本發(fā)明涉及一種基于磁控濺射沉積制備gan功率器件的方法，旨在提高氮化鎵gan功率器件的界面特性，提高生產(chǎn)效率，降低制造成本，屬于微電子。

背景技術(shù)：

1、近年來，以gan為代表的第三代半導(dǎo)體材料因其顯著的物理特性而引起了廣泛關(guān)注。這些材料具有寬禁帶、高電子飽和漂移速度、高擊穿電場強(qiáng)度以及優(yōu)越的導(dǎo)熱性能，使其在高溫、高壓、大功率和微波器件領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＬ貏e是在無線通信和雷達(dá)領(lǐng)域，gan高電子遷移率晶體管（hemt）因其高效能和可靠性，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

2、盡管gan器件具有顯著的性能優(yōu)勢，其制備過程卻相對復(fù)雜，涉及多個(gè)工藝步驟。這些步驟的復(fù)雜性可能導(dǎo)致額外的外界污染，進(jìn)而影響器件的整體性能。在gan器件的制備過程中，柵極介質(zhì)層的生長完成后，隨后的柵極生長工藝可能會(huì)引入柵極介質(zhì)層表面的污染。這種污染不僅會(huì)削弱柵極材料與柵極介質(zhì)層之間的界面質(zhì)量，還會(huì)增加?xùn)艠O界面處的界面態(tài)，導(dǎo)致器件性能下降。

3、在功率器件的應(yīng)用中，界面態(tài)問題引發(fā)的電流崩塌效應(yīng)對于器件的性能和可靠性至關(guān)重要。這種效應(yīng)不僅限制了器件的工作效率，也決定了其在實(shí)際應(yīng)用中的市場范圍和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。因此，確保器件其他性能在制造過程中不受到顯著影響變得尤為重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種基于磁控濺射沉積制備gan功率器件的方法，在同一腔室中實(shí)現(xiàn)了柵極介質(zhì)層以及柵電極金屬材料的組合體沉積，不僅可以有效減少工藝步驟中的潛在污染風(fēng)險(xiǎn)，提升器件的界面性能，還能夠提高制備效率，降低生產(chǎn)成本。通過優(yōu)化制造流程，有望在不犧牲器件性能的前提下，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率的顯著提升。這一技術(shù)路線將為gan器件的廣泛應(yīng)用和商業(yè)化發(fā)展提供強(qiáng)有力的支持，并為推動(dòng)高效能電子器件的發(fā)展開辟新的可能性。

2、術(shù)語解釋：

3、界面態(tài)：界面態(tài)是指存在于半導(dǎo)體與絕緣介質(zhì)界面處的特殊電子態(tài)。它們是由于晶格不匹配、材料缺陷或雜質(zhì)等原因?qū)е碌奶厥怆娮幽芗?，這些能級可以在特定條件下捕獲或釋放電子。界面態(tài)的存在會(huì)影響半導(dǎo)體器件的電學(xué)性能，特別是在金屬-絕緣物-半導(dǎo)體（mis-hemt）器件中。

4、本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

5、一種基于磁控濺射沉積制備gan功率器件的方法，旨在提高器件的界面特性，提高生產(chǎn)效率，降低制造成本，包括如下步驟：

6、s1：在襯底上依次生長aln成核層、gan緩沖層、aln插入層、algan勢壘層以及gan帽層；

7、s2：在需要生長源電極和漏電極的區(qū)域?qū)an帽層進(jìn)行刻蝕；

8、s3：在刻蝕區(qū)域上生長源電極和漏電極并進(jìn)行退火處理，形成歐姆接觸；

9、s4：對制備完歐姆接觸的器件放入直流磁控濺射設(shè)備中；采用直流磁控濺射設(shè)備同時(shí)生長柵極介質(zhì)層以及柵電極金屬材料；

10、s5：將器件從直流磁控濺射設(shè)備中取出，在柵電極區(qū)域上方覆蓋光刻膠，對柵電極區(qū)域以外的柵電極金屬材料進(jìn)行刻蝕，優(yōu)選采用金屬干法刻蝕機(jī)（lam-9600）行刻蝕，刻蝕到柵極介質(zhì)層表面停止，形成柵電極，并在刻蝕區(qū)域生長鈍化層，得到氮化鎵高電子遷移率晶體管。

11、制備后得到氮化鎵hemt器件，包括自下而上依次sic襯底、aln成核層、gan緩沖層、aln插入層、algan勢壘層、gan帽層和柵極介質(zhì)層，gan緩沖層、aln插入層和algan勢壘層形成異質(zhì)結(jié)；gan帽層層上設(shè)置有源電極和漏電極；柵極介質(zhì)層上設(shè)置有柵電極；柵電極與源電極之間，以及柵電極與漏電極之間設(shè)置鈍化層。

