CN106783979B - 基于Ga2O3材料的帽层复合双栅PMOSFET及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于Ga2O3材料的帽层复合双栅PMOSFET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；在靠近源区和漏区的两侧位置处形成源电极和漏电极；在台面另外两侧的斜面位置处利用磁控溅射工艺在靠近源区侧形成第一、第二栅介质层；在第一、第二栅介质层表面形成盖帽层；在盖帽层表面形成栅电极。本发明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，并采用较薄的盖帽层，通过高温工艺在栅氧化层/Ga2O3界面处形成偶极子层，实现带边功函数的调节，提高器件的可靠性。
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材料的帽层复合双栅PMOSFET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MOSFET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Ga2O3PMOSFET的器件性能。
因此，如何制作出高性能的基于Ga2O3材料的PMOSFET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材料的帽层复合双栅PMOSFET及其制备方法。
本发明的一个实施例提供了一种基于Ga2O3材料的帽层复合双栅 PMOSFET的制备方法，包括：
步骤1、在N型半绝缘衬底上采用分子束外延工艺生长N型β-Ga2O3层，并通过干法刻蚀工艺形成N型β-Ga2O3台面以制备出PMOSFET的有源区；
步骤2、采用第一掩膜版，在所述有源区表面两侧采用离子注入工艺形成第一源区和第一漏区；
步骤3、采用第二掩膜版，在所述第一源区和所述第一漏区的表面采用离子注入工艺形成第二源区和第二漏区；
步骤4、采用第三掩膜版，在所述有源区另外两个斜面上利用磁控溅射工艺在所述第一源区侧形成第一栅介质层；
步骤5、采用第四掩膜版，在所述有源区另外两个斜面上利用磁控溅射工艺在所述第一漏区侧形成第二栅介质层；
步骤6、在所述第一栅介质层和所述第二栅介质层表面形成盖帽层；
步骤7、采用第五掩膜版，在所述盖帽层表面形成栅电极，最终形成所述基于Ga2O3材料的帽层复合双栅PMOSFET。
在本发明的一个实施例中，采用第三掩膜版，在所述有源区另外两个斜面利用磁控溅射工艺在所述第一源区侧形成第一栅介质层，包括：
采用所述第三掩膜版，选用Al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，在所述有源区另外两个斜面位于所述第一源区侧生长Al2O3材料形成第一栅介质层。
在本发明的一个实施例中，采用第四掩膜版，在所述有源区另外两个斜面利用磁控溅射工艺在所述第一漏区侧形成第二栅介质层，包括：
采用所述第四掩膜版，选用Y2O3陶瓷靶作为溅射靶材，以氧气和氩气作为溅射气体通入溅射腔，在所述有源区另外两侧的斜面位于所述第一漏区侧生长Y2O3材料形成所述第二介质层。
在本发明的一个实施例中，在所述第一栅介质层和所述第二栅介质层表面形成盖帽层，包括：
利用ALD工艺，在所述第一栅介质层和所述第二栅介质层表面以La 源和等离子氧作为前驱气体形成所述盖帽层。
本发明的另一个实施例提供了一种基于Ga2O3材料的帽层复合双栅 PMOSFET，其中，所述帽层复合双栅PMOSFET由上述实施例中任一所述的方法制备形成。
本发明的又一个实施例提供了一种基于Ga2O3材料的帽层复合双栅 PMOSFET的制备方法，包括：
步骤1、在N型半绝缘衬底SiC或蓝宝石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台面以制备出PMOSFET的有源区；
步骤2、在所述有源区表面两个斜面采用离子注入工艺形成源区和漏区；
步骤3、在所述有源区另外两个斜面上形成盖帽层；
步骤4、采用第三掩膜版，在所述盖帽层表面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5、采用第四掩膜版，在所述盖帽层表面利用磁控溅射工艺在靠近所述漏区侧形成第二栅介质层，从而形成复合栅介质层；
步骤6、采用第五掩膜版，在所述复合栅介质层表面形成栅电极，最终形成所述基于Ga2O3材料的帽层复合双栅PMOSFET。
在本发明的一个实施例中，在所述有源区表面两个斜面上采用离子注入工艺形成源区和漏区，包括：
在所述有源区表面相对的两个斜面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，在所述有源区另外两个斜面上形成盖帽层，包括：
利用ALD工艺，在所述有源区另外两个斜面上以La源和等离子氧作为前驱气体形成所述盖帽层。
在本发明的一个实施例中，采用第五掩膜版，在所述复合栅介质层表面形成栅电极，包括：
采用所述第五掩膜版，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，在所述复合栅介质层表面形成所述栅电极。
本发明的再一个实施例提供了一种基于Ga2O3材料的帽层复合双栅 PMOSFET，其中，所述帽层复合双栅PMOSFET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PMOSFET，相对于现有技术至少具有如下优点：
