專利名稱：MIS柵GaN基增強型HEMT器件及制作方法
技術領域：
本發明屬于微電子技術領域，涉及半導體器件，具體的說是一種MIS柵GaN基增強型HEMT器件及制作方法，可用于高溫大功率應用場合以及構成數字電路基本單元。
背景技術：
隨著現代武器裝備和航空航天、核能、通信技術、汽車電子、開關電源的發展，對半導體器件的性能提出了更高的要求。作為寬禁帶半導體材料的典型代表，GaN基材料具有禁帶寬度大、電子飽和漂移速度高、臨界擊穿場強高、熱導率高、穩定性好、耐腐蝕、抗輻射等特點，可用于制作高溫、高頻及大功率電子器件。另外，GaN還具有優良的電子特性，可以和AlGaN形成調制摻雜的AlGaN/GaN異質結構,該結構在室溫下可以獲得高于1500cm2/Vs的電子遷移率，以及高達3X107cm/s的峰值電子速度和2X107cm/s的飽和電子速度，并獲得比第二代化合物半導體異質結構更高的二維電子氣密度，被譽為是研制微波功率器件的理想材料。因此，基于AlGaN/GaN異質結的高電子遷移率晶體管HEMT在微波大功率器件方面具有非常好的應用前景。由于AlGaN/GaN異質結得天獨厚的優勢，AlGaN/GaN異質結材料的生長和AlGaN/GaN HEMT器件的研制始終占據著GaN電子器件研究的主要地位。然而十幾年來針對GaN基電子器件研究的大部分工作集中在耗盡型AlGaN/GaN HEMT器件上，這是因為AlGaN/GaN異質結構中較強極化電荷的存在，使得制造基于GaN的增強型器件變得十分困難，因此高性能AlGaN/GaN增強型HEMT的研究具有非常重要的意義。AlGaN/GaN增強型HEMT具有廣闊的應用前景。首先，GaN基材料被譽為是研制微波功率器件的理想材料，而增強型器件在微波功率放大器和低噪聲放大器等電路中由于減少了負電壓源，從而大大降低了電路的復雜性以及成本，且AlGaN/GaN增強型HEMT器件在微波大功率器件和電路具有很好的電路兼容性。同時，增強型器件的研制使單片集成耗盡型/增強型器件的數字電路成為可能。而且，在功率開光應用方面，AlGaN/GaN增強型HEMT也有很大的應用前景。因而高性能AlGaN/GaN增強型HEMT器件的研究得到了極大的重視。目前，不論是國內還是國際上，都有不少關于AlGaN/GaN增強型HEMT的報道。由于P型Mg摻雜工藝技術尚不成熟，GaN基材料中的Mg激活能高而電離率低，導致器件空穴濃度低且遷移率大，因此當前國際上對AlGaN/GaN增強型HEMT的研究并不在P型Mg摻雜這一方法上，而是采用了其他的新技術，目前報道的主要有以下幾種技術I. F離子注入技術，即基于氟化物CF4的等離子體注入技術，香港科技大學的YongCai等人成功研制了基于F離子注入技術的增強型HEMT器件，該器件通過在AlGaN/GaNHEMT柵下的AlGaN勢壘層中注入F離子，由于F離子的強負電性，勢壘層中的F離子可以提供穩定的負電荷，因而可以有效的耗盡溝道區的強二維電子氣，當AlGaN勢壘層中的F離子數達到一定數量時，柵下溝道處的二維電子氣完全耗盡，從而實現增強型HEMT器件。但是F注入技術不可避免的會引入材料的損傷，且器件閾值電壓的可控性不高。該器件在室溫下薄層載流子濃度高達I. 3X 1013cm_2，遷移率為lOOOcmVVs，閾值電壓達到O. 9V，最大漏極電流達 310mA/mm。參見文 獻 Yong Cai, Yugang Zhou, Kevin J. Chen and Kei May Lau,“High-performance enhancement-mode AlGaN/GaN HEMTs using fluoride-based plasmatreatment”，IEEE Electron Device Lett, Vol. 26, No. 7, JULY 2005。2.非極性或半極性GaN材料實現增強型器件，Masayuki Kuroda等人成功用r面(1102)藍寶石上的a面(I 120)η-AlGaN/GaN HEMT實現了器件的增強，由于非極性或半極性材料由于缺少極化效應，因此其二維電子氣濃度很小甚至沒有，所以基于非極性或半極性材料的AlGaN/GaN HEMT器件具有增強特性。