專利名稱：一種提高氮化鎵基場(chǎng)效應(yīng)晶體管性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及寬禁帶半導(dǎo)體材料器件制作技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種提高 氮化鎵基場(chǎng)效應(yīng)晶體管性能的方法。
背景技術(shù)：
氮化鎵(GaN)作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料，以其禁帶寬度大 (3.4eV)、擊穿電壓高(3.3MV/cm)、 二維電子氣濃度高(>10'3cm2)、飽 和電子速度大(2.8xl07cm/s)等特性在國(guó)際上受到廣泛關(guān)注。目前，氮化 鎵基場(chǎng)效應(yīng)晶體管(AlGaN/GaNHEMT)器件的高頻、高壓、高溫以及大 功率特性，使之在微波功率器件方面有著巨大的應(yīng)用前景。
雖然鋁鎵氮/氮化鎵(AlGaN/GaN) HEMT器件的性能近年來(lái)得到了 長(zhǎng)足的進(jìn)展，尤其在高頻大功率方面，但是仍有t艮多問(wèn)題沒(méi)有解決，關(guān)鍵 的兩個(gè)問(wèn)題是電流崩塌效應(yīng)和柵反向漏電增大。電流崩塌效應(yīng)成為邁向?qū)?用化和產(chǎn)業(yè)化的瓶頸問(wèn)題。因此，在AlGaN/GaN HEMT制作過(guò)程中，采 用PECVD淀積Si3N4對(duì)器件表面進(jìn)行鈍化，對(duì)抑制電流崩塌效應(yīng)有一定 的功效。
采用常規(guī)鈍化方法制作的GaN基HEMT器件，通常的工藝步驟為 步驟1、電子束直寫(xiě)光刻或者普通光學(xué)光刻，形成電子束對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記， 蒸發(fā)^示記金屬；
步驟2、電子束直寫(xiě)或者直接普通光學(xué)光刻源漏圖形，并蒸發(fā)源漏金 屬，退火，使源漏金屬與襯底材料形成良好的歐姆接觸； 步驟3、有源區(qū)隔離；
步驟4、電子束直寫(xiě)制作柵線條，蒸發(fā)柵金屬； 步驟5、 PECVD淀積氮化硅鈍化； 步驟6、金屬布線； 步驟7、制作空氣橋。研究發(fā)現(xiàn)，AlGaN/GaN HEMT電流崩塌效應(yīng)和柵反向泄漏電流都和 AlGaN的表面狀況有直接的關(guān)系。由于材料生長(zhǎng)的限制以及AlGaN表面 裸露情況，AlGaN表面的表面態(tài)問(wèn)題和表面原始氧化層問(wèn)題，在理論上和 實(shí)踐過(guò)程中一直都沒(méi)有得到有效的改善和抑制，這嚴(yán)重影響了 GaN基 HEMT的功率特性和可靠性，成為向?qū)嵱没~進(jìn)的瓶頸。
目前的表面鈍化方法存在以下幾個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題
1、 AIGaN表面存在表面態(tài)和表面原始氧化層，并沒(méi)有因?yàn)榈桠g 化而消除或者降低表面態(tài)濃度，PECVD淀積氮化硅鈍化，在AlGaN和氮 化硅界面存在的表面態(tài)和原始氧化層，使得依然存在一定程度的電流崩塌 效應(yīng)。
2、 AlGaN表面存在的原始氧化層，使得氮化硅鈍化之后，柵金屬邊 緣的電場(chǎng)有較大幅度增大，從而使得氮化硅鈍化后柵反向泄漏電流出現(xiàn)較 大程度的增加，這將嚴(yán)重影響器件的擊穿電壓，并可能使器件的功率增益 有較大程度的降低。
3、 鈍化后在AlGaN和氮化硅界面存在的原始氧化層和表面態(tài)具有不 穩(wěn)定性的特點(diǎn)，在長(zhǎng)時(shí)間高頻高電場(chǎng)應(yīng)力作用下，嚴(yán)重影響器件的穩(wěn)定性 和可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
(一) 要解決的技術(shù)問(wèn)題
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于一種提高氮化鎵基場(chǎng)效應(yīng)晶體管性 能的方法，以解決AlGaN表面長(zhǎng)期存在的表面原始氧化層，消除表面氧 化層誘生的AlGaN表面態(tài)，并解決AlGaN和氮化硅界面存在的表面態(tài)和 表面原始氧化層誘生的電流崩塌效應(yīng)以及常規(guī)鈍化引起的柵反向漏電大 幅度增加的問(wèn)題，提高GaN基HEMT的穩(wěn)定性和可靠性。
