[發明專利]一種含InGaN插入層的增強型GaN_HEMT制備方法

在審

• 申請號: 201710448194.5
• 申請日: 2017-06-14
• 公開（公告）號: CN107221498A
• 公開（公告）日: 2017-09-29
• 發明（設計）人: 林書勛
• 申請（專利權）人: 成都海威華芯科技有限公司
• 主分類號: H01L21/335
• 分類號: H01L21/335;H01L29/06
• 代理公司: 成都華風專利事務所(普通合伙)51223
• 代理人: 徐豐

技術領域

本發明涉及一種含InGaN插入層的增強型GaN_HEMT制備方法，屬于集成電路制造領域。

背景技術

GaN材料以其較寬的禁帶寬度使其為基底的GaN HEMT器件具備高的擊穿電壓、高的電流密度、低的導通電阻，是現代電力傳輸系統的核心器件。GaN HEMT作為電力電子器件的首要條件是增強型工作模式，但是由于AlGaN、GaN異質結的特性，在材料生長完成后溝道中具備高濃度二維電子氣，使之成為天然的耗盡型器件。要實現GaN HEMT從耗盡型到增強型的轉變，常規的方法主要有柵極區域的氟離子注入，柵極刻蝕，P型GaN柵極結構以及串聯增強型Si基MOS來使GaN HEMT器件的閾值電壓達到0V以上。但是以上方法都有很大的局限性，其工藝過程復雜，可控性低，重復性難而使GaN材料本征的優異特性無法實現。在工業界常使用含P型GaN柵極的GaN HEMT結構，通過革新材料設計在普通GaN HEMT結構上生長一層P型GaN層，從而抬高AlGaN、GaN異質結的三角形勢壘至費米能級之上，實現GaN HEMT結構由常開型向常關型的轉變。但是在上述結構上制備場效應晶體管，需要移除柵極區域以外的P型GaN層，而GaN的性質較為穩定很難通過濕法腐蝕的方法實現，通常使用干法刻蝕的方法移除P型GaN層，但是干法刻蝕的低可控性以及等離子體轟擊對異質結溝道帶來不可逆的損傷，造成器件性能大幅度下降。

為了實現增強型GaN HEMT器件，業界常用的方法有以下四種：1.在柵極下方勢壘層中注入強電負性的氟離子，從而使二維電子氣溝道耗盡，實現器件的增強型工作狀態，該方法的優點是工藝過程簡單，能實現柵極自對準工藝，缺點是通過該方法制備的增強型器件的閾值電壓熱穩定性差，氟離子的注入會對溝道帶來損傷導致器件電流較小導通電阻較大，阻礙該項技術的產業化進程。2.使用一支硅基增強型MOS管與普通耗盡型GaN HEMT串聯，從而實現增強型工作模式，該方法廣泛運用于商用電力電子器件中，但該方法的柵極是輸入端為硅基MOS管，因此輸入信號的頻率會大幅度降低。3.柵極刻蝕技術，移除柵極下方的AlGaN勢壘層來實現對二維電子氣溝道的截止，再用介質層去填充經過刻蝕的區域，從而形成一個混合的GaN MOSHEMT，混合GaN MOSHEMT在導通的時候，柵極下方的載流子的輸運脫離了二維電子氣溝道，且在輸運過程中受到介質層和被刻蝕后的GaN界面很強的散射作用，載流子的遷移率衰減嚴重，雖然該類器件的閾值電壓達到0V以上，但是相比于耗盡型器件具有更大的導通電阻和較低的輸出電流密度，這使作為電力電子開關器件的輸出功率和轉化效率大幅度下降，GaN材料高電子遷移率、高二維電子氣濃度的優勢無法充分體現。4.P型GaN柵極實現增強型工作的方法也是業界常用的一種方法，原理為通過P型GaN柵和溝道之間的內建電勢來耗盡二維電子氣溝道，實現增強型工作狀態。該方法優點是電導調制，缺點是工藝實現難度較大需要準確移除柵極區域之外的P型GaN層和避免對溝道的損傷。綜上所述，通過進一步革新外延層結構設計和制備工藝來實現高性能增強型GaN HEMT是有其必要和緊急性。

發明內容

為解決傳統的GaN HEMT器件制造工藝中存在的問題，本發明提出了一種基于InGaN插入層的增強型GaN HEMT結構及工藝方法，其特征在于：在P型GaN和AlGaN勢壘層中插入薄層InGaN層作為氧化腐蝕自停止層。

所述薄層InGaN氧化腐蝕自停止層比其下方的AlGaN層更易氧化，在氧化過程中氧化能夠自動停止在InGaN層，所生成的氧化物能夠在濕法腐蝕液中溶解，在溶解的過程中能夠帶動其上方的P型GaN剝離，從而達到移除P型GaN的目的，而且濕法腐蝕中的側向腐蝕有助于制備細柵長的P型GaN柵極，對于提高增強型器件的工作頻率有重要意義

本發明采用的技術方案是：一種含InGaN插入層的增強型GaN_HEMT制備方法，包括如下步驟：

步驟1：在襯底上生長GaN HEMT異質結構，從下至上包括成核層、緩沖層、插入層和勢壘層；

步驟2：在上述異質結構之上繼續生長InGaN氧化層，作為后續工藝的氧化腐蝕自停止層；

步驟3：在氧化層上繼續生長GaN層，和氧化層配合抬高下方異質結中二維電子氣溝道至內部費米能級之上，至此完成外延結構生長；

步驟4：通過光刻顯影方式和剝離工藝，在上述外延結構上形成P型柵極氧化保護掩膜，并打開P型柵極以外的區域，通過氧等離子和熱氧化方法對該區域進行氧化；