一种基于硅衬底的HEMT器件制造技术

本实用新型专利技术提供一种基于硅衬底的HEMT器件，包括：硅衬底、形成于所述硅衬底上的第一GaN外延层、形成于所述第一GaN外延层上的图形化的介质层、覆盖所述第一GaN外延层和图形化的介质层的第二GaN外延层、形成于所述第二GaN外延层上的AlGaN势垒功能层；以及形成于所述AlGaN势垒功能层上的栅极、源极和漏极。本实用新型专利技术通过在GaN生长中进行图形化的处理，形成生长窗口，利用ELOG生长改善机理来提高GaN材料的晶体结晶质量，进而改善基于硅衬底的HEMT器件的性能。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及半导体制造
，特别涉及一种基于硅衬底的HEMT器件。
技术介绍
相比于第一、二代半导体材料而言，第三代半导体材料氮化镓(GaN)因为具有更大的禁带宽度(3.4eV)、更强的临界击穿场强以及更高的电子迁移速率，得到了国内外研究者们的广泛关注。尤其是在电力电子高压器件以及高频功率器件方面具有巨大的优势和潜力。具体而言，作为第三代半导体材料，氮化镓(GaN)材料具有禁带宽度宽、击穿电场高、输出功率大的优点，而且GaN材料在高压下工作时的导通电阻小，使得GaN基功率器件也表现出更高的增益。同时，GaN基功率器件具有很高的电子迁移率和电子饱和速率，确保了该器件在Ka、Q甚至W波段的高增益。因此，GaN基的高电子迁移率晶体管(HighElectronMobilityTransistor，简称HEMT)技术已成为当前毫米波大功率器件领域研究的热点。由于GaN晶体生长受到了客观条件的制约，绝大多数研究者们都是选择在异质衬底材料上外延生长GaN薄膜。常用的衬底包括硅(Si)、蓝宝石(Al2O3)以及碳化硅(SiC)等。其中Si材料由于其低廉的成本、大尺寸以及完善的Si集成工艺等方面的优势受到了各大研究机构的青睐。对于半导体材料外延，结晶质量是最重要的参数之一，结晶质量的好坏直接影响着材料的电学特性。然而，不同于Si材料的拉晶技术，GaN材料一般都是在非GaN基本上异质外延的，由于外延层和衬底层之间或多或少的存在晶格以及热膨胀方面的失配，所以会不可避免产生位错与缺陷，降低GaN外延层的结晶质量，进而影响器件的性能。此外，常规技术制作的基于硅衬底的HEMT器件均是采用AlGaN/GaN异质结，由于内在的极化电场的调制作用，AlGaN/GaN异质结中在靠近AlGaN的一侧会聚集大量的导电电子，形成二维电子气(2DEG)。基于外延结构的限制。该电子气被限制在狭窄的区域内，减低了它们受到散射的概率，从而提高其迁移能力，典型的迁移率为1500cm2/V.s。2DEG的浓度也可以高达1×1013/cm2。由于存在2DEG，常规技术制作的HEMT器件在零偏的时候都是导通的，也就是耗尽型(常开型)的器件。但耗尽型器件在电路应用中增加了功耗和设计复杂程度。同时在功率电子的应用中，增强型器件能够提高电路工作的安全性，在栅失效的情况下器件可以实现关断状态，实现失效保护的功能，所以实现增强型HEMT器件是一个重要的研究方向。
技术实现思路
本技术的目的在于提高GaN外延层的结晶质量，改善基于硅衬底的HEMT器件的性能。本技术的另一目的在于，提供一种基于硅衬底的增强型的HEMT器件。为解决上述技术问题，本技术提供一种基于硅衬底的HEMT器件，包括：硅衬底；形成于所述硅衬底上的第一GaN外延层；形成于所述第一GaN外延层上的图形化的介质层；覆盖所述第一GaN外延层和图形化的介质层的第二GaN外延层；形成于所述第二GaN外延层上的AlGaN势垒功能层；以及形成于所述AlGaN势垒功能层上的栅极、源极和漏极。进一步的，在所述的基于硅衬底的HEMT器件中，所述图形化的介质层是氮化硅或者二氧化硅，所述图形化的介质层为周期性阵列排布的六棱柱结构，所述图形化的介质层的厚度为100～300nm。进一步的，在所述的基于硅衬底的HEMT器件中，还包括形成于所述硅衬底和第一GaN外延层之间的AlN层，所述AlN层的形成温度为1200～1300℃。进一步的，在所述的基于硅衬底的HEMT器件中，还包括形成于所述硅衬底和第一GaN外延层之间的缓冲层。进一步的，在所述的基于硅衬底的HEMT器件中，所述缓冲层为多层AlGaN层，所述多层AlGaN层中Al组分逐层下降。进一步的，在所述的基于硅衬底的HEMT器件中，所述缓冲层为多层AlGaN层，所述多层AlGaN层中生长厚度逐层增加。