CN109755301B - 一种高质量栅界面的GaN MISFET器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高质量栅界面的GaN MISFET器件及其制备方法。该器件包括衬底及生长在衬底上的外延层、栅介质层、源极、漏极、栅极。外延层包括一次外延生长的应力缓冲层和GaN外延层，其上再选择区域生长二次外延层，并形成凹槽沟道，保留了经过二次外延中高温退火的高质量的SiO2掩膜层作为第一栅介质层，并在掩膜层上生长第二栅介质层。栅极金属覆盖于凹槽沟道的栅介质层之上，栅极两端覆盖金属形成源极和漏极。相对于现有的去除SiO2掩膜层后沉积栅介质层的方法，本发明器件结构和制备工艺更为简单可靠，较好地优化了栅极介质层质量和介质层/GaN界面，提高了GaN MISFET器件的性能，尤其是对沟道电阻的降低、栅极漏电以及阈值电压稳定性等问题的改善是十分关键的。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，更具体地，涉及一种高质量栅界面的GaN MISFET器件及其制备方法。
背景技术
GaN材料因其具有禁带宽度大、击穿电场强度高、饱和电子漂移速度大、电子迁移率高、工作温度高、抗腐蚀、抗辐射等优越的电学特性和材料特性，在高频、高压、高温的大功率电子器件领域有着极大的优势和广泛的应用。GaN基功率开关器件通常利用AlGaN/GaN异质结构界面处由于极化效应产生的高浓度、高迁移率的二维电子气工作，使器件具有较低的导通电阻、较高的工作频率，能够充分满足下一代电力电子器件对大功率、小体积、高温工作环境的要求。
由于AlGaN/GaN异质结构极化效应产生的2DEG，传统GaN基HEMT为常开型器件。为了保证电路系统的失效安全，学术界与产业界期待性能优异的常关型器件的实现。业界对于常关型器件结构的一种普遍的方法就是采用凹槽结构，利用凹槽切断栅下的2DEG，实现常关。在半导体凹槽上生长栅介质层形成MIS栅结构，MIS栅主要有降低栅极漏电流，增大栅压摆幅等优点。为避免传统的干法刻蚀带来的等离子体损伤，一般采用选择区域外延生长制备凹槽型MIS栅结构，实现器件常关（Y. Zheng, F. Yang et al., IEEE ElectronDevice Lett., vol. 37, no. 9, pp. 1193–1196, Sep. 2016）。
然而GaN基器件的MIS栅通常具有高密度的界面态、介质层缺陷等，造成器件工作的稳定性问题。目前制备方法得到GaN MIS界面质量普遍不佳，在实际工艺中，存在以下问题或不足：1. 相比于Si 基器件中可采用热氧化方法制备高质量Si/SiO2 MOS界面结构，GaN没有很好的本征氧化物以形成优良的MOS界面，当GaN暴露在大气环境中，表面会吸附氧原子形成自然氧化物（Ga-O），增加介质与(Al)GaN的界面态密度，劣化MIS界面的质量，影响器件的可靠性（S. Yang, Z. Tang et al., IEEE Electron Device Lett., vol. 34,no. 12, pp. 1497-1499, Dec. 2013）；2. 目前常用的制备栅介质的方案，如ALD、PECVD、LPCVD等方法，由于生长的温度相对较低（一般低于800℃），其生长的栅介质层质量较差（Anushree Tomer et al., IEEE 2016 3rd International Conference on EmergingElectronics (ICEE), 27-30 Dec. 2016），而相应的后退火条件十分苛刻，也会增加额外的成本。这些问题导致MIS界面系统中存在较高的界面态密度和栅介质层缺陷，从而劣化器件特性，影响器件工作的稳定性。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种能够实现高阈值电压稳定性、低栅极漏电、低导通电阻、高输出电流密度常关型GaN MISFET器件及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高质量栅界面的GaNMISFET器件，由下往上依次包括衬底，应力缓冲层，GaN外延层，掩膜层，二次外延层，二次外延形成凹槽，并在保留的掩膜层上生长第二栅介质层，两端形成源极和漏极，凹槽沟道处的介质层上覆盖栅极。
