一种氟注入结合P型栅增强型器件及其制备方法

本发明涉及半导体中的gan hemt器件领域，特别涉及一种氟注入结合p型栅增强型器件及其制备方法。

背景技术：

1、以氮化镓(gan)为代表的第三代半导体材料，具有禁带宽度大、高击穿场强、高的饱和电子漂移速度和耐高温等特性，能在高频波段输出大的功率密度，非常适合制造高温、高压、高频微波、大功率开关等电子器件，在诸多领域中有着广泛应用。

2、在过去三十年研究中，gan基固态微波功率器件的研究大多数都是基于algan/gan异质结材料。gan可以与algan形成调制摻杂的algan/gan异质结结构，在室温下形成的二维电子气导电沟道具有高电子浓度与高电子迁移率的特性。然而algan/gan异质结中，algan势垒层和gan沟道之间存在晶格失配，使势垒层受到张应变，诱发额外的压电极化。然而处于应变状态的algan势垒层，在长时间高温高压工作环境下会发生逆压电效应，在其内部形成晶体缺陷，严重影响器件的工作性能和可靠性。为了解决势垒层应变而引起的问题，inaln三元合金代替常规algan势垒层是很好的途径。依赖与in组分的变化，inaln合金的禁带宽度可以在0.7～6.2e v之间变化，并且和gan之间能形成c面内a轴晶格常数的匹配。当in组分为17％时可以实现晶格匹配的无应变inaln/gan异质结，消除了压电极化的影响。同时，由于inaln/gan异质结自发极化强度极强，可产生比传统algan/gan异质结更高的2deg密度，因此，inaln/gan异质结比algan/gan异质结可以具有更薄的势垒层厚度同时产生足够的2deg，使用薄势垒层inaln外延可以将栅极长度进一步缩放，同时还能够保持高的纵横比，减小短沟道效应，以获得更好的高频性能。然而由于inaln/gan异质具有很薄的结势垒层，导致制备出的器件产生比较大的泄漏电流，过高的漏电会严重影响器件的性能。

3、gan基hemt器件通常表现为耗尽型，阈值电压vth通常小于0v，在器件工作时需要在栅极添加负电压偏置才能使导电沟道关断。然而在电力电子系统中，增强型器件也是不可或缺的，例如在大功率开关器系统中，增强型器件可以保证器件在栅极电压为正时才导通，提升系统的安全性；在集成电路(ic)，微波集成电路(mmic)中，增强型和耗尽型器件可以形成互补逻辑；在射频器件领域，高频功放以及低噪放的设计可以通过增强型器件来简化偏置电路，有效降低电路的复杂性，节省电路面积和制造成本。实现增强型器件有以下几种方法，凹槽栅法，薄势垒层法，p-gan帽层法，氟离子注入法，级联电路法。凹槽栅法对刻蚀精度的要求极高，工艺重复性差；薄势垒法对于本身势垒层就很薄的inaln外延并不适用；p-gan帽层法是当工业上最常用的方法，但是工艺难度高，可重复性较差；氟离子注入法工艺简单，且氟离子注入可以在一定程度上抑制栅极漏电流，但是氟离子稳定性较差，在长时间高温高压下阈值电压会产生退化。

4、综上所诉，在inaln/gan外延上制备增强型器件，具有一定的应用价值，但是还需要进一步选择并优化工艺，以制备稳定的，工艺简单，重复性高的增强型器件。

5、根据现有的制备增强型器件的工艺方法存在的问题以及inaln/gan异质结外延的材料特性，合适的工艺方法主要为p型gan帽层法和氟离子注入法。(专利号：201910818394.4)通过p型gan帽层法实现增强型器件，该工艺需要对栅极之外的gan帽层进行刻蚀，对刻蚀工艺的精度要求很高，且会对外延表面造成较大的刻蚀损伤，降低器件性能，需要额外生长钝化层以修复栅极之外被刻蚀的器件表面以修复刻蚀损伤，提高了工艺复杂度。有研究提出通过在栅极区域生长p型氧化镍栅极来实现器件阈值电压正向偏移(zhang t,wang l,li x,et al.positive threshold voltage shift in algan/ganhemts with p-type nio gate synthesized by magnetron reactive sputtering[j].applied surface science,2018,462:799-803.)，可以避免引入额外的刻蚀工艺，消除刻蚀损伤。(专利:cn201310738017.2)提出了一种基于氟离子注入的增强型器件制造方法，然而氟离子注入会使得大量氟离子停留在势垒层表面，而表面氟离子不稳定，在高温下会造成阈值电压漂移，同时一般的注入工艺会对器件造成较大的晶格损伤，降低器件性能，因此需要对氟离子注入工艺进行调整，以实现制备增强型器件，同时保留器件性能。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对inaln/gan外延的特点和存在的问题，在现有的增强型器件制备方法基础上进行改进，提出一种新的增强型器件制备方法，在氟离子注入实现增强型的方法基础上，进一步在栅极下方生长p型氧化镍电极，依靠氟离子注入和p型电极共同作用使阈值电压的正向偏移，实现增强型器件。本发明使用较低的氟离子注入功率，结合p型栅极，在inaln/gan外延上制备增强型器件，在在简化工艺，提高工艺重复性的同时使氟离子更加稳定，提高器件的稳定性。