(二) 技術(shù)方案
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種提高氮化鎵基場(chǎng)效應(yīng)晶體管性能 的方法，該方法包括在制作氮化鎵基場(chǎng)效應(yīng)晶體管的過(guò)程中，在對(duì)氮化 鎵基場(chǎng)效應(yīng)晶體管進(jìn)行鈍化之前，采用混合預(yù)處理溶液對(duì)器件表面進(jìn)行表面預(yù)處理，然后在進(jìn)行表面預(yù)處理后的器件表面淀積氮化硅和富氧氮化硅 復(fù)合介質(zhì)層，對(duì)氮化鎵基場(chǎng)效應(yīng)晶體管進(jìn)行鈍化。
上述方案中，所述采用混合預(yù)處理溶液對(duì)器件表面進(jìn)行表面預(yù)處理的 步驟包括采用由氫氟酸、鹽酸和水形成的預(yù)處理混合溶液，在室溫條件 下，利用密閉容器對(duì)氮化鎵基場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行表面預(yù)處理。
上述方案中，所述預(yù)處理混合溶液中氫氟酸、鹽酸和水的化學(xué)配比為 1: 4: 20。
上述方案中，所述在室溫條件下進(jìn)行表面預(yù)處理的時(shí)間為1至2分鐘。 上述方案中，所述對(duì)氮化鎵基場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行表面預(yù)處理在密閉容器中進(jìn)行。
上述方案中，所述淀積氮化硅和富氧氮化硅復(fù)合介質(zhì)層的步驟包括 采用PECVD方法在進(jìn)行表面預(yù)處理后的器件表面淀積一層厚度為2000 A 的氮化硅，然后在該氮化硅層上淀積一層厚度為1000A的富氧氮化硅。
上述方案中，所述氮化硅中硅氮化學(xué)配比為1: 0.82，所述富氧氮化 硅中硅氧氮化學(xué)配比為l: 0.42: 0.83。
(三)有益效果
從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果
1、 利用本發(fā)明，由于采用化學(xué)配比HF:HCl:H2O=l:4:20的混合預(yù)處 理溶液對(duì)AlGaN表面進(jìn)行表面預(yù)處理，腐蝕AlGaN表面原始氧化層，消 除由于氧化層引起的AlGaN表面態(tài)，減小了表面態(tài)密度，有效的解決了 表面氧化層引起的AlGaN表面態(tài)存在誘生的AlGaN/GaN HEMTs電流崩塌效應(yīng)。
2、 利用本發(fā)明，由于釆用HF:HCl:H2O=l:4:20的混合溶液對(duì)AlGaN 表面進(jìn)行腐蝕預(yù)處理，腐蝕AlGaN表面原始氧化層，特別是金屬柵與 AlGaN接觸邊緣的氧化層，有效地減小柵邊緣泄漏電流，并降低柵反向泄 漏電流渠道，有效地解決了常規(guī)方法鈍化引起的柵反向泄漏電流大幅度增 加的問(wèn)題。
3、 利用本發(fā)明，采用HF:HC1:H20=1:4:20的混合溶液對(duì)AlGaN表面 進(jìn)行腐蝕預(yù)處理后，立即采用PECVD淀積氮化硅和富氧氮化硅復(fù)合結(jié)構(gòu)，鈍化AlGaN表面態(tài)，有效地保護(hù)經(jīng)過(guò)處理得AlGaN新鮮表面，避免AlGaN 表面再次被氧化激活表面態(tài)，抑制了 AlGaN/GaNHEMTs電流崩塌效應(yīng)， 提高了 AlGaN/GaNHEMTs的穩(wěn)定性和可靠性。
4、 利用本發(fā)明，將表面預(yù)處理技術(shù)和鈍化相結(jié)合的新型鈍化技術(shù)， 清除AlGaN表面原始氧化層，消除表面氧化層引起的AlGaN表面態(tài)，減 小了 AlGaN和氮化硅之間的界面態(tài)，有效的解決了鈍化引起的AlGaN/GaN HEMT柵反向泄漏電流大幅度增加的問(wèn)題，抑制電流崩塌效應(yīng)，增強(qiáng)器件 的穩(wěn)定性和可靠性。
5、 本發(fā)明提供的這種方法適用于各種GaN基外延材料的FET器件體系。


圖1為本發(fā)明所基于的GaN基場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明提供的提高GaN基場(chǎng)效應(yīng)晶體管性能的實(shí)現(xiàn)流程圖3為依照本發(fā)明實(shí)施例制作的GaN基場(chǎng)效應(yīng)管的肖特基特性示意
