CN106449416A - 基于Ga2O3材料的复合型双栅高速PMOS器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于Ga2O3材料的复合型双栅高速PMOS器件及其制备方法。该方法包括：选取N型半绝缘衬底，采用分子束外延生长N型β‑Ga2O3层；采用干法刻蚀形成台面，在台面两侧位置处采用离子注入工艺形成源区和漏区；在N型β‑Ga2O3衬底位于源区和漏区的两个斜面位置处形成源电极和漏电极；在N型β‑Ga2O3台面另外两个斜面处利用磁控溅射工艺在靠近源区侧形成第一栅介质层；在N型β‑Ga2O3衬底另外两个斜面处利用磁控溅射工艺在靠近漏区侧形成第二栅介质层以形成复合型双栅介质层；在复合型双栅介质层表面形成栅电极。本发明基于Ga2O3材料，通过采用两种不同介电常数的材料作为复合型栅氧化层以传输空穴阻挡电子提高传输速率。
Description
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种基于Ga2O3材料的复合型双栅高速PMOS器件及其制备方法。
背景技术
MOS器件，即金属-氧化物-半导体场效应管，自问世起其结构、性能就完全不同于早先的双极型集成电路，MOS集成电路具有输入阻抗高、抗干扰能力强、功耗小、集成度大等优点，因而成为超大规模集成电路时代的主流。MOS器件根据衬底的不同，导电沟道的不同，分为NMOS、PMOS、CMOS，其中采用N型衬底形成P型沟道的MOS器件为PMOS。
PMOS在Vgs小于定值后导通，该器件电流传输所依靠的载流子是空穴，故适合源极接高电压的情况，其特点是栅极低电平导通，高电平断开，可用来控制与电源间的驱动，但相比NMOS导通电阻大，发热大。
随着电子技术的日新月异的发展，集成电路规模不断提高，进入超大规模集成电路时代后MOSFET尺寸缩小至纳米级别时难免受到二级效应的影响，如短沟道效应、热载流子效应、漏致感应势垒降低效应等。因此需要研究新型衬底材料、新型栅介质材料以及新型的器件结构，例如对于宽禁带材料、高介电常数材料和双栅结构的研究以克服器件尺寸缩小引发的各种二级效应的影响。
目前第三代宽禁带半导体材料Ga2O3材料的PMOS器件作为半导体集成电路功率器件及光电器件的新兴研究方向，但由于β-Ga2O3衬底应用于高速器件时存在空穴传输速率不足、热导率相较其他宽禁带材料不高等缺点，此外金属栅/高k栅介质结构应用于Ga2O3衬底时出现较严重的费米钉扎效应，极大影响Ga2O3PMOS器件的器件性能。
因此，如何制作出高性能的基于Ga2O3PMOS器件就变得极其重要。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于Ga2O3材料的复合型双栅高速PMOS器件及其制备方法。
本发明的一个实施例提供了一种基于Ga2O3材料的复合型双栅高速PMOS器件的制备方法，包括：
选取N型半绝缘衬底；
在所述半绝缘衬底上采用分子束外延法生长N型β-Ga2O3层，并通过干法刻蚀工艺形成N型β-Ga2O3台面；
在所述N型β-Ga2O3台面表面相对的两侧位置处采用离子注入工艺形成源区和漏区；
采用第一掩膜版，在所述N型β-Ga2O3台面位于所述源区和所述漏区的两个斜面位置处形成源电极和漏电极；
采用第二掩膜版，在所述N型β-Ga2O3台面另外两个斜面处利用磁控溅射工艺在靠近所述源区侧形成第一栅介质层；
采用第三掩膜版，在所述N型β-Ga2O3台面另外两个斜面处利用磁控溅射工艺在靠近所述漏区侧形成第二栅介质层以形成复合型双栅介质层；
