CN105304717A - 一种氮化铟（InN）基场效应晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮化铟基场效应晶体管及其制备方法。本发明的一种氮化铟（InN）基场效应晶体管，包括衬底，所述的衬底为将氧化锆掺杂钇后形成的萤石结构，氧化锆衬底包括取向为（111）或（110）或（112）或（113）稳定的表面，在氧化锆衬底上层叠有氮化铟层，氮化铟层表面中部层叠有绝缘介质层，两端层叠有源极和漏极，绝缘介质层上层叠有栅极，制备方法包括以下步骤A：氮化铟/氧化锆异质结结构的制备；B：氮化铟外延层图形化加工；C：在氮化铟外延层上电极和绝缘质层的制备；D：绝缘质层上制备场效应晶体管的栅极。本发明有望制备出高性能的氮化铟基高速电子器件。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，特别涉及一种氮化铟基场效应晶体管及其制备方法。
背景技术
在Ⅲ族氮化物半导体材料中，氮化铟（InN）拥有最小的禁带宽度和电子质量，同时，氮化铟具有最高的电子迁移率和电子饱和速率，其优异的电子传输特性使得氮化铟在高速电子器件应用有着巨大的潜力。
长久以来，氮化铟晶体质量严重影响材料的电子传输特性，基于氮化铟材料的半导体器件鲜有报道。由于自然界不存在氮化铟块材料，人们普遍采用异质外延生长的方法来制备氮化铟晶体。由于氮化铟本身较低的分解温度和缺乏合适的外延衬底，其晶体制备和半导体器件技术进展缓慢。
近年来，采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）和分子束外延（MBE）的方法在蓝宝石（Al2O3）、氮化镓（GaN）和氮化铝（AlN）等衬底上制备出氮化铟外延薄膜。这使得人们制备基于氮化铟异质结的半导体器件成为可能。但是上述方法中衬底材料仍存在缺点，衬底材料晶格常数与氮化铟晶格常数存在较大差异。衬底与外延的晶格失配越大，制备的氮化铟薄膜中的穿透位错密度将会急剧上升，导致氮化铟薄膜电子迁移率下降，晶体质量变差，最终将严重影响半导体器件的性能。
发明内容
鉴于上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于氮化铟材料的场效应晶体管及制备方法。
为实现本发明的目的，采用了下述的技术方案：一种氮化铟（InN）基场效应晶体管，包括衬底，所述的衬底为将氧化锆掺杂钇后形成的萤石结构，氧化锆衬底包括取向为（111）或（110）或（112）或（113）稳定的表面，在氧化锆衬底上层叠有氮化铟层，氮化铟层表面中部层叠有绝缘介质层，两端层叠有源极和漏极，绝缘介质层上层叠有栅极，所述氮化铟层是铟极性氮化铟或氮极性氮化铟或半极性氮化铟，所述绝缘介质层是氧化铪或氮化硅或氧化铝，电极采用Ti或Ni或Al或Cu或Au或上述金属的组合。
一种氮化铟（InN）基场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：
A：氮化铟/氧化锆异质结结构的制备，在氧化锆基板上制备氮化铟外延层；
B：氮化铟外延层图形化加工：
图形化工艺为：采用干刻蚀的方式，采用ICP工艺将主动区以外的氮化铟外延层刻蚀干净，包括光刻和刻蚀，通过匀胶，烘胶，曝光和显影，对氮化铟表面进行光刻，光刻完成之后，用光刻胶作为掩模，采用刻蚀的方式，将未覆盖光刻胶的薄膜进行刻蚀，最后用丙酮去除光刻胶，完成图形化加工；