1、本发明的PMOSFET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。
2、本发明的PMOSFET在栅氧化层与金属栅电极之间引入一层较薄的盖帽层，或者在Ga2O3衬底与栅氧化层之间引入一层较薄的盖帽层，通过后续的高温工艺为栅氧化层/Ga2O3界面处提供Mg、La、Dy、Al、Ba、Cs 等元素形成偶极子层，实现带边功函数的调节，通过改变盖帽层厚度及退火条件进一步更好地实现阈值的调节，可以避免多层金属栅电极的叠层效应，并且有效缓解金属栅与高k栅介质间比较严重的费米钉扎效应，进一步提高器件的可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于Ga2O3材料的帽层复合双栅 PMOSFET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材料的帽层复合双栅 PMOSFET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材料的帽层复合双栅 PMOSFET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材料的帽层复合双栅 PMOSFET的俯视示意图；
图5为本发明实施例提供的一种基于Ga2O3材料的帽层复合双栅 PMOSFET的制备方法流程示意图；
图6a-图6l为本发明实施例提供的一种基于Ga2O3材料的帽层复合双栅PMOSFET的制备方法示意图；
图7为本发明实施例提供的另一种基于Ga2O3材料的帽层复合双栅 PMOSFET的第一截面示意图；
图8为本发明实施例提供的另一种基于Ga2O3材料的帽层复合双栅 PMOSFET的第二截面示意图；
图9为本发明实施例提供的另一种基于Ga2O3材料的帽层复合双栅 PMOSFET的第三截面示意图；
图10为本发明实施例提供的另一种基于Ga2O3材料的帽层复合双栅 PMOSFET的俯视示意图；
图11为本发明实施例提供的另一种基于Ga2O3材料的帽层复合双栅 PMOSFET的制备方法流程示意图；
图12a-图12k为本发明实施例提供的另一种基于Ga2O3材料的帽层复合双栅PMOSFET的制备方法示意图；
图13a-图13b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14a-图14b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15a-图15b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16a-图16b为本发明实施例提供的一种第四掩膜版组的结构示意图；
图17a-图17b为本发明实施例提供的一种第五掩膜版组的结构示意图；以及
图18a-图18b为本发明实施例提供的一种第六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材料的帽层复合双栅PMOSFET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材料的帽层复合双栅PMOSFET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→源电极的方向)；图3为本发明实施例提供的一种基于Ga2O3材料的帽层复合双栅PMOSFET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→漏电极的方向)；图4为本发明实施例提供的一种基于Ga2O3材料的帽层复合双栅PMOSFET的俯视示意图。该帽层复合双栅 PMOSFET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、盖帽层4、双金属栅电极9、源漏轻掺杂区7、8、源漏重掺杂区11、12、源漏电极5、6和半绝缘衬底1组成。
所述衬底例如为N型的半绝缘衬底SiC或蓝宝石，所述氧化镓台面为为无掺杂或掺杂Sn、Si、Al的β-Ga2O3(-201)、β-Ga2O3(010)或β-Ga2O3(001) 材料，厚度20-35nm，掺杂浓度1017cm-3量级；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。
所述盖帽层4例如为MgO或La2O3或Dy2O3等包含IIA、IIIB族元素的材料；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N、Zn共掺杂；所述源漏电极为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材料的帽层复合双栅PMOSFET的制备方法流程示意图。该方法包括如下步骤：
步骤1、在N型半绝缘衬底SiC或蓝宝石上采用分子束外延法生长N 型β-Ga2O3层，并通过干法刻蚀形成N型β-Ga2O3台面以制备出PMOSFET 的有源区；
步骤2、采用第一掩膜版，在所述有源区表面两侧采用离子注入工艺形成第一源区和第一漏区；
步骤3、采用第二掩膜版，在所述第一源区和所述第一漏区的表面采用离子注入工艺形成第二源区和第二漏区；
步骤4、采用第三掩膜版，在所述有源区另外两个斜面上利用磁控溅射工艺在所述第一源区侧形成第一栅介质层；
步骤5、采用第四掩膜版，在所述有源区另外两个斜面上利用磁控溅射工艺在所述第一漏区侧形成第二栅介质层；
