CN101710590B - AlGaN/GaN绝缘栅高电子迁移率晶体管的制作方法 - Google Patents
AlGaN/GaN绝缘栅高电子迁移率晶体管的制作方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种AlGaN/GaN绝缘栅高电子迁移率晶体管器件及其制作方法，它涉及到微电子技术领域，主要解决器件频率低和抗辐射性能差的问题。该器件包括GaN缓冲层、本征GaN层、Al0.3Ga0.7N层、GaN冒层、栅氧化层和栅、源、漏电极，其中栅氧化层采用Al2O3，栅电极采用透明的ZnO。该ZnO栅电极中掺有Al元素，其长度与源漏之间的距离相等。本发明器件的制作过程依次是：先进行外延材料生长，再制作Al2O3栅氧化层和ZnO栅电极，最后利用自对准的方法在ZnO栅电极的两侧制作源漏电极。本发明具有频率特性好，抗辐照特性好，且工艺简单，重复性好，可靠性高的优点，可作为高频和高速电路中的电子元件。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，涉及半导体器件，具体的说是一种采用透明物质ZnO作栅和源漏自对准技术的短沟道AlGaN/GaN绝缘栅高电子迁移率晶体管的结构及实现方法，用于作为高速器件和高频器件。
背景技术
与其他半导体材料的参数比较，GaN材料具有明显的优点，其禁带宽度最宽，饱和电子速度也优于其他半导体材料，并具有很大的击穿场强和较高的热导率。电荷载流子速度场特性是器件工作的基础，高饱和速度导致大电流和高频率，高的击穿场强对器件大功率应用至关重要，同时，由于GaN基材料与生俱来的极化特性，AlGaN/GaN异质结本身就存在高浓度二维电子气沟道，所以GaN材料是制造高温高频及大功率器件的优选材料。在GaN材料适合制作的功率器件中，AlGaN/GaN HEMT是最具代表性的典型器件。自1993年人们制作出第一支HEMT样管至今，高电子迁移率晶体管已得到了很大的发展。2001年VinayakTilak等人制造的SiC衬底AlGaN/GaN HEMT获得了10.7W/mm10GHz和6.6W/mm20GHz的功率密度。参见文献Moon J S，Micovic M，Janke P，Hashimoto P，et al，“GaN/AlGaN HEMTs operating at 20GHz with continuous-wave power density＞6W/mm”，Electron.Lett，2001，37(8)：528和Kumar V，Lu W，Khan F A，et al.“High performance 0.25μm.gate-length AlGaN/GaN HEMTs onsapphire with transconductance of over 400mS/mm”，Electronics Letters，2002，38(5)：252。后来人们研制出功率密度达到11.7W/mm10GHz的SiC衬底AlGaN/GaNHEMT器件。在HEMT发展过程中，人们发现AlGaN/GaN HEMT特性的进一步提高紧密依赖于材料特性的改善和器件沟长及寄生电阻的减小。
为了减小源漏寄生电阻，Ching-Hui Chen et al.对i-GaN源漏区域进行了n+-GaN的再生长，从而降低了源漏区域及欧姆接触电阻接触。参见文献Chen C H，Keller S，Parish G，et al，“High-transconductance self-aligned AlGaN/GaNmodulation-doped field-effect transistors with regrown ohmic contacts”，AppliedPhysics Letters，1998，73(21)：3147。然而这种再生长的方法在器件的生成过程中引入了多个附加工艺步骤，将器件的生长工艺复杂化，且在原生长与再生长材料界面易形成缺陷。
