CN105336789A - 一种高质量MIS结构的GaN基场效应晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体材料器件领域，公开了一种高质量MIS结构的GaN基场效应晶体管结构及其制备方法。具体涉及GaN？MISFET器件栅极介质层及其与GaN界面的改进方法，该器件包括衬底及生长在衬底上的外延层以及栅极、源极、漏极、绝缘层。所述外延层包括一次外延生长的应力缓冲层及GaN外延层，以及其上的选择区域生长的二次外延层和三次外延层，二次外延生长GaN/AlGaN异质结构并形成凹槽沟道，三次外延AlN薄层。AlN薄层部分氧化形成AlN/氧化物介质层堆叠结构。栅极金属覆盖于凹槽沟道处，两端形成源极和漏极区域并覆盖金属形成源极和漏极。本发明器件结构和制备工艺简单可靠，能形成高质量的MIS栅极结构，提高GaN？MISFET器件的性能，尤其是对栅极漏电的降低、沟道电阻的降低以及阈值电压稳定性问题的改善是十分关键的。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件制备技术领域，公开了一种高质量GaNMISFET结构及其制备方法，具体涉及GaNMISFET器件栅极介质层及其与GaN界面的改进方法。
背景技术
GaN半导体材料具有禁带宽度大、击穿电场高、饱和电子漂移速度大和热导率高等优越的性能。GaN基功率开关器件通常利用AlGaN/GaN异质结构界面处高浓度、高迁移率的二维电子气工作，使器件具有导通电阻小、开关速度快的优点，成为下一代功率开关器件的理想替代品。
高性能常关型开关器件的实现是GaN电力电子器件面临的一个重要挑战，是目前学术界与产业界公认的一个科技难点。高性能常关型器件不仅要求具备正的阈值电压和高的阈值电压值，以简化器件***电路、保证***失效安全，而且要有稳定的阈值电压，确保器件稳定可靠的工作。采用凹槽型MIS栅结构实现器件常关，其中MIS栅主要是为了降低栅极漏电流，增大栅压范围。Si基器件中可采用热氧化方法制备高质量Si/SiO2MOS界面结构，然而对于GaN基器件，MIS栅的引入增加了一些额外的问题，如：界面电荷、界面态、介质层缺陷等等。目前制备方法得到GaNMIS界面质量不佳，导致MIS界面***中存在较高的固定电荷及介质层/GaN界面电荷和界面态密度。在介质层与GaN接触界面存在的Ga的本体氧化物是引发高界面态的重要因素，劣化器件特性。栅极在不同的偏压下，这些界面态和缺陷电荷会进行充放电，而造成阈值电压的漂移，大大地劣化了器件工作的稳定性。因此寻找合适的方法制备高质量的介质层，减少或去除介质层/GaN界面处Ga2O3的生成，从而降低界面态密度，提高器件的性能，尤其是对MIS结构栅极漏电的降低以及阈值电压稳定性问题的改善是非常重要的。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，本发明目的主要在于提高现有技术方案中栅极介质层与GaN形成的界面***的质量，提升介质层的绝缘特性，降低MIS界面态密度，提高栅极区域沟道电子的迁移率，提供一种能够实现高阈值电压稳定性、低导通电阻、高输出电流密度、高开关比的常关型GaNMISFET器件及其制作方法。
本发明可以采用分子束外延（MBE）设备来三次外延制备高质量AlN层，并进一步氧化得到高质量的绝缘介质层且同时使得MIS界面态密度得到有效降低。基本思路为：在等离子体辅助MBE设备中，在位处理去除GaN表面本征氧化物，随后进行表面氮化处理，再外延生长高质量AlN薄层。由于AlN易被热氧化，可通过氧化生成高质量的Al2O3（或AlON），控制氧化条件以保留一层超薄AlN层形成Al2O3/AlN/GaN栅极堆叠结构。这一氧化AlN的方法既制备了高质量低缺陷电荷的Al2O3，同时又避免了高界面态的Al2O3/Ga2O3/GaN界面。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高质量GaNMISFET结构及其制备方法，其结构由下往上依次包括衬底、应力缓冲层、GaN外延层、二次外延层及二次外延形成的凹槽、三次外延层、三次外延层的表面氧化生成一层绝缘氧化物介质层、两端形成源极和漏极、凹槽沟道处的绝缘层上覆盖有栅极。
