CN102097483A

CN102097483A - GaN基异质结构增强型绝缘栅场效应晶体管及制备方法

Info

Publication number: CN102097483A
Application number: CN 201010617606
Authority: CN
Inventors: 刘扬; 许广宁; 沈震
Original assignee: National Sun Yat Sen University
Current assignee: Sun Yat Sen University; National Sun Yat Sen University
Priority date: 2010-12-31
Filing date: 2010-12-31
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2030-12-31
Also published as: CN102097483B

Abstract

本发明涉及一种GaN基异质结构增强型绝缘栅场效应晶体管及其制备方法。该晶体管包括衬底及设于衬底的外延层，外延层由下往上依次包括应力缓冲层、GaN层及异质层，在异质层表面上形成有绝缘介质层，且在绝缘介质层上定义有栅极区域，栅极区域注有负离子，栅极区域上形成有栅极金属，在异质层表面上通过刻蚀绝缘介质层形成源极区域及漏极区域，该源、漏极区域上形成有源极和漏极。本发明特点是：向栅极区域绝缘层注入负离子，以获得栅极下方2DEG被基本耗尽的结构，实现栅极和源漏极导电沟道平面的自然对准。此方法简单易行，可有效调整阈值电压，且对半导体材料无晶格损伤，更适合于制备高性能GaN基异质结构增强型场效应晶体管。

Description

GaN基异质结构增强型绝缘栅场效应晶体管及制备方法

技术领域

本发明涉及基于宽禁带化合物半导体材料的微波及电力电子器件领域，尤其涉及GaN基异质结构增强型绝缘栅场效应晶体管。

背景技术

以GaN为代表的宽禁带半导体材料，具有禁带宽度大（3.4eV）、击穿场强高、热导率高（1.3W/cm.K）、电子饱和漂移速度高、热稳定性好等特点，成为目前研究的热点。在场效应管方面，GaN比Si和GaAs更适合制作高温、高压、高频及大功率器件，因此，近几年来，GaN基HFET受到广泛关注。由于AlGaN/GaN异质结有强的极化效应，易形成浓度高达1×10¹³cm^-2的二维电子气，比GaAs/AlGaAs异质结高出一个数量级。此外，GaN基HFET具有较高的工作温度。有文献报道GaN基HFET在约1000K的高温仍然保持良好的直流特性，以上性能表明GaN材料非常适合于功率电子器件的制作。

但由于普通AlGaN/GaN异质界面处存在高浓度的二维电子气（2DEG），常规AlGaN/GaN HFET的肖特基栅下2DEG很难在零栅压下被耗尽，所以常规AlGaN/GaN HFET器件多表现为耗尽型(常开型)。而在很多场合，比如在功率开关器件的应用当中，需要增强型(常关型)开关器件，因此GaN材料的诸多优秀性能难以被实际应用。所以，目前GaN基增强型异质结场效应晶体管成为研究的热点。

从上面的分析我们可以看到，为了实现GaN基异质结构增强型场效应管，必须有效降低零栅压时栅极下方的沟道载流子浓度，最直接的方法即将AlGaN势垒层减薄。因为AlGaN势垒层变薄后，在异质结界面的2DEG浓度会大大降低，栅极产生的耗尽区更容易将2DEG导电沟道耗尽，实现正的开启电压。但是，该结构的接入区电阻由于势垒层的变薄而变得很大，导致器件电流密度特性劣化。因此为了获得高性能增强型GaN基HFET，一方面需降低栅极区域下方的2DEG浓度，另一方面还要提高接入区的2DEG浓度。为此，研究人员提出了改进的实现方案，如：凹栅技术、栅极氟化物等离子体处理技术和InGaN帽层结构等。凹栅技术通过等离子刻蚀把栅极下的AlGaN层减薄，从而在AlGaN层形成一个凹槽。该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，可将2DEG沟道截断，实现常关。栅极氟化物等离子体处理技术是通过在栅极下方的AlGaN层注入F^-离子，将导电沟道中的二维电子气耗尽。InGaN帽层结构是在栅极下方生长一层InGaN层。由于应力补偿作用，InGaN/AlGaN异质结的应力减弱了AlGaN/GaN异质结的应力，减少了2DEG的浓度。然而，这些方法在制作过程中均采用了等离子体处理，这将不可避免的引入对器件有源区的损伤，影响器件稳定性和可靠性。