C：在氮化铟外延层上电极和绝缘质层的制备：
C1：对氮化铟外延层表面进行处理，将基板放入盐酸溶液中浸泡，去除表面生长时残留的金属铟，得到清洁的氮化铟表面；
C2：然后，制备金属和氮化铟层之间的欧姆接触，采用电子束蒸镀和剥离工艺在氮化铟表面两个区域分别制作多层金属形成欧姆接触；
C3：金属和氮化铟层之间的欧姆接触制作完成后在800℃-900℃进行45秒快速退火处理；
C4：在氮化铟层表面源极和漏极之间制备绝缘质层；
D：绝缘质层上制备场效应晶体管的栅极，在绝缘质量层表面制作器件的栅极。进一步的，步骤A氮化铟/氧化锆异质结结构的制备时采用等离子辅助脉冲激光沉积系统（PLD）制备InN外延层，制作工艺如下：首先，将钇掺杂原子均匀的氧化锆衬底进行清洁处理，在1200-1300℃空气气氛下进行退火处理4.5-6小时；将退火处理后氧化锆基板放入超高真空的脉冲激光沉积系统腔体之中，腔内压强小于5×10-8Pa，腔内安装有超高纯度In金属靶材；打开加热器对氧化锆基板加热，加热至400-600℃，对氧化锆基板进行遮挡保护，同时在腔体内通入高纯氮气，使气压升高并维持在1×10-3Pa，同时打开高频等离子体发生器，通过等离子体激发氮原子，使其具有较高的能量，同时打开激光器，使用30Hz的KrF脉冲激光，激光的波长248nm，功率采用3焦耳/平方厘米，对In金属靶材进行溶解，待各项参数稳定后，去掉氧化锆基板的遮挡保护，脉冲激光激发的铟原子与等离子激发的氮原子在氧化锆基板表面结合成为氮化铟薄膜，待达到要求薄膜厚度后，调节遮挡板，结束薄膜生长,关闭激光器，关闭等离子体发生器，关闭加热器，逐级关闭各类真空泵，等待气压恢复到大气压后，打开腔体，取出氧化锆基板，进一步的，步骤A氮化铟/氧化锆异质结结构的制备时采用射频等离子体辅助分子束外延（RF-MBE）系统制备InN外延层，制作工艺如下：首先，将掺杂原子均匀的氧化锆衬底进行清洁处理，在1200℃-1300℃空气气氛下进行退火处理4.5-6小时；再将退火处理后氧化锆基板放入超高真空的MBE腔体之中，腔内压强小于5×10-8Pa，打开加热器对氧化锆基板加热，加热至400-600℃，对氧化锆基板进行遮挡保护，同时打开高频等离子体发生器，功率设定在300W，调整In束流并使腔内气压稳定维持在1×10-4Pa，通过调节氮气流量来实现In和N的比例；去掉氧化锆基板的遮挡保护，进行薄膜外延生长；待达到要求薄膜厚度后，调节遮挡板，结束薄膜生长；关闭In束源，关闭等离子体发生器，关闭氮气，关闭加热器，逐级关闭各类真空泵，等待气压恢复到大气压后，打开腔体，取出氧化锆基板，进一步的，步骤D采用真空膜方法制备栅极，将带有绝缘质层/氮化铟/氧化锆衬底固定在工件上，将蒸镀的金属靶材放置在蒸发舟内，将挡板设置好；蒸发室钟罩放置下，同时打开真空泵预热，然后打开阀门抽真空，直至钟罩内压强小于1×10-3Pa时调节电流开始蒸镀；首先将金属靶材表面的杂质蒸发除去，然后移开挡板，然后增加电流将金属依次蒸发到衬底表面；最后关闭电流，关闭阀门，关闭真空泵、水阀，在绝缘质层表面形成器件的栅极，进一步的，步骤D使用直流磁控溅射工艺方法制备栅极，在氩气气氛下通过直流溅射的方式使金属靶材沉积；用自动控温仪控制碘钨灯进行辐射加热衬底，用热电偶探测衬底温度，反应气体用流量计控制，溅射过程中靶材用水来冷却，将带有绝缘质层/氮化铟/氧化锆衬底固定在工件上，衬底平行于溅射靶；使用机械泵和分子泵两级系统，使真空腔气压达到1×10-3Pa；首先将金属靶材表面的杂质蒸发除去，接着对衬底进行预热20分钟，接下来进行预溅射5分钟，然后移开挡板，然后调节功率将金属依次溅射到衬底表面；最后关闭阀门，关闭真空泵，水阀、电源，在绝缘质层表面金属形成器件的栅极。
