CN110164976B - 应变型氧化镓mosfet器件结构及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应变型氧化镓MOSFET器件。其包括衬底(1)、n型Ga2O3导电沟道层(2)、重掺杂源区(3)、重掺杂漏区(4)、源电极(5)、漏电极(6)、绝缘栅介质(7)和栅电极(8)，该重掺杂源区和重掺杂漏区，均采用厚度小于500nm，掺杂浓度大于1×1019cm‑3的n+‑GaN材料，且两区域间隔小于100nm。n型Ga2O3导电沟道层、重掺杂源区和重掺杂漏区位于衬底上；源电极和漏电极分别位于重掺杂源区和重掺杂漏区之上；绝缘栅介质位于n型Ga2O3导电沟道层之上，栅电极位于绝缘栅介质之上，本发明提高了导电沟道中电子的迁移率，改善了器件的输出特性，可用于制作高压、高频、大功率器件。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种氧化镓金属-氧化物-半导体场效应晶体管MOSFET，可用于制作高压、高频、大功率器件。
背景技术
随着MOSFET器件尺寸不断减小，传统硅MOS器件遭遇到了诸多挑战，在高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等条件下，硅材料已经难以满足器件性能的要求。Ga2O3与以SiC、GaN为代表的第三代半导体材料相比较，具有更宽的禁带宽度，击穿场强相当于Si的20倍以上，SiC和GaN的2倍以上，从理论上说，在制造相同耐压的MOSFET功率器件时，器件的导通电阻可降为SiC的1/10、GaN的1/3，Ga2O3材料的巴利伽优值是SiC的8倍、GaN材料的4倍以上，因此Ga2O3是一种性能优异的适于功率器件和高压开关器件制备的宽禁带半导体材料。
常规的氧化镓MOSFET器件结构如图1所示，该器件通过对外延材料进行硅离子注入实现材料n型掺杂，源漏与沟道区域为掺杂浓度不同的氧化镓外延层，材料载流子迁移率的限制并没有得到改善，较低的载流子迁移率仍会限制器件的输出电流。此外氧化镓器件的欧姆接触特性较难提高，这同样会对器件的输出特性造成影响。
为保证器件具有较高的输出功率，MOSFET应具有较高的输出电流，氧化镓基器件的输出电流很大程度上受到电子迁移率的限制，因此要提高器件的输出电流，可以从提高材料中电子迁移率方面入手。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种应变型氧化镓MOSFET器件结构及制备方法，以提高载流子迁移率，增加输出电流，改善器件的输出特性。
为实现上述目的，本发明的应变型氧化镓MOSFET器件，包括衬底、n型Ga2O3导电沟道层、重掺杂源区、重掺杂漏区、源电极、漏电极、绝缘栅介质、栅电极，该n型Ga2O3导电沟道层、重掺杂源区和重掺杂漏区位于衬底之上，且n型Ga2O3导电沟道层处于重掺杂源区与重掺杂漏区之间；该源电极和漏电极分别位于重掺杂源区和重掺杂漏区之上；该绝缘栅介质位于n型Ga2O3导电沟道层之上，该栅电极位于绝缘栅介质之上，其特征在于：所述重掺杂源区和重掺杂漏区，均采用n+-GaN材料，材料厚度小于500nm，掺杂浓度大于1×1019cm-3，且源漏区域间隔小于100nm。
进一步，其特征在于：衬底材料为蓝宝石、MgO、MgAl2O4、Ga2O3中的一种。
进一步，其特征在于：n型Ga2O3导电沟道层的长度小于100nm，厚度小于500nm，掺杂浓度小于1×1018cm-3。
进一步，其特征在于：重掺杂源区、重掺杂漏区的材料为GaN、SiC、AlN中的一种或多种。
进一步，其特征在于：重掺杂源区、重掺杂漏区的掺杂元素为Si、Ge、Sn中的一种或多种，材料掺杂浓度大于1×1019cm-3。
