CN102856374B - 一种GaN增强型MIS-HFET器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种GaN增强型MIS-HFET器件及其制作方法。本发明的器件包括栅极、源极、漏极、绝缘介质层和衬底，所述衬底上由下往上依次设有应力缓冲层、第一GaN层和选择生长层，所述选择生长层包括第二GaN层和其上的异质层；所述选择生长层中部具有贯通的凹槽沟道，在凹槽沟道底面覆盖有p型GaN层，所述p型GaN层的厚度小于等于第二GaN层的厚度；异质层上表面的两侧位置覆盖有欧姆接触金属分别形成源极和漏极，绝缘介质层覆盖于器件的上表面除源极和漏极位置外的区域，栅极覆盖于绝缘介质层上的凹槽沟道处。本发明制作工艺简单，器件稳定性高，同时提高了器件的阈值电压。

Description

一种GaN增强型MIS-HFET器件及其制备方法

技术领域

 本发明涉及半导体器件及其制备方法，尤其涉及一种用于高温大功率开关器件中的GaN增强型MIS-HFET器件及其制备方法。

背景技术

GaN基宽禁带半导体因为具备高击穿电场、高电子饱和漂移速率和高热导率等特性，同时采用异质结构可以形成高浓度的二维电子气，这些优点使得GaN在大功率电子器件领域有很广阔的应用前景。

在实际应用中，增强型功率器件可以满足“失效安全”要求。然而由于GaN的极化效应，AlGaN/GaN异质结构的界面处形成高浓度的二维电子气，使得直接采用AlGaN/GaN异质结构制备的器件为耗尽型器件，即当栅极在零偏压的条件下器件处于导通状态，不符合“失效安全”要求。此外，为了避免噪声等因素造成器件的误操作，还要求增强型器件具有较高的阈值电压。因此，如何采用AlGaN/GaN异质结构制备具有较高正向阈值电压的增强型功率器件，是目前研究的热点。

传统上实现增强型GaN场效应晶体管器件的技术路线主要有肖特基栅场效应晶体管和金属绝缘层半导体场效应晶体管(MISFET)。

对于肖特基栅场效应晶体管，实现增强型的主要方法是采用凹栅结构，即通过对栅极区域利用电感耦合等离子体（ICP）刻蚀凹槽，减小沟道的二维电子气（2DEG）浓度，使器件达到常关的效果，同时在栅极处蒸镀Ni/Au电极，与AlGaN形成肖特基接触，实现对器件开启、关断的控制。此外，离子注入也是一种常用的技术，通过对栅极区域的AlGaN进行等离子体处理，注入如氟离子等的负离子对沟道的二维电子气进行耗尽，使器件达到常关的效果。采用上述方法制备的功率器件，其优点是具有较小的导通电阻（R_ON），并且能够实现常关；其缺点是栅极漏电流过大，阈值电压仅为0到1V之间，同时由于栅极区域经过等离子体处理后造成晶格损伤，对器件的稳定性和可靠性产生影响。

对于GaN基金属绝缘层半导体场效应晶体管(MISFET)，与传统金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）相似，为了实现常关特性，对GaN进行p型掺杂获得p型衬底，源漏两端区域则进行n型重掺，并蒸镀电极形成欧姆接触，栅极区域沉积绝缘层后蒸镀电极，形成MIS结构。当栅极加较大的正向偏压时，GaN靠近绝缘层界面处形成反型层作为导电沟道，器件处于导通状态。这种GaN基MISFET虽然能实现常关特性，但是由于导通电阻较大等缺点，实际上并不适用于直接制备大功率器件。

目前，为了克服传统的增强型GaN场效应晶体管器件的上述缺点，现在实现GaN增强型功率器件的主要技术路线为采用金属绝缘层半导体（MIS）和异质结场效应晶体管（HFET）的混合结构，即MIS-HFET。栅极处采用MIS结构，可以降低器件的栅极漏电流，提高器件的阈值电压；利用AlGaN/GaN异质结构形成的高浓度二维电子气作为导电通道，可以降低器件的导通电阻，提高器件的输出功率。

