基于氟離子注入的增強型器件及其制造方法

基于氟離子注入的增強型器件及其制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于氟離子注入的增強型器件及其制造方法，所述器件包括襯底、在襯底上形成的外延多層結構，以及在外延多層結構上形成的柵極、源極和漏極；在所述柵極下方的異質結結構層中采用隧道注入的方法注入有氟離子，用于耗盡異質結結構層中的二維電子氣。本發明通過在柵極下方的外延多層結構中用隧道注入的方法進行氟離子注入，耗盡柵極下異質結處的二維電子氣，從而實現增強型的氮化鎵器件。同時，通過高溫退火去除不穩定的氟離子，并恢復晶格在氟離子注入時引起的損傷，采用晶態介質層對高溫退火時的氮化物材料表面進行保護。
【專利說明】基于氟離子注入的增強型器件及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及微電子【技術領域】，特別是涉及一種基于氟離子注入的增強型器件及其制造方法。
【背景技術】
[0002]基于氮化鎵材料的高電子遷移率晶體管(High Electron Mobility Transistor ；HEMT)是射頻/微波功率放大器、高溫數字集成電路領域的有力競爭者。它基于寬禁帶半導體材料氮化鎵制作，發揮了氮化鎵材料電子飽和漂移速度高、擊穿場強高、導熱性能好等特點，與硅和砷化鎵器件相比，在高溫、高頻、高電壓和大功率的應用方面有明顯的優勢。
[0003]基于氮化鎵材料的HEMT的核心結構通常采用AlGaN/GaN異質結，而該異質結構中存在較強的二維電子氣，從而器件在零偏壓下為導通狀態，使得器件為耗盡型。而耗盡型器件的應用具有一定的局限性，比如在微波功率放大器的應用中，耗盡型器件在關斷狀態下必須采用負電壓偏置柵極，增加了系統電路的復雜度和成本，而且在異常斷電的情況下，器件仍處于導通狀態，從而降低了系統的安全性。使用增強型器件可以降低系統復雜度，提高系統穩定性和安全性。增強型氮化鎵器件的研究具有十分重要的意義。
[0004]實現增強型氮化鎵器件，目標是找到合適的方法來降低乃至耗盡零柵壓時柵極下方的二維電子氣濃度。目前比較常見的一種方案是對柵極下方鋁鎵氮層進行局部減薄。圖1為相應結構的HEMT，緩沖層1、氮化鎵溝道層2、鋁鎵氮勢壘層3分別位于襯底10上，柵極
4、源極5以及漏極6分別位于鋁鎵氮層3上，其中在柵極4下方鋁鎵氮層被局部刻蝕，從而減薄了柵極區的鋁鎵氮層厚度。由于鋁鎵氮層中的極化電場很強，即使厚度很薄，溝道內也會產生電子，因此器件的閾值電壓較低，在零偏置時還會有少量溝道泄漏電流。此外柵極區的鋁鎵氮層厚度一般必須減小到3nm到5nm以下，這樣的刻蝕精度非常具有挑戰性。另一種方案是對柵極下方的外延層進行氟離子注入，因為氟離子帶有負電荷，注入后會提拉導帶耗盡柵極下方的二維電子氣，形成增強型器件結構。現有技術的氟離子注入的深度只到達鋁鎵氮勢壘層。圖2為相應的器件結構，其中柵極4下方的鋁鎵氮層7為氟離子注入區。但是，淺層氟離子注入會使得大量的氟離子停留在氮化鎵HEMT外延層的表面，而表面的氟離子并不穩定，在高溫(MO(TC)或者高電場條件下會引起氟離子的遷移，造成器件閾值電壓的漂移。此外，普通注入條件下的氟離子注入會引起氮化鎵器件較大的晶格損傷，且晶格損傷會隨著注入深度的提高而增大。如果在普通注入條件下提高氟離子注入深度，會使得晶格損傷達到無法恢復的程度。嚴重的晶格缺陷散射會減小溝道載流子的遷移率，降低飽和工作電流，大大制約器件的工作性能。
[0005]因此，針對上述技術問題，有必要提供一種基于氟離子注入的增強型器件及其制造方法。

【發明內容】

