專利名稱：高閾值電壓氮化鎵增強型晶體管結構及制備方法
技術領域：
本發明涉及半導體技術。
背景技術：
與基于鋁鎵砷/鎵砷(AlGaAs/GaAs)異質結的高電子遷移率晶體管(HEMT)相比，基于鋁鎵氮/鎵氮(AlGaN/GaN)異質結的HEMT器件具有以下優點(I)、AlGaN/GaN異質結界面的二維電子氣(2DEG)濃度較高(可達1013cm_2)，比AlGaAs/GaAs異質結界面的2DEG濃度高出近一個數量級，因此，基于AlGaN/GaN異質結的HEMT將具有更高的輸出功率密度。作為規模化生產的產品，基于AlGaN/GaN異質結的HEMT器件功率密度已達到達IOW/毫米以上，比GaAs基HEMT器件的功率密度高出近20倍。 (2)、由于GaN屬于寬禁帶半導體，其工作溫度高，可在500°C以上正常工作，而基于AlGaAs/GaAs異質結的HEMT器件的極限工作溫度約為200°C左右。(3)、由于GaN具有更高的擊穿電場，因此，基于AlGaN/GaN異質結的HEMT器件具有較高的柵-漏擊穿電壓，與AlGaAs/GaAs異質結HEMT器件相比，其工作偏置高出好幾倍以上。(4)、由干GaN材料化學鍵能高，材料的物理化學性能穩定,受外來的物理、化學作用的影響弱，因此，基于AlGaN/GaN異質結的HEMT具有很強的抗輻照能力。由于GaN器件的以上特點，不僅使得基于AlGaN/GaN異質結的HEMT器件可廣泛應用于雷達、通信及航空航天等高頻功率器件領域，還在電力電子器件領域具有極大應用潛力，使之成為了繼硅(Si)、鎵砷之后最有應用潛力的半導體材料，并廣泛受到業界和學界的關注和研究。由于GaN是一種強極性半導體材料，在AlGaN/GaN異質結界面自然形成高濃度的2DEG，在通常情況下很難耗盡AlGaN/GaN異質結界面的2DEG，所以，基于AlGaN/GaN異質結的HEMT器件通常均為耗盡型，即在零偏壓下AlGaN/GaN異質結的HEMT器件處于常開狀態，只有在柵上加一定大小的負偏壓時，才能使器件處于關斷狀態，這對于電力電子器件領域的應用來說，其安全性將成為很大的問題。同時，即使對數字邏輯集成電路設計和研制來說，為了確保邏輯電路的邏輯安全，不僅需要增強型器件(閾值電壓大于零)，而且要求增強型器件具有較高的閾值電壓，為此，研究工作者不僅一直在探索增強型AlGaN/GaN HEMT器件的制造技術，而且也一直在探索提高閾值電壓的方法。目前，增強型GaN HEMT器件制造的主要方法如下(I)、通過能帶設計和剪切降低AlGaN/GaN異質結界面的2DEG濃度，從而實現增強型GaN HEMT器件。這一方法的最大缺點是無法實現與耗盡型GaN HEMT器件的兼容，也就是說無法在同一片材料上既制造增強型GaN HEMT器件，還研制出耗盡型GaN HEMT器件，因此，這種方法無法滿足GaN數字邏輯電路的研制需要。(2)、通過減薄柵區的AlGaN勢壘層厚度，降低柵區的2DEG濃度，從而實現增強型GaN HEMT 器件。這種方法雖然有效，但其最大的問題是由于很難監控刻蝕速率，導致柵區AlGaN勢壘層的厚度難以準確 控制，因此，所制造的增強型GaN HEMT器件的性能一致性和重復性難以保證，這對于GaN數字邏輯電路的研制來說，同樣是很難接受的。此外，這種方法很難實現較高的閾值電壓。(3)、對柵區AlGaN勢壘層注入F離子，耗盡柵區的2DEG，從而實現增強型GaN HEMT器件。這種方法雖然避免了以上兩種方法的缺點，但其最大的問題是柵區AlGaN勢壘層的F離子注入會破壞AlGaN/GaN異質結界面特性，使GaN增強型HEMT器件的性能退化，從而使所研制的GaN集成電路性能較差。而且為了進一步提高閾值電壓，器件的電學性能會出現更加嚴重的衰退。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種具有較高閾值電壓的增強型GaN-HEMT器件結構及其制備方法，該器件結構既能實現增強型GaN HEMT器件與耗盡型GaN HEMT器件的兼容，又能最大限度地保證增強型GaN HEMT器件與耗盡型GaN HEMT器件性能相當，而且還可以擁有高的閾值電壓。