本发明的积极有益技术效果在于：氮化铟基场效应晶体管结构简单，采用钇稳定立方氧化锆为衬底材料，实现了衬底与外延层的晶格匹配，制备出高质量的氮化铟薄膜，基于此能有望制备出高性能的氮化铟基高速电子器件，钇稳定立方氧化锆（YSZ）衬底材料自身具有绝缘性，可以直接在衬底表面制备金属电极，无需额外增加绝缘层，因此十分适合制备FET器件，在氮化铟场效应晶体管制作中，表面平整度对半导体器件的性能起决定作用，本申请能够在YSZ表面制备出具有较高表面平整度的InN外延层。这使得InN/YSZ制备FET器件较其它材料具有优势，InN材料本身具有极高的电子迁移率，在YSZ表面能够制备出高电子迁移率的薄膜，这为制备高速FET器件奠定基础。
附图说明
图1显示为本发明的氮化铟基场效应晶体管的结构示意图。
具体实施方式
附图为本晶体管的结构，图中标记所示为：01：氧化锆衬底；02：InN外延层；03：绝缘质层；041：源极；042：漏极；05栅极。
实施例一：
A：氮化铟/氧化锆异质结结构的制备：
采用等离子辅助脉冲激光沉积系统（PLD）制备InN外延层：首先，将掺杂原子均匀的氧化锆衬底进行清洁处理，在1200-1300℃空气气氛下进行退火处理4.5-6小时。再将退火处理后氧化锆基板放入超高真空的PLD腔体之中，腔内压强小于5×10-8Pa，腔内安装有超高纯度In金属靶材，打开加热器对氧化锆基板加热，加热至400-600℃，对氧化锆基板进行遮挡保护，同时在腔体内通入高纯氮气，使气压升高并维持在1×10-3Pa，同时打开高频等离子体发生器，通过等离子体激发氮原子，使其具有较高的能量，同时打开激光器，使用30Hz的KrF脉冲激光，激光的波长248nm，功率采用3焦耳/平方厘米，对In金属靶材进行溶解，待各项参数稳定后，去掉氧化锆基板的遮挡保护，脉冲激光激发的铟原子与等离子激发的氮原子在氧化锆基板表面结合成为氮化铟薄膜，最后，待达到要求薄膜厚度后，调节遮挡板，结束薄膜生长。关闭激光器，关闭等离子体发生器，关闭加热器，逐级关闭各类真空泵，等待气压回复到大气压后，打开腔体，取出氧化锆基板；
B：氮化铟外延层图形化加工：
选用干刻蚀的方式，采用ICP技术将主动区以外的氮化铟外延层刻蚀干净，刻蚀气体为Cl2/BCl3，图形化工艺流程包括光刻和刻蚀。首先，通过匀胶，烘胶，曝光和显影，对氮化铟表面进行光刻，光刻完成之后，用光刻胶作为掩模，采用刻蚀的方式，将未覆盖光刻胶的薄膜进行刻蚀，最后用丙酮去除光刻胶，完成图形化加工；
C：在氮化铟外延层上电极和绝缘质层的制备：
首先，对氮化铟外延层表面进行处理，将基板放入盐酸溶液中浸泡，去除表面生长时残留的金属铟，得到清洁的氮化铟表面，然后，制备金属和氮化铟层之间的欧姆接触，采用电子束蒸镀和剥离工艺在氮化铟表面两个区域分别依次蒸镀上Ti/Al/Au多层金属，欧姆接触分为接触层和帽层两部分。Ti/Al/Au各层厚度分别是30/100/100nm，其中接触层为Ti/Al，金属功函数低，能够降低接触电阻。Au为帽层金属，Au较Ti/Al不易氧化，主要用来减少欧姆接触的寄生电阻。