圖4為依照本發(fā)明實(shí)施例制作的GaN基場(chǎng)效應(yīng)管的擊穿特性示意圖； 圖5為依照本發(fā)明實(shí)施例制作的GaN基場(chǎng)效應(yīng)管的電流崩塌效應(yīng)示 意圖6為依照本發(fā)明實(shí)施例制作的GaN基場(chǎng)效應(yīng)管的電學(xué)可靠性示意
圖7為依照本發(fā)明實(shí)施例制作的GaN基場(chǎng)效應(yīng)管的功率性能示意圖。
具體實(shí)施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí) 施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
如圖1所示，圖1為本發(fā)明所基于的GaN基場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖， 該GaN基場(chǎng)效應(yīng)管包括柵極，位于柵極兩側(cè)的源極和漏極；其中，柵 極、源極和漏極位于襯底材料頂層鋁鎵氮(AlGaN)外延層上，源極與 AlGaN外延層以及漏極與AlGaN外延層之間通過(guò)退火合金形成歐姆接觸。在源極和漏極之間的AlGaN外延層上通過(guò)電子束直寫(xiě)或光學(xué)光刻的方法 制作柵線條，所述的柵極通過(guò)蒸發(fā)金屬形成在AlGaN外延層上。在源漏 之間(包括金屬柵頂層)淀積氮化硅(SiN)和富氧氮化硅(SiON)的復(fù)合層結(jié)
構(gòu)薄膜。
本發(fā)明的核心思想包括在制作氮化鎵基場(chǎng)效應(yīng)晶體管的過(guò)程中，在
對(duì)氮化鎵基場(chǎng)效應(yīng)晶體管進(jìn)行鈍化之前，采用化學(xué)配比
HF:HCl:H2O=l:4:20的混合預(yù)處理溶液對(duì)AlGaN表面進(jìn)行表面預(yù)處理，腐 蝕AlGaN表面原始氧化層，特別是金屬柵邊緣的氧化層，消除由于氧化 層引起的AlGaN表面態(tài)，減小了表面態(tài)密度；然后采用PECVD淀積氮化 硅和富氧氮化硅復(fù)合結(jié)構(gòu)，鈍化AlGaN表面態(tài)，有效地保護(hù)經(jīng)過(guò)處理得 AlGaN新鮮表面，避免AlGaN表面再次被氧化激活表面態(tài)。
基于圖1所示的GaN基場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2示出了為本發(fā) 明提供的提高GaN基場(chǎng)效應(yīng)晶體管性能的實(shí)現(xiàn)流程圖，該方法包括以下 步驟
步驟201:對(duì)襯底材料采用光刻方法進(jìn)行光刻，形成光刻對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記， 蒸發(fā)標(biāo)記金屬；
在本步驟中，所述采用的光刻方法為電子束直寫(xiě)光刻，或?yàn)槠胀ü鈱W(xué) 光刻。
步驟202:對(duì)襯底材料采用光刻的方法進(jìn)行光刻，并蒸發(fā)源漏金屬，
退火，使源漏金屬與襯底材料形成良好的歐姆接觸；
在本步驟中，所述采用的光刻方法為普通光學(xué)光刻方法，所述退火溫 度為750至900。C。
步驟203:有源區(qū)離子注入隔離。
步驟204:電子束直寫(xiě)或光學(xué)光刻制作柵線條，蒸發(fā)柵金屬； 在本步驟中，所述柵線條尺寸為0.1 inm或ljum。 步驟205:采用混合預(yù)處理溶液對(duì)器件表面進(jìn)行表面預(yù)處理； 在本步驟中，所述混合預(yù)處理溶液為鹽酸氫氟酸混合溶液，該溶液的
化學(xué)配比為HF:HCl:H2O=l:4:20，所述預(yù)處理時(shí)間為1分鐘至2分鐘，預(yù)
處理過(guò)程在密閉容器中進(jìn)行。步驟206:采用PECVD方法淀積氮化硅、富氧氮化硅復(fù)合介質(zhì)層；
在本步驟中，所述的氮化硅厚度為2000A，富氧氮化硅厚度為1000 A; 所述的氮化硅的硅氮化學(xué)配比為h 0.82，富氧氮化硅的硅氧氮化學(xué)
配比為1: 0.42: 0.83。
步驟207:金屬布線，形成GaN基場(chǎng)效應(yīng)管。
步驟208:對(duì)制作的GaN基場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行測(cè)試分析。