[0006]為解決上述問題，本發明的目的在于提供一種采用隧道注入的方法實現基于氟離子注入的增強型器件及其制造方法。
[0007]隧道注入是指在使用離子注入時，使離子注入的角度和晶體的晶格同軸，避免晶格對離子的散射，從而能夠提高離子注入的深度和效率，避免上述第二種方法中氟離子在氮化鎵表面的聚集，從而可以抑制氟離子在高溫或者高電場條件下的遷移，提高器件閾值電壓的穩定性和可靠性。離子注入后的高溫退火可以恢復離子注入帶來的晶格損傷，但高溫又會在氮化物外延層表面引入缺陷。本發明利用氮化物材料表面的介質層來保護高溫退火下的氮化物材料，同時將此介質層制作為晶態，保證了注入方式為隧道注入。
[0008]為了實現上述目的，本發明實施例提供的技術方案如下:
[0009]一種基于氟離子注入的增強型器件，所述器件包括襯底、在襯底上形成的外延多層結構，以及在外延多層結構上形成的柵極、源極和漏極；
[0010]所述外延多層結構從襯底方向向上依次包括異質結結構層和介質層；所述異質結結構層包括氮化物溝道層和氮化物勢壘層；所述介質層為晶態介質層；
[0011]在所述柵極下方的異質結結構層中采用隧道注入的方法注入有氟離子，用于耗盡異質結結構層中的二維電子氣。
[0012]作為本發明的進一步改進，所述外延多層結構還包括位于襯底上的成核層和緩沖層。
[0013]作為本發明的進一步改進，所述晶態介質層為晶態Al2O3、晶態SiN、晶態AlN中的一種或多種的組合。
[0014]作為本發明的進一步改進，所述介質層在柵極下方的區域被刻蝕，柵極位于氮化物勢壘層上，柵極直接與氮化物勢壘層形成肖特基接觸。
[0015]作為本發明的進一步改進，所述氟離子注入深度延伸至所述氮化物溝道層內。
[0016]作為本發明的進一步改進，所述氟離子注入深度延伸至所述緩沖層內。
[0017]作為本發明的進一步改進，所述氮化物溝道層和氮化物勢壘層分別為氮化鎵層、銦鎵氮層、鋁鎵氮層、鋁銦氮層、鋁銦鎵氮層中的一種或多種的組合。
[0018]作為本發明的進一步改進，所述柵極結構為金屬-氧化物-半導體、金屬-絕緣體-半導體、或金屬-半導體結構。
[0019]作為本發明的進一步改進，所述襯底為藍寶石、碳化硅、硅、鈮酸鋰、絕緣襯底硅、氮化鎵或氮化鋁中的一種或多種的組合。
[0020]相應地，一種基于氟離子注入的增強型器件的制造方法，所述制造方法包括以下步驟:
[0021]S1、提供一襯底；
[0022]S2、在襯底上形成外延多層結構，所述外延多層結構從襯底方向向上依次包括異質結結構層和介質層；所述異質結結構層包括氮化物溝道層和氮化物勢壘層；所述介質層為晶態介質層；
[0023]S3、對所述異質結結構層采用隧道注入的方法進行局部氟離子注入，之后進行退火處理；
[0024]S4、在所述異質結結構層上進行過局部氟離子注入區域上沉積金屬層，形成柵極；
[0025]S5、在所述柵極的兩側形成有歐姆接觸的源極和漏極。[0026]作為本發明的進一步改進，所述步驟S2中外延多層結構還包括位于襯底上的成核層和緩沖層。
[0027]作為本發明的進一步改進，所述晶態介質層為晶態Al2O3、晶態SiN、晶態AlN中的一種或多種的組合。
[0028]作為本發明的進一步改進，所述步驟S3中退火的溫度不低于700°C。
[0029]作為本發明的進一步改進，所述晶態介質層在所述氮化物勢壘層上原位生長。
[0030]作為本發明的進一步改進，所述晶態介質層的生長溫度不低于500°C。
[0031]本發明的有益效果是:
[0032]一方面，與普通的注入條件相比，采用隧道注入的方式時，多數氟離子在與晶格原子碰撞前可以運行更長的距離，從而可以提高注入深度，避免氟離子在氮化鎵HEMT表面的聚集。而且，在氮化鎵材料內部的氟離子非常穩定，有利于提高器件閾值電壓的穩定性和器件的可靠性。
