GaN芯片及其制作方法与流程

本发明涉及微电子技术领域，具体是一种gan芯片及其制作方法。

背景技术：

中国北斗卫星导航定位系统（bds）是我国自主研发并建立的一个全球卫星导航系统。它是继美国的全球定位系统（gps），俄罗斯的格洛纳斯（glonass）卫星导航系统之后的，全球第三个建立并投入使用的的卫星导航系统。目前，卫星定位技术的应用非常广泛，例如航空、航海和地面交通的导航，无人驾驶、地质勘探以及灾害预警等多方面领域都发挥了重要作用，给社会带来了巨大的经济效益。长期以来，世界主流的卫星导航定位应用技术以美国的gps为核心，因其关键技术导航芯片技术为美国所掌控。为了摆脱对该系统依赖所带来的潜在风险，我国设定了发展拥有自主知识产权的北斗卫星定位导航系统的目标，并且不断地开展相关北斗芯片技术的研究，大力拓展其应用范围。目前，北斗导航系统的应用发展非常迅速，已经可以在中国范围内提供用于民用的高精度定位以及测量服务。

智能穿戴将先进的全球卫星定位技术、数据库技术和现代通信技术与嵌入式计算机系统于一体，实现了定位、导航和实时信息发布等功能，为用户提供便捷的服务，帮助用户能够准确、安全、快速地获得定位信息。在很长一段时间，国外的gps卫星导航系统在我国的车辆定位监控系统中占据主导地位。随着我国对卫星定位系统的广泛需求以及国家安全的需要，自主和基于北斗定位卫星导航系统的智能穿戴系统有着十分重要的意义。随着国家的大力鼓励以及我国北斗产业链的不断完善，加上北斗定位导航系统的不断改进和提升，基于北斗定位的导航系统必将获得广泛的应用。

目前，国内已经发展了多种基于北斗系统的可穿戴式设备，如北斗导航手表等。但是依然存在很多问题，例如芯片元器件的性能表现一般，工作可靠性较差，导致应用器件的导航芯片定位精度不高、定位时间短、体积大和价格昂贵等。目前国内大多数的北斗导航芯片采用硅基cmos工艺制造，而较少使用iii-v族化合物半导体工艺技术，尤其是在gan/gaas领基的半导体器件及其芯片还存在许多问题。基于iii-v族化合物半导体材料和工艺的半导体器件具有优良的性能，但是工艺难度较高，不如cmos工艺稳定成熟。尤其是在异质结场效应晶体管的制造工艺中，缓冲层容易泄露电流导致器件被击穿，降低了器件工作可靠性和芯片工作寿命。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种gan芯片及其制作方法，达到改善gan晶体管的性能，提高gan芯片的工作可靠性和提升gan芯片导航精度的效果。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种gan芯片，包括衬底、源极、漏极和栅极，包括：

