专利名称：一种双异质结mos-hemt器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体元器件技术，具体指一种Al203/AlN/GaN/InGaN/GaN双异质结 MOS-HEMT器件。
背景技术：
以氮化镓(GaN)为代表的第三代宽禁带半导体器件，是继第一、二代半导体器件 之后，近十年迅速发展起来的新型宽禁带半导体器件。90年代以来，随着氮化镓(GaN)基半 导体材料生长工艺的一系列重大突破，以GaN为代表的新一代半导体材料逐渐引起了人们 的关注，其禁带宽度大、电子迁移率高、热导率高，具有耐高压、耐热分解、耐腐蚀和耐放射 性辐照的特点，特别适合于制作超高频、高温、高功率HEMT器件，被誉为"后硅器时代"的主 要代表，其研究与应用是目前全球半导体领域的前沿和热点。 目前，GaN基HEMT器件已经走向了实用化的阶段，在基站信号传输、远距离空间通 信等方面发挥着重要的作用，但由于器件工艺技术的不完善，在材料生长过程中各外延层 不可避免地出现较高浓度的体陷阱，严重影响了器件的输出特性。当器件作为微波放大电 路基本单元使用时，器件中的沟道电子在高电场的作用下会出现严重的量子隧穿和热电子 现象，大量电子被体陷阱所捕获，造成饱和电流严重下降，限制了该器件的进一步地推广应 用。对于GaN基器件，Binari等人在1997年第一次观察到了 GaN基MESFET的强场电流坍 塌效应，并使用光电离能谱的方法研究了 MESFET的陷阱能级，认为半绝缘的GaN缓冲层中 的1. 8eV和2. 85eV的两个深陷阱俘获电子。之后，Klein等人于2001年，采用这种方法对 GaN基HEMT器件进行研究得到相同的结果，最后证实了高电场下缓冲层体陷阱是造成电流 坍塌的主要原因。 传统GaN基HEMT器件中的电流坍塌，除了制备工艺上的问题外，器件本身物理结 构的缺陷也是一个重要因素。传统GaN基HEMT器件结构简单，沟道区域主要存在于缓冲 层，而缓冲层的导带能量却比势垒层小很多，因此在高电场作用下，大量的电子进入缓冲层 被消耗掉。另外缓冲层具有较大的厚度，而这又将严重降低沟道中的电子浓度。
因此，为了获得较大的微波输出功率，同时保持传统GaN基HEMT器件中GaN层高 电子迁移率的优点，近年来人们提出了一些改进方案以提高势阱的深度，增加对电子的束 缚，比如2004年纽约州立大学的W. Lanfort等人提出了 AlGaN/InGaN/GaN异质结构，2005 年以色列技术工程学院的O. Katz等提出了 InAlN/GaN异质结构，通过实验他们分别证明了 这两种结构制作的HEMT器件具有更大的功率。最近， 一种带有InGaN嵌入层的AlGaN/GaN/ InGaN/GaN双异质结HEMT器件结构被报导，如图1所示。InGaN材料具有强的压电极化现 象，电荷的极性与AlGaN材料的相反，当它在GaN材料系统中生长时，InGaN材料被压縮极 化，造成InGaN与GaN异质结界面处的极化电荷密度大概为传统GaN基HEMT器件1. 5倍， 如此高的极化电荷密度使得GaN缓冲层的导带能量上升了很多。因此，相对于传统GaN基 HEMT器件，这种双异质结HEMT器件在高电场作用下可以有效地抑制沟道电子被缓冲层体 陷阱所捕获，即相对较小的电流坍塌效应。尽管如此，AlGaN/GaN/InGaN/GaN双异质结HEMT
3器件仍具有以下的缺点一、自加热效应明显；二、电流坍塌效应明显；三、阈值电压过大； 四、栅极漏电流严重。
发明内容
