CN107154338A - 一种提高GaN HEMT钝化效果、降低电流崩塌的表面处理技术 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高氮化镓基电子器件表面钝化效果、降低电流崩塌的表面处理技术及实现方法，所述方法主要应用于在氮化镓基电子器件制备中，在常规钝化层淀积之前，利用臭氧、氧等离子体等强氧化剂对氮化镓表面进行氧化，然后再用盐酸去除薄层氧化物，重复该过程若干周期在表面钝化之前达到彻底移除表面缺陷，得到一个相对完美的表面，提高表面钝化效果，降低由于表面陷阱效应引起的电流崩塌。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，涉及氮化镓基电子器件制备
背景技术
GaN材料以其禁带宽度大、饱和电子漂移速度高、临界击穿电场强、热导率高等优越性能而备受关注。相比于其它三五族半导体材料，GaN基异质结因其在不掺杂时通过强自发极化效应能产生极高浓度的二维电子气，更是使其成为第三代半导体材料中的首选。GaN材料优越的性能使其在射频微波和电力电子领域有着广阔的应用前景。
GaN基电子器件主要基于AlGaN/GaN异质结结构。如前所述，在常规的AlGaN/GaN异质结结构中，由于强自发极化效应，在异质结界面存在高浓度的二维电子气，亦即常规的氮化镓基高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)。
由于受生长条件限制，在(Al)GaN材料生长时表面会产生一些缺陷和悬挂键，虽然表面钝化技术能够在一定程度上减小缺陷和悬挂键密度，但钝化作用并不彻底，当器件工作在关态时，电子会通过栅极注入到靠近漏极的表面，当器件从关态切换到开态时，器件表面俘获的电子来不及释放，会在二维电子气沟道中形成附加耗尽区，导致电流崩塌。
为了提高表面钝化效果，降低电流崩塌，需要在钝化层淀积之前，得到一个完美的氮化镓表面，完美的表面是没有任何有机和无机污染，没有任何氧化物，没有任何由于高温工艺引起分解的表面，这样的表面才能和钝化层形成良好的界面，提高钝化表面的效果。目前业界常用的方法，有基于氮气、氨气、氧气等离子体的表面处理，但是等离子体会在氮化镓表面产生损伤，进一步加重电流崩塌；而且上述表面并不能移除氮化镓表面的缺陷层，可能在氮化镓的表面新生成一层薄膜，降低表面钝化左右；氮化镓的表面氮化、氧化具有自停止性，一次处理处理并不能完全移除氮化镓表面的缺陷。基于上述存在的问题，一方面考虑降低表面处理技术带来的损伤，一方面要彻底移除表面的缺陷层，发明了多周期基于臭氧氧化、盐酸腐蚀的表面处理技术，能够在不损伤氮化镓表面和沟道二维电子气的基础上，彻底移除表面的缺陷，在钝化层淀积前得到完美的表面，显著提高表面钝化效果。
发明内容
本发明从电流崩塌最根本的机理出发，表面缺陷的陷阱效应是电流崩塌的根本原因，表面钝化技术只在一定程度上减少了表面的悬挂键密度，从氮化镓表面到体内，几个原子层范围内的缺陷仍然存在，引起电流崩塌，只有彻底把这一层不完美的表面移除掉，与钝 化层形成一个良好的界面，这不仅对制备的器件的直流特性，而且对器件的动态、微波特性都有显著的提高，能够制备出高性能、高稳定的氮化镓基电子器件。
本发明的技术思路，传统的表面处理技术都是通过一些表面处理在氮化镓的表面生成一层薄膜，但该种方法从某些程度上可以提高器件的性能，但表面的缺陷仍然存在，并没有从根本上解决电流崩塌；另一方面，表面处理技术必须在对氮化镓表面无损伤的前提下进行，由于氮化镓是强极化材料，表面性质变化严重影响器件的性能，所以传统的基于等离子体处理的方法会对氮化镓的表面产生不可逆的损伤，引起器件的性能衰退；臭氧是一种强氧化剂，能够把氮化镓表面一些含碳的顽固有机物氧化，在高温下变成气体挥发掉，能够在彻底清洗表面的同时又不会在氮化镓表面引入新的损伤；虽然臭氧是强氧化剂，但其对氮化镓材料的氧化非常有限，因为新生成的氧化物会阻挡氧化剂进一步氧化下层材料，每一次氧化的深度在若干个原子层之内，进行完一次氧化以后需要使用盐酸等酸性溶液把生成的氧化物移除掉，从原子力显微镜结果看出，经过一次表面处理的氮化镓表面就会出现明显的原子台阶，说明该表面处理技术具有原子层面的清洗特性；由于每一周期的臭氧氧化、盐酸腐蚀对氮化镓表面的缺陷移除非常有限，所以需要多周期臭氧氧化、盐酸腐蚀才能彻底移除氮化镓表面含有缺陷的非完美层。
