CN104701364A

CN104701364A - 一种氮化镓基场效应晶体管及其制备方法

Info

Publication number: CN104701364A
Application number: CN201510057890.4A
Authority: CN
Inventors: 叶念慈; 徐宸科; 林科闯
Original assignee: Integrated Circuit Co Ltd Is Pacified By Xiamen City Three
Current assignee: Integrated Circuit Co Ltd Is Pacified By Xiamen City Three; Xiamen Sanan Integrated Circuit Co Ltd
Priority date: 2015-02-04
Filing date: 2015-02-04
Publication date: 2015-06-10
Anticipated expiration: 2035-02-04
Also published as: CN104701364B

Abstract

本发明公开了一种氮化镓基场效应晶体管，包括有由下至上依次层叠的衬底、缓冲层、氮化镓(GaN)层、氮化铝镓(AlGaN)层，及设置于氮化铝镓层上的源极、漏极和位于两者之间的栅极，所述栅极是由导电类钻碳(Diamond-like carbon；DLC)制成，所述导电DLC中，sp2键的含量大于50％。本发明用类钻碳作为栅极材料降低了栅极区域的自发性热效应，提高稳定性，同时利用掺杂类钻碳的方式调整栅极阻值与极性，实现增强型工作的目的。本发明还公开了上述晶体管的制备方法。

Description

一种氮化镓基场效应晶体管及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体器件，特别是涉及一种氮化镓基场效应晶体管及其制备方法。

背景技术

氮化镓(GaN)是第三代半导体的代表，具有宽禁带、高击穿场强、高饱和电子漂移速率等优异的电学特性，在半导体器件领域逐渐受到重视，其中GaN基高电子迁移率晶体管器件更是成为高频、高压、高温和大功率应用方面的首选。习知的GaN基高电子迁移率晶体管，是利用AlGaN/GaN的异质结构形成二维电子气层(2-DGE)，在源极和漏极之间通过改变栅极加压控制二维电子气的电子浓度，从而控制晶体管的工作状态。

在目前的GaN基晶体管中，栅极材料多采用普通的金属材料。因其在高电流与高电压的状态下操作,栅极之热稳定与散热性一直都是重要的研究主题。但目前常使用的金属，如钨(W)虽有很好的热稳定性，熔点可达3400℃以上，可是由于功函数太低，造成肖特基接触(Schottky contact)不佳。而钼(Mo)作为常被使用的金属，熔点可达2600℃以上，但其热稳定性不佳，难以达到需求。

另外，氮化镓晶体管一般是耗尽型工作，要实现增强型工作，目前有采用氟(F)电浆处理、N₂O电浆处理，但电浆处理所造成的电浆伤害，会造成组件的稳定性不足。此外，亦有使用Cascode的方式，但制成过程复杂、封装特殊、工艺要求高、良率低，难以实际应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种以类钻碳(Diamond-like carbon)作为栅极材料的高离子迁移率氮化镓基场效应晶体管及其制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种氮化镓基场效应晶体管，包括有由下至上依次层叠的衬底、缓冲层、氮化镓(GaN)层、氮化铝镓(AlGaN)层，及设置于氮化铝镓层上的源极、漏极和位于两者之间的栅极。所述栅极是由导电类钻碳(Diamond-likecarbon；DLC)制成，所述导电DLC中，sp2键的含量大于50％。

优选的，还包括一设置于所述氮化铝镓层上所述源极和漏极之间的绝缘层，所述栅极设置于所述绝缘层上；所述绝缘层是Gd₂O₃、Pr₂O₃、La₂O₃、HfO₂、ZrO₂、Al₂O₃、Y₂O₃、Sc₂O₃、Er₂O₃、Ta₂O₅、HfZrO、AlLaO₃或Nb₂O₅。

