本发明专利技术公开了一种基于TiN/Cu/Ni栅电极的GaN基高电子迁移率晶体管制作方法，主要解决现有同类器件成本高的问题。其制作过程为：在外延基片上制作源、漏电极和有源区电隔离，并生长SiN钝化层；在SiN钝化层上光刻并刻蚀栅槽区域；在栅槽和SiN钝化层上光刻栅电极区域，利用磁控溅射工艺依次淀积TiN肖特基接触层、Cu导电层和Ni保护层，剥离后形成TiN/Cu/Ni结构的栅电极；在栅电极和SiN钝化层上生长SiN保护层；在SiN保护层上光刻并刻蚀金属互联开孔区；在互联开孔区和SiN保护层上制作金属互联层，完成器件制作。本发明专利技术降低了栅极制作成本，提高了其可靠性，可用于制作高频大功率集成模块。
【技术实现步骤摘要】
基于TiN/Cu/Ni栅电极的GaN基高电子迁移率晶体管及制作方法
本专利技术属于半导体器件
，特别是一种GaN基高电子迁移率晶体管，可用于高频大功率集成模块。
技术介绍
氮化物半导体材料GaN、AlN、InN及其合金是继第一代元素半导体材料Si、Ge和第二代化合物半导体材料GaAs、InP等之后的第三代宽禁带半导体材料，其具有直接带隙、禁带宽度宽且连续可调制范围大、击穿场强高、饱和电子漂移速度快、热导率高、抗辐照性能好的优点。随着科技和社会发展水平提高，第一、二代半导体材料无法满足更高频率、更高功率电子器件的需求，基于氮化物半导体材料的电子器件则可满足这一要求，大大提高了器件性能。GaN基高电子迁移率晶体管HEMT的结构能够最大限度发挥氮化物材料的优势，其与Si基横向扩散金属-氧化物-半导体场效应晶体管和GaAs基高电子迁移率晶体管相比，具有异质结沟道二维电子气密度高、饱和电流和输出功率大、开关速度快、击穿电压高等优点，并能在高压、高温、辐照等恶劣环境中工作，在有源相控阵雷达、电子战系统、下一代移动通信、智能电网、4C产业等军民两用领域具有非常广阔的应用前景。栅电极的质量直接影响GaN基HEMT器件的性能，栅反向击穿电压决定着器件的工作电压和功率输出能力，栅漏电是低频噪声的主要来源，关断特性不佳将使器件产生额外功耗，其造成栅泄漏电流大和栅不稳定的问题，因此选择合适的栅极材料和结构，从而优化器件性能成为了研究者关注的焦点。目前，GaN基HEMT器件中最常用的栅电极结构为Ni/Au/Ni，底层金属Ni功函数较高，能与势垒层形成较高的肖特基势垒高度，减少反向漏电。然而此结构中的Ni在高温下会与AlGaN势垒层发生反应，导致栅沉的问题。为了增加栅电极的导电性，在实际制作中Au层通常需要淀积200nm以上，由于Au价格昂贵，成本问题是GaN基HEMT商业化应用面临的挑战。寻找新的栅极材料以降低成本，优化栅极性能一直是研究者关注的点。Cu价格低廉，而且导电性好，电阻率仅为1.7μΩcm，适合用做栅极材料。2003年，敖金平等人利用热蒸发工艺制作了GaN基Cu栅HEMT器件，栅极厚度为300nm，栅长为2μm，栅宽为50μm。测试表明栅电极接触电阻较低，在退火温度500℃，退火时间1h的条件下，栅仍保持着较高的热稳定性，肖特基特性和器件性能良好，且Cu没有发生向AlGaN层的扩散。在700℃退火后，Cu发生了扩散。参见文献AoJP,KubotaN,KikutaD,etal.Thermalstabilityinvestigationofcopper‐gateAlGaN/GaNhighelectronmobilitytransistors[J].physicastatussolidi(c),2003(7):2376-2379.然而该结构由于没有保护层，Cu表面可能发生氧化。TiN具有良好的热稳定性和粘附性，功函数4.7eV～5.2eV之间，能与势垒层形成高的肖特基势垒，是一种很有发展前景金属栅材料。2016年，敖金平等人用自对准工艺制作了TiN栅HEMT器件，在TiN底层栅金属上依次淀积了Ti/Au覆盖层和Al电极层，之后对器件进行575℃的低温退火处理。测试结果表明，栅泄漏电流仅为10-8A，在栅偏置电压为1V，漏偏置电压为10V的条件下，器件漏极电流密度超过750mA/mm，跨导大于200mS/mm。此结构的肖特基栅有良好的热稳定性，栅控能力也得到提高，器件整体表现出更好的电学特性。参见文献ZhangJQ,NIangL,LiLA,etal.Self-aligned-gateAlGaN/GaNheterostructurefield-effecttransistorwithtitaniumnitridegate[J].ChinesePhysicsB,2016,25(8):087308.然而TiN的导电性低于Cu和Au，且随时间推移，最外层的Al电极层可能会发生氧化，影响器件的可靠性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有栅电极的不足，提供一种基于TiN/Cu/Ni栅电极的GaN基高电子迁移率晶体管制作方法，以降低制作成本，增强栅电极的导电性，提高器件的可靠性。本专利技术的技术关键是在Cu上覆盖一层Ni保护层，以防止栅电极的氧化，改善了当前栅电极存在的问题，其实现方案包括如下：1.一种基于TiN/Cu/Ni栅电极的GaN基高电子迁移率晶体管，自下而上包括衬底(1)、AlN成核层(2)、GaN缓冲层(3)、AlN插入层(4)、AlGaN势垒层(5)、GaN帽层(6)，GaN帽层(6)中间设有栅电极(11)，栅电极(11)以外的区域设有钝化层(7)，SiN钝化层(7)与栅电极(11)之上设有SiN保护层(8)，GaN缓冲层(3)的两端设有源电极(9)和漏电极(10)，源电极(9)和漏电极(10)上设有金属互联层(12)，其特征在于：栅电极(11)，采用由TiN肖特基接触层(111)、Cu导电层(112)和Ni保护层(113)组成的叠层结构。