CN108365008A - 具p型二维材料栅极增强型氮化镓场效应器件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种具有P型二维材料栅极氮化镓基场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：在单晶衬底上依次外延缓冲层、沟道层、势垒层、界面控制层得到外延衬底；在外延衬底上的源极和漏极区域沉积源漏金属，并形成欧姆接触；在外延衬底上方沉积二维材料层；定义栅极金属区域，沉积栅极金属；利用富氧气氛对栅源，栅漏之间二维材料进行氧化处理；在界面控制层表面沉积介质钝化层；形成源漏电极与栅极的接触孔。使用P型二维材料来替代传统P‑GaN层，利用P型二维材料来耗尽底下二维电子气，形成增强型场效应晶体管，用氧化的方法替代刻蚀，可以减小对势垒层表面的损伤，从而克服现有技术的困难。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件制作领域，具体涉及具P型二维材料栅极增强型氮化镓场效应器件的制备方法。
背景技术
氮化镓材料具有禁带宽度大、临界击穿电场高、热导率高等特点，在宽带通信、电力电子等领域应用前景广阔。
由于氮化镓(GaN)与铝镓氮(AlGaN)异质结界面处存在自发极化和压电极化效应，二维电子气浓度非常高(>1E13cm-2)，这使得氮化镓场效应器件[此处场效应器件指HEMT(高电子迁移率晶体管)器件]具有非常低的导通电阻和开关延迟。然而AlGaN/GaN异质界面处高浓度的二维电子气会使氮化镓场效应器件通常为耗尽型器件，耗尽型器件的特点是当外加偏压为零时器件仍为导通状态，因此具有静态功耗高的问题。为此人们希望通过技术手段实现增强型的氮化镓场效应器件。增强型氮化镓场效应器件在电路应用中不需要负极性电压，降低了电路的复杂性和制作成本，还可以提高功率开关电路的安全性。
目前制作增强型氮化镓场效应器件方法有：(1)刻蚀凹栅槽；(2)F基等离子体处理；(3)生长薄的势垒层；(4)生长p-GaN盖帽层；(5)生长InGaN盖帽层等。
但由于这些方法固有的局限性，例如操作难度大、可重复性差等，使得上述方法难以真正得到广泛的应用。比如凹栅槽刻蚀工艺，难以精确控制，同时会损伤势垒层表面造成电流坍塌问题。；F基离子注入会造成晶格损伤，带来一系列长期可靠性差的问题；在栅极生长单层p-GaN或者p-AlGaN是一种可行的方法，然而P型氮化物材料通常采用干法刻蚀，容易在势垒层表面形成损伤，刻蚀工艺的一致性较差。因此，急需发明一种新型氮化镓增强型场效应器件结构与制备方法来推动氮化镓半导体技术的发展。
发明内容
本发明提出一种具有P型二维材料栅极氮化镓基场效应晶体管的制备方法，其目的是使用P型二维材料来替代原来P-GaN层，利用P型二维材料来耗尽底下二维电子气，形成增强型场效应晶体管，用氧化的方法替代刻蚀，可以减小对势垒层表面的损伤，从而克服现有技术的困难。
本发明采取的技术方案是：
具P型二维材料栅极增强型氮化镓场效应器件的制备方法，其包括以下步骤：
在单晶衬底上依次外延缓冲层、沟道层、势垒层、界面控制层得到外延衬底；
在外延衬底上的源极和漏极区域沉积源漏金属，并形成欧姆接触；
在外延衬底上方沉积二维材料层；
定义栅极金属区域，沉积栅极金属；
利用富氧气氛对栅源，栅漏之间二维材料进行氧化处理；
在界面控制层表面沉积介质钝化层；
形成源漏电极与栅极的接触孔。
进一步地，所述单晶衬底材料选自：硅、蓝宝石、碳化硅；
所述缓冲层的材料选自：AlGaN、AlN、InAlN、高阻GaN；
所述沟道层的材料选自：GaN、InGaN以及它们的组合；
所述势垒层材料选自：AlGaN、InAlN、GaN、AlN中的一种或几种；
所述界面控制层材料为：GaN。
进一步地，在外延衬底上的源极和漏极区域沉积源漏金属，并形成欧姆接触包括：在外延衬底上，结合光刻工艺，利用蒸发或者溅射的方式在源极和漏极区域沉积Ti/TiN/Al电极，并通过高温合金形成欧姆接触。
