AlN或HfO2。
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