CN103715256B - 基于氟离子注入的增强型器件及其制造方法 - Google Patents

基于氟离子注入的增强型器件及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于氟离子注入的增强型器件及其制造方法，所述器件包括衬底、在衬底上形成的外延多层结构，以及在外延多层结构上形成的栅极、源极和漏极；在所述栅极下方的异质结结构层中采用隧道注入的方法注入有氟离子，用于耗尽异质结结构层中的二维电子气。本发明通过在栅极下方的外延多层结构中用隧道注入的方法进行氟离子注入，耗尽栅极下异质结处的二维电子气，从而实现增强型的氮化镓器件。同时，通过高温退火去除不稳定的氟离子，并恢复晶格在氟离子注入时引起的损伤，采用晶态介质层对高温退火时的氮化物材料表面进行保护。

Description

基于氟离子注入的增强型器件及其制造方法
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，特别是涉及一种基于氟离子注入的增强型器件及其制造方法。
背景技术
基于氮化镓材料的高电子迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistor；HEMT）是射频/微波功率放大器、高温数字集成电路领域的有力竞争者。它基于宽禁带半导体材料氮化镓制作，发挥了氮化镓材料电子饱和漂移速度高、击穿场强高、导热性能好等特点，与硅和砷化镓器件相比，在高温、高频、高电压和大功率的应用方面有明显的优势。
基于氮化镓材料的HEMT的核心结构通常采用AlGaN/GaN异质结，而该异质结构中存在较强的二维电子气，从而器件在零偏压下为导通状态，使得器件为耗尽型。而耗尽型器件的应用具有一定的局限性，比如在微波功率放大器的应用中，耗尽型器件在关断状态下必须采用负电压偏置栅极，增加了系统电路的复杂度和成本，而且在异常断电的情况下，器件仍处于导通状态，从而降低了系统的安全性。使用增强型器件可以降低系统复杂度，提高系统稳定性和安全性。增强型氮化镓器件的研究具有十分重要的意义。
实现增强型氮化镓器件，目标是找到合适的方法来降低乃至耗尽零栅压时栅极下方的二维电子气浓度。目前比较常见的一种方案是对栅极下方铝镓氮层进行局部减薄。图1为相应结构的HEMT，缓冲层1、氮化镓沟道层2、铝镓氮势垒层3分别位于衬底10上，栅极4、源极5以及漏极6分别位于铝镓氮层3上，其中在栅极4下方铝镓氮层被局部刻蚀，从而减薄了栅极区的铝镓氮层厚度。由于铝镓氮层中的极化电场很强，即使厚度很薄，沟道内也会产生电子，因此器件的阈值电压较低，在零偏置时还会有少量沟道泄漏电流。此外栅极区的铝镓氮层厚度一般必须减小到3nm到5nm以下，这样的刻蚀精度非常具有挑战性。另一种方案是对栅极下方的外延层进行氟离子注入，因为氟离子带有负电荷，注入后会提拉导带耗尽栅极下方的二维电子气，形成增强型器件结构。现有技术的氟离子注入的深度只到达铝镓氮势垒层。图2为相应的器件结构，其中栅极4下方的铝镓氮层7为氟离子注入区。但是，浅层氟离子注入会使得大量的氟离子停留在氮化镓HEMT外延层的表面，而表面的氟离子并不稳定，在高温（>400℃）或者高电场条件下会引起氟离子的迁移，造成器件阈值电压的漂移。此外，普通注入条件下的氟离子注入会引起氮化镓器件较大的晶格损伤，且晶格损伤会随着注入深度的提高而增大。如果在普通注入条件下提高氟离子注入深度，会使得晶格损伤达到无法恢复的程度。严重的晶格缺陷散射会减小沟道载流子的迁移率，降低饱和工作电流，大大制约器件的工作性能。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种基于氟离子注入的增强型器件及其制造方法。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种采用隧道注入的方法实现基于氟离子注入的增强型器件及其制造方法。