步骤6、在所述第一栅介质层和所述第二栅介质层表面形成盖帽层；
步骤7、采用第五掩膜版，在所述盖帽层表面形成栅电极，最终形成所述基于Ga2O3材料的帽层复合双栅PMOSFET。
对于步骤4，可以包括：
步骤4、采用所述第三掩膜版，选用Al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，在所述有源区另外两个斜面位于所述第一源区侧生长Al2O3栅介质层。
对于步骤5，可以包括：
采用所述第四掩膜版，选用Y2O3陶瓷靶作为溅射靶材，以氧气和氩气为溅射气体通入溅射腔，在所述有源区另外两侧的斜面位于所述第一漏区侧形成Y2O3栅介质层。
对于步骤6，可以包括：
利用ALD工艺，在所述第一栅介质层和所述第二栅介质层表面以La 源和等离子氧作为前驱气体形成所述盖帽层。
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，并在栅氧化层和金属栅极之间采用较薄的盖帽层，通过后续的高温工艺在栅氧化层/Ga2O3界面处形成偶极子层，实现带边功函数的调节，且通过改变盖帽层厚度及退火条件进一步更好地实现阈值的调节，提高器件的可靠性。
实施例二
请一并参见图6a-图6l，图13a-图13b、图14a-图14b、图15a-图15b、图16a-图16b、图17a-图17b及18a-图18b，图13a-图13b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14a-图14b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15a-图15b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16a-图16b为本发明实施例提供的一种第四掩膜版组的结构示意图；图17a-图17b为本发明实施例提供的一种第五掩膜版组的结构示意图；以及图18a-图18b为本发明实施例提供的一种第六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材料的帽层复合双栅PMOSFET的制备方法进行详细说明如下：
步骤1：请参见图6a，准备SiC或蓝宝石半绝缘衬底10，厚度为350μm，对衬底进行RCA清洗。
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厚度20-35nm掺杂浓度1×1017cm-3，后通过干法刻蚀形成β-Ga2O3台面1。
步骤3：请参见图6d、图6e、图13a-图13b及图14a-图14b，采用第一掩膜版组在步骤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，之后采用图14a-图14b的第二掩膜板组在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或者N、Zn共掺杂。
步骤4：请参见图6f及图18a-图18b，在步骤2所准备的左右两侧重掺杂β-Ga2O3区10、11上使用第六掩膜版，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18a为漏电极的掩膜版，图18b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60～100nm。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15a-图15b，在步骤2所准备的β-Ga2O3台面另外两侧的斜面使用第三掩膜版，通过磁控溅射靠近源端的Al2O3栅氧化层2。图15a为其中一个斜面的掩膜版，图15b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％的氧气和氩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得更换靶材并修改各项工艺参数。
步骤6：请参见图6h及图16a-图16b，在步骤2所准备的β-Ga2O3台面另外两侧的斜面使用第四掩膜版，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，以质量百分比纯度为99.999％的O2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TiO2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TiO2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。
步骤7：请参见图6i、图6j及图17a-图17b，采用第五掩膜版，在复合型栅氧化层上原子层沉积一层La2O3材料。图17a为其中一个斜面的掩膜版，图17b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。
采用原子层沉积(Atomic Layer Deposition,简称ALD)，在步骤6所得复合型栅氧化层上沉积，以La源和等离子氧为前驱体，制备盖帽层4，经过化学机械抛光使表面平滑，盖帽层4厚度为0.5-3nm。
盖帽层4可选用MgO或Dy2O3等包含IIA、IIIB族元素的材料，可采用MBE工艺实现，其对盖帽层4的厚度控制相对比较精准。当然也可以采用磁控溅射、PVD、MOCVD、LPCVD等工艺实现，但是盖帽层4厚度不能精确控制。
