CN101916773B - 一种双沟道mos-hemt器件的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Al2O3/AlN/GaN/AlGaN/GaN双沟道MOS-HEMT器件的制作方法，包括蓝宝石衬底10上依次形成的GaN成核层9、GaN缓冲层8、AlGaN下势垒层7、GaN沟道层6、AlN上势垒层5以及其上形成的Al2O3栅介质层4、源极1和漏极3、Al2O3栅介质层4上形成的栅极2，其特征是：采用具有优良热导性和较大禁带宽度的AlN材料作为上势垒层，降低了器件的自加热效应，同时降低了器件耗尽模式下的阈值电压；利用AlN和GaN形成的深势阱抑制高电压下的热电子效应，从而降低器件的电流坍塌效应；利用AlN材料强的极化性质，提高了沟道中的电子浓度，增大了饱和电流和器件的输出功率；使用原子层沉积工艺淀积的Al2O3材料作为栅介质层，减少了栅极漏电流，提高了器件的击穿电压。
Description
技术领域
本发明涉及电子元件技术，特别涉及具有高二维电子气浓度的Al2O3/AlN/GaN/AlGaN/GaN双沟道MOS-HEMT器件，它可用于高温高频大功率场合、大功率开关以及数字电路中。
背景技术
以氮化镓和碳化硅为代表的第三代宽禁带半导体器件，是继第一、二代半导体器件(Si、GaAs)之后，近10年迅速发展起来的新型宽禁带半导体器件。其中，GaN是目前研究最热门的一种化合物半导体器件材料，其禁带宽度大、电子漂移速度大、热传导率高，具有耐高压、耐热分解、耐腐蚀和耐放射性辐照的特点，特别适合于制作超高频、高温、高功率HEMT器件，被誉为是“后硅器时代”的主要代表，其研究与应用是目前全球半导体领域研究的前沿和热点。
AlGaN/GaN HEMT微波功率器件具有广阔的应用潜力和市场前景。GaN基HEMT具有的大电流、高功率及良好的频率特性，决定了其在军用和民用微波大功率领域广泛的应用前景。GaN基HEMT可以覆盖2-40GHz频段内的无线通讯领域，尤其是基站、远距离空间通讯等需要高功率、高效率的领域。GaN基HEMT的大功率和高效率将很大程度上减小器件的体积，并降低系统设计难度，高电压工作特性使得系统元件数量减少，同时，抗高温，抗辐照等特性使其在军用及空间通讯领域变得越来越重要。
器件中的沟道电子在高电场的作用下会出现严重的量子隧穿和热电子效应，大量电子被体陷阱捕获，造成饱和电流下降，限制了器件的进一步发展。Binari等人在1997年第一次观察到了GaN基MESFET的强场电流坍塌效应，并使用光电离能谱的方法研究了MESFET的陷阱能级，认为半绝缘GaN缓冲层中的1.8eV和2.85eV两个深陷阱能俘获电子。之后又有很多实验证实了高电场下缓冲层体陷阱是造成电流坍塌的主要原因。另外传统GaN基HEMT器件结构过于简单，沟道主要存在于缓冲层内，而缓冲层势阱较浅很难束缚住大量电子，因此在高电场作用下，电子进入缓冲层形成寄生电导，不仅造成电子浓度的损失，而且严重影响器件性能。
除了电流坍塌效应外，还有自加热效应、短沟道效应等一系列问题严重地制约器件的进一步发展。为了克服这些缺点人们做了很多尝试，提出了一些AlGaN/GaN结构的变体，比如：2004年纽约州立大学的W.Lanfort等人提出了AlGaN/InGaN/GaN异质结构，2005年以色列技术工程学院的O.Katz等提出了InAlN/GaN异质结构，通过实验他们分别证明了这两种结构制作的HEMT器件具有更大的功率。宽带隙超薄AlN层的使用可以追溯到2001年，加利福尼亚大学的L.Shen等人在传统的应变AlGaN/GaN异质结基础上做了稍微改进，即在AlGaN势垒层和GaN缓冲层之间插入了1nm厚的AlN界面层，结果提高了沟道中二维电子气(2DEG)的迁移率，2008年维也纳技术大学的J.Kuzmik等人将AlN薄层插入到晶格匹配的InAlN/GaN异质结中，结果证明该结构不仅降低了混晶无序散射而且增加了二维电子气在沟道内的束缚力，因而极大地提高了器件性能。