其報道的閾值電壓為-O. 5V，通過降低參雜濃度可進一步增大器件閾值電壓，但其器件特性并不好，其電子遷移率只有5. 14cm2/Vs，室溫下方塊電阻很大。且其柵漏電大小在Vgs =-IOV時達到了 I. lX10_5A/mm。參見文獻 Masayuki Kuroda, Hidetoshi Ishida, Tetsuzo Ueda, and Tsuyoshi Tanaka,“Nonpolar(11-20)plane AlGaN/GaN heterojunction field effect transistorson(1-102)plane sapphire”,Journal of Aplied Phisics,Vol. 102,No. 9,November 2007。3.薄勢魚層技術，1996年，M. Asif Khan等人首先用IOnm的AlGaN薄勢魚層技術實現了 AlGaN/GaN增強型HEMT器件，薄勢壘層AlGaN/GaN增強型HEMT器件由于勢壘層厚度減薄，其極化效應減弱，由極化效應引起的溝道處二維電子氣濃度減小，從而實現器件閾值電壓的右移。但是他們獲得的結果并不理想，其峰值跨導只有23mS/mm。參見文獻M. AsifKhan,Q. Chen,C. J. Sun,J. ff. Yang,and M. Blasingame, “Enhancement and depletion modeGaN/AlGaN hetero structure field effect transistors，，，Appl. Phys. Lett. Vol. 68,No. 4, January 1996。4.槽柵技術，W. B. Lanford等人通過MOCVD利用槽柵技術制得了閾值電壓達0. 47V的增強型器件，該器件結構自下而上包括=SiC襯底，成核層，2um厚的GaN，3nm厚的AlGaN，IOnm厚的η-AlGaN, IOnm厚的AlGaN。在歐姆退火之后，不直接蒸發柵金屬電極,而是先在預生長柵極區域用干法ICP-RIE方法刻蝕一個凹槽，然后在700°C的氮氣氛圍下進行快速熱退火，之后在凹柵窗口上制作Ni/Au肖特基接觸柵電極。槽柵技術通過將柵下的勢壘層刻蝕一定深度，使得柵下勢壘層變薄，從而使柵下2DEG濃度降低，而源漏區的載流子濃度保持較大值不變，這樣既可實現器件的增強特性，又可保證一定的電流密度。利用槽柵技術實現的增強型器件其外延生長容易控制，但其調控性較差，且刻蝕過程會形成損傷。參見文獻 W. B. Lanford, T. Tanaka, Y. Otoki and I. Adesida, “Recessed-gate enhancement-modeGaN HEMT with high threshold voltage，，，Electronics Letrers, Vol. 41, No. 7, March2005。5. AlGaN/GaN 刻槽 MIS 柵 HFET 結構，Tohru Oka 等人利用刻槽 MIS 柵 HFET 結構實現了高達5. 2V的閾值電壓，該外延層結構從下至上為Si襯底，緩沖層，SOOnm后的Al0.05Ga0.95N 緩沖層，40nm 厚的 GaN 溝道層，34nm 厚的 Al0.25Ga0.75N, Inm 厚的 AlN 勢壘層，Inm厚的GaN帽層。器件工藝制造過程中，柵窗口下的勢壘層經基于SiCl4/Cl2的感應耦合等離子體ICP全部刻蝕后，在500°C的N2氛圍下經過五分鐘的退火之后通過等離子增強化學氣相淀積PECVD刻蝕一層厚為20nm的SiN作為柵介質，同時也是鈍化層，然后再淀積W基金屬作為柵金屬。這樣形成MIS柵器件，因為柵下區域無異質結結構，因而無二維電子氣，因此可以實現高閾值增強型，但這種結構也存在在一定的問題，由于柵下異質結被全部刻蝕掉了，導致器件遷移率低，電流密度較低，導通電阻大。