Lee J.at al.采用T型栅对源漏进行了自对准金属淀积，从而得到0.25μm 栅长的AlGaN/GaN HEMT器件。该器件表现出较好的关断特性，通过测量得到跨导Gm为146mS/mm，器件截止频率fT为38.8GHz，最大振荡频率fmax为130GHz。与截止频率fT为15GHz，最大振荡频率fmax为35GHz的非自对准工艺器件相比，自对准工艺使器件频率特性得到大幅提高。参见文献Lee J，Liu D，KimH，et al.“Self-aligned AlGaN/GaN high electron mobility transistors”，ElectronicsLetters，2004，40(19)。这是人们在源漏区再生长后第一次应用自对准理念来实现器件的生成。这种自对准工艺过程中采用的先栅后源漏的制作顺序，是以高温(750℃)应力能够改善肖特基栅特性为基础的。然而，其很多研究者发现，欧姆接触的高温退火会严重影响肖特基栅特性，甚至会使栅金属最终形成欧姆接触，从而造成器件工艺的完全实效。因此，要应用栅的自对准工艺方法，一定要解决欧姆接触高温退火与肖特基栅特性退化相矛盾这个问题。然而，无论是2004年Lee J.at al.提出的T型栅源漏自对准金属淀积还是2008年Kumar V.et al.提出的改变欧姆接触金属系统工艺方法，都存在着一个共同的问题，即实际的器件沟长并不等于工艺制备得到的栅长，而是大于器件栅长，还要包括T型栅的两翼延伸部分。
综上所述，目前现有技术无法有效的减少源漏的距离，提高器件的频率特性，此外，它还具有以下的一些问题：首先，使器件制作步骤复杂化，增加了许多附加工艺，其次，无法有效控制工艺过程中的精度，器件的成品率较低，最后，金属栅电极的抗辐照特性较差，容易导致器件特性的退化。
发明内容
本发明目的在于克服上述已有技术的缺点，提出一种AlGaN/GaN绝缘栅高电子迁移率晶体管及其制作方法，以减少源漏距离，提高器件的频率特性和器件的成品率，提高器件辐照环境中的可靠性和稳定性，使器件更易进行缺陷分析。
为实现上述目的，本发明的AlGaN/GaN绝缘栅高电子迁移率晶体管包括包括GaN缓冲层、本征GaN层、Al0.3Ga0.7N层、GaN冒层、栅氧化层和源、漏、栅电极，其中栅氧化层采用Al2O3，栅电极采用透明的ZnO。
所述的透明ZnO中掺杂有Al元素。
所述ZnO栅电极的长度与源区和漏区之间的长度相等。
为实现上述目的，本发明AlGaN/GaN绝缘栅高电子迁移率晶体管的制作方法，包括：
A.材料生长步骤：在蓝宝石基片上，利用MOCVD工艺，按照自下而上的顺序生长GaN缓冲层、本征GaN层、Al0.3Ga0.7N层、本征GaN层和GaN冒层；
B.器件栅电极制作步骤：
(B1)采用原子层淀积ALD方法在GaN冒层上淀积Al2O3，淀积厚度为5-10nm，温度为300℃；
(B2)在淀积的Al2O3层上，溅射一层掺2％的Al元素的ZnO薄膜，淀积厚度为100-300nm；
(B3)用干法自上而下刻蚀ZnO和Al2O3薄膜层，形成ZnO栅电极；
C.器件源漏电极制作步骤：
(C1)以ZnO栅电极为基准，采用自对准方法，对ZnO栅极两侧的GaN冒层和Al0.3Ga0.7N层进行2-8×1015/cm2的Si+注入，形成源漏区域，使ZnO栅电极的长度与源区和漏区之间的距离相等；
(C2)采用电子束蒸发工艺，在源漏电极图形区蒸发欧姆接触金属Ti/Al/Ni/Au，500℃退火，形成源漏电极，完成器件制作。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明的器件由于采用源漏自对准技术，减小了源区和漏区之间的距离，实现器件的短沟道，使器件的频率特性明显提高。
(2)本发明器件由于采用源漏自对准技术，因而制作工艺简单，具有较高的器件成品率。
(3)本发明的器件由于采用Al2O3栅氧化层和ZnO栅电极，提高了器件在辐照环境中的可靠性和稳定性。
