[发明专利]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

说明书

本发明公开了一种基于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。

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，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。

背景技术

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Ao J P,Kubota N,Kikuta D,et al.Thermal stabilityinvestigation of copper‐gate AlGaN/GaN high electron mobility transistors[J].physica status solidi(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。