进一步，其特征在于：源电极、漏电极材料为Pt、Ti、Al、Ni、Au中的一种或多种。
进一步，其特征在于：所述绝缘栅介质包括Si3N4、Al2O3、HfO2和HfSiO中的一种或多种。
为实现上述目的，本发明制备应变型氧化镓MOSFET器件的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将衬底用丙酮、异丙醇溶液分别清洗30-60s，并用去离子水冲洗，最后用高纯氮气吹干；
2)将清洗后的衬底放入MOCVD设备中在TMGa流量6.0×10-6mol/min，O2流量2.2×10-2mol/min，温度850℃，压强500Pa的工艺条件下生长厚度为200nm-500nm的Ga2O3外延层；
3)将Ga2O3外延材料依次进行有机溶剂和去离子水清洗后，放入HF:H2O＝1:1的溶液中腐蚀30-60s，最后用流动的去离子水清洗并用高纯氮气吹干；
4)对清洗后的Ga2O3进行光刻，形成源区与漏区，再放入反应离子刻蚀设备中，在气体流量为Cl2：BCl3＝10:10sccm，RF功率为200W，压强为10mTorr的工艺条件下刻蚀除去源漏区域的氧化镓，并将刻蚀后的样片放入H2O2:H2SO4＝1:3的溶液中清洗1min，并用去离子水冲洗，最后用高纯氮气吹干；
5)将清洗后的样片放入PECVD设备中在NH3流量为160sccm，SiH4流量为80scccm，压强为800mTorr，射频功率为20W的工艺条件下生长氮化硅掩膜30min；
6)对完成掩膜生长的样片进行光刻，并放入反应离子刻蚀设备中，在气体流量为CH3F：O2＝25:40sccm，射频功率位150W，压强为67Pa的工艺条件下进行刻蚀，以除去源漏区域的氮化硅掩膜；
7)将刻蚀完成后的样片放入H2O2:H2SO4＝1:3的溶液中进行清洗，并用流动的去离子水冲洗，最后用高纯氮气吹干；
8)将清洗后的样片放入MBE设备中，在NH3流量为50sccm，Si源温度为1240℃，生长腔温度为700℃的工艺条件下生长厚度为200nm的GaN外延层；
9)将完成外延生长的样片进行光刻，并放入刻蚀设备中在气体流量为CH3F：O2＝25:40sccm，射频功率为150W，压强为67Pa的工艺条件下进行刻蚀，以除去氮化硅掩膜；
10)将刻蚀完成后的样片用温度为90℃的TMAH溶液清洗3min，再用流动去离子水清洗，最后用高纯氮气吹干后进行光刻，形成源电极和漏电极区域；
11)将光刻有源电极和漏电极区域的样片放入电子束蒸发台中蒸发Ti/Al/Ni/Au并进行剥离，再在850℃的氮气环境中退火60s；
12)将退火后的样片再依次用丙酮、异丙醇溶液清洗30-60s，并用去离子水冲洗，最后用高纯氮气吹干；
13)将清洗干净的样片放入原子层淀积设备中，在温度为300℃，压力为2000Pa，H2O和TMAl的流量均为150sccm的工艺条件下生长厚度为20nm的Al2O3绝缘栅介质；
14)对完成绝缘栅介质生长的样片进行光刻，形成栅电极区域，然后放入电子束蒸发台中蒸发Ni/Au并进行剥离，完成栅电极的制备。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
本发明由于采用晶格常数小于Ga2O3的GaN材料做源区和漏区，可通过GaN与Ga2O3之间的晶格失配在导电沟道中引入水平方向的张应力，由此改变了导电沟道中氧化镓材料的能带结构，提高了导电沟道中电子的迁移率，使器件具有更大的输出电流；
本发明由于采用GaN材料做源区和漏区，因此可以实现更高浓度的掺杂，从而可更容易与Ti/Al/Ni/Au形成欧姆接触，进而降低了器件的串联电阻，进一步改善了器件的输出特性。
