CN106158960A - 基于数字化湿法栅刻蚀技术形成GaN增强型MOSFET及制备方法 - Google Patents

Abstract

基于数字化栅刻蚀技术形成GaN增强型MOSFET及制备方法，本发明涉及宽禁带化合物半导体材料的电力电子器件及高效率功率开关领域。本发明白下而上包括衬底、GaN缓冲层、GaN、AlGaN，腐蚀掩膜介质层和绝缘栅介质层，且在晶元表面定义有栅极区域，栅极区域下面的腐蚀掩膜介质层被刻蚀掉以及AlGaN层被湿法腐蚀掉，在AlGaN表面有源极区域和漏极区域，分别形成源极和漏极。本发明的有益效果是，用湿法腐蚀栅槽区域，避免了等离子体损伤，使栅槽底表面形貌较好，提高了最大漏电流密度，并且可以控制栅刻蚀的深度以及阈值电压的一致性。所研制的高性能的基于湿法腐蚀的GaN增强型器件可以应用于高效功率开关以及RF功率器件中。

Description

基于数字化湿法栅刻蚀技术形成GaN增强型MOSFET及制备方法

技术领域

本发明涉及宽禁带化合物半导体材料的电力电子器件及高效率功率开关领域。

背景技术

GaN材料的特性如下：(1)相比于Si(1.12eV)和GaAs(1.42eV)的禁带宽度，GaN的禁带宽度为3.4eV，使得器件能够在高电压下工作，此外也保证了器件在一定的高温环境下不会失效。(2)GaN材料具有优异的抗击穿特性，击穿场强约为3MV/cm，是Si材料的10倍。(3)GaN材料的电子饱和漂移速率高，因而工作在高电场下的器件仍然具有很高的电子迁移率，进而获得大电流密度，这点对于高功率器件非常有吸引力。(4)GaN材料还具有介电常数大、热导率高、抗辐射能力强的特点。(5)GaN是直接带隙半导体，空穴和电子的复合效率高，可以应用在光电领域。

AlGaN/GaN异质结是III族氮化物材料体系中最重要的结构之一，由于极强的自发极化与压电极化效应，在AlGaN/GaN界面形成的二维电子气(2DEG)浓度很高(可达10¹³cm^-2)，比AlGaAs/GaAs异质结界面的2DEG浓度高出近一个数量级。由于普通AlGaN/GaN异质结界面存在大量二维电子气，常规AlGaN/GaN高迁移率晶体管(HEMT)的肖特基栅下2DEG很难在零栅压下耗尽，当材料制作成器件后需要在栅极施加负栅压才能将2DEG耗尽、使沟道夹断，即常规AlGaN/GaN HEMT器件多表现为耗尽型。而在很多场合，比如数字电路、高压开关等领域应用时需要增强型器件，确保只加正栅压后才有工作电流，为此研究工作者一直在探索增强型HEMT的制造技术，更一直在寻求高性能HEMT的制造方法。

目前形成增强型GaN HEMT器件的方法主要有以下三种：(1)通过减薄栅区域的AlGaN势垒区厚度，降低栅区域的2DEG浓度，从而实现增强型GaN HEMT器件。(2)通过氟离子注入栅区域的AlGaN层，由于氟离子的强负电性，沟道中的2DEG被氟离子耗尽，从而实现增强型GaN HEMT器件。(3)通过能带设计利用不同的材料生长来降低AlGaN/GaN异质结界面的2DEG浓度，从而实现增强型GaN HEMT器件，如p型GaN、AlGaN帽层。

其中栅刻蚀技术通常使用干法刻蚀技术，采用等离子体进行处理，这将引起有源区的离子损伤，导致表面形貌退化以及沟道迁移率低；同时由于很难控制干法刻蚀的速率，导致栅区AlGaN的厚度难以控制。因此普通的基于ICP或者RIE的干法刻蚀栅技术会影响器件的稳定性和可靠性。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题是提出一种基于湿法栅刻蚀技术形成GaN增强型MOSFET及制备方法。该方法避免了干法等离子体刻蚀对栅极下方导电沟道的损伤，既能保证沟道表面的形貌，又可以控制刻蚀的深度以及阈值电压的一致性，从而获得高性能、高稳定性的GaN增强型器件。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：基于湿法栅刻蚀技术形成的GaN增强型MOSFET，包括：自下而上基板、GaN或者AIN成核层、GaN或者AlGaN缓冲层、GaN沟道层、AlGaN势垒层，腐蚀掩膜介质层和绝缘栅介质层；且在晶元表面定义有栅极区域，栅极区域下方的腐蚀掩膜介质层被刻蚀掉以及AlGaN层被湿法腐蚀掉；在AlGaN表面有源极区域和漏极区域，分别形成源极和漏极。

