一種橫向?qū)ǖ腉aN常關(guān)型MISFET器件及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件的技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種橫向?qū)ǖ腉aN常關(guān)型MISFET器件及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]GaN半導(dǎo)體材料具有禁帶寬度大、擊穿電場高、飽和電子漂移速度大和熱導(dǎo)率高等優(yōu)越的性能，以及在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面存在高濃度和高電子迀移率的二維電子氣(2DEG)，與Si材料相比，其更加適合制備高功率大容量、高開關(guān)速度的電力電子器件，成為下一代功率開關(guān)器件的理想替代品。
[0003]在以變流技術(shù)為基礎(chǔ)的電力電子裝置中，控制變流過程的功率開關(guān)晶體管都是常關(guān)型的(又稱增強(qiáng)型)，這一點(diǎn)是保證電力電子回路“失效安全”的基礎(chǔ)。然而，AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)中極化場產(chǎn)生的高濃度的二維電子氣，導(dǎo)致了場效應(yīng)管中導(dǎo)電溝道很難被肖特基接觸形成的耗盡區(qū)阻斷，實(shí)現(xiàn)性能穩(wěn)定的常關(guān)型GaN功率開關(guān)器件仍是目前國際科技界和產(chǎn)業(yè)界公認(rèn)的難點(diǎn)。當(dāng)前制作GaN基常關(guān)型場效應(yīng)管，主要采用異質(zhì)結(jié)的方式，主要的方法有:凹柵結(jié)構(gòu)、薄勢皇層結(jié)構(gòu)、柵極氟化物等離子體注入、柵極下生長InGaN層、柵極下生長P型AlGaN層(或P型GaN層)等。作為主流技術(shù)的凹柵結(jié)構(gòu)和柵極氟化物等離子體注入，由于等離子刻蝕和注入的方式，不可避免會造成材料的損傷，從而劣化器件的工作性能和可靠性。而其他實(shí)現(xiàn)方式，也存在各自的缺點(diǎn)等。
[0004]最近幾年，已有相關(guān)報道采用選擇區(qū)域生長技術(shù)(SAG)實(shí)現(xiàn)橫向?qū)℅aN常關(guān)型場效應(yīng)晶體管的工藝方法(參見文獻(xiàn):Yuhua Wen, Zhiyuan He, Jialin Li, et al.Enhancement-mode AlGaN/GaN heterostructure field effect transistors fabricatedby selective area growth technique.APPLIED PHYSICS LETTERS 98， 072108 (2011)和文獻(xiàn) Yao Yao, Zhiyuan He, Fan Yang，et al.Normally-off GaN recessed-gateMOSFET fabricated by selective area growth technique.Applied Physics Express7，016502 (2014))。選擇區(qū)域生長技術(shù)用于設(shè)計(jì)制備橫向?qū)℅aN常關(guān)型場效應(yīng)晶體管，避免了等離子刻蝕或氟離子處理對凹柵處晶格損傷，提高器件性能。二次外延生長高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)構(gòu)溝道，是確保器件實(shí)現(xiàn)低通態(tài)電阻和高開關(guān)比特性的基礎(chǔ)，是這種器件制備方法和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵之一。然而在二次生長中，往往存在雜質(zhì)元素背景摻雜。如美國喬治亞理工學(xué)院的W.Lee等人曾報道在GaN 二次生長界面存在高濃度的Si雜質(zhì)，其對異質(zhì)結(jié)構(gòu)溝道2DEG濃度和迀移率有很大影響(參見文獻(xiàn):W.Lee, J.-H.Ryou, D.Yoo, etal.0ptimizat1n of Fe doping at the regrowth interface of GaN for applicat1nsto ΙΙΙ-nitride-based heterostructure field-effect transistors.APPLIED PHYSICSLETTERS 90, 093509(2007))。尤其在選擇區(qū)域生長技術(shù)制備橫向?qū)℅aN常關(guān)型場效應(yīng)晶體管中，二次生長的異質(zhì)結(jié)構(gòu)溝道(導(dǎo)電有源層)離二次生長界面非常近，其極易被二次生長界面背景摻雜元素污染，導(dǎo)致器件性能劣化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的主要在于改善現(xiàn)有技術(shù)方案中二次外延生長的異質(zhì)結(jié)構(gòu)溝道的性能，提高異質(zhì)結(jié)構(gòu)溝道2DEG的迀移率，提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)低導(dǎo)通電阻、高輸出電流密度、高開關(guān)比的性能優(yōu)越的橫向?qū)℅aN常關(guān)型MISFET器件及其制作方法。
[0006]本發(fā)明采用選擇區(qū)域生長法制備橫向?qū)ǔｊP(guān)型GaN場效應(yīng)晶體管。選擇區(qū)域生長一般需要圖形化的掩膜層來選擇需要生長的區(qū)域，通常形成圖形化掩膜層的主要步驟包括:先在襯底GaN外延層上沉積一層S12作為掩膜層，而后通過光刻工藝在所述S1 2掩膜層上形成有一定圖形的光刻膠保護(hù)層，再用腐蝕工藝將裸露出來的S12掩膜層去除，然后有機(jī)清洗去除光刻膠保護(hù)層，最后在GaN外延層上保留的S12即圖形化的掩膜層，在無掩膜層的GaN外延層區(qū)域(二次生長界面)可進(jìn)行二次生長非摻雜GaN層和異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢皇層。但是這種掩膜工藝過程中會遇到以下問題:采用腐蝕工藝去除3102掩膜層時很難將5102腐蝕干凈，在二次生長界面會有大量殘留，在二次外延生長時，該殘留的雜質(zhì)元素在高溫下極易擴(kuò)散至二次生長的異質(zhì)結(jié)構(gòu)溝道中，對溝道2DEG散射嚴(yán)重，造成2DEG迀移率的大幅度降低。