蒸镀后在800℃-900℃进行45秒快速退火处理，Ti与InN中的N反应生成TiN，Al防止InN中的In原子向外层扩散，使得InN层中产生N空位，从而使金属层和氮化铟层之间形成良好的欧姆接触，形成器件的源极和漏极，接着在氮化铟层表面源极和漏极之间制备绝缘质层。绝缘质层为无定形态，采用原子层沉积方法来制备得到。绝缘介质层可以选取不同的材料。例如，制备氧化铝层时，温度为200℃，原料为三甲基铝（TMA），沉积速率为0.01-0.02nm/周期，氧化铝生长过程中，TMA通过Ar气进入反应室，在衬底表面吸附，然后将剩余TMA带走，然后将氧气通入反应室，和吸附的TMA反应生成氧化铝层，随后通入的Ar气再将多余的氧气和反应副产物带离反应室，以上为一个循环周期。通过控制周期，即可实现控制所制备的绝缘质层的厚度。选取绝缘质层厚度为20nm；
D：在绝缘质层上制备场效应晶体管的栅极：
使用真空蒸发镀膜方法制备栅极。主要过程：将带有绝缘质层/氮化铟/氧化锆衬底固定在工件上，将蒸镀的金属靶材放置在蒸发舟内，将挡板设置好。将蒸发室钟罩放置下，同时打开机械泵和扩散泵预热，然后打开阀门抽真空，直至钟罩内压强小于1×10-3Pa时调节电流开始蒸镀，首先将金属靶材表面的杂质蒸发除去，然后移开挡板，然后增加电流将金属依次蒸发到衬底表面。最后关闭电流，关闭阀门，关闭扩散泵，机械泵，水阀等，在绝缘质层表面蒸镀Ni/Au金属，厚度分别为30/100nm，形成器件的栅极。
实施例二：
A：氮化铟/氧化锆异质结结构的制备：
采用射频等离子体辅助分子束外延（RF-MBE）系统制备InN外延层：首先，将掺杂原子均匀的氧化锆衬底进行清洁处理，在1200-1300℃空气气氛下进行退火处理4.5-6小时。再将退火处理后氧化锆基板放入超高真空的MBE腔体之中，腔内压强小于5×10-8Pa，打开加热器对氧化锆基板加热，加热至400-600℃，对氧化锆基板进行遮挡保护，同时打开高频等离子体发生器，功率设定在300W，调整In束流并使腔内气压稳定维持在1×10-4Pa，通过调节氮气流量来实现In和N的比例。去掉氧化锆基板的遮挡保护，进行薄膜外延生长。待达到要求薄膜厚度后，调节遮挡板，结束薄膜生长。关闭In束源，关闭等离子体发生器，关闭氮气，关闭加热器，逐级关闭各类真空泵，等待气压回复到大气压后，打开腔体，取出氧化锆基板；
B：氮化铟外延层图形化加工：
选用干刻蚀的方式，采用ICP技术将主动区以外的氮化铟外延层刻蚀干净，刻蚀气体为Cl2/He，图形化工艺流程包括光刻和刻蚀。首先，通过匀胶，烘胶，曝光和显影，对氮化铟表面进行光刻，光刻完成之后，用光刻胶作为掩模，采用刻蚀的方式，将未覆盖光刻胶的薄膜进行刻蚀，最后用丙酮去除光刻胶，完成图形化加工；
C：在氮化铟外延层上电极和绝缘质层的制备：首先，对氮化铟外延层表面进行处理，将基板放入盐酸溶液中浸泡，去除表面生长时残留的金属铟，得到清洁的氮化铟表面，然后，制备金属和氮化铟层之间的欧姆接触，采用电子束蒸镀和剥离工艺在氮化铟外延层表面两个区域分别依次蒸镀上Ti/Al/Ni/Au多层金属，欧姆接触分为接触层和帽层两部分。Ti/Al/Ni/Au各层厚度分别是30/50/50/100nm，其中接触层为Ti/Al，金属功函数低，能够降低接触电阻。Au为帽层金属，Au较Ti/Al不易氧化，主要用来减少欧姆接触的寄生电阻。蒸镀后在800℃-900℃进行45秒快速退火处理，Ti与InN中的N反应生成TiN，Al防止InN中的In原子向外层扩散，使得InN层中产生N空位，从而使金属层和氮化铟层之间形成良好的欧姆接触，形成器件的源极和漏极，接着在氮化铟层表面源极和漏极之间制备绝缘质层。