所述腐蚀掩膜介质层、绝缘栅介质层的材料为以下材料中的任意一种：Si₃N₄、Al₂O₃、AlN、HfO₂、SiO₂、HfTiO、Sc₂O₃、Ga₂O₃、MgO、SiNO。

所述源极和漏极为：钛、铝、镍、金、铂、铱、钼、钽、铌、钴、锆、钨等中的一种或多种的合金。

所述栅极为以下导电材料的一种或多种的组合：铂、铱、镍、金、钼、钯、硒、铍、TiN、多晶硅、ITO。

本发明还提供基于湿法刻蚀技术形成GaN增强型MOSFET的制备方法，包括以下步骤：

(1)、在衬底上依次生长GaN或者AlN成核层、GaN或者AlGaN缓冲层、GaN沟道层、AlN插入层、AlGaN势垒层、GaN帽层

(2)、利用刻蚀或者离子注入实现有源区电隔离；

(3)、光刻出源漏电极图形，通过电子束蒸发或者磁控溅射制备多层金属形成源极和漏极，并在800℃到900℃之间于保护气体中退火30秒，形成欧姆接触；

(4)、在AlGaN层上用PECVD、ICPCVD或者LPCVD生长Si₃N₄；

(5)、光刻出栅刻蚀区域，用RIE或者ICP刻蚀Si₃N₄；

(6)、将晶元放入氧等离子体系统中氧化3min，其中工作RF功率为300W，温度为100℃；

(7)、将晶元放入1∶10的盐酸中浸泡1min，去除AlGaN的氧化物；

(8)、重复步骤(6)和(7)，漏电流会随着AlGaN的减薄而逐渐减小，测试被刻蚀HEMT(没有栅电极)的漏极电流，直到电流为0，停止氧化以及湿法腐蚀。

(9)、在晶元表面生长绝缘栅介质层，光刻出源漏区域接触孔，刻蚀掉绝缘栅介质层以及Si₃N₄，使源漏欧姆接触暴露出来。

(10)、光刻栅电极区域，用电子束蒸发或者磁控溅射生长栅电极材料，并通过剥离工艺形成栅电极，再在氮气环境下对整个晶元进行退火处理。

本发明的有益效果是，用湿法腐蚀栅槽区域，避免了等离子体损伤，使栅槽底表面形貌较好，提高了沟道中电子迁移率以及最大漏极电流密度，并且可以控制栅刻蚀的深度以及阈值电压的一致性。所研制的高性能的基于湿法腐蚀的GaN增强型器件可以应用于高效功率开关以及RF功率器件中。

附图说明

图1是基于湿法腐蚀的GaN增强型MOSFET横截面结构示意图。

图2-图9是用湿法腐蚀形成GaN增强型MOSFET的制造工艺流程示意图。

图10是基于湿法腐蚀的GaN增强型MOSFET的输出特性曲线、转移特性曲线以及跨导曲线。

具体实施方式

本发明的增强型GaN MOSFET器件的基本结构示意图如图1所示，属于金属-氧化物-半导体场效应管，与常见的栅刻蚀技术的增强型GaN HEMT或MOSFET相比较，本发明的特点是采用湿法腐蚀技术，代替了常用的等离子体干法刻蚀，大大降低了栅槽的等离子体损伤，保留了较好的栅槽表面形貌，并且保证了阈值电压的一致性以及实现了高性能的GaN增强型MOSFET，其中栅金属为以下导电材料中的一种或多种的组合：铂、铱、镍、金、钼、钯、硒、铍、TiN、多晶硅、ITO，绝缘栅介质层的材料为以下材料中的任意一种：Si₃N₄、Al₂O₃、AlN、HfO₂、SiO₂、HfTiO、Sc₂O₃、Ga₂O₃、MgO以及SiNO。