本发明的目的是提供一种Al203/AlN/GaN/InGaN/GaN双异质结M0S-HEMT器件结 构，降低器件的自加热效应、电流坍塌效应和栅极漏电流，增大器件的输出功率，降低器件 在耗尽模式工作下的阈值电压。 本发明的Al2(VAlN/GaN/InGaN/GaN MOS-HEMT器件结构如图2所示，包括蓝宝石 衬底10和在其上依次生长的GaN成核层9、GaN缓冲层8、 InGaN嵌入层7、GaN沟道层6和 A1N势垒层5， A1N势垒层5上形成的A1203栅极电介质层4、源极1和漏极3，以及A1203栅介 质层4上形成的栅极2，其中源极1、漏极3分别与势垒层5形成欧姆接触，栅极2、 A1203栅 介质层4和A1N势垒层5形成MOS结构。该结构中GaN成核层9为20nm 22nm，GaN缓冲 层8为非故意掺杂，厚度2iim 2. 5iim ;InGaN嵌入层7中InN的摩尔分数为5% 10%， InGaN层为非故意掺杂，厚度3nm 5nm ;GaN沟道层6为非故意掺杂，厚度为6nm 8nm ; A1N势垒层5为非故意掺杂，厚度为3nm 7nm ;A1203栅介质层4的厚度为lOnm 16nm。 源极1和漏极3为欧姆接触金属Ti/Al/Ni/Au，Ti厚度为20nm 25nm，Al厚度为100nm 120nm， Ni厚度为40nm 45nm， Au厚度为50nm 55nm，栅极2为金属Ni/Au， Ni厚度为 20nm 25nm， Au厚度为180nm 200nm。源极1和漏极3的长度均为1 ii m 1. 2 ii m，栅 极2的长度为1 y m 1. 4 ii m，源极1与栅极2的扩展区长度为1 y m 1. 2 y m，栅极2与 漏极3的扩展区长度为1 ii m 1. 4 ii m。 本发明的目的是这样实现的本发明用高质量的A1N材料代替传统的AlGaN材料 作为势垒层使用，加强了对沟道电子的束缚，有效地降低了电流坍塌效应；利用A1N材料强 的极化能力，大大地提高了沟道的电子浓度，增大了饱和电流；利用A1N材料良好的热导性 质，降低了器件的自加热效应；利用A1N材料大的禁带宽度和高电阻的性质，大大地减小了 势垒层的厚度，增强了栅极电压对沟道电子的控制能力；本发明还采用八1203作为栅极介 质，大大地减小了器件的栅漏电流，提高了器件的击穿电压，另外A1203层还起到钝化的作 用，降低了器件表面态的浓度和器件在高频应用下的频散现象。 本发明的另一 目的是提供所述高电子迁移率场效应晶体管的制备方法，具体步骤 如下所示 (1)在进行异质结材料生长之前，先对蓝宝石衬底10进行氮化； (2)在蓝宝石衬底10的c-平面上，利用金属有机物化学气相沉积的方法，生长
GaN成核层9 ; (3)在GaN成核层9之上，利用金属有机物化学气相沉积的方法，生长非故意掺杂 的GaN缓冲层8 ; (4)在GaN缓冲层8之上，利用金属有机物化学气相沉积的方法，生长In组分为 5% 10%的InGaN嵌入层7 ; (5)在InGaN嵌入层7之上，利用金属有机物化学气相沉积的方法，生长非故意掺 杂的GaN沟道层6 ; (6)在GaN沟道层6之上，利用金属有机物化学气相沉积的方法，生长A1N势垒层5 ; (7)在八頂势垒层5上，采用原子层沉积工艺淀积八1203栅介质层4; (8)在八1203栅介质层4形成后，通过光刻工艺在源、漏极区域形成刻蚀所需的窗
口 ，采用反应离子刻蚀工艺去除源、漏极区域的A1203介质薄膜； (9)刻蚀完成后，利用光刻工艺获得源、漏极区域窗口 ，然后采用电子束蒸发工艺，