绝缘质层为无定形态，采用原子层沉积方法来制备得到。绝缘介质层可以选取不同的材料。例如，制备氧化铝层时，温度为200℃，原料为三甲基铝（TMA），沉积速率为0.01-0.02nm/周期，氧化铝生长过程中，TMA通过Ar气进入反应室，在衬底表面吸附，然后将剩余TMA带走，然后将氧气通入反应室，和吸附的TMA反应生成氧化铝层，随后通入的Ar气再将多余的氧气和反应副产物带离反应室，以上为一个循环周期，通过控制周期，即可实现控制所制备的绝缘质层的厚度。选取绝缘质层厚度为20nm；
D：在绝缘质层上制备场效应晶体管的栅极：
使用直流磁控溅射工艺方法制备栅极，在氩气气氛下通过直流溅射的方式使金属靶材沉积。用自动控温仪控制碘钨灯进行辐射加热衬底，用热电偶探测衬底温度，反应气体用流量计控制，溅射过程中靶材用水来冷却，工艺过程为：将带有绝缘质层/氮化铟/氧化锆衬底固定在工件上，衬底平行于溅射靶，使用机械泵和分子泵两级系统，使真空腔气压达到1×10-3Pa。首先将金属靶材表面的杂质蒸发除去，其次对衬底进行预热20分钟，接下来进行预溅射5分钟，然后移开挡板，然后调节功率将金属依次蒸发到衬底表面。最后关闭阀门，关闭扩散泵，机械泵，水阀，电源等，在绝缘质层表面形成器件的栅极。
上述实施例仅用来进一步说明本发明的，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 (6)
1.一种氮化铟（InN）基场效应晶体管，包括衬底，其特征在于：所述的衬底为将氧化锆掺杂钇后形成的萤石结构，氧化锆衬底包括取向为（111）或（110）或（112）或（113）稳定的表面，在氧化锆衬底上层叠有氮化铟层，氮化铟层表面中部层叠有绝缘介质层，两端层叠有源极和漏极，绝缘介质层上层叠有栅极，所述氮化铟层是铟极性氮化铟或氮极性氮化铟或半极性氮化铟，所述绝缘介质层是氧化铪或氮化硅或氧化铝，电极采用Ti或Ni或Al或Cu或Au或上述金属的组合。
2.一种氮化铟（InN）基场效应晶体管的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
A：氮化铟/氧化锆异质结结构的制备，在氧化锆基板上制备氮化铟外延层；
B：氮化铟外延层图形化加工：
图形化工艺为：采用干刻蚀的方式，采用ICP工艺将主动区以外的氮化铟外延层刻蚀干净，包括光刻和刻蚀，通过匀胶，烘胶，曝光和显影，对氮化铟表面进行光刻，光刻完成之后，用光刻胶作为掩模，采用刻蚀的方式，将未覆盖光刻胶的薄膜进行刻蚀，最后用丙酮去除光刻胶，完成图形化加工；
C：在氮化铟外延层上电极和绝缘质层的制备：
C1：对氮化铟外延层表面进行处理，将基板放入盐酸溶液中浸泡，去除表面生长时残留的金属铟，得到清洁的氮化铟表面；
C2：然后，制备金属和氮化铟层之间的欧姆接触，采用电子束蒸镀和剥离工艺在氮化铟表面两个区域分别制作多层金属形成欧姆接触；
C3：金属和氮化铟层之间的欧姆接触制作完成后在800℃-900℃进行45秒快速退火处理；
C4：在氮化铟层表面源极和漏极之间制备绝缘质层；
D：绝缘质层上制备场效应晶体管的栅极，在绝缘质量层表面制作器件的栅极。