隧道注入是指在使用离子注入时，使离子注入的角度和晶体的晶格同轴，避免晶格对离子的散射，从而能够提高离子注入的深度和效率，避免上述第二种方法中氟离子在氮化镓表面的聚集，从而可以抑制氟离子在高温或者高电场条件下的迁移，提高器件阈值电压的稳定性和可靠性。离子注入后的高温退火可以恢复离子注入带来的晶格损伤，但高温又会在氮化物外延层表面引入缺陷。本发明利用氮化物材料表面的介质层来保护高温退火下的氮化物材料，同时将此介质层制作为晶态，保证了注入方式为隧道注入。
为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：
一种基于氟离子注入的增强型器件，所述器件包括衬底、在衬底上形成的外延多层结构，以及在外延多层结构上形成的栅极、源极和漏极；
所述外延多层结构从衬底方向向上依次包括异质结结构层和介质层；所述异质结结构层包括氮化物沟道层和氮化物势垒层；所述介质层为晶态介质层；
在所述栅极下方的异质结结构层中采用隧道注入的方法注入有氟离子，用于耗尽异质结结构层中的二维电子气。
作为本发明的进一步改进，所述外延多层结构还包括位于衬底上的成核层和缓冲层。
作为本发明的进一步改进，所述晶态介质层为晶态Al2O3、晶态SiN、晶态AlN中的一种或多种的组合。
作为本发明的进一步改进，所述介质层在栅极下方的区域被刻蚀，栅极位于氮化物势垒层上，栅极直接与氮化物势垒层形成肖特基接触。
作为本发明的进一步改进，所述氟离子注入深度延伸至所述氮化物沟道层内。
作为本发明的进一步改进，所述氟离子注入深度延伸至所述缓冲层内。
作为本发明的进一步改进，所述氮化物沟道层和氮化物势垒层分别为氮化镓层、铟镓氮层、铝镓氮层、铝铟氮层、铝铟镓氮层中的一种或多种的组合。
作为本发明的进一步改进，所述栅极结构为金属-氧化物-半导体、金属-绝缘体-半导体、或金属-半导体结构。
作为本发明的进一步改进，所述衬底为蓝宝石、碳化硅、硅、铌酸锂、绝缘衬底硅、氮化镓或氮化铝中的一种或多种的组合。
相应地，一种基于氟离子注入的增强型器件的制造方法，所述制造方法包括以下步骤：
S1、提供一衬底；
S2、在衬底上形成外延多层结构，所述外延多层结构从衬底方向向上依次包括异质结结构层和介质层；所述异质结结构层包括氮化物沟道层和氮化物势垒层；所述介质层为晶态介质层；
S3、对所述异质结结构层采用隧道注入的方法进行局部氟离子注入，之后进行退火处理；
S4、在所述异质结结构层上进行过局部氟离子注入区域上沉积金属层，形成栅极；
S5、在所述栅极的两侧形成有欧姆接触的源极和漏极。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S2中外延多层结构还包括位于衬底上的成核层和缓冲层。
作为本发明的进一步改进，所述晶态介质层为晶态Al2O3、晶态SiN、晶态AlN中的一种或多种的组合。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S3中退火的温度不低于700℃。
作为本发明的进一步改进，所述晶态介质层在所述氮化物势垒层上原位生长。
作为本发明的进一步改进，所述晶态介质层的生长温度不低于500℃。
本发明的有益效果是：
一方面，与普通的注入条件相比，采用隧道注入的方式时，多数氟离子在与晶格原子碰撞前可以运行更长的距离，从而可以提高注入深度，避免氟离子在氮化镓HEMT表面的聚集。而且，在氮化镓材料内部的氟离子非常稳定，有利于提高器件阈值电压的稳定性和器件的可靠性。
另一方面，在同样的注入深度下，隧道注入时的氟离子与晶格的碰撞更少，可以降低对晶格的损伤。此外，在注入后进行的高温退火可以去除不稳定的氟离子，并恢复晶格在氟离子注入时引起的损伤。
本发明中，为了保护高温退火时HEMT外延层的稳定性，采用晶态介质作为钝化层。介质层的晶态结构可以保证注入方式为隧道注入，对于非晶态介质则无法实现隧道注入。同时，与非晶态介质相比，晶态介质可以与氮化物势垒层表面更好的键合，从而大大降低界面态，在高温退火中避免对HEMT材料表面引入缺陷，确保器件的性能不受影响。此外，晶态介质层可以在HEMT材料上原位生长，从而能够降低工艺的复杂度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中在栅极处局部减薄铝镓氮层厚度的增强型器件结构示意图。
图2为现有技术中在栅极下方浅层注入氟离子的增强型器件结构示意图。