采用第四掩膜版，在所述复合型双栅介质层表面形成栅电极，最终形成所述复合型双栅高速PMOS器件。
在本发明的一个实施例中，选取N型β-Ga2O3衬底，包括：
选取掺杂类型为厚度为350μm的所述N型半绝缘衬底SiC或蓝宝石；
对所述N型半绝缘衬底进行RCA清洗。
在本发明的一个实施例中，在所述N型β-Ga2O3台面表面相对的两侧位置处采用离子注入工艺形成源区和漏区，包括：
在所述N型β-Ga2O3台面表面相对的两侧位置处采用离子注入工艺形成源漏轻掺杂区；
在所述源漏轻掺杂区的边缘处采用离子注入工艺形成源漏重掺杂区。
在本发明的一个实施例中，采用第一掩膜版，在所述N型β-Ga2O3衬底位于所述源区和所述漏区的两个斜面位置处形成源电极和漏电极，包括：
采用所述第一掩膜版，以第一金属材料为溅射靶材，在所述N型β-Ga2O3衬底靠近所述源区和所述漏区的两个斜面位置处采用磁控溅射工艺形成源电极材料和漏电极材料；
在氮气或者氩气的环境下，采用快速热退火工艺对所述源电极材料和所述漏电极材料进行退火处理形成所述源电极和所述漏电极。
在本发明的一个实施例中，采用第二掩膜版，在所述N型β-Ga2O3台面另外两个斜面处利用磁控溅射工艺在靠近所述源区侧形成第一栅介质层，包括：
采用所述第二掩膜版，选用Al材料作为溅射靶材，以氩气和氧气作为溅射气体通入溅射腔，在所述N型β-Ga2O3衬底另外两个斜面处靠近所述源区侧形成Al2O3栅介质层。
在本发明的一个实施例中，采用第三掩膜版，在所述N型β-Ga2O3台面另外两个斜面处利用磁控溅射工艺在靠近所述漏区侧形成第二栅介质层以形成复合型双栅介质层，包括：
采用所述第三掩膜版，选用Y2O3陶瓷靶材料作为溅射靶材，以氧气和氩气作为溅射气体通入溅射腔，在所述N型β-Ga2O3衬底另外两个斜面处靠近所述漏区侧形成Y2O3栅介质层。
在本发明的一个实施例中，采用第四掩膜版，在所述形成所述复合型双栅介质层表面形成栅电极，包括：
采用所述第四掩膜版，选用Au材料作为溅射靶材，以氩气作为溅射气体通入溅射腔，在所述形成所述复合型双栅介质层表面形成所述栅电极。
本发明的另一个实施例提供了一种基于Ga2O3材料的复合型双栅高速PMOS器件，其中，所述双栅高速PMOS器件由上述实施例中任一所述的方法制备形成。
本发明实施例的双栅高速PMOS器件，相对于现有技术至少具有如下优点：
本发明的PMOS器件采用两种不同介电常数的材料作为复合型栅氧化层传输空穴阻挡电子，从而有效提高了空穴沿沟道方向的传输速率，进一步有效降低短沟道效应和热载流子效应，增大击穿电压，克服了传统双栅结构中空穴传输速率不够高的缺点，通过选择不同组合的两种材料作为栅介质层可调节阈值电压，进一步发挥了双栅结构本有的高跨导、高载流子迁移率、良好的亚阈值斜率特性的优点。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于Ga2O3材料的复合型双栅高速PMOS器件的第一截面示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于Ga2O3材料的复合型双栅高速PMOS器件的第二截面示意图；
图3为本发明实施例提供的一种基于Ga2O3材料的复合型双栅高速PMOS器件的第三截面示意图；
图4为本发明实施例提供的一种基于Ga2O3材料的复合型双栅高速PMOS器件的俯视示意图；
图5为本发明实施例提供的一种基于Ga2O3材料的复合型双栅高速PMOS器件的制备方法流程示意图；
图6a-图6j为本发明实施例提供的一种基于Ga2O3材料的复合型双栅高速PMOS器件的制备方法示意图；
图7a-图7b为本发明实施例提供的一种第一掩膜版组的结构示意图；
