一种HEMT器件及其制作方法

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN112614886A(43)申请公布日2021.04.06(21)申请号202011485724.1(22)申请日2020.12.16(71)申请人广东省科学院半导体研究所地址510651广东省广州市天河区长兴路363号(72)发明人尹雪兵　李成果　曾巧玉　葛晓明　陈志涛　(74)专利代理机构北京超凡宏宇专利代理事务所(特殊普通合伙)11463代理人张欣欣(51)Int.Cl.H01L29/778(2006.01)H01L29/06(2006.01)H01L21/336(2006.01)权利要求书1页 说明书 房屋状态说明书下载罗氏说明书下载焊机说明书下载罗氏说明书下载GGD说明书下载 6页附图4页(54)发明名称一种HEMT器件及其制作方法(57)摘要本申请提供了一种HEMT器件及其制作方法，涉及半导体功率器件技术领域。该HEMT器件包括衬底、缓冲层、台面层以及电极，衬底、缓冲层、台面层以及电极由下至上逐层连接；其中，台面层的宽度由下至上逐渐变宽，且台面层的两侧与缓冲层形成向中间位置凹陷的凹槽，且电极与台面层的侧壁不接触。本申请提供的HEMT器件及其制作方法具有提升HEMT器件的性能的优点。CN112614886ACN112614886A权　利　要　求　书1/1页1.一种HEMT器件，其特征在于，所述HEMT器件包括衬底、缓冲层、台面层以及电极，所述衬底、所述缓冲层、所述台面层以及所述电极由下至上逐层连接；其中，所述台面层的宽度由下至上逐渐变宽，且所述台面层的两侧与所述缓冲层形成向中间位置凹陷的凹槽，且所述电极与所述台面层的侧壁不接触。2.如权利要求1所述的HEMT器件，其特征在于，所述缓冲层包括第一区域与除第一区域以外的第二区域，所述第一区域的表面高于所述第二区域的表面，所述台面层与所述缓冲层的第一区域连接，所述台面层与所述第一区域的两侧形成向中间位置凹陷的凹槽。3.如权利要求2所述的HEMT器件，其特征在于，所述电极包括栅电极，所述台面层的表面与所述第二区域的表面之间的高度差大于所述栅电极的厚度。4.如权利要求2所述的HEMT器件，其特征在于，所述台面层的表面与所述第二区域的表面之间的高度差为300‑600nm，所述台面层两侧的倾斜角度为30°～80°。5.如权利要求1所述的HEMT器件，其特征在于，所述电极包括栅电极，所述HEMT器件还包括与缓冲层连接的第一沉积层与第二沉积层，所述第一沉积层与所述第二沉积层分别设置于所述台面层的两侧，且所述第一沉积层、所述第二沉积层以及所述栅电极的材料与厚度均相同。6.如权利要求1所述的HEMT器件，其特征在于，所述HEMT器件还包括钝化层与连接结构，所述钝化层填充于所述凹槽内且所述钝化层覆盖于所述缓冲层、所述台面层以及所述电极的表面，所述连接结构穿过所述钝化层并与所述电极连接。7.如权利要求1所述的HEMT器件，其特征在于，所述台面层包括沟道层与势垒层，所述缓冲层、所述沟道层、所述势垒层以及所述电极由下至上逐层连接，且所述沟道层与所述势垒层的界面上形成二维电子气。8.一种HEMT器件制作方法，其特征在于，所述方法包括：提供一衬底；沿所述衬底依次生长缓冲层与台面层；对所述缓冲层与所述台面层进行刻蚀，以使所述台面层的宽度由下至上逐渐变宽，且所述台面层的两侧与所述缓冲层形成向中间位置凹陷的凹槽；沿所述台面层的表面制作电极，且所述电极与所述台面层的侧壁不接触。9.如权利要求8所述的HEMT器件制作方法，其特征在于，在所述沿所述台面层的表面制作电极的步骤之后，所述方法还包括：沿所述缓冲层、所述台面层以及电极的表面沉积钝化层，其中，所述钝化层还填充于所述凹槽内；对所述钝化层进行开孔，并形成露出所述电极的连接孔；沿所述连接孔沉积连接结构，其中，所述连接结构通过所述连接孔与所述电极连接。10.如权利要求8所述的HEMT器件制作方法，其特征在于，所述沿所述台面层的表面制作电极的步骤包括：利用光刻与电子束蒸发工艺制作源电极与漏电极，并形成欧姆接触；利用光刻与电子束蒸发工艺制作栅电极，且制作所述栅电极的金属长度大于所述台面层的表面宽度。