2、本发明通过结合氟注入法以及p型栅电极法，对工艺进行优化，使器件阈值电压产生较大的正向偏移，实现增强型器件的制备，同时结合两种工艺的优势，弥补不足，制备了性能优异的增强型器件。

3、本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

4、一种氟注入结合p型栅增强型器件，包括外延层、有源区、源电极、漏电极、氟注入区和p型栅电极以及栅电极；

5、外延层包括从下至上顺次层叠的衬底、成核层、缓冲层、插入层和势垒层；

6、对外延层的两侧进行深度超过势垒层的厚度的刻蚀，形成凸台结构，凸出部分为有源区；

7、有源区上表面的两端分别连接源电极和漏电极；在源电极和漏电极之间的有源区中的势垒层中注入氟离子，形成氟注入区；

8、氟注入区上方设置p型栅电极，p型栅电极上方设置栅电极。

9、进一步地，所述衬底为碳化硅衬底或硅衬底；

10、所述缓冲层采用1-5um gan材料；

11、所述势垒层采用3-15nm晶格匹配in0.17al0.83n材料。

12、进一步地，使用反应离子刻蚀机或电感耦合等离子体刻蚀机设备采用氟基等离子体进行氟离子注入，形成氟注入区。

13、进一步地，所述p型栅电极使用磁控溅射设备采用反应溅射法进行沉积。

14、进一步地，p型栅电极采用氧化镍，厚度为5-50nm。

15、进一步地，源电极和漏电极采用多层金属叠层，从下到上依次为ti/al/ni/au，厚度分别为20/100/10/100nm；

16、栅电极采用多层金属叠层，从下到上依次为ni/au，厚度为50/200nm。

17、一种氟注入结合p型栅增强型器件制备方法，包括如下步骤：

18、s1、器件隔离：制备外延层，在外延层上界定有源区，采用光刻胶对有源区进行覆盖保护；利用感应耦合等离子体刻蚀icp或者反应离子刻蚀rie对有源区以外的外延层进行去除，刻蚀深度大于势垒层的厚度；

19、s2、源漏电极制备：通过负胶光刻工艺在步骤s1中实现隔离的有源区上界定源漏电极金属位置及图形；光刻工艺完成后将样品放入缓冲层刻蚀液中浸泡60s以去除势垒层表面的氧化物；通过电子束蒸发源漏电极金属，通过剥离工艺形成源电极和漏电极；

20、s3、源漏电极欧姆接触：源电极和漏电极形成后，在氮气氛围下，790℃-850℃温度范围内，退火30-90s，使源电极和漏电极与势垒层形成欧姆接触；

21、s4、栅极区域定义：通过光刻工艺在步骤s1中实现隔离的有源区上界定栅电极金属位置及图形；

22、s5、氟离子注入：使用反应离子刻蚀机或电感耦合等离子体刻蚀机在界定的栅电极区域使用氟基气体进行氟等离子体注入，形成氟注入区；

23、s6、p型栅极沉积：氟离子注入后对界定的栅电极区域使用磁控溅射沉积形成p型栅电极；

24、s7、栅电极制备：p型栅电极沉积完成后，通过电子束蒸发继续生长栅电极，通过剥离工艺形成栅极电极；

25、s8、后退火处理：在氮气氛围下，300-400℃温度范围内退火5-10min，修复离子注入以及磁控溅射带来的损伤。

26、进一步地，步骤s1中，刻蚀深度为200-500nm。

27、进一步地，步骤s5中，射频功率50-200w，注入时间60-180s，根据不同的注入功率和时间控制氟离子注入势垒层的量与深度，实现可调阈值电压。

28、进一步地，步骤s6中，溅射靶材采用镍靶材，在设定比例的o2/ar2气氛围下进行反应溅射，生长p型氧化镍，厚度为5-50nm。

29、相对于现有技术，本发明具有以下优势及有益效果：

30、1、本发明采用氟离子注入工艺结合p型氧化镍工艺实现增强型器件，从氟离子注入到p型栅电极沉积再到栅极金属沉积，三步工艺只需要进行一次光刻工艺，栅电极与氟离子注入区域和覆盖p型氧化镍区域是自对准的，工艺步骤简单且精准。

31、2、氟离子注入和p型氧化镍均能使阈值电压正向漂移，两种工艺结合可以获得更高的阈值电压。

32、3、单使用p型氧化镍难以实现inaln增强型器件，单使用氟离子注入实现增强型需要使用较大功率或较长的注入时间，大功率长时间的注入会对势垒层表面造成较大的损伤，同时由于inaln势垒层较薄，获得高能量的氟离子容易注入到沟道层，使器件失效。使用p型氧化镍结合氟离子注入实现增强型，可以减少氟离子注入的功率和时间，提高器件的稳定性。

33、4、生长p型氧化镍栅电极以及氟离子注入均可以有效降低栅极泄漏电流，使栅极漏电降低4-5个量级，显著提高inaln/gan异质hemt器件性能。同时，氟离子注入结合p型栅电极可以改善氟处理后的界面，有效减少界面态陷阱带来的影响，提高器件稳定性。