CN104201104A - 一种氮化镓基增强型器件的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体技术领域，具体涉及到一种氮化镓基增强型器件的制造方法。本发明主要采用两步刻蚀法，第一步为快速刻蚀，使用氯气或氯化硼刻蚀异质结势垒层总厚度的三分之一至三分之二；第二步为慢速刻蚀，采用氧气等离子体反应技术，使用氧气等离子体氧化剩余的异质结势垒层，将异质结势垒层表面氧化；然后采用湿法刻蚀技术，将异质结势垒层一层一层刻蚀掉，直至异质结势垒层剩余厚度为0.5～2nm。本发明在保证刻蚀效率的同时，有效改善III族氮化物刻蚀后的表面形貌，降低刻蚀后的表面漏电，该方法能够提高氮化镓基凹槽栅增强型器件沟道的二维电子气迁移率，获得高性能氮化镓基增强型器件。本发明尤其适用于氮化镓基增强型器件。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及到一种氮化镓基增强型器件的制造方法。
背景技术
作为第三代宽禁带半导体的典型代表，氮化镓(GaN)材料具有很多优良的特性：高临界击穿电场(～3.5×106V/cm)、高电子迁移率(～2000cm2/Vs)、高的二维电子气(2-DEG)浓度(～1013cm-2)和良好的高温工作能力等。基于AlGaN/GaN(或AlInN/GaN)异质结高电子迁移率晶体管(HEMT)(或异质结场效应晶体管HFET，调制掺杂场效应晶体管MODFET，以下统称为HEMT器件)在半导体领域已经得到应用，尤其是在射频/微波领域已经应用于无线通信、卫星通信等。另外，基于宽禁带氮化镓材料的该类器件具有反向阻断电压高、正向导通电阻低、工作频率高、效率高等特性，可以满足未来电力电子系统对功率开关器件更大功率、更高频率、更小体积、更低功耗和更恶劣工作环境的要求。
晶体管在半导体领域占有极其重要的地位，且近年来，基于氮化镓材料的异质结晶体管也已经取得了较大发展。然而，因氮化镓基异质结压电极化和自发极化产生二维电子气，使传统的氮化镓基晶体管为耗尽型器件(阈值电压为负值)，不便于电力电子系统的实际应用。因此，增强型氮化镓基晶体管的研究具有十分重要的意义。
实现增强型氮化镓晶体管，目标是耗尽栅极下方的二维电子气，从而使得器件的阈值电压大于零。目前比较常见的有三种方案。第一种方案是注入带负电的离子，离子注入后会将异质结势垒层的导带提高，耗尽负离子注入区域的二维电子气，实现增强型器件。第二种方案是生长p-GaN栅技术，通过栅极下方的p-GaN抬升整个异质结的导带，从而使耗尽异质结导电沟道中的二维电子气，实现增强型器件。第三种方案是减薄栅极下方异质结势垒层形成凹槽栅，降低极化电场，耗尽沟道内的二维电子气，实现增强型器件。在这些方法中，凹槽栅工艺更易于工艺实现并具有更高的稳定性，成为更具优势的一种GaN增强型器件实现方案。
减薄栅极下方的异质结势垒层最简单高效的方法是干法刻蚀(电感耦合等离子体刻蚀(ICP刻蚀)或反应离子刻蚀(RIE刻蚀))，目前主要使用氯气或氯化硼或两者混合的等离子体进行刻蚀，虽然这种方法形成凹槽的效率高，但其缺陷是刻蚀速率较快且不易控制、刻蚀后表面粗糙度高且刻蚀造成的晶格损伤会大大降低增强型沟道中的二维电子气迁移率进而大大降低增强型器件的性能。
发明内容
本发明的目的，就是针对上述问题，提供一种高效率、高精度、低损伤、稳定的氮化镓基增强型器件的制造方法。
本发明的技术方案：一种氮化镓基增强型器件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：在半导体衬底上层依次外延生长应力缓冲层、氮化镓层和异质结势垒层；
第二步：采用光刻技术，在异质结势垒层上表面两端器件的漏源极区域生成欧姆接触金属；
第三步：在欧姆接触金属之间的异质结势垒层上表面生长钝化层；