在源、漏极区域窗口上蒸发欧姆接触金属Ti/Al/Ni/Au，形成源极1和漏极3 ; (10)源极1、漏极3形成后，在A1203栅介质层4上利用光刻工艺获得栅极区域窗
口 ，并在该栅极区域窗口上采用电子束蒸发工艺蒸发栅极金属Ni/Au，形成栅极2，至此完
成器件制造。 上述的一种新型的Al2(VAlN/GaN/InGaN/GaN MOS-HEMT器件的工艺步骤所说的蓝宝石衬底10的氮化，其具体步骤是首先在IIO(TC真空环境下，将蓝宝石衬底去污退火1小时，然后在85(TC在氨气氛下氮化10分钟。 上述的一种新型的Al2(VAlN/GaN/InGaN/GaN MOS-HEMT器件的工艺步骤所说的生长GaN成核层9，其生长条件是反应温度550°C ，生长速率2nm/分钟，厚度为20 22nm。
上述的一种新型的Al2(VAlN/GaN/InGaN/GaN MOS-HEMT器件的工艺步骤所说的生长GaN缓冲层8，其生长条件是反应温度1185°C ，生长速率为0. 5 1. 0 y m/小时，厚度为2 2. 5践。 上述的一种新型的Al203/AlN/GaN/InGaN/GaN M0S-HEMT器件的工艺步骤所说的生长InGaN嵌入层7，其生长条件是反应温度810°C ，纯的氮气作为载气，In组分为5X 10%，生长速率为lnm/分钟，生长厚度为3 5nm。 上述的一种新型的Al2(VAlN/GaN/InGaN/GaN MOS-HEMT器件的工艺步骤所说的生长GaN沟道层6，其生长条件是反应温度810°C ，生长速率为2nm/分钟，厚度为6 8nm。
上述的一种新型Al203/AlN/GaN/InGaN/GaN M0S-HEMT器件的工艺步骤，所说的生长A1N势垒层5，其生长条件是反应温度为810°C ，生长速率为2nm/分钟，厚度为3 7nm。
上述的一种新型Al203/AlN/GaN/InGaN/GaN M0S-HEMT器件的工艺步骤，所说的淀积A1203栅介质层4，其生长条件是先在30(TC下沉积A1203薄膜，然后在60(TC下氧气气氛中退火60s，厚度为10 16nm。
本发明与现有技术相比具有如下优点 (1)本发明提出的方法，是用高质量的AlN材料替代传统的AlGaN材料作为器件的势垒层使用。与AlGaN材料相比，A1N材料具有优良的热导性能(2. 85W/Kcm)，大大增强了器件的散热能力，降低了器件在高电压下的自加热效应。AlN材料可以防止金属电极Ti原子与Ga原子的互扩散造成的表面陷阱浓度的增加。与AlGaN材料相比，A1N材料具有高阻特性，从而减弱了电子通过势垒区的能力。在所有的基于III-氮化物材料体系中，A1N材料具有最大的禁带宽度，从而降低了势垒区的厚度，增强了栅电压对沟道电子的控制能力，提高了电子的迁移率(> 1300cm7Vs)。与AlGaN材料相比，A1N具有更强的极化能力，从而提高了沟道的电子浓度和器件的输出功率。 (2)本发明提出的方法，是用A1203薄膜替代传统的钝化材料Si3N4， A1203不仅可以起到钝化的作用，降低表面态的浓度和器件在高频应用下的频散现象，而且还可以作为优良的栅极介质材料，它具有很高的介电常数、宽的禁带宽度和高的击穿电压。八1203介质层的存在，大大地减小了栅极漏电流，可以使得势垒层的厚度进一步降低，有效地抑制了短沟 道效应的不利影响。 (3)本发明的工艺步骤均是当前国内相对比较成熟的工艺，工艺过程比较简单，完 全和传统的GaN基HEMT器件制备工艺兼容。