參考文獻Tohru Oka, Tomohiro Nozawa，“AlGaN/GaN Recessed MIS-Gate HFET With High~ThreshoId-VoItageNormally-Off Operation for Power Electronics Applications，，，IEEE Electron DeviceLett, VOL. 29，NO. 7，JULY 2008。 綜上所述，目前國際上AlGaN/GaN增強型HEMT器件主要采用基于槽柵技術和基于氟離子注入技術形成， 其均存在如下不足一是閾值電壓和電流密度存在著此消彼長的關系，難以做到高閾值電壓和高電流密度共存，且閾值電壓的調控性較差；二是無論刻蝕形成槽柵還是氟離子注入都會對材料造成損傷，雖然經過退火可以消除一定損傷，但是殘留的損傷仍然會對器件性能和可靠性造成影響，同時目前這種工藝的重復性還不高；三是形成面向微波應用的短溝道器件時需要采用電子束直寫等高檔工藝設備來制作短柵長，工藝難度較大。
發明內容
本發明的目的在于克服上述已有技術的缺陷，從器件縱向結構的優化角度提出一種金屬絕緣體半導體MIS柵GaN基增強型高電子遷移率晶體管HEMT器件及制作方法，以降低工藝難度，避免器件制造工藝過程中造成的損傷，增大器件的閾值電壓，增強器件閾值電壓的可控性，提高器件的可靠性。為實現上述目的，本發明的器件包括襯底、過渡層、GaN主緩沖層、N型AlGaN主勢壘層、N型AlGaN主勢壘層頂端兩側為源極、漏極，中間為柵電極，其特征為GaN主緩沖層中間刻蝕有凹槽，該凹槽的底面為0001極性面，凹槽側面為非0001面，該凹槽的內壁依次外延有GaN次緩沖層、AlGaN次勢壘層和介質層，柵電極淀積在介質層上。所述GaN主緩沖層與AlGaN主勢壘層的界面處形成主二維電子氣2DEG溝道，該溝道位于凹槽的兩側；凹槽內外延的GaN次緩沖層與AlGaN次勢壘層界面形成次二維電子氣2DEG溝道。所述次二維電子氣2DEG溝道的水平位置低于主二維電子氣2DEG溝道的水平位置。所述主勢壘層為N型摻雜，摻雜濃度為6X 1019cnT3。為實現上述目的，本發明的金屬絕緣體半導體MIS柵GaN基增強型HEMT器件及制作方法，包括如下步驟(I)在反應室中對襯底表面進行預處理；(2)在襯底上外延生長AlGaN/GaN外延層，其中GaN厚度為Ium 3um，N型摻雜的AlxGa^N勢壘層厚度為14nm 30nm，其中Al元素的摩爾含量x為20% -35% ;(3)在外延層上淀積一層掩膜介質層，再進行光刻，并采用濕法刻蝕方法對外延層上的介質層進行刻蝕，在外延層上形成長為0. 5um的凹槽；(4)光刻出凹槽區域，并采用反應離子刻蝕RIE方法對凹槽區域中的AlGaN/GaN外延層進行刻蝕，刻蝕深度為35nm 140nm ；(5)保留凹槽之外的掩膜介質層，將刻蝕后的外延層通過金屬有機物化學氣相淀積MOCVD反應室，沿凹槽底面垂直向上的方向上生長20nm IOOnm厚的GaN層和14nm 30nm厚的AlGaN層，沿凹槽側面方向生長IOnm 50nm厚的GaN層和7nm 15nm厚的AlGaN層；(6)去除掩膜介質層；(7)在去除掩膜介質層的材料表面上，采用化學氣相淀積CVD或者物理氣相淀積PVD方法淀積厚度為20nm 60nm的柵介質層；(8)在柵介質層上，先光刻出源、漏區域，再刻蝕出源、漏窗口 ；(9)在光刻后的材料表面上，采用電子束蒸發技術蒸發歐姆接觸的金屬，并通過剝離、退火后，形成源、漏接觸電極；(10)在柵介質上光刻柵區域，并采用電子束蒸發技術蒸發柵極金屬，經剝離后，形成金屬絕緣體半導體MIS柵極；(11)光刻已形成源、漏、柵極的器件表面，獲得加厚電極圖形，并采用電子束蒸發技術加厚電極，完成器件制作。本發明具有如下優點I)具有良好的增強型特性以及高閾值電壓。本發明由于采用的器件結構中AlGaN/GaN異質結界面為非平面結構，凹槽底面是0001極性面，而凹槽側面為非0001面，沿凹槽側面方向上外延的非0001面AlGaN/GaN異質結降低甚至消除了極化效應，使該異質結界面處形成的二維電子氣濃度很低，甚至沒有二維電子氣，因此只有對柵極施加足夠高的正電壓，才能在凹槽側面方向上外延的非0001面異質結溝道中感應出足夠多的二維電子氣，且施加的較高柵壓能夠在凹槽側面的次GaN緩沖層中形成較高的水平漂移電場，使電子經由凹槽兩側的主2DEG溝道層、凹槽側面的二維電子氣溝道以及凹槽底面上的次2DEG溝道層進行導電，實現了器件的增強型工作方式，并獲得高閾值電壓。