基于栅极场板和双源极场板的HEMT器件及其制备方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种基于栅极场板和双源极场板的HEMT器件及其制备方法。

背景技术

β-Ga

然而，在应用于高功率或高频时，β-Ga

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于栅极场板和双源极场板的HEMT器件及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明第一实施例提供了一种基于栅极场板和双源极场板的HEMT器件的制备方法，包括：

提供第一衬底，并在所述第一衬底的上表面进行离子注入，形成第二衬底；

在所述第二衬底的上表面形成键合中间层，并将β-Ga

在所述异质结衬底的上表面生长一层β-Ga

在所述缓冲层的上表面依次生长次势垒层、第一掺杂层、第一异质结层、量子阱层、第二异质结层、第二掺杂层以及主势垒层；

在所述主势垒层的上表面两侧进行离子注入，形成源极欧姆接触区以及漏极欧姆接触区；所述源极欧姆接触区以及所述漏极欧姆接触区延伸至所述缓冲层；

在所述源极欧姆接触区上形成源极，在所述漏极欧姆接触区上形成漏极；

在所述主势垒层的上表面生长氧化层，并在所述氧化层的上表面生长第一介质层；

在所述第一介质层上形成栅极，在所述栅极上形成栅极场板，且所述栅极场板的长度大于所述栅极的长度，并用与所述第一介质层材料相同的材料覆盖所述栅极以及所述栅极场板；

刻蚀所述第一介质层的两侧，以露出所述源极以及所述漏极的至少一部分上表面；在所述源极上生长第一源极场板，所述第一源极场板覆盖所述第一介质层的至少一部分上表面；

在所述第一源极场板和所述第一介质层上生长第二介质层，刻蚀所述第二介质层与所述源极在同一方向上的一侧，并生长第二源极场板，所述第二源极场板覆盖所述第二介质层的至少一部分上表面，且所述第二源极场板的长度大于所述第一源极场板的长度。

可选的，所述氧化层的材料包括HfO

可选的，所述第一衬底的材料包括：β-Ga

可选的，所述将β-Ga

将厚度为300nm～800nm的β-Ga

利用刻蚀工艺将β-Ga

可选的，形成所述缓冲层的工艺包括：

在氧等离子体的氛围下，利用分子束外延生长工艺生长100nm～500nm的β-Ga

可选的，在所述第一衬底的上表面进行离子注入的工艺，注入的离子类型包括氦、铁或者镁，注入角度为7°。

可选的，所述次势垒层以及所述主势垒层的材料包括β-(Al

所述第一异质结层以及所述第二异质结层的材料包括：β-Ga

所述第一掺杂层以及所述第二掺杂层的掺杂材料包括硅掺杂，生长温度范围为870℃～900℃。

可选的，形成所述源极欧姆接触区或者所述漏极欧姆接触区的工艺包括：

对所述主势垒层的上表面两侧进行离子注入，注入的离子包括硅、锡或者锗，注入角度的范围为0°～90°，注入能量为20keV～300keV，注入剂量为1×10

在氖气或者氩气的气体氛围下进行30min～60min的退火，退火的温度范围为900℃～1050℃，形成的所述源极欧姆接触区或者所述漏极欧姆接触区的掺杂浓度大于1×10

可选的，所述第一介质层或者所述第二介质层的厚度为80nm～120nm，所述第一介质层或者所述第二介质层的材料包括：BaTiO

本发明第二实施例还提供了一种基于栅极场板和双源极场板的HEMT器件，包括：

自下而上依次形成的异质结衬底、缓冲层、次势垒层、第一掺杂层、第一异质结层、量子阱层、第二异质结层、第二掺杂层以及主势垒层；所述异质结衬底和所述缓冲层的长度相同，所述次势垒层、所述第一掺杂层、所述第一异质结层、所述量子阱层、所述第二异质结层、所述第二掺杂层以及所述主势垒层的长度相同，且所述异质结衬底的长度大于所述次势垒层；其中，所述异质结衬底包括自下而上依次形成的第一衬底、第二衬底、键合中间层以及β-Ga