从目前的研究成果看来，采用MIS-HFET结构获得GaN增强型功率器件是一种理想的技术路线，但是通过ICP在栅极区域刻蚀凹槽，或者在栅极区域注入离子的方法，虽然可以使器件实现常关特性，但是也带来以下问题：首先是上述方法制备的器件的阈值电压不能达到实际应用的要求；其次等离子体处理对栅极区域的沟道造成的晶格损伤，对器件的可靠性和稳定性造成影响。

发明内容

本发明解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种稳定性和可靠性高、并且具有高阈值电压的GaN增强型MIS-HFET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为：

一种GaN增强型MIS-HFET器件，包括栅极、源极、漏极、绝缘介质层和衬底（1），所述衬底上由下往上依次设有应力缓冲层、第一GaN层（3）和选择生长层，所述选择生长层包括第二GaN层和其上的异质层；所述选择生长层中部具有贯通的凹槽沟道，在凹槽沟道底面覆盖有p型GaN层，所述p型GaN层的厚度小于等于第二GaN层的厚度；异质层上表面的两侧位置覆盖有欧姆接触金属分别形成源极和漏极，绝缘介质层覆盖于器件的上表面除源极和漏极位置外的区域，栅极覆盖于绝缘介质层上的凹槽沟道处。

上述的GaN增强型MIS-HFET器件的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、在衬底上，依次生长应力缓冲层、第一GaN层和p型GaN层；

步骤二、在p型GaN层上，均匀生长一层介质层，然后刻蚀接入区的介质层，保留栅极区域的介质层作为掩膜层；

步骤三、刻蚀接入区的p型GaN层，保留栅极区域的p型GaN层；

步骤四、在接入区生长第二GaN层和异质层，第二GaN层的厚度大于等于p型GaN层的厚度，由此形成了栅极区域的凹槽沟道；

步骤五、刻蚀掩膜层，显露出p型GaN层的界面；

步骤六、在异质层上表面两侧的源漏区域蒸镀欧姆金属分别形成源极和漏极；

步骤七、在器件的上表面除源极和漏极位置外均沉积绝缘介质，作为栅极的绝缘介质层；

步骤八、在绝缘介质层上凹槽沟道位置处蒸镀欧姆金属作为栅极。

上述的接入区的含义是位于器件中部的栅极和位于器件两侧的源极和漏极之间的区域（不包括栅极下方的凹槽沟道区域，但是包括源极和漏极下方的区域），也就是器件上凹槽沟道两侧的区域。

其中，所述步骤一中应力缓冲层、高阻GaN层和p型GaN层的生长方法以及步骤四中第二GaN层和异质层的生长方法为金属有机化学气相沉积法（MOCVD）或分子束外延法（MBE）。

所述步骤二中介质层以及步骤七中绝缘介质层的生长方法为物理气相沉积法（PVD）、等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）、原子层沉积法（ALD）或磁控溅镀法。

进一步的，所述异质层为AlGaN、AlInN、AlInGaN、AlN材料中的一种或任意几种组合，所述异质层为非掺杂层或N型掺杂层；异质层厚度范围是1～50nm。如果是多种材料的组合，则多种材料采用层层叠加的方式结合，而不是混合物的形式组合。比如AlGaN/AlN组合所表示的含义是AlGaN材料层和AlN材料层叠加一起作为异质层。

进一步的，所述第一GaN层为高阻GaN层。

进一步的，所述绝缘介质层的材料为SiO₂、SiNx、Al₂O₃、AlN、HfO₂、MgO、Sc₂O₃、Ga₂O₃、AlHfOx、HfSiON中的任一种或任意几种的组合；绝缘介质层厚度范围是1～50nm。

进一步的，所述p型GaN层的厚度范围是1~500nm，所述第二GaN层的厚度范围是1~500nm。

进一步的，所述形成源极和漏极的欧姆金属为Ti/Al/Ni/Au合金、Ti/Al/Ti/Au合金或Ti/Al/Mo/Au合金；所述形成栅极的欧姆金属为 Ni/Au合金、Pt/Al合金或Pd/Au合金。其中源极和漏极合金材料的含义以Ti/Al/Ni/Au合金为例进行说明。“Ti/Al/Ni/Au合金”的含义是从下往上依次蒸镀上一层Ti、一层Al、一层Ni和一层Au，由这四层金属的复合层（即合金）作为源极和漏极。这种表述方式既说明这种合金包含了这四种金属，同时也包含了一种顺序关系。类似的，“Ti/Al/Ti/Au合金”的含义是从下往上依次蒸镀上一层Ti、一层Al、一层Ti和一层Au，由这四层金属的复合层（即合金）作为源极和漏极。Ti/Al/Mo/Au合金的含义同上。栅极的欧姆金属材料的含义也同上。

