CN107706232A - 一种原位MIS栅结构常关型GaN基晶体管及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体器件领域，公开了一种原位MIS栅结构常关型GaN基晶体管及制备方法，具体涉及MIS界面的改进方法，该器件包括衬底及衬底上的外延层、栅介质层、源极、漏极、栅极。所述外延层包括应力缓冲层、GaN层及AlGaN势垒层，通过刻蚀形成凹槽栅结构。其上选择区域二次外延GaN层及SiN介质层，形成原位生长的GaN/SiN界面。再沉积栅极金属覆盖于凹槽沟道栅介质层上，栅极两端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栅界面，降低MIS栅界面的电子俘获和散射效应，从而提高器件的性能，尤其对沟道电阻的降低以及阈值电压稳定性问题的改善十分关键。
Description
技术领域
本发明涉及半导体领域，公开了一种原位MIS栅结构常关型GaN基晶体管及制备方法，具体涉及GaN MISFET器件栅极介质层与GaN界面的改进方法。
背景技术
GaN材料作为第三代宽禁带半导体材料的代表，具有禁带宽度大、击穿电场强度高、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，十分适合制作大功率、高频、高温电力电子器件。
高阈值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。常关型器件可以保证电路***的失效安全，而高的阈值电压可以提高器件抗干扰的能力，且同时要有稳定的阈值电压，确保器件稳定可靠的工作。我们用干法蚀刻加选择区域原位外延GaN/SiN结构形成凹槽栅极区域，采用凹槽型MIS栅结构实现器件常关，避免了传统的干法刻蚀带来的等离子体损伤，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/SiO2MIS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不良因素，如界面态、介质层缺陷等，造成器件工作的不稳定性问题。目前离位方法制备得到GaN MIS界面质量普遍不佳，导致MIS界面***中存在较高的界面态密度和栅介质层缺陷。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，影响器件工作的稳定性。
发明内容
本发明的目的主要在于提高现有技术方案中栅极介质层/GaN界面的质量，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、高输出电流密度常关型GaN MISFET器件及其制作方法。
本发明在一次外延高质量的AlGaN/GaN基板上，通过选区蚀刻形成凹槽，再在蚀刻形成的凹槽中原位二次外延GaN/SiN结构，其中SiN作为器件栅介质层，原位二次外延的GaN/SiN结构能有效减少或去除介质层/GaN界面处Ga-O的生成，减少杂质沾污等，使得MIS界面态密度得到有效降低，使MIS界面电子迁移率增大，导通电阻减小，稳定性增强，提高了器件的性能。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种原位MIS栅结构常关型GaN基晶体管及制备方法，其结构由下往上依次包括衬底、应力缓冲层、GaN外延层、AlGaN外延层、蚀刻形成的凹槽及原位二次外延GaN/SiN结构、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～20μm。
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AlGaN外延层厚度为5-50nm，且铝组分浓度5％-50％。
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AlGaN势垒层与GaN层之间还可以***一AlN薄层，厚度为1-10nm。
所述的二次外延层为高质量原位GaN(6)/SiN(7)结构，其中GaN层只选区生长于槽区，SiN层作为器件栅介质层及钝化层，GaN层厚度为1-100nm，SiN层厚度为1-100nm。
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。
一种原位MIS栅结构常关型GaN基晶体管的制作方法，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外延层上生长AlGaN外延层；
S4、在AlGaN外延层上沉积一层SiO2，作为掩膜层；
S5、通过光刻的方法，保留形成源、漏极区域之上的掩膜层；
S6、通过湿法蚀刻加干法蚀刻的方式去除栅极下AlGaN层及部分GaN层；
S7、选择区域原位二次外延GaN/SiN结构，形成凹槽型栅极区域；
S8、干法刻蚀完成器件隔离；
S9、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S7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；
所述的步骤S3中外延层AlGaN薄层的生长方法为金属有机化学气相沉积法、分子束外延法等高质量成膜方法；
所述步骤S4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；
与现有技术相比，有益效果是：本发明提出了一种原位MIS栅结构常关型GaN基晶体管及制备方法，提高了器件的性能，尤其是对沟道电阻的降低以及阈值电压稳定性的提高是十分显著的。本发明器件工艺重复性和可靠性高，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，降低MIS栅界面的电子俘获和散射效应，提高栅极区域沟道电子的导通特性，提供一种能够实现高阈值电压稳定性、低导通电阻、高输出电流密度的常关型GaN MISFET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；