（1）硅衬底；

（2）sin或aln成核层，所述的sin或aln成核层设置在硅衬底的上面；

（3）掺杂gan缓冲层，所述的掺杂gan缓冲层设置在sin或aln成核层的上面；

（4）aln或gan隔离层，所述的aln隔离层或gan隔离层设置在掺杂gan缓冲层的上面；

（5）gan/ingan/aln/gan双异质结，所述的gan/ingan/aln/gan双异质结设置在aln或gan隔离层的上面；

所述的gan/ingan/aln/gan双异质结由下至上，依次设置未掺杂gan缓冲层、aln势垒层、ingan势垒层和gan帽层；

（6）氧化铝栅介质，所述的氧化铝栅介质设置在gan帽层的上面。

所述的掺杂gan缓冲层，在gan材料中掺杂了镁原子。

所述的未掺杂gan缓冲层与ingan势垒层，在它们接触处的100nm区域内，形成2deg。

所述的未掺杂gan缓冲层（201）的厚度在1um~2um之间。

所述的aln势垒层与栅金属（1001）形成肖特基接触，aln势垒层的厚度为1.5nm。

所述的ingan势垒层与栅金属形成肖特基接触，ingan势垒层的厚度在1~2nm之间。

所述的gan帽层为不掺杂的gan帽层。

所述的gan帽层的厚度在1nm~3nm之间。

进一步，还包括：至少两个隔离区，所述的隔离区为电学隔离区，用于为gan基晶体管提供互相隔离的平面结构的有源区。

一种gan芯片制作方法，包括：

s1.采用主要为（111）晶面的高阻值硅衬底作为器件的支撑材料，控制衬底电阻值大于5000ω；

s2.采用镁原子对gan缓冲层进行掺杂，能够吸收硅衬底与外延层之间因为晶格失配产生的应力；

s3.采用mocvd设备生长aln势垒层，控制生长厚度为1.5nm，并保持与栅金属形成肖特基接触；

s4.采用mocvd设备生长ingan势垒层，控制生长厚度为1~2nm之间，并保持与栅金属（1001）形成肖特基接触；

s5.采用mocvd设备在ingan势垒层上生长gan帽层，gan帽层不掺杂，控制生长厚度在1~3nm之间；

s6.去掉zep520电子束光刻胶，采用ald设备，钝化生长氧化铝栅介质，实现mos结构，再对gan/ingan/aln/gan双异质结构进行修复，减小器件栅极漏电流，提高击穿电压；

s7.采用zep520电子束光刻胶制作掩膜，暴露出栅金属的gate区域，采用icp设备干法刻蚀掉所述gate区域处的gan材料；

s8.在gan帽层上，蒸发ti金属或al金属或ni金属或au金属，形成源漏电极金属，然后经过湿法剥离工艺形成欧姆接触的源漏电极，再通过超高温退火形成优良的欧姆接触，用来减小金属与半导体接触电阻；

s9.采用b离子注入方法形成隔离区，b离子注入穿透ingan势垒层、aln或gan隔离层，b离子到达掺杂gan缓冲层，形成一个电学隔离区，用以提供互相隔离的平面结构的有源区。

本发明的有益效果是：

（1）现有的algan/gan晶体管存在一个问题，即：由于缓冲层内泄漏电流过大，容易导致器件被提前击穿，造成芯片使用寿命下降；本发明采用gan/ingan/aln/gan双异质结结构、高k值氧化铝栅介质以及对缓冲层进行设计gan基晶体管，解决了这个问题；同时，基于gan基晶体管，用在芯片电路中，可以提高芯片的工作可靠性，提升芯片的工作寿命；

本发明中的gan基晶体管，尤其是应用在可穿戴设备导航芯片中，使得gan芯片具有超高的功率容量和传输效率，可以极大地提高导航的定位精度，达到了亚米级定位精度（0.5m—5m）；基于本发明的其他北斗导航芯片，凭借超高的传输速率，可以将定位信号接收时延降低到2秒以下，能够辅助快速定位，可以提高应用程序的位置服务搜索进度，提升北斗系统的可用性和用户体验；

（2）本发明对aln/gan异质结采用氧化铝钝化进行修复，改善栅极漏电流，通过调节氧化铝有效厚度，实现对器件势垒高度地调节，可以实现增强型器件；同时，将常规掺杂工程与化合物半导体的应力工程有机地结合起来，为采用本发明的gan基晶体管实现更大规模、更复杂的北斗导航芯片制造工程，打下工艺技术基础；

（3）常规的缓冲层都是采用fe掺杂，本发明的掺杂gan缓冲层，采用mg杂质掺杂，可以用于吸收硅衬底与外延层之间因为晶格失配产生的应力；

（4）本发明的aln或gan隔离层，在掺杂gan缓冲层和未掺杂gan缓冲层之间，能够对缓冲层的应力进行调节；

（5）本发明引入氧化铝栅介质层，可以进一步改善超薄aln势垒层带来的漏电，提高器件开关态电流比，并可以作为器件的侧墙保护，改善栅极泄露电流，提升器件击穿电压，提高器件耐压性能；应用于北斗gan接收芯片，提高北斗可穿戴产品在复杂环境中的耐用性，减小北斗芯片功耗，减小北斗芯片失效几率；

（6）本发明提供的阈值电压可调的ganmoshemt器件结构，衬底由硅构成，可与常规硅基cmos器件无缝契合，该结构有利于大幅度降低ganhemt器件的价格，同时可改善北斗导航系统的总体成本；

（7）本发明中的gan基晶体管，阈值电压可调，通过调节氧化铝的有效厚度，可实现增强型器件，直接正电源供电，不需要电源转换，可大规模应用于可穿戴设备无线充电领域。

附图说明

图1为本发明gan芯片中的gan基晶体管的结构示意图；

图2为本发明gan芯片中的gan基晶体管的结构图；

图3为本发明的方法的步骤流程示意图；

图中，101-gan帽层，102-ingan势垒层，103-aln势垒层，201-未掺杂gan缓冲层，301-aln隔离层或gan隔离层，401-掺杂gan缓冲层，501-sin或aln成核层，601-氧化铝栅介质，701-硅衬底，801-第一隔离区，802-第二隔离区，901-源极，902-漏极，1001-栅金属，1002-栅金属的gate区域。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1，2所示，一种gan芯片，包括衬底、源极、漏极和栅极，包括：

