CN107768252A - 一种高阈值电压高导通性能的常关型GaN基MOSFET结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体的技术领域，更具体地，涉及一种高阈值电压高导通性能的常关型GaN基MOSFET结构及其制备方法。一种高阈值电压高导通性能的常关型GaN基MOSFET制备方法，包括下述步骤：首先提供所需衬底，在所述衬底上依次外延生长应力缓冲层、GaN缓冲层、AlN薄层以及AlGaN薄层，通过刻蚀处理，保留栅极区域之上的AlN薄层以及AlGaN薄层，获得进行选择区域外延的基板。在所述基板上依次选择区域外延GaN沟道层、AlN插入层以及AlGaN势垒层，形成凹槽结构。再沉积栅介质层，栅极金属覆盖于凹槽沟道栅介质层之上，栅极两端覆盖金属形成源极和漏极。本发明能够有效提高阈值电压、栅区迁移率、降低沟道电阻、改善GaN MOSFET器件的导通性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体的技术领域，更具体地，涉及一种高阈值电压高导通性能的常关型GaN基MOSFET结构及其制备方法。
背景技术
GaN材料作为第三代宽禁带半导体材料的代表，具有禁带宽度大、击穿电场强度高、饱和电子漂移速度大和热导率高等优越的性能。GaN基功率开关器件通常利用AlGaN/GaN异质结构界面处高浓度、高迁移率的二维电子气工作，使器件具有导通电阻小、开关速度快的优点，十分适合制作大功率、高频、高温电力电子器件。
在电力电子应用领域，为了保证电路系统的失效安全，FET器件必须实现常关型工作。而对于常规的AlGaN/GaN HFET，由于AlGaN/GaN异质结界面高浓度、高迁移率的2DEG的存在，即使在外加栅压为零的情况下， 其器件也处于开启状态，因此，常规的AlGaN/GaNHFET属于常开型器件。如何实现常关型HFET一直是GaN基电力电子器件领域里研究最多的一个难点。
目前实现常关型器件的方法之一是凹槽栅法。该方法通过减薄或者完全去除栅区AlGaN层来降低栅区二维电子气浓度，同时保留接入区的二维电子气，来实现常关型器件。完全去除栅区AlGaN层可以增大器件的阈值电压，但同时也带来栅区迁移率低、导通电阻大、界面态密度高等问题。减薄栅区AlGaN层可以缓解这一问题，然而由于薄层AlGaN的存在，栅区存在一定浓度的二维电子气，使得器件阈值电压较小。此外，传统的薄势垒层器件采用刻蚀等方法移除栅区AlGaN层，该方法不能实现薄势垒层厚度的精确可控，而且不可避免地会在栅区引入晶格损伤。为了解决这一问题，我们采用选择区域生长的方法制备凹槽栅结构的器件，可实现栅区无损伤、薄势垒层精确可控等特点。总体而言，对凹槽栅法进行优化，实现高阈值电压同时导通性能好的常关型开关器件是GaN电力电子器件面临的一个重要挑战。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种高阈值电压高导通性能的常关型GaN基MOSFET结构及其制备方法，可提高阈值电压的同时能保证器件的导通性能。
本发明在一次外延高质量的AlGaN/AlN/GaN基板上，再选区二次外延形成凹槽栅极结构，制备槽栅型MOSFET器件。一次外延顶层AlGaN层和二次外延AlGaN势垒层的Al组分和厚度可通过生长参数精确控制。该发明可实现低Al组分、较厚厚度特质的一次外延AlGaN层，以及二次外延高Al组分的势垒层。具体表现在形成的凹栅型结构器件中，栅区保留一层无损伤的、低Al组分、较大厚度的AlGaN层，而接入区为高Al组分势垒层的异质结构。相比于全凹槽栅结构MOSFET器件和传统的薄势垒器件，本发明结构的器件可有效降低栅区二维电子气浓度、抑制界面散射，从而增大器件阈值电压、提高栅区载流子迁移率（降低开启电阻），并改善栅区界面特性，提高器件稳定性。