图3为本发明的第一实施方式的增强型器件的结构示意图。
图4A-4C为本发明的第一实施方式的增强型器件的制造方法步骤状态图。
图5为本发明的第二实施方式的增强型器件的结构示意图。
图6A-6C为本发明的第二实施方式的增强型器件的制造方法步骤状态图。
图7为本发明的第三实施方式的增强型器件的结构示意图。
图8A-8C为本发明的第三实施方式的增强型器件的制造方法步骤状态图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
此外，在不同的实施例中可能使用重复的标号或标示。这些重复仅为了简单清楚地叙述本发明，不代表所讨论的不同实施例及/或结构之间具有任何关联性。
图3是本发明第一实施方式下增强型器件的结构示意图。本发明的增强型器件该增强型器件包括衬底10、在衬底上形成的外延多层结构20，以及在外延多层结构上形成的栅极30、源极31和漏极32。
衬底10可以为蓝宝石、碳化硅、硅、铌酸锂、绝缘衬底硅、氮化镓或氮化铝中的一种或多种的组合。外延多层结构20从衬底10方向依次包括：成核层21、缓冲层22、氮化镓沟道层23、铝镓氮势垒层24和介质层25。氮化镓沟道层23与上方铝镓氮势垒层24形成异质结结构，提供二维电子气运动的沟道。氟离子注入区26位于栅极下方，包括介质层25、势垒层24、氮化镓沟道层23并延伸至缓冲层22。介质层25为晶态SiN。该介质层在氟离子注入后的高温退火步骤中维持氮化镓材料的稳定。
图4A-4C为本发明第一实施方式下的增强型器件制造方法所对应的状态示意图。如图所示，该制造方法包括如下步骤：
首先，如图4A所示，在衬底材料10上通过MOCVD先后形成成核层21、缓冲层22、氮化镓沟道层23和铝镓氮势垒层24，氮化物外延层表面为铝镓氮的(100)面。此后在MOCVD腔内原位生长晶态SiN介质层25，形成外延多层结构20。晶态介质层25通常需要在高温下生长，优选地，晶态介质层的生长温度不低于500℃。在该步骤中，衬底材料10可以为蓝宝石、碳化硅、硅、铌酸锂、绝缘衬底硅、氮化镓或氮化铝中的一种或多种的组合。
如图4B所示，用离子注入机对外延层的栅极区域进行局部注入，注入方向与外延层表面垂直，并维持足够的注入能量，以保证注入方式为隧道注入。氟离子注入区26从介质层延伸至缓冲层22，以使得大部分氟离子均在氮化镓材料内部。氟离子注入后，氮化物沟道层23中的二维电子气被耗尽。之后对外延多层结构进行高温退火，退火温度不低于700℃，可以采用RTA进行退火。退火后，将源极和漏极区域的介质层刻蚀掉。
如图4C所示，最后在源极区、漏极区和栅极区上沉积金属层，形成栅极30、源极31和漏极32。
图5是本发明第二实施方式下增强型器件的结构示意图。该实施方式中，介质层25的栅极区域被刻蚀，栅极30金属层直接与势垒层24形成肖特基接触。其余与第一实施方式相同，在此不再赘述。
图6A-6C为本发明第二实施方式下的增强型器件制造方法所对应的状态示意图。在该实施方式中，完成离子注入后的高温退火之后，将晶态SiN介质层25的栅极、源极和漏极区域刻蚀掉，露出势垒层24表面，如图6B所示。之后沉积源极31和漏极32；沉积栅极30金属层，栅极30金属层直接与势垒层24形成肖特基接触，如图6C所示。其余与第一实施方式相同，在此不再赘述。
图7是本发明第三实施方式下增强型器件的结构示意图。该实施方式中采用了复合介质层，其中第一介质层25为晶态SiN，第二介质层27为晶态Al2O3。其余与第一实施方式相同，在此不再赘述。
图8A-8C为本发明第三实施方式下的增强型器件制造方法所对应的状态示意图。在该实施方式中，在衬底材料10上通过MOCVD先后形成成核层21、缓冲层22、氮化镓沟道层23和铝镓氮势垒层24，氮化物外延层表面为铝镓氮的(100)面。此后在MOCVD腔内原位生长复合介质层结构，包括晶态SiN第一介质层25，和晶态Al2O3第二介质层27，形成外延多层结构20。晶态介质层通常需要在高温下生长。其余与第一实施方式相同，在此不再赘述。
进一步地，在其他实施方式中，外延多层结构也可以不包括成核层和缓冲层，而直接在衬底上生长异质结结构层和介质层，同样可以达到相同的效果。
