CN101740384A - 制备增强型铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备增强型铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管的方法，包括以下步骤：在衬底上生长氮化镓成核层；在氮化镓成核层上生长氮化镓缓冲层；在氮化镓缓冲层上生长高迁移率氮化镓层；在高迁移率氮化镓层上生长氮化铝插入层；在氮化铝插入层上生长铝镓氮势垒层；在铝镓氮势垒层上生长氮化铟盖帽层；刻蚀氮化铟盖帽层；制备源、漏欧姆接触；制备栅金属；电极金属加厚。利用本发明，降低了制备成本，简化了制备工艺，提高了工艺的可靠性。

Description

制备增强型铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管的方法

技术领域

本发明涉及半导体材料生长和器件制备技术领域，特别是指一种制备增强型铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管的方法，该方法采用氮化铟盖帽层调节铝镓氮/氮化镓异质结能带形状，使异质结界面处的二维电子气耗尽，实现器件的增强型工作模式。

背景技术

氮化镓作为第三代宽禁带半导体材料的典型代表，具有高临界击穿电场、高电子饱和漂移速度和优良的热稳定性、化学稳定性、极强的抗辐射能力，是世界范围内竞相研究的热点。由于自发极化和压电极化作用，在铝镓氮/氮化镓异质结界面处形成的二维电子气浓度达10¹³cm^-2，迁移率达2000cm²/V.s以上，这一特性使铝镓氮/氮化镓异质结构材料不但在制备耐高温、抗辐照、高频大功率微波器件方面优势显著，而且在制备高速、低损耗、高压电力开关和抗辐照高速数字电路方面有其它半导体材料无可比拟的优势。也正是由于极化效应的存在，使铝镓氮/氮化镓异质结构和传统的磷化铟、砷化镓基异质结构完全不同，制备增强型器件困难重重，研究进展非常缓慢。

多年来，铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管的研究主要集中在耗尽型器件方面，但是在实际的应用中，对增强型器件有强烈的需求。首先，在电力开关器件方面，增强型器件更符合电力系统对安全和节能的需求，而且有利于系统的小型化；其次，在超高速数字电路中，增强型器件是构成反相器的必备元件，而反相器又是构成大型数字系统的核心单元。最后，在微波应用方面，增强型器件与电路的其它部分可以很好地兼容，不需要设计独立的电源。

当前，上述领域还是以硅器件和砷化镓器件为主要元件。因此研制出高可靠性的增强型铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管意义非常重大，随着氮化物材料研究的逐渐趋于成熟，与增强型器件相关的研究工作正在全面开展。

最早的增强型器件是Asif.Kan领导的研究小组制备的，通过将铝镓氮势垒层的总厚度减小到10纳米左右，降低沟道二维电子气浓度，获得阈值电压约0.05伏的器件。但是，用这种方法制备的器件，由于整个沟道中二维电子气浓度极低，所以器件的通态电阻很高，功耗很高，在应用方面没有太大的竞争力。

在这种思路的启迪下，有人从器件工艺的角度入手，用挖槽的办法只减薄栅电极正下方的势垒层厚度，降低此处的二维电子气浓度，制备出了最高阈值电压约0.5伏的增强型器件，通态电阻也比较低，但是工艺难度很大、几乎没有重复性。也有研究小组通过制备P型氮化镓盖帽层的方法研制增强型器件，虽然栅反向漏电很小，器件耐压较高，但是阈值电压只在0V左右。2005年，香港科技大学的蔡勇等人提出了用注入氟离子的方法，耗尽栅下方沟道中的二维电子气，从而使器件处于常关态，但是由此种方法制备的器件可靠性面临着巨大的挑战。2007年，日本的研究机构报道了以铟镓氮为盖帽层制备的增强型器件，该器件阈值电压达到了0.4V。

总体来看，国际上对于增强型器件的研究工作目前主要沿着两种思路在进行：其一是所生长材料结构与耗尽型器件完全相同，通过挖槽或注入负离子的方法使栅电极正下方的二维电子气耗尽，沟道的其余部分二维电子气浓度不发生变化，保证器件有较低的通态电阻；其二是在材料生长的过程中，通过材料结构设计，生长不同盖帽层，控制能带结构使整个沟道中的二维电子气耗尽，在随后的器件制备过程中，将栅电极区以外的盖帽层全部刻蚀掉，使这部分区域的能带结构发生变化，在相应的沟道中形成二维电子气，同样可以保证器件有高阈值电压和低通态电阻。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种制备增强型铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管的方法，以降低制备成本、简化制备工艺、提高工艺的可靠性。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种制备增强型铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管的方法，包括以下步骤：

