专利名称：高阈值电压氮化镓增强型晶体管结构及制备方法
技术领域：
本发明涉及半导体技术。
背景技术：
与基于铝镓砷/镓砷(AlGaAs/GaAs)异质结的高电子迁移率晶体管(HEMT)相比，基于铝镓氮/镓氮(AlGaN/GaN)异质结的HEMT器件具有以下优点(I)、AlGaN/GaN异质结界面的二维电子气(2DEG)浓度较高(可达1013cm_2)，比AlGaAs/GaAs异质结界面的2DEG浓度高出近一个数量级，因此，基于AlGaN/GaN异质结的HEMT将具有更高的输出功率密度。作为规模化生产的产品，基于AlGaN/GaN异质结的HEMT器件功率密度已达到达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属于宽禁带半导体，其工作温度高，可在500°C以上正常工作，而基于AlGaAs/GaAs异质结的HEMT器件的极限工作温度约为200°C左右。(3)、由于GaN具有更高的击穿电场，因此，基于AlGaN/GaN异质结的HEMT器件具有较高的栅-漏击穿电压，与AlGaAs/GaAs异质结HEMT器件相比，其工作偏置高出好几倍以上。(4)、由干GaN材料化学键能高，材料的物理化学性能稳定,受外来的物理、化学作用的影响弱，因此，基于AlGaN/GaN异质结的HEMT具有很强的抗辐照能力。由于GaN器件的以上特点，不仅使得基于AlGaN/GaN异质结的HEMT器件可广泛应用于雷达、通信及航空航天等高频功率器件领域，还在电力电子器件领域具有极大应用潜力，使之成为了继硅(Si)、镓砷之后最有应用潜力的半导体材料，并广泛受到业界和学界的关注和研究。由于GaN是一种强极性半导体材料，在AlGaN/GaN异质结界面自然形成高浓度的2DEG，在通常情况下很难耗尽AlGaN/GaN异质结界面的2DEG，所以，基于AlGaN/GaN异质结的HEMT器件通常均为耗尽型，即在零偏压下AlGaN/GaN异质结的HEMT器件处于常开状态，只有在栅上加一定大小的负偏压时，才能使器件处于关断状态，这对于电力电子器件领域的应用来说，其安全性将成为很大的问题。同时，即使对数字逻辑集成电路设计和研制来说，为了确保逻辑电路的逻辑安全，不仅需要增强型器件(阈值电压大于零)，而且要求增强型器件具有较高的阈值电压，为此，研究工作者不仅一直在探索增强型AlGaN/GaN HEMT器件的制造技术，而且也一直在探索提高阈值电压的方法。目前，增强型GaN HEMT器件制造的主要方法如下(I)、通过能带设计和剪切降低AlGaN/GaN异质结界面的2DEG浓度，从而实现增强型GaN HEMT器件。这一方法的最大缺点是无法实现与耗尽型GaN HEMT器件的兼容，也就是说无法在同一片材料上既制造增强型GaN HEMT器件，还研制出耗尽型GaN HEMT器件，因此，这种方法无法满足GaN数字逻辑电路的研制需要。(2)、通过减薄栅区的AlGaN势垒层厚度，降低栅区的2DEG浓度，从而实现增强型GaN HEMT 器件。这种方法虽然有效，但其最大的问题是由于很难监控刻蚀速率，导致栅区AlGaN势垒层的厚度难以准确 控制，因此，所制造的增强型GaN HEMT器件的性能一致性和重复性难以保证，这对于GaN数字逻辑电路的研制来说，同样是很难接受的。此外，这种方法很难实现较高的阈值电压。(3)、对栅区AlGaN势垒层注入F离子，耗尽栅区的2DEG，从而实现增强型GaN HEMT器件。这种方法虽然避免了以上两种方法的缺点，但其最大的问题是栅区AlGaN势垒层的F离子注入会破坏AlGaN/GaN异质结界面特性，使GaN增强型HEMT器件的性能退化，从而使所研制的GaN集成电路性能较差。而且为了进一步提高阈值电压，器件的电学性能会出现更加严重的衰退。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有较高阈值电压的增强型GaN-HEMT器件结构及其制备方法，该器件结构既能实现增强型GaN HEMT器件与耗尽型GaN HEMT器件的兼容，又能最大限度地保证增强型GaN HEMT器件与耗尽型GaN HEMT器件性能相当，而且还可以拥有高的阈值电压。