另外，以上几种技术均属于肖特基栅极场效应晶体管技术，它与金属绝缘体半导体场效应晶体管（MISFET）相比，栅极漏电流较大。阈值电压虽可以达到0V—1V左右，但离实用化的阈值电压（3V-5V）还有一定距离。MISHFET技术在提高阈值电压，降低栅极漏电流方面有较大的优势。该技术的基本思路是，首先采用离子刻蚀形成凹栅或氟化物等离子体处理来获得栅极下方2DEG被基本耗尽的结构，然后生长栅极绝缘介质层形成MISHFET。通过施加正栅压形成多子积累来实现器件导通。该方法的关键在于栅极介质层的生长，Al₂O₃，HfO₂等高K介质层被认为是制作GaN基MIS结构的理想选择。

综上所述，MISHFET技术由于在提高阈值电压和降低栅极漏电流等方面的优势，已经成为制作增强型器件技术的主要发展趋势，但是，目前利用AlGaN/GaN异质结的增强型 MISHFET结构中，需要首先采用刻蚀凹槽或氟等离子体处理技术来耗尽栅极下方的2DEG，这两种技术在制作上都需要等离子体刻蚀工艺，而刻蚀工艺会造成有源区损伤，从而影响器件性能。因此，如何在保证MISHFET高阈值电压和低栅极漏电流等优点的同时，并且避免离子注入对器件造成的损伤，成为制作增强型器件的关键。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种GaN基异质结构增强型绝缘栅场效应晶体管及其制备方法。本发明结合了MISHFET阈值电压高、栅极漏电流低的特性，同时采用向栅极下方的绝缘介质层注入负离子的方法，获得栅极下方的2DEG被基本耗尽的结构，实现增强型的MISHFET。该方法避免了等离子体处理对栅极下方导电沟道的损伤，提高了器件的可靠性和稳定性，实现了栅极和源漏极导电沟道平面的自然对准，简化了器件工艺。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种GaN基异质结构增强型绝缘栅场效应晶体管，包括衬底及设于衬底上的外延层，外延层由下往上依次包括应力缓冲层、GaN层及异质层，在异质层表面上形成有绝缘介质层，且在绝缘介质层上定义有栅极区域，栅极区域注有负离子，且栅极区域上形成有栅极金属，在异质层表面上通过刻蚀绝缘介质层形成源极区域及漏极区域，该源、漏极区域上形成有源极和漏极。

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层为高阻层。

该绝缘介质层（5）为以下材料中的任一种：Si₃N₄、Al₂O₃、AlN、MgO、Sc₂O₃、HfO₂、Ga₂O₃及多元化合物绝缘材料AlHfO_x、HfSiON。

栅极区域注入的负离子为O离子、S离子、F离子或Cl离子。

所述源极和漏极为：钛、铝、镍、金、铂、铱、钼、钽、铌、钴、锆、钨等中的一种或多种的合金。

栅极金属为以下高功函数金属的一种或多种的组合：铂、铱、镍、金、钼、钯、硒或铍。

应力缓冲层的厚度为20nm，GaN层的厚度为3um，异质层的厚度为10-50nm。

同时，本发明还提供了一种GaN基异质结构增强型绝缘栅场效应晶体管的制备方法，其包括以下步骤：

步骤1：依次在衬底上生长应力缓冲层、GaN层和异质层；

步骤2：利用刻蚀方法形成隔离台面，实现有源区电隔离；

步骤3：在异质层上，用磁控溅射、PECVD、ALD方法，淀积绝缘介质层；淀积绝缘介质层后快速热退火：于300-1200°C下，进行1-10分钟快速热退火；

步骤4：光刻出电极图形，然后通过干法刻蚀或湿法腐蚀的方法，刻蚀绝缘介质层开出源、漏极区域，以便下一步蒸镀电极；

步骤5：在源、漏极区域，通过电子束蒸发的方法制备多层金属形成源极和漏极；蒸镀之后在高温、保护气环境下快速热退火形成欧姆接触；退火温度在500-900℃之间，退火时间在10-120秒之间；