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，AlGaN外延层4，掩膜层5，干法蚀刻形成凹槽，二次外延原位生长GaN层6及栅介质层7，两端形成源极8和漏极9，凹槽沟道处的介质层上覆盖有栅极10。
上述原位MIS栅结构常关型GaN基晶体管的制作方法如图1-图11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、利用金属有机化学气相沉积方法，在GaN外延层(3)上生长一层AlGaN外延层(4)，如图3所示；
S4、通过原子层沉积方法沉积一层SiO2，作为掩膜层(5)，如图4所示；
S5、通过光刻方法选择区域刻蚀，保留源、漏极区域之上的掩膜层(5)，如图5所示；
S6、通过蚀刻的方式去除栅极下部分半导体层，AlGaN层(4)和部分GaN层(3)，形成凹槽型栅极区域，如图6所示；
S7、选择区域生长二次外延GaN(6)/SiN(7)结构，形成原位GaN/SiN界面如图7所示；
S8、利用ICP完成器件隔离，如图8所示；
S9、利用ICP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(8)和漏极(9)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(10)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相比，在形成槽栅时，可以刻蚀部分AlGaN层，或完全刻蚀掉AlGaN层，再选区生长原位薄层AlGaN势垒层(标号6)和SiN层，AlGaN层的Al组分5％-50％可变，厚度为1-15nm，形成原位AlGaN/SiN栅界面。
Claims (13)
1.一种原位MIS栅结构常关型GaN基晶体管，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)，AlGaN外延层(4)，SiO2钝化层(5)，原位二次外延层GaN(6)/SiN层(7)，两端形成源极(8)和漏极(9)，凹槽沟道处的绝缘层上覆盖有栅极(10)。
2.根据权利要求1所述的一种原位MIS栅结构常关型GaN基晶体管，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所述的一种原位MIS栅结构常关型GaN基晶体管，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所述的一种原位MIS栅结构常关型GaN基晶体管，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～20μm。
5.根据权利要求1所述的一种原位MIS栅结构常关型GaN基晶体管，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所述的一种原位MIS栅结构常关型GaN基晶体管，其特征在于：所述的外延层(4)为高质量的AlGaN层，厚度为5-50nm，且铝组分浓度5％-50％。
7.根据权利要求1所述的一种原位MIS栅结构常关型GaN基晶体管，其特征在于：所述的掩膜层(5)SiO2材料还可以为Al2O3、SiN中的一种或任意几种的组合，该层可作为器件的钝化层。
8.根据权利要求1所述的一种原位MIS栅结构常关型GaN基晶体管，其特征在于：所述的二次外延层为高质量原位GaN(6)/SiN(7)结构，其中GaN层只选区生长于槽区，SiN层作为器件栅介质层及钝化层，GaN层厚度为1-100nm，SiN层厚度为1-100nm。
9.根据权利要求8所述的一种原位MIS栅结构常关型GaN基晶体管，其特征在于：所述的GaN层为非故意掺杂的GaN外延层。
10.根据权利要求1所述的一种原位MIS栅结构常关型GaN基晶体管，其特征在于；源极(8)和漏极(9)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(10)材料为Ni/Au合金、Pt/Al合金、Pd/Au合金或TiN/Ti/Al/Ti/TiN合金。
11.一种权利要求1所述的原位MIS栅结构常关型GaN基晶体管的制作方法，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外延层上生长AlGaN外延层(4)；
S4、在AlGaN外延层上沉积一层SiO2，作为掩膜层(5)；
S5、通过光刻的方法，保留形成源、漏极区域之上的掩膜层(5)，露出栅极区域；
S6、通过蚀刻的方式去除栅极下部分半导体层，AlGaN层(4)和部分GaN层(3)，形成凹槽型栅极区域；
S7、选择区域生长二次外延GaN(6)/SiN(7)结构，形成原位GaN/SiN界面；
S8、干法刻蚀完成器件隔离；
S9、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(8)和漏极(9)欧姆接触金属；
S11、在凹槽处介质层上栅极区域蒸镀栅极(10)金属。
12.根据权利要求11所述的一种原位MIS栅结构常关型GaN基晶体管的制作方法，其特征在于：所述步骤S1中的应力缓冲层(2)和步骤S2中的GaN外延层(3)及步骤S7中的二次外延GaN(6)/SiN(7)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；所述的步骤S3中外延层AlGaN薄层(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S4中掩膜层(5)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。
13.根据权利要求11所述的一种原位MIS栅结构常关型GaN基晶体管的制作方法，其特征在于步骤S6形成槽栅的方式可以是湿法也可以是干法刻蚀，或者两者的组合。
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