本发明的技术方案是：一种高阈值电压高导通性能的常关型GaN基MOSFET结构，其中，由下往上依次包括衬底，应力缓冲层，GaN外延层，AlN外延层，AlGaN外延层，二次外延层，二次外延形成凹槽，栅介质层，两端形成源极和漏极，凹槽沟道处的绝缘层上覆盖有栅极。
进一步的，所述的凹槽呈U型或梯型结构。
所述的衬底为 Si 衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底、GaN自支撑衬底中的任一种。
所述的应力缓冲层为AlN、AlGaN、GaN的任一种或组合；应力缓冲层厚度为100 nm~20 μm。
所述的一次生长GaN外延层为非故意掺杂的GaN外延层或掺杂的高阻GaN外延层，所述掺杂高阻层的掺杂元素为碳或铁；GaN外延层厚度为100 nm~20 μm。
所述的外延层为高质量的AlN层；AlN层厚度为0-5 nm。
所述的外延层为高质量的AlGaN层；AlGaN层厚度为1-10 nm，铝组分浓度可变化；
所述的二次外延层为AlGaN/GaN异质结构，AlGaN层厚度为5-50 nm，且铝组分浓度可变化，GaN层厚度为0-500 nm。
所述的AlGaN势垒层材料还可以为AlInN、InGaN、AlInGaN、AlN中的一种或任意几种的组合；
所述的二次外延层中，AlGaN势垒层与GaN层之间还可以插入一AlN薄层，厚度为1-10nm；
所述栅介质层为Al2O3、Si3N4、MgO、SiO2、HfO2等绝缘介质层，厚度为1-100 nm；
源极和漏极材料为Ti/Al/Ni/Au合金、Ti/Al/Ti/Au合金、Ti/Al/Mo/Au合金或Ti/Al/Ti/TiN合金；栅极材料为Ni/Au合金、Pt/Al合金、Pd/Au合金或TiN/Ti/Al/Ti/TiN合金。所述的源极和漏极材料包括但不限于Ti/Al/Ni/Au合金、Ti/Al/Ti/Au合金、Ti/Al/Mo/Au合金或Ti/Al/Ti/TiN合金，其他能够实现欧姆接触的各种金属或合金均可作为源极和漏极材料；栅极材料包括但不限于Ni/Au合金、Pt/Al合金、Pd/Au合金或TiN/Ti/Al/Ti/TiN合金，其他能够实现高阈值电压的各种金属或合金均可作为栅极材料。
高阈值电压高导通性能的常关型GaN基MOSFET结构的制备方法，其中，包括以下步骤：
S1、在Si衬底上生长应力缓冲层；
S2、在应力缓冲层上生长GaN外延层；
S3、在GaN外延层上生长AlN外延层；
S4、在AlN外延层上生长AlGaN外延层；
S5、在AlGaN外延层上沉积一层SiO2，作为掩膜层；
S6、通过腐蚀或者刻蚀的方法，保留形成栅极区域之上的掩膜层；
S7、 通过刻蚀的方法，保留形成栅极区域之上的AlN层AlGaN层；
S8、选择区域生长二次外延层，形成凹槽型栅极区域；
S9、去除栅极区域之上的掩膜层；
S10、干法刻蚀完成器件隔离；
S11、沉积栅介质层，同时刻蚀出源极和漏极欧姆接触区域；
S12、在源极和漏极区域蒸镀上源极和漏极欧姆接触金属；
S13、在凹槽处介质层上栅极区域蒸镀栅极金属。
所述步骤S1中的应力缓冲层和步骤S2中的GaN外延层及步骤S8中的二次外延层的生长方法为金属有机化学气相沉积法、分子束外延法等高质量成膜方法；所述的步骤S3中外延层AlN薄层和步骤S4中外延层AlGaN薄层的生长方法为金属有机化学气相沉积法、分子束外延法等高质量成膜方法；所述步骤S5中掩膜层的生长方法为等离子体增强化学气相沉积法、原子层沉积法、物理气相沉积法或磁控溅射法；所述步骤S11的生长方法为金属有机化学气相沉积法、分子束外延法、和原子层沉积法、磁控溅射法等成膜方法。