附图说明
图1是常规的氧化镓MOSFET器件剖面结构示意图；
图2是本发明的氧化镓MOSFET器件剖面结构示意图；
图3是本发明制备氧化镓MOSFET器件的实现流程示意图。
参照图2，本发明的氧化镓MOSFET器件包括：衬底1、n型Ga2O3导电沟道层2、n+-GaN重掺杂源区3、n+-GaN重掺杂漏区4、源电极5、漏电极6、绝缘栅介质7、栅电极8，该n型Ga2O3导电沟道层2、n+-GaN重掺杂源区3和n+-GaN重掺杂漏区4位于衬底之上，且n型Ga2O3导电沟道层2处于n+-GaN重掺杂源区3与n+-GaN重掺杂漏区4之间；该源电极5和漏电极6分别位于n+-GaN重掺杂源区3和n+-GaN重掺杂漏区4之上；该绝缘栅介质7位于n型Ga2O3导电沟道层2之上，该栅电极8位于绝缘栅介质7之上。其中：
衬底1为蓝宝石、MgO、MgAl2O4、Ga2O3中的一种；
n型Ga2O3导电沟道层2的长度小于100nm，厚度小于500nm，掺杂浓度小于1×1018cm-3；
n+-GaN重掺杂源区3与n+-GaN重掺杂漏区4的材料为GaN、SiC、AlN中的一种或多种，材料厚度小于500nm，掺杂元素为Si、Ge、Sn中的一种或多种，掺杂浓度大于1×1019cm-3；
源电极5、漏电极6材料为Pt、Ti、Al、Ni、Au中的一种或多种；
绝缘栅介质7包括Si3N4、Al2O3、HfO2和HfSiO中的一种或多种，其厚度为5nm—20nm；
栅电极8金属中Ni厚度为20nm—50nm，Au的厚度为50nm—200nm。
参照图3，本发明制备氧化镓MOSFET器件方法给出如下三种实施例：
实施例一，制作重掺杂源区3和重掺杂漏区4为GaN，两区域间距为10nm的应变型氧化镓场效应晶体管。
步骤1，衬底清洗。
将Ga2O3衬底用丙酮、异丙醇溶液分别清洗60s，并用去离子水冲洗，最后用高纯氮气吹干；
步骤2，Ga2O3外延生长，如图3(a)所示。
将清洗后的衬底放入MOCVD设备中在TMGa流量为6.0×10-6mol/min，O2流量为2.2×10-2mol/min，温度为850℃，压强为500Pa的工艺条件下，生长厚度为100nm的Ga2O3外延层。
步骤3，外延清洗。
将Ga2O3外延材料依次进行有机溶剂和去离子水清洗后，放入体积比为HF:H2O＝1:1的溶液中腐蚀60s，最后用流动的去离子水清洗并用高纯氮气吹干。
步骤4，源漏区域刻蚀，如图3(b)所示。
对清洗后的Ga2O3进行光刻，形成源区与漏区，两区域间隔10nm，再放入反应离子刻蚀设备中，在气体流量为Cl2：BCl3＝10:10sccm，RF功率为200W，压强为10mTorr的工艺条件下刻蚀除去源漏区域的氧化镓，并将刻蚀后的样片放入体积比为H2O2:H2SO4＝1:3的溶液中清洗1min，并用去离子水冲洗，最后用高纯氮气吹干。
步骤5，掩膜生长。
将清洗后的样片放入PECVD设备中，在NH3流量为160sccm，SiH4流量为80scccm，压强为800mTorr，射频功率为20W的工艺条件下进行30min的氮化硅掩膜生长，得到厚度为1μm的氮化硅掩模。
步骤6，掩膜刻蚀。
对完成掩膜生长的样片进行光刻，并放入反应离子刻蚀设备中，在气体流量为CH3F：O2＝25:40sccm，射频功率为150W，压强为67Pa的工艺条件下进行刻蚀，以除去源漏区域的氮化硅掩膜。
步骤7，样片清洗。
将刻蚀完成后的样片放入体积比为H2O2:H2SO4＝1:3的溶液中进行清洗，并用流动的去离子水冲洗，最后用高纯氮气吹干。
步骤8，GaN外延生长。
将清洗后的样片放入MBE设备中，在NH3流量为50sccm，Si源温度为1240℃，掺杂浓度为5×1019cm-3。生长腔温度为700℃的工艺条件下，外延生长厚度为100nm的GaN外延层。