综上所述，本发明基于氟离子注入的增强型器件及其制造方法采用隧道注入的方法进行氟离子注入。一方面，与普通的注入条件相比，采用隧道注入的方式时，多数氟离子在与晶格原子碰撞前可以运行更长的距离，从而可以提高注入深度，避免氟离子在氮化镓HEMT表面的聚集。而且，在氮化镓材料内部的氟离子非常稳定，有利于提高器件阈值电压的稳定性和器件的可靠性。另一方面，在同样的注入深度下，隧道注入时的氟离子与晶格的碰撞更少，可以降低对晶格的损伤。此外，在注入后进行的高温退火可以去除不稳定的氟离子，并恢复晶格在氟离子注入时引起的损伤。
本发明中，为了保护高温退火时HEMT外延层的稳定性，采用晶态介质作为钝化层。介质层的晶态结构可以保证注入方式为隧道注入，对于非晶态介质则无法实现隧道注入。同时，与非晶态介质相比，晶态介质可以与氮化物势垒层表面更好的键合，从而大大降低界面态，在高温退火中避免对HEMT材料表面引入缺陷，确保器件的性能不受影响。此外，晶态介质层可以在HEMT材料上原位生长，从而能够降低工艺的复杂度。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (15)

1.一种基于氟离子注入的增强型器件，所述器件包括衬底、在衬底上形成的外延多层结构，以及在外延多层结构上形成的栅极、源极和漏极，其特征在于：
所述外延多层结构从衬底方向向上依次包括异质结结构层和介质层；所述异质结结构层包括氮化物沟道层和氮化物势垒层；所述介质层为晶态介质层；
在所述栅极下方的异质结结构层中采用隧道注入的方法注入有氟离子，用于耗尽异质结结构层中的二维电子气。
2.根据权利要求1所述的增强型器件，其特征在于，所述外延多层结构还包括位于衬底上的成核层和缓冲层。
3.根据权利要求1所述的增强型器件，其特征在于，所述晶态介质层为晶态Al2O3、晶态SiN、晶态AlN中的一种或多种的组合。
4.根据权利要求1所述的增强型器件，其特征在于，所述介质层在栅极下方的区域被刻蚀，栅极位于氮化物势垒层上，栅极直接与氮化物势垒层形成肖特基接触。
5.根据权利要求1所述的增强型器件，其特征在于，所述氟离子注入深度延伸至所述氮化物沟道层内。
6.根据权利要求2所述的增强型器件，其特征在于，所述氟离子注入深度延伸至所述缓冲层内。
7.根据权利要求1所述的增强型器件，其特征在于，所述氮化物沟道层和氮化物势垒层分别为氮化镓层、铟镓氮层、铝镓氮层、铝铟氮层、铝铟镓氮层中的一种或多种的组合。
8.根据权利要求1所述的增强型器件，其特征在于，所述栅极结构为金属-氧化物-半导体、金属-绝缘体-半导体、或金属-半导体结构。
9.根据权利要求1所述的增强型器件，其特征在于，所述衬底为蓝宝石、碳化硅、硅、铌酸锂、绝缘衬底硅、氮化镓或氮化铝中的一种或多种的组合。
10.一种如权利要求1所述的基于氟离子注入的增强型器件的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括以下步骤：
S1、提供一衬底；
S2、在衬底上形成外延多层结构，所述外延多层结构从衬底方向向上依次包括异质结结构层和介质层；所述异质结结构层包括氮化物沟道层和氮化物势垒层；所述介质层为晶态介质层；
S3、对所述异质结结构层采用隧道注入的方法进行局部氟离子注入，之后进行退火处理；
S4、在所述异质结结构层上进行过局部氟离子注入区域上沉积金属层，形成栅极；
S5、在所述栅极的两侧形成有欧姆接触的源极和漏极。
11.根据权利要求10所述的制造方法，其特征在于，所述步骤S2中外延多层结构还包括位于衬底上的成核层和缓冲层。
12.根据权利要求10所述的制造方法，其特征在于，所述晶态介质层为晶态Al2O3、晶态SiN、晶态AlN中的一种或多种的组合。
13.根据权利要求10所述的制造方法，其特征在于，所述步骤S3中退火的温度不低于700℃。
14.根据权利要求10所述的制造方法，其特征在于，所述晶态介质层在所述氮化物势垒层上原位生长。
15.根据权利要求10所述的制造方法，其特征在于，所述晶态介质层的生长温度不低于500℃。
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