一種提高GaNHEMT鈍化效果、降低電流崩塌的表面處理技術的製作方法

2023-06-29 21:49:26

本發明屬於微電子技術領域，涉及氮化鎵基電子器件製備

背景技術：

gan材料以其禁帶寬度大、飽和電子漂移速度高、臨界擊穿電場強、熱導率高等優越性能而備受關注。相比於其它三五族半導體材料，gan基異質結因其在不摻雜時通過強自發極化效應能產生極高濃度的二維電子氣，更是使其成為第三代半導體材料中的首選。gan材料優越的性能使其在射頻微波和電力電子領域有著廣闊的應用前景。

gan基電子器件主要基於algan/gan異質結結構。如前所述，在常規的algan/gan異質結結構中，由於強自發極化效應，在異質結界面存在高濃度的二維電子氣，亦即常規的氮化鎵基高電子遷移率電晶體(ganhemt)。

由於受生長條件限制，在(al)gan材料生長時表面會產生一些缺陷和懸掛鍵，雖然表面鈍化技術能夠在一定程度上減小缺陷和懸掛鍵密度，但鈍化作用並不徹底，當器件工作在關態時，電子會通過柵極注入到靠近漏極的表面，當器件從關態切換到開態時，器件表面俘獲的電子來不及釋放，會在二維電子氣溝道中形成附加耗盡區，導致電流崩塌。

為了提高表面鈍化效果，降低電流崩塌，需要在鈍化層澱積之前，得到一個完美的氮化鎵表面，完美的表面是沒有任何有機和無機汙染，沒有任何氧化物，沒有任何由於高溫工藝引起分解的表面，這樣的表面才能和鈍化層形成良好的界面，提高鈍化表面的效果。目前業界常用的方法，有基於氮氣、氨氣、氧氣等離子體的表面處理，但是等離子體會在氮化鎵表面產生損傷，進一步加重電流崩塌；而且上述表面並不能移除氮化鎵表面的缺陷層，可能在氮化鎵的表面新生成一層薄膜，降低表面鈍化左右；氮化鎵的表面氮化、氧化具有自停止性，一次處理處理並不能完全移除氮化鎵表面的缺陷。基於上述存在的問題，一方面考慮降低表面處理技術帶來的損傷，一方面要徹底移除表面的缺陷層，發明了多周期基於臭氧氧化、鹽酸腐蝕的表面處理技術，能夠在不損傷氮化鎵表面和溝道二維電子氣的基礎上，徹底移除表面的缺陷，在鈍化層澱積前得到完美的表面，顯著提高表面鈍化效果。

技術實現要素：

本發明從電流崩塌最根本的機理出發，表面缺陷的陷阱效應是電流崩塌的根本原因，表面鈍化技術只在一定程度上減少了表面的懸掛鍵密度，從氮化鎵表面到體內，幾個原子層範圍內的缺陷仍然存在，引起電流崩塌，只有徹底把這一層不完美的表面移除掉，與鈍化層形成一個良好的界面，這不僅對製備的器件的直流特性，而且對器件的動態、微波特性都有顯著的提高，能夠製備出高性能、高穩定的氮化鎵基電子器件。

本發明的技術思路，傳統的表面處理技術都是通過一些表面處理在氮化鎵的表面生成一層薄膜，但該種方法從某些程度上可以提高器件的性能，但表面的缺陷仍然存在，並沒有從根本上解決電流崩塌；另一方面，表面處理技術必須在對氮化鎵表面無損傷的前提下進行，由於氮化鎵是強極化材料，表面性質變化嚴重影響器件的性能，所以傳統的基於等離子體處理的方法會對氮化鎵的表面產生不可逆的損傷，引起器件的性能衰退；臭氧是一種強氧化劑，能夠把氮化鎵表面一些含碳的頑固有機物氧化，在高溫下變成氣體揮發掉，能夠在徹底清洗表面的同時又不會在氮化鎵表面引入新的損傷；雖然臭氧是強氧化劑，但其對氮化鎵材料的氧化非常有限，因為新生成的氧化物會阻擋氧化劑進一步氧化下層材料，每一次氧化的深度在若干個原子層之內，進行完一次氧化以後需要使用鹽酸等酸性溶液把生成的氧化物移除掉，從原子力顯微鏡結果看出，經過一次表面處理的氮化鎵表面就會出現明顯的原子臺階，說明該表面處理技術具有原子層面的清洗特性；由於每一周期的臭氧氧化、鹽酸腐蝕對氮化鎵表面的缺陷移除非常有限，所以需要多周期臭氧氧化、鹽酸腐蝕才能徹底移除氮化鎵表面含有缺陷的非完美層。

依據上述技術思路，一種基於臭氧氧化、鹽酸腐蝕的多周期表面處理技術，所述技術包括在矽、藍寶石、碳化矽襯底上外延的algan/gan異質結結構的材料，外延材料結構包括gan溝道層，aln插入層，algan勢壘層，gan蓋帽層，表面沒有進行任何半導體工藝或者表面已經完成歐姆和肖特基電極工藝。使用臭氧處理樣品表面，每次處理時間20分鐘到60分鐘，溫度50到100攝氏度，臭氧處理完成後，樣品放入飽和濃鹽酸(38％)或者飽和濃鹽酸比水1比10或者飽和濃鹽酸比水1比5的溶液中，腐蝕時間為1到5分鐘，溫度為室溫，一次臭氧氧化和一次鹽酸腐蝕定位一個周期，在鈍化層澱積之前對樣品進行表面處理5個周期，鈍化層為氮化矽、氧化矽、氧化鋁、氮化鋁等，澱積方式為等離子體增強化學氣相沉積、低壓化學氣相沉積、原子層沉積等。

