CN103377926A

CN103377926A - 一种常闭型氮化镓场效应晶体管的制造方法

Info

Publication number: CN103377926A
Application number: CN 201210112158
Authority: CN
Inventors: 刘朋; 王振中; 李超
Original assignee: Wuxi Paiteng Micro-Nano Science & Technology Co Ltd
Current assignee: Wuxi Paiteng Micro-Nano Science & Technology Co Ltd
Priority date: 2012-04-17
Filing date: 2012-04-17
Publication date: 2013-10-30

Abstract

一种常闭型氮化镓场效应晶体管的制造方法，包括：提供衬底材料，所述衬底材料表面外延生长氮化镓层，所述氮化镓层表面生长铝镓氮层；通过第一次等离子体刻蚀，形成工作区域；通过第二次等离子体刻蚀形成源极和漏极接触区域；沉积源极和漏极金属；通过第三次等离子体刻蚀金属形成源极和漏极结构；高温退火形成源极和漏极欧姆接触；向栅极区域注入氟离子；沉积栅极金属；通过第四次等离子体刻蚀形成栅极结构；通过本发明所提供的方法可以提供与现有硅器件生产线相兼容的生产方法，避免了剥离过程所带来的污染问题，并提高产品良率。

Description

一种常闭型氮化镓场效应晶体管的制造方法

技术领域

本发明涉及半导体领域，特别涉及氮化镓场效应晶体管的制作方法。

背景技术

基于硅材料的功率半导体器件经过多年发展，器件的性能已经趋近硅材料的理论极限。目前功率半导体器件正进入以氮化镓（GaN）代表的第三代宽禁带半导体时代。在降低器件自身的电力损耗、提高开关频率和器件耐热性能等方面，与硅基功率半导体器件相比，GaN基功率半导体器件均具有非常大的优势。

常闭型GaN场效应晶体管的典型结构如图1所示，在衬底材料101表面外延生长过渡层102，过渡层102表面外延生长GaN层103，GaN层表面外延生长铝镓氮（AlGaN）层104；AlGaN层104和GaN层103之间，由于压电效应和自发极化，形成二维电子气105。在AlGaN层104的表面沉积金属并进行高温退火，形成源极108和漏极106。在栅极区域向AlGaN层104注入氟离子。在AlGaN层104的表面沉积金属，形成栅极107。当栅极107上的电压为0时，AlGaN层104中的氟离子对栅极107之下位置的二维电子气105起到耗尽的作用，形成常闭型场效应晶体管。

在现有技术下，在制作常闭型GaN晶体管的过程中，为了在源、漏极与二维电子气105之间得到良好的欧姆接触，一般源极和漏极采用Ti/Al/XY/Au（XY=Ni, Pb, Mo）的多层金属结构。由于金（Au）的污染问题，目前的GaN工艺不能与现有的Si-CMOS工艺相兼容，制约了GaN技术的发展。在IEEE Electron Device Lett. 32, 623 (2011) 中，公开了一种不使用Au的GaN晶体管制造方法，然而此种方法需要采用传统的剥离（lift-off）方法。传统的剥离工艺会导致如下三个问题：（1）光刻胶可能无法完全溶解会造成部分金属薄膜残留在表面；（2）沉积在光刻胶侧壁的金属可能无法完全去除；和（3）剥离后的金属薄膜有可能重新附着在表面的其它位置。以上问题的存在对最终产品会造成两方面的影响：一是在随后高温退火过程中，光刻胶的分解会带来污染，进而影响GaN场效应晶体管的性能；二是会降低GaN场效应晶体管的产品良率。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种制造常闭型GaN晶体管的方法，包括：

提供衬底；所述衬底表面形成有过渡层；所述过渡层表面形成有采用外延方法形成的GaN层，所述GaN表面形成有采用外延方法形成的AlGaN层；通过第一次等离子体刻蚀，形成工作区域；第二次等离子体刻蚀形成源极和漏极接触区域；沉积金属；通过第三次等离子体刻蚀金属并高温退火形成源极和漏极结构；向栅极区域的AlGaN层注入氟离子；沉积金属并等离子体刻蚀所沉积金属，高温退火，形成栅极结构。