当前对AlN/GaN异质结HEMT器件的研究较少，主要是因为使用MOCVD或MBE工艺在GaN外延层上生长高质量AlN势垒层存在困难。然而，使用超薄AlN势垒层可以有效降低短沟道效应和电流坍塌效应，使得该结构在超高频、大功率应用中具有重要的研究价值。AlN材料具有比AlGaN层更强的极化效应，可以聚集更高浓度的电子气，使得器件的饱和电流显著增大，其禁带宽度在6.2eV左右，当作为势垒层使用时，可以大大减小势垒层的厚度，增强栅极对沟道电子的控制能力，可以减小器件在耗尽模式下的阈值电压。Al0.3Ga0.7N的热导率为1.7W/cm K，而AlN的热导率为3W/cm K或者更高，可以和4H-SiC材料相比拟，采用AlN材料做势垒层可以带来更好的散热效果，降低器件的自加热效应
2005年R.M.Chu等人提出了AlGaN做势垒层的AlGaN/GaN/AlGaN/GaN双沟道HEMT，其结构如图1所示，其特征是：在蓝宝石衬底上依次形成GaN成核层、GaN缓冲层、AlGaN下势垒层、GaN沟道层、Al0.3Ga0.7N上势垒层，在Al0.3Ga0.7N上势垒层上依次形成源极、漏极和栅极，以及在栅极、源极扩展区和栅极、漏极扩展区形成Si3N4钝化层，其中源极、漏极分别与Al0.3Ga0.7N上势垒层形成欧姆接触，栅极和Al0.3Ga0.7N上势垒层形成肖特基接触。它与传统的GaN基HEMT相比具有两个优点：(1)工作时两个沟道的总电流密度大于传统的GaN基HEMT；(2)下沟道的存在使得总的电子束缚能力增强，大电流下的热电子效应有所减弱，同时GaN缓冲层内的寄生电导基本消除。但是AlGaN/GaN/AlGaN/GaN双沟道HEMT也有明显的缺点：一、自加热效应明显；二、电流坍塌效应显著；三、耗尽模式下的阈值电压过大；四、栅极漏电流严重
发明内容
本发明的目的是：提供一种Al2O3/AlN/GaN/AlGaN/GaN双沟道MOS-HEMT结构，包括：蓝宝石衬底10和在其上依次生长的GaN成核层9、GaN缓冲层8、AlGaN下势垒层7、GaN沟道层6和AlN上势垒层5，AlN上势垒层5上形成的Al2O3栅极电介质层4、源极1和漏极3，以及Al2O3栅介质层4上形成的栅极2，其中源极1、漏极3分别与AlN上势垒层5形成欧姆接触，栅极2、Al2O3栅介质层4和AlN上势垒层5形成MOS结构。该结构中GaN成核层9为30nm，GaN缓冲层8为非故意掺杂，厚度2.5μm；AlGaN下势垒层7中Al组份从3％渐变到6％，AlGaN层为非故意掺杂，厚度21nm；GaN沟道层6为非故意掺杂，厚度为14nm；AlN上势垒层5为非故意掺杂，厚度为3.5nm；Al2O3栅介质层4的厚度为16nm。源极1和漏极3为欧姆接触金属Ti/Al/Ni/Au，Ti厚度为20nm，Al厚度为120nm，Ni厚度为45nm，Au厚度为55nm，栅极2为金属Ni/Au，Ni厚度为20nm，Au厚度为200nm。源极1、栅极2和漏极3的长度均为1μm，源极1与栅极2的扩展区长度为1μm，栅极2与漏极3的扩展区长度为1μm。
本发明的目的是这样实现的：本发明用高质量的AlN材料代替传统的AlGaN材料作为上势垒层，加强了对沟道电子的束缚，有效地降低了电流坍塌效应；利用AlN材料很强的极化能力，大大地提高了沟道的二维电子气浓度，增大了饱和输出功率；利用AlN材料良好的热导性质，降低了器件的自加热效应；利用AlN材料在AlxGa1-xN中具有最大的禁带宽度，极大地减小了势垒层厚度，增强了栅极对沟道控制能力，降低了耗尽模式下的阈值电压；本发明还采用Al2O3替代了传统的Si3N4钝化层，Al2O3既作为钝化层又作为栅极电介质层使用，形成的MOS结构大大减小了栅极漏电流，提高了击穿电压，另外Al2O3的热导率(0.28W/cm K)约为Si3N4的(0.185W/cm K)1.5倍，可以进一步提高器件的散热能力。