本发明在一次外延高质量的GaN基板上，再选择区域外延形成凹槽栅极结构的MISFET器件，保留了经过二次外延中高温退火的高质量的掩膜层作为栅介质层。该发明可实现较高质量的栅介质层、较少界面态密度和栅介质层缺陷的MIS界面。具体表现在选择区域外延技术制备槽栅MIS结构中，保留一层SiO2掩膜层作为栅介质。该SiO2掩膜层由于经过MOCVD中含N的环境下的高温处理（≥800℃），具有高质量、低缺陷、良好的介质层/GaN界面质量，十分适合保留并作为栅介质层。相比于去除掩膜后生长介质层的工艺，本发明的结构保留了掩膜层，也避免了栅区GaN再次暴露于大气环境中，减少了GaN表面的氧化以及受其它污染的不良影响。此外，省略掩膜层的去除步骤可以简化选择区域外延制备槽栅MIS结构的工艺，节约成本。
进一步的，所述的凹槽呈U型或梯型结构。
进一步的，所述的衬底为 Si 衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底、GaN自支撑衬底中的任一种。
进一步的，所述的应力缓冲层为AlN、AlGaN、GaN的任一种或组合，应力缓冲层厚度为100 nm~20 μm。
进一步的，所述的掩膜层为高质量的SiO2、Al2O3、 AlON、Si3N4、 SiOxNy、Ga2O3中的一种或任意几种的，厚度为1-50 nm。
进一步的，所述的一次生长GaN外延层为非故意掺杂的GaN外延层或掺杂的高阻GaN外延层，所述掺杂高阻层的掺杂元素为碳或铁；GaN外延层厚度为100 nm~20 μm。
进一步的，所述的掩膜层在二次生长后保留，作为第一栅介质层。
进一步的，所述的二次外延层为AlGaN/GaN异质结构，AlGaN势垒层厚度为5-50nm，且其中Al组分浓度可变化，GaN势垒层厚度为0-500 nm。
进一步的，所述的二次外延层中的AlGaN势垒层还可以为AlInN、InGaN、AlInGaN、AlN中的一种或任意几种的组合。
进一步的，所述的二次外延层中，AlGaN势垒层与GaN层之间还可以插入一AlN薄层，厚度为0.3-5 nm。
进一步的，所述第二栅介质层为Al2O3、AlON、MgO、Si3N4、SiO2、SiOxNy、HfO2绝缘介质层，厚度为1-100 nm。
进一步的，所述的源极和漏极材料为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；栅极材料为Ni/Au合金、Pt/Al合金、Pd/Au合金或TiN/Ti/Al/Ti/TiN合金。
本发明还提供一种高质量栅界面的GaN MISFET器件的制备方法，包括以下步骤：
S1. 在Si衬底上生长应力缓冲层；
S2. 在应力缓冲层上生长GaN外延层；
S3. 在GaN外延层上沉积一层SiO2，作为掩膜层；
S4. 通过光刻的方法，保留栅极区域之上的掩膜层作为第一栅介质层；
S5. 选择区域生长二次外延层，形成凹槽型栅极区域；
S6. 干法刻蚀完成器件隔离；
S7. 沉积第二栅介质层，同时刻蚀出源极和漏极欧姆接触区域；
S8. 在源极和漏极区域蒸镀上源极和漏极欧姆接触金属；
S9. 在凹槽处介质层上栅极区域蒸镀栅极金属。
进一步的，所述步骤S1中的应力缓冲层和步骤S2中的GaN外延层及步骤S5中的二次外延层的生长方法为金属有机化学气相沉积法、分子束外延法的高质量成膜方法；所述步骤S3中SiO2掩膜层的生长方法为等离子体增强化学气相沉积法、原子层沉积法、物理气相沉积法或磁控溅射法；所述步骤S7的生长方法为金属有机化学气相沉积法、分子束外延法、原子层沉积法、磁控溅射法的成膜方法。