步骤6：光刻出栅极图形，以光刻胶作为掩膜，通过离子注入设备或等离子体处理，向栅极区域注入负离子；注入后取出样片，保留光刻图形；

步骤7采用自对准的方法，通过电子束蒸发在绝缘介质层上制备金属形成栅极金属；

步骤8：快速热退火：于300-500°C下，10-60秒快速热退火。

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。

与现有的增强型GaN基异质结构场效应管相比，本发明采用了绝缘栅技术，同时向栅极区域绝缘层注入负离子。注入绝缘层中的负离子将栅极下方高浓度的2DEG耗尽，实现导电沟道的关断。由于离子注入到介质层，故不会对半导体材料造成晶格损伤。结合两种技术方案，最终实现了阈值电压高、栅极漏电流低、饱和电流密度高的异质结构增强型场效应晶体管，且制备工艺简单。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的GaN基异质结构增强型绝缘栅场效应晶体管的结构示意图；

图2是本发明实施例2提供的GaN基异质结构增强型绝缘栅场效应晶体管的结构示意图；

图3.1-图3.7是本发明提供的GaN基异质结构增强型绝缘栅场效应晶体管的制造方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

本实施例如图1给出了一种GaN基异质结构增强型绝缘栅场效应晶体管，包括衬底1以及在衬底1上的外延层，其中，外延层由下往上一次包括应力缓冲层2和GaN层3及异质层4，在异质层4表面上形成有绝缘介质层5，且在绝缘介质层5上定义有栅极区域9，栅极区域9注有负离子，且栅极区域9上形成有栅极金属8，在异质层4表面上通过刻蚀绝缘介质层5形成源极区域及漏极区域，该源、漏极区域上形成有源极6和漏极7。

异质层4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。异质层4厚度可以控制在10nm～50nm。

栅极区域9注入的负离子为O离子、S离子、F离子或Cl离子。

对栅极区域绝缘介质层9厚度的控制，既能够满足栅极金属8能有效的控制沟道，又能保持良好的栅极绝缘性。

实施例2

如图2所示，本实施例给出了一种GaN基异质结构增强型绝缘栅场效应晶体管的第二种结构，它与实施例1的器件结构大致相同，不同之处在于，所述的栅极金属11为高功函数金属铂（Pt）、镍（Ni）、金（Au）。通过改变栅极金属的功函数，可以调整栅极阈值电压。金属功函数越高，越有利于提高阈值电压。

实施例3

图3.1-3.7为本发明一种GaN基异质结构增强型绝缘栅场效应晶体管制备方法的工艺流程示意图，其工艺流程如下：

步骤1：如图3.1所示，在衬底1上，利用MOCVD方法，首先生长一层20nm厚度的应力缓冲层2，本实施例中，该应力缓冲层2为AlN缓冲层2，然后控制生长条件在其上生长3μm厚度的高阻GaN层3。最后生长10-50nm厚度的介质层4，本实施例中，该异质层4 为AlGaN薄层4，该AlGaN薄层与GaN层3形成异质结构，并在界面处形成2DEG沟道，浓度在10¹⁰-10¹⁴/cm²之间。该衬底1可以是蓝宝石Sapphire、硅Si、碳化硅SiC、氮化镓GaN或砷化镓GaAs等。

步骤2：如图3.2所示，利用刻蚀方法形成隔离台面，实现有源区电隔离；

步骤3：如图3.3所示，在AlGaN薄层4上，可以用磁控溅射、PECVD、ALD等方法，淀积高介电常数的（ε_r>6）绝缘介质层5。绝缘介质层5可为如下材料中一种：Al₂O₃、AlN、Si₃N₄、SiN_x、MgO、Sc₂O₃、HfO₂、Ga₂O₃及多元化合物绝缘材料AlHfO_x、HfSiON等。淀积高K绝缘介质层5后快速热退火：于300-1200°C下，1-10分钟快速热退火。

步骤4：如图3.4所示，先光刻出电极图形，然后通过干法刻蚀或湿法腐蚀的方法，刻蚀绝缘介质层5开出源、漏极窗口区域，以便下一步蒸镀电极；

步骤5：如图3.5所示，在AlGaN层4上，未被介质层覆盖的电极区，通过电子束蒸发的方法制备多层金属形成源极6和漏极7。源极6和漏极7可以为以下金属：钛（Ti）、铝（Al）、镍（Ni）、金（Au）、铂（Pt）、铱（Ir）、钼（Mo）、钽（Ta）、铌（Nb）、钴（Co）、锆（Zr）、钨（W）等中的一种或多种合金。蒸镀之后在高温、保护气环境下快速热退火形成欧姆接触。退火温度在500-900℃之间，退火时间在10-120秒之间；

