CN106158923A - 基于多二维沟道的增强型GaN FinFET - Google Patents

Abstract

基于多二维沟道的增强型GaN FinFET，本发明属于微电子技术领域，涉及到GaN基电力电子器件的制作。其结构自下而上包括衬底、GaN或AlN缓冲层、多层GaN/AlGaN层、刻蚀掩膜介质层，绝缘栅介质层和栅金属。在衬底上首先外延GaN或AlN缓冲层，然后在缓冲层上外延多层GaN/AlGaN层，并在该结构上形成源、漏极，生长完刻蚀掩膜介质层后，在垂直于源漏的方向上刻蚀出一列栅宽为纳米级的栅极区域，然后淀积一层绝缘栅介质层，最后在栅区用电子束蒸发的方法形成栅金属电极。本发明利用纳米级栅宽的势垒调控和侧面极化减弱来耗尽GaN/AlGaN中的二维电子气以实现增强型器件，采用多层的二维结构避免了由于刻蚀FinFET损失的单位面积电流密度，通过多个导电沟道实现比普通方法更大的面电流密度。

Description

基于多二维沟道的增强型GaN FinFET

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及到GaN基高效率功率开关、电力电子器件的制作。

背景技术

GaN材料由于其良好的半导体特性，基于该材料的AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管HEMT在高温器件及大功率微波器件方面有着极大的应用前景。近年来，增强型(E-mode)AlGaN/GaN HEMT备受瞩目，因为增强型HEMT在功率开关中能提供固有的自动防故障装置；在数字电路中能使其有更简单的电路结构；在射频微波电路中则能让其使用单极性电源电压等等。增强型AlGaN/GaN HEMT这些得天独厚的优势使得研制高性能的该器件变得迫在眉睫。

然而增强型AlGaN/GaN HEMT器件的制备是很有挑战性的，传统的普通AlGaN/GaN异质结由于有极强的自发极化与压电极化效应，在不做任何处理的情况下，异质结界面存在大量二维电子气，也就是说普通的AlGaN/GaN HEMT器件是一个天然的耗尽型器件。为此研究工作者一直在探索实现增强型AlGaN/GaN HEMT器件的方法，目前几个比较有前景的技术有：1.通过栅刻蚀技术，刻蚀掉AlGaN势垒层，达到耗尽二维电子气的目的；2.向栅下的势垒层区域注入氟离子，由于氟离子的强负电性，二维电子气即可被耗尽；3.在栅下有选择性地***一层p型的AlGaN或者GaN，通过能带的设计来减小异质结界面的二维电子气浓度。

以上这三个方法都是通过调控垂直于AlGaN/GaN异质结那个面的二维电子气浓度来实现增强型器件，或多或少都对沟道的性能有一定的影响，尤其是栅刻蚀技术和氟离子注入技术，在实现了增强型器件的基础上，器件各方面的性能往往都大打折扣。有人报道出，随着侧面沟道宽度的减小，阈值电压将正向移动，因此也有研究者利用常规的FinFET结构，将AlGaN势垒层刻蚀为纳米尺寸线条，利用金属与半导体功函数差形成势垒来耗尽二维电子气，实现增强型。由于此时的沟道已经减小为纳米尺度，故相对于常规的器件而言，单位面积输出电流减小，另外也没有能够有效地利用晶元面积，对功率器件成本以及体积等有很大的不利影响。

发明内容

本发明在前人研究基础之上，对常规的GaN FinFET结构进行改进，提出了一种基于多二维电子气沟道技术形成增强型GaN FinFET器件及制备方法。该方法利用纳米级栅宽 的势垒调控和侧面极化减弱来耗尽GaN/AlGaN中的二维电子气以实现增强型器件，并采用多层GaN/AlGaN二维结构形成多沟道，通过多个导电沟道实现比普通GaN单沟道FinFET更大的面电流密度，成功地解决了普通GaN单沟道FinFET因损失有源区面积而导致输出电流过低的问题。本发明中的器件结构既能保证实现器件的增强型工作，又可以充分发挥GaN功率器件大电流面密度的特性，从而获得高性能的GaN增强型器件。

本发明采用以下技术方案来实现：基于多二维沟道的增强型GaN FinFET，其器件结构自下而上包括：衬底、GaN或AlN缓冲层、多层GaN/AlGaN二维电子气沟道层、刻蚀掩膜介质层，绝缘栅介质层和栅金属。在衬底上首先外延一层GaN或AlN缓冲层，以使其上的沟道层受到的晶格失配影响减小，在GaN或AlN缓冲层上外延多层GaN/AlGaN沟道层，并在该结构上形成源、漏极，生长完刻蚀掩膜介质层后，在垂直于源漏的方向上刻蚀出一列栅宽为纳米级的栅极区域，然后淀积一层绝缘栅介质层，最后在栅区用电子束蒸发的方法形成栅金属电极。

