本發(fā)明涉及寬禁帶化合物半導(dǎo)體材料的電力電子器件及高效率功率開關(guān)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

GaN材料的特性如下：(1)相比于Si(1.12eV)和GaAs(1.42eV)的禁帶寬度，GaN的禁帶寬度為3.4eV，使得器件能夠在高電壓下工作，此外也保證了器件在一定的高溫環(huán)境下不會失效。(2)GaN材料具有優(yōu)異的抗擊穿特性，擊穿場強約為3MV/cm，是Si材料的10倍。(3)GaN材料的電子飽和漂移速率高，因而工作在高電場下的器件仍然具有很高的電子遷移率，進而獲得大電流密度，這點對于高功率器件非常有吸引力。(4)GaN材料還具有介電常數(shù)大、熱導(dǎo)率高、抗輻射能力強的特點。(5)GaN是直接帶隙半導(dǎo)體，空穴和電子的復(fù)合效率高，可以應(yīng)用在光電領(lǐng)域。

AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)是III族氮化物材料體系中最重要的結(jié)構(gòu)之一，由于極強的自發(fā)極化與壓電極化效應(yīng)，在AlGaN/GaN界面形成的二維電子氣(2DEG)濃度很高(可達10¹³cm^-2)，比AlGaAs/GaAs異質(zhì)結(jié)界面的2DEG濃度高出近一個數(shù)量級。由于普通AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面存在大量二維電子氣，常規(guī)AlGaN/GaN高遷移率晶體管(HEMT)的肖特基柵下2DEG很難在零柵壓下耗盡，當材料制作成器件后需要在柵極施加負柵壓才能將2DEG耗盡、使溝道夾斷，即常規(guī)AlGaN/GaN HEMT器件多表現(xiàn)為耗盡型。而在很多場合，比如數(shù)字電路、高壓開關(guān)等領(lǐng)域應(yīng)用時需要增強型器件，確保只加正柵壓后才有工作電流，為此研究工作者一直在探索增強型HEMT的制造技術(shù)，更一直在尋求高性能HEMT的制造方法。

目前形成增強型GaN HEMT器件的方法主要有以下三種：(1)通過減薄柵區(qū)域的AlGaN勢壘區(qū)厚度，降低柵區(qū)域的2DEG濃度，從而實現(xiàn)增強型GaN HEMT器件。(2)通過氟離子注入柵區(qū)域的AlGaN層，由于氟離子的強負電性，溝道中的2DEG被氟離子耗盡，從而實現(xiàn)增強型GaN HEMT器件。(3)通過能帶設(shè)計利用不同的材料生長來降低AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面的2DEG濃度，從而實現(xiàn)增強型GaN HEMT器件，如p型GaN、AlGaN帽層。

其中柵刻蝕技術(shù)通常使用干法刻蝕技術(shù)，采用等離子體進行處理，這將引起有源區(qū)的離子損傷，導(dǎo)致表面形貌退化以及溝道遷移率低；同時由于很難控制干法刻蝕的速率，導(dǎo)致柵區(qū)AlGaN的厚度難以控制。因此普通的基于ICP或者RIE的干法刻蝕柵技術(shù)會影響器件的穩(wěn)定性和可靠性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提出一種基于濕法柵刻蝕技術(shù)形成GaN增強型MOSFET及制備方法。該方法避免了干法等離子體刻蝕對柵極下方導(dǎo)電溝道的損傷，既能保證溝道表面的形貌，又可以控制刻蝕的深度以及閾值電壓的一致性，從而獲得高性能、高穩(wěn)定性的GaN增強型器件。

本發(fā)明解決所述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是：基于濕法柵刻蝕技術(shù)形成的GaN增強型MOSFET，包括：自下而上基板、GaN或者AIN成核層、GaN或者AlGaN緩沖層、GaN溝道層、AlGaN勢壘層，腐蝕掩膜介質(zhì)層和絕緣柵介質(zhì)層；且在晶元表面定義有柵極區(qū)域，柵極區(qū)域下方的腐蝕掩膜介質(zhì)層被刻蝕掉以及AlGaN層被濕法腐蝕掉；在AlGaN表面有源極區(qū)域和漏極區(qū)域，分別形成源極和漏極。