图8a-图8b为本发明实施例提供的一种第二掩膜版组的结构示意图；
图9a-图9b为本发明实施例提供的一种第三掩膜版组的结构示意图；
图10a-图10b为本发明实施例提供的一种第四掩膜版组的结构示意图；以及
图11a-图11d为本发明实施例提供的一种第五掩膜版组的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1、图2、图3及图4，图1为本发明实施例提供的一种基于Ga2O3材料的复合型双栅高速PMOS器件的第一截面示意图(沿XY轴形成的平面截取)，图2为本发明实施例提供的一种基于Ga2O3材料的复合型双栅高速PMOS器件的第二截面示意图(沿ZY轴形成的平面截取，观看角度为：漏电极à源电极的方向)，图3为本发明实施例提供的一种基于Ga2O3材料的复合型双栅高速PMOS器件的第三截面示意图(沿ZY轴形成的平面截取，观看角度为：源电极à漏电极的方向)，图4为本发明实施例提供的一种基于Ga2O3材料的复合型双栅高速PMOS器件的俯视示意图。该复合型双栅高速PMOS器件包括氧化镓台面1、由靠近源端区域栅氧化层2和靠近漏端区域栅氧化层3组成的复合型栅介质层、双金属栅电极9、源漏轻掺杂区7、8、源漏重掺杂区11、12和源漏电极5、6和半绝缘衬底10组成。
所述衬底例如为N型的半绝缘衬底SiC或蓝宝石，所述外延台面为无掺杂或掺杂Sn、Si、Al等元素厚度20-35nm、掺杂浓度1017cm-3量级的N型β-Ga2O3(-201)、N型β-Ga2O3(010)或N型β-Ga2O3(001)材料；所述栅介质层靠近漏端区域例如为TiO2或Y2O3或HfO2材料；所述栅介质层靠近源端区域例如为Al2O3或SiO2或Si3N4材料；所述双栅电极例如为Au、Al、Ti、Sn、Ge、In、Ni、Co、Pt、W、Mo、Cr、Cu、Pb等金属材料、包含这些金属中2种以上合金或ITO等导电性化合物形成。另外，可以具有由不同的2种以上金属构成的2层结构，例如Al/Ti。所述源漏重掺杂区掺杂元素可为Cu或者N和Zn的共掺杂；所述源漏电极例如为Au、Al、Ti、Sn、Ge、In、Ni、Co、Pt、W、Mo、Cr、Cu、Pb等金属材料、包含这些金属中2种以上合金或ITO等导电性化合物形成。另外，可以具有由不同的2种及以上金属构成的2层结构，例如Al/Ti。
请参见图5，图5为本发明实施例提供的一种基于Ga2O3材料的复合型双栅高速PMOS器件的制备方法流程示意图。该方法包括如下步骤：
步骤a、选取N型半绝缘衬底；
步骤b、在所述N型半绝缘衬底上采用分子束外延生长N型β-Ga2O3层20-35nm，并通过干法刻蚀工艺形成N型β-Ga2O3台面；
步骤c、在所述N型β-Ga2O3衬底表面相对的两侧位置处采用离子注入工艺形成源区和漏区；
步骤d、采用第一掩膜版，在所述N型β-Ga2O3衬底位于所述源区和所述漏区的两个斜面位置处形成源电极和漏电极；
步骤e、采用第二掩膜版，在所述N型β-Ga2O3台面另外两个斜面处利用磁控溅射工艺在靠近所述源区侧形成第一栅介质层；
步骤f、采用第三掩膜版，在所述N型β-Ga2O3台面另外两个斜面处利用磁控溅射工艺在靠近所述漏区侧形成第二栅介质层以形成所述复合型双栅介质层；
步骤g、采用第四掩膜版，在所述复合型双栅介质层表面形成栅电极，最终形成所述复合型双栅高速PMOS器件。
对于步骤a，可以包括：
步骤a1、选取掺杂类型为厚度为350μm的所述N型半绝缘衬底SiC或蓝宝石；
步骤a2、对所述N型半绝缘衬底进行RCA标准清洗。
对于步骤b，可以包括：