[0033]另一方面，在同樣的注入深度下，隧道注入時的氟離子與晶格的碰撞更少，可以降低對晶格的損傷。此外，在注入后進行的高溫退火可以去除不穩定的氟離子，并恢復晶格在氟離子注入時引起的損傷。
[0034]本發明中，為了保護高溫退火時HEMT外延層的穩定性，采用晶態介質作為鈍化層。介質層的晶態結構可以保證注入方式為隧道注入，對于非晶態介質則無法實現隧道注入。同時，與非晶態介質相比，晶態介質可以與氮化物勢壘層表面更好的鍵合，從而大大降低界面態，在高溫退火中避免對HEMT材料表面引入缺陷，確保器件的性能不受影響。此外，晶態介質層可以在HEMT材料上原位生長，從而能夠降低工藝的復雜度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0035]為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明中記載的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0036]圖1為現有技術中在柵極處局部減薄鋁鎵氮層厚度的增強型器件結構示意圖。
[0037]圖2為現有技術中在柵極下方淺層注入氟離子的增強型器件結構示意圖。
[0038]圖3為本發明的第一實施方式的增強型器件的結構示意圖。
[0039]圖4A-4C為本發明的第一實施方式的增強型器件的制造方法步驟狀態圖。
[0040]圖5為本發明的第二實施方式的增強型器件的結構示意圖。
[0041]圖6A-6C為本發明的第二實施方式的增強型器件的制造方法步驟狀態圖。
[0042]圖7為本發明的第三實施方式的增強型器件的結構示意圖。
[0043]圖8A-8C為本發明的第三實施方式的增強型器件的制造方法步驟狀態圖。
【具體實施方式】
[0044]以下將結合附圖所示的【具體實施方式】對本發明進行詳細描述。但這些實施方式并不限制本發明，本領域的普通技術人員根據這些實施方式所做出的結構、方法、或功能上的變換均包含在本發明的保護范圍內。[0045]此外，在不同的實施例中可能使用重復的標號或標示。這些重復僅為了簡單清楚地敘述本發明，不代表所討論的不同實施例及/或結構之間具有任何關聯性。
[0046]圖3是本發明第一實施方式下增強型器件的結構示意圖。本發明的增強型器件該增強型器件包括襯底10、在襯底上形成的外延多層結構20，以及在外延多層結構上形成的柵極30、源極31和漏極32。
[0047]襯底10可以為藍寶石、碳化硅、硅、鈮酸鋰、絕緣襯底硅、氮化鎵或氮化鋁中的一種或多種的組合。外延多層結構20從襯底10方向依次包括:成核層21、緩沖層22、氮化鎵溝道層23、鋁鎵氮勢壘層24和介質層25。氮化鎵溝道層23與上方鋁鎵氮勢壘層24形成異質結結構，提供二維電子氣運動的溝道。氟離子注入區26位于柵極下方，包括介質層25、勢壘層24、氮化鎵溝道層23并延伸至緩沖層22。介質層25為晶態SiN。該介質層在氟離子注入后的高溫退火步驟中維持氮化鎵材料的穩定。
[0048]圖4A-4C為本發明第一實施方式下的增強型器件制造方法所對應的狀態示意圖。如圖所示，該制造方法包括如下步驟:
[0049]首先，如圖4A所示，在襯底材料10上通過MOCVD先后形成成核層21、緩沖層22、氮化鎵溝道層23和鋁鎵氮勢壘層24，氮化物外延層表面為鋁鎵氮的(100)面。此后在MOCVD腔內原位生長晶態SiN介質層25，形成外延多層結構20。晶態介質層25通常需要在高溫下生長，優選地，晶態介質層的生長溫度不低于500°C。在該步驟中，襯底材料10可以為藍寶石、碳化硅、硅、鈮酸鋰、絕緣襯底硅、氮化鎵或氮化鋁中的一種或多種的組合。