在衬底上生长氮化镓成核层；

在氮化镓成核层上生长氮化镓缓冲层；

在氮化镓缓冲层上生长高迁移率氮化镓层；

在高迁移率氮化镓层上生长氮化铝插入层；

在氮化铝插入层上生长铝镓氮势垒层；

在铝镓氮势垒层上生长氮化铟盖帽层；

刻蚀氮化铟盖帽层；

制备源、漏欧姆接触；

制备栅金属；

电极金属加厚。

上述方案中，所述衬底是蓝宝石、碳化硅或硅。

上述方案中，所述生长氮化镓成核层、氮化镓缓冲层、高迁移率氮化镓层、氮化铝插入层、铝镓氮势垒层和氮化铟盖帽层采用金属有机物化学气相沉积方法、分子束外延方法或气相外延方法。

上述方案中，所述铝镓氮势垒层是非故意掺杂或N型掺杂的，厚度为10至20纳米。

上述方案中，铝镓氮势垒层中的Al组分占15～25％(摩尔百分比)之间。

上述方案中，氮化铟盖帽层是非故意掺杂或P型掺杂的，厚度在5至15纳米之间。

上述方案中，氮化铟盖帽层的生长温度在550～750℃之间。

上述方案中，氮化铟盖帽层的生长压力在100～300托之间。

上述方案中，所述刻蚀氮化铟盖帽层的步骤中，是刻蚀掉栅接触区以外的氮化铟盖帽层。

上述方案中，所述刻蚀氮化铟盖帽层采用干法刻蚀。

(三)有益效果

本发明成本低、工艺过程简单、重复性好、可靠性高。生长厚度适当氮化铟盖帽层可以使沟道中的二维电子气完全耗尽，实现铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管的增强型工作模式，由于栅电极区以外的氮化铟被去除掉了，所以这些区域的二维电子气仍然存在，可以保证器件有很低的通态电阻。本发明可用于制备满足各种需要的增强型器件，包括大功率微波器件、高速电力开关器件和超高速数字电路。

附图说明

图1是本发明制备增强型铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管的方法流程图；

图2是本发明制备的增强型铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管有氮化铟盖帽层部分的能带图。

图3是本发明制备的增强型铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管无氮化铟盖帽层部分的能带图。

图4是本发明制备的增强型铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管截面图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明的增强型铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管是这样实现的：选择一种衬底，用金属有机物化学气相淀积的方法生长材料，依次生长氮化镓成核层、高阻缓冲层和高迁移率沟道层之后，再生长一层铝组分和厚度都严格控制的铝镓氮势垒层，最后生长一层氮化铟盖帽层，盖帽层中的极化方向与势垒层中的极化方向相反，盖帽层中的极化电场将提高势垒层中的导带位置，降低费米能级，造成沟道中的二维电子气耗尽，使器件工作在常关态。

这里选择氮化铟作为盖帽层的主要原因是：氮化铟与铝镓氮层之间的晶格常数差别大，氮化铟将会受到极大的压应力，盖帽层处于压应变状态下，形成很强的极化电场，在该电场的作用下，导带向上弯曲，在肖特基势垒高度一定的情况下，降低了费米能级的位置，总体效果是二维电子气浓度下降，当氮化铟厚度足够时，二维电子气耗尽，浓度变为零。此外，氮化铟盖帽层和铝镓氮势垒层之间的带隙差较大，也有利于提高导带位置。总之，采用氮化铟盖帽层，可以使铝镓氮/氮化镓界面处的二维电子气耗尽，使材料本身具有了制备增强型器件的基本条件。在制备器件的工艺过程中，要将栅接触区以外的氮化铟盖帽层刻蚀掉，这样，在这些区域中，由于没有类似氮化铟盖帽层中的强极化电场存在，沟道中的二维电子气会重新出现，由此种方法制备的器件不但会有较高的阈值电压而且能保持极低的通态电阻。

如图1所示，图1是本发明制备增强型铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管的方法流程图，该方法包括以下步骤：