步骤8：请参见图6k、图6l及图17a-图17b，同样使用第五掩膜版，在盖帽层4上磁控溅射Au材料作为栅电极9。
采用磁控溅射工艺在步骤7所得盖帽层4上使用第五掩膜版，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，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。
实施例三
请参见图7、图8、图9及图10，图7为本发明实施例提供的另一种基于Ga2O3材料的帽层复合双栅PMOSFET的第一截面示意图；图8为本发明实施例提供的另一种基于Ga2O3材料的帽层复合双栅PMOSFET的第二截面示意图；图9为本发明实施例提供的另一种基于Ga2O3材料的帽层复合双栅PMOSFET的第三截面示意图；图10为本发明实施例提供的另一种基于Ga2O3材料的帽层复合双栅PMOSFET的俯视示意图。该复合双栅 NPMOSFET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、盖帽层4、双金属栅电极9、源漏重掺杂区7、8、源漏重掺杂区11、12、源漏电极5、6和衬底10组成。请各组成部分的具体描述与上述实施例一一致，此处不再赘述。
请参见图11，图11为本发明实施例提供的另一种基于Ga2O3材料的帽层复合双栅PMOSFET的制备方法流程示意图。该制备方法包括如下步骤：
步骤1、在N型半绝缘衬底SiC或蓝宝石上采用分子束外延法生长N 型β-Ga2O3层，并通过干法刻蚀形成N型β-Ga2O3台面以制备出PMOSFET 的有源区；
步骤2、在所述有源区表面两个斜面上采用离子注入工艺形成源区和漏区；
步骤3、在所述有源区另外两个斜面上形成盖帽层；
步骤4、采用第三掩膜版，在所述盖帽层表面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5、采用第四掩膜版，在所述盖帽层表面利用磁控溅射工艺在靠近所述漏区侧形成第二栅介质层，从而形成复合栅介质层；
步骤6、采用第五掩膜版，在所述复合栅介质层表面形成栅电极，最终形成所述基于Ga2O3材料的帽层复合双栅PMOSFET。
其中，步骤2可以包括：
步骤21、在所述有源区表面相对的两个斜面位置处采用离子注入工艺形成源漏轻掺杂区；
步骤22、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。
步骤3可以包括：
利用ALD工艺，在所述有源区另外两个斜面上以La源和等离子氧作为前驱气体形成所述盖帽层。
步骤6可以包括：
采用所述第五掩膜版，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，在所述复合栅介质层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，并在 Ga2O3衬底和栅氧化层之间采用较薄的盖帽层，通过后续的高温工艺在栅氧化层/Ga2O3界面处形成偶极子层，实现带边功函数的调节并且提高空穴传输速率，且通过改变盖帽层厚度及退火条件进一步更好地实现阈值的调节，提高器件的可靠性。
实施例四
请参见图12a-图12k，图12a-图12k为本发明实施例提供的另一种基于Ga2O3材料的帽层复合双栅PMOSFET的制备方法示意图本实施例在上述实施例三的基础上对本发明的制备进行详细说明入下：
步骤1：请参见图12a，准备N型SiC或蓝宝石衬底1，厚度为350μm，对衬底进行RCA清洗。
步骤2：请参见图12b及图12c，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厚度20-35nm掺杂浓度1×1017cm-3，后通过干法刻蚀形成β-Ga2O3台面1。
步骤3：请参见图12d、图12e，在步骤2所准备的N型β-Ga2O3台面 1表面两侧进行离子注入，掺杂使两侧区域为源漏轻掺杂区7、8，掺杂浓度为1×1014～1×1016cm-3，注入离子可为Cu或N、Zn共掺杂。
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11、 12。该重掺杂区的浓度例如为1×1018～1×1020cm-3，注入离子可为Cu或N、 Zn共掺杂。
步骤4：请参见图12f及图18a-图18b，在步骤3所准备的左右两侧重掺杂β-Ga2O3区上使用第六掩膜版，通过磁控溅射源漏电极Au，并进行退火形成欧姆接触。
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40nm-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12g，在步骤2所准备的β-Ga2O3台面1另外两侧的斜面原子层沉积一层Y2O3或TiO2，后进行化学机械抛光。
采用原子层沉积ALD工艺，在步骤4所得复合型栅氧化层上沉积，以 La源和等离子氧为前驱体，制备盖帽层，经过化学机械抛光使表面平滑，盖帽层厚度为0.5-3nm。
盖帽层可选用MgO或Dy2O3等包含IIA、IIIB族元素的材料，采用MBE、 MOCVD、LPCVD等工艺实现，但是盖帽层厚度不能精确控制。
步骤6：请参见图12i及图15a-图15b，在步骤4所制备的盖帽层上使用第三掩膜版，通过磁控溅射靠近源端的栅氧化层Al2O3。本步骤与实施例二中的步骤5类似，此处不再赘述。