[0050]如圖4B所示，用離子注入機對外延層的柵極區域進行局部注入，注入方向與外延層表面垂直，并維持足夠的注入能量，以保證注入方式為隧道注入。氟離子注入區26從介質層延伸至緩沖層22，以使得大部分氟離子均在氮化鎵材料內部。氟離子注入后，氮化物溝道層23中的二維電子氣被耗盡。之后對外延多層結構進行高溫退火，退火溫度不低于700°C，可以采用RTA進行退火。退火后，將源極和漏極區域的介質層刻蝕掉。
[0051]如圖4C所示，最后在源極區、漏極區和柵極區上沉積金屬層，形成柵極30、源極31和漏極32。
[0052]圖5是本發明第二實施方式下增強型器件的結構示意圖。該實施方式中，介質層25的柵極區域被刻蝕，柵極30金屬層直接與勢壘層24形成肖特基接觸。其余與第一實施方式相同，在此不再贅述。
[0053]圖6A-6C為本發明第二實施方式下的增強型器件制造方法所對應的狀態示意圖。在該實施方式中，完成離子注入后的高溫退火之后，將晶態SiN介質層25的柵極、源極和漏極區域刻蝕掉,露出勢壘層24表面，如圖6B所示。之后沉積源極31和漏極32 ;沉積柵極30金屬層，柵極30金屬層直接與勢壘層24形成肖特基接觸，如圖6C所示。其余與第一實施方式相同，在此不再贅述。
[0054]圖7是本發明第三實施方式下增強型器件的結構示意圖。該實施方式中采用了復合介質層，其中第一介質層25為晶態SiN,第二介質層27為晶態Al2O3O其余與第一實施方式相同，在此不再贅述。
[0055]圖8A-8C為本發明第三實施方式下的增強型器件制造方法所對應的狀態示意圖。在該實施方式中，在襯底材料10上通過MOCVD先后形成成核層21、緩沖層22、氮化鎵溝道層23和鋁鎵氮勢壘層24，氮化物外延層表面為鋁鎵氮的(100)面。此后在MOCVD腔內原位生長復合介質層結構，包括晶態SiN第一介質層25,和晶態Al2O3第二介質層27,形成外延多層結構20。晶態介質層通常需要在高溫下生長。其余與第一實施方式相同，在此不再贅述。
[0056]進一步地，在其他實施方式中，外延多層結構也可以不包括成核層和緩沖層，而直接在襯底上生長異質結結構層和介質層，同樣可以達到相同的效果。
[0057]綜上所述，本發明基于氟離子注入的增強型器件及其制造方法采用隧道注入的方法進行氟離子注入。一方面，與普通的注入條件相比，采用隧道注入的方式時，多數氟離子在與晶格原子碰撞前可以運行更長的距離，從而可以提高注入深度，避免氟離子在氮化鎵HEMT表面的聚集。而且，在氮化鎵材料內部的氟離子非常穩定，有利于提高器件閾值電壓的穩定性和器件的可靠性。另一方面，在同樣的注入深度下，隧道注入時的氟離子與晶格的碰撞更少，可以降低對晶格的損傷。此外，在注入后進行的高溫退火可以去除不穩定的氟離子，并恢復晶格在氟離子注入時引起的損傷。
[0058]本發明中，為了保護高溫退火時HEMT外延層的穩定性，采用晶態介質作為鈍化層。介質層的晶態結構可以保證注入方式為隧道注入，對于非晶態介質則無法實現隧道注入。同時，與非晶態介質相比，晶態介質可以與氮化物勢壘層表面更好的鍵合，從而大大降低界面態，在高溫退火中避免對HEMT材料表面引入缺陷，確保器件的性能不受影響。此外，晶態介質層可以在HEMT材料上原位生長，從而能夠降低工藝的復雜度。