2)閾值電壓具有良好的調控性。本發明的器件由于在工藝的實現過程中，可以利用不同的工藝條件在凹槽側面方向上外延不同厚度的GaN次緩沖層，而不同的GaN次緩沖層厚度引起的該緩沖層中的電場強度的差異在很大程度上決定了器件的閾值電壓，因此設計中可以根據需要通過改變GaN次緩沖層厚度來調控器件的閾值電壓，比如增大GaN次緩沖層厚度，使得在相等柵壓下，GaN次緩沖層中的電場強度減小，從而提高器件閾值電壓。3)具有高的電流密度。由于本發明器件凹槽內壁的AlGaN勢壘層和凹槽以外的AlGaN勢壘層不是同時生長，凹槽以外的AlGaN勢壘層采用N型甚至N+型摻雜，不僅可大大減小器件的歐姆接觸電阻，而且可大大降低源極和漏極的串聯電阻，因此提高了器件的電流密度。4)具有很好的夾斷特性。本發明器件由于在柵極電壓為零時，凹槽側面的GaN次緩沖層可以阻擋電子在溝道中的流動，因此可以實現極低的關態電流。5)本發明的柵極由于采用金屬絕緣體半導體MIS柵，可以在提高擊穿電壓的同時，減小柵泄露電流，并且能獲得更高的柵壓擺幅。 6)工藝簡單、成熟，重復性好，器件可靠性高。本發明器件制作方法中的工藝步驟均是目前國內外相對比較成熟的，而且工藝流程也相對簡單，成本低，能完全與成熟的耗盡型AlGaN/GaN HEMT器件制備工藝兼容。另外，本發明采用了干法刻蝕方法進行槽柵刻蝕，并且在后續的高溫二次生長中，可在一定程度上對刻蝕形成的表面損傷進行修復，以減少刻蝕損傷對器件性能和可靠性的影響。與目前國內外常用的槽柵刻蝕方法相比，本發明能更有效的避免了刻蝕引起的材料損傷，器件可
靠性更高。
圖I是本發明MIS柵GaN基增強型HEMT器件及制作方法；圖2是本發明制備MIS柵GaN基增強型HEMT器件及制作方法。
具體實施例方式參照圖I，本發明的MIS柵GaN基增強型HEMT器件，包括襯底1、A1N過渡層2、GaN主緩沖層3、N型AlxGahN主勢壘層4、凹槽5、GaN次緩沖層6、AlxGai_xN次勢壘層7、介質層
8、源極9、漏極10和柵極13 ；A1N過渡層2外延在襯底I上；GaN主緩沖層3在AlN過渡層上#型八1!^1_#主勢壘層4在GaN主緩沖層3上，且O彡X彡1，摻雜濃度為6X IO19CnT3 ；N型AlGaN主勢壘層4的頂端兩側為源極9、漏極10，中間為柵極13 ；N型AlxGai_xN主勢壘層4上方為介質層8，介質層厚度為20nm 60nm ;凹槽5刻蝕在GaN主緩沖層3的中間，凹槽深度為35nm 140nm，刻蝕后的凹槽底面為GaN主緩沖層3，它為0001極性面，凹槽側面為非0001面；GaN次緩沖層6位于凹槽5上；AlxGai_xN次勢壘層7位于GaN次緩沖層6上方；GaN次緩沖層6的厚度在凹槽5底面向上的方向上為20nm lOOnm，在凹槽5側壁的水平方向上為IOnm 50nm !AlxGa^xN次勢魚層7的厚度在凹槽5底面向上的方向上為14nm 30nm,在凹槽5側壁的水平方向上為7nm 15nm !AlxGa^xN次勢魚層7上方為介質層8 ;柵電極13在介質層8上；GaN主緩沖層3與AlxGapxN主勢壘層4的界面處形成主二維電子氣2DEG溝道11，該溝道11位于凹槽5的兩側；凹槽內外延的GaN次緩沖層6與AlxGapxN次勢壘層7界面形成次二維電子氣2DEG溝道12，且次二維電子氣2DEG溝道12的水平位置低于主二維電子氣2DEG溝道11的水平位置。參照圖2，本發明制作MIS柵GaN基增強型HEMT器件的方法，給出以下三種實施例。實施例I制作過渡層為A1N，GaN主緩沖層厚度為lum，Ala35Gaa65N主勢壘層厚度為14nm，凹槽刻蝕深度為35nm，GaN次緩沖層在凹槽底面向上方向上厚度為20nm、在凹槽側面水平方向上厚度為10nm，Ala35Gaa65N次勢壘層為在凹槽底面向上方向上厚度為14nm，在凹槽側面水平方向上厚度為7nm，柵介質層厚度為20nm的MIS柵GaN基增強型HEMT器件，其步驟是步驟一，把C面藍寶石襯底置于MOCVD設備的反應室中，將反應室的真空度抽至I X IO-2Torr之下，在氫氣與氨氣的混合氣體保護下對藍寶石襯底進行熱處理和表面氮化，加熱溫度為1050°C，壓力為20Torr，氫氣流量為1500sccm，氨氣流量為1500sccm。步驟二，采用MOCVD技術在藍寶石襯底上外延生長厚度為150nm的AlN過渡層，如圖 2 (a)。