所述源极欧姆接触区以及所述漏极欧姆接触区，位于所述主势垒层的两侧，并延伸至所述缓冲层；

源极，位于所述源极欧姆接触区的上表面；

漏极，位于所述漏极欧姆接触区的上表面；

氧化层、第一介质层以及第二介质层，自下而上依次位于所述主势垒层上，且所述第一介质层覆盖所述源极以及所述漏极的至少一部分上表面；

栅极以及栅极场板，自下而上依次位于所述第一介质层中，靠近所述源极，且所述栅极的长度小于所述栅极场板的长度；

第一源极场板，位于所述源极上、所述第一介质层与所述第二介质层之间，且所述第一源极场板覆盖所述第一介质层的至少一部分上表面；

第二源极场板，位于所述第二介质层上，所述第二源极场板覆盖所述第二介质层的至少一部分上表面，且所述第二源极场板的长度大于所述第一源极场板的长度。

与现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下优点：

本发明提供的一种基于栅极场板和双源极场板的HEMT器件及其制备方法，异质结衬底采用β-Ga

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

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1～图16为本发明第一实施例提供的一种基于栅极场板和双源极场板的HEMT器件的制备方法各步骤对应的结构示意图；

图17为本发明第一实施例提供的一种基于栅极场板和双源极场板的HEMT器件的俯视图；

图18～图25为本发明第一实施例提供的一种基于栅极场板和双源极场板的HEMT器件的制备方法中使用的光刻板。

具体实施方式

为了改善器件的高温可靠性，本发明实施例提供了一种基于栅极场板和双源极场板的HEMT器件及其制备方法，以下将结合附图对本实施例提供的方案进行详细说明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施例进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施例中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施例的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

本发明第一实施例提供了一种基于栅极场板和双源极场板的HEMT器件的制备方法，参见图1～图25，图1～图16为本发明第一实施例提供的一种基于栅极场板和双源极场板的HEMT器件的制备方法各步骤对应的结构示意图，图17为本发明第一实施例提供的一种基于栅极场板和双源极场板的HEMT器件的俯视图，图18～图25为本发明第一实施例提供的一种基于栅极场板和双源极场板的HEMT器件的制备方法中使用的光刻板，包括以下步骤：

步骤一，参见图1，提供第一衬底101a，并在第一衬底101a的上表面进行离子注入，形成第二衬底101b。

其中，第一衬底101a的材料可以包括β-Ga

在对第一衬底101a的上表面进行离子注入之前，还需要对第一衬底101a进行预处理清洗。

首先，对第一衬底101a进行有机清洗，可以包括以下步骤：

第一步，使用甲醇浸泡3min。

第二步，使用丙酮浸泡3min。

第三步，使用甲醇浸泡3min。

第四步，利用去离子水冲洗3min。

第五步，利用流动去离子水清洗5min。

其次，对第一衬底101a进行酸清洗，可以包括以下步骤：

第一步，使用去离子水浸泡，并加热到90℃。

第二步，配制SPM溶液，并在SPM溶液中浸泡5min，其中，SPM溶液为用去离子水、30％过氧化氢溶液以及96％浓硫酸溶液以1:1:4的比例配制而成。或者，配制Piranha溶液，并在Piranha溶液中浸泡1min，其中，Piranha溶液为用30％过氧化氢溶液和98％浓硫酸溶液以1:3的比例配制而成。

第三步，利用去离子水浸泡，并加热到90℃，之后冷却到室温。

步骤二，参见图2～图4，在第二衬底101b的上表面形成键合中间层101c；并将β-Ga

其中，继续参见图2，第一衬底101a、第二衬底101b以及键合中间层101c共同构成异质衬底。

本发明实施例中，利用智能剥离技术将β-Ga

本发明实施例中，可以利用刻蚀工艺对β-Ga

形成异质结衬底101之后，还包括：采用等离子体打胶机在氧等离子体的作用下进行5min～20min的离子轰击，达到清洁异质结衬底101的表面杂质的目的。其中，采用等离子体轰击的功率范围可以为200W～400W。

在另一种实施方式中，还可以采用步骤一中的清洗工艺结合酸碱溶液进行清洗。

步骤三，参见图5，在异质结衬底101的上表面生长一层β-Ga

可选的，缓冲层102为非故意掺杂的β-Ga

步骤四，参见图6，在缓冲层102的上表面依次生长次势垒层103、第一掺杂层104、第一异质结层105、量子阱层106、第二异质结层107、第二掺杂层108以及主势垒层109。