2CN112614886A说　明　书1/6页一种HEMT器件及其制作方法技术领域[0001]本申请涉及半导体功率器件技术领域，具体而言，涉及一种HEMT器件及其制作方法。背景技术[0002]氮化镓(Gallium Nitride，GaN)作为第三代半导体材料在电力电子器件领域发挥至关重要的作用。由于极化效应，在AlGaN/GaN异质结界面上形成二维电子气(2DEG)，可用来制作HEMT(High Electron Mobility Transistor，高电子迁移率晶体管)器件。[0003]为制作成分立器件，需要对GaN HEMT器件阵列进行隔离，形成台面(mesa)结构，消除器件之间电学特性的互相影响，便于后期金属互联。目前通常实现台面隔离的方法包括离子注入隔离和物理台面隔离。其中离子注入隔离一般是采用氟离子注入的方式，将二维电子气耗尽，但是高温稳定性是离子注入隔离面临的一个重要难题。物理隔离是通过干刻蚀的方法，将二维电子气(2DEG)隔断，形成孤立台面结构，实现器件之间的有效隔离，完全杜绝了高温稳定性的问题。但是在后期制作HEMT器件过程中，为了实现台面上源漏之间的完全隔断，金属栅极需要完全横跨台面。[0004]然而，针对基于肖特基栅以及p‑GaN栅的HEMT器件，栅金属跨过台面会导致栅极金属与台面侧壁上的2DEG直接接触，导致从栅极经过侧壁2DEG到源漏的漏电，该漏电流会严重恶化器件性能，甚至使器件失去开关特性。[0005]综上，现有的HEMT器件中，存在栅极金属与台面侧壁的2DEG直接接触，影响器件性能的问题。发明内容[0006]本申请的目的在于提供一种HEMT器件及其制作方法，以解决现有技术中栅极金属与台面侧壁的2DEG直接接触，影响器件性能的问题。[0007]为了实现上述目的，本申请实施例采用的技术 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如下：[0008]一方面，本申请提供了一种HEMT器件，所述HEMT器件包括衬底、缓冲层、台面层以及电极，所述衬底、所述缓冲层、所述台面层以及所述电极由下至上逐层连接；其中，[0009]所述台面层的宽度由下至上逐渐变宽，且所述台面层的两侧与所述缓冲层形成向中间位置凹陷的凹槽，且所述电极与所述台面层的侧壁不接触。[0010]可选地，所述缓冲层包括第一区域与除第一区域以外的第二区域，所述第一区域的表面高于所述第二区域的表面，所述台面层与所述缓冲层的第一区域连接，所述台面层与所述第一区域的两侧形成向中间位置凹陷的凹槽。[0011]可选地，所述电极包括栅电极，所述台面层的表面与所述第二区域的表面之间的高度差大于所述栅电极的厚度。[0012]可选地，所述台面层的表面与所述第二区域的表面之间的高度差为300‑600nm，所述台面层两侧的倾斜角度为30°～80°。3CN112614886A说　明　书2/6页[0013]可选地，所述电极包括栅电极，所述HEMT器件还包括与缓冲层连接的第一沉积层与第二沉积层，所述第一沉积层与所述第二沉积层分别设置于所述台面层的两侧，且所述第一沉积层、所述第二沉积层以及所述栅电极的材料与厚度均相同。[0014]可选地，所述HEMT器件还包括钝化层与连接结构，所述钝化层填充于所述凹槽内且所述钝化层覆盖于所述缓冲层、所述台面层以及所述电极的表面，所述连接结构穿过所述钝化层并与所述电极连接。[0015]可选地，所述台面层包括沟道层与势垒层，所述缓冲层、所述沟道层、所述势垒层以及所述电极由下至上逐层连接，且所述沟道层与所述势垒层的界面上形成二维电子气。[0016]另一方面，本申请还提供了一种HEMT器件制作方法，所述方法包括：[0017]提供一衬底；[0018]沿所述衬底依次生长缓冲层与台面层；[0019]对所述缓冲层与所述台面层进行刻蚀，以使所述台面层的宽度由下至上逐渐变宽，且所述台面层的两侧与所述缓冲层形成向中间位置凹陷的凹槽；[0020]沿所述台面层的表面制作电极，且所述电极与所述台面层的侧壁不接触。[0021]可选地，在所述沿所述台面层的表面制作电极的步骤之后，所述方法还包括：[0022]沿所述缓冲层、所述台面层以及电极的表面沉积钝化层，其中，所述钝化层还填充于所述凹槽内；[0023]对所述钝化层进行开孔，并形成露出所述电极的连接孔；[0024]沿所述连接孔沉积连接结构，其中，所述连接结构通过所述连接孔与所述电极连接。