在所述N型半绝缘衬底表面通过分子束外延生长N型β-Ga2O3层，厚度为20-35nm，可掺杂Sn、Si、Al等元素，掺杂浓度在1017cm-3量级。
对于步骤c，可以包括：
步骤c1、在所述N型β-Ga2O3台面表面相对的两侧位置处采用离子注入工艺形成源漏轻掺杂区；该轻掺杂区的浓度例如为1×1014~1×1016cm-3。
步骤c2、在所述源漏轻掺杂区的边缘处采用离子注入工艺形成源漏重掺杂区。该重掺杂区的浓度例如为1×1018~1×1020cm-3。
对于步骤d，可以包括：
步骤d1、采用所述第一掩膜版，以第一金属材料为溅射靶材，在所述N型β-Ga2O3台面靠近所述源区和所述漏区的两个斜面位置处采用磁控溅射工艺形成源电极材料和漏电极材料；
步骤d2、在氮气或者氩气的环境下，采用快速热退火工艺对所述源电极材料和所述漏电极材料进行退火处理形成所述源电极和所述漏电极。
对于步骤e，可以包括：
采用所述第二掩膜版，选用Al材料作为溅射靶材，以氩气和氧气作为溅射气体通入溅射腔，在所述N型β-Ga2O3台面另外两个斜面处靠近所述源区侧形成Al2O3栅介质层。
对于步骤f，可以包括：
步骤f1、采用所述第三掩膜版，选用Y2O3陶瓷靶材料作为溅射靶材，以氧气和氩气作为溅射气体通入溅射腔，在所述N型β-Ga2O3台面另外两个斜面处靠近所述漏区侧形成Y2O3栅介质层。
对于步骤g，可以包括：
采用所述第四掩膜版，选用Au材料作为溅射靶材，以氩气作为溅射气体通入溅射腔，在所述复合型双栅表面形成所述栅电极。
本发明实施例，通过采用两种不同介电常数的材料作为复合型栅氧化层传输空穴阻挡电子，从而有效提高了空穴沿沟道方向的传输速率。
实施例二
请一并参见图6a-图6j，图7-图10，图6a-图6j为本发明实施例提供的一种基于Ga2O3材料的复合型双栅高速PMOS器件的制备方法示意图；图7为本发明实施例提供的一种第一掩膜版组的结构示意图；图8为本发明实施例提供的一种第二掩膜版的结构示意图；图9为本发明实施例提供的一种第三掩膜版的结构示意图；图10为本发明实施例提供的一种第四掩膜版的结构示意图；以及图11a-图11d为本发明实施例提供的一种第五掩膜版组的结构示意图。本实施例在上述实施例的基础上，对本发明的基于Ga2O3材料的复合型双栅高速PMOS器件的制备方法进行详细说明如下：
步骤1：请参见图6a，准备半绝缘蓝宝石衬底10，厚度为350μm，对衬底进行预处理如RCA标准清洗。
可选地，衬底可选用厚度为350μmSiC衬底用RCA标准清洗，制作过程更为复杂。
步骤2：请参见图6b及图6c，在步骤1所准备的半绝缘衬底表面采用分子束外延生长β-Ga2O3层1，后通过干法刻蚀形成β-Ga2O3台面1。
步骤3：请参见图6d、图6e及图11a-图11d，在步骤2所准备的β-Ga2O3台面1两侧进行离子注入使两侧区域形成P型导电区7、8，之后在P型导电区7、8两侧重掺杂形成左右两侧重掺杂β-Ga2O3区11、12，注入离子可为Cu或N、Zn共掺杂。其中，图11a为源轻掺杂用的掩膜版，图11b为漏轻掺杂用的掩膜版，图11c为源重掺杂用的掩膜版，11d为漏重掺杂用的掩膜版。
步骤4：请参见图6f及图7a-图7b，在步骤2所准备的左右两侧重掺杂β-Ga2O3区11、12上使用第一掩膜版，通过磁控溅射源漏Au电极5、6，并进行退火形成欧姆接触。其中，图7a为漏电极的掩膜版，图7b为源电极的掩膜版，由于整个衬底表面为台状结构，所以防止掩膜版弯曲，在斜面部分采用如图所示的小尺寸掩膜版，在未被掩膜版覆盖的区域使用无尘纸贴敷。
