CN102082176A

CN102082176A - GaN增强型MISFET器件及其制备方法

Info

Publication number: CN102082176A
Application number: CN2010105721323A
Authority: CN
Inventors: 刘扬; 贺致远; 姚尧
Original assignee: National Sun Yat Sen University
Current assignee: Sun Yat Sen University; National Sun Yat Sen University
Priority date: 2010-12-03
Filing date: 2010-12-03
Publication date: 2011-06-01

Abstract

本发明涉及一种GaN增强型MISFET器件及其制备方法，器件包括衬底及设于衬底的外延层，其中，外延层由下往上依次包括应力缓冲层及GaN层，GaN层上选择生长有异质层，未生长有异质层的GaN层表面及异质层表面上形成有绝缘介质层，且在GaN层表面形成的绝缘介质层上设有栅极区域，在异质层表面刻蚀绝缘介质层形成源极区域及漏极区域，栅极区域形成有栅极金属，源、漏极区域上形成有欧姆接触金属。本发明特点是：采用了选择区域外延技术在接入区生长具有高浓度的二维电子气的异质结构，实现栅极和源漏极导电沟道平面的自然对准，可以有效地降低接入区电阻，提高器件栅极阈值电压。

Description

GaN增强型MISFET器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种GaN增强型MISFET器件及其制备方法，尤其涉及一种在高温大功率开关器件及微波器件中的GaN增强型MISFET器件及其制备方法。

背景技术

以GaN为代表的宽禁带半导体材料，以宽禁带、高击穿电场强度、高热导率、高饱和电子漂移速度、异质界面二维电子气浓度高等优异的材料性能；成为目前第三代半导体研究热点。这些特性使得GaN在制作大功率电子器件方面具有很大的优势和应用前景。

增强（常关）型HEMT的研究对于GaN电子器件的实用化有重要的意义。增强型器件栅极不需要负电压供电就可以实现沟道的关闭，满足一般功率开关电路对器件安全性设计的要求。微波功率放大电路中，增强型器件的应用可以实现单极供电电源，简化驱动电路的设计；改善信号失真以及实现与现有系统的良好兼容。

但是由于AlGaN/GaN异质结有强的极化效应，易形成浓度高达到10¹³cm^-2面密度的二维电子气（2DEG），在栅极不加任何偏压时，就具有高的电子面密度和电子迁移率的2DEG，使得AlGaN/GaN HEMT器件自然形成耗尽型场效应晶体管；而增强型器件需要栅极不加电压时，实现栅极下导电沟道载流子的耗尽。AlGaN/GaN HEMT实现增强型的困难就在于，不加栅极电压时，高浓度的2DEG难以耗尽。

在目前实现增强型GaN 场效应晶体管器件的技术方案中主要分为肖特基栅极场效应晶体管技术和金属绝缘层半导体场效应晶体管（MISFET）技术。

对于肖特基栅极场效晶体管技术，研究人员也提出了不同的方案实现增强型，最常用的方法是采用凹栅技术。通过在传统的耗尽型AlGaN/GaN HEMT器件结构上做上凹栅工艺，即在生长了AlGaN/GaN异质结后，在栅极区域通过ICP-RIE刻蚀一个凹槽，在凹槽中制作Ni/Au肖特基栅极。通过凹栅结构可以极大的降低栅极下面导电沟道的二维电子气的浓度，结合高势垒肖特基栅极金属，实现常关。氟化物等离子处理技术实现常关型器件是近年来兴起的一种新技术，在AlGaN势垒层中注入氟离子等带负电的离子，控制注入离子浓度可以将导电沟道中的二维电子气耗尽。以上面两种为代表的肖特基栅极场效应晶体管实现增强型AlGaN/GaN HEMT方案中，优点是：实现了大的源漏电流；和低的开启电阻（R_on）。但是缺点也很明显：与MISFET相比栅极漏电流比较大；阈值电压可以达到0V—1V左右，离应用的阈值电压（3V-5V）还有一定距离；由于采用干法刻蚀的凹栅技术和离子注入技术都采用了等离子体处理技术，等离子体处理对晶格造成损伤，工艺重复控制性差，对器件的稳定性和可靠性造成影响。

MISFET技术在提高阈值电压，降低栅极漏电流方面有较大的优势。类似于传统MOS管，GaN基的MISFET也采用p型和n型掺杂实现器件功能。通过在p型GaN层上的源极和漏极接入区域进行选择性离子注入，形成n型掺杂GaN接入区。栅极加正压时，并达到一定电压后，在绝缘层界面形成反型层，反型层通过电子积累实现沟道导通。

