CN102184943A

CN102184943A - 一种增强型AlGaN/GaN HEMT器件及其制备方法

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Publication number: CN102184943A
Application number: CN 201110096268
Authority: CN
Inventors: 刘兴钊; 陈超; 李言荣; 张万里
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2011-04-18
Filing date: 2011-04-18
Publication date: 2011-09-14

Abstract

一种增强型AlGaN/GaN HEMT器件及其制造方法，属于半导体器件技术领域。器件包括位于衬底表面的AlGaN/GaN异质结和栅、源、漏电极结构，其中栅介质薄膜材料中具有F离子或Cl离子固定负电荷。本发明通过在栅介质薄膜中引入F离子或Cl离子固定负电荷，并通过控制所引入固定负电荷的电荷量来调节晶体管的阈值电压，并实现阈值电压大于零的增强型AlGaN/GaN HEMT器件。本发明通过在栅介质薄膜材料中引入固定负电荷的方法来获得增强型AlGaN/GaN HEMT器件结构，由于对AlGaN/GaN异质结界面特性没有影响，故而不会造成器件性能的退化，且工艺简单可控，与耗尽型(常开型)AlGaN/GaN HEMT器件的制造工艺相兼容，制造GaN增强型效应晶体管的所制造的器件源漏饱和电流密度、栅漏电流小，特别适合于研制GaN逻辑电路。

Description

一种增强型AlGaN/GaN HEMT器件及其制备方法

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，涉及半导体场效应晶体管及其制备方法，尤其涉及AlGaN/GaN异质结HEMT器件及其制备方法。

背景技术

与基于铝镓砷/镓砷(AlGaAs/GaAs)异质结的高电子迁移率晶体管(HEMT)相比，基于铝镓氮/镓氮(AlGaN/GaN)异质结的HEMT器件具有以下优点：

1、AlGaN/GaN异质结界面的二维电子气(2DEG)浓度较高(可达10¹³em^-2)，比AlGaAs/GaAs异质结界面的2DEG浓度高出近一个数量级，因此，基于AlGaN/GaN异质结的HEMT器件具有更高的输出功率密度。作为规模化生产的产品，基于AlGaN/GaN异质结的HEMT器件功率密度已达到达10W/毫米以上，比GaAs基HEMT器件的功率密度高出近20倍。

2、由于GaN属于宽禁带半导体，其工作温度高，可在500℃以上正常工作，而基于AlGaAs/GaAs异质结的HEMT器件的极限工作温度约为200℃左右。

3、由于GaN具有更高的击穿电场，因此，基于AlGaN/GaN异质结的HEMT器件具有较高的栅-漏击穿电压，与AlGaAs/GaAs异质结HEMT器件相比，其工作偏置高出好几倍以上。

4、由干GaN材料化学键能高，材料的物理化学性能稳定，受外来的物理、化学作用的影响弱，因此，基于AlGaN/GaN异质结的HEMT具有很强的抗辐照能力。

由于基于AlGaN/GanN异质结的HEMT器件具有上述特点，使其广泛应用于雷达、通信及航空航天等领域，使之成为了继硅(Si)、砷化镓之后最有应用潜力的半导体材料，并广泛受到业界和学界的关注和研究。

但是，由于GaN是一种强极性半导体材料，在AlGaN/GaN异质结界面自然形成高浓度的2DEG，在通常情况下很难耗尽AlGaN/GaN异质结界面的2DEG，所以，基于AlGaN/GaN异质结的HEMT器件通常均为耗尽型，即：在零偏压下AlGaN/GaN异质结的HEMT器件处于常开状态，只有在栅上加一定大小的负偏压时，才能使器件处于关断状态。

在数字逻辑集成电路设计和研制时，往往既需要耗尽型器件，还需要增强型器件(即：处于常关状态的器件，只有加一定的正栅压器件才能工作)。为此，研究工作者一直在探索增强型AlGaN/GaN HEMT器件的制备方法。目前，人们已成功采用以下方法制备出了增强型AlGaN/GaN HEMT器件：