12、優(yōu)選的，步驟s4中，生長柵極介質(zhì)層以及柵電極金屬材料的過程為：

13、s41：將制備好源電極和漏電極的器件置于直流磁控濺射設(shè)備中，設(shè)置抽真空程序，對腔室進(jìn)行抽真空處理；

14、s42：當(dāng)真空度達(dá)到預(yù)定的工藝要求后，設(shè)置制備柵極介質(zhì)層所需的濺射參數(shù)，包括濺射功率、氣流量、腔室壓力和溫度等，進(jìn)行柵極介質(zhì)層的濺射沉積，以形成均勻的絕緣層；

15、s43：柵極介質(zhì)層的濺射沉積完成后，再次對腔室進(jìn)行抽真空，以清除殘留氣體和濺射產(chǎn)物，確保濺射環(huán)境的潔凈度和穩(wěn)定性，調(diào)整濺射參數(shù)以匹配柵電極金屬材料的沉積要求，并進(jìn)行柵電極金屬材料的濺射，濺射完成后，獲得包括柵極介質(zhì)層和柵電極金屬材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)。

16、優(yōu)選的，步驟s42中，制備柵極介質(zhì)層所需的濺射參數(shù)為：濺射功率為200~300?w，ar2氣流量為10~50?sccm，腔室壓力為10~50?mtorr，溫度為10~40℃；n2與ar2的比例為1:1。

17、柵極介質(zhì)層（aln、alscn、tin、sio2等）在制備過程中的氮?dú)鍤獾谋壤恳筝^高，氮含量較高，容易造成靶材中毒，以及薄膜物相結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，過低則薄膜的阻值較低，無法達(dá)到高阻態(tài)，無法實(shí)現(xiàn)絕緣介質(zhì)層的作用，本發(fā)明采用n2與ar2的比例為1:1，可以保證薄膜物相結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，且達(dá)到高阻態(tài)以實(shí)現(xiàn)絕緣介質(zhì)層的作用。

18、進(jìn)一步優(yōu)選的，制備柵極介質(zhì)層所需的濺射參數(shù)為：直流濺射功率設(shè)置為250?w，ar2氣流量為20?sccm，腔室壓力為30?mtorr，溫度為20℃。

19、優(yōu)選的，步驟s43中，調(diào)整濺射參數(shù)以匹配柵電極金屬材料的沉積要求，調(diào)整后的濺射參數(shù)為：先沉積ni，濺射功率為180~220?w，時(shí)間290~320s；后沉積au，濺射功率為180~220?w，時(shí)間210~250s。

20、本發(fā)明在同一腔室中實(shí)現(xiàn)了柵極介質(zhì)層以及柵電極金屬材料的組合體沉積。這種改進(jìn)精簡了工藝流程，降低了實(shí)驗(yàn)成本，并有效減少了外界因素對器件制備過程的影響。

21、優(yōu)選的，所述柵極介質(zhì)層厚度為2~100?nm，材料為aln、alscn、tin或sio2；進(jìn)一步優(yōu)選的，所述柵極介質(zhì)層厚度為20?nm。

22、所述柵電極材料為ta、ni、au、w或cr等金屬材料。

23、優(yōu)選的，所述aln成核層的厚度為1~2000?nm；進(jìn)一步優(yōu)選的，所述aln成核層的厚度為100?nm；

24、所述gan緩沖層的厚度為0.1~5?μm，gan緩沖層未進(jìn)行摻雜；進(jìn)一步優(yōu)選的，所述gan緩沖層的厚度為1.5?μm。

25、優(yōu)選的，所述aln插入層的厚度為0.5?~?2?nm；進(jìn)一步優(yōu)選的，所述aln插入層的厚度為1?nm。

26、優(yōu)選的，所述algan勢壘層的厚度為10~30?nm，al的摩爾比為10~30%；進(jìn)一步優(yōu)選的，所述algan勢壘層的厚度為20?nm，al的摩爾比20%。

27、優(yōu)選的，源電極和漏電極的間距l(xiāng)sd為3~300?μm；進(jìn)一步優(yōu)選的，所述源電極和漏電極的間距l(xiāng)sd為20?μm。

28、優(yōu)選的，所述柵電極的長度lg為1~100?μm，柵電極與源電極的間距l(xiāng)gs為1~100?μm，柵電極與漏電極的間距l(xiāng)gd為1~100?μm；進(jìn)一步優(yōu)選的，柵電極的長度lg、柵電極與源電極的間距l(xiāng)gs、柵電極與漏電極的間距l(xiāng)gd分別2?μm、5?μm和13?μm。