2.一种基于TiN/Cu/Ni栅电极的GaN基高电子迁移率晶体管的制作方法，包括如下步骤：1)选取在自下而上依次包括衬底、AlN成核层、GaN缓冲层、AlN插入层、AlGaN势垒层和GaN帽层的外延基片，在该基片的的GaN缓冲层上制作源电极和漏电极；2)在GaN帽层上光刻有源区的电隔离区域，利用感应耦合等离子刻蚀ICP工艺或离子注入工艺制作器件有源区的电隔离；3)在源电极、漏电极和有源区的GaN帽层上，利用等离子增强化学气相沉积PECVD工艺生长60nmSiN钝化层；4)在SiN钝化层上光刻栅槽区域，并利用感应耦合等离子体ICP工艺对该栅槽区域内的SiN钝化层进行刻蚀，刻蚀深度至GaN帽层；5)在栅槽区域的GaN帽层和栅槽区域以外的SiN钝化层上光刻栅电极区域，在栅电极区域内和栅电极区域外的光刻胶上利用磁控溅射工艺依次淀积20nm～30nm厚的TiN肖特基接触层、200nm～300nm厚的Cu导电层和10nm～20nm厚的Ni保护层，随后进行剥离，形成TiN/Cu/Ni结构的栅电极；6)在栅电极上和栅电极区域以外的SiN钝化层上，利用等离子体增强化学气相沉积PECVD方法生长200nm厚SiN保护层；7)在SiN保护层上光刻金属互联开孔区，并利用感应耦合等离子体ICP工艺依次刻蚀掉互联开孔区的SiN保护层和SiN钝化层；8)在金属互联开孔区和未开孔刻蚀的SiN保护层上光刻金属互联区域，并利用电子束蒸发工艺制作金属互联，用于引出源电极和漏电极，完成器件制作。本专利技术具有如下优点：1.本专利技术由于采用TiN作为肖特基接触层，热稳定性和粘附性好；由于TiN功函数高，能与势垒层形成高的肖特基势垒，从而降低了栅漏电。2.本专利技术由于采用Cu作为导电层，提高了栅极的导电性，降低了器件的制作成本，有利于GaN基HEMT器件今后的商业化应用。3.本专利技术由于采用Ni作为保护层，改善了栅金属表面的氧化问题，提高了器件的可靠性。附图说明图1是本专利技术基于TiN/Cu/Ni栅电极的GaN基高电子迁移率晶体管横截面结构图；图2是本专利技术制作基于TiN/Cu/Ni栅电极的GaN基高电子迁移率晶体管的流程图。具本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于TiN/Cu/Ni栅电极的GaN基高电子迁移率晶体管，自下而上包括衬底(1)、AlN成核层(2)、GaN缓冲层(3)、AlN插入层(4)、AlGaN势垒层(5)、GaN帽层(6)，GaN帽层(6)中间设有栅电极(11)，栅电极(11)以外的区域设有钝化层(7)，SiN钝化层(7)与栅电极(11)之上设有SiN保护层(8)，GaN缓冲层(3)的两端设有源电极(9)和漏电极(10)，源电极(9)和漏电极(10)上设有金属互联层(12)，其特征在于：栅电极(11)，采用由TiN肖特基接触层(111)、Cu导电层(112)和Ni保护层(113)组成的叠层结构。
【技术特征摘要】
1.一种基于TiN/Cu/Ni栅电极的GaN基高电子迁移率晶体管，自下而上包括衬底(1)、AlN成核层(2)、GaN缓冲层(3)、AlN插入层(4)、AlGaN势垒层(5)、GaN帽层(6)，GaN帽层(6)中间设有栅电极(11)，栅电极(11)以外的区域设有钝化层(7)，SiN钝化层(7)与栅电极(11)之上设有SiN保护层(8)，GaN缓冲层(3)的两端设有源电极(9)和漏电极(10)，源电极(9)和漏电极(10)上设有金属互联层(12)，其特征在于：栅电极(11)，采用由TiN肖特基接触层(111)、Cu导电层(112)和Ni保护层(113)组成的叠层结构。2.根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于TiN肖特基接触层(111)的厚度为20nm～30nm。3.根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于Cu导电层(112)的厚度为200nm～300nm。4.根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于Ni保护层(113)的厚度为10nm～20nm。5.一种基于TiN/Cu/Ni栅电极的GaN基高电子迁移率晶体管的制作方法，包括如下步骤：1)选取在自下而上依次包括衬底、AlN成核层、GaN缓冲层、AlN插入层、AlGaN势垒层和GaN帽层的外延基片，在该基片的的GaN缓冲层上制作源电极(9)和漏电极(10)；2)在GaN帽层(6)上光刻有源区的电隔离区域，利用感应耦合等离子刻蚀ICP工艺或离子注入工艺制作器件有源区的电隔离；3)在源电极(9)、漏电极(10)和有源区的GaN帽层(6)上，利用等离子体增强化学气相沉积PECVD工艺生长60nmSiN钝化层(7)；4)在SiN钝化层(7)上光刻栅槽区域，并利用感应耦合等离子体ICP工艺对该栅槽区域内的SiN钝化层(7)进...
【专利技术属性】
技术研发人员：马晓华，郝跃，李晓彤，祝杰杰，杨凌，郑雪峰，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61
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