所述衬底材料为以下材料中的一种：SiC、Si、蓝宝石。

所述多层GaN/AlGaN沟道层的层数n＞＝2。

所述栅条宽度范围在10～100nm之间。

所述刻蚀掩膜介质层的材料可以为：Si₃N₄、SiO₂、SiON。

所述绝缘栅介质层的材料为以下材料中的任意一种：Si₃N₄、Al₂O₃、AlN、HfO₂、SiO₂、HfTiO、Sc₂O₃、Ga₂O₃、MgO、SiNO。

所述源极和漏极为：钛、铝、镍、金、铂、铱、钼、钽、铌、钴、锆、钨等中的一种或多种的合金。

所述栅金属电极为以下导电材料的一种或多种的组合：铂、铱、镍、金、钼、钯、硒、铍、TiN、多晶硅、ITO。

这种基于多二维沟道增强型GaN FinFET的制备过程，包括如下步骤：

(1)在所述衬底材料上，在特定的生长条件下，依次生长GaN或AlN缓冲层、多层GaN/AlGaN沟道层；

(2)对第一步中形成的晶元材料利用刻蚀或者离子注入的方法实现有源区隔离；

(3)对第二步中制备好有源区台面的晶元材料光刻出源漏电极图形，采用的是ICP干法刻蚀，通过电子束蒸发或者磁控溅射制备多层金属形成源极和漏极，并在800℃到900℃之间于保护气体中退火30秒，形成欧姆接触；

(4)在最上面的AlGaN层上用PECVD、ICPCVD或者LPCVD生长刻蚀掩膜介质层；

(5)长完刻蚀掩膜介质层后，在晶元上光刻出栅区，用RIE或者ICP干法刻蚀刻蚀掩膜介质层，形成栅极区域；

(6)用ICP干法刻蚀多层GaN/AlGaN沟道层，在纵向上不断刻蚀，形成多个FinFET纳米栅条，直到测试出所制备器件的漏电流为0，即可停止，这就说明实现了增强型器件；

(7)在以上步骤的基础上，在晶元表面生长绝缘栅介质层，光刻出源漏区域接触孔，用RIE干法刻蚀或者ICP干法刻蚀刻蚀掉绝缘栅介质层以及刻蚀掩膜介质层，使源漏欧姆接触暴露出来；

(8)光刻栅电极区域，用电子束蒸发或者磁控溅射生长栅电极材料，然后通过剥离工艺形成栅电极，最后在氮气环境下对整个晶元进行退火处理，由此即可完成基于多二维沟道增强型GaN FinFET的完整制备。

本发明具有以下优点：

(1)、通过减小栅条宽度的办法来实现增强型器件，避免用刻蚀AlGaN的办法，保留了二维电子气沟道，在实现增强型HEMT器件的基础上又保证了高性能；

(2)、用多个二维电子气沟道弥补了刻蚀GaN FinFET所损失的面积，使等效导电面密度得到多倍的提升，可以得到比常规方法实现增强型器件更大的输出面电流密度，从而大幅提高器件的饱和电流。

(3)、FinFET结构对沟道有着更好的控制作用，因此能大大提高器件的跨导。另外栅宽还有多层GaN/AlGaN沟道层的层数都是可以调控的器件设计参数，增加了设计的灵活性，因此器件的性能可以通过实际需要进行控制。

附图说明

通过参照附图能更加详细地描述本发明的实施例，本发明的器件结构和设计也能明晰地展现，从而使其优点变得更加易于清楚，在附图中：

图1是本发明器件的横向截面结构示意图；

图2是本发明器件的俯视图，图3是本发明器件的纵向截面结构示意图；

图4～图10是本发明器件在每一步工艺后的横向截面结构示意图，反映了本发明的的制造工艺流程。

具体实施方式

在下文中，将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例，以使本发明的创作和实现过程更加清晰明确。所描述的实施例仅仅是本发明的一种实现方式，而不是全部的实现 方式。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，该器件结构自下而上的顺序包括：衬底、GaN缓冲层、多层GaN/AlGaN沟道层、Si₃N₄、绝缘栅介质层和栅金属。与常见的增强型GaN HEMT或MOSFET相比较，本发明采用纳米级栅宽代替刻蚀AlGaN的方法实现增强型，保留了二维电子气沟道，另外采用多层GaN/AlGaN沟道层的FinFET技术代替单层的FinFET技术，大大提高了输出面电流密度，实现了高性能的增强型GaN FinFET。本发明的具体制造工艺过程包括以下具体步骤：

(1)如图4所示，用MOCVD在Si衬底上(SiC或蓝宝石均可)依次生长GaN缓冲层和多层GaN/AlGaN沟道层(最上层为AlGaN层)，沟道层的层数可根据实际需要适当调整；

(2)如图5所示，在以上材料结构的基础上，通过光刻形成隔离岛，然后继续光刻出源漏电极图形，在该图形上用电子束蒸发的方法蒸发Ti/Au/Ni/Au四种金属，最后用剥离工艺制备出源漏金属电极，随后在900℃氮气氛围中快速退火30s，最终形成欧姆接触；