依据上述技术思路，一种基于臭氧氧化、盐酸腐蚀的多周期表面处理技术，所述技术包括在硅、蓝宝石、碳化硅衬底上外延的AlGaN/GaN异质结结构的材料，外延材料结构包括GaN沟道层，AlN插入层，AlGaN势垒层，GaN盖帽层，表面没有进行任何半导体工艺或者表面已经完成欧姆和肖特基电极工艺。使用臭氧处理样品表面，每次处理时间20分钟到60分钟，温度50到100摄氏度，臭氧处理完成后，样品放入饱和浓盐酸(38％)或者饱和浓盐酸比水1比10或者饱和浓盐酸比水1比5的溶液中，腐蚀时间为1到5分钟，温度为室温，一次臭氧氧化和一次盐酸腐蚀定位一个周期，在钝化层淀积之前对样品进行表面处理5个周期，钝化层为氮化硅、氧化硅、氧化铝、氮化铝等，淀积方式为等离子体增强化学气相沉积、低压化学气相沉积、原子层沉积等。
该结构中各层组成成分及材料种类如下所示：
所述衬底材料为以下材料中的一种：硅、碳化硅、蓝宝石。
所述的AlGaN层中Al的组分在0和1之间。
所述的AlGaN层的厚度在0和25nm之间。
所述的AlN沟道层的厚度在0和3nm之间。
所述的GaN沟道层的厚度在0和5μm之间。
所述的GaN盖帽层的厚度在0和3nm之间。
所述的钝化层的材料可以为：Si3N4、SiO2、SiON、AlN、Al2O3。
这种新型表面处理技术包括以下具体步骤：
(1)在衬底上按照一定的生长条件依次生长GaN沟道层，AlN插入层、AlGaN势垒层，GaN盖帽层；
(2)对生长好的GaN/AlGaN/AlN/GaN材料进行光刻和刻蚀(或者离子注入)，形成有源区台面；
(3)对制备好有源区台面的GaN/AlGaN/AlN/GaN材料进行光刻，刻蚀出源漏欧姆接触区，通过电子束蒸发或者磁控溅射制备欧姆接触金属并进行剥离，最后在氮气环境中于800℃～900℃之间快速热退火(一般30s)，形成欧姆接触；
(4)形成源漏欧姆接触之后，使用上述臭氧氧化、盐酸腐蚀的表面处理技术处理样品2到10周期，完成表面处理工艺；
(5)完成样品表面处理后，立即在样品表面GaN盖帽层或者AlGaN势垒层上用PECVD、ICPCVD或者LPCVD生长钝化层；
(6)光刻刻蚀出栅电极区域，用电子束蒸发或者磁控溅射生长如前所述的合金栅电极材料，随后对器件进行剥离工艺处理形成栅电极，最后在氮气环境下对整个晶元进行退火处理，完成整体器件的制备；
表面处理工艺(4)和钝化层淀积工艺(5)也可以在材料生长(1)完成之后进行。
本发明具有如下优点：
(1)通过无损伤强氧化剂把材料表面的污染物、富含缺陷的表面层转变成可以被湿法腐蚀的物质；
(2)因为强氧化剂对(Al)GaN的氧化具有自停止性，每一次氧化的深度仅为几个原子层，所以每一次氧化、腐蚀的厚度稳定，工艺稳定性高，易于控制，避免了用其他氧化、腐蚀方法来解薄(Al)GaN时的速率过快带来对沟道二维电子气的损伤。
(3)该表面处理方法具有的多周期、稳定刻蚀速率、高可靠性的特点，能够在工业化生产中得到广泛使用。
附图说明
通过参照附图能更加详尽地描述本发明以及本发明的示例性实施例，在附图中：
图1～图5是本发明技术应用于肖特基栅GaN HEMT器件制备工艺过程示意图，反应了本发明工艺的技术要点。
具体实施方式
在下文中，将参照附图更充分地描述本发明，以使本发明的技术手段、创作特征、工作流程、使用方法达成目的与功效易于明白了解。所描述的实施例仅仅是本发明中的一种实现形式，即本发明不应该解释为局限于在此阐述的实施例。基于该实施例，将本发明的范围充分地传达给本领域技术人员。
在下文中，将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。其制备方法包括以下具体步骤：
(1)如图1所示，在Si衬底上(衬底也可以是SiC或者蓝宝石)，首先用MOCVD生长一层GaN沟道层，在其之上生长一层AlN插入层，再生长24nm的AlGaN，最后生长GaN表面盖帽层。
(2)在以上结构基础上，通过光刻形成有源区台面，然后在有源区区域中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，其剖面图如图2所示；
(3)形成源漏欧姆接触之后，使用臭氧清洗机处理样品表面20分钟，腔体温度80摄氏度，如图3所示；
(4)臭氧处理完成后，接下来用盐酸腐蚀臭氧生成的氧化物，所用盐酸与水的比例为1∶10，浸泡时间为1分钟，如图5所示，重复臭氧氧化、盐酸腐蚀5周期，如图3所示；