本发明解决所述技术问题采用的技术方案是高阈值电压氮化镓增强型晶体管结构，包括自下至上包括基板、GaN和AlGaN层和绝缘栅介质层，其特征在于，所述绝缘栅介质层包括绝缘隧道层、固定电荷层和绝缘帽层，固定电荷层设置于绝缘隧道层上方或嵌于绝缘隧道层上部，固定电荷层的上方设置有绝缘帽层，绝缘帽层上方为栅金属。所述绝缘栅介质层的材料为A1203、SiO2, HfO2, HfTiO, ZrO2或者SiNO。本发明还提供高阈值电压氮化镓增强型晶体管结构制备方法，包括下述步骤(I)、在蓝宝石衬底上制备AlGaN/GaN异质结材料，即晶圆，在晶圆表面沉积一层Al2O3薄膜作为绝缘隧道层；(2)、制备出源区和漏区的金属电极；(3)、在晶圆表面旋涂光刻胶，并通过对准光刻方法定位出栅区的位置后，将晶圆放入反应离子刻蚀机内，用CF4作为反应气体，对栅区进行F离子注入，形成固定电荷层；(4)、在晶圆表面常温沉积IOnm厚的Al2O3栅介质作为绝缘帽层；(5)、在晶圆表面沉积Ni/Au金属薄膜，Ni/Au金属薄膜的厚度分别为IOOnm和50nm，并通过剥离工艺形成栅金属电极，再在氮气氛下对整个晶圆进行退火处理。本发明的有益效果是，与其它制造增强型GaN场效应晶体管的技术相比，本技术的制备工艺可控性好，所研制的器件性能重复性好。所研制的增强型GaN MISHEMT器件性能良好，阈值电压大，最大源漏饱和电流密度大，栅漏电小，器件工作电压范围宽，完全可满足GaN集成电路研制需要。
图I是具有高阈值电压的增强型GaN HEMT器件结构示意图。图2是采用等离子体浸没处理及离子注入方法制造本发明增强型GaN MISHEMT器件的制造工艺流程示意图。图3是采用在含F或Cl气氛中真空沉积绝缘栅介质薄膜的方法制造本发明增强型GaN MISHEMT器件的制造工艺流程示意图。图4是本发明增强型GaN MISHEMT与耗尽型GaN MESHEMT集成构成的GaN集成电路不意图。图5是本发明增强型GaN MISHEMT与耗尽型GaN MISHEMT集成构成的GaN集成电路不意图。图6是本发明绝缘帽层对增强型GaN MISHEMT器件阈值电压的影响曲线图。图4和图5中，绝缘帽层下方并列的负电荷图标区域表示固定电荷层。
具体实施例方式本发明的增强型GaN HEMT器件的基本结构示意图如图I所示，属于金属-绝缘体-半导体(MIS)场效应晶体管，与常见的MIS结构GaN场效应晶体管相比，本发明的MIS结构GaN场效应晶体管的特点是该绝缘栅介质包括绝缘帽层、固定负电荷层、绝缘隧道层三个部分，通过固定负电荷层的电荷量耗尽栅区二维电子气，实现阈值电压大于零，再通过引入绝缘帽层进一步提高器件阈值电压，从而制造出具有较高阈值的GaN增强型高电子迁移率晶体管，其中，绝缘栅介质主要采用Al203、Si02、Hf02、HfTi0、Zr02、SiNx、SiN0，所引入的固定负电荷主要选择电负性高的F离子和Cl离子。本发明的具体制造工艺过程为先沉积绝缘隧道层薄膜，再在绝缘隧道层薄膜表面引入一定量的固定负电荷，以实现增强型器件，再在固定负电荷层表面沉积绝缘帽层，最后沉积金属栅电极。通过绝缘帽层的引入，在金属栅与固定负电荷层之间形成一个内建电场，从而实现了较高的阈值电压。在本发明中，在绝缘栅介质中引入固定负电荷可采用含F或Cl的等离子体浸没处理、向栅介质中离子注入F或Cl、在含F或Cl的气氛中真空沉积绝缘栅介质薄膜等方法，其中，对于采用等离子体浸没处理引入固定负电荷的方法，通过控制等离子体功率和浸没时间来调控进入到绝缘栅介质中的固定负电荷的电荷量；对于采用离子注入引入固定负电荷的方法，通过控制注入离子的能量，使离子仅被注入到绝缘栅介质中，AlGaN势垒层中没有离子注入，从而确保AlGaN/GaN异质结界面特性和所研制器件的性能不发生严重退化，并通过控制注入离子剂量来调控进入到绝缘栅介质中的固定负电荷的电荷量；对于采用在含F、Cl的气氛中真空沉积绝缘栅介质薄膜引入固定负电荷的方法，通过控制薄膜沉积气氛中含F、Cl气体的分压来调控进入到绝缘栅介质中的固定负电荷的电荷量。