优选的，所述氮化铝镓层的上表面部分下凹形成沟槽，所述栅极设置于所述沟槽上。

优选的，所述导电DLC是p型掺杂DLC，掺杂有小于5wt％的硼(B)、铝(Al)、铟(In)中的一种或其组合。

优选的，还包括一设置于所述氮化铝镓层上方并至少覆盖所述源极、漏极及栅极部分表面的钝化层，所述钝化层是SiO₂、SiN_x或绝缘DLC，其中所述绝缘DLC中，sp2键的含量小于20％。

优选的，所述源极、漏极和栅极顶端分别设置有加厚电极，所述加厚电极选自Ti/Au、Ti/Al、Ti/Pt/Au或Cr/Au的多金属层。

优选的，还包括有设置于所述栅极和所述加厚电极之间的金属电极层，所述金属电极层是Ti、Ni、Cu、Al、Pt、W、Mo、Cr、Au或上述金属的组合层。

一种上述氮化镓基场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：

(1)于一衬底上依次外延形成缓冲层、氮化镓(GaN)层及氮化铝镓(AlGaN)层；

(2)于氮化铝镓层表面上形成源极和漏极；

(3)于源极和漏极之间的区域形成导电类钻碳的栅极，其中所述导电类钻碳sp2键的含量大于50％；

(4)沉积一钝化层，所述钝化层覆盖所述氮化铝镓层、源极、栅极和漏极；

(5)于所述源极、栅极和漏极的顶端开窗镀上加厚电极。

优选的，步骤(2)具体包括以下步骤：

通过电子束蒸镀的方法于氮化铝镓(AlGaN)层表面的两个区域分别依次蒸镀上Ti/Al/Ni/Au多金属层，其中所述Ti/Al/Ni/Au的厚度分别是25/125/45/55nm；

于800-950℃下退火5-45秒形成欧姆接触，形成所述源极和漏极。

优选的，所述导电类钻碳是采用磁控溅镀、离子蒸镀、电弧离子蒸镀或化学气相沉积的方法沉积于氮化铝镓(AlGaN)层表面上形成所述栅极。

优选的，还包括于所述源极和漏极之间所述氮化铝镓层的表面上形成一绝缘层的步骤，所述导电类钻碳是采用磁控溅镀、离子蒸镀、电弧离子蒸镀或化学气相沉积的方法沉积于绝缘层表面上形成所述栅极。

优选的，还包括于所述氮化铝镓层的表面上干法蚀刻形成一沟槽的步骤，所述导电类钻碳设置于所述沟槽上形成所述栅极。

优选的，步骤(3)中，还包括于所述栅极顶端沉积一金属电极层的子步骤。

本发明的有益效果是：

1、类钻碳是空间立体结构(金刚石，sp3键)和平面网状结构(石墨，sp2键)共存的结构，通过调整二者的比例关系，可以调整其热学及电学性能。其中sp2含量大于50％的类钻碳呈现出近似石墨的形态，具有导电的特性；同时由于其金刚石结构的存在，导热性能及热稳定性能良好，作为栅极材料可以有效降低晶体管器件的自发性热效应，满足高压、高温工作的需求，提高器件的稳定性。

2、通过掺杂二或三价元素形成p型类钻碳作为栅极材料来调整栅极的电阻值及极性，通过p-n接触面提高了势垒，进而提高阈值电压至大于0，实现了增强型工作的目的；对AlGaN/GaN异质结界面特性无影响，不会造成性能的退化。

3、于表面覆盖钝化层，减少了电流崩塌效应，削弱外界环境对晶体管器件的影响；采用sp2<20％的近似金刚石形态的绝缘类钻碳，散热性能良好，抗压耐腐蚀，可以很好的保护晶体管器件。