与现有技术相比，有益效果是：本发明提出了一种高质量栅界面的GaN MISFET器件结构及其制备方法，提高了器件的性能，尤其是对沟道电阻的降低、栅极漏电的减少以及阈值电压稳定性的提高是十分显著的。本发明器件工艺更简单、重复性和可靠性较高，特点是保留了SiO2掩膜作为栅介质层。SiO2掩膜在二次外延的过程中经过高温退火，具有较高的介质层质量和界面质量，同时也避免了去除掩膜的过程中栅下GaN的氧化和污染，使得MIS界面态密度和介质层缺陷得到有效降低，提高栅极区域的导通特性和耐压特性。本发明提供一种能够实现高阈值电压稳定性、低导通电阻、高输出电流密度的GaN MISFET器件及其制作方法。
附图说明
图1-9为本发明实施例1的器件制作方法工艺示意图。
图10为本发明实施例2的器件结构示意图。
图11为本发明实施例3的器件结构示意图。
图12为本发明实施例4的器件结构示意图。
图13为本发明实施例5的器件结构示意图。
图14为本发明实施例6的器件结构示意图。
图中，1-衬底；2-应力缓冲层；3- GaN外延层；4-掩膜层；5-二次外延层；6-二栅介质层；7-源极；8-漏极；9-栅极；11-AlGaN结构层；12-AlN空间隔离层；13-AlN薄层；14-AlGaN薄势垒层；15-二次外延的AlGaN层。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。
如图9所示为本实施例的器件结构示意图，其结构由下往上依次包括衬底1，应力缓冲层2，GaN外延层3，SiO2掩膜层4，二次外延层，二次外延后保留SiO2掩膜层4的凹槽上覆盖第二栅介质层6，两端形成源极7和漏极8，凹槽沟道处的介质层上覆盖有栅极9。
上述高质量栅界面的GaN MISFET器件的制作方法如图1-图9所示，包括以下步骤：
S1. 利用金属有机化学气相沉积方法，在Si衬底1上生长一层应力缓冲层2，如图1所示；
S2. 利用金属有机化学气相沉积方法，在应力缓冲层2上生长GaN外延层3，如图2所示；
S3. 通过原子层沉积方法沉积一层SiO2，作为掩膜层4，如图3所示；
S4. 通过光刻方法选择区域刻蚀，保留栅极9区域之上的掩膜层4作为第一栅介质层，如图4所示；
S5. 利用金属有机化学气相沉积方法，在有掩膜层4的衬底1上选择区域生长二次外延GaN/AlGaN层，形成凹槽栅极9，如图5所示；
S6. 利用ICP完成器件隔离，如图6所示；
S7. 利用原子层沉积方法，在保留掩膜层4的栅极9凹槽上生长一层绝缘的第二栅介质层6，同时刻蚀出源极7和漏极8欧姆接触区域，如图7所示；
S8. 在源极7和漏极8区域蒸镀上Ti/Al/Ni/Au合金作为源极7和漏极8的欧姆接触金属，如图8所示；
S9. 在凹槽栅极9区域的绝缘层上蒸镀Ni/Au合金作为栅极9金属，如图9所示。
至此，即完成了整个器件的制备过程。图9即为实施例1的器件结构示意图。
实施例2
如图10所示为本实施例的器件结构示意图，其与实施例1结构区别仅在于：实施例1中在保留掩膜层4的栅极9凹槽上覆盖了一层绝缘的第二栅介质层6，而实施例2中在掩膜层4上无第二栅介质层6，直接蒸镀金属作为栅极9金属。
实施例3
如图11所示为本实施例的器件结构示意图，其与实施例1结构区别仅在于：实施例1中GaN/AlGaN异质结构为二次外延形成并同时自然形成栅极9凹槽区，而实施例3中二次外延的结构仅为AlGaN，同时形成栅极9凹槽区，标号11为AlGaN结构层11。
实施例4
如图12所示为本实施例的器件结构示意图，其与实施例1结构区别仅在于：实施例1中为二次外延GaN/AlGaN异质结构并形成栅极9凹槽区，而实施例4中二次外延结构的AlGaN势垒层与GaN层之间还插入了厚度为0.3-5 nm 的AlN空间隔离层12，同时形成栅极9凹槽区。
实施例5
如图13所示为本实施例的器件结构示意图，其与实施例1结构区别仅在于：实施例1中一次外延生长的外延层包括衬底1、应力缓冲层2和GaN外延层3，而实施例5中一次外延生长GaN外延层3上生长一层AlN薄层13，其上再选择区域生长二次外延层，形成凹槽并后续相同流程。
实施例6