外延AlN過渡層采用的工藝條件是溫度為980°C，壓力為20Torr，氫氣流量為300sccm,氨氣流量為1500sccm,招源流量為30sccm。步驟三，采用MOCVD技術在過渡層上外延生長厚度為Ium的GaN主緩沖層，如圖2(b)。外延采用的工藝條件是溫度為920°C，壓力為40Torr，氫氣流量為500sCCm，氨氣流量為5000sccm,鎵源流量為220sccm。
步驟四，采用MOCVD技術在主緩沖層上外延厚度為14nm的N型摻雜Ala35Gaa65N主勢壘層，通過在生長過程中通入硅烷SiH4實現摻雜濃度為6 X IO19CnT3的N型摻雜，這樣在AlN過渡層上形成了 AlGaN/GaN異質結,在AlGaN/GaN異質結界面靠向GaN—側就形成了主二維電子氣2DEG，形成的外延片結構如圖2(c)。外延采用的工藝條件是溫度為920°C，壓力為40Torr，氫氣流量為500sCCm，氨氣流量為5000sccm,招源流量為IOsccm,鎵源流量為40sccm。步驟五，對上述外延片進行清洗后，利用等離子增強化學氣相淀積PECVD技術在表面淀積一層SiN掩膜介質層，如圖2(d)。步驟六，在淀積了掩膜介質層的外延片表面上，首先進行甩正膠、軟烘；再通過曝光以及顯影形成刻蝕所需的凹槽窗口，最后采用濕法刻蝕方法刻去凹槽窗口下的SiN掩膜介質層，并用丙酮去除SiN掩膜介質層上殘余的光刻膠。步驟七，對去膠后的外延片光刻出凹槽窗口，并采用反應離子刻蝕RIE設備刻蝕凹槽窗口下的AlGaN/GaN異質結，形成底面為0001極性面，側面為非0001面的凹槽結構，如圖2(e)。刻蝕采用流量為15sccm的氯氣Cl2,功率為200W，壓強為10mT，刻蝕深度為35nm。步驟八，用丙酮去除刻蝕后的正膠，并對外延片表面進行清洗。步驟九，將反應室的真空度抽至IX 10_2Torr之下，在氫氣與氨氣的混合氣體保護下對清洗后的外延片進行熱處理，加熱溫度為1000°c，壓力為20ΤΟ1Γ，氫氣流量為1500sccm,氛氣流量為 1500sccm。步驟十，重復步驟三，在凹槽內壁二次生長不同厚度的GaN次緩沖層，即在凹槽底面垂直方向上生長的GaN次緩沖層厚度為20nm，在凹槽側面水平方向上生長的GaN次緩沖層厚度為10nm，如圖2(f)。步驟^^一，采用MOCVD技術在GaN次緩沖層上二次生長不同厚度的Ala35Gaa65N次勢壘層，即在凹槽底面垂直方向上生長的Ala35Gaa65N次勢壘層厚度為14nm，在凹槽側面水平方向上生長的Ala35Gaa65N次勢壘層厚度為7nm，這樣在次AlGaN勢壘層和次GaN緩沖層的界面靠向GaN—側就形成了次二維電子氣2DEG，并且保證了次二維電子氣2DEG的水平位置低于主二維電子氣2DEG的水平位置，如圖2(g)。生長的工藝條件是溫度為920°C，壓力為40Torr，氫氣流量為500sCCm，氨氣流量為5000sccm,招源流量為IOsccm,鎵源流量為40sccm。步驟十二，在二次生長Ala35Gaa65N次勢壘層后的外延片上，利用等離子增強化學氣相淀積PECVD方法淀積厚度為20nm的SiN介質層，該介質層覆蓋次勢壘層和凹槽內壁，如圖2(h)。淀積該介質層的工藝條件為氨氣流量為2. 5SCCm，氮氣流量為900sCCm，硅烷流量為200sccm，溫度為300°C，壓力為900mT，功率為25W。步驟十三，去除源漏區域的SiN介質薄膜首先，在SiN介質層上甩正膠、軟烘；接著，通過曝光以及顯影形成源、漏區域； 最后，采用濕法刻蝕方法去除源漏區域的SiN介質薄膜。步驟十四，對去除了源、漏區域的SiN介質層的外延片進行甩正膠、軟烘，并通過曝光以及顯影獲得源漏窗口。步驟十五，利用等離子去膠機去除源、漏窗口未顯影干凈的光刻膠薄層，可以提高金屬剝離的成品率。