具体的，生长顺序可以包括以下步骤：

步骤1，在缓冲层102的上表面采用氧等离子辅助分子束外延生长(MolecularBeam Epitaxy，MBE)工艺生长4nm～5nm的β-(Al

步骤2，在次势垒层103的上表面利用Si delta-doping掺杂工艺生长生长1.8s～2s的Si掺层，形成2nm～3nm的第一掺杂层104。

步骤3，在第一掺杂层104的上表面生长4nm～5nm的β-(Al

步骤4，在第一异质结层105的上表面生长3nm的β-Ga

步骤5，在量子阱层106的上表面生长3nm～5nmβ-(Al

步骤6，在第二异质结层107的上表面利用Si delta-doping掺杂工艺生长3s的Si掺层，形成第二掺杂层108。

步骤7，在第二掺杂层108的上表面生长一定厚度的β-(Al

其中，β-(Al

MBE工艺可通过调节Al源通量来控制薄膜Al组分x，Al组分x的范围在0.1～0.5，Al组分效果与β-(Al

步骤五，参见图7以及图18，在主势垒层109的上表面两侧进行离子注入，形成源极欧姆接触区111以及漏极欧姆接触区112；源极欧姆接触区111以及漏极欧姆接触区112延伸至缓冲层102。

利用如图18所示的光刻板在镂空区域进行离子注入，形成源极欧姆接触区111以及漏极欧姆接触区112。

步骤六，参见图8以及图19，在源极欧姆接触区111上形成源极121，在漏极欧姆接触区112上形成漏极122。

源极121、漏极122或者栅极123的材料包括金、铝、钛、锡、锗以及铟中的任意两种材料。

利用如图19所示的光刻板通过磁控溅射工艺生长源极121以及漏极122，并进行快速热退火，以形成欧姆接触。其中，磁控溅射包括物理气相沉积或分子束蒸发工艺。

溅射靶材选用质量比纯度大于99.99％的金和钛，以质量百分比纯度为99.999％的氩气作为溅射气体通入溅射腔。在溅射之前，用纯氩气对磁控溅射设备腔体清洗5min后，进行抽真空。在真空度为6×10

在一种可选的实施方式中，源极121或者漏极122的金属可选Au、Al、Ti等不同元素组成的2层结构。

在另一种可选的实施方式中，在半导体层及金属层间插入5nm～20nm的透明氧化物薄膜(TCO)，如ITO、FTO、AZO等，源极121或者漏极122可选用Al、Ti、Ni、Ag、Pt等金属替代。其中，Au、Ag、Pt的化学性质稳定；Al、Ti、Ni成本低。

优选的，Ti/Au结构或者插入TCO插入层可以降低接触电阻，提高工作电流。

步骤七，参见图9～图10，在主势垒层109的上表面生长氧化层131，并在氧化层131的上表面生长第一介质层132。

其中，氧化层131的材料包括三氧化二铝，厚度为10nm～20nm。

参见图9，采用等离子体增强型原子层沉积工艺(Atomic Layer Deposition，ALD)生长10nm～20nm的Al

需要注意的是，生长氧化层131的过程中，在源极121和漏极122上也生长有氧化层131，在生长第一介质层132之前需要利用如图18所示的光刻板将源极121和漏极122上的氧化层131进行刻蚀。

步骤八，参见图11～图12以及图20～图21，在第一介质层132上形成栅极123，在栅极123上形成栅极场板141，且栅极场板141的长度大于栅极123的长度，并用与第一介质层132材料相同的材料覆盖栅极123以及栅极场板141。

利用如图20所示的光刻板通过磁控溅射工艺生长Ti/Pt金属栅极123。

其中，栅极123的厚度可以为200nm～300nm，栅极123的材料可以选择Au、Al、Ti、Ni、Pt、Cr等元素组成的2～4层结构，其中第一层采用2nm～4nm的Ti或Cr可以提高金属的粘附性，其余层选用高金属功函数的Au、Pt、Ni等元素，可以提高器件阈值电压。

另一种实施方式中，还可以选择P、As、Sb等元素重掺杂的多晶硅作为栅极123。

利用如图21所示的光刻板，通过磁控溅射生长Ti/Pt金属场板，形成栅极场板141。其中，栅极场板141的厚度为100nm～300nm。

步骤九，参见图13～图14以及图22～图23，刻蚀第一介质层132的两侧，以露出源极121以及漏极122的至少一部分上表面；在源极121上生长源极场板142，源极场板142覆盖第一介质层132的至少一部分上表面。

利用如图22所示的光刻板，通过感应耦合等离子体刻蚀(Inductively CouplePlasma Etch，ICP)工艺或者反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching，RIE)工艺去除源极121以及漏极122上的部分第一介质层132，得到如图13所示的器件结构。

利用如图23所示的光刻板，通过磁控溅射生长Ti/Pt金属场板，形成第一源极场板142。其中，第一源极场板142的厚度为300nm～600nm。

步骤十，参见图15～图16以及图24，在第一源极场板142和第一介质层132上生长第二介质层133，刻蚀第二介质层133与所述源极121在同一方向上的一侧，并生长第二源极场板143，第二源极场板143覆盖第二介质层133的至少一部分上表面，且第二源极场板143的长度大于第一源极场板142的长度。

