一種高質(zhì)量MIS結(jié)構(gòu)的GaN基場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件制備技術(shù)領(lǐng)域，公開(kāi)了一種高質(zhì)量GaN MISFET結(jié)構(gòu)及其制備方法，具體涉及GaN MISFET器件柵極介質(zhì)層及其與GaN界面的改進(jìn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]GaN半導(dǎo)體材料具有禁帶寬度大、擊穿電場(chǎng)高、飽和電子漂移速度大和熱導(dǎo)率高等優(yōu)越的性能。GaN基功率開(kāi)關(guān)器件通常利用AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面處高濃度、高迀移率的二維電子氣工作，使器件具有導(dǎo)通電阻小、開(kāi)關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)，成為下一代功率開(kāi)關(guān)器件的理想替代品。
[0003]高性能常關(guān)型開(kāi)關(guān)器件的實(shí)現(xiàn)是GaN電力電子器件面臨的一個(gè)重要挑戰(zhàn)，是目前學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界公認(rèn)的一個(gè)科技難點(diǎn)。高性能常關(guān)型器件不僅要求具備正的閾值電壓和高的閾值電壓值，以簡(jiǎn)化器件外圍電路、保證系統(tǒng)失效安全，而且要有穩(wěn)定的閾值電壓，確保器件穩(wěn)定可靠的工作。采用凹槽型MIS柵結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)器件常關(guān)，其中MIS柵主要是為了降低柵極漏電流，增大柵壓范圍。Si基器件中可采用熱氧化方法制備高質(zhì)量Si/Si02 M0S界面結(jié)構(gòu)，然而對(duì)于GaN基器件，MIS柵的引入增加了一些額外的問(wèn)題，如:界面電荷、界面態(tài)、介質(zhì)層缺陷等等。目前制備方法得到GaN MIS界面質(zhì)量不佳，導(dǎo)致MIS界面系統(tǒng)中存在較高的固定電荷及介質(zhì)層/GaN界面電荷和界面態(tài)密度。在介質(zhì)層與GaN接觸界面存在的Ga的本體氧化物是引發(fā)高界面態(tài)的重要因素，劣化器件特性。柵極在不同的偏壓下，這些界面態(tài)和缺陷電荷會(huì)進(jìn)行充放電，而造成閾值電壓的漂移，大大地劣化了器件工作的穩(wěn)定性。因此尋找合適的方法制備高質(zhì)量的介質(zhì)層，減少或去除介質(zhì)層/GaN界面處Ga203的生成，從而降低界面態(tài)密度，提高器件的性能，尤其是對(duì)MIS結(jié)構(gòu)柵極漏電的降低以及閾值電壓穩(wěn)定性問(wèn)題的改善是非常重要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明為克服上述現(xiàn)有技術(shù)所述的至少一種缺陷，本發(fā)明目的主要在于提高現(xiàn)有技術(shù)方案中柵極介質(zhì)層與GaN形成的界面系統(tǒng)的質(zhì)量，提升介質(zhì)層的絕緣特性，降低MIS界面態(tài)密度，提高柵極區(qū)域溝道電子的迀移率，提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)高閾值電壓穩(wěn)定性、低導(dǎo)通電阻、高輸出電流密度、高開(kāi)關(guān)比的常關(guān)型GaN MISFET器件及其制作方法。
[0005]本發(fā)明可以采用分子束外延(MBE)設(shè)備來(lái)三次外延制備高質(zhì)量A1N層，并進(jìn)一步氧化得到高質(zhì)量的絕緣介質(zhì)層且同時(shí)使得MIS界面態(tài)密度得到有效降低?；舅悸窞?在等離子體輔助MBE設(shè)備中，在位處理去除GaN表面本征氧化物，隨后進(jìn)行表面氮化處理，再外延生長(zhǎng)高質(zhì)量A1N薄層。由于A1N易被熱氧化，可通過(guò)氧化生成高質(zhì)量的A1203(或A10N)，控制氧化條件以保留一層超薄A1N層形成Al203/AlN/GaN柵極堆疊結(jié)構(gòu)。這一氧化A1N的方法既制備了高質(zhì)量低缺陷電荷的A1203，同時(shí)又避免了高界面態(tài)的Al203/Ga203/GaN界面。
[0006]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種高質(zhì)量GaN MISFET結(jié)構(gòu)及其制備方法，其結(jié)構(gòu)由下往上依次包括襯底、應(yīng)力緩沖層、GaN外延層、二次外延層及二次外延形成的凹槽、三次外延層、三次外延層的表面氧化生成一層絕緣氧化物介質(zhì)層、兩端形成源極和漏極、凹槽溝道處的絕緣層上覆蓋有柵極。
[0007]該凹槽呈U型或梯型結(jié)構(gòu)。
[0008]所述襯底為Si襯底、藍(lán)寶石襯底、碳化娃襯底、GaN自支撐襯底中的任一種。
[0009]所述應(yīng)力緩沖層為A1N、AlGaN、GaN的任一種或組合；應(yīng)力緩沖層厚度為100nm~10 μ??ο
[0010]所述GaN外延層為非故意摻雜的GaN外延層或摻雜高阻GaN外延層，所述摻雜高阻層的摻雜元素為碳或鐵；GaN外延層厚度為100 nm~20 μπι。
[0011]所述的二次外延層AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，AlGaN層厚度為5-50 nm，且招組分濃度可變化，GaN層厚度為0-500 nm。
[0012]所述的AlGaN勢(shì)皇層材料還可以為AlInN、InGaN、AlInGaN、A1N中的一種或任意幾種的組合；所述的二次外延層中的AlGaN勢(shì)皇層與GaN層之間還可以插入一 A1N薄層，厚度為 1-10 nm。