该凹槽呈U型或梯型结构。
所述衬底为Si衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底、GaN自支撑衬底中的任一种。
所述应力缓冲层为AlN、AlGaN、GaN的任一种或组合；应力缓冲层厚度为100nm~10μm。
所述GaN外延层为非故意掺杂的GaN外延层或掺杂高阻GaN外延层，所述掺杂高阻层的掺杂元素为碳或铁；GaN外延层厚度为100nm~20μm。
所述的二次外延层AlGaN/GaN异质结构，AlGaN层厚度为5-50nm，且铝组分浓度可变化，GaN层厚度为0-500nm。
所述的AlGaN势垒层材料还可以为AlInN、InGaN、AlInGaN、AlN中的一种或任意几种的组合；所述的二次外延层中的AlGaN势垒层与GaN层之间还可以***一AlN薄层，厚度为1-10nm。
所述的三次外延层为高质量的AlN层，厚度为1-100nm；所述绝缘氧化物介质层为Al2O3或AlON化合物，厚度为1-100nm；一般三次外延AlN层的表面氧化形成一层绝缘氧化物介质层后，AlN层的剩余厚度控制在0-5nm，形成AlN/氧化物介质层堆叠结构。
所述的源极和漏极材料包括但不限于Ti/Al/Ni/Au合金、Ti/Al/Ti/Au合金、Ti/Al/Mo/Au合金或Ti/Al/Ti/TiN合金，其他能够实现欧姆接触的各种金属或合金均可作为源极和漏极材料；栅极材料包括但不限于Ni/Au合金、Pt/Al合金、Pd/Au合金或TiN/Ti/Al/Ti/TiN合金，其他能够实现高阈值电压的各种金属或合金均可作为栅极材料。
一种所述的高质量MIS结构的GaN基场效应晶体管的制作方法，包括以下步骤：
S1、在Si衬底上生长应力缓冲层；
S2、在应力缓冲层上生长GaN外延层；
S3、在GaN外延层上沉积一层SiO2，作为掩膜层；
S4、通过光刻的方法，保留形成栅极区域之上的掩膜层；
S5、选择区域生长二次外延层，形成凹槽型栅极区域；
S6、去除栅极区域之上的掩膜层；
S7、生长三次外延层AlN薄层；
S8、氧化形成AlN/氧化物介质层堆叠结构；
S9、干法刻蚀完成器件隔离，同时刻蚀出源极和漏极欧姆接触区域；
S10、在源极和漏极区域蒸镀上源极和漏极欧姆接触金属；
S11、在凹槽处介质层上栅极区域蒸镀栅极金属。
所述的步骤S1中的应力缓冲层和步骤S2中的GaN外延层及步骤S5中的二次外延层的生长方法为金属有机化学气相沉积法、分子束外延法等高质量成膜方法；
所述步骤S3中掩膜层的生长方法为等离子体增强化学气相沉积法、原子层沉积法、物理气相沉积法或磁控溅射法；
所述的步骤S7中三次外延层AlN薄层的生长方法为金属有机化学气相沉积法、分子束外延法或原子层沉积方法等高质量成膜方法；
所述步骤S8的氧化方法为高温热氧化法、氧等离子体氧化法、臭氧氧化法或溶液氧化法等氧化方式。
与现有技术相比，有益效果是：本发明提出了一种高质量GaNMISFET结构及其制备方法，提高了器件的性能，尤其是对MIS结构栅极漏电的降低以及阈值电压稳定性的提高是十分显著的。本发明器件结构简单，工艺重复性和可靠性高，能制备高质量的绝缘介质层，且同时减少或去除介质层/GaN界面处本体氧化物的生成，使得MIS界面态密度得到有效降低，提高栅极区域沟道电子的迁移率，提供一种能够实现高阈值电压稳定性、低导通电阻、高输出电流密度、高开关比的常关型GaNMISFET器件及其制作方法。
附图说明
图1-11为本发明实施例1的器件制作方法工艺示意图。
图12为本发明实施例2的器件结构示意图。