溅射靶材选用质量比纯度>99.99%的金，以质量百分比纯度为99.999%的Ar作为溅射气体通入溅射腔，溅射前，用高纯氩气对磁控溅射设备腔体进行5分钟清洗，然后抽真空。在真空度为6×10-4~1.3×10-3Pa、氩气流量为20~30cm3/秒、靶材基距为10cm和工作功率为20W~100W的条件下，制备源漏电极金，电极厚度为40~100nm。溅射完成后进行快速热退火，在氮气或氩气环境下，700℃退火4min。
源漏电极的金属可选Au、Al、Ti等不同元素及其组成的2层结构，源漏电极可选用Al\Ti\Ni\Ag\Pt等金属替代，但替换后需要更改磁控溅射各项工艺参数。其中Au\Ag\Pt化学性质稳定；Al\Ti\Ni成本低。
步骤5：请参见图6g及图8a-图8b，在步骤1所准备的β-Ga2O3台面另外两侧的斜面使用第二掩膜版，通过磁控溅射靠近源端的Al2O3栅氧化层2。图8a为其中一个斜面的掩膜版，图8b为另一个斜面的掩膜版，台状结构的顶部平面上同样采用无尘纸处理。
溅射靶材选用质量比纯度>99.99%的铝靶材，以质量百分比纯度为99.999%的氩气和氧气作为溅射气体通入溅射腔，溅射前用高纯氩气对磁控溅射设备腔体进行5分钟清洗，然后抽真空。在真空度为6×10-4~1.3×10-3Pa、氧气和氩气流量为20-30cm3/秒、靶材基距为10cm和工作功率为250W~350W的条件下，制备靠近源端的Al2O3栅氧化层2，栅氧化层2厚度为5~15nm。
靠近源端的栅氧化层可选用SiO2或Si3N4材料替代。但替代后提高空穴传输速率的效果变差且磁控溅射得更换靶材并修改各项工艺参数。
步骤6：请参见图6h及图9a-图9b，在步骤1所准备的β-Ga2O3台面另外两侧的斜面使用第三掩膜版，通过磁控溅射靠近漏端的Y2O3栅氧化层3。图9a为其中一个斜面的掩膜版，图9b为另一个斜面的掩膜版，台状结构的顶部平面上同样采用无尘纸处理。
溅射靶材选用质量比纯度>99.99%的Y2O3陶瓷靶材，以质量百分比纯度为99.999%的O2和Ar作为溅射气体通入溅射腔，溅射前用高纯氩气对磁控溅射设备腔体进行5分钟清洗，然后抽真空。在真空度为6×10-4~1.3×10-3Pa、氩气和氧气流量为20~30cm3/秒、靶材基距为10cm和工作功率为40W~70W的条件下，制备靠近漏端的Y2O3栅氧化层3，栅氧化层3厚度与步骤3厚度一样。
靠近源端的栅氧化层3可选用Ti2O3或HfO2材料替代。但替代后提高空穴传输速率的效果变差且磁控溅射得更换靶材并修改各项工艺参数。
在复合型栅氧化层上采用CMP工艺进行平整化，以确保栅氧化层3厚度与栅氧化层3的厚度一致。
步骤7：请参见图6i、图6j及图10a-图10b，在栅氧化层2和3上磁控溅射Au材料作为栅电极9。图10a为其中一个斜面的掩膜版，图10b为另一个斜面的掩膜版，台状结构的顶部平面上同样采用无尘纸处理。
采用磁控溅射工艺在步骤4和步骤5所得栅氧化层2和3上使用第四掩膜版，通过磁控溅射生长Au栅电极9，溅射靶材选用质量比纯度>99.99%的金，以质量百分比纯度为99.999%的Ar作为溅射气体通入溅射腔，溅射前，用高纯氩气对磁控溅射设备腔体进行5分钟清洗，然后抽真空。在真空度为6×10-4~1.3×10-3Pa、氩气流量为20~30cm3/秒、靶材基距为10cm和工作功率为20~100W的条件下，制备Au栅电极9，电极厚度为40~100nm。
栅电极9的金属可选Au、Al、Ti等不同元素及其组成的2层结构，栅电极9可选用Al\Ti\Ni\Ag\Pt等金属替代。其中Au\Ag\Pt化学性质稳定；Al\Ti\Ni成本低。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于Ga2O3材料的复合型双栅高速PMOS器件的制备方法，其特征在于，包括：
