碳化硅基铝镓氮/氮化镓微米线HEMT功率器件及制备方法与流程

碳化硅基铝镓氮/氮化镓微米线hemt功率器件及制备方法
技术领域
1.本发明属于半导体领域，具体涉及一种碳化硅基铝镓氮/氮化镓微米线hemt功率器件及制备方法。


背景技术：

2.随着5g时代的到来，功率器件的需求日益增高，hemt功率器件更是成为研究的热点。而目前，氮化镓(gan)材料因其禁带宽度大、电子迁移饱和速度快、介电常数小、导电性能好等特性，在半导体器件领域有着非常明显的优势。通过金属有机物化学气相沉淀和氮化铝(aln)缓冲层技术的发展，gan基器件也随之而来。然而，现有的gan基器件导电导热性能较差，并且制造工艺较为复杂。


技术实现要素：

3.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种碳化硅基铝镓氮/氮化镓微米线hemt功率器件及制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
4.一种碳化硅基铝镓氮/氮化镓微米线hemt功率器件的制备方法，包括：
5.s1、提供一碳化硅衬底；
6.s2、在所述碳化硅衬底上沉积二氧化硅绝缘层；
7.s3、对所述二氧化硅绝缘层进行刻蚀，形成用于生长微米线的若干凹槽结构；
8.s4、在所述凹槽结构内依次外延生长铝镓氮、氮化镓形成微米线，其中，所述微米线延伸方向与凹槽结构延伸方向一致；
9.s5、在所述微米线表面蒸镀源电极、漏电极、栅电极。
10.在一个具体实施方式中，所述步骤s4之前还包括：
11.通过金属有机化学气相沉积法在所述凹槽结构中外延生长一层氮化铝缓冲层。
12.在一个具体实施方式中，所述s3步骤包括：
13.s31、在所述二氧化硅绝缘层表面旋涂一层光刻胶，通过前烘、曝光、后烘以及显影后使所述二氧化硅绝缘层表面形成周期性排列的条形外延图形；
14.s32、根据所述条形外延图形对所述二氧化硅绝缘层进行选择性刻蚀，然后对所述绝缘层进行去胶处理，得到用于生长微米线的若干凹槽结构。
15.在一个具体实施方式中，所述步骤s5包括：
16.s51、光刻形成源极和漏极；
17.s52、通过热蒸镀或者磁控溅射在微米线上蒸镀或者磁控溅射ti/al/ti/au以形成源电极和漏电极；
18.s53、光刻形成栅极；
19.s54、通过热蒸镀或者磁控溅射在微米线上蒸镀或者磁控溅射ni/au以形成栅电极。
20.本发明同时提供了一种碳化硅基铝镓氮/氮化镓微米线hemt功率器件，包括：
21.碳化硅衬底；
22.二氧化硅绝缘层，间隔形成在所述碳化硅衬底上，以使未覆盖所述二氧化硅绝缘层的衬底上形成若干凹槽结构；
23.微米线，形成在所述凹槽结构内，并且所述微米线延伸方向与凹槽结构延伸方向一致，所述微米线包括铝镓氮层和氮化镓层；
24.氮化铝缓冲层，形成在所述凹槽结构的铝镓氮层内部；
25.电极，设置在所述多条微米线和所述二氧化硅绝缘层上方且与所述凹槽结构方向垂直，所述电极结构包括依次平行设置的源电极、栅电极和漏电极，其中，所述凹槽结构的横截面为长方形，所述微米线的横截面的形状为梯形。
26.在一个具体实施方式中，所述凹槽结构的宽度为5
‑
10μm，所述凹槽结构的深度为3.5
‑
5μm，每两个凹槽结构之间的间距为8
‑
10μm。
27.在一个具体实施方式中，所述铝镓氮层的厚度为30nm，且所述铝的质量百分比为22％
‑
28％。
28.在一个具体实施方式中，所述氮化镓层的厚度为4μm。
29.在一个具体实施方式中，所述氮化铝缓冲层的厚度为300nm。
30.在一个具体实施方式中，所述二氧化硅绝缘层的厚度为200
‑
400nm。
31.本发明的有益效果：
32.本发明的铝镓氮/氮化镓微米线hemt功率器件采用碳化硅衬底生长铝镓氮/氮化镓微米线，与其他衬底相比较，碳化硅衬底的化学稳定性、导电、导热性能良好，都使得该hemt功率器件可以在高温等环境下工作。并且，铝镓氮/氮化镓异质结处的高浓度二维电子气更是提高了电子的迁移速率。因此，此hemt功率器件具有较高的电子迁移率、开关速度快，同时可以在高温下工作，导热性能良好，制造工艺简单等优异特性。
33.以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
34.图1是本发明实施例提供的一种碳化硅基铝镓氮/氮化镓微米线hemt功率器件的制备方法流程示意图；