本發明解決所述技術問題采用的技術方案是高閾值電壓氮化鎵增強型晶體管結構，包括自下至上包括基板、GaN和AlGaN層和絕緣柵介質層，其特征在于，所述絕緣柵介質層包括絕緣隧道層、固定電荷層和絕緣帽層，固定電荷層設置于絕緣隧道層上方或嵌于絕緣隧道層上部，固定電荷層的上方設置有絕緣帽層，絕緣帽層上方為柵金屬。所述絕緣柵介質層的材料為A1203、SiO2, HfO2, HfTiO, ZrO2或者SiNO。本發明還提供高閾值電壓氮化鎵增強型晶體管結構制備方法，包括下述步驟(I)、在藍寶石襯底上制備AlGaN/GaN異質結材料，即晶圓，在晶圓表面沉積一層Al2O3薄膜作為絕緣隧道層；(2)、制備出源區和漏區的金屬電極；(3)、在晶圓表面旋涂光刻膠，并通過對準光刻方法定位出柵區的位置后，將晶圓放入反應離子刻蝕機內，用CF4作為反應氣體，對柵區進行F離子注入，形成固定電荷層；(4)、在晶圓表面常溫沉積IOnm厚的Al2O3柵介質作為絕緣帽層；(5)、在晶圓表面沉積Ni/Au金屬薄膜，Ni/Au金屬薄膜的厚度分別為IOOnm和50nm，并通過剝離工藝形成柵金屬電極，再在氮氣氛下對整個晶圓進行退火處理。本發明的有益效果是，與其它制造增強型GaN場效應晶體管的技術相比，本技術的制備工藝可控性好，所研制的器件性能重復性好。所研制的增強型GaN MISHEMT器件性能良好，閾值電壓大，最大源漏飽和電流密度大，柵漏電小，器件工作電壓范圍寬，完全可滿足GaN集成電路研制需要。
圖I是具有高閾值電壓的增強型GaN HEMT器件結構示意圖。圖2是采用等離子體浸沒處理及離子注入方法制造本發明增強型GaN MISHEMT器件的制造工藝流程示意圖。圖3是采用在含F或Cl氣氛中真空沉積絕緣柵介質薄膜的方法制造本發明增強型GaN MISHEMT器件的制造工藝流程示意圖。圖4是本發明增強型GaN MISHEMT與耗盡型GaN MESHEMT集成構成的GaN集成電路不意圖。圖5是本發明增強型GaN MISHEMT與耗盡型GaN MISHEMT集成構成的GaN集成電路不意圖。圖6是本發明絕緣帽層對增強型GaN MISHEMT器件閾值電壓的影響曲線圖。圖4和圖5中，絕緣帽層下方并列的負電荷圖標區域表示固定電荷層。
具體實施例方式本發明的增強型GaN HEMT器件的基本結構示意圖如圖I所示，屬于金屬-絕緣體-半導體(MIS)場效應晶體管，與常見的MIS結構GaN場效應晶體管相比，本發明的MIS結構GaN場效應晶體管的特點是該絕緣柵介質包括絕緣帽層、固定負電荷層、絕緣隧道層三個部分，通過固定負電荷層的電荷量耗盡柵區二維電子氣，實現閾值電壓大于零，再通過引入絕緣帽層進一步提高器件閾值電壓，從而制造出具有較高閾值的GaN增強型高電子遷移率晶體管，其中，絕緣柵介質主要采用Al203、Si02、Hf02、HfTi0、Zr02、SiNx、SiN0，所引入的固定負電荷主要選擇電負性高的F離子和Cl離子。本發明的具體制造工藝過程為先沉積絕緣隧道層薄膜，再在絕緣隧道層薄膜表面引入一定量的固定負電荷，以實現增強型器件，再在固定負電荷層表面沉積絕緣帽層，最后沉積金屬柵電極。通過絕緣帽層的引入，在金屬柵與固定負電荷層之間形成一個內建電場，從而實現了較高的閾值電壓。在本發明中，在絕緣柵介質中引入固定負電荷可采用含F或Cl的等離子體浸沒處理、向柵介質中離子注入F或Cl、在含F或Cl的氣氛中真空沉積絕緣柵介質薄膜等方法，其中，對于采用等離子體浸沒處理引入固定負電荷的方法，通過控制等離子體功率和浸沒時間來調控進入到絕緣柵介質中的固定負電荷的電荷量；對于采用離子注入引入固定負電荷的方法，通過控制注入離子的能量，使離子僅被注入到絕緣柵介質中，AlGaN勢壘層中沒有離子注入，從而確保AlGaN/GaN異質結界面特性和所研制器件的性能不發生嚴重退化，并通過控制注入離子劑量來調控進入到絕緣柵介質中的固定負電荷的電荷量；對于采用在含F、Cl的氣氛中真空沉積絕緣柵介質薄膜引入固定負電荷的方法，通過控制薄膜沉積氣氛中含F、Cl氣體的分壓來調控進入到絕緣柵介質中的固定負電荷的電荷量。