选取N型半绝缘衬底；
在所述半绝缘衬底上采用分子束外延法生长N型β-Ga2O3层，并通过干法刻蚀工艺形成N型β-Ga2O3台面；
在所述N型β-Ga2O3台面表面相对的两侧位置处采用离子注入工艺形成源区和漏区；
采用第一掩膜版，在所述N型β-Ga2O3台面位于所述源区和所述漏区的两个斜面位置处形成源电极和漏电极；
采用第二掩膜版，在所述N型β-Ga2O3台面另外两个斜面处利用磁控溅射工艺在靠近所述源区侧形成第一栅介质层；
采用第三掩膜版，在所述N型β-Ga2O3台面另外两个斜面处利用磁控溅射工艺在靠近所述漏区侧形成第二栅介质层以形成复合型双栅介质层；
采用第四掩膜版，在所述复合型双栅介质层表面形成栅电极，最终形成所述复合型双栅高速PMOS器件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，选取N型半绝缘衬底，包括：
选取掺杂类型为厚度为350μm的所述N型SiC或蓝宝石衬底；
对所述N型半绝缘衬底进行RCA清洗。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述N型β-Ga2O3台面表面相对的两侧位置处采用离子注入工艺形成源区和漏区，包括：
在所述N型β-Ga2O3台面表面相对的两侧位置处采用离子注入工艺形成源漏轻掺杂区；
在所述源漏轻掺杂区的边缘处采用离子注入工艺形成源漏重掺杂区。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用第一掩膜版，在所述N型β-Ga2O3台面位于所述源区和所述漏区的两个斜面位置处形成源电极和漏电极，包括：
采用所述第一掩膜版，以第一金属材料为溅射靶材，在所述N型β-Ga2O3台面靠近所述源区和所述漏区的两个斜面位置处采用磁控溅射工艺形成源电极材料和漏电极材料；
在氮气或者氩气的环境下，采用快速热退火工艺对所述源电极材料和所述漏电极材料进行退火处理形成所述源电极和所述漏电极。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用第二掩膜版，在所述N型β-Ga2O3台面另外两个斜面处利用磁控溅射工艺在靠近所述源区侧形成第一栅介质层，包括：
采用所述第二掩膜版，选用Al材料作为溅射靶材，以氩气和氧气作为溅射气体通入溅射腔，在所述N型β-Ga2O3台面另外两个斜面处靠近所述源区侧形成Al2O3栅介质层。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用第三掩膜版，在所述N型β-Ga2O3台面另外两个斜面处利用磁控溅射工艺在靠近所述漏区侧形成第二栅介质层以形成复合型双栅介质层，包括：
采用所述第三掩膜版，选用Y2O3材料作为溅射靶材，以氧气和氩气作为溅射气体通入溅射腔，在所述N型β-Ga2O3台面另外两个斜面处靠近所述漏区侧形成Y2O3栅介质层。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用第四掩膜版，在所述复合型双栅介质层表面形成栅电极，包括：
采用所述第四掩膜版，选用Au材料作为溅射靶材，以氩气作为溅射气体通入溅射腔，在所述复合型双栅介质层表面形成所述栅电极。
8.一种基于Ga2O3材料的复合型双栅高速PMOS器件，其特征在于，所述双栅高速PMOS器件由权利要求1-7任一项所述的方法制备形成。
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