第四步：采用电感耦合等离子体刻蚀技术，使用III族氮化物气体的等离子体快速刻蚀器件栅极区域处的异质结势垒层，生成凹槽；刻蚀时间为20～1200秒，刻蚀深度为异质结势垒层总厚度的三分之一至三分之二；所述III族氮化物气体为氯气、氯化硼以及氯气和氯化硼混合气体中的一种；
第五步：采用氧气等离子体反应技术，使用氧气等离子体氧化第四步中未刻蚀的异质结势垒层，将异质结势垒层表面氧化；然后采用湿法刻蚀技术，将器件放入酸溶液或碱溶液中，去除表面氧化层；
第六步：采用亚纳米刻蚀技术，重复刻蚀异质结势垒层，将异质结势垒层蚀掉至剩余厚度为0.5～2nm；
第七步：在异质结势垒层上表面凹槽处沉积绝缘介质，生成栅极绝缘层；淀积绝缘介质后进行高温快速热退火；
第八步：采用光刻技术，在栅极绝缘层上生成栅极金属。
本发明的有益效果为，本发明在凹槽栅氮化镓基增强型器件的技术上，采用两步刻蚀方法，在保证刻蚀凹槽效率的同时，改善了刻蚀后势垒层的表面形貌、极大地降低了表面漏电，并能精确控制刻蚀精度达到埃量级本发明所公布的凹槽栅氮化镓基增强型器件在凹槽栅刻蚀中保留0.5～2nm的势垒层，该剩余的势垒层既可耗尽凹槽区域的二维电子气又可避免刻蚀过程中等离子体对异质结导电沟道的损伤，从而大幅提高增强型沟道中二维电子气的迁移率，使得器件的导通电阻大幅降低，器件的电流密度大幅提高。除此之外，本发明所采用的两步刻蚀法，均在低温下进行，避免了高温刻蚀或高温氧化对器件性能造成的损伤，因此利用本发明公布的方法可以获得性能更好的氮化镓基增强型器件。
附图说明
图1为实施例的结构示意图；
图2为实施例的制造工艺流程中在衬底上表面生成外延层后结构示意图；
图3为实施例的制造工艺流程中在异质结上表面淀积欧姆金属，并形成欧姆接触；
图4为实施例的制造工艺流程中在异质结上表面生长一层介质层；
图5为实施例的制造工艺流程中刻蚀掉凹槽区域上表面的介质层；
图6为实施例的制造工艺流程中对凹槽区域异质结势垒层进行第一步刻蚀；
图7为实施例的制造工艺流程中对凹槽区域异质结势垒层进行第二步刻蚀；
图8为实施例的制造工艺流程中在异质结上表面生长一层绝缘介质层；
图9为实施例的制造工艺流程中在凹槽区域淀积栅极金属；
图10为干法刻蚀后使用原子力显微镜得到的凹槽表面形貌及粗糙度；
图11为两步刻蚀法刻蚀后使用原子力显微镜得到的凹槽表面形貌及粗糙度；
图12为实施例中样品在两步刻蚀法刻蚀后使用原子力显微镜得到的凹槽深度图；
图13为本发明实施例制备的高性能氮化镓基增强型器件转移特性曲线与氮化镓基耗尽型器件转移特性曲线对比图；
图14为本发明实施例制备的高性能氮化镓基增强型器件输出特性曲线；
图15为本发明实施例制备的高性能氮化镓基增强型器件低场迁移率曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述
本发明公布了一种高效率、高精度、低损伤、稳定的III族氮化物(III-Nitride)刻蚀方法，在保证刻蚀效率的同时，有效改善III族氮化物刻蚀后的表面形貌，降低刻蚀后的表面漏电，该方法能够提高氮化镓基凹槽栅增强型器件沟道的二维电子气迁移率，获得高性能氮化镓基增强型器件。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于两步刻蚀法的高性能氮化镓基增强型器件的制备方法，其包括以下步骤：
(1)利用金属有机化学气相淀积或分子束外延，在衬底上依次生长应力缓冲层、氮化镓层和异质结势垒层；
(2)采用光刻技术，蒸发(或溅射)欧姆金属，并在纯氮气环境下进行快速热退火；
(3)采用离子注入技术或干法刻蚀台面技术，形成器件间隔离；
(4)采用等离子体增强化学气相沉积或低压力化学气相沉积或原子层沉积或感应耦合等离子体化学气相沉积或物理气相沉积或磁控溅射，在异质结势垒层上均匀生长一层介质层作为凹槽栅刻蚀的刻蚀掩膜层；