該結構中各層組成成分及材料種類如下所示：

所述襯底材料為以下材料中的一種：矽、碳化矽、藍寶石。

所述的algan層中al的組分在0和1之間。

所述的algan層的厚度在0和25nm之間。

所述的aln溝道層的厚度在0和3nm之間。

所述的gan溝道層的厚度在0和5μm之間。

所述的gan蓋帽層的厚度在0和3nm之間。

所述的鈍化層的材料可以為：si3n4、sio2、sion、aln、al2o3。

這種新型表面處理技術包括以下具體步驟：

(1)在襯底上按照一定的生長條件依次生長gan溝道層，aln插入層、algan勢壘層，gan蓋帽層；

(2)對生長好的gan/algan/aln/gan材料進行光刻和刻蝕(或者離子注入)，形成有源區臺面；

(3)對製備好有源區臺面的gan/algan/aln/gan材料進行光刻，刻蝕出源漏歐姆接觸區，通過電子束蒸發或者磁控濺射製備歐姆接觸金屬並進行剝離，最後在氮氣環境中於800℃～900℃之間快速熱退火(一般30s)，形成歐姆接觸；

(4)形成源漏歐姆接觸之後，使用上述臭氧氧化、鹽酸腐蝕的表面處理技術處理樣品2到10周期，完成表面處理工藝；

(5)完成樣品表面處理後，立即在樣品表面gan蓋帽層或者algan勢壘層上用pecvd、icpcvd或者lpcvd生長鈍化層；

(6)光刻刻蝕出柵電極區域，用電子束蒸發或者磁控濺射生長如前所述的合金柵電極材料，隨後對器件進行剝離工藝處理形成柵電極，最後在氮氣環境下對整個晶元進行退火處理，完成整體器件的製備；

表面處理工藝(4)和鈍化層澱積工藝(5)也可以在材料生長(1)完成之後進行。

本發明具有如下優點：

(1)通過無損傷強氧化劑把材料表面的汙染物、富含缺陷的表面層轉變成可以被溼法腐蝕的物質；

(2)因為強氧化劑對(al)gan的氧化具有自停止性，每一次氧化的深度僅為幾個原子層，所以每一次氧化、腐蝕的厚度穩定，工藝穩定性高，易於控制，避免了用其他氧化、腐蝕方法來解薄(al)gan時的速率過快帶來對溝道二維電子氣的損傷。

(3)該表面處理方法具有的多周期、穩定刻蝕速率、高可靠性的特點，能夠在工業化生產中得到廣泛使用。

附圖說明

通過參照附圖能更加詳盡地描述本發明以及本發明的示例性實施例，在附圖中：

圖1～圖5是本發明技術應用於肖特基柵ganhemt器件製備工藝過程示意圖，反應了本發明工藝的技術要點。

具體實施方式

在下文中，將參照附圖更充分地描述本發明，以使本發明的技術手段、創作特徵、工作流程、使用方法達成目的與功效易於明白了解。所描述的實施例僅僅是本發明中的一種實現形式，即本發明不應該解釋為局限於在此闡述的實施例。基於該實施例，將本發明的範圍充分地傳達給本領域技術人員。

在下文中，將參照附圖更詳細地描述本發明的示例性實施例。其製備方法包括以下具體步驟：

(1)如圖1所示，在si襯底上(襯底也可以是sic或者藍寶石)，首先用mocvd生長一層gan溝道層，在其之上生長一層aln插入層，再生長24nm的algan，最後生長gan表面蓋帽層。

(2)在以上結構基礎上，通過光刻形成有源區臺面，然後在有源區區域中光刻出源漏電極圖形，通過電子束蒸發ti/au/ni/au四種金屬，採用剝離工藝製備出源區和漏區的金屬電極，並在900℃氮氣氛圍中進行快速退火30秒，形成歐姆接觸，其剖面圖如圖2所示；

(3)形成源漏歐姆接觸之後，使用臭氧清洗機處理樣品表面20分鐘，腔體溫度80攝氏度，如圖3所示；

(4)臭氧處理完成後，接下來用鹽酸腐蝕臭氧生成的氧化物，所用鹽酸與水的比例為1∶10，浸泡時間為1分鐘，如圖5所示，重複臭氧氧化、鹽酸腐蝕5周期，如圖3所示；

(5)完成樣品表面處理後，立即在樣品表面gan蓋帽層或者algan勢壘層上用pecvd、icpcvd或者lpcvd生長鈍化層，如圖4所示；

(6)光刻刻蝕出柵電極區域，用電子束蒸發或者磁控濺射生長如前所述的合金柵電極材料，隨後對器件進行剝離工藝處理形成柵電極，最後在氮氣環境下對整個晶元進行退火處理，完成整體器件的製備，如圖5所示；

(7)表面處理工藝(3)～(4)和鈍化層澱積工藝(5)也可以在材料生長(1)完成之後進行。