[0013]所述的三次外延層為高質(zhì)量的A1N層，厚度為1-100 nm ;所述絕緣氧化物介質(zhì)層為A1203或A10N化合物，厚度為1-100 nm ;一般三次外延A1N層的表面氧化形成一層絕緣氧化物介質(zhì)層后，A1N層的剩余厚度控制在0-5 nm，形成A1N/氧化物介質(zhì)層堆疊結(jié)構(gòu)。
[0014]所述的源極和漏極材料包括但不限于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，其他能夠?qū)崿F(xiàn)歐姆接觸的各種金屬或合金均可作為源極和漏極材料；柵極材料包括但不限于Ni/Au合金、Pt/Al合金、Pd/Au合金或TiN/Ti/Al/Ti/TiN合金，其他能夠?qū)崿F(xiàn)高閾值電壓的各種金屬或合金均可作為柵極材料。
[0015]—種所述的高質(zhì)量MIS結(jié)構(gòu)的GaN基場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制作方法，包括以下步驟:
51、在Si襯底上生長(zhǎng)應(yīng)力緩沖層；
52、在應(yīng)力緩沖層上生長(zhǎng)GaN外延層；
53、在GaN外延層上沉積一層Si02，作為掩膜層；
54、通過(guò)光刻的方法，保留形成柵極區(qū)域之上的掩膜層；
55、選擇區(qū)域生長(zhǎng)二次外延層，形成凹槽型柵極區(qū)域；
56、去除柵極區(qū)域之上的掩膜層；
57、生長(zhǎng)三次外延層A1N薄層；
58、氧化形成A1N/氧化物介質(zhì)層堆疊結(jié)構(gòu)；
59、干法刻蝕完成器件隔離，同時(shí)刻蝕出源極和漏極歐姆接觸區(qū)域；
510、在源極和漏極區(qū)域蒸鍍上源極和漏極歐姆接觸金屬；
511、在凹槽處介質(zhì)層上柵極區(qū)域蒸鍍柵極金屬。
[0016]所述的步驟S1中的應(yīng)力緩沖層和步驟S2中的GaN外延層及步驟S5中的二次外延層的生長(zhǎng)方法為金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法、分子束外延法等高質(zhì)量成膜方法；
所述步驟S3中掩膜層的生長(zhǎng)方法為等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法、原子層沉積法、物理氣相沉積法或磁控濺射法；
所述的步驟S7中三次外延層A1N薄層的生長(zhǎng)方法為金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法、分子束外延法或原子層沉積方法等高質(zhì)量成膜方法；
所述步驟S8的氧化方法為高溫?zé)嵫趸?、氧等離子體氧化法、臭氧氧化法或溶液氧化法等氧化方式。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果是:本發(fā)明提出了一種高質(zhì)量GaN MISFET結(jié)構(gòu)及其制備方法，提高了器件的性能，尤其是對(duì)MIS結(jié)構(gòu)柵極漏電的降低以及閾值電壓穩(wěn)定性的提高是十分顯著的。本發(fā)明器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝重復(fù)性和可靠性高，能制備高質(zhì)量的絕緣介質(zhì)層，且同時(shí)減少或去除介質(zhì)層/GaN界面處本體氧化物的生成，使得MIS界面態(tài)密度得到有效降低，提高柵極區(qū)域溝道電子的迀移率，提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)高閾值電壓穩(wěn)定性、低導(dǎo)通電阻、高輸出電流密度、高開(kāi)關(guān)比的常關(guān)型GaN MISFET器件及其制作方法。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1-11為本發(fā)明實(shí)施例1的器件制作方法工藝示意圖。
[0019]圖12為本發(fā)明實(shí)施例2的器件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖13為本發(fā)明實(shí)施例3的器件結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]附圖僅用于示例性說(shuō)明，不能理解為對(duì)本專(zhuān)利的限制；為了更好說(shuō)明本實(shí)施例，附圖某些部件會(huì)有省略、放大或縮小，并不代表實(shí)際產(chǎn)品的尺寸；對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，附圖中某些公知結(jié)構(gòu)及其說(shuō)明可能省略是可以理解的。附圖中描述位置關(guān)系僅用于示例性說(shuō)明，不能理解為對(duì)本專(zhuān)利的限制。
[0022]實(shí)施例1
如圖11所示為本實(shí)施例的器件結(jié)構(gòu)示意圖，其結(jié)構(gòu)由下往上依次包括襯底1，應(yīng)力緩沖層2，GaN外延層3，二次外延層4，二次外延形成凹槽，三次外延層5，三次外延層5的表面氧化生成一層絕緣氧化物介質(zhì)層6，兩端形成源極7和漏極8，凹槽溝道處的絕緣層6上覆蓋有柵極9。
[0023]上述高質(zhì)量MIS結(jié)構(gòu)的GaN基場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制作方法如圖1_圖10所示，包括以下步驟:
51、利用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積方法，在Si襯底(1)上生長(zhǎng)一層應(yīng)力緩沖層(2)，如圖1所示；
52、利用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積方