一种高质量MIS结构的AlNGaN基场效应晶体管的制作方法

本实用新型涉及半导体的技术领域，更具体地，涉及一种高质量GaN MISFET结构，具体涉及GaN MISFET器件栅极介质层与GaN界面的改进。

背景技术：

GaN材料作为第三代宽禁带半导体材料的代表，具有禁带宽度大、击穿电场强度高、饱和电子漂移速度大和热导率高等优越的性能。GaN基功率开关器件通常利用AlGaN/GaN异质结构界面处高浓度、高迁移率的二维电子气工作，使器件具有导通电阻小、开关速度快的优点，十分适合制作大功率、高频、高温电力电子器件。

高阈值常关型开关器件的实现是GaN电力电子器件面临的一个重要挑战，是目前学术界与产业界公认的一个科技难点。常关型器件可以保证电路系统的失效安全，而高的阈值电压可以提高器件抗干扰的能力，且同时要有稳定的阈值电压，确保器件稳定可靠的工作。我们用选择区域外延生长凹槽，采用凹槽型MIS栅结构实现器件常关，避免了传统的干法刻蚀带来的等离子体损伤，其中MIS栅主要是为了降低栅极漏电流，增大栅压范围。Si基器件中可采用热氧化方法制备高质量Si/SiO₂ MIS界面结构，然而对于GaN基器件，MIS栅的引入增加了一些额外的不良因素，如界面态、介质层缺陷等，造成器件工作的不稳定性问题。目前制备方法得到GaN MIS界面质量普遍不佳，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。在介质层与GaN接触界面存在的Ga的本体氧化物是引发高界面态的重要因素，劣化器件特性，影响器件工作的稳定性。

技术实现要素：

本实用新型为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提高现有技术方案中栅极介质层/GaN界面的质量，降低MIS界面态密度，提高栅极区域沟道电子的迁移率，提供一种能够实现高阈值电压稳定性、低导通电阻、高输出电流密度常关型GaN MISFET器件。

本实用新型在一次外延高质量的AlN/GaN基板上，再二次外延形成凹槽栅极结构的MISFET，一次外延AlN层能有效减少或去除介质层/GaN界面处Ga-O的生成，使得MIS界面态密度得到有效降低，同时栅极沟道的导通路径从栅介质层与GaN的界面转移到AlN和GaN的异质结界面，使迁移率增大，导通电阻减小，提高了器件的性能。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种高质量MIS结构的AlNGaN基场效应晶体管，其中，由下往上依次包括衬底，应力缓冲层，GaN外延层，AlN外延层，二次外延层，二次外延形成凹槽，栅介质层，两端形成源极和漏极，凹槽沟道处的绝缘层上覆盖有栅极。

该凹槽呈U型或梯型结构。

所述衬底为 Si 衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底、GaN自支撑衬底中的任一种。

所述应力缓冲层为AlN、AlGaN、GaN的任一种或组合；应力缓冲层厚度为100 nm~20 μm。

所述GaN外延层为非故意掺杂的GaN外延层或掺杂高阻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。

所述的AlN外延层为高质量的AlN层，厚度为0-5 nm。

所述的二次外延层AlGaN/GaN异质结构，AlGaN层厚度为5-50 nm，且铝组分浓度可变化，GaN层厚度为0-500 nm。

所述的AlGaN势垒层材料还可以为AlInN、InGaN、AlInGaN、AlN中的一种或任意几种的组合；所述的二次外延层中的AlGaN势垒层与GaN层之间还可以插入一AlN薄层，厚度为1-10 nm。

所述栅介质层为Al₂O₃、Si₃N₄、MgO、SiO₂、HfO₂等绝缘介质层，厚度为1-100 nm。

所述的源极和漏极材料包括但不限于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，其他能够实现欧姆接触的各种金属或合金均可作为源极和漏极材料；栅极材料包括但不限于Ni/Au合金、Pt/Al合金、Pd/Au合金或TiN/Ti/Al/Ti/TiN合金，其他能够实现高阈值电压的各种金属或合金均可作为栅极材料。

一种所述的高质量MIS结构的GaN基场效应晶体管的制作方法，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外延层上生长AlN外延层；

S4、在AlN外延层上沉积一层SiO₂，作为掩膜层；

S5、通过光刻的方法，保留形成栅极区域之上的掩膜层；

S6、选择区域生长二次外延层，形成凹槽型栅极区域；

S7、去除栅极区域之上的掩膜层；

S8、干法刻蚀完成器件隔离；

S9、沉积栅介质层，同时刻蚀出源极和漏极欧姆接触区域；

S10、在源极和漏极区域蒸镀上源极和漏极欧姆接触金属；

S11、在凹槽处介质层上栅极区域蒸镀栅极金属。

所述的步骤S1中的应力缓冲层和步骤S2中的GaN外延层及步骤S6中的二次外延层的生长方法为金属有机化学气相沉积法、分子束外延法等高质量成膜方法；

所述的步骤S3中外延层AlN薄层的生长方法为金属有机化学气相沉积法、分子束外延法等高质量成膜方法；

所述步骤S4中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S9的生长方法为金属有机化学气相沉积法、分子束外延法、和原子层沉积法、磁控溅射法等成膜方法。

与现有技术相比，有益效果是：本实用新型提出了一种高质量GaN MISFET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以及阈值电压稳定性的提高是十分显著的。本实用新型器件工艺重复性和可靠性高，减少或去除介质层/GaN界面处本体氧化物的生成，使得MIS界面态密度得到有效降低，提高栅极区域沟道电子的导通特性，提供一种能够实现高阈值电压稳定性、低导通电阻、高输出电流密度的常关型GaN MISFET器件及其制作方法。

附图说明

图1-11为本实用新型实施例1的器件制作方法工艺示意图。

图12为本实用新型实施例2的器件结构示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；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，不能理解为对本专利的限制。

实施例1

如图11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，AlN外延层4，二次外延层5，二次外延形成凹槽，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6上覆盖有栅极9。

上述高质量MIS结构的GaN基场效应晶体管的制作方法如图1-图11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、利用金属有机化学气相沉积方法，在GaN外延层3上生长一层AlN外延层4，如图3所示；

S4、通过原子层沉积方法沉积一层SiO₂，作为掩膜层10，如图4所示；

S5、通过光刻方法选择区域刻蚀，保留栅极区域之上的掩膜层10，如图5所示；

S6、利用金属有机化学气相沉积方法，在有掩膜层10的衬底上选择区域生长二次外延GaN/AlGaN层5，形成凹槽栅极，如图6所示；

S7、采用腐蚀方法，去除栅极区域之上的掩膜层10，如图7所示；

S8、利用ICP完成器件隔离，如图8所示；

S9、利用原子层沉积方法，生长一层绝缘的栅介质层6，同时刻蚀出源极和漏极欧姆接触区域，如图9所示；

S10、在源极和漏极区域蒸镀上Ti/Al/Ni/Au合金作为源极7和漏极8的欧姆接触金属，如图10所示；

S11、在凹槽栅极区域的绝缘层上蒸镀Ni/Au合金作为栅极9金属，如图11所示。

至此，即完成了整个器件的制备过程。图11即为实施例1的器件结构示意图。

实施例2

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GaN/AlGaN异质结构为二次外延形成并同时自然形成栅极凹槽区，而实施例2中二次外延的结构仅为AlGaN，同时形成栅极凹槽区，标号11为AlGaN结构层。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。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。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。