步骤9，氮化硅刻蚀，如图3(c)所示。
将完成外延生长的样片进行光刻，并放入刻蚀设备中在气体流量比为CH3F：O2＝25:40sccm，射频功率为150W，压强为67Pa的工艺条件下进行刻蚀，以除去氮化硅掩膜。
步骤10，表面清洗。
将刻蚀完成后的样片用温度为90℃的TMAH溶液清洗3min，再用流动去离子水清洗，最后用高纯氮气吹干后进行光刻，形成源电极和漏电极区域。
步骤11，欧姆电极制作，如图3(d)所示。
将光刻有源电极和漏电极区域的样片放入电子束蒸发台中蒸发Ti/Al/Ni/Au，金属的厚度依次为Ti的厚度为20nm、Al的厚度为100nm、Ni的厚度为60nm、Au的厚度为50nm，蒸发完成后进行剥离，并在850℃的氮气环境中退火60s。
步骤12，样片清洗。
将退火后的样片再依次用丙酮、异丙醇溶液清洗60s，并用去离子水冲洗，最后用高纯氮气吹干。
步骤13，栅介质生长，如图3(e)所示。
将清洗干净的样片放入原子层淀积设备中，在温度为300℃，压力为2000Pa，H2O和TMAl的流量均为150sccm的工艺条件下生长厚度为20nm的Al2O3绝缘栅介质。
步骤14，栅电极制备，如图3(f)所示。
对完成绝缘栅介质生长的样片进行光刻，形成栅电极区域，然后放入电子束蒸发台中蒸发Ni/Au并进行剥离，其中Ni厚度为50nm，Au的厚度为200nm。
实施例二，制作重掺杂源区3和重掺杂漏区4为AlN，两区域间距为50nm的应变型氧化镓场效应晶体管。
步骤一，衬底清洗。
将蓝宝石衬底用丙酮、异丙醇溶液分别清洗60s，并用去离子水冲洗，最后用高纯氮气吹干；
步骤二，Ga2O3外延生长，如图3(a)所示。
将清洗后的衬底放入MOCVD设备中生长厚度为200nm的Ga2O3外延层，其工艺条件如下：
TMGa流量为6.0×10-6mol/min，O2流量为2.2×10-2mol/min，温度为850℃，压强为500Pa。
步骤三，外延清洗。
本步骤的具体实施与实施例1的步骤3相同。
步骤四，源漏区域刻蚀，如图3(b)所示。
4.1)对清洗后的Ga2O3进行光刻，形成源区与漏区，两区域间隔50nm；
4.2)将光刻后的样品放入反应离子刻蚀设备中进行刻蚀，刻蚀的工艺条件与实施例1的步骤4相同；
4.3)将刻蚀后的样片放入体积比为H2O2:H2SO4＝1:3的溶液中清洗1min，并用去离子水冲洗，最后用高纯氮气吹干。
步骤五，掩膜生长。
将清洗后的样片放入PECVD设备中生长30min的氮化硅掩膜，其生长的工艺条件与实施例1的步骤5相同。
步骤六，掩膜刻蚀。
对完成掩膜生长的样片进行光刻，并放入反应离子刻蚀设备中进行刻蚀，以除去源漏区域的氮化硅掩膜，其刻蚀的工艺条件与实施例1的步骤6相同。
步骤七，样片清洗。
本步骤具体实施方法与实施例1的步骤7相同。
步骤八，AlN外延生长。
将清洗后的样片放入HVPE设备中外延生长200nm厚度的AlN外延层，其工艺条件是：气体流量比为NH3：AlCl3＝20：400sccm，生长腔室温度为1400℃。
步骤九，氮化硅刻蚀，如图3(c)所示。
本步骤具体实施方法与实施例1的步骤9相同。
步骤十，表面清洗。
本步骤具体实施方法与实施例1的步骤10相同。
步骤十一，欧姆电极制作，如图3(d)所示。
将光刻有源电极和漏电极区域的样片放入电子束蒸发台中蒸发厚度为140nm的Au，蒸发完成后进行剥离，并在850℃的氮气环境中退火60s。
步骤十二，样片清洗。
本步骤具体实施方法与实施例1的步骤12相同。
步骤十三，栅介质生长，如图3(e)所示。
