一種GaN基凹槽柵MISFET的制備方法技術

本發明專利技術提供一種半導體器件制備技術，具體涉及一種GaN基凹槽柵MISFET的制備方法，包括下述步驟:首先提供進行凹槽制備所需的AlGaN/GaN異質結材料，在所述材料表面沉積一層介質層作為掩膜層，采用光刻顯影技術及濕法腐蝕去除柵極區域介質層，實現對掩膜層的圖形化，利用GaN材料生長反應的逆過程將柵極區域AlGaN去除而獲得凹槽，通過在位沉積一層高質量AlN薄層，再制備沉積柵介質層，并覆蓋源、漏、柵電極，最終形成AlN/柵介質層堆疊結構的凹槽柵MISFET。本發明專利技術工藝簡單，可以很好地解決傳統干法或者濕法刻蝕凹槽時對柵極區域造成的損傷，可形成高質量的MIS界面以提升凹槽柵MISFET的器件性能，如降低柵極漏電流和導通電阻以及改善閾值電壓穩定性等。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及半導體器件的
，更具體地，涉及一種新型GaN基凹槽柵MISFET的制備方法。
技術介紹
氮化鎵（GaN）材料具有禁帶寬度大、擊穿電場強度高、電子飽和漂移速度大、熱導率高等優點，十分適合制作大功率、高頻、高溫電力電子器件。在電力電子應用領域，為了滿足失效安全，場效應晶體管(FET)器件必須實現常關型(又稱增強型)工作，而且在某些場合閾值電壓需要至少為4-5V。而對于常規的AlGaN/GaN異質結場效應晶體管(HFET)，由于界面高濃度、高遷移率的二維電子氣(2DEG)的存在，即使在外加柵壓為零時，器件也處于開啟狀態（常開型器件）。為了解決這些問題，采用MIS結構的絕緣柵場效應晶體管(MISFET)是一條有效的技術路線。GaN基凹槽柵MISFET器件在保留接入區2DEG濃度（不犧牲器件導通特性）的前提下，降低甚至完全去除零偏壓時柵極下方的2DEG，且能采用MIS結構柵極而實現了高閾值電壓。但是，傳統的凹槽制備是采用感應耦合等離子體(ICP)或反應離子刻蝕(RIE)設備對柵極下方的AlGaN勢壘層進行刻蝕。由于等離子體的使用會對溝道區域的晶格造成損傷，進而影響MIS界面的可靠性和穩定性。此外，AlGaN和GaN材料的選擇刻蝕比率較小，因此較難實現刻蝕的自停止，工藝重復性較差。這兩點限制該混合型MISFET的溝道遷移率的提升，從而增加了器件的導通電阻。數字濕法刻蝕利用多次氧化及化學溶液腐蝕可以獲得工藝可控的常關型凹槽柵MISFET器件，且能有效去除等離子損傷。然而凹槽邊緣不齊整、柵極區域有尖錐狀AlGaN殘留、GaN溝道層的表面亦能觀測到大量的刻蝕孔洞。采用選擇區域外延技術制備凹槽亦可以去除柵極區域的等離子損傷，改善了MIS界面特性,但是外延工藝較復雜。因此有必要尋求一種選擇區域生長界面保護方法，以克服傳統工藝中的缺點，從而獲得更高的遷移率及閾值電壓。由于GaN基材料的外延是在其合成速率略大于分解速率的準平衡狀態下實現，因此，在化學氣相沉積系統中只有氮氣，氫氣或者氮氣和氫氣的混合氣體而沒有生長源時，可以通過調節生長參數使得GaN基材料的分解速率略大于合成速率，從而在掩膜的輔助下將柵極區域的AlGaN外延層沿著生長反應的逆過程進行逐層分解，獲得凹槽。
技術實現思路