1、通过能带设计和剪切降低AlGaN/GaN异质结界面的2DEG浓度，从而实现增强型GaNHEMT器件。

这一方法的最大缺点是无法实现与耗尽型GaN HEMT器件的兼容，也就是说：无法在同一片材料上既制备增强型GaN HEMT器件，还研制出耗尽型GaN HEMT器件。因此，这种方法无法满足GaN数字逻辑电路的研制需要。

2、通过减薄栅区的AlGaN势垒层厚度，降低栅区的2DEG浓度，从而实现增强型GaNHEMT器件。

这种方法虽然有效，但其最大的问题是：由于很难监控刻蚀速率，导致栅区AlGaN势垒层的厚度难以准确控制。因此，所制备的增强型GaN HEMT器件的性能一致性和重复性难以保证，这对于GaN数字逻辑电路的研制来说，同样是很难接受的。

3、对栅区AlGaN势垒层注入F离子，耗尽栅区的2DEG，从而实现增强型GaN HEMT器件。

这种方法虽然避免了以上两种方法的缺点，但其最大的问题是栅区AlGaN势垒层的F离子注入会破坏AlGaN/GaN异质结界面特性，使GaN增强型HEMT器件的性能退化，从而使所研制的GaN集成电路性能较差。

总之，现有的增强型AlGaN/GaN HEMT器件技术方案都存在较大问题，需要发明新的技术方法，既能实现增强型AlGaN/GaN HEMT器件与耗尽型AlGaN/GaN HEMT器件在制备工艺上的兼容，又能最大限度地保证增强型GaN HEMT器件与耗尽型GaN HEMT器件性能相当。

发明内容

本发明提供一种增强型(常关型)AlGaN/GaN HEMT器件及其制备方法。所述增强型AlGaN/GaN HEMT器件通过在绝缘栅介质中引入固定负电荷，并通过控制所引入固定负电荷的电荷量来调节晶体管的阈值电压，并实现阈值电压大于零增强型AlGaN/GaN HEMT器件。所述增强型AlGaN/GaN HEMT器件的制备方法工艺简单可控，与耗尽型(常开型)AlGaN/GaNHEMT器件的制备工艺相兼容，制备GaN增强型效应晶体管的所制备的器件源漏饱和电流密度、栅漏电流小，特别适合于研制GaN逻辑电路。

本发明技术方案如下：

一种增强型AlGaN/GaN HEMT器件，如图1所示，包括位于衬底表面的GaN薄膜、位于GaN薄膜表面的AlGaN薄膜，所述AlGaN薄膜与GaN薄膜形成AlGaN/GaN异质结；在所述AlGaN薄膜上具有栅、源、漏电极，其中栅电极位于源电极和漏电极之间，且在栅电极与AlGaN薄膜之间具有栅介质薄膜。所述栅介质薄膜材料中具有固定负电荷。

上述增强型AlGaN/GaN HEMT器件中，所述衬底材料可以采用碳化硅(SiC)、硅(Si)或蓝宝石(Al₂O₃)；所述栅介质薄膜材料可以采用Al₂O₃、SiO₂、HfO₂、HfTiO、ZrO₂、SiN_x、SiNO或MgO；所述固定负电荷可采用F离子或Cl离子。

本发明提供的一种增强型AlGaN/GaN HEMT器件的制备方法，如图2所示，包括以下步骤：

步骤1：在衬底表面先外延生长一层GaN薄膜，然后在GaN薄膜表面生长一层AlGaN薄膜，形成AlGaN/GaN异质结。所述衬底材料可以采用碳化硅(SiC)、硅(Si)或蓝宝石(Al₂O₃)。

步骤2：在AlGaN/GaN异质结表面制备一层栅介质薄膜。所述栅介质薄膜材料可以采用Al₂O₃、SiO₂、HfO₂、HfTiO、ZrO₂、SiN_x、SiNO或MgO。