图13为本发明实施例3的器件结构示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
实施例1
如图11所示为本实施例的器件结构示意图，其结构由下往上依次包括衬底1，应力缓冲层2，GaN外延层3，二次外延层4，二次外延形成凹槽，三次外延层5，三次外延层5的表面氧化生成一层绝缘氧化物介质层6，两端形成源极7和漏极8，凹槽沟道处的绝缘层6上覆盖有栅极9。
上述高质量MIS结构的GaN基场效应晶体管的制作方法如图1-图10所示，包括以下步骤：
S1、利用金属有机化学气相沉积方法，在Si衬底（1）上生长一层应力缓冲层（2），如图1所示；
S2、利用金属有机化学气相沉积方法，在应力缓冲层（2）上生长GaN外延层（3），如图2所示；
S3、通过等离子体增强化学气相沉积一层SiO2，作为掩膜层（10），如图3所示；
S4、通过光刻方法选择区域刻蚀，保留栅极区域之上的掩膜层（10），如图4所示；
S5、利用金属有机化学气相沉积方法，在有掩膜层（10）的衬底上选择区域生长二次外延GaN/AlGaN层（4），形成凹槽栅极，如图5所示；
S6、采用腐蚀方法，去除栅极区域之上的掩膜层（10），如图6所示；
S7、利用分子束外延方法，生长一层高质量的三次外延AlN薄层（5），如图7所示；
S8、利用等离子体氧化方法，将三次外延的AlN层氧化形成AlN/AlON介质层（6）堆叠结构，如图8所示；
S9、利用ICP完成器件隔离，同时刻蚀出源极和漏极欧姆接触区域，如图9所示；
S10、在源极和漏极区域蒸镀上Ti/Al/Ni/Au合金作为源极（7）和漏极（8）的欧姆接触金属，如图10所示；
S11、在凹槽栅极区域的绝缘层上蒸镀Ni/Au合金作为栅极（9）金属，如图11所示。
至此，即完成了整个器件的制备过程。图11即为实施例1的器件结构示意图。
实施例2
如图12所示为本实施例的器件结构示意图，其与实施例1结构区别仅在于：实施例1中GaN/AlGaN异质结构为二次外延形成并同时自然形成栅极凹槽区，而实施例2中GaN/AlGaN异质结构为一次外延形成并利用干法（或湿法）刻蚀形成栅极凹槽区，标号11为一次外延GaN/AlGaN异质结构层。
实施例3
如图13所示为本实施例的器件结构示意图，其与实施例1结构区别仅在于：实施例1为横向导通型器件结构，而实施例2为纵向导通型器件结构。衬底12为重掺杂GaN自支撑衬底或低阻硅衬底或低阻碳化硅衬底等，13为缓冲层，14为轻掺杂GaN漂移层，15为p型掺杂的GaN层或AlGaN层。采用纵向结构，提高了单位面积芯片功率，有效提高器件击穿电压等。
此外，需要说明的是，以上实施例的附图仅是为了示意的目的，因此没有必要按比例绘制。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。本发明的核心内容为高质量GaN基MIS界面***的设计与制备，本发明仅借助了几种器件结构来进行相关技术的阐明，而在其它类似的经过变形的器件方案中依然可行，比如AlGaN薄势垒层、p型gate、F-注入等方式均可形成常关结构，在此不进行一一说明。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，各实施方式中的技术方案包括步骤次序、材料种类和参数的选择、工艺方法和参数的选择等，都可以适当变化组合，各实施方案间也可适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方案。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高质量MIS结构的GaN基场效应晶体管，其特征在于，由下往上依次包括衬底（1），应力缓冲层（2），GaN外延层（3），二次外延层（4），二次外延形成凹槽，三次外延层（5），三次外延层（5）的表面氧化生成一层绝缘氧化物介质层（6），两端形成源极（7）和漏极（8），凹槽沟道处的绝缘层（6）上覆盖有栅极（9）。