将清洗干净的样片放入原子层淀积设备中生长厚度为5nm的Al2O3绝缘栅介质，其工艺条件为：温度为300℃，压力为2000Pa，H2O和TMAl的流量均为150sccm。
步骤十四，栅电极制备，如图3(f)所示。
对完成绝缘栅介质生长的样片进行光刻，形成栅电极区域，然后放入电子束蒸发台中蒸发Ni/Au并进行剥离，其中Ni厚度为30nm，Au的厚度为120nm。
实施例三，制作重掺杂源区3和重掺杂漏区4为GaN，两区域间距为100nm的应变型氧化镓场效应晶体管。
步骤A，衬底清洗。
将MgO衬底用丙酮、异丙醇溶液分别清洗60s，并用去离子水冲洗，最后用高纯氮气吹干；
步骤B，Ga2O3外延生长，如图3(a)所示。
将清洗后的衬底放入MOCVD设备中生长厚度为500nm的Ga2O3外延层，其工艺条件是：TMGa流量为6.0×10-6mol/min，O2流量为2.2×10-2mol/min，温度为850℃，压强为500Pa。
步骤C，外延清洗。
本步骤的具体实施与实施例1的步骤3相同。
步骤D，源漏区域刻蚀，如图3(b)所示。
D1)对清洗后的Ga2O3进行光刻，形成源区与漏区，两区域间隔100nm；
D2)将光刻后的样品放入反应离子刻蚀设备中进行刻蚀，刻蚀的工艺条件与实施例1的步骤4相同；
D3)将刻蚀后的样片放入体积比为H2O2:H2SO4＝1:3的溶液中清洗1min，并用去离子水冲洗，最后用高纯氮气吹干。
步骤E，掩膜生长。
将清洗后的样片放入PECVD设备中生长30min的氮化硅掩膜，生长的工艺条件与实施例1的步骤5相同。
步骤F，掩膜刻蚀。
对完成掩膜生长的样片进行光刻，并放入反应离子刻蚀设备中进行刻蚀，以除去源漏区域的氮化硅掩膜，刻蚀的工艺条件与实施例1的步骤6相同。
步骤G，样片清洗。
本步骤具体实施方法与实施例1的步骤7相同。
步骤H，GaN外延生长。
将清洗后的样片放入MBE设备中外延生长500nm厚度的GaN外延层，生长的工艺条件为：NH3流量为50sccm，Si源温度为1240℃，掺杂浓度为5×1019cm-3，生长腔温度为700℃。
步骤I，氮化硅刻蚀，如图3(c)所示。
本步骤具体实施方法与实施例1的步骤9相同。
步骤J，表面清洗。
本步骤具体实施方法与实施例1的步骤10相同。
步骤K，欧姆电极制作，如图3(d)所示。
将光刻有源电极和漏电极区域的样片放入电子束蒸发台中蒸发Ti/Al/Ni/Au，金属的厚度依次为Ti的厚度为20nm、Al的厚度为100nm、Ni的厚度为60nm、Au的厚度为50nm，蒸发完成后进行剥离，并在850℃的氮气环境中退火60s。
步骤L，样片清洗。
本步骤具体实施方法与实施例1的步骤12相同。
步骤M，栅介质生长，如图3(e)所示。
将清洗干净的样片放入原子层淀积设备中生长厚度为10nm的HfO2绝缘栅介质，其工艺条件为：温度为300℃，压力为2000Pa，H2O和TMHf的流量均为150sccm。
步骤N，栅电极制备，如图3(f)所示。
对完成绝缘栅介质生长的样片进行光刻，形成栅电极区域，然后放入电子束蒸发台中蒸发Ni/Au并进行剥离，其中Ni厚度为20nm，Au的厚度为50nm。
以上通过三个优选实例详细描述了本发明所提出的一种氧化镓基MOSFET器件的制备方法，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明的器件结构做一定的变性或修改，例如源漏也可采用提升、凹陷源漏结构，或其他新结构如双栅、FinFET、Ω栅、三栅、槽栅和围栅等；其制备方法也不限于实例中所公开的内容，凡依本发明凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (3)