本專利技術為克服上述現有技術所述的至少一種缺陷，提供一種新型GaN基凹槽柵MISFET的制備方法，可以很好地解決傳統干法或者濕法刻蝕凹槽時對柵極區域造成的損傷，可形成高質量的MIS界面以提升凹槽柵MISFET的器件性能。為解決上述技術問題，本專利技術采用的技術方案是：一種新型GaN基凹槽柵MISFET的制備方法，其中，利用GaN材料生長反應的逆過程將柵極區域AlGaN去除而獲得凹槽，并通過在位沉積AlN薄層提升MIS界面質量；具體包含以下步驟：S1、在襯底上生長應力緩沖層；S2、在應力緩沖層上生長GaN外延層；S3、在GaN外延層（3）上生長AlGaN勢壘層；S4、在AlGaN勢壘層上沉積一層SiO2，作為掩膜層；S5、通過光刻及濕法腐蝕的方法，去除柵極區域的掩膜層；S6、去除柵極區域的AlGaN勢壘層；S7、在位生長AlN薄層；S8、沉積柵極絕緣介質層；S9、干法刻蝕完成器件隔離，同時刻蝕出源極和漏極歐姆接觸區域；S10、在源極和漏極區域蒸鍍上源極和漏極歐姆接觸金屬；S11、在凹槽處介質層上柵極區域蒸鍍柵極金屬。具體的，所述的步驟S6中，利用GaN材料生長反應的逆過程將柵極區域AlGaN去除而獲得凹槽；所述的步驟S7中,在位沉積AlN薄層提升MIS界面質量。所述的襯底為Si襯底、藍寶石襯底、碳化硅襯底、GaN自支撐襯底中的任一種。所述的應力緩沖層為AlN、AlGaN、GaN的任一種或組合；應力緩沖層厚度為10nm~100μm。所述的GaN外延層為非故意摻雜的GaN外延層或摻雜的高阻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100nm~100μm。所述的外延層為AlGaN勢壘層，AlGaN層厚度為5-50nm，且鋁組分濃度可變化。所述的AlGaN勢壘層材料還可以為AlInN、InGaN、AlInGaN、AlN中的一種或任意幾種的組合。所述的AlGaN勢壘層中，與GaN層之間還可以插入AlN薄層，厚度為0-10nm。所述的外延層為高質量的AlN層，厚度為0-10nm；所述絕緣介質層為Al2O3、HfO2、SiO2或SiN等，厚度為1-100nm；形成AlN/介質層堆疊結構。所述的源極和漏極材料為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；柵極材料為Ni/Au合金、Pt/Al合金、Pd/Au合金或TiN/Ti/Au合金；所述步驟S1中的應力緩沖層、步驟S2中的GaN外延層、步驟S3中的AlGaN外延層及步驟S7中的AlN的生長方法為金屬有機化學氣相沉積法、分子束外延法等高質量成膜方法；所述步驟S4中掩膜層的生長方法為等離子體增強化學氣相沉積法、原子層沉積法、物理氣相沉積法或磁控濺射法；所述步驟S6的凹槽刻蝕方法是在金屬有機化學氣相沉積系統中利用氮氣，氫氣或者氮氣和氫氣的混合氣體使AlGaN外延層逐層分解。另外，也可以利用下述方法步驟表達本專利技術。利用GaN材料生長反應的逆過程將柵極區域AlGaN去除而獲得凹槽，并通過在位沉積AlN薄層提升MIS界面質量。具體包含以下步驟：1.提供需要進行凹槽柵極刻蝕的AlGaN/GaN異質結材料；2.在所述材料上沉積一介質層，形成掩膜層；3.在所述掩膜層上利用光刻顯影技術，顯露出柵極區域；4.使用化學溶液去除柵極區域的掩膜材料，保留其他區域的掩膜材料，實現掩膜層圖形化；5.在所述掩膜圖形的輔助下，實現凹槽刻蝕。6.在所述掩膜圖形的輔助下，在凹槽區域在位生長一層AlN薄層。進一步的，所述的步驟1中，所述的襯底是具有不同成分的多層外延層襯底。所述的步驟2中，介質層是通過等離子體增強化學氣相沉積或原子層沉積或物理氣相沉積或者磁控濺射形成。所述介質層為SiO2或者SiN。所述的步驟3中，所述光刻膠為正性或負性光刻膠。所述的步驟4中，所述介質層去除使用的化學溶液是氫氟酸水溶液或者氫氟酸和氟化銨的混合溶液。所述的步驟5中，所述凹槽刻蝕為金屬有機化學氣相沉積法或分子束外延法。