在對(duì)形成的GaN基場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行測(cè)試分析時(shí)，對(duì)該GaN基場(chǎng)效應(yīng)管 進(jìn)行直流測(cè)試，從圖3所示的肖特基特性測(cè)試曲線可以看出，肖特基反向 泄漏電明顯減少，在Vgd^20V的條件下，其數(shù)值比末經(jīng)過(guò)表面預(yù)處理的 常規(guī)鈍化方法鈍化的AlGaN/GaN HEMT器件肖特基反向漏電下降了 1個(gè) 數(shù)量級(jí)以上。這是由于預(yù)處理混合溶液清除AlGaN表面的原始氧化層， 特別是金屬柵與AlGaN接觸邊緣的氧化層，減小了柵邊緣電場(chǎng)強(qiáng)度，有 效地減小柵邊緣泄漏電流，并通過(guò)清除AlGaN和氮化硅之間的氧化層降 低柵反向泄漏電流渠道。另一方面，氟離子的處理，能對(duì)減小肖特基反向 泄漏電流有一定的影響。
HF:HCl:H2O=l:4:20的預(yù)處理混合溶液清除AlGaN表面的原始氧化 層，特別是金屬柵與AlGaN接觸邊緣的氧化層，有利于改變柵邊緣電場(chǎng) 分布，減小了柵邊緣的電場(chǎng)，能有效提高了器件的擊穿電壓。從圖4所示 的擊穿電壓測(cè)試可以看出，在溝道被夾斷的情況下，GaN基場(chǎng)效應(yīng)管的柵 ——漏擊穿電壓大于IOOV。這一特性可以使得GaN基場(chǎng)效應(yīng)管可以在更 大的電壓下工作，提高了功率輸出的潛力。
采用HF:HCl:H2O=l:4:20的混合預(yù)處理溶液對(duì)AlGaN表面進(jìn)行表面預(yù) 處理，腐蝕AlGaN表面原始氧化層，消除由于氧化層引起的AlGaN表面 態(tài)，經(jīng)過(guò)氮化硅和富氧氮化硅復(fù)合介質(zhì)鈍化后，AlGaN和氮化硅之間的界 面態(tài)的密度大幅度減小，能有效解決AlGaN表面態(tài)存在引起的AlGaN/GaN HEMTs電流崩塌效應(yīng)。從圖5所示的電流崩塌效應(yīng)測(cè)試可以看出，在脈 沖信號(hào)的脈沖周期為200納秒的條件下，器件只有微弱的電流崩塌現(xiàn)象。 這一特性可以使得GaN基場(chǎng)效應(yīng)管的有更強(qiáng)的射頻功率輸出能力。
采用HF:HCl:H2O=l:4:20的混合預(yù)處理溶液對(duì)AlGaN表面進(jìn)行表面預(yù)處理，清除AlGaN表面原始氧化層，清除AlGaN表面態(tài)，由氮化硅和富 氧氮化硅介質(zhì)鈍化，大幅度減小AlGaN和氮化硅之間的界面態(tài)的密度， 能有效提高AlGaN/GaN HEMT的電學(xué)可靠性。圖6示出器件電學(xué)可靠性 測(cè)試圖形。在直流偏置應(yīng)力作用下，IO小時(shí)之內(nèi)，器件的輸出電流只有微 弱的減小，這一特性使得AlGaN/GaN HEMT可以長(zhǎng)時(shí)間有效的工作，能 保證工作的穩(wěn)定性和可靠性。
采用HF:HCl:H2O=l:4:20的混合預(yù)處理溶液對(duì)AlGaN表面進(jìn)行表面預(yù) 處理，并經(jīng)過(guò)氮化硅和富氧氮化硅復(fù)合介質(zhì)鈍化后，有效解決AlGaN表 面態(tài)存在引起的AlGaN/GaN HEMTs電流崩塌效應(yīng)，增大AlGaN/GaN HEMT的功率特性。圖7示出測(cè)試的藍(lán)寶石襯底AlGaN/GaN HEMT功率 特性曲線圖。測(cè)試過(guò)程中，工作頻率為5.4GHz，直流偏置電壓為Vds=25V。 柵寬為120um器件的功率密度達(dá)到5.9/mm。連續(xù)測(cè)試AlGaN/GaN HEMTs 長(zhǎng)達(dá)1小時(shí)，功率性能退化微弱。