本发明的另一目的是提供上述高电子迁移率晶体管的制备方法，具体步骤如下所示：
(1)在蓝宝石衬底上，利用金属有机化学气相沉积的方法，生长GaN成核层9；
(2)在GaN成核层9上，生长非故意掺杂的GaN缓冲层8；
(3)在GaN缓冲层8上，生长Al组份从3％到6％渐变的AlGaN下势垒层7；
(5)在AlGaN下势垒层7上，生长GaN沟道层6；
(6)在GaN沟道层6上，生长AlN上势垒层5；
(7)在AlN上势垒层5上，采用原子层沉积工艺淀积Al2O3栅介质层4；
(8)Al2O3栅介质层4形成后，通过光刻工艺在源、漏极区域形成刻蚀所需窗口，采用反应离子刻蚀工艺去除源、漏极区域的Al2O3介质薄膜；
(9)刻蚀完成后，利用光刻工艺获得源、漏极区域窗口，然后采用电子束蒸发工艺，在源、漏极区域窗口上蒸发欧姆接触金属Ti/Al/Ni/Au，形成源极1和漏极3；
(10)源极1、漏极3形成后，在Al2O3栅介质层4上利用光刻工艺获得栅极区域窗口，并在该栅极区域窗口上采用电子束蒸发工艺蒸发栅极金属Ni/Au，形成栅极2，至此完成器件制造。
上述的一种新型的Al2O3/AlN/GaN/AlGaN/GaN双沟道MOS-HEMT器件的工艺步骤所说的生长GaN成核层9，其生长条件是：反应温度控制在550～600℃之间，生长速率2nm/分钟，厚度为20～50nm。
上述的一种新型的Al2O3/AlN/GaN/AlGaN/GaN双沟道MOS-HEMT器件的工艺步骤所说的生长GaN缓冲层8，其生长条件是：反应温度1185℃，生长速率为0.5～1.0μm/小时，厚度为2～3μm。
上述的一种新型的Al2O3/AlN/GaN/AlGaN/GaN双沟道MOS-HEMT器件的工艺步骤所说的生长AlGaN下势垒层7，其生长条件是：反应温度810℃，纯的氮气作为载气，Al组分从3％到6％渐变，生长速率为2nm/分钟，厚度为20nm～30nm。
上述的一种新型的Al2O3/AlN/GaN/AlGaN/GaN双沟道MOS-HEMT器件的工艺步骤所说的生长GaN沟道层6，其生长条件是：反应温度810℃，生长速率为2nm/分钟，厚度为10～20nm。
上述的一种新型Al2O3/AlN/GaN/AlGaN/GaN双沟道MOS-HEMT器件的工艺步骤，所说的生长AlN上势垒层5，其生长条件是：反应温度为810℃，生长速率为2nm/分钟，厚度为3～7nm。
上述的一种新型Al2O3/AlN/GaN/AlGaN/GaN双沟道MOS-HEMT器件的工艺步骤，所说的淀积Al2O3栅介质层4，其生长条件是：先在300℃下沉积Al2O3薄膜，然后在600℃下氧气气氛中退火60s，厚度为10～20nm。
本发明解决了传统双沟道器件较高的自加热效应和电流坍塌效应，同时也解决了传统双沟道器件阈值电压和栅极漏电流过高的现象，明显提高了饱和漏极电流及输出功率。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明提出的方法，是用高质量的AlN材料替代传统的AlGaN材料作为器件的上势垒层。与AlGaN材料相比，AlN材料具有优良的热导性能(3W/Kcm)，增强了器件的散热能力，降低了器件在高电压下的自加热效应。AlN在AlxGa1-xN中具有最大的禁带宽度，从而减小了上势垒层厚度，增强了栅极对沟道控制能力，也降低了耗尽模式下的阈值电压。与AlGaN材料相比，AlN具有更强的极化，从而提高了沟道的电子浓度和器件的输出功率。此外如图5所示，AlN/GaN形成的沟道势阱比Al0.3Ga0.7N/GaN势阱要深，热电子不易冲出沟道被陷阱俘获，从而有效地抑制了电流坍塌效应；
(2)本发明提出的方法，是用Al2O3薄膜替代传统的钝化材料Si3N4，与栅极和AlN下势垒层形成了MOS结构。Al2O3具有很高的介电常数、宽的禁带宽度和高的击穿电压，不仅可以降低栅极漏电流，而且还可以对器件的表面进行钝化，降低由表面陷阱引起的电流坍塌效应；
