CN107785435A - 一种低导通电阻MIS凹槽栅GaN基晶体管及制备方法 - Google Patents
一种低导通电阻MIS凹槽栅GaN基晶体管及制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及半导体器件领域，公开了一种低导通电阻MIS凹槽栅GaN基晶体管及制备方法,本发明主要通过调制凹栅处无2DEG区(即凹槽侧壁)的栅长来控制栅沟道电阻。该器件包括衬底及生长在衬底上的外延层以及栅介质层、源极、漏极、栅极。所述外延层包括一次外延生长的应力缓冲层、GaN外延层、AlN层、选择区域生长的二次外延层，并形成凹槽沟道。再沉积栅介质层，形成源极和漏极及在栅介质层上形成栅极。本发明可通过材料外延生长方法精确控制凹栅处无2DEG区(即凹槽侧壁)的栅长，提高栅沟道电阻的均匀性，并形成高质量的MIS栅界面，尤其对降低沟道电阻、提高阈值电压稳定性是十分关键的。
Description
技术领域
本发明涉及半导体领域，公开了一种低导通电阻MIS凹槽栅GaN基晶体管及制备方法，具体涉及GaN MISFET器件凹槽栅以及MIS界面的改进方法。
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。
高阈值常关型开关器件的实现是GaN电力电子器件面临的一个重要挑战，是目前学术界与产业界公认的一个科技难点。常关型器件可以保证电路系统的失效安全，而高的阈值电压可以提高器件抗干扰的能力，且同时要有稳定的阈值电压，确保器件稳定可靠的工作。我们用选择区域外延生长凹槽，采用凹槽型MIS栅结构实现器件常关，避免了传统的干法刻蚀带来的等离子体损伤，其中MIS栅主要是为了降低栅极漏电流，增大栅压范围。
减小栅沟道长度是降低沟道电阻非常有效的方法，进而降低器件的导通电阻，但是栅沟道长度受限于工艺条件和成本，沟道电阻在导通电阻中的占比不容忽视。Si基器件中可采用热氧化方法制备高质量Si/SiO2MIS界面结构，然而对于GaN基器件，MIS栅的引入增加了一些额外的不良因素，如界面态、介质层缺陷等，造成器件工作的不稳定性问题。目前制备方法得到GaN MIS界面质量普遍不佳，导致MIS界面系统中存在较高的界面态密度和栅介质层缺陷。在介质层与GaN接触界面存在的Ga的本体氧化物是引发高界面态的重要因素，劣化器件特性，影响器件工作的稳定性。
发明内容
本发明的目的主要在于降低导通电阻、提高栅极介质层/GaN界面的质量降低MIS界面态密度，提高栅极区域沟道电子的迁移率，提供一种能够实现高阈值电压稳定性、低导通电阻、高输出电流密度的常关型GaN MISFET器件及其制作方法。
本发明在一次外延高质量的AlN/GaN基板上，制备栅极掩膜去除栅沟道区域以外的AlN层，再二次外延形成凹槽栅结构的MISFET。栅极沟道的导通路径从栅介质层与GaN的界面转移到AlN和GaN的异质结界面，使迁移率增大，导通电阻减小，因沟道区域中凹槽栅侧壁没有2DEG，栅极零偏压时沟道处于关断状态，从而实现器件常关。本发明优势在于通过调节二次外延生长材料的厚度，可方便的控制凹槽栅侧壁的高度来精确的控制沟道电阻大小，提供了一种实现更低沟道电阻的方法。而且一次外延AlN层能有效减少或去除介质层/GaN界面处Ga-O的生成，使得MIS界面态密度得到有效降低，提高器件性能。
本发明采用的技术方案是：一种低导通电阻MIS凹槽栅GaN基晶体管，其结构由下往上依次包括衬底、应力缓冲层、GaN外延层、AlN外延层、二次外延层及二次外延形成的凹槽、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。
该凹槽呈U型或梯型结构。
所述衬底为Si衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底、GaN自支撑衬底中的任一种。
所述应力缓冲层为AlN、AlGaN、GaN的任一种或组合；应力缓冲层厚度为100nm-20μm。
所述GaN外延层为非故意掺杂的GaN外延层或掺杂高阻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100nm-20μm。
所述的AlN外延层为高质量的AlN层，厚度为0-50nm。
所述的二次外延层AlGaN/GaN异质结构，AlGaN层厚度为5-50nm，且铝组分浓度可变化，GaN层厚度为0-1000nm。
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的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1-100nm。
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。
一种低导通电阻MIS凹槽栅GaN基晶体管的制作方法，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外延层上沉积一层SiO2，作为掩膜层；
S5、通过光刻的方法，保留形成栅极区域之上的掩膜层；
S6、AlN外延层高温氧化后湿法蚀刻，去除栅极区域以外的AlN外延层；
S7、选择区域生长二次外延层，形成凹槽型栅极区域；
S8、去除栅极区域之上的掩膜层；
S9、干法刻蚀完成器件隔离；
S10、沉积栅介质层，同时刻蚀出源极和漏极欧姆接触区域；
S11、在源极和漏极区域蒸镀上源极和漏极欧姆接触金属；
S12、在凹槽处介质层上栅极区域蒸镀栅极金属。
所述的步骤S1中的应力缓冲层和步骤S2中的GaN外延层及步骤S6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S4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S6中AlN外延层的氧化方法为高温氧化法；
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：本发明提出了一种低导通电阻MIS凹槽栅GaN基晶体管，提高了器件的性能，尤其是对沟道电阻的降低以及阈值电压稳定性的提高是十分显著的。本发明器件工艺重复性和可靠性高，通过调节二次外延生长材料的厚度，可方便的控制凹槽栅侧壁的高度来精确的控制沟道电阻大小；减少或去除介质层/GaN界面处本体氧化物的生成，使得MIS界面态密度得到有效降低，提高栅极区域沟道电子的导通特性，提供一种能够实现高阈值电压稳定性、低导通电阻、高输出电流密度的常关型GaN MISFET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12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4，二次外延层5，二次外延形成凹槽，栅介质层6，两端形成源极7和漏极8，凹槽沟道处的介质层6上覆盖有栅极9。