另一种改进的MISFET方案是，包括了AlGaN/GaN异质结构的 MISFET，在源漏极欧姆接触区域利用异质结高浓度和高迁移率的二维电子气实现了大电流和低开启电阻特性，在栅极区域利用MIS（金属—绝缘物—半导体）实现常关特性。当给栅极加正电压时，并达到一定电压后，在半导体接触界面形成电子积累层，从而实现导电沟道的开启。在最新的研究成果中，Ki-Sil Im等人，通过Si衬底上生长的AlGaN/GaN，ICP刻蚀栅极区域，刻蚀到高阻GaN层，利用ALD（原子层沉积）沉积上Al₂O₃作为栅极氧化物。器件性能实现了阈值电压为2V，最大电流密度353mA/mm，峰值跨导98mS/mm。参见文献Ki-Sil Im, Jong-Bong Ha, Ki-Won Kim et al. Normally off GaN MOSFET Based on AlGaN/GaN Heterostructure With Extremely High 2DEG Density Grown on Silicon Substrate IEEE Electron Device Lett., vol.31,no.3,pp.192-194。

从最近的研究成果中可以看出MISFET技术在实现提高增强型器件阈值电压方面优势明显，是比较理想的技术路线。但是目前基于传统MISFET结构的GaN基MISFET导通电流小，不利于实现大功率特性；利用AlGaN/GaN异质结的 MISFET报道中，在栅极凹槽结构的形成和制作方面采用ICP-RIE刻蚀工艺，而刻蚀工艺对材料造成的损伤影响器件性能，刻蚀后无法精确控制栅极下导电沟道平面与源漏导电沟道平面的对准，增大了器件导通电阻，电流密度低。因此在保证MISFET的高阈值电压等优点的同时，能有一种新的技术方案实现器件低导通电阻，增大电流密度成为研究的关键所在。本发明利用选择区域二次生长技术，在接入区生长异质结构，形成高浓度二维电子气，降低MISFET接入区电阻，增大电流密度;同时选择生长技术也简化了器件工艺，实现栅极和源漏极导电沟道平面的自然对准，提高器件性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种GaN增强型MISFET器件及其制备方法。本发明结合MISFET高阈值电压，低栅极漏电流的特性；以及选择生长技术，避免了刻蚀损伤导电沟道，工艺简单，重复性高，提高器件可靠性和稳定性。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种GaN增强型MISFET器件，包括衬底及设于衬底的外延层，其中，外延层由下往上依次包括应力缓冲层及GaN层，GaN层上选择生长有异质层，未生长有异质层的GaN层表面及异质层表面上形成有绝缘介质层，且在GaN层表面形成的绝缘介质层上设有栅极区域，在异质层表面刻蚀绝缘介质层形成源极区域及漏极区域，栅极区域形成有栅极金属，该源、漏极区域上形成有欧姆接触金属。

异质层为AlGaN、AlInN、AlInGaN、AlN材料中的一种或任意几种组合，该异质层为非掺杂层或N型掺杂层；GaN层为高阻GaN层或p型GaN层。

该绝缘介质层为SiO₂、SiNx、Al₂O₃、AlN、HFO₂、MgO、Sc₂O₃、Ga₂O₃、AlHFOx、HFSiON中的任一种。

绝缘层厚度可以控制在1nm～50nm。

欧姆接触金属为Ti/Al/Ni/Au合金或Ti/Al/Ti/Au合金或Ti/Al/Mo/Au合金；栅极金属为实现器件高阈值电压的各种金属或合金，如Ni/Au合金或Pt/Al合金或Pd/Au合金等。