4、制程简单，无特殊工艺要求，可控性强，适于实际生产应用。

附图说明

图1为本发明第一实施例的结构示意图；

图2为本发明第二实施例的结构示意图；

图3为本发明第三实施例的结构示意图；

图4为本发明第四实施例的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。本发明的各附图仅为示意以更容易了解本发明，其具体比例可依照设计需求进行调整。文中所描述的图形中相对元件的上下关系，在本领域技术人员应能理解是指构件的相对位置而言，因此皆可以翻转而呈现相同的构件，此皆应同属本说明书所揭露的范围。

实施例1

参考图1，本实施例的晶体管100，由下至上依次层叠有衬底101、缓冲层102、氮化镓层103及氮化铝镓层104，氮化铝镓层104的上表面设置有源极105、漏极106及位于两者之间的绝缘层107，绝缘层107上设置有栅极108，栅极108顶端设置有金属电极层109。在上述结构的上方覆盖有钝化层110，钝化层110于源极105、漏极106及金属电极层109的上方分别设有开口，并在开口分别设置有加厚电极111a、111b及111c。

绝缘层107可以是氧化物，例如Gd₂O₃、Pr₂O₃、La₂O₃、HfO₂、ZrO₂、Al₂O₃、Y₂O₃、Sc₂O₃、Er₂O₃、Ta₂O₅、HfZrO、AlLaO₃或Nb₂O₅。

栅极108是由导电类钻碳(Diamond-like carbon；DLC)制成。导电DLC可以是无其他元素掺杂的结构，其sp2键的含量大于50％，偏向于石墨结构，具有良好的导电性能。

金属电极层109可以是Ti、Ni、Cu、Al、Pt、W、Mo、Cr、Au或上述金属的组合层。

钝化层110是SiO₂、SiN_x或绝缘DLC，其中绝缘DLC可以是无其他元素掺杂的结构，其，其sp2键的含量小于20％，偏向于金刚石结构，具有绝缘特性。

加厚电极111a、111b及111c选自Ti/Au、Ti/Al、Ti/Pt/Au或Cr/Au的多金属层。

本实施例的晶体管100在零栅偏压下，氮化镓层及氮化铝镓层之间自然形成二维电子气层(2-DGE)，属于耗尽型晶体管，导电栅极108/氧化物绝缘层107/氮化铝镓层104形成MIS接触，有利于抑制栅泄露电流，提高可靠性。

制备晶体管100的方法，包括以下步骤：

1-1：于衬底101上依次外延形成缓冲层102、氮化镓层103及氮化铝镓层104，制得试片；

1-2：清洗试片，清洗完毕后利用干蚀刻(RIE或ICP)的方式将器件主动区以外的外延层蚀刻干净，蚀刻深度约为200nm，使用电子束蒸镀机于主动区氮化铝镓层104表面的两个区域分别依次蒸镀上Ti/Al/Ni/Au多金属层，其中Ti/Al/Ni/Au各层的厚度分别是25/125/45/55nm，蒸镀后放入快速退火机，于800-950℃下退火5-45秒。作为一种优选的方式，可于850℃下退火30秒使金属与氮化铝镓层104之间形成欧姆接触，形成源极105和漏极106；

1-3：于氮化铝镓层104表面源极105和漏极106之间沉积上绝缘层107；

1-4：于绝缘层107上通过磁控溅镀、离子蒸镀、电弧离子蒸镀或化学气相沉积等方法沉积导电类钻碳形成栅极108；

1-5：于栅极108上蒸镀金属电极层109；

1-6：通过原子层沉积、溅射或等离子体增强化学气相沉积法沉积钝化层110以覆盖上述结构；

1-7：在源极105、漏极106和金属电极层109的顶端开窗并分别镀上加厚电极111a、111b和111c。

实施例2

参考图2，本实施例的晶体管200，由下至上依次层叠有衬底201、缓冲层202、氮化镓层203及氮化铝镓层204，氮化铝镓层204的上表面设置有源极205及漏极206及位于两者之间的绝缘层207。氮化铝镓层204的上表面部分下凹形成沟槽2041，绝缘层207亦随之下凹。绝缘层107对应沟槽2041的位置设置有导电类钻碳制成的栅极208，栅极208顶端设置有金属电极层209。在上述结构的上方覆盖有钝化层210，钝化层210于源极205、漏极206及金属电极层209的上方分别设有开口，并在开口分别设置有加厚电极211a、211b及211c。

