CN102306626B - 半导体异质结场效应晶体管栅结构的制备方法 - Google Patents

Abstract

半导体异质结场效应晶体管栅结构的制备方法，涉及微电子器件制备领域。本发明包括下述步骤：(1)在已制作了源电极和漏电极的GaN基半导体异质结构上涂覆正性光刻胶；(2)通过曝光和显影工艺对光刻胶进行微图形化，留下合适的区域制作MgO掩膜；(3)沉积MgO薄膜；(4)剥离光刻胶，留下直接沉积在基片上的MgO薄膜作为掩膜；(5)依次沉积铁电氧化物薄膜层和金属层；(6)剥离MgO掩膜，留下直接沉积在基片上的铁电氧化物薄膜层和金属层作为半导体异质结场效应管的栅结构。本发明制备方法简单，而且对GaN基半导体异质结构的损伤较小，不会对器件的性能造成太大的影响。

Description

半导体异质结场效应晶体管栅结构的制备方法

技术领域

本发明涉及微电子器件制备领域，具体涉及采用MgO作为掩膜制备金属/铁电氧化物/GaN基半导体异质结场效应晶体管栅结构的技术。

背景技术

GaN半导体是典型的第三代宽禁带半导体，具有禁带宽度大、击穿场强高、热导率大、载流子迁移率高、抗辐射能力强等特点，在微电子领域有着广泛的应用。GaN基半导体可以形成固溶体，通过调节III族元素如Al的组分配比可实现固溶体禁带宽度在1.9-6.2eV范围内连续可调。GaN基半导体具有一定的压电极化和自发极化，在形成异质结构时能在界面处形成二维电子气(2DEG)。如AlGaN/GaN异质结中能够在不掺杂的情况下形成面密度高达10¹³cm^-2的二维电子气，其迁移率可达1500cm²/(V·s)。因此，GaN基半导体在高频、高速、大功率电子器件领域具有广阔的应用前景。尽管GaN基半导体具有优良的电学性能，但仍有众多物理机制需要进一步研究。最显著的问题之一就是GaN基场效应器件的栅泄漏电流。研究发现，采用MOSFET结构可以显著降低GaN基场效应器件的栅泄漏电流，对改善器件的性能起着十分重要的作用。目前常用的氧化物介质材料多为SiO₂、Al₂O₃、HfO₂等介电常数小于20的低k材料。随着器件体积的不断缩小，要求栅介质层等效氧化层厚度(EOT)越来越小，采用的栅介质材料k值更高。

铁电氧化物材料是一类具有广阔应用前景的氧化物材料。常用的铁电氧化物材料主要有钙钛矿型铁电体、层状钙钛矿型铁电体和铌酸锂型铁电体。钙钛矿型铁电体通式为ABO₃，其中A元素通常为Mg、Ca、Sr、Ba、Pb、Bi或La等，B元素通常为Ti、Zr、Fe、Ru或Ni等。层状钙钛矿型铁电体是Bi层与类钙钛矿层交替形成的复合氧化物，其通式为(Bi₂O₂)²⁺(A_m-1B_mO_3m+1)^2-，其中A元素通常为Bi、Ba、Sr、Ca、Pb、K或Na等，B元素通常为Ti、Nb、Ta、Mo、W或Fe等。铌酸锂型铁电体主要有LiNbO₃和LiTaO₃等。铁电氧化物材料具有高的介电常数，能够满足器件小型化对栅介质层等效氧化物层厚度的要求。铁电氧化物材料还具有铁电、压电、热释电等丰富的物理特性。将铁电氧化物材料作为GaN基半导体MOSFET器件的栅介质层形成MFSFET结构，铁电氧化物材料可翻转的铁电极化能够对GaN基半导体异质结构的二维电子气输运特性产生影响。更进一步，铁电氧化物材料的压电、热释电等特性在MFSFET结构中所产生的界面电荷可能通过界面的传递作用改变GaN基半导体异质结构的二维电子气浓度，使之随外加应力、温度等参数的变化而变化。这些耦合效应可用作制备压敏传感器、温度传感器等器件，也可能增强GaN基半导体异质结构的性能。因此，采用铁电氧化物材料作为GaN基半导体MOSFET器件的栅介质层在电子器件领域具有广阔的应用前景。