同时，本发明提供一种GaN增强型MISFET器件的制备方法，其包括以下步骤：

A、利用金属有机化学气相沉积或者分子束外延，在衬底上依次生长应力缓冲层和GaN层；

B、在GaN层上，通过等离子体增强化学气相沉积或原子层沉积或物理气相沉积或者磁控溅镀，均匀长上一层介质层作为选择生长掩膜层；

C、采用光刻技术，选择性刻蚀掩膜层，保留栅极区域掩膜层；

D、利用金属有机化学气相沉积或者分子束外延，再生长异质层；

E、干法刻蚀完成器件隔离后，利用湿法腐蚀法刻蚀栅极掩膜层，显出绝缘介质层接触界面；

F、利用等离子体增强化学气相沉积或原子层沉积或者物理气相沉积，在接触界面沉积上绝缘物质，作为栅极绝缘层；

G、采用光刻图形刻出源极、漏极欧姆接触区域，湿法腐蚀或者干法腐蚀刻蚀窗口区域的绝缘层物质，再蒸镀上欧姆接触金属；

H、采用蒸镀工艺，在栅极绝缘层上蒸镀栅极金属。

步骤B中，在GaN层表面生长有AlN插入层。AlN插入层的厚度为1nm～10nm。

本方案首先通过掩膜技术，接入区二次生长异质层，可以增大MISFET接入区域的二维电子气浓度，降低接入区的接触电阻和器件导通电阻；其次在栅极区域，去除二次生长掩膜后，通过等离子增强化学气相沉积，原子层沉积，物理气相沉积等技术沉积上绝缘氧化物或其他绝缘物质作为MISFET绝缘层，实现器件栅极绝缘隔离；结合两技术方案最终实现器件的常关特性。

与现有技术的增强型GaN基HEMT器件相比，本发明采用了二次生长技术和绝缘栅极技术。选择源、漏区生长异质层，在接入区形成高浓度、高迁移率二维电子气，降低器件接入区接触电阻，增大器件电流密度。绝缘栅极技术，在栅极区域沉积绝缘层，在实现了器件沟道常关特性的同时，也实现了栅极导电沟道与源、漏极二维电子气沟道平面的自然对准，降低载流子在沟道中的散射形成的损耗；绝缘栅极加正电压时，沟道电子积累导通，提高器件阈值电压，降低栅极漏电流。

附图说明

图1为本发明GaN增强型MISFET及其制备方法的第一种结构示意图；

图2为本发明GaN增强型MISFET及其制备方法的第二种结构示意图；

图3为本发明GaN增强型MISFET及其制备方法的第三种结构示意图；

图4为本发明GaN增强型MISFET及其制备方法的第四种结构示意图；

图5A-5H为本发明GaN增强型MISFET及其制备方法的工艺示意图。

具体实施方式

实施例1

本实施例如图1给出了一种GaN增强型MISFET器件，其包括：衬底1以及在衬底1上通过MOCVD或者MBE生长的应力缓冲层2和GaN层3，在GaN层3上面选择生长的异质层6，选择生长时在接入区生长异质层结构，而栅极处被掩膜层5阻挡，栅极区域通过沉积形成绝缘介质层8，源漏极接入区域上蒸镀欧姆接触金属9，栅极区域绝缘介质层上面蒸镀上栅极金属10。

选择生长异质层6的厚度需要控制到既能够在GaN层界面形成足够的二维电子气浓度，又要降低源漏极欧姆接触电阻和器件导通电阻。异质层厚度可以控制在1nm～50nm。

栅极氧化绝缘介质层8的厚度的控制，既能够满足栅极接触10能很好控制沟道的导电特性，也需要保持良好栅极绝缘性。

实施例2

如图2所示，本实施例给出了一种GaN增强型MISFET器件的第二种结构，它与实施例1的器件结构大致相同，不同之处在于，选择生长异质层11时通过调制N型掺杂，进一步降低源、漏区域欧姆接触电阻，提高器件电流密度。

实施例3

如图3所示，本实施例给出了一种GaN增强型MISFET器件的第三种结构，本实施例在导电沟道区，即在GaN层3表面生长一层1nm—10nm的AlN插入层12，AlN插入层12能有效提高导电沟道2DEG浓度和迁移率，提高器件导通电流密度。具体方案为，在衬底材料上生长完GaN层3之后，生长AlN插入层12，后期工艺与实施例1相同。

实施例4

如图4所示，本实施例给出了一种GaN增强型MISFET器件的第四种结构，本实施例通过生长p型GaN层13代替高阻GaN层3；p型GaN层13在导电沟道界面处形成电子反型层时才能导通沟道，形成电子反型层需要更大的栅极正电压，是提高栅极开启电压的有效方法。

实施例5

图5A-5H为本发明一种GaN增强型MISFET器件制备方法的工艺流程示意图，其工艺流程如下：

A、利用金属有机化学气相沉积（MOCVD）或者分子束外延（MBE），在Si衬底或者SiC衬底或者蓝宝石衬底1上，依次生长应力缓冲层2和高阻GaN层3；

B、在高阻GaN层3上，通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）或原子层沉积（ALD）或者物理气相沉积（PVD）或者磁控溅镀等，均匀长上一层介质层作为选择生长掩膜层4；