步驟十六，采用電子束蒸發儀器淀積Ti/Al/Ni/Au四層歐姆接觸金屬，其中Ti的厚度為30nm, Al的厚度為180nm, Ni的厚度為40nm, Au的厚度為60nm。淀積的工藝條件為真空度小于2. OX 10_6Pa，功率為200W，蒸發速率不大于3埃/秒。步驟十七，將蒸發金屬后的外延片在丙酮溶液中浸泡20min，然后進行超聲清洗，并用超純水沖洗和氮氣吹干，此步驟將源、漏窗口以外的金屬剝離掉。步驟十八，將剝離金屬后的外延片在溫度為850°C的氮氣氣氛中進行30s的歐姆接觸退火，形成源、漏接觸電極，如圖2 (i)。步驟十九，在已形成源、漏接觸電極的外延片上進行甩正膠、軟烘，通過曝光以及
顯影獲得柵窗口。步驟二十，對光刻出柵窗口的外延片采用電子束蒸發儀器淀積Ni/Au兩層金屬，Ni的厚度為30nm，Au的厚度為200nm ;隨后將外延片浸泡在剝離液中進行金屬剝離，用超純水沖洗2min，并用氮氣吹干，最終獲得柵電極，如圖2 (j)。步驟二十一，光刻已形成源、漏、柵極結構的外延片，獲得加厚電極圖形，采用電子束蒸發技術加厚電極，完成如圖I所示的器件制作。實施例2制作過渡層為A1N，GaN主緩沖層厚度為2um，Ala27Gaa73N主勢壘層厚度為24nm，凹槽刻蝕深度為80nm，GaN次緩沖層在凹槽底面向上方向上厚度為50nm、在凹槽側面水平方向上厚度為25nm，Ala27Gaa73N次勢壘層為在凹槽底面向上方向上厚度為24nm，在凹槽側面水平方向上厚度為12nm，柵介質層厚度為40nm的MIS柵GaN基增強型HEMT器件，其步驟是步驟I，與實施例I的步驟一相同。步驟2，與實施例I的步驟二相同。步驟3，采用MOCVD技術在過渡層上外延生長厚度為2um的GaN主緩沖層，如圖2(b)。外延采用的工藝條件是溫度為920°C，壓力為40Torr，氫氣流量為500sCCm，氨氣流量為5000sccm,鎵源流量為220sccm。步驟4，采用MOCVD技術在主緩沖層上外延厚度為24nm的N型摻雜Ala27Gaa73N主勢壘層，通過在生長過程中通入硅烷SiH4實現摻雜濃度為6 X IO19CnT3的N型摻雜，這樣在AlN過渡層上形成了 AlGaN/GaN異質結,在AlGaN/GaN異質結界面靠向GaN—側就形成了主二維電子氣2DEG，形成的外延片結構如圖2(c)。外延采用的工藝條件是溫度為920°C，壓力為40Torr，氫氣流量為500sCCm，氨氣流量為5000sccm,招源流量為IOsccm,鎵源流量為40sccm。步驟5，與實施例I的步驟五相同。步驟6，與實施例I的步驟六相同。
步驟7，對去膠后的外延片光刻出凹槽窗口，并采用反應離子刻蝕RIE設備刻蝕凹槽窗口下的AlGaN/GaN異質結，形成底面為0001極性面，側面為非0001面的凹槽結構，如圖 2(e)。刻蝕采用流量為15sccm的氯氣Cl2,功率為200W，壓強為10mT，刻蝕深度為80nm。步驟8，與實施例I的步驟八相同。步驟9，與實施例I的步驟九相同。步驟10，重復步驟三，在凹槽內壁二次生長不同厚度的GaN次緩沖層，即在凹槽底面垂直方向上生長的GaN次緩沖層厚度為50nm，在凹槽側面水平方向上生長的GaN次緩沖層厚度為25nm，如圖2(f)。步驟11，采用MOCVD技術在GaN次緩沖層上二次生長不同厚度的Ala27Gaa73N次勢壘層，即在凹槽底面垂直方向上生長的Ala27Gaa73N次勢壘層厚度為24nm，在凹槽側面水平方向上生長的Ala 27Ga0.73N次勢壘層厚度為12nm，這樣在次AlGaN勢壘層和次GaN緩沖層的界面靠向GaN —側就形成了次二維電子氣2DEG，并且保證了次二維電子氣2DEG的水平位置低于主二維電子氣2DEG的水平位置，如圖2(g)。生長的工藝條件是溫度為920°C，壓力為40Torr，氫氣流量為500sCCm，氨氣流量為5000sccm,招源流量為IOsccm,鎵源流量為40sccm。步驟12，在二次生長Ala27Gaa73N次勢壘層后的外延片上，利用等離子增強化學氣相淀積PECVD方法淀積厚度為40nm的SiN介質層，該介質層覆蓋次勢壘層和凹槽內壁，如圖 2 (h)。淀積該介質層的工藝條件為氨氣流量為2. 