[0059]對于本領域技術人員而言，顯然本發明不限于上述示范性實施例的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發明的范圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和范圍內的所有變化囊括在本發明內。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。
[0060]此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。
【權利要求】
1.一種基于氟離子注入的增強型器件，所述器件包括襯底、在襯底上形成的外延多層結構，以及在外延多層結構上形成的柵極、源極和漏極，其特征在于: 所述外延多層結構從襯底方向向上依次包括異質結結構層和介質層；所述異質結結構層包括氮化物溝道層和氮化物勢壘層；所述介質層為晶態介質層； 在所述柵極下方的異質結結構層中采用隧道注入的方法注入有氟離子，用于耗盡異質結結構層中的二維電子氣。
2.根據權利要求1所述的增強型器件，其特征在于，所述外延多層結構還包括位于襯底上的成核層和緩沖層。
3.根據權利要求1所述的增強型器件，其特征在于，所述晶態介質層為晶態Al2O3、晶態SiN、晶態AlN中的一種或多種的組合。
4.根據權利要求1所述的增強型器件，其特征在于，所述介質層在柵極下方的區域被刻蝕，柵極位于氮化物勢壘層上，柵極直接與氮化物勢壘層形成肖特基接觸。
5.根據權利要求1所述的增強型器件，其特征在于，所述氟離子注入深度延伸至所述氮化物溝道層內。
6.根據權利要求2所述的增強型器件，其特征在于，所述氟離子注入深度延伸至所述緩沖層內。
7.根據權利要求1所述的增強型器件，其特征在于，所述氮化物溝道層和氮化物勢壘層分別為氮化鎵層、銦鎵氮層、鋁鎵氮層、鋁銦氮層、鋁銦鎵氮層中的一種或多種的組合。
8.根據權利要求1所述的增強型器件，其特征在于，所述柵極結構為金屬-氧化物-半導體、金屬-絕緣體-半導體、或金屬-半導體結構。
9.根據權利要求1所述的增強型器件，其特征在于，所述襯底為藍寶石、碳化硅、硅、鈮酸鋰、絕緣襯底硅、氮化鎵或氮化鋁中的一種或多種的組合。
10.一種如權利要求1所述的基于氟離子注入的增強型器件的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括以下步驟: 51、提供一襯底； 52、在襯底上形成外延多層結構，所述外延多層結構從襯底方向向上依次包括異質結結構層和介質層；所述異質結結構層包括氮化物溝道層和氮化物勢壘層；所述介質層為晶態介質層； 53、對所述異質結結構層采用隧道注入的方法進行局部氟離子注入，之后進行退火處理； 54、在所述異質結結構層上進行過局部氟離子注入區域上沉積金屬層，形成柵極； 55、在所述柵極的兩側形成有歐姆接觸的源極和漏極。
11.根據權利要求10所述的制造方法，其特征在于，所述步驟S2中外延多層結構還包括位于襯底上的成核層和緩沖層。
12.根據權利要求10所述的制造方法，其特征在于，所述晶態介質層為晶態A1203、晶態SiN、晶態AlN中的一種或多種的組合。
13.根據權利要求10所述的制造方法，其特征在于，所述步驟S3中退火的溫度不低于700。。。
14.根據權利要求10所述的制造方法，其特征在于，所述晶態介質層在所述氮化物勢壘層上原位生長。
15.根據權利要求10所述的制造方法，其特征在于，所述晶態介質層的生長溫度不低于 500°C。
【文檔編號】H01L29/06GK103715256SQ201310738017
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月27日 優先權日:2013年12月27日
【發明者】程凱, 陳洪維 申請人:蘇州晶湛半導體有限公司