[0025]可选地，所述沿所述台面层的表面制作电极的步骤包括：[0026]利用光刻与电子束蒸发工艺制作源电极与漏电极，并形成欧姆接触；[0027]利用光刻与电子束蒸发工艺制作栅电极，且制作所述栅电极的金属长度大于所述台面层的表面宽度。[0028]相对于现有技术，本申请具有以下有益效果：[0029]本申请提供了一种HEMT器件及其制作方法，该HEMT器件包括衬底、缓冲层、台面层以及电极，衬底、缓冲层、台面层以及电极由下至上逐层连接；其中，台面层的宽度由下至上逐渐变宽，且台面层的两侧与缓冲层形成向中间位置凹陷的凹槽，且电极与台面层的侧壁不接触。由于本申请提供的HEMT器件中，在台面层的两侧与缓冲层形成向中间位置凹陷的凹槽，因此在制作电极时，可以使电极从台面层的两侧边缘断开，进而保证了电极不会与台面层的侧壁接触，不会产生栅极经过侧壁2DEG到源漏的漏电，提升了HEMT器件的性能。[0030]为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。附图说明[0031]为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图。4CN112614886A说　明　书3/6页[0032]图1为现有技术中HEMT器件阵列的一种结构示意图。[0033]图2为现有技术中HEMT器件阵列的另一种结构示意图。[0034]图3为现有技术中HEMT器件的结构示意图。[0035]图4为本申请实施例提供的缓冲层与台面层的剖面示意图。[0036]图5为本申请实施例提供的HEMT器件的剖面示意图。[0037]图6为本申请实施例提供的S106对应的HEMT器件的剖面示意图。[0038]图7为本申请实施例提供的S108对应的HEMT器件的剖面示意图。[0039]图中：100‑HEMT器件；101‑衬底；102‑缓冲层；103‑沟道层；104‑二维电子气；105‑势垒层；106‑栅电极；107‑第一沉积层；108‑第二沉积层；109‑钝化层；110‑连接结构。具体实施方式[0040]为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。[0041]因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。[0042]应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。[0043]需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。[0044]在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。[0045]在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。[0046]下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的5CN112614886A说　明　书4/6页实施例及实施例中的特征可以相互组合。[0047]正如背景技术中所述，针对基于肖特基栅以及p‑GaN栅的HEMT器件，栅金属跨过台面会导致栅极金属与台面侧壁上的2DEG直接接触，导致从栅极经过侧壁2DEG到源漏的漏电，该漏电流会严重恶化器件性能，甚至使器件失去开关特性。[0048]例如，请参加图1‑图3，现有技术中，在制作HEMT器件时，需对HEMT器件进行隔离。如图1所示，在衬底上包括4个HEMT器件，该器件成阵列排列，且每两个器件之间相对隔离。当采用物理隔离方式进行器件的隔离时，如图2所示，在制作HEMT器件过程中，为了实现台面上源漏之间的完全隔断，金属栅极需要完全横跨台面，在此基础上，金属栅极会与器件的侧壁接触，进而导致从栅极经过侧壁2DEG到源漏的漏电。如图3所示，图3示出了单个HEMT器件的结构示意图，图中虚线即为栅极经2DEG到源漏的漏电。[0049]有鉴于此，本申请提供了一种HEMT器件，通过设置电极与台面层侧壁不接触的方式，使得不会出现栅极经2DEG到源漏的漏电，进而优化了器件性能。