[发明专利]一种GaN基增强型MIS-HEMT器件及其制备方法

说明书

本发明公开了一种GAN基增强型MIS‑HEMT器件，属于微电子技术领域，包括从下至上依次层叠设置的衬底、成核层、应力调控层、GaN沟道层、插入层、Al_xGa_1‑XN势垒层以及帽层，所述应力调控层是由AlN/AlGaN/SiN_X/GaN循环生长组成，具体包括AlN晶核层、AlGaN应力控制层、网状结构SiNx薄层及GaN填平层，外延材料方面，本发明应力调控层为AlN/AlGaN/SiN_X/GaN循环生长复合层，降低了材料的位错密度，提高晶格质量，从而提升器件的电子迁移率、击穿电压等特性；在器件工艺方面，凹栅槽刻蚀通过两步法刻蚀直到将AlxGa1‑xN势垒层刻蚀完，充分结合了干法刻蚀的高效率特点和湿法刻蚀的低界面损伤优势，此外，本发明的TMAH溶液有效降低由于热氧化不均匀造成的栅极凹槽界面不平整问题。

技术领域

本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种GaN基增强型MIS-HEMT器件及其制备方法。

背景技术

基于AGaN/GaN异质结的高电子迁移率晶体管(High Electron MobilityTransistor，HEMT)因其拥有诸多优异特性，已经被广泛应用于高温、高频、高压、高功率、抗辐射的微波电子器件和电力电子器件中。然而，因各领域应用对性能需求不断加大，不论是外延材料还是器件工艺方面，依然存在着一些急需解决的问题。

在外延材料方面，由于氮化镓材料与硅衬底之间均存在较大的晶格失配和热失配，通过传统的成核层与AlGaN或GaN缓冲层在衬底与GaN层之间虽然起到缓冲作用，但生长得到的GaN层的晶体质量不够好，这样就会降低器件击穿电压，减小电子迁移率，从而使当前氮化镓HEMT器件的性能远低于理论极限。

在器件工艺方面，由于极化效应，基于AlGaN/GaN异质结的HEMT一般是耗尽型(常开)，该类型的器件应用于电路级系统中时，需要设计负极性栅极驱动电路，以实现对器件的开关控制，这极大增加了电路的复杂性与成本。为此，研制各种增强型GaN器件成为该领域研究人员尤为热衷的课题。而凹槽栅技术则是一种简单高效的实现增强型GaN器件的方式，但也具有明显的缺点，尤其是栅槽刻蚀带来的损伤以及界面态会影响器件性能，造成栅极泄漏电流增加、沟道电子迁移率降低、导通电阻增大等问题。针对上述问题，在器件结构方面，人们提出了MIS(Metal-Insulator-Semiconductor)栅结构，即在肖特基栅金属与势垒层之间插入一层高k栅介质，有效地降低了栅极泄漏电流、提高栅压摆幅；在器件制备方面，栅槽刻蚀工艺最为关键，目前主要的刻蚀方法有：感应耦合等离子体(ICP)干法刻蚀、数字刻蚀(digital etch)和高温热氧化湿法刻蚀。ICP干法刻蚀是一种最常用的栅槽刻蚀技术，该技术具有刻蚀速率快、工艺简单、高各向异性等优势，但其弊端在于刻蚀速率非线性、刻蚀损伤大等方面。数字刻蚀技术是一种损伤较低的刻蚀方法，消除了由ICP干法刻蚀中等离子体轰击引起的损伤，但是其刻蚀速率很慢。相比于前两种方法，高温热氧化湿法刻蚀不存在物理轰击过程，能够很好地解决干法刻蚀所带来的界面损伤以及界面态问题，进一步降低了刻蚀损伤，并且在一定的温度范围内具有自停止效应，但其弊端在于整个栅槽刻蚀过程需要多个氧化/腐蚀周期，工艺流程繁琐，时间成本较高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述问题，提供一种P-GaN帽层增强型HEMT器件外延制备方法，在外延材料方面，本发明采用AlN/AlGaN/SiNx/GaN循环生长复合层作为应力调控层，可改善晶体质量；在器件工艺方面，凹栅槽刻蚀通过两步法刻蚀直到将Al_XGa_1-XN势垒层刻蚀完。先通过ICP干法刻蚀去除大部分Al_XGa_1-XN势垒层，再通过高温热氧化余下的Al_XGa_1-XN势垒层，并且氧化会在Al_XGa_1-XN界面实现自终止，再通过湿法腐蚀氧化层。两步法刻蚀充分结合了干法刻蚀的高效率特点和湿法刻蚀的低界面损伤优势。