进一步地，所述二维材料层的材质为P型二维半导体材料；P型二维半导体材料的掺杂浓度为1013-1021/cm3，包括：二硒化钨(WSe2)、二硫化钨(WS2)、二硒化钼(MoSe2)、二硫化钼(MoS2)、二碲化钼(MoTe2)中的一种或几种以及它们的任意组合。
进一步地，在外延衬底上方沉积二维材料层包括：在绝缘介质上通过腐蚀法，鼓泡法，或者剥离的方式将二维材料从绝缘介质衬底上转移至外延衬底；二维材料成与势垒层以及源漏金属电极接触。
进一步地，二维材料层还可以通过低温CVD的方法，直接在外延衬底表面沉积二维材料薄膜获得。
进一步地，定义栅极金属区域，沉积W栅金属包括：在沉积二维材料层的外延衬底上，结合光刻工艺，利用蒸发或者溅射的方式二维材料层上方的栅极区域沉积栅极金属电极，并通过退火形成肖特基接触。
进一步地，利用富氧气氛对栅源，栅漏之间二维材料进行氧化处理包括：利用臭氧或其他富氧气氛对栅源，栅漏之间二维材料进行氧化处理，氧化温度为100-300℃，氧化时间随着厚度相应递增。
进一步地，通过CVD或者ALD方法在界面控制层表面沉积介质钝化层，其厚度为50-100nm。
进一步地，形成源漏电极与栅极的接触孔包括：结合光刻工艺，在源漏栅区域上方通过湿法腐蚀或者干法刻蚀的方法形成窗口，将下方金属电极暴露出来，形成接触孔。
通过上述方法制备获得的增强型氮化镓场效应器件，包括：单晶衬底、缓冲层、沟道层、势垒层、二维材料栅极、源漏金属电极、W栅极金属电极、介质钝化层。
二维材料与缓冲层、沟道层、势垒层材料的晶格近乎匹配，易于外延。通过氧等离子体刻蚀二维材料，能够同时氧化势垒层界面。因此与现有的技术相比，本发明具有易于操作，可控性好，减小栅极漏电，改善电流崩塌，提高器件可靠性的优点。
附图说明
图1-图7为根据本发明一实施例的具P型二维材料栅极增强型氮化镓场效应器件的制备方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
图1-图7为根据本发明一实施例的具P型二维材料栅极增强型氮化镓场效应器件的制备方法流程图，具体包括以下步骤：
步骤1)在单晶衬底000上依次外延所述AlGaN缓冲层100、GaN沟道层200、AlGaN势垒层300，GaN界面控制层400，如图1所示。
步骤2)沉积Ti/TiN/Al源漏金属601、602，通过高温合金形成欧姆接触，如图2所示。
步骤3)在GaN界面控制层上方采用CVD方法外延所述P型WSe2层501，如图3所示。
步骤4)采用光刻工艺定义栅极金属区域，沉积W栅金属603。如图4所示。
步骤5)将上步骤得到样品置于O3气氛中250℃加热1小时，将栅源、栅漏接触区的WSe2氧化502，形成氧化钨和其它产物。如图5所示。
步骤6)LPCVD沉积Si3N4介质钝化器件的有源区表面，如图6所示。
步骤7)采用光刻工艺形成Ti/TiN/Al源漏电极与P型WSe2栅极的接触孔，如图7所示。在此基础上还可以进一步加厚源漏金属电极，形成场板结构。
其中，步骤1)中单晶衬底包括以下任意一种材料：硅、蓝宝石、碳化硅。所述缓冲层包括以下任意一种或几种材料：AlGaN、AlN、InAlN、高阻GaN。所述沟道层包括GaN或者InGaN以及它们的组合。所述势垒层包括以下任意一种或几种材料：AlGaN、InAlN、GaN、Al所述界面控制层包括GaN薄层，厚度范围为0.3纳米至10纳米。
步骤3中P型二维材料栅极的掺杂浓度为1013-1021/cm3，所述势垒层包括以下任意一种或几种材料：包括二硒化钨(WSe2)、二硫化钨(WS2)、二硒化钼(MoSe2)、二硫化钼(MoS2)、二碲化钼(MoTe2)以及它们的任意组合。二维材料薄膜的层数可以是单层或者多层。步骤(6)所述介质钝化层包括以下任意一种或几种材料：Si3N4、SiO2、AlN、Al2O3以及他们的任意组合。
步骤2)中，在外延衬底上，结合光刻工艺，利用蒸发或者溅射的方式在器件的源极和漏极区域沉积源漏金属电极，并通过退火工艺形成欧姆接触。
步骤3)中在样品上，通过转移或CVD生长的方式外延P型二维材料层：通过鼓泡法或者腐蚀法，将二维材料从原衬底上剥离并转移到器件结构上。并通过退火增强二维材料与低下势垒层的结合，修复转移过程中材料的损伤，去除二维材料表面残胶。作为选择的，也可以通过低温CVD的方法，直接在器件表面沉积二维材料薄膜。