进一步的，在所述的基于硅衬底的HEMT器件中，所述栅极嵌入所述AlGaN势垒功能层中。进一步的，在所述的基于硅衬底的HEMT器件中，还包括：暴露出部分所述第二GaN外延层的台面；覆盖所述AlGaN势垒功能层以及所述台面暴露出的第二GaN外延层的第一钝化层；贯穿所述第一钝化层和AlGaN势垒功能层的栅极开口，所述栅极通过所述栅极开口嵌入所述AlGaN势垒功能层中；贯穿所述第一钝化层的源极开口和漏极开口。进一步的，在所述的基于硅衬底的HEMT器件中，还包括：形成于所述第一钝化层上以及所述栅极开口底部的栅极介质层；形成于所述栅极开口的底部和侧壁的势垒阻挡层。进一步的，在所述的基于硅衬底的HEMT器件中，所述栅极、源极和漏极为Ti/Al/Ti/TiN合金，所述势垒阻挡层为TiN。进一步的，在所述的基于硅衬底的HEMT器件中，还包括：覆盖所述栅极、源极、漏极以及栅极介质层的第二钝化层；形成于所述第二钝化层中并暴露所述栅极、源极和漏极的通孔；与所述栅极电连接的栅极焊垫、与所述源极电连接的源极焊垫以及与所述漏极电连接的漏极焊垫。相比于现有技术，本技术具有以下优点：1、在硅衬底上先形成第一GaN外延层，然后在第一GaN外延层上形成图形化的介质层，再在第一GaN外延层和图形化的介质层上覆盖第二GaN外延层，本技术通过在GaN生长中进行图形化的处理，形成生长窗口，利用ELOG(外延横向过生长)改善机理来提高GaN材料的晶体结晶质量，进而改善基于硅衬底的HEMT器件的性能。2、本技术形成AlGaN势垒功能层后形成第一钝化层，再采用深槽刻蚀技术在第一钝化层中形成开口，形成与AlGaN势垒功能层欧姆接触的源极和漏极，并将栅区域下的AlGaN势垒功能层刻蚀掉，使栅极嵌入到AlGaN势垒功能层中，使得栅区域下的二维电子气的密度减少，器件的转移特性曲线会正向移动，因此可以实现基于硅衬底的增强型的HEMT器件。3、本技术在形成第一GaN外延层之前，先在所述硅衬底上生长AlN层，所述AlN层可作为后续的成核节点；另外，本技术还在AlN层上生长缓冲层，通过插入所述缓冲层缓解由于不匹配引起的应力；进一步的，所述缓冲层为多层AlGaN层，所述多层AlGaN层中Al组分逐层下降，随着Al组分的降低，所述缓冲层的晶格结构越来越接近后续在其上形成的第一GaN外延层，如此可获得较佳的晶格匹配效果；更进一步的，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于硅衬底的HEMT器件，其特征在于，包括：硅衬底；形成于所述硅衬底上的第一GaN外延层；形成于所述第一GaN外延层上的图形化的介质层；覆盖所述第一GaN外延层和图形化的介质层的第二GaN外延层；形成于所述第二GaN外延层上的AlGaN势垒功能层；以及形成于所述AlGaN势垒功能层上的栅极、源极和漏极。

【技术特征摘要】
1.一种基于硅衬底的HEMT器件，其特征在于，包括：
硅衬底；
形成于所述硅衬底上的第一GaN外延层；
形成于所述第一GaN外延层上的图形化的介质层；
覆盖所述第一GaN外延层和图形化的介质层的第二GaN外延层；
形成于所述第二GaN外延层上的AlGaN势垒功能层；以及
形成于所述AlGaN势垒功能层上的栅极、源极和漏极。
2.如权利要求1所述的基于硅衬底的HEMT器件，其特征在于，所
述图形化的介质层是氮化硅或者二氧化硅。
3.如权利要求1所述的基于硅衬底的HEMT器件，其特征在于，所
述图形化的介质层为周期性阵列排布的六棱柱结构。
4.如权利要求1所述的基于硅衬底的HEMT器件，其特征在于，所
述图形化的介质层的厚度为100～300nm。
5.如权利要求1所述的基于硅衬底的HEMT器件，其特征在于，还
包括形成于所述硅衬底和第一GaN外延层之间的AlN层。
6.如权利要求5所述的基于硅衬底的HEMT器件，其特征在于，所
述AlN层的形成温度为1200～1300℃。
7.如权利要求1所述的基于硅衬底的HEMT器件，其特征在于，还
包括形成于所述硅衬底和第一GaN外延层之间的缓冲层。
8.如权利要求7所述的基于硅衬底的HEMT器件，其特征在于，所
述缓冲层为多层AlGaN层，所述多层AlGaN层中Al组分逐层下降。
9.如权利要求7所述的基于硅衬底的HEMT器件，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈兴，张昊翔，江忠永，陈向东，
申请(专利权)人：杭州士兰微电子股份有限公司，杭州士兰明芯科技有限公司，
类型：新型
国别省市：浙江;33