步骤6：如图3.6所示，光刻出栅极图形，以光刻胶10作为掩膜，向栅极区域9注入负离子。注入后取出样片，保留光刻图形；

步骤7：如图3.7所示，采用自对准的方法，通过电子束蒸发在栅极区域介质层9上制备金属形成栅极8。电极可为以下金属：铂（Pt）、铱（Ir）、镍（Ni）、金（Au）、钼（Mo）、钯（Pd）、硒（Se）、铍（Be）等。

步骤8：快速热退火：于300-500°C下，10-60秒快速热退火。要保证在该温度下不会改变栅极肖特基势垒的高度。退火后，注入的负离子将会被驱动到栅极区域9中并形成固定电荷。

Claims

1.一种GaN基异质结构增强型绝缘栅场效应晶体管，包括衬底（1）及设于衬底（1）上的外延层，其特征在于：外延层由下往上依次包括应力缓冲层（2）、GaN层（3）及异质层（4），在异质层（4）表面上形成有绝缘介质层（5），且在绝缘介质层（5）上定义有栅极区域（9），栅极区域（9）注有负离子，且栅极区域（9）上形成有栅极金属（8），在异质层（4）表面上通过刻蚀绝缘介质层（5）形成源极区域及漏极区域，该源、漏极区域上形成有源极（6）和漏极（7）。

2.如权利要求1所述的GaN基异质结构增强型绝缘栅场效应晶体管，其特征在于，异质层（4）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。

3.如权利要求1所述的GaN基异质结构增强型绝缘栅场效应晶体管，其特征在于，该绝缘介质层（5）为以下材料中的任一种：Si₃N₄、Al₂O₃、AlN、MgO、Sc₂O₃、HfO₂、Ga₂O₃及多元化合物绝缘材料AlHfO_x、HfSiON。

4.如权利要求1所述的GaN基异质结构增强型绝缘栅场效应晶体管，其特征在于，栅极区域（9）注入的负离子为O离子、S离子、F离子或Cl离子。

5.如权利要求1所述的GaN基异质结构增强型绝缘栅场效应晶体管，其特征在于，所述源极（6）和漏极（7）为：钛、铝、镍、金、铂、铱、钼、钽、铌、钴、锆、钨等中的一种或多种的合金。

6.如权利要求1所述的GaN基异质结构增强型绝缘栅场效应晶体管，其特征在于，栅极金属为以下高功函数金属的一种或多种的组合：铂、铱、镍、金、钼、钯、硒或铍。

7.一种GaN基异质结构增强型绝缘栅场效应晶体管的制备方法，其特征在于，应力缓冲层（2）的厚度为20nm，GaN层（3）的厚度为3um，异质层（4）的厚度为10-50nm。

8.一种GaN基异质结构增强型绝缘栅场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：依次在衬底上生长应力缓冲层（2）、GaN层（3）及异质层（4）；

步骤2：利用刻蚀方法形成隔离台面，实现有源区电隔离；

步骤3：在异质层（4）上，用磁控溅射、PECVD或ALD方法，淀积绝缘介质层（5）；淀积绝缘介质层（5）后快速热退火：于300-1200°C下，1-10分钟内快速热退火；

步骤4：光刻出电极图形，然后通过干法刻蚀或湿法腐蚀的方法，刻蚀绝缘介质层（5）开出源、漏极区域，以便下一步蒸镀电极；

步骤5：在源、漏极区域，通过电子束蒸发的方法制备多层金属形成源极（6）和漏极（7）；蒸镀之后在高温、保护气环境下快速热退火形成欧姆接触；退火温度在500-900℃之间，退火时间在10-120秒之间；

步骤6：光刻出栅极区域（9），以光刻胶（10）作为掩膜，向栅极区域（9）注入负离子；注入后取出样片，保留光刻图形；

步骤7：采用自对准的方法，通过电子束蒸发在绝缘介质层（5）上制备金属形成栅极金属（8）；

步骤8：快速热退火：于300-500°C下，10-60秒快速热退火。

9.如权利要求8所述的GaN基异质结构增强型绝缘栅场效应晶体管的制备方法，其特征在于，步骤6中，负离子注入通过离子注入设备注入离子，或通过等离子体处理注入离子，并通过改变离子注入的能量、剂量和热处理条件，调控离子的注入浓度。

10.如权利要求8所述的GaN基异质结构增强型绝缘栅场效应晶体管的制备方法，其特征在于，衬底(1)为蓝宝石、硅、碳化硅、砷化镓或氮化镓。