(5)采用两步刻蚀法在栅极下方异质结势垒层至二维电子气沟道之间形成一个凹槽。第一步为快速刻蚀，采用电感耦合等离子体刻蚀技术，使用氯气或氯化硼或两者混合的等离子体快速刻蚀异质结势垒层，刻蚀时间为20～1200秒，刻蚀深度为异质结势垒层总厚度的三分之一至三分之二。第二步为慢速刻蚀，采用氧气等离子体反应技术，使用氧气等离子体氧化剩余的异质结势垒层，将异质结势垒层表面氧化；然后采用湿法刻蚀技术，将氮化镓基材料放入酸溶液或碱溶液中，去除表面氧化层。第二步慢速刻蚀技术为亚纳米刻蚀，调整氧气流量、RF功率、腔体压力、腔体温度等参数，慢速刻蚀技术速率为0.1～1nm/次，如表1所示。重复该慢速刻蚀技术，将异质结势垒层一层一层刻蚀掉，直至异质结势垒层剩余厚度为0.5～2nm。
(6)采用原子层沉积或等离子体增强化学气相沉积或低压力化学气相沉积或感应耦合等离子体化学气相沉积或物理气相沉积或磁控溅射，在异质结势垒层表面沉积上绝缘介质，作为栅极绝缘层。
(7)淀积绝缘介质后进行高温快速热退火，改善栅极绝缘层质量及栅介质与半导体之间的界面质量，减少栅极绝缘介质层中的可移动电荷。退火温度为400～500摄氏度，时间为1～10分钟。
(8)采用光刻技术，蒸发(或溅射)栅极金属。
表1.不同条件下慢速刻蚀的速率
进一步地，步骤(1)所述异质结势垒层为AlGaN、AlInN、InGaN、AlInGaN、AlN材料中的一种或任意几种组合，该异质结势垒层为非掺杂层或n型掺杂层；
进一步地，步骤(2)所述欧姆金属为但不限于Ti/Al/Ni/Au，快速热退火温度为850℃～900℃，时间为30～50秒，淀积欧姆金属的方法为电子束蒸发或磁控溅射。
进一步地，步骤(5)所述两步刻蚀法，第一步刻蚀温度为20～70℃，第二步刻蚀温度为20～150℃，均为低温刻蚀。
进一步地，步骤(6)所述绝缘介质层为Al2O3、AlN、SiO2、SiNx、HfO2、MgO、Sc2O3、Ga2O3、LaLuO3、AlHfOx、HfSiON中的任一种或任意几种组合，厚度在1～200nm之间。
进一步地，步骤(8)所述栅极金属包括Ni、Au、Ir、Pd、Pt、Mo、Se、Be、W、TiN、Ta、TaN中的任一种或任意几种组合。
实施例：
本实施例的结构图如图1所示，包括衬底1及生长于衬底1之上的外延层，其中外延层由下往上依次为应力缓冲层2、氮化镓层3及异质结势垒层4，在源、漏极区域上蒸发(或溅射)欧姆接触金属5，在异质结势垒层4上均匀生长一层介质层6作为栅极下方凹槽刻蚀的刻蚀掩膜层，在栅极下方区域使用两步刻蚀法在异质结势垒层4至GaN层3之间形成一个凹槽，在异质结势垒层4表面沉积绝缘介质7，栅极区域蒸发(或溅射)栅极金属8。
异质结势垒层4为AlGaN、AlInN、InGaN、AlInGaN、AlN材料中的一种或任意几种组合，该异质结势垒层为非掺杂层或n型掺杂层；GaN层3为高阻GaN层。
绝缘介质层7为Al2O3、AlN、SiO2、SiNx、HfO2、MgO、Sc2O3、Ga2O3、LaLuO3、AlHfOx、HfSiON中的任一种或任意几种组合，厚度在1～200nm之间。
欧姆接触金属5为Ti/Al/Ni/Au合金，栅极金属8包括以下一种或多种组合Ni、Au、Ir、Pd、Pt、Mo、Se、Be、W、TiN、Ta或TaN。
图2-图9为本发明高性能氮化镓基增强型器件的制备方法的工艺步骤示意图,其工艺流程如下：
(1)利用金属有机化学气相淀积或分子束外延，在衬底1上依次生长应力缓冲层2、GaN层3和异质结势垒层4，如图2所示；
(2)采用光刻技术，蒸发(或溅射)欧姆接触金属5，并进行快速热退火，如图3所示；
(3)采用离子注入技术或干法刻蚀台面技术，形成器件间隔离；
(4)采用等离子体增强化学气相沉积，在异质结势垒层上均匀生长一层钝化层，如图4所示。采用光刻技术，光刻出凹槽区域图形，用湿法刻蚀或干法刻蚀将凹槽区域上面的钝化层刻蚀掉，其余钝化层作为凹槽刻蚀的刻蚀掩膜层，如图5所示；
前面四步的目的是在凹槽刻蚀前，将非凹槽区域用钝化层保护起来，凹槽区域裸露出来，在下一步骤进行刻蚀。