采用铁电氧化物材料作为GaN基半导体MOSFET器件的栅介质层需要对铁电氧化物薄膜进行微图形化。铁电氧化物薄膜的微图形化一般采用干法刻蚀的方法。但是将这些铁电氧化物材料与GaN基半导体异质结构集成后，采用干法刻蚀对铁电氧化物材料进行微图形化时，难以掌握合适的刻蚀条件，容易对GaN基半导体异质结构造成损伤，从而降低器件的性能。因此，寻找一种合适的制作金属/铁电氧化物/GaN基半导体异质结场效应晶体管栅结构的方法，对于器件的实际应用具有十分重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种制作金属/铁电氧化物/GaN基半导体异质结场效应管栅结构的方法，其中栅结构包括铁电氧化物薄膜层和金属层。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，半导体异质结场效应晶体管栅结构的制备方法，包括下述步骤：

(1)在已制作了源电极和漏电极的GaN基半导体异质结构上涂覆正性光刻胶；

(2)通过曝光和显影工艺对光刻胶进行微图形化，留下合适的区域制作MgO掩膜；

(3)沉积MgO薄膜；

(4)剥离光刻胶，同时剥离光刻胶上的MgO薄膜，留下直接沉积在基片上的MgO薄膜作为掩膜；

(5)依次沉积铁电氧化物薄膜层和金属层；

(6)剥离MgO掩膜，同时剥离MgO掩膜上的铁电氧化物薄膜层和金属层，留下直接沉积在基片上的铁电氧化物薄膜层和金属层作为半导体异质结场效应管的栅结构。

进一步的，步骤(1)中涂覆的正性光刻胶厚度为2～3μm。步骤(3)中采用蒸发、溅射或激光脉冲沉积的方法在室温条件下沉积MgO薄膜，沉积过程中保持生长室真空度保持为1×10^-3～1×10^-4Pa，沉积的MgO薄膜厚度在500～800nm。

步骤(5)中，所述铁电氧化物为钙钛矿型铁电体、层状钙钛矿型铁电体或铌酸锂型铁电体。

更具体的，步骤(5)中，所述铁电氧化物为钙钛矿型铁电体，其通式为ABO₃，其中A表示Mg、Ca、Sr、Ba、Pb、Bi或La，B表示Ti、Zr、Fe、Ru或Ni；

以A元素、B元素和氧元素摩尔比计算，化学配比满足(A₁+A₂+……+A_n)∶(B₁+B₂+……+B_n)∶O＝1∶1∶3，

其中A₁、A₂、A_n表示A代表的元素中的不同的元素，

B₁、B₂、B_n表示B代表的元素中的不同的元素。

或者，步骤(5)中，所述铁电氧化物为层状钙钛矿型铁电体，通式为(Bi₂O₂)²⁺(Q_m-1R_mO_3m+1)^2-，其中Q元素为Bi、Ba、Sr、Ca、Pb、K或Na，R元素为Ti、Nb、Ta、Mo、W或Fe。【其中m为大于1的配位数，保持离子基团的化合价为-2价】

或者，步骤(5)中，所述铁电氧化物为铌酸锂型铁电体，包括LiNbO₃或LiTaO₃。

步骤(5)中的金属层为Ni、Au或Pt。

本发明的有益效果是：本发明首次使用MgO作为掩膜制作金属/铁电氧化物/GaN基半导体异质结场效应管的栅结构，国内外尚未见报道。由于一般采用干法刻蚀的方法对铁电氧化物材料进行微图形化，在制作金属/铁电氧化物/GaN基半导体异质结场效应管时，容易对GaN基半导体异质结构造成损伤，从而破坏器件的性能。而采用本发明的方法，利用MgO作为掩膜来制作金属/铁电氧化物/GaN基半导体异质结场效应管的栅结构，制备方法简单，而且对GaN基半导体异质结构的损伤较小，不会对器件的性能造成太大的影响。