對于采用等離子體浸沒處理及離子注入方法制造本發明的增強型GaN MISHEMT器件，其制造工藝流程如圖2所示，先在AlGaN/GaN表面沉積絕緣隧道層介質薄膜，再光刻出源極(Source)和漏極(Drain)位置,在源極(Source)和漏極(Drain)位置沉積金屬電極，并經過快速退火在源極和漏極形成歐姆接觸。通過光刻技術定義出柵區位置后，再對柵區進行等離子體浸沒處理或離子注入形成固定電荷層薄膜，并沉積絕緣帽層最后，在柵區沉積金屬電極形成柵電極，從而制造出增強型GaN MISHEMT器件。對于采用在含F或Cl氣氛中真空沉積絕緣柵介質薄膜的方法制造本發明的增強型GaN MISHEMT器件，其制造工藝流程如圖3所示，先在含F或Cl氣氛下在AlGaN/GaN表面沉積絕緣隧道層介質薄膜，并通過氣氛控制直接在柵介質沉積過程中在柵介質薄膜中引入固定負電荷，形成固定電荷層薄膜，再光刻出源極(Source)和漏極(Drain)位置,在源極(Source)和漏極(Drain)位置沉積金屬電極，并經過快速退火在源極和漏極形成歐姆接觸。通過光刻技術定義出柵區位置后，最后在柵區沉積IOnm厚的絕緣帽層介質，再在柵區沉積金屬電極形成柵電極，從而制造出增強型GaN MISHEMT器件。由本發明的增強型GaN MISHEMT器件既可以與金屬-半導體結構的耗盡型GaN場效應晶體管(MESHEMT)進行集成，構成GaN集成電路，如圖4所示，還可以與耗盡型GaNMISHEMT器件進行集成，構成GaN集成電路，如圖5所示。采用本發明如圖2所示的工藝流程，采用F離子注入的A1203 (以下簡寫為FiAl2O3)薄膜作為柵介質成功研制出了增強型GaNMISHEMT器件，其器件結構示意圖如圖I所示。具體步驟如下(I)、在藍寶石襯底上制備AlGaN/GaN異質結材料(以下簡稱晶圓)，作為研制GaN 場效應晶體管的材料基礎，采用分子束外延(MBE)在AlGaN/GaN異質結材料表面沉積一層約IOnm厚的Al2O3薄膜，作為絕緣隧道層。(2)、在覆蓋有Al2O3薄膜的AlGaN/GaN異質結材料表面旋涂光刻膠，通過光刻定位出源區(Source)和漏區(Drain)的位置，再用1:100的HF溶液將源區和漏區位置的Al2O3薄膜刻蝕掉。采用電子束蒸發技術沉積Ti/Al/Ni/Au多層膜金屬電極，Ti/Al/Ni/Au多層膜金屬電極的厚度分別為20nm/100nm/30nm/50nm,采用剝離工藝制備出源區和漏區的金屬電極，并在氮氣氛中對金屬電極進行快速退火處理(退火溫度825°C，退火時間30s)，以形成歐姆電極。(3)、再在晶圓表面旋涂光刻膠，并通過對準光刻方法定位出柵區的位置后，將晶圓放入反應離子刻蝕機內，用CF4作為反應氣體，對柵區進行F離子注入，形成固定電荷層介質薄膜，工藝條件為注入功率60W，工作氣壓20mTorr，注入時間300s。(4)、再將晶圓放入分子束外延(MBE)中，通過常溫沉積IOnm厚的Al2O3柵介質，作為絕緣帽層薄膜。(5)、再采用電子束蒸發在晶圓表面沉積Ni/Au金屬薄膜，Ni/Au金屬薄膜的厚度分別為100nm/50nm，并通過剝離工藝形成柵金屬電極，再在氮氣氛下對整個晶圓進行退火處理(退火溫度400°C，退火時間IOmin.)。通過以上工藝步驟，就可研制出了這種具有高閾值電壓的F = Al2O3柵介質的增強型GaN MISHEMT器件，為了作對比，還制作了無絕緣帽層柵介質的增強型GaN MISHEMT，采用HP4284A LCR儀對所研制的這兩種器件進行電學性質測試。圖6給出了這絕緣帽層對器件轉移特性的影響，可以看出無絕緣帽層柵介質的增強型GaN MISHEMT器件閾值電壓為+0. 5V，而有絕緣帽層柵介質的增強型GaN MISHEMT器件閾值電壓達到了 +2.6V。采用本專利方法制作出的增強型器件，不僅具有較高的閾值電壓，且最大源漏飽和電流達到了 350mA/mm,最大飽和跨導達到55mS/mm。