本实施例中，氮化铝镓层204由于沟槽2041的设置，其于对应栅极208处的厚度变薄，通过设置合适的沟槽深度，降低了栅区2-DGE浓度，使其在0栅偏压下不导通，可形成增强型晶体管。本实施例各组件的材料同实施例1，在此不加以赘述。

制备晶体管200的方法，包括以下步骤：

2-1、2-2：同步骤1-1、1-2；

2-3：通过反应离子蚀刻(RIE)或感应耦合蚀刻(ICP)等干蚀刻的方法于氮化铝镓层204表面形成沟槽2041；

2-4：于氮化铝镓层204表面源极205和漏极206之间均匀沉积上绝缘层207，绝缘层107随沟槽2041下凹；

2-5：于绝缘层207上沟槽2041内通过磁控溅镀、离子蒸镀、电弧离子蒸镀或化学气相沉积等方法沉积导电类钻碳形成栅极208；

2-6、2-7、2-8：同步骤1-5、1-6、1-7。

实施例3

参考图3，本实施例的晶体管300，由下至上依次层叠有衬底301、缓冲层302、氮化镓层303及氮化铝镓层304，氮化铝镓层304的上表面设置有源极305、漏极306及位于两者之间的栅极308，栅极308顶端设置有金属电极层309。在上述结构的上方覆盖有钝化层310，钝化层310于源极305、漏极306及金属电极层309的上方分别设有开口，并在开口分别设置有加厚电极311a、311b及311c。

栅极308是p型掺杂的导电DLC，于纯DLC中掺杂小于5wt％的硼(B)、铝(Al)、铟(In)中的一种或其组合。其他组件的材料同实施例1，在此不加以赘述。p-DLC作为栅极材料直接设置于氮化铝镓层304上形成p-n接面，由于pn结引起的势垒大于普通的肖特基接触(金属栅极/氮化铝镓)引起的势垒，提高了栅极电压，从而达到增强型的效果。

制备晶体管300的方法，包括以下步骤：

3-1、3-2：同步骤1-1、1-2；

3-3：于氮化铝镓层304表面源极305和漏极306之间通过磁控溅镀、离子蒸镀、电弧离子蒸镀或化学气相沉积等方法沉积p型导电类钻碳形成栅极308；

3-4、3-5、3-6：同1-5、1-6、1-7。

实施例4

参考图4，本实施例的晶体管400，由下至上依次层叠有衬底401、缓冲层402、氮化镓层403及氮化铝镓层404，氮化铝镓层404的上表面设置有源极405及漏极406，并于两者之间部分下凹形成沟槽4041，沟槽4041上设置有栅极408，栅极408顶端设置有金属电极层409。在上述结构的上方覆盖有钝化层410，钝化层410于源极405、漏极406及金属电极层409的上方分别设有开口，并在开口分别设置有加厚电极411a、411b及411c。

本实施例中，栅极408是p型掺杂的导电DLC，于纯DLC中掺杂小于5wt％的硼(B)、铝(Al)、铟(In)中的一种或其组合。其他组件的材料同实施例1，在此不加以赘述。p-DLC作为栅极材料直接设置于氮化铝镓层404上形成p-n接面，由于pn结引起的势垒大于普通的肖特基接触(金属栅极/氮化铝镓)引起的势垒，提高了栅极电压；同时，氮化铝镓层404由于沟槽4041的设置，其于对应栅极408处的厚度变薄，通过设置合适的沟槽深度，降低了栅区2-DGE的浓度，进一步提高了阈值电压，增强型效果更为显著。