[0050]下面对本申请提供的HEMT器件进行示例性说明：[0051]作为一种可选的实现方式，请参阅图4与图5，HEMT器件100包括衬底101、缓冲层102、台面层以及电极，衬底101、缓冲层102、台面层以及电极由下至上逐层连接；其中，台面层的宽度由下至上逐渐变宽，且台面层的两侧与缓冲层102形成向中间位置凹陷的凹槽，且电极与台面层的侧壁不接触。[0052]通过在台面层与缓冲层102之间设置向中间位置凹陷的凹槽，可以在制作电极时，保证电极与台面层两侧的侧壁不接触。[0053]需要说明的是，本申请提供的台面层包括沟道层103与势垒层105，缓冲层102、沟道层103、势垒层105以及电极由下至上逐层连接，且沟道层103与势垒层105的界面上形成二维电子气104。[0054]其中，本申请提供的可以为蓝宝石、Si、SiC等衬底101，制作缓冲层102的材料可以为GaN，厚度可以为1～5μm，制作沟道层103的材料可以为GaN，厚度约为20～30nm，制作势垒层105的材料可以为AlGaN。[0055]在衬底101上依次外延生长缓冲层102与台面层之后，可利用刻蚀工艺刻蚀台面层与部分缓冲层102，并通过优化ICP刻蚀工艺的方式，使得台面层的两侧与缓冲层102形成向中间位置凹陷的凹槽。在后续栅电极106制作过程中，栅金属在台面处自动断开，进而防止栅电极106与二维电子气104接触。[0056]其中，缓冲层102包括第一区域与除第一区域以外的第二区域，第一区域的表面高于第二区域的表面，台面层与缓冲层102的第一区域连接，台面层与第一区域的两侧形成向中间位置凹陷的凹槽。可以理解的，缓冲层102在经过刻蚀工艺之后，即可形成第一区域与第二区域。[0057]并且，本申请所述的电极包括栅电极106、源电极以及漏电极，为了保证位于源漏之间的完全隔断，金属栅极需要完全横跨台面。因此，为了保证栅电极106完全横款台面，制作栅电极106的金属长度大于台面层的表面宽度，使得在采用光刻及电子束蒸发工艺制作栅电极106时，由于电子束蒸发工艺不具有良好的覆型性，因此栅电极106金属在台面边缘断开。并在缓冲层102的两侧分别形成第一沉积层107与第二沉积层108。[0058]需要说明的是，由于外延工艺及时间一致，因此第一沉积层107、第二沉积层108以6CN112614886A说　明　书5/6页及栅电极106的厚度均相同。其中，本申请所述的相同，可以为数值完全一致，也可以指数值误差在一定区间内。例如，误差在5nm以内，均可视为厚度相同。[0059]在此基础上，为了使栅电极106金属与侧壁不接触，台面层的表面与第二区域的表面之间的高度差大于栅电极106的厚度。原因在于，台面层的表面与第二区域的表面之间的高度，实际即为凹槽的高度，若栅电极106的高度大于或等于该高度，则意味着第一沉积层107与第二沉积层108厚度也可能大于或等于该高度，进而使得栅电极106与第一沉积层107、第二沉积层108连接，位于台面层两侧的栅电极106金属并未隔断，仍存在产生栅极经过侧壁2DEG到源漏的漏电的风险。[0060]可选地，栅电极106的厚度可以为100～200nm，例如，栅电极106的厚度可以为100nm或200nm或150nm。在此基础上，为了保证的删电极在台面侧壁完全断开，作为一种实现方式，台面层的表面与第二区域的表面之间的高度差为300‑600nm。[0061]并且，为了保证器件的稳定性，需对台面层两侧的倾斜角度进行一定的限制，可选地，台面层两侧的倾斜角度为30°～80°。需要说明的是，台面层两侧的侧壁可能为一平面，也可能为一弧面，在此基础上，本申请所述的倾斜角度，指的是台面层的表面与底面在同一竖直平面上的连线与水平面的夹角。若该夹角较大，例如夹角为89°，则凹槽的形态并不明显，在此基础上，对栅电极106金属隔断效果较差。若该夹角较小，例如夹角为10°，一方面，对刻蚀工艺要求较高，另一方面，当夹角较小时，则台面层的底面面积会明显小于表面面积，进而也可能导致器件的不稳定性增大。有鉴于此，通过申请人研究发现，当台面层两侧的倾斜角度为30°～80°时，其效果可以达到最佳。