5SCCm，氮氣流量為900sCCm，硅烷流量為200sccm，溫度為300°C，壓力為900mT，功率為25W。步驟13，與實施例I的步驟十三相同。步驟14，與實施例I的步驟十四相同。步驟15，與實施例I的步驟十五相同。步驟16，與實施例I的步驟十六相同。步驟17，與實施例I的步驟十七相同。步驟18，與實施例I的步驟十八相同。步驟19，與實施例I的步驟十九相同。步驟20，與實施例I的步驟二十相同。步驟21，與實施例I的步驟二i^一相同。實施例3制作過渡層為A1N，GaN主緩沖層厚度為3um，Ala2Gaa8N主勢壘層厚度為30nm，凹槽刻蝕深度為140nm，GaN次緩沖層在凹槽底面向上方向上厚度為lOOnm、在凹槽側面水平方向上厚度為50nm，Al0.2Ga0.8N次勢壘層為在凹槽底面向上方向上厚度為30nm，在凹槽側面水平方向上厚度為15nm，柵介質層厚度為60nm的MIS柵GaN基增強型HEMT器件，其步驟是步驟A，與實施例I的步驟一相同。步驟B，與實施例I的步驟二相同。
步驟C，采用MOCVD技術在過渡層上外延生長厚度為3um的GaN主緩沖層，如圖2(b)。外延采用的工藝條件是溫度為920°C，壓力為40Torr，氫氣流量為500SCCm，氨氣流量為5000sccm,鎵源流量為220sccm。步驟D，采用MOCVD技術在主緩沖層上外延厚度為30nm的N型摻雜Ala2Gaa8N主勢壘層，通過在生長過程中通入硅烷SiH4實現摻雜濃度為6 X IO19CnT3的N型摻雜，這樣在AlN過渡層上形成了 AlGaN/GaN異質結,在AlGaN/GaN異質結界面靠向GaN—側就形成了主二維電子氣2DEG，形成的外延片結構如圖2(c)。外延采用的工藝條件是溫度為920°C，壓力為40Torr，氫氣流量為500SCCm，氨氣流量為5000sccm,招源流量為IOsccm,鎵源流量為40sccm。步驟E，與實施例I的步驟五相同。步驟F，與實施例I的步驟六相同。步驟G，對去膠后的外延片光刻出凹槽窗口，并采用反應離子刻蝕RIE設備刻蝕凹槽窗口下的AlGaN/GaN異質結，形成底面為0001極性面，側面為非0001面的凹槽結構，如圖 2(e)。刻蝕采用流量為15sccm的氯氣Cl2，功率為200W，壓強為10mT，刻蝕深度為140nm。步驟H,與實施例I的步驟八相同。步驟I，與實施例I的步驟九相同。步驟J，重復步驟三，在凹槽內壁二次生長不同厚度的GaN次緩沖層，即在凹槽底面垂直方向上生長的GaN次緩沖層厚度為lOOnm，在凹槽側面水平方向上生長的GaN次緩沖層厚度為50nm，如圖2(f)。步驟K，采用MOCVD技術在GaN次緩沖層上二次生長不同厚度的Ala35Gaa65N次勢壘層，即在凹槽底面垂直方向上生長的Alci 2Gatl 8N次勢壘層厚度為30nm，在凹槽側面水平方向上生長的Ala2Gaa8N次勢壘層厚度為15nm，這樣在次AlGaN勢壘層和次GaN緩沖層的界面靠向GaN —側就形成了次二維電子氣2DEG，并且保證了次二維電子氣2DEG的水平位置低于主二維電子氣2DEG的水平位置，如圖2(g)。生長的工藝條件是溫度為920°C，壓力為40Torr，氫氣流量為500sCCm，氨氣流量為5000sccm,招源流量為IOsccm,鎵源流量為40sccm。步驟L，在二次生長Ala2Gaa8N次勢壘層后的外延片上，利用等離子增強化學氣相淀積PECVD方法淀積厚度為60nm的SiN介質層，該介質層覆蓋次勢壘層和凹槽內壁，如圖2(h)。淀積該介質層的工藝條件為氨氣流量為2. 5SCCm，氮氣流量為900sCCm，硅烷流量為200sccm，溫度為300°C，壓力為900mT，功率為25W。步驟M，與實施例I的步驟十二相同。步驟N,與實施例I的步驟十三相同。
步驟0，與實施例I的步驟十四相同。步驟P，與實施例I的步驟十五相同。步驟Q，與實施例I的步驟十六相同。步驟R，與實施例I的步驟十七相同。步驟S，與實施例I的步驟十八相同。步驟T，與實施例I的步驟十九相同。步驟U，與實施例I的步驟二十相同。