步骤7：请参见图12h及图16a-图16b，在步骤4所制备的盖帽层上使用第四掩膜版，通过磁控溅射靠近漏端的栅氧化层Y2O3，生长后通过化学机械抛光使表面平滑。本步骤与实施例二中的步骤6类似，此处不再赘述。
步骤8：请参见图12j及图17a-图17b，使用第五掩膜版，在复合型栅氧化层上磁控溅射栅电极金材料。
采用磁控溅射工艺在步骤6所得栅氧化层上使用第五掩膜版，通过磁控溅射生长栅电极Au，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，制备栅电极金，电极厚度为40nm-100nm。
栅电极的金属可选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。
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 (10)
1.一种基于Ga2O3材料的帽层复合双栅PMOSFET的制备方法，其特征在于，包括：
步骤1、在N型半绝缘衬底上采用分子束外延工艺生长N型β-Ga2O3层，并通过干法刻蚀工艺形成N型β-Ga2O3台面以制备出PMOSFET的有源区；
步骤2、采用第一掩膜版，在所述有源区表面两侧采用离子注入工艺形成第一源区和第一漏区；
步骤3、采用第二掩膜版，在所述第一源区和所述第一漏区的表面采用离子注入工艺形成第二源区和第二漏区；
步骤4、采用第三掩膜版，在所述有源区另外两个斜面上利用磁控溅射工艺在所述第一源区侧形成第一栅介质层；
步骤5、采用第四掩膜版，在所述有源区另外两个斜面利用磁控溅射工艺在所述第一漏区侧形成第二栅介质层；其中，所述第一栅介质层和所述第二栅介质层的介电常数不同；
步骤6、在所述第一栅介质层和所述第二栅介质层表面形成盖帽层；
步骤7、采用第五掩膜版，在所述盖帽层表面形成栅电极，最终形成所述基于Ga2O3材料的帽层复合双栅PMOSFET。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用第三掩膜版，在所述有源区另外两个斜面利用磁控溅射工艺在所述第一源区侧形成第一栅介质层，包括：
采用所述第三掩膜版，选用Al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，在所述有源区另外两个斜面位于所述第一源区侧生长Al2O3材料形成所述第一栅介质层。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用第四掩膜版，在所述有源区另外两个斜面利用磁控溅射工艺在所述第一漏区侧形成第二栅介质层，包括：
采用所述第四掩膜版，选用Y2O3陶瓷靶作为溅射靶材，以氧气和氩气作为溅射气体通入溅射腔，在所述有源区另外两侧的斜面位于所述第一漏区侧生长Y2O3材料形成所述第二栅介质层。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第一栅介质层和所述第二栅介质层表面形成盖帽层，包括：
利用ALD工艺，在所述第一栅介质层和所述第二栅介质层表面以La源和等离子氧作为前驱气体形成所述盖帽层。
5.一种基于Ga2O3材料的帽层复合双栅PMOSFET，其特征在于，所述帽层复合双栅PMOSFET由权利要求1-4任一项所述的方法制备形成。
6.一种基于Ga2O3材料的帽层复合双栅PMOSFET的制备方法，其特征在于，包括：
步骤1、在N型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台面以制备出PMOSFET的有源区；
步骤2、在所述有源区表面两个斜面上采用离子注入工艺形成源区和漏区；
步骤3、在所述有源区另外两个斜面上形成盖帽层；
步骤4、采用第三掩膜版，在所述盖帽层表面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5、采用第四掩膜版，在所述盖帽层表面利用磁控溅射工艺在靠近所述漏区侧形成第二栅介质层，从而形成复合栅介质层；其中，所述第一栅介质层和所述第二栅介质层的介电常数不同；
步骤6、采用第五掩膜版，在所述复合栅介质层表面形成栅电极，最终形成所述基于Ga2O3材料的帽层复合双栅PMOSFET。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述有源区表面两个斜面上采用离子注入工艺形成源区和漏区，包括：
在所述有源区表面相对的两个斜面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。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述有源区另外两个斜面上形成盖帽层，包括：利用ALD工艺，在所述有源区另外两个斜面上以La源和等离子氧作为前驱气体形成所述盖帽层。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，采用第五掩膜版，在所述复合栅介质层表面形成栅电极，包括：
采用所述第五掩膜版，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，在所述复合栅介质层表面形成所述栅电极。
10.一种基于Ga2O3材料的帽层复合双栅PMOSFET，其特征在于，所述帽层复合双栅PMOSFET由权利要求6-9任一项所述的方法制备形成。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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