步骤3：光刻栅介质薄膜，定义出源极区和漏极区，沉积源极金属和漏极金属，形成源极和漏极。

步骤4：光刻定义出栅极区，采用离子注入或离子扩散工艺，在栅介质薄膜材料中注入或扩散F离子或Cl离子，形成引入F离子或Cl离子固定负电荷的栅介质薄膜。

步骤5：在栅介质薄膜表面沉积金属形成栅电极。

本发明提供的另一种增强型AlGaN/GaN HEMT器件的制备方法，如图3所示，包括以下步骤：

步骤1：在衬底表面先外延生长一层GaN薄膜，然后在GaN薄膜表面生长一层AlGaN薄膜，形成AlGaN/GaN异质结；

步骤2：采用气氛真空沉积薄膜工艺，在含F或Cl的气氛条件下，在AlGaN/GaN异质结表面真空沉积栅介质薄膜，形成带固定F离子或Cl离子固定负电荷的栅介质薄膜。

步骤4：在栅介质薄膜表面沉积金属形成栅电极。

本发明提供的增强型AlGaN/GaN HEMT器件，既可以与金属-半导体结构的耗尽型GaN场效应晶体管(MESHEMT)进行集成，构成GaN集成电路(如图4所示)；还可以与耗尽型GaN MISHEMT器件进行集成，构成GaN集成电路(如图5所示)。

本发明提供的增强型AlGaN/GaN HEMT器件，采用了三种工艺方法向栅介质薄膜材料中引入F离子或Cl离子固定负电荷：1)离子注入，2)离子扩散，3)气氛条件下真空沉积介质薄膜，在制备栅介质薄膜的同时引入F离子或Cl离子固定负电荷。对采用离子注入工艺向栅介质薄膜材料中引入F离子或Cl离子固定负电荷时，通过控制注入离子的能量和离子剂量来调控进入到绝缘栅介质中的固定负电荷的电荷量；对采用离子扩散工艺向栅介质薄膜材料中引入F离子或Cl离子固定负电荷时，通过控制扩散源浓度和扩散时间来控制进入到绝缘栅介质薄膜材料中的固定负电荷的电荷量；对于采用在含F、Cl的气氛中真空沉积绝缘栅介质薄膜引入固定负电荷的方法，通过控制薄膜沉积气氛中含F、Cl气体的分压来调控进入到绝缘栅介质中的固定负电荷的电荷量。无论采用那一种方法向栅介质薄膜材料中引入F离子或Cl离子固定负电荷，都要确保引入的F离子或Cl离子固定负电荷只存在于栅介质薄膜材料中，而不能进入到AlGaN势垒层，从而确保AlGaN/GaN异质结界面特性和器件的性能不发生退化。

本发明提供的增强型(常关型)AlGaN/GaN HEMT器件及其制备方法，由于在绝缘栅介质中引入了F离子或Cl离子固定负电荷，并通过控制所引入固定负电荷的电荷量来调节晶体管的阈值电压，并实现阈值电压大于零增强型AlGaN/GaN HEMT器件。与常规增强型AlGaN/GaN HEMT器件结构或制备方法相比较，本发明通过在栅介质薄膜材料中引入固定负电荷的方法来获得增强型AlGaN/GaN HEMT器件结构，由于对AlGaN/GaN异质结界面特性没有影响，故而不会造成器件性能的退化。所述增强型AlGaN/GaN HEMT器件的制备方法工艺简单可控，与耗尽型(常开型)AlGaN/GaN HEMT器件的制备工艺相兼容，制备GaN增强型效应晶体管的所制备的器件源漏饱和电流密度、栅漏电流小，特别适合于研制GaN逻辑电路。