进一步，所述衬底的材料是硅、碳化硅、氮化镓和氧化铝中的一种。

进一步，所述过渡层的材料是氮化铝。

进一步，所述GaN层的厚度为200 nm ~ 5000 nm；优选1000nm ~ 2000nm。

进一步，所述AlGaN层的厚度为10 nm ~ 100 nm；优选10nm ~ 30nm。

进一步，所述AlGaN层中，Al的摩尔组分为5% ~ 50%；优选20% ~ 30%。

进一步，形成工作区域的等离子体刻蚀深度为150nm ~ 500nm。

可选地，形成工作区域的等离子体刻蚀使用BCl₃和Cl₂的混合气体。

进一步，沉积源极和漏极金属之前的等离子体刻蚀深度在GaN层表面下5nm ~ 25nm。

可选地，沉积源极和漏极金属之前的等离子体刻蚀使用BCl₃和Cl₂的混合气体。

进一步，形成所述源极和漏极的多层金属薄膜结构为Ti/Al/W。

可选地，形成所述源极和漏极的等离子体刻蚀使用如下混合刻蚀气体：刻蚀W使用的混合气体为SF₆和O₂的混合气体；刻蚀Al使用的混合气体为BCl₃和Cl₂的混合气体；刻蚀Ti使用气体CF₄。

进一步，源极和漏极金属的退火温度为600℃ 至 1000℃，退火气氛为氮气，退火时间为10秒至60秒；特别地，源极和漏极金属的退火温度为800℃ 至 900℃。

进一步，向栅极区域的AlGaN层注入氟离子的方法为使用CF₄等离子体。

进一步，形成所述栅极的多层金属薄膜结构为Ti/Al/W、Ni/Al/W、Ti/W、Ni/W、Ti/Al/Pt、Ni/Al/Pt、Ti/Pt以及Ni/Pt中的一种。

可选地，形成所述栅极的等离子体刻蚀使用如下混合刻蚀气体：刻蚀W使用的混合气体为SF₆和O₂的混合气体；刻蚀Al使用的混合气体为BCl₃和Cl₂的混合气体；刻蚀Ti使用气体CF₄。刻蚀Ni和Pt用什么气体？

进一步，栅极金属的退火温度为400℃至600℃，退火气氛为氮气，退火时间为600秒至1000秒。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：通过本发明所提供的方法可以提供与现有硅器件生产线相兼容的生产方法，避免了剥离过程所带来的污染问题，并提高产品良率。

附图说明

图1是现有GaN晶体管剖面结构示意图；

图2至图10，是本发明的第一实施例所提供的采用了肖特基型栅极常闭型GaN晶体管制造方法的流程示意图；

图11至图19，是本发明的第二实施例所提供的采用了金属-绝缘体-半导体型栅极结构的常闭型GaN晶体管制造方法的流程示意图。

具体实施方式

由背景技术可知，传统的源极、漏极和栅极金属化的制造方法与现有Si基芯片生产线不能兼容，Au的使用会造成生产线的污染；传统的剥离工艺会造成器件的污染，降低器件的性能，并降低器件制造的产品良率。

发明人针对上述问题进行研究，选取与Si工艺相兼容的特定的多层金属结构，并且采用针对所选取金属结构的等离子体刻蚀工艺，可以解决上述涉及工艺兼容性、器件性能降低和产品良率低等一系列问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

发明人经过进一步研究，在本发明中提供一种常闭型氮化镓场效应晶体管的制造方法，图2至图10是本发明第一实施例所提供的常闭型氮化镓场效应晶体管的制造方法的流程示意图，包括：

图2示出，在衬底201表面外延生长过渡层202，所述衬底201的材料是硅，所述过渡层202的材料是氮化铝（AlN），所述过渡层202的厚度为2nm；过渡层202表面外延生长GaN层203，厚度为2000nm；GaN层203表面外延生长铝镓氮（AlGaN）层204，其中Al元素摩尔组分为25%，厚度为20nm；GaN层203和 AlGaN层204之间，由于压电效应和自发极化，形成一层二维电子气205。

图3示出，在所述AlGaN层204表面形成第一光刻胶层（未示出），所述第一光刻胶层定义了工作区域A-A’，所述工作区域用于在后续工艺中形成氮化镓场效应晶体管的导电通道。以所述第一光刻胶层为掩模，使用BCl₃和Cl₂的混合气体依次对AlGaN层204和GaN层203进行第一次离子体刻蚀，刻蚀深度d1为200nm，通过刻蚀时间和刻蚀功率控制刻蚀深度。

图4示出，去除第一光刻胶层，并在所述工作区域表面形成第二光刻胶层（未示出）。所述第二光刻胶层定义了源极和漏极欧姆接触区域的位置和大小。以所述第二光刻胶层为掩模，通过使用BCl₃和Cl₂的混合气体对所述工作区域的进行第二次等离子体刻蚀，刻蚀深度d2为25nm，形成源极和漏极欧姆接触区域。通过刻蚀时间和刻蚀功率控制刻蚀深度。

图5示出，去除第二光刻胶层，在如图4所示的结构表面沉积第一多层金属薄膜结构209，第一多层金属薄膜结构209的沉积顺序和厚度依次为Ti 50nm，Al 80nm和W 20nm；多层金属薄膜在侧壁与二维电子气层205接触。在本发明的其他实施例中，所述第一多层金属薄膜结构还可以是Ni/Al/W、 Ti/W、Ni/W、Ti/Al/Pt、Ni/Al/Pt、Ti/Pt以及Ni/Pt中的一种。