（1）硅衬底701；

（2）sin或aln成核层501，所述的sin或aln成核层501设置在硅衬底101的上面；

（3）掺杂gan缓冲层401，所述的掺杂gan缓冲层401设置在sin或aln成核层501的上面；

（4）aln或gan隔离层301，所述的aln隔离层或gan隔离层301设置在掺杂gan缓冲层401的上面；

（5）gan/ingan/aln/gan双异质结，所述的gan/ingan/aln/gan双异质结设置在aln或gan隔离层301的上面；

所述的gan/ingan/aln/gan双异质结由下至上，依次设置未掺杂gan缓冲层201、aln势垒层103、ingan势垒层102和gan帽层101；

（6）氧化铝栅介质601，所述的氧化铝栅介质601设置在gan帽层101的上面。

所述的掺杂gan缓冲层401，在gan材料中掺杂了镁原子。

所述的未掺杂gan缓冲层201与ingan势垒层102，在它们接触处的100nm区域内，形成2deg。

所述的未掺杂gan缓冲层201的厚度在1um~2um之间。

所述的aln势垒层103与栅金属1001形成肖特基接触，aln势垒层103的厚度为1.5nm。

所述的ingan势垒层102与栅金属1001形成肖特基接触，ingan势垒层102的厚度在1~2nm之间。

所述的gan帽层101为不掺杂的gan帽层101。

所述的gan帽层101的厚度在1nm~3nm之间。

所述的硅衬底为高阻值的硅衬底，硅衬底的电阻值大于5000ω。

进一步，还包括：至少两个隔离区，所述的隔离区为电学隔离区，用于为gan基晶体管提供互相隔离的平面结构的有源区。

进一步，源极901设置在gan帽层101上，漏极902设置在gan帽层101上。

一种可穿戴北斗gan芯片，包括：它使用如权利要求1-10中任一项所述的gan基晶体管，所述的gan基晶体管能够提高可穿戴设备北斗导航芯片的导航精度。

进一步，如图2所示，结合图中所示英文标识，对本领域技术人员（尤其是在集成电路制造领域的外国技术人员等）来说，则应当准确地理解本发明的gan基晶体管结构，以及gan基晶体管器件的结构材料等。

interlayerlooplayer，即为空间隔离层；

nucleationlayer，即为成核层；

bufferlayer，即为缓冲层

barrierlayer，即为势垒层；

caplayer，即为帽层；

sisubstrate，即为硅衬底；

undopedgan，即为未掺杂gan层。

如图3所示，一种gan芯片制作方法，包括：

s1.采用主要为111晶面的高阻值硅衬底作为器件的支撑材料，控制衬底电阻值大于5000ω；

s2.采用镁原子对gan缓冲层401进行掺杂，能够吸收硅衬底与外延层之间因为晶格失配产生的应力；

s3.采用mocvd设备生长aln势垒层103，控制生长厚度为1.5nm，并保持与栅金属1001形成肖特基接触；

s4.采用mocvd设备生长ingan势垒层102，控制生长厚度为1~2nm之间，并保持与栅金属1001形成肖特基接触；

s5.采用mocvd设备在ingan势垒层102上生长gan帽层101，gan帽层101不掺杂，控制生长厚度在1~3nm之间；

s6.去掉zep520电子束光刻胶，采用ald设备，钝化生长氧化铝栅介质601，实现mos结构，再对gan/ingan/aln/gan双异质结构进行修复，减小器件栅极漏电流，提高击穿电压；

s7.采用zep520电子束光刻胶制作掩膜，暴露出栅金属1001的gate区域1002，采用icp设备干法刻蚀掉所述gate区域1002处的gan材料；

s8.在gan帽层101上，蒸发ti金属或al金属或ni金属或au金属，形成源漏电极金属，然后经过湿法剥离工艺形成欧姆接触的源漏电极，再通过超高温退火形成优良的欧姆接触，用来减小金属与半导体接触电阻；

s9.采用b离子注入方法形成隔离区，b离子注入穿透ingan势垒层102、aln隔离层或gan隔离层301，b离子到达掺杂gan缓冲层401，形成一个电学隔离区，用以提供互相隔离的平面结构的有源区。

在本发明的实施例中，本领域技术人员包括器件设计和器件工艺制造人员，芯片设计人员，尤其是可穿戴设备北斗导航芯片设计人员，以及其他应当理解并可实施本发明的技术人员，应当知晓，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。