附图说明

图1是本发明提供的增强型AlGaN/GaN HEMT器件的结构示意图。

图2是采用离子注入法或离子扩算法制备增强型AlGaN/GaN HEMT器件的制备工艺流程示意图。

图3是采用在含F或Cl气氛中真空沉积绝缘栅介质薄膜的方法制备增强型AlGaN/GaNHEMT器件的制备工艺流程示意图。

图4是本发明提供的增强型AlGaN/GaN HEMT器件与耗尽型GaN MESHEMT器件集成的GaN集成电路示意图。

图5是本发明提供的增强型AlGaN/GaN HEMT器件与耗尽型GaN MISHEMT器件集成的GaN集成电路示意图。

图6是本发明实施方式中采用F:Al₂O₃薄膜为栅介质薄膜的增强型AlGaN/GaN HEMT器件结构示意图。

图7是本发明实施方式中采用F:Al₂O₃薄膜为栅介质薄膜的增强型AlGaN/GaN HEMT器件的转移特性。

图8是本发明实施方式中采用F:Al₂O₃薄膜为栅介质薄膜的增强型AlGaN/GaN HEMT器件的输出特性。

图9是本发明实施方式中采用F:Al₂O₃薄膜为栅介质薄膜的增强型AlGaN/GaN HEMT器件栅漏电特性。

图10是本发明实施方式中采用F:Al₂O₃薄膜为栅介质薄膜的增强型AlGaN/GaN HEMT器件栅介质薄膜中F离子和O离子成分分布。

具体实施方式

采用本发明如图2所示的工艺流程，采用F离子注入的Al₂O₃(以下简写为：F:Al₂O₃)薄膜作为栅介质的增强型AlGaN/GaN HEMT器件，其器件结构示意图如图6所示。其具体实施方式如下：

(1)、首先在蓝宝石衬底上制备AlGaN/GaN异质结材料，然后采用分子束外延(MBE)在AlGaN/GaN异质结材料表面沉积一层约10nm厚的Al₂O₃薄膜。

(2)、在覆盖有Al₂O₃薄膜的AlGaN/GaN异质结材料表面旋涂光刻胶，通过光刻定位出源区(Source)和漏区(Drain)的位置，再用1∶100的HF溶液将源区和漏区位置的Al₂O₃薄膜刻蚀掉。采用电子束蒸发技术沉积Ti/Al/Ni/Au多层膜金属电极，Ti/Al/Ni/Au多层膜金属电极的厚度分别为20nm/100nm/30nm/50nm，采用剥离工艺制备出源区和漏区的金属电极，并在氮气氛中对金属电极进行快速退火处理(退火温度825℃，退火时间30s)，以形成欧姆电极。

(3)、光刻定位出栅区位置，在反应离子刻蚀机内，用CF₄作为反应气体，对栅区进行F离子注入，工艺条件为：注入功率60W，工作气压20mTorr，注入时间300s。

(4)、再采用电子束蒸发在晶圆表面沉积Ni/Au金属薄膜，Ni/Au金属薄膜的厚度分别为100nm/50nm，并通过剥离工艺形成栅金属电极，再在氮气氛下对整个晶圆进行退火处理(退火温度400℃，退火时间10min.)。

通过以上工艺步骤，就可研制出了这种F:Al₂O₃栅介质的增强型GaN MISHEMT器件，为了对比，本发明还研制了与图5同样结构的以Al₂O₃薄膜(未在Al₂O₃薄膜中注入F离子)作为栅介质的GaN MISHEMT器件。采用HP4284A LCR仪对所研制的这两种器件进行电学性质测试。

图7给出了这两种器件的转移特性，可以看出：采用Al₂O₃薄膜作为栅介质的GaNMISHEMT器件阈值电压为-4.2V，为耗尽型GaN MISHEMT器件；而采用F:Al₂O₃薄膜作为栅介质的GaN MISHEMT器件阈值电压约为+0.3V，为增强型GaN MISHEMT器件。与同样结构的耗尽型GaN MISHEMT器件相比，虽然采用本发明研制的这种耗尽型GaN MISHEMT器件的最大饱和电流密度和跨导均略低一些，但仍然达到了600mA/mm及160mS/mm，性能良好。