图6示出，在所述第一多层金属薄膜结构209表面形成第三光刻胶层（未示出），以所述第三光刻胶层为掩模，采用等离子体刻蚀工艺对所述第一多层金属薄膜结构209进行刻蚀，并进行高温退火，形成源极208和漏极206，所形成的源极208和漏极206覆盖所述工作区域和欧姆接触区域的侧壁，具有图6所示的阶梯形状：刻蚀W使用的混合气体为SF₆和O₂的混合气体；刻蚀Al使用的混合气体为BCl₃和Cl₂的混合气体；刻蚀Ti使用气体CF₄。等离子体刻蚀结束之后首先去除所述第三光刻胶层，随后进行高温退火。退火温度为800℃，退火时间为30秒，退火气氛为氮气。

图7示出，在如图6所示的结构表面上涂覆第四光刻胶层210，光刻胶的厚度为1500nm。

图8示出，在形成栅极结构的位置，在第四光刻胶层210上开孔，并通过CF₄等离子体将氟离子注入到AlGaN层204。

图9示出，在完成氟离子注入并去除第四光刻胶层210之后，沉积第二多层金属薄膜结构211，金属薄膜的沉积顺序和厚度为Ti 50nm，Al 80nm和W 100nm。

图10示出，在所述第二多层金属薄膜结构211表面形成第五光刻胶层（未示出），所述第五光刻胶层定义了栅极结构的位置和大小，以所述第五光刻胶层为掩模，对所述第二多层金属薄膜结构211进行等离子体刻蚀，并进行高温退火形成肖特基型栅极结构207：刻蚀W使用的混合气体为SF₆和O₂的混合气体；刻蚀Al使用的混合气体为BCl₃和Cl₂的混合气体；刻蚀Ti使用气体CF₄。等离子体刻蚀结束之后首先去除所述第三光刻胶层，随后进行高温退火：退火温度为450℃，退火时间为600秒，退火气氛为氮气。

图11至图19，是本发明的第二实施例所提供的常闭型GaN场效应晶体管制造方法的流程示意图，包括：

图11示出，在衬底301表面外延生长过渡层302，所述衬底301的材料是硅，所述过渡层302的材料是氮化铝（AlN），所述过渡层302的厚度为2nm；过渡层302表面外延生长GaN层303，厚度为2000nm；GaN层303表面外延生长铝镓氮（AlGaN）层304，其中Al元素摩尔组分为25%，厚度为20nm；GaN层303和 AlGaN层304之间，由于压电效应和自发极化，形成二维电子气305。

图12示出，在所述AlGaN层304表面形成第一光刻胶层（未示出），所述第一光刻胶层定义了工作区域B-B’，所述工作区域用于在后续工艺中形成氮化镓场效应晶体管的导电通道。以所述第一光刻胶层为掩模，使用BCl₃和Cl₂的混合气体依次对AlGaN层304和GaN层303进行第一次离子体刻蚀，刻蚀深度d3为200nm，通过刻蚀时间和刻蚀功率控制刻蚀深度。

图13示出，去除第一光刻胶层，并在所述工作区域表面形成第二光刻胶层（未示出）。所述第二光刻胶层定义了源极和漏极欧姆接触区域的位置和大小。以所述第二光刻胶层为掩模，通过使用BCl₃和Cl₂的混合气体对所述工作区域的进行第二次等离子体刻蚀，刻蚀深度d4为25nm，形成源极和漏极欧姆接触区域。通过刻蚀时间和刻蚀功率控制刻蚀深度。

图14示出，去除第二光刻胶层，在如图13所示的结构表面沉积第一多层金属薄膜结构309，第一多层金属薄膜结构309的沉积顺序和厚度依次为Ti 50nm，Al 80nm和W 20nm；多层金属薄膜在侧壁与二维电子气层305接触。在本发明的其他实施例中，所述第一多层金属薄膜结构还可以是Ni/Al/W、Ti/W、Ni/W、Ti/Al/Pt、Ni/Al/Pt、Ti/Pt以及Ni/Pt中的一种。

图15示出，在所述第一多层金属薄膜结构309表面形成第三光刻胶层（未示出），以所述第三光刻胶层为掩模，采用等离子体刻蚀工艺对所述第一多层金属薄膜结构309进行刻蚀，并进行高温退火，形成源极308和漏极306，所形成的源极308和漏极306覆盖所述工作区域和欧姆接触区域的侧壁，具有图15所示的阶梯形状：刻蚀W使用的混合气体为SF₆和O₂的混合气体；刻蚀Al使用的混合气体为BCl₃和Cl₂的混合气体；刻蚀Ti使用气体CF₄。等离子体刻蚀结束之后首先去除所述第三光刻胶层，随后进行高温退火。退火温度为800℃，退火时间为30秒，退火气氛为氮气。