(3)如图6所示，在最上层的AlGaN层上用PECVD或ICPCVD生长Si₃N₄；

(4)如图7所示，在上一步的结构基础之上，首先光刻出栅极区域，然后用氟基气体刻蚀Si₃N₄漏出AlGaN层；

(5)如图8所示，用ICP干法刻蚀刻蚀多层GaN/AlGaN沟道层，形成多个FinFET纳米栅条，不断刻蚀，直到测试出所制备器件的漏电流为0，即可停止，这就说明实现了增强型器件；

(6)如图9所示，在以上刻蚀完后的结构中生长绝缘栅介质层，然后光刻源漏区域，刻蚀掉绝缘栅介质层以及Si₃N₄，使源漏欧姆接触暴露出来方便测试；

(7)如图10所示，在栅区用电子束蒸发的方法生长Ni/Au合金，通过剥离工艺形成栅金属电极，形成一个T型栅结构，最后将整个器件放在氮气环境下进行退火处理；

(8)通过以上步骤就可以形成基于多二维沟道的增强型GaN FinFET器件，相比于常规的增强型GaN HEMT器件，各方面性能提高不少。

Claims (10)

1.基于多二维沟道的增强型GaN FinFET，所述器件结构自下而上包括：衬底、GaN或AlN缓冲层、多层GaN/AlGaN二维电子气沟道层、刻蚀掩膜介质层，绝缘栅介质层和栅金属。在衬底上首先外延一层GaN或AlN缓冲层，以使其上的沟道层受到的晶格失配影响减小，在GaN或AlN缓冲层上外延多层GaN/AlGaN沟道层，并在该结构上形成源、漏极，生长完刻蚀掩膜介质层后，在垂直于源漏的方向上刻蚀出一列栅宽为纳米级的栅极区域，然后淀积一层绝缘栅介质层，最后在栅区用电子束蒸发的方法形成栅金属电极。

2.根据权利要求1所述的基于多二维沟道的增强型GaN FinFET，其特征在于：衬底材料为Si、SiC、蓝宝石。

3.根据权利要求1所述的基于多二维沟道的增强型GaN FinFET，其特征在于：多层GaN/AlGaN沟道层的层数n＞＝2。

4.根据权利要求1所述的基于多二维沟道的增强型GaN FinFET，其特征在于：栅条宽度范围在10～100nm之间。

5.根据权利要求1所述的基于多二维沟道的增强型GaN FinFET，其特征在于：刻蚀掩膜介质层的材料可以为Si₃N₄、SiO₂、SiON。

6.根据权利要求1所述的基于多二维沟道的增强型GaN FinFET，其特征在于：绝缘栅介质层的材料为以下材料中的任意一种：Si₃N₄、Al₂O₃、AlN、HfO₂、SiO₂、HfTiO、Sc₂O₃、Ga₂O₃、MgO、SiNO。

7.根据权利要求1所述的基于多二维沟道的增强型GaN FinFET，其特征在于：源极和漏极为：钛、铝、镍、金、铂、铱、钼、钽、铌、钴、锆、钨等中的一种或多种的合金。

8.根据权利要求1所述的基于多二维沟道的增强型GaN FinFET，其特征在于：栅金属电极为以下导电材料的一种或多种的组合：铂、铱、镍、金、钼、钯、硒、铍、TiN、多晶硅、ITO。

9.基于多二维沟道的增强型GaN FinFET器件结构的制作方法，包括如下步骤：

(1)在衬底上依次外延生长GaN或AlN缓冲层和多层GaN/AlGaN沟道层；

(2)利用刻蚀或者离子注入的方法形成隔离台面，实现有源区电隔离；

(3)对制备好有源区台面的晶元光刻出源漏电极图形，采用的是ICP干法刻蚀，通过电子束蒸发或者磁控溅射制备多层金属形成源极和漏极，并在800℃到900℃之间于保护气体中退火30秒，形成欧姆接触；

(4)在最上面的AlGaN层上用PECVD、ICPCVD或者LPCVD生长刻蚀掩膜介质；

(5)在晶元上光刻出栅区并刻蚀刻蚀掩膜介质层，形成栅极区域；

(6)用ICP干法刻蚀多层GaN/AlGaN沟道层，在纵向上不断刻蚀，形成多个FinFET纳米栅条，直到测试出所制备器件的漏电流为0；

(7)在以上刻蚀完后的结构中生长绝缘栅介质层，然后光刻源漏区域，刻蚀掉绝缘栅介质层以及刻蚀掩膜介质，使源漏欧姆接触暴露出来方便测试；

(8)在栅区用电子束蒸发的方法淀积Ni/Au合金，通过剥离工艺形成栅金属电极，形成一个T型栅结构，最后将整个器件放在氮气环境下进行退火处理，完成整体器件的制备。

10.根据权利9所述的基于多二维沟道的增强型GaN FinFET，其特征在于：所述步骤(5)刻蚀刻蚀掩膜介质层可以通过ICP或者RIE干法刻蚀实现。