图1为现有的AlGaN/GaN/InGaN/GaN HEMT器件的结构示意图。 图2为本发明的Al203/AlN/GaN/InGaN/GaN M0S-HEMT器件的结构示意图。 图3为传统的AlGaN/GaN HEMT器件的结构示意图。 图4为本发明的Al203/AlN/GaN/InGaN/GaN MOS-HEMT器件、现有的AlGaN/GaN/
InGaN/GaN HEMT器件、传统的AlGaN/GaN HEMT器件的导带结构对比图。 图5为本发明的Al203/AlN/GaN/InGaN/GaN MOS-HEMT器件、现有的AlGaN/GaN/
InGaN/GaN HEMT器件、传统的AlGaN/GaN HEMT器件的基于自加热效应的传输特性的比较。 图6为本发明的Al203/AlN/GaN/InGaN/GaN MOS-HEMT器件、现有的AlGaN/GaN/
InGaN/GaN HEMT器件、传统的AlGaN/GaN HEMT器件的基于电流坍塌效应的传输特性的比较。 图7为本发明的Al203/AlN/GaN/InGaN/GaN MOS-HEMT器件、现有的AlGaN/GaN/
InGaN/GaN HEMT器件、传统的AlGaN/GaN HEMT器件的栅极漏电流的比较。 图8为本发明的Al203/AlN/GaN/InGaN/GaN MOS-HEMT器件、现有的AlGaN/GaN/
InGaN/GaN HEMT器件、传统的AlGaN/GaN HEMT器件的转移特性曲线的比较。 图9、图10、图11分别为-2V栅极偏压下本发明的Al203/AlN/GaN/InGaN/GaN
MOS-HEMT器件、现有的AlGaN/GaN/InGaN/GaN HEMT器件、传统的AlGaN/GaN HEMT器件晶格
温度等高线图。 图12为-2V栅极偏压下本发明的Al203/AlN/GaN/InGaN/GaN MOS-HEMT器件、现有 的AlGaN/GaN/InGaN/GaN HEMT器件、传统的AlGaN/GaN HEMT器件在热点中心处垂直方向 的晶格温度分布图。
具体实施例方式以下通过实施例及附图对本发明作进一步的详细说明 参见图2，它是本发明提出的新型Al203/AlN/GaN/InGaN/GaN MOS-HEMT器件结构 图。制备过程中以蓝宝石作为衬底，分别以三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMA1)、三甲基铟 (TMIn)作为Ga源、A1源和In源，以高纯NH3气为氮源，氮气作为载气，具体制备流程如下
1、用常规有机溶剂对衬底进行清洗，使用1 : 3的磷酸、硫酸混合液腐蚀液去除表 面损伤，经去离子水冲洗、甩干后在IIO(TC的真空环境下退火处理1个小时，然后在85(TC 在氨气氛下氮化10分钟，氨气流量为175sccm。 2、将生长温度降低到55(TC，保持生长压力为40Torr，氮气流量为1500sccm，氨气 流量为1500sccm，向反应室中通入流量为50 y mol/min的镓源，以生长厚度为20 22nm的 GaN成核层； 3、将生长温度升高到1185t:，保持生长压力为40Torr，氮气流量为3000sccm，
