AlGaN/GaN HEMT 器件制备工艺流程介绍

◎李泽政 高靖雯 江浩 陈冲

AlGaN/GaN HEMT 器件制造主要分为AlGaN/GaN 异质结材料的生长和HEMT 器件制备两个主要部分，材料生长的好坏和器件制作工艺都将对器件的性能产生深远影响，本文主要对AlGaN/GaN 材料的生长和HEMT 器件制备的工艺流程进行介绍。

一、AlGaN/GaN 异质结材料的生长

GaN 晶体一般呈六方纤锌矿或者立方闪锌矿结构。目前，GaN 领域的大部分研究主要集中于结构更为稳定的纤锌矿结构上，高质量的GaN 薄膜材料的制备对其发展和应用具有至关重要的作用。GaN 体单晶的制备非常困难，因此目前大部分都是在蓝宝石、Si、SiC 等衬底上进行异质外延生长获得的。

GaN 外延生长的方法主要有三种：分子束外延（MBE）、金属有机物化学气相淀积（MOCVD） 以及氢化物气相外延（HVPE）。这三种方法比较而言，使用MBE方式外延获得的GaN 材料晶体质量最优，但生长速率过于缓慢，其较高的成本也不利于大规模产业化；使用HVPE 方式外延具有最快的生长速率，而获得的GaN 晶体质量却最差，因此HVPE 通常仅用于生长衬底材料然后再使用MBE 或MOCVD 法进行同质外延；与前两者相比，MOCVD 外延法生长GaN 材料具有折中的生长速度和晶体质量，而且MOCVD 系统比MBE 系统简单，因此目前市场上主要使用MOCVD 法生长GaN 以及GaN 基材料。

二、AlGaN/GaN 器件基本工艺制备流程

实际上从GaN 材料的生长结束到AlGaN/GaN HEMT? 制备完成要经过多重的工艺流程，其中的关键步骤分别为新片清洗，FDU 层制作，欧姆接触，台面隔离刻蚀，欧姆退火，栅槽刻蚀栅金属淀积，SiN保护层淀积，互联开孔，互联金属蒸发，空气桥制作等，本文将逐一进行介绍：第一、新片清洗：未经过清洗的GaN 表面主要存在氧化层，无机和有机的污染物，主要运用醋酸，丙酮和乙醇除去有机沾污；运用酸碱溶液祛除表面的非有机物和氧化层，最后用氮气将新片吹干，表面清洗对后续的工艺和器件的特性存在很大影响。第二、FIDU 层的制作：FIDU 层制作的主要目的是为了形成整个器件制备流程的对准标记，经过FIDU 层的光刻和蒸发淀积后，要求FIDU 层的图形剥离边缘整齐，无连条或剥落现象，清晰的图形特别有利于后续工艺步骤。第三、欧姆接触：欧姆接触主要用于形成器件的源极和漏极电极，其优劣将直接影响器件的输出漏极电流以及膝点电压。如果欧姆接触效果一般，引入较大的串联电阻，直流特性中会造成器件的直流功耗增大，交流特性中将引起器件的输出功率和增益的降低，工艺中，一般使用RIE（反应离子刻蚀），采用Cl2，进行干法刻蚀刻蚀完成后进行欧姆金属蒸发，目前欧姆淀积金属的最佳选择为Ti/Al/Ni/Au，淀积温度为850 摄氏度，金属淀积后，才用热退火工艺形成欧姆特性。第四、台面隔离和退火：在欧姆接触之后，采用RIE 干法刻蚀技术进行隔离工艺，刻蚀深度达100nm,其目的是保证沟道完全被刻断，然后进行洗胶处理，进行退火工艺。第五、SiN 钝化层形成、钝化工艺中，主要采用PECVD 淀积SiN 薄膜，钝化工艺是HEMT 器件制备过程中重要的一步，未经过钝化的AlGaN 表面存在大量的表面态，在高频情况下，这些表面态会俘获沟道中的电子，使得输出电流大大的减小，该现象被称为电流崩塌。后来为抑制电流崩塌效应，工艺中在AlGaN 表面运用PECVD 的方法淀积一层SiN 薄膜，填充了表面态，陷阱电荷的减少大大的降低了电流崩塌的效应。第六、栅槽刻蚀：在SiN 钝化层淀积之后，器件表面会被一层厚度约为60nm 的SiN 所覆盖，栅槽刻蚀工艺的主要目的就是利用CF4作为反应气体，采用RIE 干法刻蚀技术将SiN 刻断，露出AlGaN 层，从而进行下一步的栅金属淀积。采用CF4的原因是CF4对SiN 和Al-GaN 的刻蚀速度不同，对AlGaN 的刻蚀速度很缓慢。但尽管如此，刻蚀过程仍然有可能对AlGaN 产生一定的损伤，称为刻蚀损伤。这种损伤对后续的工艺，器件特性都会产生深远影响。例如：刻蚀损伤产生的缺陷和引入的F 离子都会直接影响沟道内二维电子气的浓度，从而对器件的输出电流，栅泄漏电流，频率特性产生影响，所以控制处理时间和处理强度十分重要，选择最优的处理条件，对提升器件的特性起到良好的作用。第七、栅金属淀积：栅金属淀积采用E-beam 蒸发台进行。对AlGaN/GaN HEMT 器件进行栅极制作，是为了形成具有良好开关特性的肖特基接触。其特性的好坏对AlGaN/GaN HEMT 器件的栅泄漏电流、击穿电压，噪声]等具有明显影响，AlGaN 与金属形成肖特基接触势垒高度主要由金属的功函数决定，因此选择功函数比较大的金属会有利于得到更高的势垒高度，减小栅反相泄漏电流。最后，在栅电极金属淀积完成之后，独立器件的主要工序基本完成，而后续的工艺流程包括SiN 保护层淀积，互联开孔，互联金属蒸发。SiN 保护层淀积的主要目的是保护金属电极；互联开孔和互联技术蒸发是为了将单个器件的各个电极引出到更大的金属区域上，有助于后续的电学测试和分析。

三、结语

事实上，由于摩尔定律的限制，集成电路的规模越来越大，半导体器件的尺寸越来越小，工艺对器件性能的影响逐渐成为制约第三代GaN 器件发展的瓶颈，如何提升GaN 基器件的制备工艺具有越来越重要的现实意义。