所述腐蝕掩膜介質(zhì)層、絕緣柵介質(zhì)層的材料為以下材料中的任意一種：Si₃N₄、Al₂O₃、AlN、HfO₂、SiO₂、HfTiO、Sc₂O₃、Ga₂O₃、MgO、SiNO。

所述源極和漏極為：鈦、鋁、鎳、金、鉑、銥、鉬、鉭、鈮、鈷、鋯、鎢等中的一種或多種的合金。

所述柵極為以下導(dǎo)電材料的一種或多種的組合：鉑、銥、鎳、金、鉬、鈀、硒、鈹、TiN、多晶硅、ITO。

本發(fā)明還提供基于濕法刻蝕技術(shù)形成GaN增強型MOSFET的制備方法，包括以下步驟：

(1)、在襯底上依次生長GaN或者AlN成核層、GaN或者AlGaN緩沖層、GaN溝道層、AlN插入層、AlGaN勢壘層、GaN帽層

(2)、利用刻蝕或者離子注入實現(xiàn)有源區(qū)電隔離；

(3)、光刻出源漏電極圖形，通過電子束蒸發(fā)或者磁控濺射制備多層金屬形成源極和漏極，并在800℃到900℃之間于保護氣體中退火30秒，形成歐姆接觸；

(4)、在AlGaN層上用PECVD、ICPCVD或者LPCVD生長Si₃N₄；

(5)、光刻出柵刻蝕區(qū)域，用RIE或者ICP刻蝕Si₃N₄；

(6)、將晶元放入氧等離子體系統(tǒng)中氧化3min，其中工作RF功率為300W，溫度為100℃；

(7)、將晶元放入1∶10的鹽酸中浸泡1min，去除AlGaN的氧化物；

(8)、重復(fù)步驟(6)和(7)，漏電流會隨著AlGaN的減薄而逐漸減小，測試被刻蝕HEMT(沒有柵電極)的漏極電流，直到電流為0，停止氧化以及濕法腐蝕。

(9)、在晶元表面生長絕緣柵介質(zhì)層，光刻出源漏區(qū)域接觸孔，刻蝕掉絕緣柵介質(zhì) 層以及Si₃N₄，使源漏歐姆接觸暴露出來。

(10)、光刻柵電極區(qū)域，用電子束蒸發(fā)或者磁控濺射生長柵電極材料，并通過剝離工藝形成柵電極，再在氮氣環(huán)境下對整個晶元進行退火處理。

本發(fā)明的有益效果是，用濕法腐蝕柵槽區(qū)域，避免了等離子體損傷，使柵槽底表面形貌較好，提高了溝道中電子遷移率以及最大漏極電流密度，并且可以控制柵刻蝕的深度以及閾值電壓的一致性。所研制的高性能的基于濕法腐蝕的GaN增強型器件可以應(yīng)用于高效功率開關(guān)以及RF功率器件中。

附圖說明

圖1是基于濕法腐蝕的GaN增強型MOSFET橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2-圖9是用濕法腐蝕形成GaN增強型MOSFET的制造工藝流程示意圖。

圖10是基于濕法腐蝕的GaN增強型MOSFET的輸出特性曲線、轉(zhuǎn)移特性曲線以及跨導(dǎo)曲線。

具體實施方式

本發(fā)明的增強型GaN MOSFET器件的基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，屬于金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管，與常見的柵刻蝕技術(shù)的增強型GaN HEMT或MOSFET相比較，本發(fā)明的特點是采用濕法腐蝕技術(shù)，代替了常用的等離子體干法刻蝕，大大降低了柵槽的等離子體損傷，保留了較好的柵槽表面形貌，并且保證了閾值電壓的一致性以及實現(xiàn)了高性能的GaN增強型MOSFET，其中柵金屬為以下導(dǎo)電材料中的一種或多種的組合：鉑、銥、鎳、金、鉬、鈀、硒、鈹、TiN、多晶硅、ITO，絕緣柵介質(zhì)層的材料為以下材料中的任意一種：Si₃N₄、Al₂O₃、AlN、HfO₂、SiO₂、HfTiO、Sc₂O₃、Ga₂O₃、MgO以及SiNO。