3.根据权利要求2所述的一种氮化铟（InN）基场效应晶体管的制备方法，其特征在于：步骤A氮化铟/氧化锆异质结结构的制备时采用等离子辅助脉冲激光沉积系统（PLD）制备InN外延层，制作工艺如下：首先，将钇掺杂原子均匀的氧化锆衬底进行清洁处理，在1200℃-1300℃空气气氛下进行退火处理4.5-6小时；将退火处理后氧化锆基板放入超高真空的脉冲激光沉积系统腔体之中，腔内压强小于5×10-8Pa，腔内安装有超高纯度In金属靶材；打开加热器对氧化锆基板加热，加热至400-600℃，对氧化锆基板进行遮挡保护，同时在腔体内通入高纯氮气，使气压升高并维持在1×10-3Pa，同时打开高频等离子体发生器，通过等离子体激发氮原子，使其具有较高的能量，同时打开激光器，使用30Hz的KrF脉冲激光，激光的波长248nm，功率采用3焦耳/平方厘米，对In金属靶材进行溶解，待各项参数稳定后，去掉氧化锆基板的遮挡保护，脉冲激光激发的铟原子与等离子激发的氮原子在氧化锆基板表面结合成为氮化铟薄膜，待达到要求薄膜厚度后，调节遮挡板，结束薄膜生长,关闭激光器，关闭等离子体发生器，关闭加热器，逐级关闭各类真空泵，等待气压恢复到大气压后，打开腔体，取出氧化锆基板。
4.根据权利要求2所述的一种氮化铟（InN）基场效应晶体管的制备方法，其特征在于：步骤A氮化铟/氧化锆异质结结构的制备时采用采用射频等离子体辅助分子束外延（RF-MBE）系统制备InN外延层，制作工艺如下：首先，将掺杂原子均匀的氧化锆衬底进行清洁处理，在1200℃-1300℃空气气氛下进行退火处理4.5-6小时；再将退火处理后氧化锆基板放入超高真空的MBE腔体之中，腔内压强小于5×10-8Pa，打开加热器对氧化锆基板加热，加热至400-600℃，对氧化锆基板进行遮挡保护，同时打开高频等离子体发生器，功率设定在300W，调整In束流并使腔内气压稳定维持在1×10-4Pa，通过调节氮气流量来实现In和N的比例；去掉氧化锆基板的遮挡保护，进行薄膜外延生长；待达到要求薄膜厚度后，调节遮挡板，结束薄膜生长；关闭In束源，关闭等离子体发生器，关闭氮气，关闭加热器，逐级关闭各类真空泵，等待气压恢复到大气压后，打开腔体，取出氧化锆基板。
5.根据权利要求2所述的一种氮化铟（InN）基场效应晶体管的制备方法，其特征在于：步骤D采用真空膜方法制备栅极，将带有绝缘质层/氮化铟/氧化锆衬底固定在工件上，将蒸镀的金属靶材放置在蒸发舟内，将挡板设置好；蒸发室钟罩放置下，同时打开真空泵预热，然后打开阀门抽真空，直至钟罩内压强小于1×10-3Pa时调节电流开始蒸镀；首先将金属靶材表面的杂质蒸发除去，然后移开挡板，然后增加电流将金属依次蒸发到衬底表面；最后关闭电流，关闭阀门，关闭真空泵、水阀，在绝缘质层表面形成器件的栅极。
6.根据权利要求2所述的一种氮化铟（InN）基场效应晶体管的制备方法，其特征在于：步骤D使用直流磁控溅射工艺方法制备栅极，在氩气气氛下通过直流溅射的方式使金属靶材沉积；用自动控温仪控制碘钨灯进行辐射加热衬底，用热电偶探测衬底温度，反应气体用流量计控制，溅射过程中靶材用水来冷却，将带有绝缘质层/氮化铟/氧化锆衬底固定在工件上，衬底平行于溅射靶；使用机械泵和分子泵两级系统，使真空腔气压达到1×10-3Pa；首先将金属靶材表面的杂质蒸发除去，接着对衬底进行预热20分钟，接下来进行预溅射5分钟，然后移开挡板，然后调节功率将金属依次溅射到衬底表面；最后关闭阀门，关闭真空泵，水阀、电源，在绝缘质层表面金属形成器件的栅极。
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