对于采用等离子体浸没处理及离子注入方法制造本发明的增强型GaN MISHEMT器件，其制造工艺流程如图2所示，先在AlGaN/GaN表面沉积绝缘隧道层介质薄膜，再光刻出源极(Source)和漏极(Drain)位置,在源极(Source)和漏极(Drain)位置沉积金属电极，并经过快速退火在源极和漏极形成欧姆接触。通过光刻技术定义出栅区位置后，再对栅区进行等离子体浸没处理或离子注入形成固定电荷层薄膜，并沉积绝缘帽层最后，在栅区沉积金属电极形成栅电极，从而制造出增强型GaN MISHEMT器件。对于采用在含F或Cl气氛中真空沉积绝缘栅介质薄膜的方法制造本发明的增强型GaN MISHEMT器件，其制造工艺流程如图3所示，先在含F或Cl气氛下在AlGaN/GaN表面沉积绝缘隧道层介质薄膜，并通过气氛控制直接在栅介质沉积过程中在栅介质薄膜中引入固定负电荷，形成固定电荷层薄膜，再光刻出源极(Source)和漏极(Drain)位置,在源极(Source)和漏极(Drain)位置沉积金属电极，并经过快速退火在源极和漏极形成欧姆接触。通过光刻技术定义出栅区位置后，最后在栅区沉积IOnm厚的绝缘帽层介质，再在栅区沉积金属电极形成栅电极，从而制造出增强型GaN MISHEMT器件。由本发明的增强型GaN MISHEMT器件既可以与金属-半导体结构的耗尽型GaN场效应晶体管(MESHEMT)进行集成，构成GaN集成电路，如图4所示，还可以与耗尽型GaNMISHEMT器件进行集成，构成GaN集成电路，如图5所示。采用本发明如图2所示的工艺流程，采用F离子注入的A1203 (以下简写为FiAl2O3)薄膜作为栅介质成功研制出了增强型GaNMISHEMT器件，其器件结构示意图如图I所示。具体步骤如下(I)、在蓝宝石衬底上制备AlGaN/GaN异质结材料(以下简称晶圆)，作为研制GaN 场效应晶体管的材料基础，采用分子束外延(MBE)在AlGaN/GaN异质结材料表面沉积一层约IOnm厚的Al2O3薄膜，作为绝缘隧道层。(2)、在覆盖有Al2O3薄膜的AlGaN/GaN异质结材料表面旋涂光刻胶，通过光刻定位出源区(Source)和漏区(Drain)的位置，再用1:100的HF溶液将源区和漏区位置的Al2O3薄膜刻蚀掉。采用电子束蒸发技术沉积Ti/Al/Ni/Au多层膜金属电极，Ti/Al/Ni/Au多层膜金属电极的厚度分别为20nm/100nm/30nm/50nm,采用剥离工艺制备出源区和漏区的金属电极，并在氮气氛中对金属电极进行快速退火处理(退火温度825°C，退火时间30s)，以形成欧姆电极。(3)、再在晶圆表面旋涂光刻胶，并通过对准光刻方法定位出栅区的位置后，将晶圆放入反应离子刻蚀机内，用CF4作为反应气体，对栅区进行F离子注入，形成固定电荷层介质薄膜，工艺条件为注入功率60W，工作气压20mTorr，注入时间300s。(4)、再将晶圆放入分子束外延(MBE)中，通过常温沉积IOnm厚的Al2O3栅介质，作为绝缘帽层薄膜。(5)、再采用电子束蒸发在晶圆表面沉积Ni/Au金属薄膜，Ni/Au金属薄膜的厚度分别为100nm/50nm，并通过剥离工艺形成栅金属电极，再在氮气氛下对整个晶圆进行退火处理(退火温度400°C，退火时间IOmin.)。通过以上工艺步骤，就可研制出了这种具有高阈值电压的F = Al2O3栅介质的增强型GaN MISHEMT器件，为了作对比，还制作了无绝缘帽层栅介质的增强型GaN MISHEMT，采用HP4284A LCR仪对所研制的这两种器件进行电学性质测试。图6给出了这绝缘帽层对器件转移特性的影响，可以看出无绝缘帽层栅介质的增强型GaN MISHEMT器件阈值电压为+0. 5V，而有绝缘帽层栅介质的增强型GaN MISHEMT器件阈值电压达到了 +2.6V。采用本专利方法制作出的增强型器件，不仅具有较高的阈值电压，且最大源漏饱和电流达到了 350mA/mm,最大饱和跨导达到55mS/mm。