35.图2是本发明实施例提供的一种碳化硅基铝镓氮/氮化镓微米线hemt功率器件结构示意图；
36.图3为本发明提供的一种铝镓氮/氮化镓微米线hemt功率器件的未生长有铝镓氮/氮化镓微米线时的并且绝缘层经过刻蚀后的衬底结构示意图；
37.图4为本发明提供的一种铝镓氮/氮化镓微米线hemt功率器件的外延生长有铝镓氮/氮化镓微米线的衬底结构示意图；
38.图5为图3中的未生长有铝镓氮/氮化镓微米线的衬底的截面示意图；
39.图6为图4的生长有铝镓氮/氮化镓微米线的衬底的截面示意图；
40.图7为图2的hemt功率器件的截面示意图；
41.图8为图2的hemt功率器件沿着凹槽的延伸方向在侧面位置所截的截面示意图；
42.图9为图2的hemt功率器件中铝镓氮/氮化镓微米线截面示意图。
具体实施方式
43.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
44.实施例一
45.请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种碳化硅基铝镓氮/氮化镓微米线hemt功率器件的制备方法流程示意图，包括：
46.s1、提供一碳化硅衬底，具体的，本实施例采用2英寸的碳化硅硅片作为衬底；
47.s2、在所述碳化硅衬底上沉积二氧化硅绝缘层；在本实施例中，可以通过热还原法在2英寸的碳化硅硅片表面形成一层200nm的二氧化硅绝缘层。
48.s3、对所述二氧化硅绝缘层进行刻蚀，形成用于生长微米线的若干凹槽结构，其中凹槽结构201的宽度为5至10μm，凹槽结构201的深度为3.5至5μm，每两个凹槽结构201之间的间距为10μm；
49.具体的步骤s3为：
50.s31、在所述二氧化硅绝缘层表面旋涂一层光刻胶，通过前烘、曝光、后烘以及显影后使所述二氧化硅绝缘层表面形成周期性排列的条形外延图形；其中，光刻胶厚度为2μm；条形外延图形的条纹间距宽度均为10μm；
51.s32、根据所述条形外延图形对所述二氧化硅绝缘层进行选择性刻蚀，然后对所述绝缘层进行去胶处理，得到用于生长微米线的若干凹槽结构。
52.具体处理工艺为，根据周期性排列的条形外延图形对碳化硅衬底的上表面进行选择性刻蚀，然后对碳化硅衬底进行去胶处理；在选择性刻蚀时，利用缓冲蚀刻液(boe溶液)对未有光刻胶保护的二氧化硅绝缘层进行刻蚀，形成10μm碳化硅衬底与10μm光刻胶保护的二氧化硅层交替出现，之后利用丙酮和异丙醇去胶，再用去离子水进行清洗，并使用氮气枪将衬底表面吹干最终形成若干凹槽结构。
53.s4、在所述凹槽结构内依次外延生长铝镓氮、氮化镓形成微米线，其中，所述微米线延伸方向与凹槽结构延伸方向一致；具体的，可以在凹槽结构内先后生长厚度为30nm且铝的质量百分比为24％的铝镓氮层和厚度为4μm的氮化镓层，形成微米线结构。
54.优选的，在外延生长铝镓氮之前还可以通过金属有机化学气相沉积法在所述凹槽结构中外延生长一层厚度为300nm氮化铝缓冲层，之后在氮化铝缓冲层上外延生长铝镓氮/氮化镓微米线。
55.本实施例的凹槽为矩形结构，且微米线正置于凹槽中，使得在后续电极生长时工艺更加简单。此外本实施例不需要对碳化硅衬底进行刻蚀，进一步简化了工艺流程，从而使成本大大降低。
56.s5、在所述微米线表面蒸镀源电极、漏电极、栅电极；
57.该步骤在具体实施时可以包括：
58.s51、光刻形成源极和漏极；
59.s52、通过热蒸镀或者磁控溅射在微米线上蒸镀或者磁控溅射ti/al/ti/au以形成源电极和漏电极；
60.s53、光刻形成栅极；
61.s54、通过热蒸镀或者磁控溅射在微米线上蒸镀或者磁控溅射ni/au以形成栅电
极，之后将蒸镀完的材料进行去胶、清洗等处理。
62.本实施例在gan中掺入铝(al)组分，就会得到铝镓氮(algan)/氮化镓(gan)异质结。而在这异质结构中产生的极化效应会使在非故意掺杂的情况下在algan/gan界面附近产生二维电子气(2deg)导电沟道。algan/gan hemt的异质结的界面处具有高浓度的2deg；在algan/gan hemt中，algan作为势垒层提供电子，gan作为沟道层，保证了在空间上提供电子的杂质和电子相互分离，使得电子迁移率大幅提高而不受杂质散射得影响。同时，因为gan基器件的宽禁带，同时可以在高温下工作的特性，所以本实施例的铝镓氮/氮化镓微米线hemt功率器件能在高温、大电场、大功率状态下工作而器件直流特性不发生明显的退化。