利用如图24所示的光刻板，通过磁控溅射生长Ti/Pt金属场板，形成第二源极场板143。其中，第二源极场板143的厚度为300nm～600nm。

本发明实施例中，还包括：在步骤十形成的结构上，利用如图25所示的光刻板采用分子束蒸发工艺生长0.5μm～2μm的金属互连层，其中金属互连层的材料包括Au或Al，形成金属互连层后结构的俯视图如图17所示。

本发明第一实施例提供的一种基于栅极场板和双源极场板的HEMT器件的制备方法，异质结衬底采用β-Ga

优选的，氧化层131的材料包括HfO

其中，HfO

利用ALD工艺生长氧化层131，生长温度为650℃～750℃。

可以理解的是，氧化层选择高介电常数的材料能够提高器件栅控能力，降低栅漏电。

本发明实施例中，第一衬底101a的材料包括：β-Ga

优选的，第一衬底101a的材料选用β-Ga

本发明实施例中，在第一衬底101a的上表面进行离子注入的工艺，注入离子包括氦、铁或者镁，注入角度为7°。

离子注入的注入角度为7°有利于后续异质衬底的键合。

本发明实施例中，形成键合中间层101c的工艺可以包括：利用ALD工艺形成键合中间层101c，并进行退火使得注入离子迁移、积累以利于后续的剥离。

在一种可选的实施方式中，形成键合中间层101c的工艺还可以包括：利用Ar离子轰击形成键合中间层101c，并进行退火使得注入离子迁移、积累以利于后续的剥离。

其中，键合中间层101c的材料包括三氧化二铝，键合中间层101c的厚度为5nm～30nm。

本发明实施例中，形成异质结衬底101，可以包括以下步骤：

步骤1，将厚度为300nm～800nm的β-Ga

其中，形成以下几种SOI结构晶圆：β-Ga

可以理解的是，选用Si衬底或c-sapphire衬底可以降低器件的制备成本；sapphire衬底还能降低剥离导致的薄膜损伤，进而改善器件的稳定性；SiC衬底、Diamond衬底可以提高器件的散热能力，抑制自热效应，提高器件工作温度和高温可靠性。

步骤2，利用刻蚀工艺将β-Ga

其中，β-Ga

可选的，可以利用ICP工艺、RIE工艺或者化学机械抛光(Chemical MechanicalPolishing，CMP)工艺对β-Ga

具体的，ICP刻蚀或RIE刻蚀的刻蚀条件为：质量百分比纯度为99.999％的Cl

在上述的刻蚀条件下，可以稳定、均匀的刻蚀β-Ga

本发明实施例中，形成缓冲层102的工艺可以包括：

在氧等离子体的氛围下，利用MBE工艺生长100nm～500nm的β-Ga

可选的，生长工艺还可以用低压化学气相沉积(Low Pressure Chemical VaporDeposition，LPCVD)、金属氧化物化学气相沉积((Metal-Organic Chemical VaporDeposition，MOCVD)或者脉冲激光沉积(Pulsed laser deposition，PLD)进行替代。

上述工艺均采用氧气和氩气的混合气体氛围，MBE工艺的生长温度为650℃～800℃，CVD工艺的生长温度为700℃～800℃，并以金属镓为镓源，PLD工艺的生长温度为500℃～800℃。

本发明实施例中，次势垒层以及主势垒层的材料包括β-(Al

第一异质结层以及第二异质结层的材料包括：β-Ga

第一掺杂层以及第二掺杂层的掺杂材料包括硅掺杂，生长温度范围为870℃～900℃。

本发明实施例中，形成源极欧姆接触区111或者漏极欧姆接触区112的工艺可以包括以下步骤：

步骤1，对主势垒层109的上表面两侧进行离子注入，注入的离子包括硅、锡或者锗，注入角度的范围为0°～90°，注入能量为20keV～300keV，注入剂量为1×10

步骤2，在氖气或者氩气的气体氛围下进行30min～60min的退火，退火的温度范围为900℃～1050℃，形成的源极欧姆接触区111或者漏极欧姆接触区112的掺杂浓度大于1×10