反應氣體為H2、N2、或者H2與N2的混合氣體。所述的步驟6中，所述AlN薄層的在位生長為金屬有機化學氣相沉積法或分子束外延法。與現有技術相比，有益效果是：本專利技術提供一種新型GaN基凹槽柵MISFET的制備方法，由于利用GaN材料生長反應的逆過程將柵極區域AlGaN去除而獲得凹槽，可以很好地解決傳統干法或者濕法刻蝕凹槽時對柵極區域造成的損傷。該方法不需要使用化學溶劑，可本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種新型GaN基凹槽柵MISFET的制備方法，其特征在于，利用GaN材料生長反應的逆過程將柵極區域AlGaN去除而獲得凹槽，并通過在位沉積AlN薄層提升MIS界面質量；具體包含以下步驟：S1、在襯底（1）上生長應力緩沖層（2）；S2、在應力緩沖層上生長GaN外延層（3）；S3、在GaN外延層（3）上生長AlGaN勢壘層（4）；S4、在AlGaN勢壘層上沉積一層SiO2，作為掩膜層（10）；S5、通過光刻及濕法腐蝕的方法，去除柵極區域的掩膜層（10）；S6、去除柵極區域的AlGaN勢壘層（4）；S7、在位生長AlN薄層（5）；S8、沉積柵極絕緣介質層（6）；S9、干法刻蝕完成器件隔離，同時刻蝕出源極和漏極歐姆接觸區域；S10、在源極和漏極區域蒸鍍上源極（7）和漏極（8）歐姆接觸金屬；S11、在凹槽處介質層上柵極區域蒸鍍柵極（9）金屬。

【技術特征摘要】
1.一種新型GaN基凹槽柵MISFET的制備方法，其特征在于，利用GaN材料生長反應的逆過程將柵極區域AlGaN去除而獲得凹槽，并通過在位沉積AlN薄層提升MIS界面質量；具體包含以下步驟：
S1、在襯底（1）上生長應力緩沖層（2）；
S2、在應力緩沖層上生長GaN外延層（3）；
S3、在GaN外延層（3）上生長AlGaN勢壘層（4）；
S4、在AlGaN勢壘層上沉積一層SiO2，作為掩膜層（10）；
S5、通過光刻及濕法腐蝕的方法，去除柵極區域的掩膜層（10）；
S6、去除柵極區域的AlGaN勢壘層（4）；
S7、在位生長AlN薄層（5）；
S8、沉積柵極絕緣介質層（6）；
S9、干法刻蝕完成器件隔離，同時刻蝕出源極和漏極歐姆接觸區域；
S10、在源極和漏極區域蒸鍍上源極（7）和漏極（8）歐姆接觸金屬；
S11、在凹槽處介質層上柵極區域蒸鍍柵極（9）金屬。
2.根據權利要求1所述的一種新型GaN基凹槽柵MISFET的制備方法，其特征在于：所述的步驟S6中，利用GaN材料生長反應的逆過程將柵極區域AlGaN去除而獲得凹槽；所述的步驟S7中,在位沉積AlN薄層提升MIS界面質量。
3.根據權利要求1所述的一種新型GaN基凹槽柵MISFET的制備方法，其特征在于：所述的襯底（1）為Si襯底、藍寶石襯底、碳化硅襯底、GaN自支撐襯底中的任一種。
4.根據權利要求1所述的一種新型GaN基凹槽柵MISFET的制備方法，其特征在于：所述的應力緩沖層（2）為AlN、AlGaN、GaN的任一種或組合；應力緩沖層厚度為10nm~100μm。
5.根據權利要求1所述的一種新型GaN基凹槽柵MISFET的制備方法，其特征在于：所述的GaN外延層（3）為非故意摻雜的GaN外延層或摻雜的高阻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1...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉揚，李柳暗，
申請(專利權)人：中山大學，
類型：發明
國別省市：廣東;44