本发明的具体制造工艺过程为：用MOCVD自下而上在衬底(SiC，Si或者蓝宝石)上依次生长GaN或者AlN缓冲层、GaN或者AlGaN缓冲层、GaN沟道层、AlGaN势垒层，有源区电隔离后先在晶元表面形成源漏欧姆接触，再用ICPCVD或者PECVD生长Si₃N₄，然后用RIE刻蚀沟槽处的Si₃N₄，然后用氧等离子体氧化栅区域露出的AlGaN，然后再用盐酸腐蚀，再氧化再腐蚀，重复氧化腐蚀这个过程直到源漏间电流为0，证明AlGaN全部腐蚀干净，再生长绝缘栅介质，最后再生长栅电极材料。通过这个湿法腐蚀技术，去除了等离子体对栅槽的轰击，降低了损伤，提高了器件的性能。

在本发明中，湿法刻蚀是采用先用氧等离子体氧化AlGaN，再用盐酸来去除AlGaN的氧化物，然后重复氧化腐蚀的步骤，每次湿法腐蚀都能去除离子所带来的损伤，使表面形貌不发生严重退化，进一步的实验可以采用基于臭氧的氧化媒介或者在氧等离子体中设置法拉第笼，完全避免等离子体的损伤。由于随着AlGaN的减薄，沟道2DEG的浓度不断的降低，源漏之间电流不断的缩小，当源漏之间电流降为0的时候，证明沟槽中的AlGaN全部被刻蚀干净，从而可以制造出低损伤的GaN增强型器件。

图2-图9为本发明基于湿法栅刻蚀技术形成GaN增强型MOSFET及制备方法的工艺流程示意图，其工艺流程如下：

(1)、如图2所示，在衬底上利用MOCVD首先先生长一层GaN成核层，然后再生长2μm的GaN层，最后生长24nm的AlGaN，该AlGaN与GaN层形成异质结结构，并在界面处形成2DEG沟道。该衬底可以是SiC，Si或者蓝宝石中的任意一种；

(2)、如图3所示，在形成隔离岛以后，通过光刻出源漏电极图形，通过电子束蒸发Ti/Au/Ni/Au四种金属，采用剥离工艺制备出源区和漏区的金属电极，并在900℃氮气氛围中进行快速退火30秒，形成欧姆接触；

(3)、如图4所示，在AlGaN层上用PECVD或ICPCVD生长Si₃N₄；

(4)、如图5所示，光刻出栅刻蚀区域，用F基气体刻蚀Si₃N₄；

(5)、如图6所示，将晶元放入氧等离子体系统中氧化3min，其中工作RF功率为300W，温度为100℃，氧气流量150sccm；

(6)、如图7所示，将晶元放入1：10的盐酸中浸泡1min，去除AlGaN的氧化物；

(7)、重复步骤(5)和(6)，漏电流会随着AlGaN的减薄而逐渐减小，测试被刻蚀HEMT(没有栅电极)的漏电流，直到漏电流为0，停止氧化以及湿法腐蚀。此时AlGaN已经被全部刻蚀掉，没有了2DEG沟道，所以源漏之间的电流为0；

(8)、如图8所示，在晶元表面生长绝缘栅介质层。然后光刻源漏区域，刻蚀掉绝缘栅介质层以及Si₃N₄，使源漏欧姆接触暴露出来方便测试。

(9)、如图9所示，光刻栅金属区域，用电子束蒸发生长Ni/Au，并通过剥离工艺形成栅金属电极，形成一个T型栅结构，最后在氮气环境下对整个晶元进行退火处理(温度400℃，退火时间10min)。

通过以上步骤就可以形成基于湿法腐蚀的GaN增强型MOSFET，如图10所示，利用本方法制作出的增强型器件阈值电压为1.65V，最大源漏饱和电流达到528mA/mm，最大饱和跨导达112mS/mm(测试器件的栅长，栅源距离，栅漏距离分别为1.5μm、1.5μm、3μm)该MOSFET的高性能证明了湿法栅刻蚀技术会在GaN增强型器件技术中得到更大的应用空间。

Claims (10)