29、本發(fā)明未詳盡之處，均可參見現(xiàn)有技術(shù)。

30、本發(fā)明的有益效果為：

31、1、降低關(guān)態(tài)漏電，提高器件性能

32、本發(fā)明采用在同一腔室內(nèi)前后連續(xù)濺射柵極介質(zhì)層以及柵電極金屬材料，能夠快速制備mis-hemt器件，柵極介質(zhì)層能夠有效降低漏電流，增強(qiáng)柵極的隔離性能，從而提升器件的擊穿電壓和工作穩(wěn)定性。與此同時(shí)，柵電極金屬材料中具備優(yōu)良的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性，有助于實(shí)現(xiàn)低電阻和高速開關(guān)，進(jìn)而提高器件的開關(guān)頻率和整體性能。二者的結(jié)合進(jìn)一步增強(qiáng)了器件的可靠性。

33、2、優(yōu)化界面質(zhì)量

34、本發(fā)明通過在同一磁控濺射腔室中完成柵極介質(zhì)層以及柵電極金屬材料的沉積，避免了在沉積介質(zhì)層和柵極金屬時(shí)的腔室開閉和樣品轉(zhuǎn)移過程，從而顯著減少了暴露于空氣中的時(shí)間。傳統(tǒng)方法中，外界環(huán)境中的氧氣、水分和其他污染物會(huì)引入界面缺陷（如氧化層或雜質(zhì)），導(dǎo)致界面態(tài)密度增加。同一腔室中完成沉積可以減少這些污染源，從而形成更純凈的界面，提升柵極與介質(zhì)層界面的質(zhì)量，從而減少漏電和提升電子遷移率。

35、在同一磁控濺射腔室中完成柵極介質(zhì)層以及柵電極金屬材料的沉積，能夠有效減少界面處的化學(xué)鍵失配和結(jié)構(gòu)缺陷，從而降低界面態(tài)密度。磁控濺射過程中，柵電極金屬材料在柵極介質(zhì)層上直接沉積，減少了因基板表面暴露而導(dǎo)致的表面損傷。這種工藝能夠有效降低界面處的淺能級陷阱密度，抑制界面態(tài)對載流子的捕獲作用。

36、在gan?hemt?等高功率器件中，界面態(tài)會(huì)導(dǎo)致電流崩塌現(xiàn)象，即在高電場下，界面態(tài)捕獲電荷，導(dǎo)致溝道電流下降。通過減少界面態(tài)密度，可以有效抑制電流崩塌現(xiàn)象，增強(qiáng)器件的電流開關(guān)比。在同一磁控濺射腔室中完成柵極介質(zhì)層以及柵電極金屬材料的沉積，可減少界面態(tài)對器件的長期影響，提高器件的使用壽命。

37、3、簡化工藝流程與提高制備效率

38、本發(fā)明采用統(tǒng)一的沉積設(shè)備和工藝流程，有助于工藝優(yōu)化和一致性控制，減少多次設(shè)備切換帶來的工藝波動(dòng)，提高制備過程的可重復(fù)性和可靠性；同時(shí)在同一腔室內(nèi)完成多步工藝，縮短制備時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，降低整體制造成本；減少設(shè)備轉(zhuǎn)移和處理步驟，降低生產(chǎn)中的時(shí)間和物料損耗。

39、4、增強(qiáng)器件一致性和可靠性，促進(jìn)集成化和小型化

40、本發(fā)明通過同一直流磁控濺射設(shè)備的腔室完成沉積柵極介質(zhì)和柵電極金屬材料，確保了柵極介質(zhì)和柵電極金屬材料具有一致的物理和電學(xué)特性，提高器件的一致性和良率；高質(zhì)量的界面和材料結(jié)合，有助于提升器件在高溫、高電壓條件下的長期穩(wěn)定性和可靠性。優(yōu)化的柵電極結(jié)構(gòu)和高質(zhì)量的柵極介質(zhì)層有助于減小器件尺寸，提升集成度，滿足現(xiàn)代高密度電子器件的需求。

41、5、便于后續(xù)工藝集成與成本控制

42、采用本發(fā)明的方法，與其他工藝步驟（如源電極/漏電極的金屬化、鈍化層沉積等）具有良好的兼容性，便于后續(xù)的工藝集成和多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；通過優(yōu)化工藝步驟，減少材料浪費(fèi)和能耗，有助于降低生產(chǎn)成本，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更環(huán)保的制造過程。