步驟V，與實施例I的步驟二i^一相同。上述實施例僅本發明的幾個優選實例，不構成對本發明的任何限制，顯然對于本領域的專業人員來說，在了解了本發明內容和原理后，能夠在不背離本發明的原理和范圍的情況下，根據本發明的方法進行形式和細節上的各種修正和改變，但是這些基于本發明的修正和改變仍在本發明的權利要求保護范圍之內。
權利要求
1.一種金屬絕緣體半導體Mis柵GaN基增強型高電子遷移率晶體管HEMT器件，包括襯底(I)、過渡層(2)、GaN主緩沖層(3)、N型AlGaN主勢壘層(4)、N型AlGaN主勢壘層(4)頂端兩側為源極(9)和漏極(10)，中間為柵電極(13)，其特征在于，GaN主緩沖層(3)中間刻蝕有凹槽(5)，該凹槽的底面為0001極性面，凹槽側面為非0001面，該凹槽的內壁依次外延有GaN次緩沖層(6)、AlGaN次勢壘層(7)和介質層⑶；柵電極(13)淀積在介質層(8)上。
2.根據權利要求I所述的器件，其特征在于，GaN主緩沖層(3)與AlGaN主勢壘層(4)的界面處形成主二維電子氣2DEG溝道(11)，該溝道(11)位于凹槽(5)的兩側；凹槽內外延的GaN次緩沖層(6)與AlGaN次勢壘層(7)界面形成次二維電子氣2DEG溝道(12)。
3.根據權利要求I所述的器件，其特征在于，次二維電子氣2DEG溝道(12)的水平位置低于主二維電子氣2DEG溝道(11)的水平位置。
4.根據權利要求I所述的器件，其特征在于，主勢壘層(4)為N型摻雜，摻雜濃度為6 X IO19Cm 3O
5.一種金屬絕緣體半導體MIS柵GaN基增強型高電子遷移率晶體管HEMT器件的制作方法，包括以下步驟 (1)在反應室中對襯底表面進行預處理； (2)在襯底上外延生長AlGaN/GaN外延層，其中GaN厚度為Ium 3um，N型摻雜的AlxGahN勢壘層厚度為14nm 30nm，其中Al元素的摩爾含量x為20% -35% ； (3)在外延層上淀積一層掩膜介質層，再進行光刻，并采用濕法刻蝕方法對外延層上的介質層進行刻蝕，在外延層上形成長為O. 5um的凹槽； (4)光刻出凹槽區域，并采用反應離子刻蝕RIE方法對凹槽區域中的AlGaN/GaN外延層進行刻蝕，刻蝕深度為35nm 140nm ； (5)保留凹槽之外的掩膜介質層，將刻蝕后的外延層通過金屬有機物化學氣相淀積MOCVD反應室，沿凹槽底面垂直向上的方向上生長20nm IOOnm厚的GaN層和14nm 30nm厚的AlGaN層，沿凹槽側面方向生長IOnm 50nm厚的GaN層和7nm 15nm厚的AlGaN層； (6)去除掩膜介質層； (7)在去除掩膜介質層的材料表面上，采用化學氣相淀積CVD或者物理氣相淀積PVD方法淀積厚度為20nm 60nm的柵介質層； (8)在柵介質層上，先光刻出源、漏區域，再刻蝕出源、漏窗口； (9)在光刻后的材料表面上，采用電子束蒸發技術蒸發歐姆接觸的金屬，并通過剝離、退火后，形成源、漏接觸電極； (10)在柵介質上光刻柵區域，并采用電子束蒸發技術蒸發柵極金屬，經剝離后，形成金屬絕緣體半導體MIS柵極； (11)光刻已形成源、漏、柵極的器件表面，獲得加厚電極圖形，并采用電子束蒸發技術加厚電極，完成器件制作。
全文摘要
本發明公開了一種MIS柵GaN基增強型HEMT器件及制作方法，主要解決現有GaN基增強型器件閾值電壓低及其可控性差以及可靠性低的問題。該器件包括襯底(1)、過渡層(2)、GaN主緩沖層(3)和N型AlGaN主勢壘層(4)；N型AlGaN主勢壘層(4)頂端兩側為源極(9)和漏極(10)，中間為柵電極(13)，GaN主緩沖層(3)的中間刻蝕有凹槽(5)，凹槽的底面為0001極性面，凹槽側面為非0001面，凹槽內壁依次外延有GaN次緩沖層(6)、AlGaN次勢壘層(7)和介質層(8)；介質層(8)上淀積有柵電極(13)。本發明具有閾值電壓高、調控性好，電流密度高，夾斷特性優良，制作工藝簡單成熟、重復性好的優點，可用于高溫大功率應用場合及數字電路中。
文檔編號H01L29/04GK102646705SQ20121013104
公開日2012年8月22日 申請日期2012年4月29日 優先權日2012年4月29日
發明者侯耀偉, 黨李莎, 周昊, 姜騰, 孟凡娜, 張琳霞, 張進成, 王沖, 郝躍, 馬曉華, 魯明 申請人:西安電子科技大學