进一步的，所述衬底为Si衬底、SiC衬底或蓝宝石衬底。

与利用现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的GaN增强型MIS-HFET器件，通过在栅极区域引入p型GaN层，结合栅极区域沉积的介质层和栅极金属电极，形成p型衬底MIS结构，当栅极处于零偏压或者负偏压状态下，p型GaN层以空穴为多数载流子而无法形成电子导通沟道，器件处于关断状态；只有当栅极施加较大正向电压时，p型GaN层在靠近介质层的界面处形成电子反型层，该反型层作为电子导通沟道，此时器件处于开启状态。所以p型GaN层的引入，可以实现器件的常关特性，并且有效提高阈值电压。同时，本发明的器件制作方法，为了配合引入p型GaN层的结构，特别设计采用选择性区域生长的工艺来保留栅极区域的p型GaN层，即通过选择性刻蚀的方式，将除栅极区域以外的p型GaN层都刻蚀掉，进而能够在接入区来生长异质结构，以取代现有技术中在栅极区域刻蚀凹槽或者离子注入的方法，避免等离子体造成的晶格损伤对沟道造成影响，提高器件可靠性和稳定性。同时在接入区生长异质结构，还可以获得高浓度的二维电子气，降低接入电阻，整体上降低器件的导通电阻，提高器件输出功率。另外，接入区通过二次外延方式再生长一层GaN层（即第二GaN层），可以修复刻蚀p型GaN层时带来的表面晶格损伤，实现了接入区二维电子气界面与刻蚀界面的分离，降低刻蚀工艺对接入区带来的影响，进一步提高器件可靠性和稳定性。

附图说明

图1-图9为本发明实施例1的GaN增强型MIS-HFET器件的制备方法的工艺示意图。

图10为本发明实施例2的GaN增强型MIS-HFET器件结构示意图；

具体实施方式

实施例1

如图9所示为本实施例的GaN增强型MIS-HFET器件的结构示意图，包括栅极、源极、漏极、绝缘介质层和衬底1。衬底通常选用Si衬底或SiC衬底或蓝宝石衬底。衬底上由下往上依次设有应力缓冲层2、第一GaN层3和选择生长层，选择生长层包括第二GaN层7和其上的异质层8。其中第一GaN层为高阻GaN层。选择生长层中部具有贯通的凹槽沟道，在凹槽沟道底面覆盖有p型GaN层6，p型GaN层6的厚度小于等于第二GaN层7的厚度。异质层8上表面的两侧位置覆盖有欧姆接触金属分别形成源极和漏极。绝缘介质层10覆盖于器件的上表面除源极和漏极位置外的区域，栅极覆盖于绝缘介质层上的凹槽沟道处。

异质层8的厚度需要控制到既能够在第二GaN层7的界面形成高浓度的二维电子气，同时又能够降低源漏极欧姆接触电阻和器件导通电阻为最适宜。经过实验验证，该异质层8厚度控制在1～50nm范围内为最适宜。

栅极的绝缘介质层11的厚度，既要求满足栅极12能很好控制沟道的导电特性，使器件具有较大的跨导，也要求保持良好的绝缘性。经过实验验证，该厚度为1~50nm为最佳。

上述GaN增强型MIS-HFET器件制作工艺如图1-9所示：

步骤一、利用金属有机化学气相沉积（MOCVD），在衬底上依次生长应力缓冲层2、第一GaN层3和p型GaN层6；p型GaN层6的厚度范围是1~500nm，如图1所示。