(5)采用两步刻蚀法在栅极下方异质结势垒层4至二维电子气沟道之间形成一个凹槽。第一步为快速刻蚀，采用电感耦合等离子体刻蚀技术，使用氯气和氯化硼混合等离子体快速刻蚀异质结势垒层，刻蚀时间为150秒，刻蚀深度约为异质结势垒层总厚度的三分之二(15nm)，如图6所示。第二步为慢速刻蚀，采用氧气等离子体反应技术，使用氧气等离子体氧化异质结势垒层，将异质结势垒层表面氧化；然后采用湿法刻蚀技术，将氮化镓基材料放入浓度为20％的稀盐酸溶液中，去除表面氧化层。慢速刻蚀技术为亚纳米刻蚀，慢速刻蚀技术的速率为0.5nm/次。重复该慢速刻蚀技术十次，刻蚀深度约为5nm，如图7所示。氮化镓基材料异质结势垒层厚度为21.5nm，使用原子力显微镜测得此时异质结势垒层刻蚀深度约为20nm，剩余1.5nm，如图12所示。
(6)采用原子层沉积技术，在异质结势垒层4表面沉积20nm绝缘介质，作为栅极绝缘层7，如图8所示。
(7)淀积绝缘介质后进行400摄氏度，10分钟的快速热退火，改善栅极绝缘层7质量及栅极绝缘层7与异质结势垒层4之间的界面质量，减少栅极绝缘介质层7中的可移动电荷。
(8)采用光刻技术，蒸发(或溅射)栅极金属8，如图9所示。
两步刻蚀法刻蚀异质结势垒层4，可以精确控制刻蚀精度达到埃量级在凹槽栅刻蚀中保留1.5nm的势垒层，该剩余的势垒层既可耗尽凹槽区域的二维电子气又可避免刻蚀过程中等离子体对异质结导电沟道的损伤，从而大幅提高增强型沟道中二维电子气的迁移率，使得器件的导通电阻大幅降低，器件的电流密度大幅提高。除此之外，本发明所采用的两步刻蚀法，均在低温下进行，避免了高温刻蚀或高温氧化对器件性能造成的损伤，因此利用本发明公布的方法可以获得性能更好的氮化镓基增强型器件。
相比单纯采用氯气或氯化硼或两者混合的等离子体干法刻蚀，利用本发明所公布的两步刻蚀法所刻蚀的III族氮化物表面粗糙度降低65.4％，如图10、11所示。
栅极绝缘层7的厚度的控制既要满足栅极金属8能很好的控制沟道的导电特性，也要保持良好的栅极绝缘性。
图13为该实施例所制备的高性能氮化镓基增强型器件的转移特性曲线与氮化镓基耗尽型器件转移特性曲线对比图。图14为本发明实施例制备的高性能氮化镓基增强型器件输出特性曲线；该增强型器件线性外推法得到阈值电压为1.4V，最大跨导为172mS/mm，栅-源电压为8V时，最大输出电流为630mA/mm，最大跨导和最大输出电流与耗尽型器件基本一致(如图13)，低场迁移率为272cm2/V·s(如图15)。
Claims (1)
1.一种氮化镓基增强型器件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：在半导体衬底上层依次外延生长应力缓冲层、氮化镓层和异质结势垒层；
第二步：采用光刻技术，在异质结势垒层上表面两端器件的漏源极区域生成欧姆接触金属；
第三步：在欧姆接触金属之间的异质结势垒层上表面生长钝化层；
第四步：采用电感耦合等离子体刻蚀技术，使用III族氮化物气体的等离子体快速刻蚀器件栅极区域处的异质结势垒层，生成凹槽；刻蚀时间为20～1200秒，刻蚀深度为异质结势垒层总厚度的三分之一至三分之二；所述III族氮化物气体为氯气、氯化硼以及氯气和氯化硼混合气体中的一种；
第五步：采用氧气等离子体反应技术，使用氧气等离子体氧化第四步中未刻蚀的异质结势垒层，将异质结势垒层表面氧化；然后采用湿法刻蚀技术，将器件放入酸溶液或碱溶液中，去除表面氧化层；
第六步：采用亚纳米刻蚀技术，重复刻蚀异质结势垒层，将异质结势垒层蚀掉至剩余厚度为0.5～2nm；
第七步：在异质结势垒层上表面凹槽处沉积绝缘介质，生成栅极绝缘层；淀积绝缘介质后进行高温快速热退火；
第八步：采用光刻技术，在栅极绝缘层上生成栅极金属。
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