权利要求
1.高阈值电压氮化镓增强型晶体管结构，自下至上包括基板、GaN和AlGaN层和绝缘栅介质层，其特征在于，所述绝缘栅介质层包括绝缘隧道层、固定电荷层和绝缘帽层，固定电荷层设置于绝缘隧道层上方或嵌于绝缘隧道层上部，固定电荷层的上方设置有绝缘帽层，绝缘帽层上方为栅金属。
2.如权利要求I所述的具有高阈值电压氮化镓增强型晶体管结构，其特征在于，所述绝缘栅介质层的材料为A1203、SiO2, HfO2, HfTiO, ZrO2或SiNO。
3.如权利要求I所述的高阈值电压氮化镓增强型晶体管结构的制备方法，其特征在于，包括下述步骤 (1)、在蓝宝石衬底上制备AlGaN/GaN异质结材料，即晶圆，在晶圆表面沉积一层Al2O3薄膜，作为绝缘隧道层薄膜； (2)、制备出源区和漏区的金属电极； (3)、在晶圆表面旋涂光刻胶，并通过对准光刻方法定位出栅区的位置后，将晶圆放入反应离子刻蚀机内，用CF4作为反应气体，对栅区进行F离子注入，形成固定电荷层薄膜； (4)、在晶圆表面常温沉积IOnm厚的Al2O3栅介质，作为绝缘帽层薄膜； (5)、在晶圆表面沉积Ni/Au金属薄膜，Ni/Au金属薄膜的厚度分别为IOOnm和50nm，并通过剥离工艺形成栅金属电极，再在氮气氛下对整个晶圆进行退火处理。
4.如权利要求3所述的高阈值电压氮化镓增强型晶体管结构的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)为在覆盖有Al2O3薄膜的AlGaN/GaN异质结材料表面旋涂光刻胶，通过光刻定位出源区和漏区的位置，再用1:100的HF溶液将源区和漏区位置的Al2O3薄膜刻蚀掉；采用电子束蒸发技术沉积Ti/Al/Ni/Au多层膜金属电极，Ti/Al/Ni/Au多层膜金属电极的厚度分别为20nm/100nm/30nm/50nm,采用剥离工艺制备出源区和漏区的金属电极,并在氮气氛中对金属电极进行快速退火处理，退火温度825°C，退火时间30s，以形成欧姆电极。
5.如权利要求3所述的高阈值电压氮化镓增强型晶体管结构的制备方法，其特征在于，所述步骤(3) (5)为: (3)、在晶圆表面旋涂光刻胶，并通过对准光刻方法定位出栅区的位置后，将晶圆放入反应离子刻蚀机内，用CF4作为反应气体，对栅区进行F离子注入，形成固定电荷层，注入功率60W，工作气压20mTorr，注入时间300s ； (4)、将晶圆放入分子束外延中，通过常温沉积IOnm厚的Al2O3栅介质，作为绝缘帽层薄膜； (5)、采用电子束蒸发在晶圆表面沉积Ni/Au金属薄膜，Ni/Au金属薄膜的厚度分别为100nm/50nm,并通过剥离工艺形成栅金属电极，再在氮气氛下对整个晶圆进行退火处理，退火温度400°C，退火时间lOmin。
全文摘要
高阈值电压氮化镓增强型晶体管结构及制备方法，涉及半导体技术。本发明自下至上包括基板、GaN和AlGaN层和绝缘栅介质层，其特征在于，所述绝缘栅介质层包括绝缘隧道层、固定电荷层和绝缘帽层，固定电荷层设置于绝缘隧道层上方或嵌于绝缘隧道层上部，固定电荷层的上方设置有绝缘帽层，绝缘帽层上方为栅金属。本发明的有益效果是，与其它制造增强型GaN场效应晶体管的技术相比，本技术的制备工艺可控性好，所研制的器件性能重复性好。所研制的增强型GaN MISHEMT器件性能良好，阈值电压大，最大源漏饱和电流密度大，栅漏电小，器件工作电压范围宽，完全可满足GaN集成电路研制需要。
文档编号H01L21/335GK102709322SQ20121017234
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月30日 优先权日2012年5月30日
发明者刘兴钊, 张万里, 李言荣, 陈超 申请人:电子科技大学