AlGaN/GaN HEMT 器件制備工藝流程介紹

◎李澤政 高靖雯 江浩 陳沖

AlGaN/GaN HEMT 器件制造主要分為AlGaN/GaN 異質結材料的生長和HEMT 器件制備兩個主要部分，材料生長的好壞和器件制作工藝都將對器件的性能產生深遠影響，本文主要對AlGaN/GaN 材料的生長和HEMT 器件制備的工藝流程進行介紹。

一、AlGaN/GaN 異質結材料的生長

GaN 晶體一般呈六方纖鋅礦或者立方閃鋅礦結構。目前，GaN 領域的大部分研究主要集中于結構更為穩定的纖鋅礦結構上，高質量的GaN 薄膜材料的制備對其發展和應用具有至關重要的作用。GaN 體單晶的制備非常困難，因此目前大部分都是在藍寶石、Si、SiC 等襯底上進行異質外延生長獲得的。

GaN 外延生長的方法主要有三種：分子束外延（MBE）、金屬有機物化學氣相淀積（MOCVD） 以及氫化物氣相外延（HVPE）。這三種方法比較而言，使用MBE方式外延獲得的GaN 材料晶體質量最優，但生長速率過于緩慢，其較高的成本也不利于大規模產業化；使用HVPE 方式外延具有最快的生長速率，而獲得的GaN 晶體質量卻最差，因此HVPE 通常僅用于生長襯底材料然后再使用MBE 或MOCVD 法進行同質外延；與前兩者相比，MOCVD 外延法生長GaN 材料具有折中的生長速度和晶體質量，而且MOCVD 系統比MBE 系統簡單，因此目前市場上主要使用MOCVD 法生長GaN 以及GaN 基材料。

二、AlGaN/GaN 器件基本工藝制備流程

實際上從GaN 材料的生長結束到AlGaN/GaN HEMT? 制備完成要經過多重的工藝流程，其中的關鍵步驟分別為新片清洗，FDU 層制作，歐姆接觸，臺面隔離刻蝕，歐姆退火，柵槽刻蝕柵金屬淀積，SiN保護層淀積，互聯開孔，互聯金屬蒸發，空氣橋制作等，本文將逐一進行介紹：第一、新片清洗：未經過清洗的GaN 表面主要存在氧化層，無機和有機的污染物，主要運用醋酸，丙酮和乙醇除去有機沾污；運用酸堿溶液祛除表面的非有機物和氧化層，最后用氮氣將新片吹干，表面清洗對后續的工藝和器件的特性存在很大影響。第二、FIDU 層的制作：FIDU 層制作的主要目的是為了形成整個器件制備流程的對準標記，經過FIDU 層的光刻和蒸發淀積后，要求FIDU 層的圖形剝離邊緣整齊，無連條或剝落現象，清晰的圖形特別有利于后續工藝步驟。第三、歐姆接觸：歐姆接觸主要用于形成器件的源極和漏極電極，其優劣將直接影響器件的輸出漏極電流以及膝點電壓。如果歐姆接觸效果一般，引入較大的串聯電阻，直流特性中會造成器件的直流功耗增大，交流特性中將引起器件的輸出功率和增益的降低，工藝中，一般使用RIE（反應離子刻蝕），采用Cl2，進行干法刻蝕刻蝕完成后進行歐姆金屬蒸發，目前歐姆淀積金屬的最佳選擇為Ti/Al/Ni/Au，淀積溫度為850 攝氏度，金屬淀積后，才用熱退火工藝形成歐姆特性。第四、臺面隔離和退火：在歐姆接觸之后，采用RIE 干法刻蝕技術進行隔離工藝，刻蝕深度達100nm,其目的是保證溝道完全被刻斷，然后進行洗膠處理，進行退火工藝。第五、SiN 鈍化層形成、鈍化工藝中，主要采用PECVD 淀積SiN 薄膜，鈍化工藝是HEMT 器件制備過程中重要的一步，未經過鈍化的AlGaN 表面存在大量的表面態，在高頻情況下，這些表面態會俘獲溝道中的電子，使得輸出電流大大的減小，該現象被稱為電流崩塌。后來為抑制電流崩塌效應，工藝中在AlGaN 表面運用PECVD 的方法淀積一層SiN 薄膜，填充了表面態，陷阱電荷的減少大大的降低了電流崩塌的效應。第六、柵槽刻蝕：在SiN 鈍化層淀積之后，器件表面會被一層厚度約為60nm 的SiN 所覆蓋，柵槽刻蝕工藝的主要目的就是利用CF4作為反應氣體，采用RIE 干法刻蝕技術將SiN 刻斷，露出AlGaN 層，從而進行下一步的柵金屬淀積。采用CF4的原因是CF4對SiN 和Al-GaN 的刻蝕速度不同，對AlGaN 的刻蝕速度很緩慢。但盡管如此，刻蝕過程仍然有可能對AlGaN 產生一定的損傷，稱為刻蝕損傷。這種損傷對后續的工藝，器件特性都會產生深遠影響。例如：刻蝕損傷產生的缺陷和引入的F 離子都會直接影響溝道內二維電子氣的濃度，從而對器件的輸出電流，柵泄漏電流，頻率特性產生影響，所以控制處理時間和處理強度十分重要，選擇最優的處理條件，對提升器件的特性起到良好的作用。第七、柵金屬淀積：柵金屬淀積采用E-beam 蒸發臺進行。對AlGaN/GaN HEMT 器件進行柵極制作，是為了形成具有良好開關特性的肖特基接觸。其特性的好壞對AlGaN/GaN HEMT 器件的柵泄漏電流、擊穿電壓，噪聲]等具有明顯影響，AlGaN 與金屬形成肖特基接觸勢壘高度主要由金屬的功函數決定，因此選擇功函數比較大的金屬會有利于得到更高的勢壘高度，減小柵反相泄漏電流。最后，在柵電極金屬淀積完成之后，獨立器件的主要工序基本完成，而后續的工藝流程包括SiN 保護層淀積，互聯開孔，互聯金屬蒸發。SiN 保護層淀積的主要目的是保護金屬電極；互聯開孔和互聯技術蒸發是為了將單個器件的各個電極引出到更大的金屬區域上，有助于后續的電學測試和分析。

三、結語

事實上，由于摩爾定律的限制，集成電路的規模越來越大，半導體器件的尺寸越來越小，工藝對器件性能的影響逐漸成為制約第三代GaN 器件發展的瓶頸，如何提升GaN 基器件的制備工藝具有越來越重要的現實意義。