(4)本发明的器件由于采用5-10nm的薄层Al2O3栅氧化层和透明ZnO栅电极，便于采用光学的方法研究栅下沟道区缺陷、掺杂、电子状态。
附图说明
图1是本发明器件的剖面结构示意图；
图2是本发明器件制作工艺流程示意图；
图3是本发明器件栅电极制作工艺流程图；
图4是本发明器件源漏电极制作工艺流程图。
参照图1，本发明器件的最下层为蓝宝石衬底，蓝宝石衬底上依次为GaN缓冲层、本征GaN层、Al0.3Ga0.7N层和GaN冒层，本征GaN层和Al0.3Ga0.7N层 间形成二维电子气。GaN冒层上为栅氧化层Al2O3，栅氧化层Al2O3上为Al掺杂的ZnO栅电极。源电极和漏电极位于ZnO栅电极的两侧，该ZnO栅电极的长度与源区和漏区之间的距离相等。
参照图2，本发明器件的制作给出以下三种实施例。
实施例1，本发明器件的制作，包括如下步骤：
步骤1.外延材料生长。
参照图1和图2，本步骤的具体实现如下：
(101)在蓝宝石衬底基片上，利用MOCVD工艺，生长GaN缓冲层；
(102)在GaN缓冲层上，生长本征GaN层；
(103)在本征GaN层上，生长24nm厚的Al0.3Ga0.7N层；
(104)在Al0.3Ga0.7N层上，生长2nm厚的GaN冒层。
步骤2.制作栅电极。
参照图1和图3，本步骤的具体实现如下：
(201)采用原子层淀积ALD方法在样片表面上淀积Al2O3介质层，淀积厚度为5nm，温度为300℃。
首先，将样片放入剥离液煮洗20min，温度为70℃，再依次放入到丙酮、乙醇中超声3min，最后用超纯水冲洗1min，用氮气吹干，完成样片的清洗；
接着，将样片放入到反应腔体中，衬底温度保持在300℃，反应腔工作压强保持在630Pa，以TMA和水为反应源，淀积厚度为5nm厚的Al2O3的介质层；
最后，将样片放入到99.9999％的高纯氮气气氛中进行快速热退火处理，退火温度为830℃，退火时间为10min，形成高质量的多晶Al2O3介质层。
(202)采用磁控溅射的方法将靶材为掺有2％Al的ZnO粉末，在压强为2Pa，衬底温度为260℃，溅射功率为70W的条件下，预溅射ZnO 15分钟，以清洁靶材表面和使系统稳定，再在99.9999％的高纯氩气气氛中进行溅射，形成100nm的ZnO栅电极层；
(203)采用RIE干法刻蚀ZnO和Al2O3，形成ZnO栅电极。
首先，对样片甩正胶，甩胶台的转速为5000转/min，然后再在90℃的烘箱中烘15min，通过光刻以及显影形成刻蚀所需的图形；
接着，采用RIE干法刻蚀，刻蚀ZnO和Al2O3层，刻蚀时采用的电极功率为100W，压强为10mT，采用CF4/O2＝20∶1的气体比例来进行刻蚀，形成ZnO 栅极。
步骤3.源漏电极制作。
参照图1和图4，本步骤的具体实现如下：
(301)以ZnO栅电极为基准，采用自对准方法，对本征GaN和Al0.3Ga0.7N层进行Si+注入，剂量为2×1015/cm2，注入的离子能量为50keV，完成对源漏区域的离子注入；
(302)采用电子束蒸发工艺，在源漏电极图形区蒸发欧姆接触金属Ti/Al/Ni/Au，形成源漏电极。
首先，在样片上甩黏附剂，甩胶台的转速为8000转/min，时间为30s，将其放入温度为160℃的高温烘箱中烘20min；之后再在该样片上甩正胶，甩胶台的转速为5000转/min，放入温度为80℃的高温烘箱中烘10min，光刻获得源漏电极图形；
接着，采用DQ-500等离子体去胶机去除图形区未显影干净的光刻胶薄层，在源漏电极图形上采用VPC-1100电子束蒸发设备蒸发Ti/Al/Ni/Au来作为源漏电极；
最后，将进行完上述处理的样片放入丙酮中浸泡20min以上后进行超声处理，然后用氮气吹干，之后再将该样片放入到快速退火炉中，在空气气氛下，温度为520℃条件下进行10min的高温退火，形成源漏欧姆接触，得到与栅电极长度相等的源漏长度，完成器件制造。
实施例2，本发明器件的制作，包括如下步骤：
步骤1.外延材料生长。
参照图1和图2，本步骤的具体实现如下：