2.根据权利要求1所述的一种高质量MIS结构的GaN基场效应晶体管，其特征在于：所述的凹槽呈U型或梯型结构。
3.根据权利要求1所述的一种高质量MIS结构的GaN基场效应晶体管，其特征在于：所述的衬底（1）为Si衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底、GaN自支撑衬底中的任一种。
4.根据权利要求1所述的一种高质量MIS结构的GaN基场效应晶体管，其特征在于：所述的应力缓冲层（2）为AlN、AlGaN、GaN的任一种或组合；应力缓冲层厚度为100nm~10μm。
5.根据权利要求1所述的一种高质量MIS结构的GaN基场效应晶体管，其特征在于：所述的一次生长GaN外延层（3）为非故意掺杂的GaN外延层或掺杂的高阻GaN外延层，所述掺杂高阻层的掺杂元素为碳或铁；GaN外延层厚度为100nm~20μm。
6.根据权利要求1所述的一种高质量MIS结构的GaN基场效应晶体管，其特征在于：所述的二次外延层（4）为AlGaN/GaN异质结构，AlGaN层厚度为5-50nm，且铝组分浓度可变化，GaN层厚度为0-500nm。
7.根据权利要求6所述的一种高质量MIS结构的GaN基场效应晶体管，其特征在于：所述的AlGaN势垒层材料还可以为AlInN、InGaN、AlInGaN、AlN中的一种或任意几种的组合。
8.根据权利要求5所述的一种高质量MIS结构的GaN基场效应晶体管，其特征在于：所述的二次外延层（4）中，AlGaN势垒层与GaN层之间还可以***一AlN薄层，厚度为1-10nm。
9.根据权利要求1所述的一种高质量MIS结构的GaN基场效应晶体管，其特征在于：所述的三次外延层（5）为高质量的AlN层，厚度为1-100nm；所述绝缘氧化物介质层（6）为Al2O3或AlON化合物，厚度为1-100nm；一般三次外延AlN层（5）的表面氧化形成一层绝缘氧化物介质层（6）后，AlN层（5）的剩余厚度控制在0-5nm，形成AlN/氧化物介质层堆叠结构；
源极（7）和漏极（8）材料为Ti/Al/Ni/Au合金、Ti/Al/Ti/Au合金、Ti/Al/Mo/Au合金或Ti/Al/Ti/TiN合金；栅极（9）材料为Ni/Au合金、Pt/Al合金、Pd/Au合金或TiN/Ti/Al/Ti/TiN合金。
10.一种根据权利要求1所述的高质量MIS结构的GaN基场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在Si衬底（1）上生长应力缓冲层（2）；
S2、在应力缓冲层上生长GaN外延层（3）；
S3、在GaN外延层上沉积一层SiO2，作为掩膜层（10）；
S4、通过光刻的方法，保留形成栅极区域之上的掩膜层（10）；
S5、选择区域生长二次外延层（4），形成凹槽型栅极区域；
S6、去除栅极区域之上的掩膜层（10）；
S7、生长三次外延层AlN薄层（5）；
S8、氧化形成AlN/氧化物介质层（6）堆叠结构；
S9、干法刻蚀完成器件隔离，同时刻蚀出源极和漏极欧姆接触区域；
S10、在源极和漏极区域蒸镀上源极（7）和漏极（8）欧姆接触金属；
S11、在凹槽处介质层上栅极区域蒸镀栅极（9）金属；
步骤S1中的应力缓冲层（2）和步骤S2中的GaN外延层（3）及步骤S5中的二次外延层（4）的生长方法为金属有机化学气相沉积法、分子束外延法等高质量成膜方法；所述步骤S3中掩膜层（10）的生长方法为等离子体增强化学气相沉积法、原子层沉积法、物理气相沉积法或磁控溅射法；所述的步骤S7中三次外延层AlN薄层（5）的生长方法为金属有机化学气相沉积法、分子束外延法或原子层沉积方法等高质量成膜方法；所述步骤S8的氧化方法为高温热氧化法、氧等离子体氧化法、臭氧氧化法或溶液氧化法等氧化方式。
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