上述高质量MIS结构的GaN基场效应晶体管的制作方法如图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，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10，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10，如图5所示；
S6、AlN外延层4高温氧化后湿法蚀刻法，去除栅沟道以外的AlN外延层4，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10的衬底上选择区域生长二次外延GaN/AlGaN层5，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10，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6，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7和漏极8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9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中去除了栅沟道以外的AlN外延层4，而在实施例2没有对AlN层进行刻蚀，直接在AlN外延层4上进行二次外延掩膜10和生长二次外延层5。
Claims (14)
1.一种低导通电阻MIS凹槽栅GaN基晶体管，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)，二次外延层(5)，二次外延形成凹槽(11)，栅介质层(6)，两端形成源极(7)和漏极(8)，凹槽沟道处的绝缘层(6)上覆盖有栅极(9)。
2.根据权利要求1所述的一种低导通电阻MIS凹槽栅GaN基晶体管，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所述的一种低导通电阻MIS凹槽栅GaN基晶体管，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所述的一种低导通电阻MIS凹槽栅GaN基晶体管，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-20μm。
5.根据权利要求1所述的一种低导通电阻MIS凹槽栅GaN基晶体管，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100nm-20μm。
6.根据权利要求1所述的一种低导通电阻MIS凹槽栅GaN基晶体管，其特征在于：所述的外延层(4)为高质量的AlN层，厚度为0-50nm。
7.根据权利要求6所述的AlN层，其特征在于：所述的一次外延生长AlN层(4)在器件有源区全部保留，或者在一次外延生长后经工艺处理仅保留栅下沟道区域的AlN层(4)。
8.根据权利要求1所述的一种低导通电阻MIS凹槽栅GaN基晶体管，其特征在于：所述的二次外延层(5)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0-1000nm。
9.根据权利要求8所述的一种低导通电阻MIS凹槽栅GaN基晶体管，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。
10.根据权利要求8所述的一种低导通电阻MIS凹槽栅GaN基晶体管，其特征在于：所述的二次外延层(5)中，AlGaN势垒层与GaN层之间还可以插入一AlN薄层，厚度为1-10nm。
11.根据权利要求1所述的一种低导通电阻MIS凹槽栅GaN基晶体管，其特征在于；所述栅介质层(6)为Al2O3、Si3N4、MgO、SiO2、HfO2等绝缘介质层，厚度为1-100nm。
12.根据权利要求1所述的一种低导通电阻MIS凹槽栅GaN基晶体管，其特征在于：源极(7)和漏极(8)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(9)材料为Ni/Au合金、Pt/Al合金、Pd/Au合金或TiN/Ti/Al/Ti/TiN合金。
13.权利要求1所述的一种低导通电阻MIS凹槽栅GaN基晶体管的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在衬底(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外延层上沉积一层SiO2，作为掩膜层(10)；
S5、通过光刻后湿法蚀刻的方法，保留形成栅极区域之上的掩膜层(10)；
S6、AlN外延层(4)高温氧化后湿法蚀刻法，去除栅极区域以外的AlN外延层(4)；
S7、选择区域生长二次外延层(5)，形成凹槽型栅极区域(11)；
S8、去除栅极区域之上的掩膜层(10)；
S9、干法刻蚀完成器件隔离；
S10、沉积栅介质层(6)，同时刻蚀出源极和漏极欧姆接触区域；
S11、在源极和漏极区域蒸镀上源极(7)和漏极(8)欧姆接触金属；
S12、在凹槽处介质层上栅极区域蒸镀栅极(9)金属。
14.根据权利要求13所述的一种低导通电阻MIS凹槽栅GaN基晶体管的制作方法，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S7中的二次外延层(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；所述的步骤S3中外延层AlN薄层(4)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S4中掩膜层(10)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S6中AlN外延层(4)的刻蚀方法为高温氧化后湿法蚀刻法；所述步骤S10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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