[0007]本發(fā)明的制作方法，通過二次外延首先生長一層雜質(zhì)過濾層，該雜質(zhì)過濾層能有效降低二次生長界面處雜質(zhì)向上擴(kuò)散對二次外延生長的異質(zhì)結(jié)構(gòu)溝道的污染，二次外延生長出高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)溝道，從而改善器件性能。
[0008]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種橫向?qū)ǖ腉aN常關(guān)型MISFET器件，其結(jié)構(gòu)由下往上依次包括襯底、應(yīng)力緩沖層、GaN外延層、二次外延生長的雜質(zhì)過濾層及非摻雜GaN層和異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢皇層，二次外延生長形成凹槽，凹槽溝道和異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢皇層裸露的表面覆蓋一絕緣層，異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢皇層的兩端形成有源極和漏極，凹槽溝道處的絕緣層上覆蓋有柵極。
[0009]該凹槽呈U型或梯型結(jié)構(gòu)。
[0010]所述襯底為Si襯底、藍(lán)寶石襯底、碳化硅襯底中的任一種。
[0011]所述應(yīng)力緩沖層為A1N、AlGaN、GaN的任一種或組合；應(yīng)力緩沖層厚度為100nm~10 μ m。
[0012]所述GaN外延層為非故意摻雜的GaN外延層或摻雜高阻GaN外延層，所述摻雜高阻層的摻雜元素為碳或鐵；GaN外延層厚度為100 nm~5 μ m。
[0013]所述雜質(zhì)過濾層材料為含鋁氮化物，包括但不限于AlGaN、AlInN、AlInGaN、AlN中的一種或任意幾種的組合，厚度為1-500 nm，且鋁組分濃度可變化。
[0014]所述非摻雜GaN層的厚度為10-500 nm ;所述異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢皇層材料包括但不限于AlGaN, AlInN, InGaN, AlInGaN, AlN中的一種或任意幾種的組合，所述異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢皇層厚度為 5-50 nm。
[0015]在非摻雜GaN層與異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢皇層之間還生長一 AlN層，所述AlN層厚度為1_10nmD
[0016]所述絕緣層材料包括但不限于Si02、SiNx、Al203、AlN、HfO2、Mg0、Sc203、Ga203、AlHfOx或HfS1N中的一種或任意幾種的堆疊組合，所述絕緣層厚度為1-100 nm ；
所述源極和漏極材料包括但不限于Ti/Al/Ni/Au合金、Ti/Al/Ti/Au合金或Ti/Al/Mo/Au合金，其他能夠?qū)崿F(xiàn)歐姆接觸的各種金屬或合金均可作為源極和漏極材料；所述柵極材料包括但不限于Ni/Au合金、Pt/Al合金或Pd/Au合金，其他能夠?qū)崿F(xiàn)高閾值電壓的各種金屬或合金均可作為柵極材料。
[0017]一種所述的橫向?qū)ǖ腉aN常關(guān)型MISFET器件的制作方法，包括以下步驟:
51、在Si襯底上生長應(yīng)力緩沖層；
52、在應(yīng)力緩沖層上生長高阻GaN外延層；
53、在高阻GaN外延層上沉積一層S12，作為掩膜層；
54、通過光刻的方法，保留形成柵極區(qū)域之上的掩膜層；
55、選擇區(qū)域二次外延生長雜質(zhì)過濾層、非摻雜GaN層和異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢皇層，形成凹槽柵極；
56、去除柵極區(qū)域之上的掩膜層；
57、在異質(zhì)結(jié)勢皇層和凹槽部位沉積柵極的絕緣層；
58、干法刻蝕完成器件隔離，同時在絕緣層上刻蝕出源極和漏極歐姆接觸區(qū)域；
59、在源極和漏極區(qū)域蒸鍍上源極和漏極歐姆接觸金屬；
S10、在凹槽處絕緣層上柵極區(qū)域蒸鍍柵極金屬。
[0018]所述的步驟S1、S2中的應(yīng)力緩沖層和GaN外延層及步驟S5中的雜質(zhì)過濾層、非摻雜GaN層和異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢皇層的生長方法為金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法或分子束外延法；
所述步驟S3中掩膜層以及步驟S7中絕緣層的生長方法為等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法、原子層沉積法、物理氣相沉積法或磁控濺射法。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果是:本發(fā)明提出了一種橫向?qū)ǖ腉aN常關(guān)型MISFET器件及其制作方法，該器件采用二次外延生長技術(shù)，在一次GaN外延層上，二次外延生長雜質(zhì)過濾層、非摻雜GaN層以及異質(zhì)結(jié)勢皇層，利用雜質(zhì)過濾層對雜質(zhì)的阻擋功能，有效阻擋二次生長界面處雜質(zhì)在高溫生長環(huán)境下向二次外延層擴(kuò)散，從而降低異質(zhì)結(jié)構(gòu)中2DEG雜質(zhì)散射，提高迀移率，使器件獲得低導(dǎo)通電阻、高輸出電流密度、高開關(guān)比特性。
【附圖說明】
[0020]圖1-10為本發(fā)明實(shí)施例1的器件制作方法工藝示意圖；
圖11為本發(fā)明實(shí)施例2的器件結(jié)構(gòu)示意圖；