与现有技术相比，有益效果是：本发明提高了器件的性能，尤其是对导通电阻的降低以及阈值电压的提高是十分显著的。本发明器件工艺重复性和可靠性高，减少栅区AlGaN的Al组分和厚度，使得阈值电压得到有效提高。二次生长高Al组分和适宜厚度的AlGaN层，提高了器件的导通特性。本发明提供一种能够实现高阈值电压、低导通电阻、高输出电流密度的常关型GaN MOSFET器件及其制作方法。
附图说明
图1-12为本发明实施例1的器件制作方法工艺示意图。
图13为本发明实施例2的器件结构示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
实施例1
如图11所示为本实施例的器件结构示意图，其结构由下往上依次包括衬底1，应力缓冲层2，GaN外延层3，AlN外延层4，AlGaN外延层5，二次外延层6，二次外延形成凹槽，栅介质层7，两端形成源极8和漏极9，凹槽沟道处的介质层7上覆盖有栅极10。
上述高阈值电压高导通性能的常关型GaN基MOSFET制备方法如图1-图11所示，包括以下步骤：
S1、利用金属有机化学气相沉积方法，在Si衬底1上生长一层应力缓冲层2，如图1所示；
S2、利用金属有机化学气相沉积方法，在应力缓冲层2上生长GaN外延层3，如图2所示；
S3、利用金属有机化学气相沉积方法，在GaN外延层3上生长一层AlN外延层4和AlGaN外延层5，如图3所示；
S4、通过原子层沉积方法沉积一层SiO2，作为掩膜层11，如图4所示；
S5、通过光刻方法选择区域刻蚀，保留栅极区域之上的掩膜层11，如图5所示；
S6、通过光刻方法选择区域刻蚀，保留栅极区域之上的AlN层4和AlGaN层5，如图6所示；
S7、利用金属有机化学气相沉积方法，在有掩膜层11的衬底上选择区域生长二次外延GaN/AlGaN层6，形成凹槽栅极，如图7所示；
S8、采用腐蚀方法，去除栅极区域之上的掩膜层11，如图8所示；
S9、利用ICP完成器件隔离，如图9所示；
S10、利用原子层沉积方法，生长一层绝缘的栅介质层7，同时刻蚀出源极和漏极欧姆接触区域，如图10所示；
S11、在源极和漏极区域蒸镀上Ti/Al/Ni/Au合金作为源极8和漏极9的欧姆接触金属，如图11所示；
S12、在凹槽栅极区域的绝缘层上蒸镀Ni/Au合金作为栅极10金属，如图12所示。
至此，即完成了整个器件的制备过程。图12即为实施例1的器件结构示意图。
实施例2
如图13所示为本实施例的器件结构示意图，其与实施例1结构区别仅在于：实施例1中通过光刻方法选择区域刻蚀，保留栅极区域之上的AlN层4和AlGaN层5，而实施例2中不对AlN层4和AlGaN层5进行刻蚀，保留AlN层4和AlGaN层5。在此基板上，选择区域生长二次外延AlGaN层6，形成凹槽栅极。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高阈值电压高导通性能的常关型GaN基MOSFET结构，其特征在于，由下往上依次包括衬底（1），应力缓冲层（2），GaN外延层（3），AlN外延层（4），AlGaN外延层（5），二次外延层（6），二次外延形成凹槽，栅介质层（7），两端形成源极（8）和漏极（9），凹槽沟道处的绝缘层（7）上覆盖有栅极（10）。
2.根据权利要求1所述的一种高阈值电压高导通性能的常关型GaN基MOSFET结构，其特征在于：所述的凹槽呈U型或梯型结构。
3.根据权利要求1所述的一种高阈值电压高导通性能的常关型GaN基MOSFET结构，其特征在于：所述的衬底（1）为 Si 衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底、GaN自支撑衬底中的任一种。