(5)完成样品表面处理后，立即在样品表面GaN盖帽层或者AlGaN势垒层上用PECVD、ICPCVD或者LPCVD生长钝化层，如图4所示；
(6)光刻刻蚀出栅电极区域，用电子束蒸发或者磁控溅射生长如前所述的合金栅电极材料，随后对器件进行剥离工艺处理形成栅电极，最后在氮气环境下对整个晶元进行退火处理，完成整体器件的制备，如图5所示；
(7)表面处理工艺(3)～(4)和钝化层淀积工艺(5)也可以在材料生长(1)完成之后进行。
Claims (18)
1.一种提高氮化镓电子器件钝化效果的表面处理方法，其特征在于，所述技术包括在硅、蓝宝石、碳化硅衬底上外延AlGaN/GaN异质结构，外延材料结构从下向上包括：衬底、GaN沟道层、AlN插入层、AlGaN本征层，GaN盖帽层。所述方法包括步骤：
(1)对生长好的GaN/AlGaN/AlN/GaN材料进行光刻和刻蚀(或者离子注入)，形成有源区台面；
(2)对(1)中制备好有源区的晶圆片制备源、漏欧姆接触；
(3)形成源、漏欧姆接触之后，使用臭氧氧化、盐酸腐蚀的表面处理技术处理样品2～10个周期，完成表面处理工艺；
(4)对(3)处理好的样品，在其上用PECVD、ICPCVD或者LPCVD生长钝化层；
(5)在(4)的基础上，光刻刻蚀出栅电极区域，然后用电子束蒸发或磁控溅射生长栅金属电极，随后对器件进行剥离工艺处理形成栅电极，最后在氮气环境下对整个晶元进行退火处理，完成整体器件的制备。
2.根据权利要求1所述的提高氮化镓电子器件钝化效果的表面处理方法，其特征在于：其中的衬底材料为硅、碳化硅、蓝宝石。
3.根据权利要求1所述的提高氮化镓电子器件钝化效果的表面处理方法，其特征在于：其中GaN沟道层的厚度为1和5m。
4.根据权利要求1所述的提高氮化镓电子器件钝化效果的表面处理方法，其特征在于：其中AlN插入层的厚度为0和3nm。
5.根据权利要求1所述的提高氮化镓电子器件钝化效果的表面处理方法，其特征在于：AlGaN势垒层中Al的组分在0和1之间。
6.根据权利要求1所述的提高氮化镓电子器件钝化效果的表面处理方法，其特征在于：AlGaN势垒层的厚度在0和25nm之间。
7.根据权利要求1所述的提高氮化镓电子器件钝化效果的表面处理方法，其特征在于：GaN盖帽层的厚度在0和2nm之间。
8.根据权利要求1所述的提高氮化镓电子器件钝化效果的表面处理方法，其特征在于：其中的源极和漏极材料为：钛、铝、镍、金、铂、铱、钼、钽、铌、钴、锆、钨等中的一种或多种的合金。
9.根据权利要求1所述的提高氮化镓电子器件钝化效果的表面处理方法，其特征在于：钝化层为：SiN、SiON、SiO2、Al2O3、AlN。
10.根据权利要求1所述的提高氮化镓电子器件钝化效果的表面处理方法，其特征在于：其中的栅金属材料为：铂、铱、镍、金、钼、钯、硒、铍、TiN、多晶硅、ITO等中的一种或多种的组合。
11.根据权利要求1所述的提高氮化镓电子器件钝化效果的表面处理方法，其特征在于：表面处理方法可使用于外延片生长之后，或者器件源极、漏极工艺制备之后。
12.根据权利要求1所述的提高氮化镓电子器件钝化效果的表面处理方法，其特征在于：表面处理方法使用于钝化层淀积之前。
13.根据权利要求1所述的提高氮化镓电子器件钝化效果的表面处理方法，其特征在于：钝化层淀积的方式有，等离子体增强化学气相沉积，低压化学气相沉积，电感耦合等离子体化学气相沉积，原子层淀积。
14.根据权利要求1所述的提高氮化镓电子器件钝化效果的表面处理方法，其特征在于：钝化层的厚度从20nm到1000nm。
15.根据权利要求1所述的提高氮化镓电子器件钝化效果的表面处理方法，其特征在于：使用臭氧处理样品表面，每一次20分钟到60分钟，温度20摄氏度到100摄氏度。
16.根据权利要求1所述的提高氮化镓电子器件钝化效果的表面处理方法，其特征在于：在经过权利要求15所述的臭氧处理后然，使用饱和浓盐酸或者饱和浓盐酸比水1比10，1比5，1比1处理样品1分钟到5分钟。
17.根据权利要求1所述的提高氮化镓电子器件钝化效果的表面处理方法，其特征在于：权利要求15和权利要求16被定义为一个周期的表面处理。
18.根据权利要求1所述的提高氮化镓电子器件钝化效果的表面处理方法，其特征在于：权利要求11和12所述的表面处理方法包括权利要求17所述的周期，重复2～10周期。
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