(3)本发明的工艺步骤均是当前国内相对比较成熟的工艺，工艺过程比较简单，完全和传统的GaN基HEMT器件制备工艺兼容。
附图说明
图1为传统的AlGaN/GaN/AlGaN/GaN双沟道HEMT的结构示意图；
图2为本发明的Al2O3/AlN/GaN/AlGaN/GaN双沟道MOS-HEMT的结构示意图；
图3为本发明的Al2O3/AlN/GaN/AlGaN/GaN双沟道MOS-HEMT和传统的AlGaN/GaN/AlGaN/GaN双沟道HEMT的栅极漏电流对比；
图4为本发明的Al2O3/AlN/GaN/AlGaN/GaN双沟道MOS-HEMT和传统的AlGaN/GaN/AlGaN/GaN双沟道HEMT对应栅极电压为1V时的输出特性对比；
图5为本发明的Al2O3/AlN/GaN/AlGaN/GaN双沟道MOS-HEMT和传统的AlGaN/GaN/AlGaN/GaN双沟道HEMT的纵向导带能量对比；
图6为本发明的Al2O3/AlN/GaN/AlGaN/GaN双沟道MOS-HEMT和传统的AlGaN/GaN/AlGaN/GaN双沟道HEMT的俘获电子浓度对比(微米尺度)；
图7为本发明的Al2O3/AlN/GaN/AlGaN/GaN双沟道MOS-HEMT和传统的AlGaN/GaN/AlGaN/GaN双沟道HEMT的电子温度分布对比(微米尺度)。
具体实施方式
参见图2，它是本发明提出的新型Al2O3/AlN/GaN/AlGaN/GaN双沟道MOS-HEMT器件结构图。制备过程中以AlN单晶作为衬底，分别以三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMA1)作为Ga源和Al源，以高纯NH3气为氮源，氮气作为载气，具体制备流程如下：
1、用常规有机溶剂对衬底进行清洗，使用1∶3的磷酸、硫酸混合液腐蚀液去除表面损伤，经去离子水冲洗、甩干后在1100℃的真空环境下退火处理1个小时，然后在850℃在氨气氛下氮化10分钟，氨气流量为175sccm。
2、将生长温度降低到550℃，保持生长压力为40Torr，氮气流量为1500sccm，氨气流量为1500sccm，向反应室中通入流量为50μmol/min的镓源，以生长厚度为30nm的GaN成核层；
3、将生长温度升高到1185℃，保持生长压力为40Torr，氮气流量为3000sccm，氨气流量为3000sccm，向反应室中通入流量为400μmol/min的镓源，以生长厚度为2.5μm的GaN缓冲层；
4、将生长温度降低到810℃，保持生长压力为40Torr，氮气流量为1500sccm，氨气流量为1500sccm，控制镓源、铝源流量，生长厚度为21nm的A1组份从3％到6％渐变的AlGaN下势垒层；
5、保持生长温度为810℃，保持生长压力为40Torr，氮气流量为1500sccm，氨气流量为1500sccm，向反应室中通入流量为50μmol/min的镓源，以生长厚度为14nm的GaN沟道层；
6、向反应室中同时通入铝源和镓源，维持反应温度为810℃，控制好流量，生长厚度为3.5nm的AlN上势垒层，同时通入镓源是为了增加铝原子在表面的扩散率；
7、形成Al2O3栅介质层：采用ALD工艺在300℃下沉积Al2O3薄膜，然后在600℃下氧气气氛中退火60s，获得厚度为16nm的Al2O3层，然后对样品表面甩正胶，转速为5000转/min，再在温度为80℃的烘箱中烘10min，通过光刻以及显影在源、漏极区域形成刻蚀所需的窗口，采用反应离子刻蚀工艺去除源、漏极区域的Al2O3介质薄膜；
8、光刻源、漏极区域：为了更好地剥离金属，首先在样品上甩黏附剂，转速为8000转/min，时间为30s，在温度为160℃的高温烘箱中烘20min，然后再在该样品上甩正胶，转速为5000转/min，最后在温度为80℃的高温烘箱中烘10min，光刻获得源、漏极区域窗口；
9、蒸发源、漏金属：采用电子束蒸发工艺淀积Ti/Al/Ni/Au四层金属；