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

附图说明：

图1为金属/铁电氧化物/GaN基半导体异质结场效应管的器件示意图。

图2为使用MgO作为掩膜制作金属/铁电氧化物/GaN基半导体异质结场效应管栅结构的工艺流程图。

图3为根据本发明制作的金属/LiNbO₃/GaN基半导体异质结场效应管的器件示意图。

图4(a)和图4(b)分别为金属/LiNbO₃/GaN基半导体异质结场效应管器件的输出特性曲线和转移特性曲线。

具体实施方式

图1为根据本发明制作的金属/铁电氧化物/GaN基半导体异质结场效应管的器件示意图。就图1而言，本实施方式的金属/铁电氧化物/GaN基半导体异质结场效应管共具有以下部分：

(1)Al₂O₃或SiC衬底10；

(2)第一层为禁带宽度为GaN基半导体薄膜11；

(3)在上述第一层GaN基半导体薄膜上生长的更大带隙的AlGaN基半导体薄膜12；

(4)在上述第二层GaN基半导体薄膜上形成的源电极13和漏电极14；

(5)在上述第二层GaN基半导体薄膜上源电极和栅电极之间形成的栅结构，栅结构包括铁电氧化物层15和栅金属层16。

进一步的说，基片为Al₂O₃或SiC衬底上AlGaN/GaN外延片，在AlGaN与GaN形成二维电子气。源电极和漏电极与GaN基半导体异质结构形成欧姆接触。铁电氧化物可以为钙钛矿型铁电体、层状钙钛矿型铁电体和铌酸锂型铁电体。

钙钛矿型铁电体通式为ABO₃，其中A元素代表Mg、Ca、Sr、Ba、Pb、Bi或La等，B元素代表Ti、Zr、Fe、Ru或Ni等。以A元素、B元素和氧元素摩尔比计算，化学配比满足(A₁+A₂+……+An)∶(B₁+B₂+……+Bn)∶O＝1∶1∶3。

若采用层状钙钛矿型铁电体(Bi层与类钙钛矿层交替形成的复合氧化物)，其通式为(Bi₂O₂)²⁺(Q_m-1R_mO_3m+1)^2-，其中Q元素代表Bi、Ba、Sr、Ca、Pb、K或Na等，R元素代表Ti、Nb、Ta、Mo、W或Fe等。

也可采用铌酸锂型铁电体，主要包括LiNbO₃和LiTaO₃等。

前述A₁、A₂、A_n表示A代表的元素中的不同的元素，

B₁、B₂、B_n表示B代表的元素中的不同的元素。例如，B₁、B₂、B₃、B₄分别表示Ti、Zr、Fe、Ru，以B₁、B₂...B_n的形式表示各个不同的元素。A₁、A₂...A_n的形式亦然。

图2为采用MgO作为掩膜制作金属/铁电氧化物/GaN基半导体异质结场效应管栅结构的工艺流程图。衬底20包括生长GaN基半导体薄膜所需的基片(如Si、Al₂O₃、SiC、GaN或AlN等基片)，第一层GaN基半导体薄膜和第二层GaN基半导体薄膜等部分。

作为实施例1，整个工艺流程的具体过程如下：

(a)在衬底20上涂覆正性光刻胶21，光刻胶的厚度在2-3μm左右。对涂覆了光刻胶的基片进行软烘，以去除光刻胶中的溶剂。典型的软烘条件为在热板上90℃到100℃烘烤30秒。软烘完成后，在冷板上对基片进行降温。

(b)对光刻胶进行曝光和显影。将掩模版与涂覆了光刻胶的基片上的正确位置对准，将掩模版与基片曝光，从而将掩膜版上的图形转移到涂覆了光刻胶的基片上。可采用紫外光曝光技术或电子束曝光技术对光刻胶进行曝光。曝光后采用显影剂对基片进行显影操作，在基片表面的光刻胶中产生图形。基片表面留有光刻胶的区域则为之后制作栅结构的区域，即光刻胶21A。显影完成后，将基片用去离子水(DI)冲洗后甩干，并在热板上进行坚膜烘焙。典型的坚膜烘焙条件为热板上100℃到120℃烘烤60s。烘焙完成后，在冷板上对基片进行降温。