制备晶体管400的方法，包括以下步骤：

4-1、4-2：同步骤1-1、1-2；

4-3：通过反应离子蚀刻(RIE)或感应耦合蚀刻(ICP)等干蚀刻的方法于氮化铝镓层404表面形成沟槽4041；

4-4：于沟槽4041内通过磁控溅镀、离子蒸镀、电弧离子蒸镀或化学气相沉积等方法沉积p型导电类钻碳形成栅极408；

4-5、4-6、4-7：同步骤1-5、1-6、1-7。

上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种氮化镓基场效应晶体管及其制备方法，但本发明并不局限于实施例，凡是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、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。

Claims

1.一种氮化镓基场效应晶体管，包括有由下至上依次层叠的衬底、缓冲层、氮化镓(GaN)层、氮化铝镓(AlGaN)层，及设置于氮化铝镓层上的源极、漏极和位于两者之间的栅极，其特征在于：所述栅极是由导电类钻碳(Diamond-like carbon；DLC)制成，所述导电DLC中，sp2键的含量大于50％。

2.根据权利要求1所述的氮化镓基场效应晶体管，其特征在于：还包括一设置于所述氮化铝镓层上所述源极和漏极之间的绝缘层，所述栅极设置于所述绝缘层上；所述绝缘层是Gd₂O₃、Pr₂O₃、La₂O₃、HfO₂、ZrO₂、Al₂O₃、Y₂O₃、Sc₂O₃、Er₂O₃、Ta₂O₅、HfZrO、AlLaO₃或Nb₂O₅。

3.根据权利要求1或2所述的氮化镓基场效应晶体管，其特征在于：所述氮化铝镓层的上表面部分下凹形成沟槽，所述栅极设置于所述沟槽上。

4.根据权利要求1所述的氮化镓基场效应晶体管，其特征在于：所述导电DLC是p型掺杂DLC，掺杂有小于5wt％的硼(B)、铝(Al)、铟(In)中的一种或其组合。

5.根据权利要求1所述的氮化镓基场效应晶体管，其特征在于：还包括一设置于所述氮化铝镓层上方并至少覆盖所述源极、漏极及栅极部分表面的钝化层，所述钝化层是SiO₂、SiN_x或绝缘DLC，其中所述绝缘DLC中，sp2键的含量小于20％。

6.根据权利要求1所述的氮化镓基场效应晶体管，其特征在于：所述源极、漏极和栅极顶端分别设置有加厚电极，所述加厚电极选自Ti/Au、Ti/Al、Ti/Pt/Au或Cr/Au的多金属层。

7.根据权利要求6所述的氮化镓基场效应晶体管，其特征在于：还包括有设置于所述栅极和所述加厚电极之间的金属电极层，所述金属电极层是Ti、Ni、Cu、Al、Pt、W、Mo、Cr、Au或上述金属的组合层。

8.一种氮化镓基场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：

(2)于氮化铝镓层表面上形成源极和漏极；

(5)于所述源极、栅极和漏极的顶端开窗镀上加厚电极。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)具体包括以下步骤：

10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：所述导电类钻碳是采用磁控溅镀、离子蒸镀、电弧离子蒸镀或化学气相沉积的方法沉积于氮化铝镓(AlGaN)层表面上形成所述栅极。

11.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：还包括于所述源极和漏极之间所述氮化铝镓层的表面上形成一绝缘层的步骤，所述导电类钻碳是采用磁控溅镀、离子蒸镀、电弧离子蒸镀或化学气相沉积的方法沉积于绝缘层表面上形成所述栅极。

12.根据权利要求10或11所述的制备方法，其特征在于：还包括于所述氮化铝镓层的表面上干法蚀刻形成一沟槽的步骤，所述导电类钻碳设置于所述沟槽上形成所述栅极。

13.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，还包括于所述栅极顶端沉积一金属电极层的子步骤。