本发明实施例中，第一介质层132的厚度为80nm～120nm，第一介质层132的材料包括：BaTiO

其中，第一介质层132材料的介电常数大于40。

具体的，采用射频磁控溅射生长80nm～120nm的第一介质层132，生长温度为650℃～750℃。

溅射靶材选用质量比纯度大于99.9％的BaTiO

本发明实施例中，第二介质层133的厚度为80nm～120nm，第二介质层133的材料包括：BaTiO

其中，第二介质层133材料的介电常数大于40。

生长第二介质层133的工艺方法参见生长第一介质层132的工艺方法，在此不再赘述。

本发明第二实施例提供了一种基于栅极场板和双源极场板的HEMT器件，可以采用上述任一实施例提供的制备方法形成，参见图16以及图17，包括：

自下而上依次形成的异质结衬底101、缓冲层102、次势垒层103、第一掺杂层104、第一异质结层105、量子阱层106、第二异质结层107、第二掺杂层108以及主势垒层109；异质结衬底101和缓冲层102的长度相同，次势垒层103、第一掺杂层104、第一异质结层105、量子阱层106、第二异质结层107、第二掺杂层108以及主势垒层109的长度相同，且异质结衬底101的长度大于次势垒层103；其中，异质结衬底101包括：自下而上依次形成的第一衬底101a、第二衬底101b、键合中间层101c以及β-Ga

源极欧姆接触区111以及漏极欧姆接触区112，位于主势垒层109的两侧，并延伸至缓冲层102。

源极121，位于源极欧姆接触区111的上表面。

漏极122，位于漏极欧姆接触区112的上表面。

氧化层131、第一介质层133以及第二介质层133，自下而上依次位于所述主势垒层109上，且所述第一介质层132覆盖所述源极121以及所述漏极122的至少一部分上表面。

栅极123以及栅极场板141，自下而上依次位于第一介质层132中，靠近源极121，且栅极123的长度小于栅极场板141的长度。

第一源极场板142，位于源极121上、第一介质层132与第二介质层133之间，且第一源极场板142覆盖第一介质层132的至少一部分上表面。

第二源极场板143，位于第二介质层132上，第二源极场板143覆盖第二介质层132的至少一部分上表面，且第二源极场板143的长度大于第一源极场板142的长度。

可选的，第一衬底101a的材料可以包括β-Ga

优选的，第一衬底101a的材料包括β-Ga

可选的，键合中间层101c的材料可以包括三氧化二铝，厚度为5nm～30nm。

可选的，β-Ga

可选的，缓冲层102的材料可以包括β-Ga

可选的，次势垒层103的材料可以包括β-(Al

可选的，第一掺杂层104的材料可以包括硅掺杂，厚度为2nm～3nm，生长温度为870℃～900℃。

可选的，第一异质结层105的材料可以包括β-Ga

可选的，量子阱层106的材料可以包括β-Ga

可选的，第二异质结层107的材料可以包括β-Ga

可选的，第二掺杂层108的材料可以包括硅掺杂，生长温度为870℃～900℃。

可选的，主势垒层109的材料可以包括β-(Al

可选的，源极欧姆接触区111或者漏极欧姆接触区112的掺杂浓度大于1×10

可选的，氧化层131的材料可以包括三氧化二铝，厚度为10nm～20nm，生长温度为175℃～250℃。

可选的，第一介质层132或第二介质层133的材料包括：BaTiO

可选的，源极121、漏极122或者栅极123的材料可以包括金、铝、钛、锡、锗以及铟中的任意两种材料。

具体的，源极121或者漏极122的金属可选Au、Al、Ti等不同元素组成的2层结构。

在另一种可选的实施方式中，在半导体层及金属层间插入5nm～20nm的透明氧化物薄膜(TCO)，如ITO、FTO、AZO等，源极121或者漏极122可选用Al、Ti、Ni、Ag、Pt等金属替代。其中，Au、Ag、Pt的化学性质稳定；Al、Ti、Ni成本低。

优选的，Ti/Au结构或者插入TCO插入层可以降低接触电阻，提高工作电流。

栅极123的厚度可以为200nm～300nm，栅极123的材料可以选择Au、Al、Ti、Ni、Pt、Cr等元素组成的2～4层结构，其中第一层采用2nm～4nm的Ti或Cr可以提高金属的粘附性，其余层选用高金属功函数的Au、Pt、Ni等元素，可以提高器件阈值电压。

另一种实施方式中，还可以选择P、As、Sb等元素重掺杂的多晶硅作为栅极123。

可选的，栅极场板141的材料包括Ti/Pt，厚度为100nm～300nm。

可选的，第一源极场板142或第二源极场板143的材料包括Ti/Pt，厚度为300nm～600nm。

可选的，继续参见图17，还包括：金属互连层。

金属互连层与源极121、漏极122以及栅极123相连，金属互连层的材料可以包括Au或Al，厚度为0.5μm～2μm。

本发明第二实施例提供的一种基于栅极场板和双源极场板的HEMT器件，异质结衬底采用β-Ga

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

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。