C、采用光刻技术，选择性刻蚀掩膜层4，保留栅极区域掩膜层5；

D、利用金属有机化学气相沉积（MOCVD）或者分子束外延（MBE），再生长异质层6；

E、干法刻蚀完成器件隔离后，利用湿法腐蚀法刻蚀栅极掩膜层5，显出绝缘介质层8的接触界面7；

F、利用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）或原子层沉积（ALD）或者物理气相沉积（PVD）等，在接触表面7上沉积绝缘物质，作为栅极绝缘介质层8；

G、采用光刻图形刻出源极和漏极欧姆接触区域，湿法腐蚀或者干法腐蚀刻蚀窗口区域的绝缘层物质，再蒸镀上欧姆接触金属9；

H、采用蒸镀工艺，在栅极绝缘介质层8上蒸镀栅极金属10。

Claims

1.一种GaN增强型MISFET器件，包括衬底（1）及设于衬底（1）的外延层，其特征在于，外延层由下往上依次包括应力缓冲层（2）及GaN层（3），GaN层（3）上选择生长有异质层（6），未生长有异质层（6）的GaN层（3）表面及异质层（6）表面上形成有绝缘介质层（8），且在GaN层（3）表面形成的绝缘介质层（8）上设有栅极区域，在异质层（6）表面上通过刻蚀绝缘介质层（8）形成源极区域及漏极区域，栅极区域形成有栅极金属（10），该源、漏极区域上形成有欧姆接触金属（9）。

2.根据权利要求1所述的GaN增强型MISFET器件，其特征在于，异质层（6）为AlGaN、AlInN、AlInGaN、AlN材料中的一种或任意几种组合，该异质层为非掺杂层或N型掺杂层；GaN层（3）为高阻GaN层或p型GaN层。

3.根据权利要求1所述的GaN增强型MISFET器件，其特征在于，该绝缘介质层（8）为SiO₂、SiNx、Al₂O₃、AlN、HfO₂、MgO、Sc₂O₃、Ga₂O₃、AlHfOx、HfSiON中的任一种。

4.根据权利要求3所述的GaN增强型MISFET器件，其特征在于，绝缘介质层（8）厚度在1nm～50nm之间；异质层（6）厚度在1nm～50nm之间。

5.根据权利要求1至4任一项所述的GaN增强型MISFET器件，其特征在于，欧姆接触金属（9）为Ti/Al/Ni/Au合金或Ti/Al/Ti/Au合金或Ti/Al/Mo/Au合金；栅极金属（10）为实现器件高阈值电压的金属或合金。

6.根据权利要求5所述的GaN增强型MISFET器件，其特征在于，栅极金属为 Ni/Au合金或Pt/Al合金或Pd/Au合金。

7.一种GaN增强型MISFET器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、利用金属有机化学气相沉积或者分子束外延，在衬底上依次生长应力缓冲层（2）和GaN层（3）；

B、在GaN层（3）上，通过等离子体增强化学气相沉积或原子层沉积或物理气相沉积或者磁控溅镀，均匀长上一层介质层作为选择生长掩膜层（4）；

C、采用光刻技术，选择性刻蚀掩膜层（4），保留栅极区域掩膜层（5）；

D、利用金属有机化学气相沉积或者分子束外延，再生长异质层（6）；

E、干法刻蚀完成器件隔离后，利用湿法腐蚀法刻蚀栅极掩膜层（5），显出绝缘介质层（8）的接触界面（7）；

F、利用等离子体增强化学气相沉积或原子层沉积或者物理气相沉积，在接触界面（7）沉积上绝缘物质，作为栅极绝缘层；

G、采用光刻图形刻出源极、漏极欧姆接触区域，湿法腐蚀或者干法腐蚀刻蚀窗口区域的绝缘层物质，再蒸镀上欧姆接触金属（9）；

H、采用蒸镀工艺，在栅极绝缘层上蒸镀栅极金属（10）。

8.根据权利要求7所述的GaN增强型MISFET器件的制备方法，其特征在于，步骤B中，在GaN层（3）表面生长有AlN插入层（12）。

9.根据权利要求8所述的GaN增强型MISFET器件的制备方法，其特征在于，AlN插入层（12）的厚度为1nm～10nm。