如图14所示为本实施例的器件结构示意图，其与实施例1结构区别仅在于：实施例6中一次外延生长GaN外延层3上生长一层1-10nm的AlGaN薄势垒层14，之后二次外延的AlGaN层15形成栅极9凹槽区，二次外延的AlGaN层15的厚度为5-50nm。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种高质量栅界面的GaN MISFET器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1. 在Si衬底（1）上生长应力缓冲层（2）；
S2. 在应力缓冲层（2）上生长GaN外延层（3）；
S3. 在GaN外延层（3）上沉积一层SiO2，作为掩膜层（4）；
S4. 通过光刻的方法，完全保留栅极区域之上的掩膜层（4）作为第一栅介质层；
S5. 以掩膜层为掩膜在氮化镓外延层的选择区域生长二次外延层（5），形成凹槽型栅极区域；
S6. 干法刻蚀完成器件隔离；
S7. 在保留掩膜层的凹槽形栅极区域沉积第二栅介质层（6），同时刻蚀出源极（7）和漏极（8）欧姆接触区域；
S8. 在源极（7）和漏极（8）区域蒸镀上源极（7）和漏极（8）欧姆接触金属；
S9. 在凹槽处第二栅介质层（6）上栅极区域蒸镀栅极金属。
2.根据权利要求1所述的一种高质量栅界面的GaN MISFET器件的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中的应力缓冲层（2）和步骤S2中的GaN外延层（3）及步骤S5中的二次外延层（5）的生长方法为金属有机化学气相沉积法或分子束外延法；所述步骤S3中SiO2掩膜层（4）的生长方法为等离子体增强化学气相沉积法、原子层沉积法、物理气相沉积法或磁控溅射法；所述步骤S7的生长方法为金属有机化学气相沉积法、分子束外延法、原子层沉积法、磁控溅射法的成膜方法。
3.一种采用权利要求1所述方法制备的高质量栅界面的GaN MISFET器件，其特征在于，包括衬底（1），应力缓冲层（2），GaN外延层（3），掩膜层（4），二次外延层（5），二次外延形成凹槽，并在保留的掩膜层（4）上生长第二栅介质层（6），两端形成源极（7）和漏极（8），凹槽内的第二栅介质层上覆盖栅极（9）。
4.根据权利要求3所述的一种高质量栅界面的GaN MISFET器件，其特征在于，所述的凹槽呈U型或梯型结构。
5.根据权利要求3所述的一种高质量栅界面的GaN MISFET器件，其特征在于，所述的应力缓冲层（2）为AlN、AlGaN、GaN的任一种或组合，应力缓冲层（2）厚度为100 nm~20 μm；所述的掩膜层（4）的厚度为1-50 nm；所述GaN外延层（3）为非故意掺杂的GaN外延层（3）或掺杂的高阻GaN外延层（3），所述掺杂高阻层的掺杂元素为碳或铁；GaN外延层（3）厚度为100 nm~20μm。
6.根据权利要求3所述的一种高质量栅界面的GaN MISFET器件，其特征在于，所述二次外延层（5）为AlGaN/GaN异质结构，AlGaN势垒层厚度为5-50 nm，且其中Al组分浓度可变化，GaN势垒层厚度小于等于500 nm。
7.根据权利要求3所述的一种高质量栅界面的GaN MISFET器件，其特征在于，所述的二次外延层（5）中，AlGaN势垒层与GaN层之间插入一AlN薄层（13），厚度为0.3-5 nm。
8.根据权利要求3所述的一种高质量栅界面的GaN MISFET器件，其特征在于，所述第二栅介质层（6）为Al2O3、AlON、MgO、Si3N4、SiO2、SiOxNy、HfO2绝缘介质层，厚度为1-100 nm；所述的源极（7）和漏极（8）材料为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；栅极（9）材料为Ni/Au合金、Pt/Al合金、Pd/Au合金或TiN/Ti/Al/Ti/TiN合金。
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