一种自对准低欧姆接触电阻GaNHEMT器件的制作方法

本实用新型属于半导体器件制造技术领域，特别是一种自对准低欧姆接触电阻ganhemt器件。

背景技术：

gan材料由于其宽禁带、高电子饱和漂移速度、高击穿场强等优势，在武器装备、空间应用、无线通信等领域具有重大应用价值。特别是基于gan材料的超高频高电子迁移率晶体管(hemt)，在民用和武器装备领域已经发展出诸多应用场景。

gan微波器件截止频率性能提升的重要手段是控制寄生延时，对于横向沟道器件来说，要求实现器件尺寸的微缩，横向方面诸如漏极至源极的距离、栅的长度，纵向方面诸如栅极肖特基接触与二维电子气的距离等以实现尽可能短的载流子渡越时间和良好的栅控等性能。因此，尽量短的欧姆接触间距是截止频率性能提升的重要课题之一。传统的欧姆接触制造方式主要是基于ti/al或ti/al/ni/au多层金属结构的合金工艺，合金时通常需要800-900℃的快速热退火，此时al的熔融颗粒会导致金属边缘颗粒化，对于微波器件来说，颗粒会影响电场分布、产生信号衰减，同时颗粒的物理结构也会限制欧姆接触间距的缩短。为了克服这一难题，基于再生长技术的欧姆接触制造方式逐渐成为超高频ganhemt器件制造的主流。2015年美国休斯实验室在超薄势垒的aln/gan异质结表面通过缩短栅源/栅漏间距至50nm、栅长20nm实现了ft/fmax＝444/454ghz的高截止频率性能结果(参见文献tangy,shinoharak,regand,etal.ultrahigh-speedganhigh-electron-mobilitytransistorswithft/fmaxof454/444ghz[j].ieeeelectrondeviceletters,2015,36(6):549-551.)，实验结果证实通过缩短栅源和栅漏间距，可以实现低的导通电阻，从而对截止频率性能产生影响的重要影响因素。

中国专利cn1998085b公开了“制作具有再生长欧姆接触区的氮化物基晶体管的方法以及具有再生长欧姆接触区的氮化物基晶体管”，其基本原理是使用mocvd或者mbe技术在氮化物半导体欧姆接触区域进行掺杂si、ge和/或o的ingan、alingan、inaln、gan、algan和/或inn生长以实现低欧姆接触电阻特性。该方案能够较好地实现氮化物半导体表面低欧姆接触电阻，但是受制于栅制备技术限制，无法实现高性能的微波器件。

中国专利201710549494.2公开了“基于自对准栅的gan超高频器件及制作方法”，其基本原理是t型栅光刻完毕后直接进行势垒层刻蚀和氧化，形成栅介质，随后蒸发栅金属，实现t型栅电极、凹槽与栅介质的自对准。该方案能够实现短栅长条件下低栅漏电的超高频gan器件，且避免了t型栅结构二次光刻带来的套准误差，但是无法缩短载流子在沟道方向的渡越时间。

中国专利cn103715255b公开了“一种自对准栅ganhemt器件及其制备方法”，其基本原理是在基片表面淀积sin介质，刻蚀源漏区域制造源漏金属，并用氧化物对金属侧面进行保护，再利用干法刻蚀过程中对sin和光刻胶的高选择比刻蚀出栅槽，完成自对准栅的ganhemt制造。该方案能够实现栅与源漏欧姆接触的自对准，但是无法实现超高频器件要求的t型栅，并且栅保护sin介质的刻蚀过程会对势垒层造成无法避免的损伤。

此外，微波器件在高频工作状态下有源区会产生一定热量，对器件工作的可靠性和肖特基接触性能产生重要影响。实验结果表明，以ni与algan构成的肖特基金半接触在结温达到400℃以上时肖特基势垒特性会发生严重退化甚至失效。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种自对准低欧姆接触电阻ganhemt器件。

实现本实用新型目的的技术解决方案为：一种自对准低欧姆接触电阻ganhemt器件，由下至上依次包括衬底、缓冲层，所述缓冲层顶部设置高掺杂n⁺-gan层和势垒层，势垒层设置在左右两个高掺杂n⁺-gan层之间，两个高掺杂n⁺-gan层顶部分别设置有源极金属、漏极金属，势垒层上方设置有栅极金属，栅极金属为t型结构，两侧和底部包覆有势垒金属层，所述栅极金属和势垒金属层构成的t型结构顶部宽度与两侧高掺杂n⁺-gan层间距相等，t型结构顶部宽度为200～800nm；以所述高掺杂n⁺-gan层、源极金属和漏极金属共同构成欧姆接触区域，所述势垒层、栅极金属、势垒金属层共同构成肖特基接触区域。

本实用新型与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)本实用新型提出的一种自对准低欧姆接触电阻ganhemt器件，利用悬空掩膜实现gan材料选区刻蚀和外延，通过这种掩膜结构实现了尺寸微缩器件的自对准，工艺简便，对光刻精度要求较低，便于实现生产制造；