步骤101：在衬底上生长氮化镓成核层；

步骤102：在氮化镓成核层上生长氮化镓缓冲层；

步骤103：在氮化镓缓冲层上生长高迁移率氮化镓层；

步骤104：在高迁移率氮化镓层上生长氮化铝插入层；

步骤105：在氮化铝插入层上生长铝镓氮势垒层；

步骤106：在铝镓氮势垒层上生长氮化铟盖帽层；

步骤107：刻蚀氮化铟盖帽层；

步骤108：制备源、漏欧姆接触；

步骤109：制备栅金属；

步骤110：电极金属加厚。

基于图1所示的制备增强型铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管的方法流程图，以下结合具体的实施例详细说明本发明。该实施例包括以下步骤：

1)、将蓝宝石衬底清洗后放入金属有机金属有机物化学汽相淀积设备中，生长氮化镓成核层温度500～600℃，压力400～600托，厚度为0.01～0.50μm。

2)、将生长室温度升高到900～1100℃，压力降到40～200托，生长厚度为1～5μm氮化镓缓冲层。

3)、保持生长室温度不变，将压力升高到300～600托，生长厚度为0.03～0.5μm非有意掺杂高迁移率氮化镓层。

4)、将生长室温度调整到850～1150℃之间，压力调整到40～200托，生长厚度为0.8～3纳米的氮化铝插入层。

5)、将生长室温度调整到1000～1100℃，压力调整到100～300托，生长厚度为10～20纳米，Al组分在15～25％(摩尔百分比)之间的铝镓氮势垒层。

6)、将生长室温度降至550～750℃之间，压力降至100～300托，生长厚度5～15纳米的氮化铟盖帽层。

7)、刻蚀氮化铟盖帽层：涂胶，光刻，刻蚀氮化铟盖帽层，去胶。

8)、沉积源、漏金属：涂胶，光刻打开源、漏接触区，电子束蒸发源、漏金属。

9)、欧姆接触形成：剥离，形成欧姆接触。

10)、隔离：涂胶，打开非有源区窗口，注入氦离子，去胶。

11)、沉积栅金属：涂胶，光刻打开栅接触区，电子束蒸发栅金属。

12)、栅肖特基接触形成：剥离，形成栅接触。

13)、互连金属沉积：涂胶，光刻打开互连区，电子束蒸发互连金属。

14)、剥离，形成互连金属。

15)、加厚电极：涂胶，光刻打开焊点；沉积加厚金属。

16)、剥离，形成加厚电极。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种制备增强型铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管的方法，其特征在于，包括以下步骤：

在衬底上生长氮化镓成核层；

在氮化镓成核层上生长氮化镓缓冲层；

在氮化镓缓冲层上生长高迁移率氮化镓层；

在高迁移率氮化镓层上生长氮化铝插入层；

在氮化铝插入层上生长铝镓氮势垒层；

在铝镓氮势垒层上生长氮化铟盖帽层；

刻蚀氮化铟盖帽层；

制备源、漏欧姆接触；

制备栅金属；

电极金属加厚。

2.根据权利要求1所述的制备增强型铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管的方法，其特征在于，所述衬底是蓝宝石、碳化硅或硅。

3.根据权利要求1所述的制备增强型铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管的方法，其特征在于，所述生长氮化镓成核层、氮化镓缓冲层、高迁移率氮化镓层、氮化铝插入层、铝镓氮势垒层和氮化铟盖帽层采用金属有机物化学气相沉积方法、分子束外延方法或气相外延方法。

4.根据权利要求1所述的制备增强型铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管的方法，其特征在于，所述铝镓氮势垒层是非故意掺杂或N型掺杂的，厚度为10至20纳米。

5.根据权利要求1所述的制备增强型铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管的方法，其特征在于，铝镓氮势垒层中的Al组分占15～25％之间(摩尔百分比)。

6.根据权利要求1所述的制备增强型铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管的方法，其特征在于，氮化铟盖帽层是非故意掺杂或P型掺杂的，厚度在5至15纳米之间。

7.根据权利要求1所述的制备增强型铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管的方法，其特征在于，氮化铟盖帽层的生长温度在550～750℃之间。

8.根据权利要求1所述的制备增强型铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管的方法，其特征在于，氮化铟盖帽层的生长压力在100～300托之间。

9.根据权利要求1所述的制备增强型铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管的方法，其特征在于，所述刻蚀氮化铟盖帽层的步骤中，是刻蚀掉栅接触区以外的氮化铟盖帽层。

10.根据权利要求1所述的制备增强型铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管的方法，其特征在于，所述刻蚀氮化铟盖帽层采用干法刻蚀。

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