(c)在基片上沉积MgO薄膜22和22A。MgO可采用蒸发(Evaporation)，激光脉冲沉积(Pulsed Laser Deposition，PLD)，溅射(Sputtering)等薄膜制备方法在室温条件下沉积。沉积过程中保持生长室真空度保持为1×10^-3Pa。沉积的MgO厚度在800nm。

(d)采用去胶液对光刻胶21A进行去胶。在剥离掉光刻胶21A的同时，光刻胶上的MgO薄膜22也会被剥离，从而实现对MgO薄膜的微图形化。基片表面留下的MgO薄膜22A即可作为之后制作金属/铁电氧化物/GaN基半导体异质结场效应管栅结构的掩膜。使用的去胶液必须满足不会对MgO薄膜造成影响的条件。对于正性光刻胶，如AZ6112等，可以使用丙酮和N-甲基吡咯烷酮等试剂去除，并且不会影响MgO薄膜。

(e)在基片上依次沉积铁电氧化物薄膜层23和23A与金属层24和24A。铁电氧化物薄膜层的沉积可采用常规的氧化物薄膜制备方法来制备。金属层采用电子束蒸发的方法来制备。

(f)去除MgO薄膜22A。使用合适的溶液去除MgO薄膜22A，同时将沉积在薄膜上的铁电氧化物薄膜层23和金属层24剥离，从而在基片表面留下的铁电氧化物薄膜层23A和金属层24A即为金属/铁电氧化物/GaN基半导体异质结场效应管的栅结构。其中金属层24A即为栅金属层。去除MgO的溶液必须满足不会对铁电氧化物薄膜层和金属层造成影响的条件。对MgO薄膜采用草酸、乙酸或浓氨水等来去除。这几种溶液一般不会对铁电氧化物薄膜造成影响。金属/铁电氧化物/GaN基半导体异质结场效应管的栅金属通常采用Ni、Au和Pt等耐腐蚀的金属材料，草酸、乙酸或浓氨水对这些金属的腐蚀作用有限，因此也不会造成太大的影响。

作为另一个实施例，与实施例1的区别在于，在步骤(c)中，真空度为1×10^-4Pa。沉积的MgO厚度在500nm左右。

图3为根据本发明制作的金属/LiNbO₃/GaN基半导体异质结场效应管的器件示意图。就图3而言，本实施方式的金属/LiNbO₃/GaN基半导体异质结场效应管共具有以下部分：

(1)Al₂O₃基片10；

(2)在Al₂O₃基片上生长的厚度为2μm的GaN层。GaN的晶格常数a₁＝0.3189nm，禁带宽度Eg₁＝3.42eV。

(3)在上述GaN层上生长的厚度为20nm的Al_0.3Ga_0.7N层。Al_0.3Ga_0.7N的晶格常数a₂＝0.3166nm，禁带宽度Eg₂＝4.02eV。Al_0.3Ga_0.7N层与GaN形成Al_0.3Ga_0.7N/GaN异质结并在界面处GaN层边自发产生二维电子气。

(4)在上述Al_0.3Ga_0.7N层上形成的源电极13和漏电极14；典型的Al_0.3Ga_0.7N/GaN异质结上制备的源电极和漏电极为Ti(20nm)/Al(50nm)/Ti(20nm)/Au(200nm)，并在800℃，氮气氛下快速退火60秒，以实现源电极和漏电极与Al_0.3Ga_0.7N/GaN异质结之间形成欧姆接触。

(5)在上述Al_0.3Ga_0.7N层上源电极和栅电极之间形成的栅结构，栅结构包括LiNbO₃层15和栅金属层16。LiNbO₃采用脉冲激光沉积法制备。制备条件为生长温度600℃，氧气氛20Pa。薄膜厚度300nm。栅金属层为Ni(20nm)/Au(200nm)，采用电子束蒸发法制备。

图4(a)为上述制备的金属/LiNbO₃/GaN基半导体异质结场效应管器件的输出特性曲线。图4(b)为上述制备的金属/LiNbO₃/GaN基半导体异质结场效应管器件的转移特性曲线。结果表明：通过MgO掩膜法制备的器件具有良好的场效应特征。