1.一种应变型氧化镓MOSFET器件的制备方法，该器件包括衬底(1)、n型Ga2O3导电沟道层(2)、重掺杂源区(3)、重掺杂漏区(4)、源电极(5)、漏电极(6)、绝缘栅介质(7)、栅电极(8)，该n型Ga2O3导电沟道层(2)、重掺杂源区(3)和重掺杂漏区(4)位于衬底(1)之上，且n型Ga2O3导电沟道层(2)处于重掺杂源区(3)与重掺杂漏区(4)之间；该源电极(5)和漏电极(6)分别位于重掺杂源区(3)和重掺杂漏区(4)之上；该绝缘栅介质(7)位于n型Ga2O3导电沟道层(2)之上，该栅电极(8)位于绝缘栅介质(7)之上，其特征在于，包括如下步骤：
1)将衬底用丙酮、异丙醇溶液分别清洗30-60s，并用去离子水冲洗，最后用高纯氮气吹干；
2)将清洗后的衬底放入MOCVD设备中在TMGa流量6.0×10-6mol/min，O2流量2.2×10- 2mol/min，温度850℃，压强500Pa的工艺条件下生长厚度为200nm-500nm的Ga2O3外延层；
3)将Ga2O3外延材料依次进行有机溶剂和去离子水清洗后，放入HF:H2O＝1:1的溶液中腐蚀30-60s，最后用流动的去离子水清洗并用高纯氮气吹干；
4)对清洗后的Ga2O3进行光刻，形成源区与漏区，再放入反应离子刻蚀设备中，在气体流量为Cl2：BCl3＝10:10sccm，RF功率为200W，压强为10mTorr的工艺条件下刻蚀除去源漏区域的氧化镓，并将刻蚀后的样片放入H2O2:H2SO4＝1:3的溶液中清洗1min，并用去离子水冲洗，最后用高纯氮气吹干；
5)将清洗后的样片放入PECVD设备中在NH3流量为160sccm，SiH4流量为80scccm，压强为800mTorr，射频功率为20W的工艺条件下生长氮化硅掩膜30min；
6)对完成掩膜生长的样片进行光刻，并放入反应离子刻蚀设备中，在气体流量为CH3F：O2＝25:40sccm，射频功率为150W，压强为67Pa的工艺条件下进行刻蚀，以除去源漏区域的氮化硅掩膜；
7)将刻蚀完成后的样片放入H2O2:H2SO4＝1:3的溶液中进行清洗，并用流动的去离子水冲洗，最后用高纯氮气吹干；
8)将清洗后的样片放入MBE设备中，在NH3流量为50sccm，Si源温度为1240℃，生长腔温度为700℃的工艺条件下生长厚度为200nm的GaN外延层；
9)将完成外延生长的样片进行光刻，并放入刻蚀设备中在气体流量为CH3F：O2＝25:40sccm，射频功率为150W，压强为67Pa的工艺条件下进行刻蚀，以除去氮化硅掩膜；
10)将刻蚀完成后的样片用温度为90℃的TMAH溶液清洗3min，再用流动去离子水清洗，最后用高纯氮气吹干后进行光刻，形成源电极和漏电极区域；
11)将光刻有源电极和漏电极区域的样片放入电子束蒸发台中蒸发Ti/Al/Ni/Au并进行剥离，再在850℃的氮气环境中退火60s；
12)将退火后的样片再依次用丙酮、异丙醇溶液清洗30-60s，并用去离子水冲洗，最后用高纯氮气吹干；
13)将清洗干净的样片放入原子层淀积设备中，在温度为300℃，压力为2000Pa，H2O和TMAl的流量均为150sccm的工艺条件下生长厚度为20nm的Al2O3绝缘栅介质；
14)对完成绝缘栅介质生长的样片进行光刻，形成栅电极区域，然后放入电子束蒸发台中蒸发Ni/Au并进行剥离，完成栅电极的制备。
2.根据权利要求书1所述方法，其特征在于，11)中蒸发金属Ti的厚度为20nm、Al的厚度为100nm、Ni的厚度为60nm、Au的厚度为50nm。
3.根据权利要求书1所述方法，其特征在于，14)中蒸发Ni厚度为20nm—50nm，蒸发Au的厚度为50nm—200nm。
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