(2)本实用新型提出的一种自对准低欧姆接触电阻ganhemt器件，将wn难熔金属势垒结构引入微波器件，大大提升了器件的可靠性，能够满足更高温度工作需要。

附图说明

图1是本实用新型提出的一种自对准低欧姆接触电阻ganhemt器件的剖视图。

图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11依次是本实用新型提出的一种自对准低欧姆接触电阻ganhemt器件的制造方法的流程示意图。

图12是本实用新型提出的一种自对准低欧姆接触电阻ganhemt器件尺寸图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的具体实施方式做进一步的详细说明。

参照图1，本实用新型提出一种自对准低欧姆接触电阻ganhemt器件，包括衬底1、缓冲层2、高掺杂n⁺-gan层3、源极金属4、势垒层5、栅极金属6、势垒金属层7和漏极金属8。

所述缓冲层2设置在衬底1上方，缓冲层2顶部设置高掺杂n⁺-gan层3和势垒层5，势垒层5设置在左右两个高掺杂n⁺-gan层3之间，两个高掺杂n⁺-gan层3顶部分别设置有源极金属4、漏极金属8，势垒层5上方设置有栅极金属6，栅极金属6为t型结构，两侧和底部包覆有势垒金属层7，所述两侧是指与源极金属4、漏极金属8相对的左右两侧；所述势垒层5的横向宽度与栅极6的帽层金属宽度相同；以所述高掺杂n⁺-gan层3、源极金属4和漏极金属8共同构成欧姆接触区域，所述势垒层5、栅极金属6、势垒金属层7共同构成肖特基接触区域。势垒层的横向宽度由栅极的帽层金属宽度决定。

所述势垒金属层7材质为wn合金，厚度为10-30nm。

所述势垒层5的材质为algan、inaln、alingan或aln中的某一种。

所述高掺杂n⁺-gan层掺杂元素为si或ge，其掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3-8×10²⁰cm^-3。

所述栅极金属6通过电子束蒸发得到，金属层结构包括但不限于pt/au、pt/au/ti等。

如图12所示，所述高掺杂n+-gan层3与源极金属4、漏极金属8之间的缩进构成等长的间距l1，其值为50～250nm；

所述栅极金属6和势垒金属层7构成的t型结构顶部宽度l2与两侧高掺杂n+-gan层3间距相等，l2值为200～800nm；所述势垒层5的横向宽度与栅极金属6和势垒金属层7构成的t型结构帽层金属宽度相同。

所述栅极金属6和势垒金属层7构成的t型结构下部宽度l3构成器件特征栅长，其值为15～60nm。

所述栅极金属6和势垒金属层7构成的t型结构总高度h1为800～1800nm；

所述栅极金属6和势垒金属层7构成的t型结构下部高度h2为150～500nm；

所述源极金属4、漏极金属8厚度相等，构成h3，其值为100～400nm；

所述高掺杂n+-gan层3厚度h4为80～200nm。

参照附图2-11，上述自对准低欧姆接触电阻ganhemt器件的制造方法，包括如下具体步骤：

1)在衬底基片上，利用mocvd依次生长缓冲层2和势垒层5，如图2；所述衬底1的材质为sic、si、金刚石或gan；

2)在所述材料表面旋涂光刻胶，采用光刻工艺制造出栅极图形，如图3；

3)在所述光刻后材料表面淀积势垒金属层wn合金；势垒金属层7的淀积方式为ald或直流磁控溅射；

4)在所述材料表面蒸发或溅射栅极金属，如图4；

5)通过湿法方式，去除光刻胶及附着在其表面的多余栅极和势垒金属层金属，如图5；

6)在所述材料表面淀积介质牺牲层，如图6；所述介质牺牲层的材质为sin、sion、sio2中的任一种或多种组合；

7)采用强各向异性干法刻蚀设备刻蚀介质牺牲层，势垒层5和缓冲层2，如图7、图8；所述势垒层5和缓冲层2刻蚀深度为50-150nm；

8)在所述刻蚀后材料表面生长高掺杂n⁺-gan层3，如图9；所述高掺杂n⁺-gan层3厚度为80-200nm；所述高掺杂n⁺-gan层3的生长方式为mbe或mocvd；

9)通过湿法方式，去除所述材料表面介质牺牲层及附着在其表面的多余高掺杂n⁺-gan层3，如图10；

10)在所述材料高掺杂n⁺-gan层通过光刻定义有源区，随后蒸发与剥离形成源极和漏极金属，获取欧姆接触，如图11。所述源极金属4和漏极金属8厚度为100-400nm。

本实用新型的基本原理是利用栅制造后形成的大跨度栅帽结构作为悬空掩膜，采用强各向异性干法刻蚀实现对材料表面介质牺牲层、势垒层和缓冲层的刻蚀，并生长n⁺-gan区域。通过这种方式，栅源/栅漏间距完全由栅帽金属尺寸定义，最终实现了自对准的器件结构。

以上具体实施方式及实施例是对本实用新型提出的一种自对准低欧姆接触电阻ganhemt器件技术思想的具体支持，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围。