[0062]同时，为了达到保护器件的目的，HEMT器件还包括钝化层109与连接结构110，钝化层109填充于凹槽内且钝化层109覆盖于缓冲层102、台面层以及电极的表面，连接结构110穿过钝化层109并与电极连接。其中，钝化层109的材料可以为SiN，并采用PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学的气相沉积法)工艺沉积。由于PECVD具有良好的覆型性，SiN膜可以沿着侧壁生长，进而覆盖凹槽。然后再开孔引出连接结构110，进而完成器件的制作。[0063]还需要说明的是，利用本申请提供的HEMT器件也可组成并联或串联的结构，例如通过HEMT器件并联或串联的方式组成插指阵列。[0064]基于同样的构思，本申请还提供了一种HEMT器件制作方法，该HEMT器件制作方法包括：[0065]S102，提供一衬底101。[0066]S104，沿衬底101依次生长缓冲层102与台面层。[0067]S106，对缓冲层102与台面层进行刻蚀，以使台面层的宽度由下至上逐渐变宽，且台面层的两侧与缓冲层102形成向中间位置凹陷的凹槽。[0068]S108，沿台面层的表面制作电极，且电极与台面层的侧壁不接触。[0069]其中，请参阅图6，本申请采用光刻工艺及ICP技术对台面层与缓冲层102进行刻蚀，通过优化ICP工艺，使得台面层侧壁被过度刻蚀形成凹槽结构，台面刻蚀深度H在300‑600nm之间，即台面层的表面与第二区域的表面之间的高度差为300‑600nm，台面层两侧的倾斜角度为30°～80°。[0070]可选地，S108包括：7CN112614886A说　明　书6/6页[0071]利用光刻与电子束蒸发工艺制作源电极与漏电极，并形成欧姆接触.利用光刻与电子束蒸发工艺制作栅电极106，且制作所述栅电极106的金属长度大于所述台面层的表面宽度。[0072]其中，源、漏电极材料为Ti/Al/Ni/Au或Ti/Al或Ti/Al/W或TiN/W等金属叠层，电极厚度在200‑400nm之间；经过800‑850℃，N2气氛快速退火合金化后，形成欧姆接触。[0073]并且，本申请采用光刻及电子束蒸发工艺制作栅电极106，电极材料为Ni、Ni/Al、Ni\W、TiN/Ni等金属，厚度为100‑200nm之间。请参阅图7，由于电子束蒸发工艺不具有良好的覆型性(step coverage)，栅电极106金属在台面边缘断开，并形成第一沉积层107与第二沉积层108。[0074]可选地，在S108之后，该方法还包括：[0075]S110，沿缓冲层102、台面层以及电极的表面沉积钝化层109，其中，钝化层109还填充于凹槽内。[0076]S112，对钝化层109进行开孔，并形成露出电极的连接孔。[0077]S114，沿连接孔沉积连接结构110，其中，连接结构110通过连接孔与电极连接。[0078]其中，本申请采用PECVD沉积100～200nm的SiN作为钝化保护层，由于PECVD具有良好的覆型性，SiN膜可以沿着侧壁生长，覆盖凹槽。然后开孔引出连接结构110，完成器件制作。[0079]综上所述，本申请提供了一种HEMT器件及其制作方法，该HEMT器件包括衬底101、缓冲层102、台面层以及电极，衬底101、缓冲层102、台面层以及电极由下至上逐层连接；其中，台面层的宽度由下至上逐渐变宽，且台面层的两侧与缓冲层102形成向中间位置凹陷的凹槽，且电极与台面层的侧壁不接触。由于本申请提供的HEMT器件中，在台面层的两侧与缓冲层102形成向中间位置凹陷的凹槽，因此在制作电极时，可以使电极从台面层的两侧边缘断开，进而保证了电极不会与台面层的侧壁接触，不会产生栅极经过侧壁2DEG到源漏的漏电，提升了HEMT器件的性能。[0080]以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。[0081]对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。8CN112614886A说　明　书　附　图1/4页图1图29CN112614886A说　明　书　附　图2/4页图3图410CN112614886A说　明　书　附　图3/4页图5图611CN112614886A说　明　书　附　图4/4页图712