63.此外，现有的制备需要引入多次刻蚀(如凹槽栅结构)或者二次外延(如生长盖帽层)，这些制备过程例如刻蚀会引起机械性损伤，使得栅极泄露电流增大；二次外延会引入杂质，导致界面缺陷，出现大量位错等；这些工艺对器件的损伤较大，导致缺陷增加，影响器件的性能，不利于器件的量产且成本较高。本技术上述生长工艺简单、无引入刻蚀、成本较低、工艺重复性和一致性高等优点。
64.实施例二
65.请参见图2
‑
图9，本实施例的碳化硅基铝镓氮/氮化镓微米线hemt功率器件可以由实施例一的方法进行制备，该器件包括：
66.碳化硅衬底10；
67.二氧化硅绝缘层20，间隔形成在所述碳化硅衬底10上，以使未覆盖所述二氧化硅绝缘层20的衬底上形成若干凹槽结构201；
68.微米线30，形成在所述凹槽结构201内，并且所述微米线30延伸方向与凹槽结构201延伸方向一致，所述微米线30包括铝镓氮层302和氮化镓层301；
69.氮化铝缓冲层50，形成在所述凹槽结构201的铝镓氮层302内部；氮化铝缓冲层50可以使生长的铝镓氮/氮化镓获得更好的晶体质量；氮化铝缓冲层50起到绝缘的作用，因为其可以防止电流从硅衬底处流出。
70.电极，设置在所述多条微米线30和所述二氧化硅绝缘层20上方且与所述凹槽结构201方向垂直，所述电极包括依次平行设置的源电极401、栅电极403和漏电极402，其中，所述凹槽结构201的横截面为长方形，所述微米线30的横截面的形状为梯形。凹槽结构201具有限制微米线生长区域与形状作用，长方形形状的凹槽使得微米线可以更好地生长成截面为梯形形状的微米线，并且可以避免出现大量缺陷，提高晶体质量。
71.在本实例中，所述凹槽结构的宽度优选为5
‑
10μm，所述凹槽结构的深度优选为3.5
‑
5μm，每两个凹槽结构之间的间距优选为8
‑
10μm。所述铝镓氮层的厚度优选为30nm，且所述铝的质量百分比优选为22％
‑
28％。所述氮化镓层的厚度优选为4μm。所述氮化铝缓冲层的厚度优选为300nm。所述二氧化硅绝缘层的厚度优选为200
‑
400nm。
72.本实施例的铝镓氮/氮化镓微米线hemt功率器件通过在碳化硅衬底10上刻蚀凹槽201，然后在凹槽201中先生长300nm氮化铝缓冲层50，然后生长铝镓氮/氮化镓微米线30，在凹槽201中生长铝镓氮/氮化镓微米线30的方式可以充分利用硅衬底有效面积，充分利用碳化硅衬底散热，并且铝镓氮/氮化镓微米线30在凹槽201内的限制区域中生长来减少不必要的晶格失配与热失配所引起的缺陷以获得较高的晶体质量。该结构充分利用碳化硅衬底的有效面积，从而增大了hemt器件的散热能力。该hemt功率器件具有较高的电子迁移率、开关
速度快，同时可以在高温下工作，导热性能良好，制造工艺简单等优异特性。
73.在工作时，源极401和漏极402之间加入电压，使得电子在源漏之间迁移，并通过栅极403进行控制，提高或降低电子迁移的速率。
74.本实施例的的铝镓氮/氮化镓微米线hemt功率器件采用碳化硅衬底生长铝镓氮/氮化镓微米线，与其他衬底相比较，碳化硅衬底的化学稳定性、导电、导热性能良好，都使得该hemt功率器件可以在高温等环境下工作。并且，铝镓氮/氮化镓异质结处的高浓度二维电子气更是提高了电子的迁移速率。因此，此hemt功率器件具有较高的电子迁移率、开关速度快，同时可以在高温下工作，导热性能良好，制造工艺简单等优异特性。
75.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。
76.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
77.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
78.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
79.尽管在此结合各实施例对本技术进行了描述，然而，在实施所要求保护的本技术过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
80.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的
保护范围。