6氨气流量为3000sccm，向反应室中通入流量为400iimol/min的镓源，以生长厚度为2 2. 5 ii m的GaN缓冲层； 4、将生长温度降低到81(TC，保持生长压力为40Torr，氮气流量为1500sccm，氨气 流量为1500sccm，向反应室中通入流量为27 30 ii mol/min的镓源、3 y mol/min的铟源， 以生长厚度为3 5nm的InGaN嵌入层； 5、保持生长温度为81(TC，保持生长压力为40Torr，氮气流量为1500sccm，氨气流 量为1500sccm，向反应室中通入流量为50 y mol/min的镓源，以生长厚度为6 8nm的GaN 沟道层； 6、向反应室中同时通入铝源和镓源，维持反应温度为81(TC，控制好流量，生长厚
度为3 7nm的A1N势垒层，同时通入镓源是为了增加铝原子在表面的扩散率； 7、形成A1203栅介质层采用ALD工艺在30(TC下沉积A1203薄膜，然后在60(TC下
的氧气气氛中退火60s，获得厚度为10 16nm的Al203层，然后对样品表面甩正胶，转速为
5000转/min，再在温度为8(TC的烘箱中烘10min，通过光刻以及显影在源、漏极区域形成刻
蚀所需的窗口，采用反应离子刻蚀工艺去除源、漏极区域的八1203介质薄膜； 8、光刻源、漏极区域为了更好地剥离金属，首先在样品上甩黏附剂，转速为8000
转/min，时间为30s，在温度为16(TC的高温烘箱中烘20min，然后再在该样品上甩正胶，转
速为5000转/min，最后在温度为8(TC的高温烘箱中烘10min，光刻获得源、漏极区域窗口 ； 9、蒸发源、漏金属采用电子束蒸发工艺淀积Ti/Al/Ni/Au四层金属； 10、剥离源、漏金属及退火在丙酮中浸泡20min以上后进行超声处理，然后用氮
气吹干。将样品放入快速退火炉中退火首先向退火炉内通入氮气大约7分钟，然后在氮气
气氛下，温度为80(TC条件下进行30s快速退火； 11、光刻栅极区域窗口 在样品上甩黏附剂，转速为8000转/min，时间为30s ;在 温度为16(TC的高温烘箱内烘20min ;然后再在该样品上甩正胶，转速为5000转/min，最后 在温度为8(TC的烘箱中烘10min，光刻获得栅极区域窗口 ； 12、蒸发栅极金属采用电子束蒸发工艺沉积Ni/Au两层金属，随后将样品浸泡在 剥离液中2分钟，获得栅极。至此完成器件制造。
实施例 本发明模拟了 Al203/AlN/GaN/InGaN/GaN双异质结MOS-HEMT器件的电学特性以证 明其优点，图1是现有的AlGaN/GaN/InGaN/GaN双异质结HEMT器件结构图，图3是传统的 AlGaN/GaN HEMT器件的结构图，本发明器件的区别在于将势垒层换成A1N，并采取了 MOS结 构。在图4中我们示意地画出了这三种器件的导带能量分布图，可以看出由于InGaN层的 反向极化作用，现有的双异质结HEMT器件和本发明的双异质结MOS-HEMT器件缓冲层部分 的导带能量明显高于传统的GaN基HEMT器件，从而大大地降低了缓冲层漏电流和电流坍塌 效应。从图4可以看出，现有的双异质结HEMT器件的沟道没有传统GaN基HEMT器件的深， 虽然缓冲层能量提高了 ，但势垒层导带能量过低，造成沟道电子浓度不如传统GaN基HEMT 器件的高，因此输出功率不如传统GaN基HEMT器件的高，本发明的双异质结MOS-HEMT器件 由于势垒层具有大的禁带宽度和强的极化能力，使其势垒区的导带能量远大于传统GaN基 HEMT器件和现有双异质结HEMT器件的势垒区导带能量。图5是栅极电压为-2V时的三种 器件的输出特性曲线，可以看出双异质结MOS-HEMT器件的饱和电流是传统GaN基HEMT器