本發(fā)明的具體制造工藝過程為：用MOCVD自下而上在襯底(SiC，Si或者藍寶石)上依次生長GaN或者AlN緩沖層、GaN或者AlGaN緩沖層、GaN溝道層、AlGaN勢壘層，有源區(qū)電隔離后先在晶元表面形成源漏歐姆接觸，再用ICPCVD或者PECVD生長Si₃N₄，然后用RIE刻蝕溝槽處的Si₃N₄，然后用氧等離子體氧化柵區(qū)域露出的AlGaN，然后再用鹽酸腐蝕，再氧化再腐蝕，重復(fù)氧化腐蝕這個過程直到源漏間電流為0，證明AlGaN全部腐蝕干凈，再生長絕緣柵介質(zhì)，最后再生長柵電極材料。通過這個濕法腐蝕技術(shù)，去除了等離子體對柵槽的轟擊，降低了損傷，提高了器件的性能。

在本發(fā)明中，濕法刻蝕是采用先用氧等離子體氧化AlGaN，再用鹽酸來去除AlGaN的氧化物，然后重復(fù)氧化腐蝕的步驟，每次濕法腐蝕都能去除離子所帶來的損傷，使表面形 貌不發(fā)生嚴重退化，進一步的實驗可以采用基于臭氧的氧化媒介或者在氧等離子體中設(shè)置法拉第籠，完全避免等離子體的損傷。由于隨著AlGaN的減薄，溝道2DEG的濃度不斷的降低，源漏之間電流不斷的縮小，當源漏之間電流降為0的時候，證明溝槽中的AlGaN全部被刻蝕干凈，從而可以制造出低損傷的GaN增強型器件。

圖2-圖9為本發(fā)明基于濕法柵刻蝕技術(shù)形成GaN增強型MOSFET及制備方法的工藝流程示意圖，其工藝流程如下：

(1)、如圖2所示，在襯底上利用MOCVD首先先生長一層GaN成核層，然后再生長2μm的GaN層，最后生長24nm的AlGaN，該AlGaN與GaN層形成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，并在界面處形成2DEG溝道。該襯底可以是SiC，Si或者藍寶石中的任意一種；

(2)、如圖3所示，在形成隔離島以后，通過光刻出源漏電極圖形，通過電子束蒸發(fā)Ti/Au/Ni/Au四種金屬，采用剝離工藝制備出源區(qū)和漏區(qū)的金屬電極，并在900℃氮氣氛圍中進行快速退火30秒，形成歐姆接觸；

(3)、如圖4所示，在AlGaN層上用PECVD或ICPCVD生長Si₃N₄；

(4)、如圖5所示，光刻出柵刻蝕區(qū)域，用F基氣體刻蝕Si₃N₄；

(5)、如圖6所示，將晶元放入氧等離子體系統(tǒng)中氧化3min，其中工作RF功率為300W，溫度為100℃，氧氣流量150sccm；

(6)、如圖7所示，將晶元放入1：10的鹽酸中浸泡1min，去除AlGaN的氧化物；

(7)、重復(fù)步驟(5)和(6)，漏電流會隨著AlGaN的減薄而逐漸減小，測試被刻蝕HEMT(沒有柵電極)的漏電流，直到漏電流為0，停止氧化以及濕法腐蝕。此時AlGaN已經(jīng)被全部刻蝕掉，沒有了2DEG溝道，所以源漏之間的電流為0；

(8)、如圖8所示，在晶元表面生長絕緣柵介質(zhì)層。然后光刻源漏區(qū)域，刻蝕掉絕緣柵介質(zhì)層以及Si₃N₄，使源漏歐姆接觸暴露出來方便測試。

(9)、如圖9所示，光刻柵金屬區(qū)域，用電子束蒸發(fā)生長Ni/Au，并通過剝離工藝形成柵金屬電極，形成一個T型柵結(jié)構(gòu)，最后在氮氣環(huán)境下對整個晶元進行退火處理(溫度400℃，退火時間10min)。

通過以上步驟就可以形成基于濕法腐蝕的GaN增強型MOSFET，如圖10所示，利用本方法制作出的增強型器件閾值電壓為1.65V，最大源漏飽和電流達到528mA/mm，最大飽和跨導(dǎo)達112mS/mm(測試器件的柵長，柵源距離，柵漏距離分別為1.5μm、1.5μm、3μm)該MOSFET的高性能證明了濕法柵刻蝕技術(shù)會在GaN增強型器件技術(shù)中得到更大的應(yīng)用空間。