步骤4)中在样品上，结合光刻工艺，利用蒸发或者溅射的方式在器件的栅极区域沉积栅极金属电极，并通过退火形成肖特基接触。
步骤5)中在样品上，利用臭氧或其他富氧气氛对栅源，栅漏之间二维材料进行氧化处理，氧化温度为100-300℃，氧化时长随二维材料厚度相应改变。作为优选的，单层二维材料氧化时间为10min，氧化时间随着厚度相应递增。氧化后，栅源，栅漏接触区下方沟道将重新形成二维电子气。
步骤6)中在样品上，通过CVD或者ALD方法在势垒层表面生长钝化层。其厚度为50-100nm。
步骤7)中在样品上，结合光刻工艺，在源漏栅区域上方通过湿法腐蚀或者干法刻蚀的方法形成窗口，将下方金属电极暴露出来，形成接触孔。
显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (10)
1.具P型二维材料栅极增强型氮化镓场效应器件的制备方法，其包括以下步骤：
在单晶衬底上依次外延缓冲层、沟道层、势垒层、界面控制层得到外延衬底；
在外延衬底上的源极和漏极区域沉积源漏金属，并形成欧姆接触；
在外延衬底上方沉积二维材料层；
定义栅极金属区域，沉积栅极金属；
利用富氧气氛对栅源，栅漏之间二维材料进行氧化处理；
在界面控制层表面沉积介质钝化层；
形成源漏电极与栅极的接触孔。
2.如权利要求1所述的具P型二维材料栅极增强型氮化镓场效应器件的制备方法，其特征在于，所述单晶衬底材料选自：硅、蓝宝石、碳化硅；
所述缓冲层的材料选自：AlGaN、AlN、InAlN、高阻GaN；
所述沟道层的材料选自：GaN、InGaN以及它们的组合；
所述势垒层材料选自：AlGaN、InAlN、GaN、AlN中的一种或几种；
所述界面控制层材料为：GaN。
3.如权利要求1所述的具P型二维材料栅极增强型氮化镓场效应器件的制备方法，其特征在于，在外延衬底上的源极和漏极区域沉积源漏金属，并形成欧姆接触包括：在外延衬底上，结合光刻工艺，利用蒸发或者溅射的方式在源极和漏极区域沉积Ti/TiN/Al电极，并通过高温合金形成欧姆接触。
4.如权利要求1所述的具P型二维材料栅极增强型氮化镓场效应器件的制备方法，其特征在于，所述二维材料层的材质为P型二维半导体材料；P型二维半导体材料的掺杂浓度为1013-1021/cm3，包括：二硒化钨、二硫化钨、二硒化钼、二硫化钼、二碲化钼中的一种或几种以及它们的任意组合。
5.如权利要求4所述的具P型二维材料栅极增强型氮化镓场效应器件的制备方法，其特征在于，在外延衬底上方沉积二维材料层包括：在绝缘介质上通过腐蚀法，鼓泡法，或者剥离的方式将二维材料从绝缘介质衬底上转移至外延衬底；二维材料成与势垒层以及源漏金属电极接触。
6.如权利要求4所述的具P型二维材料栅极增强型氮化镓场效应器件的制备方法，其特征在于，二维材料层通过低温CVD的方法，直接在外延衬底表面沉积二维材料薄膜获得。
7.如权利要求1所述的具P型二维材料栅极增强型氮化镓场效应器件的制备方法，其特征在于，定义栅极金属区域，沉积W栅金属包括：在沉积二维材料层的外延衬底上，结合光刻工艺，利用蒸发或者溅射的方式二维材料层上方的栅极区域沉积栅极金属电极，并通过退火形成肖特基接触。
8.如权利要求1所述的具P型二维材料栅极增强型氮化镓场效应器件的制备方法，其特征在于，利用富氧气氛对栅源，栅漏之间二维材料进行氧化处理包括：利用臭氧或其他富氧气氛对栅源，栅漏之间二维材料进行氧化处理，氧化温度为100-300℃，氧化时间随着厚度相应递增。
9.如权利要求1所述的具P型二维材料栅极增强型氮化镓场效应器件的制备方法，其特征在于，通过CVD或者ALD方法在界面控制层表面沉积介质钝化层，其厚度为50-100nm。
10.如权利要求1所述的具P型二维材料栅极增强型氮化镓场效应器件的制备方法，其特征在于，形成源漏电极与栅极的接触孔包括：结合光刻工艺，在源漏栅区域上方通过湿法腐蚀或者干法刻蚀的方法形成窗口，将下方金属电极暴露出来，形成接触孔。
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