7件的2. 5倍多，是现有的双异质结HEMT器件的3. 5倍。图6是栅极电压为0V和-2V时，对 三种器件在高场应用下的电流坍塌效应的比较，可以看出传统GaN基HEMT器件的电流坍塌 效应最为明显，现有的双异质结HEMT器件也有比较明显的坍塌现象，而在本发明的双异质 结MOS-HEMT器件并未观察到电流坍塌现象。图7是对三种器件的栅极漏电流的考察，其中 势垒层的厚度为4nm，栅极电压为OV，可以看出本发明的双异质结MOS-HEMT器件的栅极漏 电流比现有的双异质结HEMT器件、传统的HEMT器件的栅极漏电流要小10个数量级以上。 图8是三种器件的转移特性曲线，其中势垒层的厚度为4nm，可以看出随着势垒层厚度的降 低，器件的阈值电压减小(耗尽模式工作下)，本发明的双异质结MOS-HEMT器件的阈值电压 比传统的HEMT器件和现有的双异质结HEMT器件的阈值电压要低2V以上，说明栅极电压对 沟道电子的控制能力增强了。图9、图10、图11分别是传统的GaN基HEMT器件、现有的双 异质结HEMT器件、本发明的双异质结MOS-HEMT器件的晶格温度分布图，图12是以热点为 中心，在器件纵向上的晶格温度分布，可以看出本发明的HEMT器件比以上两种器件具有更 好的散热能力。
权利要求
一种双异质结MOS-HEMT器件，在蓝宝石衬底(10)上依次生长GaN成核层(9)、GaN缓冲层(8)、InGaN嵌入层(7)、GaN沟道层(6)、AlN势垒层(5)以及在AlN势垒层(5)上形成的Al2O3栅介质层(4)，源极(1)、漏极(3)分别与AlN势垒层(5)形成欧姆接触，栅极(2)、Al2O3栅介质层(4)和AlN势垒层(5)形成MOS结构，其特征在于所述的器件采用具有优良热导性和较大禁带宽度的AlN材料作为势垒层(5)，所述的AlN势垒层(5)为非故意掺杂，厚度为3nm～7nm；所述的器件采用原子层沉积工艺淀积的Al2O3材料作为栅介质层(4)，所述的Al2O3栅介质层(4)的厚度为10nm～16nm；所述的器件的源极(1)和漏极(3)分别与AlN势垒层(5)形成欧姆接触，金属电极为Ti/Al/Ni/Au，其中Ti厚度为20nm～25nm，Al厚度为100nm～120nm，Ni厚度为40nm～45nm，Au厚度为50nm～55nm，长度均为1μm～1.2μm，源极(1)与栅极2的扩展区长度为1μm～1.2μm，栅极(2)与漏极(3)的扩展区长度为1μm～1.4μm；所述的器件的栅极(2)、Al2O3栅介质层(4)和AlN势垒层(5)形成MOS结构，所述的栅极(2)为金属Ni/Au，其中Ni厚度为20nm～25nm，Au厚度为180nm～200nm，长度为1μm～1.4μm。
全文摘要
本发明公开了一种双异质结MOS-HEMT器件，包括蓝宝石衬底10上依次形成的GaN成核层9、GaN缓冲层8、InGaN嵌入层7、GaN沟道层6、AlN势垒层5以及其上形成的Al2O3栅介质层4、源极1和漏极3、Al2O3栅介质层4上形成的栅极2，其特征是采用具有优良热导性和较大禁带宽度的AlN材料作为势垒层，降低了器件的自加热效应和栅极漏电流，降低了器件耗尽模式工作下的阈值电压；利用AlN材料强的极化性质，提高了沟道中的电子浓度，增大了饱和电流和器件的输出功率；使用原子层沉积工艺淀积的Al2O3材料作为栅介质层，大大地减少了栅极漏电流，提高了器件的击穿电压；利用InGaN材料的反向极化现象，提高了缓冲层的导带能量，降低了器件的电流坍塌效应。
文档编号H01L29/51GK101789446SQ20101010744
公开日2010年7月28日 申请日期2010年2月9日 优先权日2010年2月9日
发明者王晓东, 王林, 胡伟达, 陆卫, 陈效双 申请人:中国科学院上海技术物理研究所