(101)在蓝宝石衬底基片上，利用MOCVD工艺，生长GaN缓冲层；
(102)在GaN缓冲层上，生长本征GaN层；
(103)在本征GaN层上，生长24nm厚的Al0.3Ga0.7N层；
(104)在Al0.3Ga0.7N层上，生长2nm厚的GaN冒层。
步骤2.制作栅电极。
参照图1和图3，本步骤的具体实现如下：
(201)采用原子层淀积ALD方法在样片表面上淀积Al2O3介质层，淀积厚度为7nm，温度为300℃。
首先，将样片放入剥离液煮洗20min，温度为70℃，再依次放入到丙酮、乙醇中超声3min，最后用超纯水冲洗1min，用氮气吹干，完成样片的清洗；
接着，将样片放入到反应腔体中，衬底温度保持在300℃，反应腔工作压强保持在630Pa，以TMA和水为反应源，淀积厚度为7nm厚的Al2O3的介质层；
最后，将样片放入到99.9999％的高纯氮气气氛中进行快速热退火处理，退火温度为830℃，退火时间为10min，形成高质量的多晶Al2O3介质层。
(202)采用磁控溅射的方法将靶材为掺有2％Al的ZnO粉末，在压强为1.5Pa，衬底温度为240℃，溅射功率为50W的条件下，预溅射ZnO 15分钟，以清洁靶材表面和使系统稳定，再在99.9999％的高纯氩气气氛中进行溅射，形成200nm的ZnO栅电极层；
(203)采用RIE干法刻蚀ZnO和Al2O3，形成ZnO栅电极。
首先，对样片甩正胶，甩胶台的转速为5000转/min，然后再在90℃的烘箱中烘15min，通过光刻以及显影形成刻蚀所需的图形；
接着，采用RIE干法刻蚀，刻蚀ZnO和Al2O3层，刻蚀时采用的电极功率为100W，压强为10mT，采用CF4/O2＝20∶1的气体比例来进行刻蚀，形成ZnO栅极。
步骤3.源漏电极制作。
参照图1和图4，本步骤的具体实现如下：
(301)以ZnO栅电极为基准，采用自对准方法，对本征GaN和Al0.3Ga0.7N层进行Si+注入，剂量为5×1015/cm2，注入的离子能量为50keV，完成对源漏区域的离子注入；
(302)采用电子束蒸发工艺，在源漏电极图形区蒸发欧姆接触金属Ti/Al/Ni/Au，形成源漏电极。
首先，在样片上甩黏附剂，甩胶台的转速为8000转/min，时间为30s，将其放入温度为160℃的高温烘箱中烘20min；之后再在该样片上甩正胶，甩胶台的转速为5000转/min，放入温度为80℃的高温烘箱中烘10min，光刻获得源漏电极图形；
接着，采用DQ-500等离子体去胶机去除图形区未显影干净的光刻胶薄层，在源漏电极图形上采用VPC-1100电子束蒸发设备蒸发Ti/Al/Ni/Au来作为源漏电极；
最后，将进行完上述处理的样片放入丙酮中浸泡20min以上后进行超声处理，然后用氮气吹干，之后再将该样片放入到快速退火炉中，在空气气氛下，温度为520℃条件下进行10min的高温退火，形成源漏欧姆接触，得到与栅电极长度相等的源漏长度，完成器件制造。
实施例3，本发明器件的制作，包括如下步骤：
步骤1.外延材料生长。
参照图1和图2，本步骤的具体实现如下：
(101)在蓝宝石衬底基片上，利用MOCVD工艺，生长GaN缓冲层；
(102)在GaN缓冲层上，生长本征GaN层；
(103)在本征GaN层上，生长24nm厚的Al0.3Ga0.7N层；
(104)在Al0.3Ga0.7N层上，生长2nm厚的GaN冒层。
步骤2.制作栅电极。
参照图1和图3，本步骤的具体实现如下：
(201)采用原子层淀积ALD方法在样片表面上淀积Al2O3介质层，淀积厚度为10nm，温度为300℃。
首先，将样片放入剥离液煮洗20min，温度为70℃，再依次放入到丙酮、乙醇中超声3min，最后用超纯水冲洗1min，用氮气吹干，完成样片的清洗；
接着，将样片放入到反应腔体中，衬底温度保持在300℃，反应腔工作压强保持在630Pa，以TMA和水为反应源，淀积厚度为10nm厚的Al2O3的介质层；
最后，将样片放入到99.9999％的高纯氮气气氛中进行快速热退火处理，退火温度为830℃，退火时间为10min，形成高质量的多晶Al2O3介质层。