1.基于数字化栅刻蚀技术形成GaN增强型MOSFET及制备方法，包括：自下而上基板、GaN缓冲层、GaN、AlGaN，腐蚀掩膜介质层和绝缘栅介质层，且在晶元表面定义有栅极区域，栅极区域下面的腐蚀掩膜介质层被刻蚀掉以及AlGaN层被湿法腐蚀掉，在AlGaN表面有源极区域和漏极区域，分别形成源极和漏极。

2.如权利要求1所述的基于数字化栅刻蚀技术形成GaN增强型MOSFET及制备方法，其特征在于，所述绝缘栅介质层的材料为以下材料中的任意一种：Si₃N₄、Al₂O₃、AlN、HfO₂、SiO₂、HfTiO、Sc₂O₃、Ga₂O₃及SiNO。

3.如权利要求1所述的基于数字化栅刻蚀技术形成GaN增强型MOSFET及制备方法，其特征在于，所述源极和漏极为：钛、铝、镍、金、铂、铱、钼、钽、铌、钴、锆、钨等中的一种或多种的合金。

4.如权利要求1所述的基于数字化栅刻蚀技术形成GaN增强型MOSFET及制备方法，其特征在于，所述栅极金属为以下导电材料的一种或多种的组合：铂、铱、镍、金、钼、钯、硒、铍、TiN、多晶硅、ITO。

5.如权利要求1所述的基于数字化栅刻蚀技术形成GaN增强型MOSFET及制备方法的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)、在衬底上依次生长GaN或AlN缓冲层、GaN以及AlGaN；

(2)、利用刻蚀方法或者离子注入形成隔离台面，实现有源区电隔离；

(3)、光刻出源漏电极图形，通过电子束蒸发制备多层金属形成源极和漏极，并在800℃到900℃之间氮气氛围中退火30秒，形成欧姆接触；

(4)、在AlGaN层上用PECVD或者ICPCVD生长腐蚀掩膜介质；

(5)、光刻出栅刻蚀区域，刻蚀腐蚀掩膜介质；

(6)、将晶元放入含氧的系统中氧化；

(7)、将晶元放入1∶10的盐酸中浸泡1min，去除AlGaN的氧化物；

(8)、重复步骤(6)和(7)，漏电流会随着AlGaN的减薄而逐渐减小，测试被刻蚀HEMT(没有栅电极)的漏电流，直到电流为0，停止氧化以及湿法腐蚀。

(9)、在晶元表面生长绝缘栅介质层，光刻源漏区域，刻蚀掉绝缘栅介质层以及Si₃N₄，使源漏欧姆接触暴露出来。

(10)、光刻栅金属区域，用电子束蒸发生长栅金属，并通过剥离工艺形成栅金属电极，再在氮气环境下对整个晶元进行退火处理。

6.如权利要求1所述的基于数字化栅刻蚀技术形成GaN增强型MOSFET及制备方法的制备方法，其特征在于，栅极区域下面的腐蚀掩膜介质层可以通过ICP或者RIE干法刻蚀实 现。

7.如权利要求5所述的基于数字化栅刻蚀技术形成GaN增强型MOSFET及制备方法的制备方法，其特征在于，所述步骤(6)可以为以下过程但不限于具体参数：

(6)将晶元放入氧等离子体系统中氧化3min，其中工作RF功率为300W，温度为100℃，氧气流量为150sccm。

8.如权利要求5所述的基于数字化栅刻蚀技术形成GaN增强型MOSFET及制备方法的制备方法，其特征在于，所述步骤(9)(10)可以为以下过程但不限于具体参数：

(9)用ALD在晶元表面生长一层10nm的Al₂O₃，生长温度250℃，并在400℃氮气环境下快速退火2min，然后再光刻源漏区域，刻蚀Al₂O₃以及Si₃N₄，使得欧姆接触可以接触电极。

(10)光刻栅金属区域，用电子束蒸发生长栅金属Ni/Au，并通过剥离工艺形成栅金属电极，并把晶元在氮气环境下400℃退火10min。

9.如权利要求5所述的基于数字化栅刻蚀技术形成GaN增强型MOSFET及制备方法的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)和(5)中的掩膜介质可以为Si₃N₄、SiO₂、SiON。

10.如权利要求5所述的基于数字化栅刻蚀技术形成GaN增强型MOSFET及制备方法的制备方法，其特征在于，所述步骤(6)中含氧的系统可以为氧等离子体、臭氧、双氧水或其他具有强氧化性的媒介。