以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行 了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而 已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修 改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種提高氮化鎵基場(chǎng)效應(yīng)晶體管性能的方法，其特征在于，該方法包括在制作氮化鎵基場(chǎng)效應(yīng)晶體管的過(guò)程中，在對(duì)氮化鎵基場(chǎng)效應(yīng)晶體管進(jìn)行鈍化之前，采用混合預(yù)處理溶液對(duì)器件表面進(jìn)行表面預(yù)處理，然后在進(jìn)行表面預(yù)處理后的器件表面淀積氮化硅和富氧氮化硅復(fù)合介質(zhì)層，對(duì)氮化鎵基場(chǎng)效應(yīng)晶體管進(jìn)行鈍化。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高氮化鎵基場(chǎng)效應(yīng)晶體管性能的方法， 其特征在于，所述采用混合預(yù)處理溶液對(duì)器件表面進(jìn)行表面預(yù)處理的步驟 包括采用由氫氟酸、鹽酸和水形成的預(yù)處理混合溶液，在室溫條件下和密 閉容器條件下，對(duì)氮化鎵基場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行表面預(yù)處理。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的提高氮化鎵基場(chǎng)效應(yīng)晶體管性能的方法， 其特征在于，所述預(yù)處理混合溶液中氫氟酸、鹽酸和水的化學(xué)配比為1: 4:20。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的提高氮化鎵基場(chǎng)效應(yīng)晶體管性能的方法， 其特征在于，所述在室溫條件下進(jìn)行表面預(yù)處理的時(shí)間為1至2分鐘。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的提高氮化鎵基場(chǎng)效應(yīng)晶體管性能的方 法，其特征在于，所述對(duì)氮化鎵基場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行表面預(yù)處理在密閉容器中 進(jìn)行。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高氮化鎵基場(chǎng)效應(yīng)晶體管性能的方法， 其特征在于，所述淀積氮化硅和富氧氮化硅復(fù)合介質(zhì)層的步驟包括采用PECVD方法在進(jìn)行表面預(yù)處理后的器件表面淀積一層厚度為 2000 A的氮化硅，然后在該氮化硅層上淀積一層厚度為1000 A的富氧氮 化硅。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的提高氮化鎵基場(chǎng)效應(yīng)晶體管性能的方法， 其特征在于，所述氮化硅中硅氮化學(xué)配比為1: 0.82，所述富氧氮化硅中 硅氧氮化學(xué)配比為l: 0.42: 0.83。
全文摘要
本發(fā)明涉及寬禁帶半導(dǎo)體材料器件制作技術(shù)領(lǐng)域，公開(kāi)了一種提高氮化鎵基場(chǎng)效應(yīng)晶體管性能的方法，該方法包括在制作氮化鎵基場(chǎng)效應(yīng)晶體管的過(guò)程中，在對(duì)氮化鎵基場(chǎng)效應(yīng)晶體管進(jìn)行鈍化之前，采用混合預(yù)處理溶液對(duì)器件表面進(jìn)行表面預(yù)處理，然后在進(jìn)行表面預(yù)處理后的器件表面淀積氮化硅和富氧氮化硅復(fù)合介質(zhì)層，對(duì)氮化鎵基場(chǎng)效應(yīng)晶體管進(jìn)行鈍化。利用本發(fā)明，解決了AlGaN表面長(zhǎng)期存在的表面原始氧化層，消除了表面氧化層誘生的AlGaN表面態(tài)，并解決了AlGaN和氮化硅界面存在的表面態(tài)和表面原始氧化層誘生的電流崩塌效應(yīng)以及常規(guī)鈍化引起的柵反向漏電大幅度增加的問(wèn)題，提高了GaN基HEMT的穩(wěn)定性和可靠性。
文檔編號(hào)H01L21/335GK101414562SQ200710175969
公開(kāi)日2009年4月22日 申請(qǐng)日期2007年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月17日
發(fā)明者鍵 劉, 劉新宇, 劉果果, 和致經(jīng), 李誠(chéng)瞻, 王冬冬, 鄭英奎, 珂 魏, 俊 黃 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所