步骤二、在p型GaN层6上，通过物理气相沉积（PVD）或者等离子体化学气相沉积（PECVD）或者原子层沉积（ALD）或者磁控溅镀等均匀生长一层介质层4，如图2所示，然后刻蚀接入区的介质层，并保留栅极区域的介质层作为掩膜层5，如图3所示。

步骤三、刻蚀接入区的p型GaN层，保留栅极区域的p型GaN层6，如图4所示。

步骤四、利用金属有机化学气相沉积（MOCVD），在接入区生长第二GaN层7和非掺杂的AlInGaN异质层8。第二GaN层7的厚度大于等于p型GaN层6的厚度，由此形成了栅极区域的凹槽沟道；第二GaN层7的厚度范围是1~500nm，如图5所示。

步骤五、刻蚀掩膜层5，显露出p型GaN层6的界面9，如图6所示。

步骤六、在异质层8上表面两侧的源漏区域蒸镀Ti/Al/Ni/Au合金分别形成源极和漏极10；源极和漏极可互换，即如果一侧是源极，那另一侧就是漏极，如图7所示。

步骤七、通过物理气相沉积（PVD）或者等离子体化学气相沉积（PECVD）或者原子层沉积（ALD）或者磁控溅镀等在器件的上表面除源极和漏极位置外均沉积一层Al₂O₃，作为栅极的绝缘介质层11，如图8所示。

步骤八、在绝缘介质层11上凹槽沟道位置处蒸镀Ni/Au合金作为栅极12，如图9所示。

实施例2

如图10所示，为本发明的GaN增强型MIS-HFET器件的另一种结构示意图，它与实施例1的器件结构基本相同，区别仅在于，在选择生长异质层时通过调制N型掺杂，即形成N型掺杂的异质层13，以进一步降低源、漏区域的欧姆接触电阻，提高器件的电流密度。

Claims (3)

1.一种GaN增强型MIS-HFET器件的制备方法，包括栅极、源极、漏极、绝缘介质层和衬底（1），其特征在于，所述衬底上由下往上依次设有应力缓冲层（2）、第一GaN层（3）和选择生长层，所述选择生长层包括第二GaN层（7）和其上的异质层（8）；所述选择生长层中部具有贯通的凹槽沟道，在凹槽沟道底面覆盖有p型GaN层（6），所述p型GaN层（6）的厚度小于等于第二GaN层（7）的厚度；异质层（8）上表面的两侧位置覆盖有欧姆接触金属分别形成源极和漏极，绝缘介质层（10）覆盖于器件的上表面除源极和漏极位置外的区域，栅极覆盖于绝缘介质层上的凹槽沟道处，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、在衬底上，依次生长应力缓冲层（2）、第一GaN层（3）和p型GaN层（6）；

步骤二、在p型GaN层（6）上，均匀生长一层介质层（4），刻蚀接入区的介质层，保留栅极区域的介质层作为掩膜层（5）；

步骤三、刻蚀接入区的p型GaN层，保留栅极区域的p型GaN层（6）；

步骤四、在接入区生长第二GaN层（7）和异质层（8），第二GaN层（7）的厚度大于等于p型GaN层（6）的厚度，由此形成了栅极区域的凹槽沟道；

步骤五、刻蚀掩膜层（5），显露出p型GaN层（6）的界面（9）；

步骤六、在异质层（8）上表面两侧的源漏区域蒸镀欧姆金属分别形成源极和漏极（10）；

步骤七、在器件的上表面除源极和漏极位置外均沉积绝缘介质，作为栅极的绝缘介质层（11）；

步骤八、在绝缘介质层（11）上凹槽沟道位置处蒸镀欧姆金属作为栅极（12）。

2.根据权利要求1所述的GaN增强型MIS-HFET器件的制备方法，其特征在于，所述步骤一中应力缓冲层（2）、高阻GaN层（3）和p型GaN层（6）的生长方法以及步骤四中第二GaN层（7）和异质层（8）的生长方法为金属有机化学气相沉积法或分子束外延法。

3.权利要求1所述的GaN增强型MIS-HFET器件的制备方法，其特征在于，所述步骤二中介质层以及步骤七中绝缘介质层的生长方法为物理气相沉积法、等离子体增强化学气相沉积法、原子层沉积法或磁控溅镀法。