图8给出了采用本发明研制的以F:Al₂O₃作为栅介质的增强型GaN MISHEMT器件的输出特性，当栅电压从-3V增大到+5V时，器件的输出特性仍然良好。

图9给出了采用本发明研制的以F:Al₂O₃作为栅介质的增强型GaN MISHEMT器件的栅漏电特性，即使在正5V偏压下仍然保持很低的栅漏电。

采用X射线光电子能谱分析(XPS)方法对栅介质中的F离子和O离子成分沿薄膜厚度方向做深度谱，其分析结果如图10所示，F离子主要分布在Al₂O₃栅介质的最表层，从而证明了：在本发明技术中，固定电荷并未进入到AlGaN势垒层中。

以上测试结果说明：采用本发明技术不仅可实现增强型GaN MISHEMT器件，而且本发明技术具有以下优点：

(1)、与其它制备增强型GaN场效应晶体管的技术相比，本技术的制备工艺可控性好，所研制的器件性能重复性好。

(2)、所研制的增强型GaN MISHEMT器件性能良好，最大源漏饱和电流密度大，栅漏电小，器件工作电压范围宽，完全可满足GaN集成电路研制需要。

Claims

1.一种增强型AlGaN/GaN HEMT器件，包括位于衬底表面的GaN薄膜、位于GaN薄膜表面的AlGaN薄膜，所述AlGaN薄膜与GaN薄膜形成AlGaN/GaN异质结；在所述AlGaN薄膜上具有栅、源、漏电极，其中栅电极位于源电极和漏电极之间，且在栅电极与AlGaN薄膜之间具有栅介质薄膜；其特征在于，所述栅介质薄膜材料中具有固定负电荷。

2.根据权利要求1所述的增强型AlGaN/GaN HEMT器件，其特征在于，所述衬底材料为碳化硅、硅或蓝宝石。

3.根据权利要求1所述的增强型AlGaN/GaN HEMT器件，其特征在于，所述栅介质薄膜材料为Al₂O₃、SiO₂、HfO₂、HfTiO、ZrO₂、SiN_x、SiNO或MgO。

4.根据权利要求1所述的增强型AlGaN/GaN HEMT器件，其特征在于，所述固定负电荷为F离子或Cl离子。

5.一种增强型AlGaN/GaN HEMT器件的制备方法，包括以下步骤：

步骤2：在AlGaN/GaN异质结表面制备一层栅介质薄膜；

步骤3：光刻栅介质薄膜，定义出源极区和漏极区，沉积源极金属和漏极金属，形成源极和漏极；

步骤4：光刻定义出栅极区，采用离子注入或离子扩散工艺，在栅介质薄膜材料中注入或扩散F离子或Cl离子，形成引入F离子或Cl离子固定负电荷的栅介质薄膜；

步骤5：在栅介质薄膜表面沉积金属形成栅电极。

6.一种增强型AlGaN/GaN HEMT器件的制备方法，包括以下步骤：

步骤2：采用气氛真空沉积薄膜工艺，在含F或Cl的气氛条件下，在AlGaN/GaN异质结表面真空沉积栅介质薄膜，形成带固定F离子或Cl离子固定负电荷的栅介质薄膜；

步骤4：在栅介质薄膜表面沉积金属形成栅电极。

7.根据权利要求5或6所述的增强型AlGaN/GaN HEMT器件的制备方法，其特征在于，所述衬底材料为碳化硅、硅或蓝宝石。

8.根据权利要求5或6所述的增强型AlGaN/GaN HEMT器件的制备方法，其特征在于，所述栅介质薄膜材料为Al₂O₃、SiO₂、HfO₂、HfTiO、ZrO₂、SiN_x、SiNO或MgO。