4.根据权利要求1所述的一种高阈值电压高导通性能的常关型GaN基MOSFET结构，其特征在于：所述的应力缓冲层（2）为AlN、AlGaN、GaN的任一种或组合；应力缓冲层厚度为100nm~20 μm。
5.根据权利要求1所述的一种高阈值电压高导通性能的常关型GaN基MOSFET结构，其特征在于：所述的一次生长GaN外延层（3）为非故意掺杂的GaN外延层或掺杂的高阻GaN外延层，所述掺杂高阻层的掺杂元素为碳或铁；GaN外延层厚度为100 nm~20 μm。
6.根据权利要求1所述的一种高阈值电压高导通性能的常关型GaN基MOSFET结构，其特征在于：所述的外延层（4）为高质量的AlN层；AlN层厚度为0-5 nm。
7.根据权利要求1所述的一种高阈值电压高导通性能的常关型GaN基MOSFET结构，其特征在于：所述的外延层（5）为高质量的AlGaN层；AlGaN层厚度为1-10 nm，铝组分浓度可变化；
所述的二次外延层（6）为AlGaN/GaN异质结构，AlGaN层厚度为5-50 nm，且铝组分浓度可变化，GaN层厚度为0-500 nm。
8.根据权利要求7所述的一种高阈值电压高导通性能的常关型GaN基MOSFET结构，其特征在于：所述的AlGaN势垒层材料还可以为AlInN、InGaN、AlInGaN、AlN中的一种或任意几种的组合；
所述的二次外延层（6）中，AlGaN势垒层与GaN层之间还可以插入一AlN薄层，厚度为1-10 nm；
所述栅介质层（7）为Al2O3、Si3N4、MgO、SiO2、HfO2等绝缘介质层，厚度为1-100 nm；
源极（8）和漏极（9）材料为Ti/Al/Ni/Au合金、Ti/Al/Ti/Au合金、Ti/Al/Mo/Au合金或Ti/Al/Ti/TiN合金；栅极（10）材料为Ni/Au合金、Pt/Al合金、Pd/Au合金或TiN/Ti/Al/Ti/TiN合金。
9.权利要求1所述的高阈值电压高导通性能的常关型GaN基MOSFET结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在Si衬底（1）上生长应力缓冲层（2）；
S2、在应力缓冲层上生长GaN外延层（3）；
S3、在GaN外延层上生长AlN外延层（4）；
S4、在AlN外延层上生长AlGaN外延层（5）；
S5、在AlGaN外延层上沉积一层SiO2，作为掩膜层（11）；
S6、通过腐蚀或者刻蚀的方法，保留形成栅极区域之上的掩膜层（11）；
S7、 通过刻蚀的方法，保留形成栅极区域之上的AlN层（4）AlGaN层（5）；
S8、选择区域生长二次外延层（6），形成凹槽型栅极区域；
S9、去除栅极区域之上的掩膜层（11）；
S10、干法刻蚀完成器件隔离；
S11、沉积栅介质层（7），同时刻蚀出源极和漏极欧姆接触区域；
S12、在源极和漏极区域蒸镀上源极（8）和漏极（9）欧姆接触金属；
S13、在凹槽处介质层上栅极区域蒸镀栅极（10）金属。
10.根据权利要求9所述的高阈值电压高导通性能的常关型GaN基MOSFET结构的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中的应力缓冲层（2）和步骤S2中的GaN外延层（3）及步骤S8中的二次外延层（6）的生长方法为金属有机化学气相沉积法、分子束外延法等高质量成膜方法；所述的步骤S3中外延层AlN薄层（4）和步骤S4中外延层AlGaN薄层（5）的生长方法为金属有机化学气相沉积法、分子束外延法等高质量成膜方法；所述步骤S5中掩膜层（11）的生长方法为等离子体增强化学气相沉积法、原子层沉积法、物理气相沉积法或磁控溅射法；所述步骤S11的生长方法为金属有机化学气相沉积法、分子束外延法、和原子层沉积法、磁控溅射法等成膜方法。
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