(202)采用磁控溅射的方法将靶材为掺有2％Al的ZnO粉末，在压强为1Pa，衬底温度为220℃，溅射功率为30W的条件下，预溅射ZnO 15分钟，以清洁靶材表面和使系统稳定，再在99.9999％的高纯氩气气氛中进行溅射，形成300nm的ZnO栅电极层；
(203)采用RIE干法刻蚀ZnO和Al2O3，形成ZnO栅电极。
首先，对样片甩正胶，甩胶台的转速为5000转/min，然后再在90℃的烘箱中烘15min，通过光刻以及显影形成刻蚀所需的图形；
接着，采用RIE干法刻蚀，刻蚀ZnO和Al2O3层，刻蚀时采用的电极功率为100W，压强为10mT，采用CF4/O2＝20∶1的气体比例来进行刻蚀，形成ZnO 栅极。
步骤3.源漏电极制作。
参照图1和图4，本步骤的具体实现如下：
(301)以ZnO栅电极为基准，采用自对准方法，对本征GaN和Al0.3Ga0.7N层进行Si+注入，剂量为8×1015/cm2，注入的离子能量为50keV，完成对源漏区域的离子注入；
(302)采用电子束蒸发工艺，在源漏电极图形区蒸发欧姆接触金属Ti/Al/Ni/Au，形成源漏电极。
首先，在样片上甩黏附剂，甩胶台的转速为8000转/min，时间为30s，将其放入温度为160℃的高温烘箱中烘20min；之后再在该样片上甩正胶，甩胶台的转速为5000转/min，放入温度为80℃的高温烘箱中烘10min，光刻获得源漏电极图形；
接着，采用DQ-500等离子体去胶机去除图形区未显影干净的光刻胶薄层，在源漏电极图形上采用VPC-1100电子束蒸发设备蒸发Ti/Al/Ni/Au来作为源漏电极；
最后，将进行完上述处理的样片放入丙酮中浸泡20min以上后进行超声处理，然后用氮气吹干，之后再将该样片放入到快速退火炉中，在空气气氛下，温度为520℃条件下进行10min的高温退火，形成源漏欧姆接触，得到与栅电极长度相等的源漏长度，完成器件制造。
Claims (2)
1.一种AlGaN/GaN绝缘栅高电子迁移率晶体管的制作方法，包括：
A.材料生长步骤：在蓝宝石基片上，利用MOCVD工艺，按照自下而上的顺序生长GaN缓冲层、本征GaN层、Al0.3Ga0.7N层和GaN冒层；
B.器件栅电极制作步骤：
(B1)采用原子层淀积ALD方法在GaN冒层上淀积Al2O3，淀积厚度为5-10nm，温度为300℃；
(B2)在淀积的Al2O3层上，溅射一层掺2％的Al元素的ZnO薄膜，淀积厚度为100-300nm；
(B3)用干法自上而下刻蚀ZnO和Al2O3薄膜层，形成ZnO栅电极；
C.器件源漏电极制作步骤：
(Cl)以ZnO栅电极为基准，采用自对准方法，对ZnO栅极两侧的GaN冒层和Al0.3Ga0.7N层进行2-8×1015/cm2的Si+注入，形成源漏区域，使ZnO栅电极的长度与源区和漏区之间的距离相等；
(C2)采用电子束蒸发工艺，在源漏电极图形区蒸发欧姆接触金属Ti/Al/Ni/Au，500℃退火，形成源漏电极，完成器件制作。
2.根据权利要求1所述的AlGaN/GaN绝缘栅高电子迁移率晶体管制作方法，其中步骤(B2)所述的在淀积的Al2O3层上，溅射一层掺2％的Al元素的ZnO薄膜，是采用磁控溅射的方法将靶材为掺有2％Al的ZnO粉末，在压强为1-2Pa，衬底温度为220-260℃，溅射功率为30-70W的条件下，预溅射ZnO 15分钟，以清洁靶材表面和使系统稳定；再在99.9999％的高纯氩气气氛中进行溅射，形成100-300nm厚的ZnO栅电极层。
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2009
- 2009-10-30 CN CN2009102187172A patent/CN101710590B/zh active Active
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