图16示出，在如图15所示的结构表面上首先沉积Si₃N₄层310，之后在Si₃N₄层310的表面涂覆第四光刻胶层311，Si₃N₄层310的厚度为15nm，第四光刻胶层311的厚度为1500nm。

图17示出，在形成栅极结构的位置，在第四光刻胶层311上开孔，并通过CF₄等离子体将氟离子注入到AlGaN层304。

图18示出，在完成氟离子注入并去除第四光刻胶层311之后，沉积第二多层金属薄膜结构312，金属薄膜的沉积顺序和厚度为Ti 50nm，Al 80nm和W 100nm。

图19示出，在所述第二多层金属薄膜结构312表面形成第五光刻胶层（未示出），所述第五光刻胶层定义了栅极结构的位置和大小，以所述第五光刻胶层为掩模，对所述第二多层金属薄膜结构312进行等离子体刻蚀，并进行高温退火形成金属-绝缘体-半导体型栅极结构307：刻蚀W使用的混合气体为SF₆和O₂的混合气体；刻蚀Al使用的混合气体为BCl₃和Cl₂的混合气体；刻蚀Ti使用气体CF₄。等离子体刻蚀结束之后首先去除所述第三光刻胶层，随后进行高温退火：退火温度为450℃，退火时间为600秒，退火气氛为氮气。

与第一实施例相比，第二实施例在栅极与AlGaN层之间形成绝缘层Si₃N₄，这样做的好处是减小栅极漏电。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种常闭型氮化镓场效应晶体管的制造方法，其特征在于，包括：提供衬底，在所述衬底表面外延生长过渡层；在所述过渡层表面外延生长氮化镓层，在所述氮化镓层表面外延生长铝镓氮层；

依次刻蚀所述铝镓氮层和氮化镓层，形成工作区域；

在所述工作区域的边缘刻蚀部分厚度的工作区域，形成具有阶梯形状的侧壁；

形成覆盖所述工作区域的多层金属薄膜结构，所述多层金属薄膜结构自下而上依次为钛层、铝层、钨层;

采用等离子体刻蚀工艺刻蚀所述多层金属薄膜结构，并在高温下退火，在所述侧壁表面形成源极和漏极；

形成所述源极和漏极之后，向栅极区域的铝镓氮层注入氟离子；

在所述工作区域表面形成第二多层金属薄膜结构，刻蚀所述第二多层金属薄膜结构，并在高温下退火，形成栅极结构。

2.依据权利要求1所述的常闭型氮化镓场效应晶体管的制造方法，其特征在于，所述钛层的厚度为20nm 至80nm，所述铝层的厚度为50nm 至 100nm，所述钨层的厚度为10nm 至 50nm。

3.依据权利要求1所述的常闭型氮化镓场效应晶体管的制造方法，其特征在于，在源极和漏极，所述多层金属薄膜在所述侧壁与导电通道形成欧姆接触。

4.依据权利要求1所述的常闭型氮化镓场效应晶体管的制造方法，其特征在于，形成源极、漏极和栅极的多层金属薄膜结构，是如下多层金属薄膜组合中的一种：Ti/Al/W、Ni/Al/W、Ti/W、Ni/W、Ti/Al/Pt、Ni/Al/Pt、Ti/Pt以及Ni/Pt。

5.依据权利要求1所述的常闭型氮化镓场效应晶体管的制造方法，其特征在于，所述过渡层的厚度为2nm至10nm，所述氮化镓层的厚度为200nm至5000nm，所述铝镓氮层的厚度为10nm至100nm。

6.依据权利要求1所述的常闭型氮化镓场效应晶体管的制造方法，其特征在于，所述第一次离子体刻蚀的刻蚀深度为150nm至500nm，第二次离子体刻蚀的刻蚀深度为铝镓氮层以下5nm至25nm。

7.依据权利要求1所述的常闭型氮化镓场效应晶体管的制造方法，其特征在于，所述的源极和漏极形成后要在800℃至1000℃的温度范围，氮气氛围，进行时间范围20秒至40秒的退火处理。

8.依据权利要求1所述的常闭型氮化镓场效应晶体管的制造方法，其特征在于，栅极多层金属薄膜与所述铝镓氮层表面之间存在一绝缘体层。

9.依据权利要求8所述的常闭型氮化镓场效应晶体管的制造方法，其特征在于，所述绝缘体层材料为以下材料中的一种：Si₃N₄、SiO₂、AlN、Al₂O₃、ZrO₂、HfO₂以及SiC。

10.依据权利要求1所述的氮化镓场效应晶体管的制造方法，其特征在于，所述的栅极形成后要在400℃至600℃的温度范围，氮气氛围，进行时间范围600秒至1000秒的退火处理。