LDD结构GaN HEMT器件制备工艺流程介绍

（作者单位：吉林建筑大学）
LDD 结构GaN HEMT 器件制备工艺流程介绍
◎李可欣陈冲侯佳琳周杨鹏何佳旺
完整的LDD GaN HEMT 器件制作过程主要分为GaN 材料生长和器件制作两个主要部分，由于自然界中没有天然的GaN 材料，目前大多数GaN 材料采用MOCVD 以及HPVE 方法进行生长。

GaN 材料的生长质量和器件的制备工艺共同决定了LDD GaN HEMT 器件的性能，本文我们重点介绍LDD GaN HEMT 器件的制备工艺。

一、LDD GaN HEMT 器件基本结构目前，LDD GaN HEMT 结构主要由以下六个部分组成，从下至上分别为第一层、蓝宝石或者SiC 衬底，第二层、AlN 成核层，厚度约为100nm，第三层、GaN 缓冲层，厚度约为2~3μm，第四层、AlGaN 势垒层，厚度约为20nm，第五层、GaN 帽层，厚度约为1nm，第六层、GaN HEMT 源极，漏极，栅极。

LDD GaN 基HEMT （轻掺杂漏GaN 基高电子迁移率器件）和常规GaN HEMT 最主要的区别在于LDD GaN HEMT 在栅极和漏极之间存在F 等离子体注入工艺。

从GaN 材料生长结束到LDD GaN HEMT 器件的形成要经过许多的工艺流程，关键步骤如下：新片清洗，FIDU 层制作，欧姆接触，台面隔离刻蚀，欧姆退火，SIN 钝化，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，具体如下：
图1：LDD GaN 基HEMT 器件制备流程
二、LDD GaN HEMT 制备流程简介第一、新片清洗，将GaN 材料放入丙酮、乙醇等有机溶剂中清洗去除表面污染物，最后再用酸液（HF）清洗表面氧化物。

清洗干净的主要标准是：片子表面干净整洁、没有污染物、没有可见颗粒。

第二、欧姆金属蒸发，欧姆金属蒸发主要是在欧姆接触的图形窗口来进行金属的淀积，欧姆接触的作用是降低半导体和金属的接触电阻，形成非整流接触，一般采用功函数较大的金属或者对半导体的接触表面进行重掺杂，大量调查研究表明，GaN 材料为形成良好的欧姆接触，采用的金属是Ti/Al/Ni/Au 合金。

第三、台面隔离刻蚀，台面隔离刻蚀工艺主要是对器件的势垒层以及缓冲层进行刻蚀，目的是使得不同的器件之间没有导电通道存在，进而控制台面漏电现象，GaN 材料一般使用氯气进行RIE 刻蚀。

第四、欧姆接触退火，欧姆接触的质量对器件的诸多特性有较大的影响，欧姆接触电阻会使得器件的直流功耗增大，并且还会降低器件的输出功率和增益，台
面隔离刻蚀后，一般要进行欧姆退火工艺，欧姆退火不仅能够
改善台面刻蚀所造成的损伤，还能使得金属与势垒层完全融合。

评价欧姆接触效果的方法有很多种，目前一般使用TLM 法来进行评价。

TLM 法主要是测量不同间距的两个金属块间的电阻。

两个方块间的电阻R0可以表示成如下的形式：R0=2Rm+2Rc+RSH (L/w)，其中Rm 为金属电极的方块电阻，Rc 为欧姆接触电阻，RSH 为半导体方块电阻，L 为两个电极之间距离，W 为欧姆电极宽度。

相比半导体方块电阻而言，金属电极的方块电阻几乎可以忽略不计，因此一般我们用2Rc+RSH(L/w)的值来说明两个方块间的电阻。

第五、钝化、作为GaN 基高电子迁移率器件制备的关键步骤之一，钝化工艺对器件特性影响深刻，钝化工艺不仅能显著提升器件的功率表特性，而且能改善器件的可靠性。

早期，AlGaN/GaN HEMT 存在明显的电流崩塌效应，该效应是制约器件微波功率输出的主要成因，其原因为AlGaN 材料表面存在着大量的表面态，高频工作模式下，表面态会大量俘获沟道中的电子导致输出电流减少。

钝化工艺通过PECVD 在AlGaN 表面淀积一层SiN 薄膜，其作用主要有两个方面，第一方面，SiN 薄膜能够很好的填充表面态，降低器件的电流崩塌效应。

第二方面，钝化层能够有效的削弱环境对器件电学特性的影响，并且还可以作为场板结构的支撑介质，提高可靠性。

第六、栅槽刻蚀栅槽刻蚀主要是将栅区域表面的钝化层刻蚀掉，使得势垒层裸露出来，这样在进行栅金属蒸发的时候可以让栅金属与势垒层充分接触。

由于CF 4气体对钝化层和势垒层的选择性不同，栅槽刻蚀完成后，钝化层将会被完全刻蚀掉，势垒层则不会有太大影响。

LDD GaN HEMT 需要在常规的GaN 基HEMT 栅边缘靠近漏侧进行氟等离子体注入工艺，故在进行栅槽刻蚀的时候会将轻掺杂漏区上的SiN 层也刻蚀掉。

第七、栅金属淀积肖特基接触的好坏决定了器件栅电流、击穿电压和噪声等特性，栅泄漏电流的大小又影响着器件噪声特性和高频情况下器件的放大效率，击穿特性影响着器件的工作电压和功率容限，所以需要制作具有良好肖特基特性的栅极。

目前，实验中的栅金属淀积使用E-Beam 蒸发台进行栅极金属淀积，使用的金属多为Ni/Au 合金。

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
随着半导体材料和半导体技术的不断发展，近年来我国对半导体行业的投入越来越大，但由于摩尔的限制，集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月便会增加一倍半导体行业中，器件的尺寸将越来越小，芯片制备工艺和芯片制备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。

注：本文受吉林建筑大学大学生创新创业项目《LDD 结构GaN HEMT 转移特性分析》
资助
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