铁电氧化物薄膜的沉积温度一般都在400-800℃，因此不能采用光刻胶作为对薄膜进行微图形化的掩膜。MgO是一种无机化合物，其熔点为2852℃，在通常铁电氧化物薄膜的沉积温度下不会发生流动、变形、分解等现象。并且MgO作为一种双性氧化物，可以很容易地被草酸、乙酸(CHCOOH)或浓氨水(NH₄Cl)所腐蚀和剥离。因此MgO适合作为对铁电薄膜进行微图形化的掩膜。由此本发明提出采用MgO作为掩膜，制作金属/铁电氧化物/GaN基半导体异质结场效应管栅结构的制备方法，这是本发明的发明点所在。

Claims (9)

1.半导体异质结场效应晶体管栅结构的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

（1）在已制作了源电极和漏电极的GaN基半导体异质结构上涂覆正性光刻胶；

（2）通过曝光和显影工艺对光刻胶进行微图形化，留下合适的区域制作MgO掩膜；

（3）沉积MgO薄膜；

（4）剥离光刻胶，同时剥离光刻胶上的MgO薄膜，留下直接沉积在基片上的MgO薄膜作为掩膜；

（5）依次沉积铁电氧化物薄膜层和金属层；

（6）剥离MgO掩膜，同时剥离MgO掩膜上的铁电氧化物薄膜层和金属层，留下直接沉积在基片上的铁电氧化物薄膜层和金属层作为半导体异质结场效应管的栅结构。

2.如权利要求1所述的半导体异质结场效应晶体管栅结构的制备方法，其特征在于，步骤（1）中涂覆的正性光刻胶厚度为2～3μm。

3.如权利要求1所述的半导体异质结场效应晶体管栅结构的制备方法，其特征在于，步骤（3）中采用蒸发、溅射或激光脉冲沉积的方法在室温条件下沉积MgO薄膜，沉积过程中保持生长室真空度保持为1×10^-3～1×10^-4Pa，沉积的MgO薄膜厚度在500～800nm。

4.如权利要求1所述的半导体异质结场效应晶体管栅结构的制备方法，其特征在于，步骤（5）中，所述铁电氧化物为钙钛矿型铁电体或铌酸锂型铁电体。

5.如权利要求1所述的半导体异质结场效应晶体管栅结构的制备方法，其特征在于，步骤（5）中，所述铁电氧化物为层状钙钛矿型铁电体。

6.如权利要求1所述的半导体异质结场效应晶体管栅结构的制备方法，其特征在于，步骤（5）中，所述铁电氧化物为钙钛矿型铁电体，其通式为ABO₃，其中A表示Mg、Ca、Sr、Ba、Pb、Bi或La，B表示Ti、Zr、Fe、Ru或Ni；

以A元素、B元素和氧元素摩尔比计算，化学配比满足（A₁＋A₂＋……＋A_n）：（B₁＋B₂＋……＋B_n）：O＝1：1：3，

其中A₁、A₂、A_n表示A代表的元素中的不同的元素，

B₁、B₂、B_n表示B代表的元素中的不同的元素。

7.如权利要求1所述的半导体异质结场效应晶体管栅结构的制备方法，其特征在于，步骤（5）中，所述铁电氧化物为层状钙钛矿型铁电体，通式为(Bi₂O₂)²⁺(Q_m-1R_mO_3m+1)^2-，其中Q元素为Bi、Ba、Sr、Ca、Pb、K或Na，R元素为Ti、Nb、Ta、Mo、W或Fe；其中m为大于1的配位数，保持离子基团的化合价为-2价。

8.如权利要求1所述的半导体异质结场效应晶体管栅结构的制备方法，其特征在于，步骤（5）中，所述铁电氧化物为铌酸锂型铁电体，包括LiNbO₃或LiTaO₃。

9.如权利要求1所述的半导体异质结场效应晶体管栅结构的制备方法，其特征在于，步骤（5）中的金属层为Ni、Au或Pt。

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