10、剥离源、漏金属及退火：在丙酮中浸泡20min以上后进行超声处理，然后用氮气吹干。将样品放入快速退火炉中退火：首先向退火炉内通入氮气大约7分钟，然后在氮气气氛下，温度为800℃条件下进行30s快速退火；
11、光刻栅极区域窗口：在样品上甩黏附剂，转速为8000转/min，时间为30s；在温度为160℃的高温烘箱内烘20min；然后再在该样品上甩正胶，转速为5000转/min，最后在温度为80℃的烘箱中烘10min，光刻获得栅极区域窗口；
12、蒸发栅极金属：采用电子束蒸发工艺沉积Ni/Au两层金属，随后将样品浸泡在剥离液中2分钟，获得栅极。至此完成器件制造。
实施例
本发明模拟了传统的AlGaN/GaN/AlGaN/GaN双沟道HEMT和本发明的Al2O3/AlN/GaN/AlGaN/GaN双沟道MOS-HEMT的电学特性并因此证明了本发明的新器件相比传统器件在抑制电流坍塌和自加热效应等方面的优越性。图3为本发明器件和传统器件的栅极漏电流随漏极电压的变化关系对比，由图可知本发明器件的栅极漏电流比传统器件降低了4个数量级以上。图4为本发明器件和传统器件的输出特性对比，由图可知本发明器件的漏极电流密度明显增加了，这是说明AlN的极化能力比传统的Al0.3Ga0.7N强。而且本发明器件基本消除了高漏极电压时出现的负微分电导，这是因为本发明采用了导热性更好的AlN和Al2O3，降低了器件的自加热效应。如图7所示，本发明器件的电子温度比传统器件明显降低，而且本发明器件的温度分布更均匀，基本消除了传统器件中导致迁移率下降的热点，证明本发明器件更好地抑制了自加热效应。图5展示了本发明器件和传统器件的纵向导带能量对比，AlN上势垒层与GaN沟道层具有更大的导带不连续量，形成的沟道势阱比传统器件更深，电子束缚能力更强，沟道电子不易冲出沟道被陷阱俘获，电流坍塌效应降低。图6为本发明器件和传统器件的俘获电子浓度对比，由图可知本发明器件的俘获电子浓度比传统器件降低了3个数量级，因此证明本发明器件可以抑制高频下出现的电流坍塌效应。
Claims (1)
1.一种Al2O3/AlN/GaN/AlGaN/GaN双沟道MOS-HEMT器件的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
1)在蓝宝石衬底(10)上，利用金属有机化学气相沉积的方法，生长20～50nm厚的GaN成核层(9)，反应温度控制在550～600℃之间，生长速率为2nm/分钟；
2)在GaN成核层(9)之上，生长2～3μm非故意掺杂的GaN缓冲层(8)，反应温度1185℃，生长速率为0.5～1.0μm/小时；
3)在GaN缓冲层(8)之上，生长20nm～30nm的Al组份从3％到6％渐变的AlGaN下势垒层(7)，反应温度810℃，生长速率为2nm/分钟；
4)在AlGaN下势垒层(7)之上，生长厚度为10～20nm的GaN沟道层(6)，反应温度为810℃，生长速率为2nm/分钟；
5)在GaN沟道层(6)之上，生长AlN上势垒层(5)，厚度为3～7nm，反应温度为810℃，生长速率为2nm/分钟；
6)在AlN上势垒层(5)上，采用原子层沉积工艺淀积Al2O3栅介质层(4)，沉积温度为300℃，然后在600℃下氧气气氛中退火60s，厚度为10～20nm；
7)Al2O3栅介质层(4)形成后，通过光刻工艺在源、漏极区域形成刻蚀所需的窗口，采用反应离子刻蚀工艺去除源、漏极区域的Al2O3介质层；
8)刻蚀完成后，利用光刻工艺获得源、漏极区域窗口，然后采用电子束蒸发工艺，在源、漏极区域窗口上蒸发欧姆接触金属Ti/Al/Ni/Au，形成源极(1)和漏极(3)；
9)源极(1)、漏极(3)形成后，在Al2O3栅介质层(4)上利用光刻工艺获得栅极区域窗口，并在该栅极区域窗口上采用电子束蒸发工艺蒸发栅极金属Ni/Au，形成栅极(2)，至此完成器件制造。
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