權利要求
1.高閾值電壓氮化鎵增強型晶體管結構，自下至上包括基板、GaN和AlGaN層和絕緣柵介質層，其特征在于，所述絕緣柵介質層包括絕緣隧道層、固定電荷層和絕緣帽層，固定電荷層設置于絕緣隧道層上方或嵌于絕緣隧道層上部，固定電荷層的上方設置有絕緣帽層，絕緣帽層上方為柵金屬。
2.如權利要求I所述的具有高閾值電壓氮化鎵增強型晶體管結構，其特征在于，所述絕緣柵介質層的材料為A1203、SiO2, HfO2, HfTiO, ZrO2或SiNO。
3.如權利要求I所述的高閾值電壓氮化鎵增強型晶體管結構的制備方法，其特征在于，包括下述步驟 (1)、在藍寶石襯底上制備AlGaN/GaN異質結材料，即晶圓，在晶圓表面沉積一層Al2O3薄膜，作為絕緣隧道層薄膜； (2)、制備出源區和漏區的金屬電極； (3)、在晶圓表面旋涂光刻膠，并通過對準光刻方法定位出柵區的位置后，將晶圓放入反應離子刻蝕機內，用CF4作為反應氣體，對柵區進行F離子注入，形成固定電荷層薄膜； (4)、在晶圓表面常溫沉積IOnm厚的Al2O3柵介質，作為絕緣帽層薄膜； (5)、在晶圓表面沉積Ni/Au金屬薄膜，Ni/Au金屬薄膜的厚度分別為IOOnm和50nm，并通過剝離工藝形成柵金屬電極，再在氮氣氛下對整個晶圓進行退火處理。
4.如權利要求3所述的高閾值電壓氮化鎵增強型晶體管結構的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)為在覆蓋有Al2O3薄膜的AlGaN/GaN異質結材料表面旋涂光刻膠，通過光刻定位出源區和漏區的位置，再用1:100的HF溶液將源區和漏區位置的Al2O3薄膜刻蝕掉；采用電子束蒸發技術沉積Ti/Al/Ni/Au多層膜金屬電極，Ti/Al/Ni/Au多層膜金屬電極的厚度分別為20nm/100nm/30nm/50nm,采用剝離工藝制備出源區和漏區的金屬電極,并在氮氣氛中對金屬電極進行快速退火處理，退火溫度825°C，退火時間30s，以形成歐姆電極。
5.如權利要求3所述的高閾值電壓氮化鎵增強型晶體管結構的制備方法，其特征在于，所述步驟(3) (5)為: (3)、在晶圓表面旋涂光刻膠，并通過對準光刻方法定位出柵區的位置后，將晶圓放入反應離子刻蝕機內，用CF4作為反應氣體，對柵區進行F離子注入，形成固定電荷層，注入功率60W，工作氣壓20mTorr，注入時間300s ； (4)、將晶圓放入分子束外延中，通過常溫沉積IOnm厚的Al2O3柵介質，作為絕緣帽層薄膜； (5)、采用電子束蒸發在晶圓表面沉積Ni/Au金屬薄膜，Ni/Au金屬薄膜的厚度分別為100nm/50nm,并通過剝離工藝形成柵金屬電極，再在氮氣氛下對整個晶圓進行退火處理，退火溫度400°C，退火時間lOmin。
全文摘要
高閾值電壓氮化鎵增強型晶體管結構及制備方法，涉及半導體技術。本發明自下至上包括基板、GaN和AlGaN層和絕緣柵介質層，其特征在于，所述絕緣柵介質層包括絕緣隧道層、固定電荷層和絕緣帽層，固定電荷層設置于絕緣隧道層上方或嵌于絕緣隧道層上部，固定電荷層的上方設置有絕緣帽層，絕緣帽層上方為柵金屬。本發明的有益效果是，與其它制造增強型GaN場效應晶體管的技術相比，本技術的制備工藝可控性好，所研制的器件性能重復性好。所研制的增強型GaN MISHEMT器件性能良好，閾值電壓大，最大源漏飽和電流密度大，柵漏電小，器件工作電壓范圍寬，完全可滿足GaN集成電路研制需要。
文檔編號H01L21/335GK102709322SQ20121017234
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月30日 優先權日2012年5月30日
發明者劉興釗, 張萬里, 李言榮, 陳超 申請人:電子科技大學